Пенсионный советник

Яблоко, трамвай и золотой век общей теории относительности

25 ноября исполняется 100 лет общей теории относительности

Екатерина Шутова 25.11.2015, 08:28
Восковая фигура Альберта Энштейна Shutterstock
Восковая фигура Альберта Энштейна

100 лет назад, 25 ноября 1915 года, Альберт Эйнштейн объявил полные математические подробности общей теории относительности (ОТО). Отдел науки «Газеты.Ru» напоминает о деталях создания этой теории, перевернувшей наши представления о пространстве и времени.

В 1687 году Исаак Ньютон в своем основном труде «Математические начала натуральной философии» вывел закон тяготения. Мир узнал, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. После нескольких десятилетий споров и проверок научное сообщество согласилось, что постулат Ньютона позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел. Впервые напрямую закон тяготения подтвердил британский физик и химик Генри Кавендиш. В 1798 году он сконструировал крутильные весы и измерил с их помощью силу притяжения двух сфер, определив гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли. Спустя некоторое время закон тяготения стал считаться фундаментальным законом природы.

Все изменил Эйнштейн

В 1859 году французский астроном Урбен Леверье заметил аномальное смещение перигелия (ближайшей к Солнцу точки орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы) Меркурия. Благодаря этой аномалии ученые поняли, что закон Ньютона не является абсолютным. Вопрос о мистическом смещении перигелия Меркурия оставался открытым вплоть до 1915 года — именно тогда легендарный физик Альберт Эйнштейн разработал ОТО, из уравнений которой вытекало точно такое значение отклонения, которое наблюдалось астрономами.

«Эйнштейну пришлось видоизменить законы тяготения в соответствии с принципами относительности, — говорил лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман. — Первый из этих принципов гласит, что расстояние Х нельзя преодолеть мгновенно, тогда как по теории Ньютона силы действуют мгновенно.

Эйнштейну пришлось изменить законы Ньютона.

Эти изменения, уточнения очень малы, одно из них состоит вот в чем: поскольку свет имеет энергию, энергия эквивалентна массе, а все массы притягиваются, — свет тоже притягивается и, значит, проходя мимо Солнца, должен отклоняться. Так оно и происходит на самом деле. Сила тяготения тоже слегка изменена в теории Эйнштейна. Но этого очень незначительного изменения в законе тяготения как раз достаточно, чтобы объяснить некоторые кажущиеся неправильности в движении Меркурия».

Байка гласит, что однажды Эйнштейн ехал в бернском трамвае и случайно взглянул на уличные часы. Ученого озарила потрясающая мысль: если бы сейчас трамвай разогнался до скорости света, то для пассажиров часы бы остановились, а времени бы не стало. Эйнштейн понял, что все зависит от точки отсчета, в которой находится наблюдатель, — и это озарение привело к созданию теории относительности.

Мы не знаем, насколько достоверна история про бернский трамвай (как не знаем, падало ли яблоко на голову Ньютона), но уверены в одном: формулирование ОТО — это результат долгого и кропотливого труда Нобелевского лауреата.

Кстати, по другой байке, однажды маленький сын Эйнштейна Эдуард спросил отца, почему он так знаменит. На это ученый ответил:

«Видишь ли, когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут. Мне же посчастливилось заметить это».

На пути к ОТО

В 1905 году Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности (СТО) — теорию, описывающую движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. Согласно СТО, физическое тело, которое движется со скоростью, близкой к скорости света, сжимается, становится тяжелее и стареет намного медленнее.

Одним из тестов теории является эксперимент Хафеле-Китинга, впервые продемонстрированный в 1971 году. Тогда две пары атомных часов поместили в самолеты, которые дважды обогнули земной шар. После этого «самолетные» часы сравнили с часами, простоявшими все это время в Военно-морской обсерватории США. Оказалось, что

последние отставали от четверки «путешественников» на долю секунды, что соответствует СТО Эйнштейна.

Вскоре ученый решил расширить свою революционную теорию и добавить в нее ускорение. Это заняло у Эйнштейна целое десятилетие: в течение этого времени он сотрудничал с выдающимися коллегами — математиками Давидом Гильбертом и Марселем Гроссманом. Результатом стали полные математические подробности новой теории — ОТО, объявленные Эйнштейном 25 ноября 1915 года. Макс Борн, лауреат Нобелевской премии по физике и один из создателей квантовой механики, сказал, что

новая теория Эйнштейна — «величайшее достижение человеческого мышления в познании природы, поразительное сочетание философской глубины, физической интуиции и математического искусства».

В ОТО к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным. Согласно теории, перевернувшей с ног на голову всю физику,

гравитация — это следствие искривления пространства-времени под воздействием массы.

Объясняя ОТО гуманитариям, физики часто просят их представить натянутый лист резины, на который опускают массивные шарики. Шарики продавливают резину, и натянутый лист (который олицетворяет пространство-время) деформируется. Согласно ОТО, вся Вселенная — это резина, на которой каждая планета, каждая звезда и каждая галактика оставляют вмятины. Наша Земля вращается вокруг Солнца словно маленький шарик, пущенный кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром. Тяжелый шар — это и есть Солнце.

Золотой век относительности

Альберт Эйнштейн утверждал, что из-за искривления пространства-времени путь света, проходящего вблизи массивного тела, должен искривляться. Ученый пояснил, что, например, звезду, расположенную за Солнцем, мы будем видеть в другом месте (поскольку ее свет отклоняется массой Солнца). 29 мая 1919 года астрономы проверили предсказание Эйнштейна во время солнечного затмения и доказали, что физик оказался прав.

ОТО предсказывает существование во Вселенной черных дыр. Черная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница, отделяющая черную дыру от всего остального мира, называется горизонтом событий: все, что происходит внутри горизонта событий, скрыто от глаз внешнего наблюдателя.

В период с 1960 по 1975 год исследования в ОТО вошли в главное русло теоретической физики (этот период называют «золотым веком ОТО»). Именно во время золотого века ОТО ученые подтвердили, что черные дыры перестают быть чисто теоретическими объектами.

В этот период астрономы открыли квазары, пульсары, а также реликтовое излучение — свидетельство Большого взрыва и последующего расширения Вселенной. Окончанием золотого века принято считать открытие излучения Хокинга — процесса излучения разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, черной дырой.

Альберт Эйнштейн разработал ОТО, будучи еще молодым ученым. Он прекрасно понимал, что не может вписать свою революционную теорию в рамки квантовой механики — ведь в квантовой механике рассматривается взаимодействие объектов в едином пространстве-времени, а у Эйнштейна само это пространство формирует гравитацию. Нобелевский лауреат безумно хотел объединить ОТО и квантовую механику, создав «теорию всего». Однако эта физико-математическая теория и по сей день является гипотетической.

Для того чтобы создать «теорию всего», необходимо объединить четыре фундаментальных взаимодействия: слабое ядерное, сильное ядерное, гравитационное и электромагнитное.