Размер шрифта
Маленький текст
Средний текст
Большой текст

Физмат

Восковая фигура Альберта Энштейна
Восковая фигура Альберта Энштейна
Shutterstock

Яблоко, трамвай и золотой век общей теории относительности

25 ноября исполняется 100 лет общей теории относительности

Екатерина Шутова

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.