Наталья Сердцева - Теория относительности Эйнштейна за 1 час
Важнейший постулат теории звучит так: любое физическое явление протекает одинаково во всех системах отсчета, инерциальных и движущихся с ускорением.
Общая теория относительности устранила противоречия, образовавшиеся в физике в начале XX века. В соответствии с законами Ньютона и классической механикой сила тяготения обладает свойством дальнодействия – действует мгновенно, независимо от расстояния. Модель, созданная Ньютоном, была математической и не имела подтверждения со стороны физики. Два столетия ученые пытались дать приемлемое объяснение мистическому дальнодействию или найти другое объяснение силе тяготения. Эта проблема особенно обострилась после создания электромагнитной теории Максвелла. Все другие силы были объяснены с точки зрения близкодействия, с использованием понятия поля, и только гравитация оставалась силой, непонятным образом передававшейся на огромные расстояния с невероятной быстротой.
Специальная теория относительности установила новые закономерности: ничто не может распространяться быстрее скорости света; законы физики действуют одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Это, естественно, касалось и гравитации. Поэтому Эйнштейн, так же как и другие физики, начал поиск теории гравитации, которая отвечала бы открытым закономерностям. Результатом этих поисков и стала общая теория относительности.
Эйнштейн продемонстрировал, что пространство (в данном случае четырехмерное пространство-время) – не просто плоская инертная среда, в которой происходят события. Пространство обладает собственными физическими и геометрическими характеристиками, в первую очередь кривизной. Наблюдается взаимное влияние пространства на происходящие в нем процессы и процессов на пространство. Специальная теория относительности рассматривала неискривленное пространство – частный случай инерциальных систем отсчета. Общая теория относительности имеет дело с общими принципами, где действует ускорение и возможно искривление пространства-времени.
Общая теория относительности была неоднократно проверена экспериментально, ее эффекты и следствия подтверждены исследованиями. Среди эффектов теории относительности можно назвать смещение орбиты Меркурия, которое астрономы много лет не могли объяснить, замедление времени в гравитационном поле (гравитационное красное смещение), отклонение луча света в поле гравитации Солнца, гравитационная задержка сигнала и т. д.
8 соответствии с общей теорией относительности, массивное тело искривляет пространство и тем самым заставляет меньшее тело, находящееся поблизости, изменять траекторию
Рассмотрим эффект отклонения луча. О том, что световой луч, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется, говорил еще астроном из Германии Иоганн Георг фон Зольднер в 1804 году. Тогда физики считали, что свет состоит из микроскопических частиц, на которые может воздействовать сила тяжести. Зольднер писал: «Световой луч, проходящий рядом с небесным телом, под воздействием силы его притяжения описывает гиперболу». По его расчетам, угол отклонения луча, проходящего рядом с Солнцем, составляет 0,84 секунды. Через сто лет свет стали считать волной, а не средоточием частиц, и о гипотезе Зольднера забыли.
Ее возродил Эйнштейн, когда изучал влияние силы тяжести на распространение света. В 1911 году он даже написал по этому поводу статью. Рассчитав угол отклонения, Эйнштейн пришел практически к тем же цифрам – 0,83 секунды. Он понял, что проверить это можно во время полного солнечного затмения, когда звезды, расположенные в непосредственной близости от Солнца, становятся видны.
Ближайшее затмение состоялось через три года, лучше всего его было наблюдать в Крыму, и коллега Эйнштейна, астроном Фрейндлих, отправился его наблюдать. Но сделать это ему не удалось. Шел 1914 год, началась Первая мировая война, немецких астрономов, прибывших наблюдать за затмением, приняли за шпионов и арестовали. В этом можно увидеть руку судьбы: позже выяснилось, что уравнение, по которому Эйнштейн рассчитывал отклонение, было неправильным. Ученый его доработал и получил новый результат – 1,7 секунды. Теперь опытная проверка стала еще более важной, с ее помощью можно было выяснить, кто прав – классическая физика или Эйнштейн с его теорией относительности.
Содержание общей теории относительности
Английскому астроному Артуру Эддингтону удалось провести проверку во время затмения 1919 года.
Расчеты Эйнштейна, а значит, и теория относительности были подтверждены.
Еще один интересный эффект, объясненный общей теорией относительности, – гравитационное замедление времени. Астроном Карл Шварцшильд занимался решением уравнений Эйнштейна для отдельной звезды и обнаружил, что при приближении к звезде время начинает идти медленнее. Чем ближе к гравитационному центру, тем больше проявлен эффект замедления времени. Это явление визуально подтверждалось красным смещением, которому подвергался идущий от звезды свет.
Всем известно, что такое радуга, это разложение солнечного света на спектр цветов. Такое же разложение можно проделать с любым излучением: излучение состоит из волн различной длины, и это можно увидеть при помощи специальных приборов. К примеру, атомный спектральный анализ позволяет определить состав звезды по ее излучению.
Из расчетов Шварцшильда следовало, что время течет медленнее для атомов вещества на звезде, чем для атома того же самого вещества, находящегося на Земле. Чем массивнее и плотнее звезда, тем медленнее будет течь время поблизости от нее и тем явственнее будет эффект красного смещения. Рассуждая дальше, Шварцшильд пришел к выводу, что при критической плотности объекта время рядом с ним остановится. Для него это открытие стало лишь математической иллюзией. Он и не подозревал, что описывает черную дыру – эти объекты были обнаружены гораздо позже.
Под действием массы Солнца пространство рядом с ним искривляется, это можно заметить по отклонению световых лучей, идущих от звезд. Это явление – следствие общей теории относительности – описал Эйнштейн
Эйнштейн тоже считал, что подобное тело не может существовать в реальности – здесь теория, вернее, ее следствие, вошли в противоречие со своим создателем. Теория победила: в 1967 году Джон Уилер впервые употребил термин «черная дыра». Оказалось, что это явление имеет поистине фантастические характеристики: критическая масса, замедление времени и горизонт событий – черта, попав за которую, ничто не способно вырваться из черной дыры. Существование черных дыр полностью вписывается в общую теорию относительности и подтверждает ее.
Научные споры и попытки нового прорыва: квантовая механика и единая теория поля
Уравнения Эйнштейна для специальной и общей теории относительности, описывающие взаимодействия материи и энергии во Вселенной, дали ему возможность задуматься о космологии и единой теории, объединяющей все известные фундаментальные взаимодействия в природе. Эти задачи были невероятно сложными, чтобы их решить, нужно было создать и отвергнуть множество предварительных гипотез и приблизительных вычислений.
В начале XX века считалось, что вся Вселенная – это Млечный Путь, представляющий собой громадное скопление звезд посреди пустоты. Для описания этой системы Эйнштейн ввел в уравнения космологическую постоянную. Целью этого шага было привести к статичности уравнения, которые без этого показывали движение и смещение звезд. Ученый считал, что Вселенная гомогенна и изотропна, то есть однородна по своему составу и при этом сохраняет одинаковые физические свойства во всех направлениях. Космологическая постоянная соответствовала этим качествам пространства.
Обратившись к геометрии, Эйнштейн использовал модель Вселенной Ньютона – плоскую, трехмерную, описываемую законами евклидовой геометрии. Эту модель он вывернул и изогнул – получилась сфера с четырьмя измерениями. Поверхность данной гиперсферы представляла собой бесконечность: любое тело, перемещаясь по ней в любом направлении, могло вернуться в исходную точку.
В следующие десятилетия астрономы обнаружили, что наша Вселенная не ограничивается пространством Млечного Пути, она продолжается гораздо дальше. Кроме того, Эдвин Хаббл открыл явление расширения Вселенной, самого ее пространства. Эти открытия вступали в противоречия с моделью Эйнштейна, которая была статичной. Но другое открытие, совершенное Александром Фридманом, доказало, что и в гомогенной изотропной Вселенной возможно расширение. Космологическая постоянная Эйнштейна работала и могла использоваться в вычислениях. Впоследствии развитие гипотезы ученого привело к возникновению общепринятой в наше время теории Большого взрыва.
