Давид Ласерна - Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени.
Замедление времени, увеличение массы и пространственное сжатие сегодня являются обычными явлениями в работе ускорителя заряженных частиц. Этот аппарат поглощает такое количество электричества, что его хватило бы на целый город. При этом высвобождаются огромные объемы энергии, которая превращается в тяжелые частицы – такие нестабильные, что они едва проживают одну миллионную долю секунды.
По сей день общая теория относительности остается самой успешной теорией гравитации, однако это взаимодействие невозможно долго держать в стороне от родственных ей теорий электромагнитного взаимодействия, сильного и слабого ядерных взаимодействий, которые уживаются под крылом квантовой теории поля – счастливого союза специальной теории относительности и квантовой механики. Объединение всех четырех сил в рамках одной концепции – «теории всего», или «окончательной теории» – стало навязчивой идей современных физиков. И самыми перспективными исследованиями в свете этого желания кажутся различные теории струн, рисующие картину мира с дополнительными измерениями. Если эти исследования в конце концов себя оправдают, наше представление о принципе относительности значительно изменится.
Принцип относительности управляет звездами и галактиками, квантовой механикой, атомами и кварками. Предполагается, что точка, в которой совпадают эти области, порождая весь спектр разнообразных необычных явлений, соответствует так называемой планковской длине – около 10-35 м. Речь идет о расстоянии столь малом, что его невозможно себе представить, оно примерно равно диаметру спирали ДНК. Для того чтобы узнать, что происходит в этом масштабе, необходима энергия порядка 1016 ТэВ (около 500 кВт ч).
Эйнштейн в свой 70-й день рождения в окружении детей- беженцев.
Обложка журнала Time за декабрь 1999 года. В этом выпуске Эйнштейн был назван величайшим мыслителем XX века.
В газете объявляется о смерти Эйнштейна.
Большой адронный коллайдер в Женеве (ЦЕРН), самый мощный ускоритель частиц в мире, работает с энергиями до 7 ТэВ.
Возможно, что в планковской шкале пространство-время перестанет быть непрерывным и раздробится, а его квантовая природа вызовет нарушение релятивистских законов. Вероятно, что в столь малых масштабах частицы смогли бы проявить свою струнную структуру, а гравитация отразилась бы в других взаимодействиях. Однако сегодня эта область недоступна нашим возможностям, и это положение сохранится еще не один год. Впрочем, физики не сдаются на милость будущего и продолжают вглядываться в окружающее нас пространство в поисках малейшего знака, способного выдать секреты архитектуры глубинных уровней бытия.
На волнеВ 1918 году Эйнштейн, чтобы отвлечься от желудочного недомогания, задумался о вопросе, к которому уже подходили в свое время Лоренц и Пуанкаре, – существовании гравитационных волн. Отклонение в одной точке электромагнитного поля сообщается остальным точкам с помощью электромагнитных волн. Произойдет ли то же самое с геометрической деформацией зоны пространства-времени (изменение в распределении масс)? Гравитационные волны, если они существуют, практически не взаимодействуют с материей. В отличие от света, который воздействует на электрические заряды, эти волны задействовали бы массы. По словам швейцарского физика Даниеля Сигга, поддающиеся наблюдению эффекты малы «не потому, что испускаемая энергия невелика, – наоборот, она огромна, – а потому, что пространство-время является жесткой средой». Электромагнитное излучение разлетается в пространстве, но в случае гравитационных волн вибрацию испытала бы сама пространственно-временная ткань. Считается, что постепенное уменьшение периода вращения двух нейтронных звезд, движущихся одна вокруг другой в созвездии Орла, может быть косвенным доказательством существования волн. Если искажение пространственно-временной ткани и передается в форме гравитационных волн, мы пока не в состоянии их измерить. Однако этот факт привел бы к таким потерям энергии, которые заставили бы звезды сблизиться, – что и наблюдается. Прогнозируемая с помощью волновой теории эволюция системы совпадаете наблюдениями астрономов.
В доступном нам спектре энергий теория относительности выдержала все испытания, которым ее подвергли. Сложно оспаривать гипотезу Эйнштейна, учитывая, насколько тонко она корректирует теорию Ньютона. В свою очередь, улучшение теории относительности – настоящий вызов для экспериментаторов и исследователей. В течение долгого времени общая теория относительности считалась раем для физиков-теоретиков и чистилищем для физиков-экспериментаторов. Однако в последние десятилетия ситуация изменилась.
В 1962 году Ирвин Шапиро предложил «четвертое доказательство общей теории относительности», объединившее три классические теории Эйнштейна. Оно состоит в том, что электромагнитная волна не только испытывает отклонение вблизи тела с очень большой массой, например звезды, но и сама ее траектория в четырехмерном (включая временное измерение) пространстве нарушается, и при движении она начинает опаздывать. Это происходит не потому, что искривленная траектория длиннее, чем прямая, а по вине чисто релятивистского эффекта. Чтобы его зафиксировать, Шапиро разработал эксперимент, для которого требовалось дождаться парада планет, Венеры или Марса: с точки зрения наблюдателя на Земле одна из планет должна была находиться на одной линии с Солнцем, располагаясь позади него. Перед самым выходом из этой позиции с Земли посылался радиосигнал, отражающийся от планеты. Путь сигнала от Земли и обратно занял бы больше времени, чем когда между планетами нет Солнца. Несмотря на амбиции Шапиро («Было бы неплохо доказать, что Эйнштейн ошибался»), результат опыта подтвердил теорию относительности.
20 апреля 2004 года НАСА запустило на орбиту спутник Gravity Probe В, чтобы измерить искажение пространства-времени вблизи массы Земли и эффект увлечения инерциальных систем отсчета. В ньютоновском пространстве сфера, вращающаяся в 600 км от земной поверхности, сохранила бы ориентацию своей оси в одном направлении. Однако эйнштейнова четырехмерная пространственная ткань сообщила бы сфере искривления Земли, и ось потихоньку начала бы смещаться. Датчик Gravity Probe В в течение года фиксировал изменение осей вращения четырех практически идеальных кварцевых сфер, сориентированных в начале опыта на звезду в созвездии Пегаса.
Чувствительность датчиков позволяла обнаружить изменения в угле наклона оси, сравнимые с толщиной волоса, если смотреть на него с расстояния 32 км. Окончательные результаты были опубликованы в мае 2011 года, когда руководитель проекта и сотрудник Стэнфордского университета Фрэнсис Эверитт сделал следующее заявление: «Мы провели этот важнейший опыт, чтобы подвергнуть испытанию модель мира, созданную Эйнштейном. И Эйнштейн прошел это испытание».
Миссией спутника Gravity Probe В, запущенного на орбиту в 2004 году, было обнаружение воздействия массы и вращения нашей планеты на пространство-время. Спутник был оборудован четырьмя гироскопами, ориентированными в качестве контрольной точки на звезду IM Пегаса. Изменения в положении осей гироскопов доказали экспериментальную гипотезу.
Столетие спустя после открытия теория относительности вошла, наконец, в нашу жизнь. GPS-устройства определяют наше местонахождение, обрабатывая данные со спутников. Для того чтобы информация была точной, часы на орбите и часы на Земле должны быть синхронизованы. Если мы хотим уточнить наше положение в пределах 30 м, нужно помнить о двух релятивистских поправках. Во-первых, необходимо учесть запаздывание сигнала (7 микросекунд), вызванное скоростью спутника и описанное специальной теорией относительности, а во-вторых, его опережение (45 микросекунд), описанное общей теорией относительности и вызванное тем, что время течет тем быстрее, чем меньше плотность гравитационного поля (обратный эффект запаздывания, вызывающий сдвиг к красному спектру). Гравитация на высоте 20 000 км, на спутниковой орбите, слабее, чем на поверхности Земли. В новых системах позиционирования эти фазовые сдвиги нивелируются.
Главный удар по теории относительности был нанесен в сентябре 2011 года заявлением о предполагаемом выходе за пределы скорости света. Нейтрино, генерируемые в Большом адронном коллайдере, пронзили земную кору, достигнув подземных детекторов под самым высоким пиком Апеннинских гор – Гран-Сассо, в 100 км от Рима. После соответствующих расчетов экспериментаторы пришли к выводу, что нейтрино пришли на 60 наносекунд раньше времени. Эта новость была сообщена с большой осторожностью и воспринята с огромным скепсисом – особенно после того, как были обнаружены неполадки в механизме, синхронизирующем хронометры ЦЕРН и Гран-Сассо. В июне 2012 года ученые подтвердили, что опережение частиц было ошибкой измерения.
