Ровно сто лет назад Альберт Эйнштейн представил правильную версию своей общей теории относительности. Доказательства этой теории накопились за последнее столетие. От солнечных затмений до летающих атомных часов — ученые сделали все возможное, чтобы опровергнуть теорию Эйнштейна. Безуспешно.
Солнечное затмение — редкое и фантастическое зрелище, но затмение 29 мая 1919 года только усилило волнение. Специально для британского учёного Артура Эддингтона. Он разработал план разрешения научного спора между двумя титанами. Не то чтобы Исаак Ньютон и Альберт Эйнштейн действительно спорили, в конце концов, они жили друг от друга столетиями, но их теории давали разные предсказания о том, насколько сильно гравитация отклоняет световые лучи.
Хотя общая теория относительности и сделала хорошие предсказания о странных аномалиях на орбите планеты Меркурий, теория была далека от общепринятой. В этом отношении многие ученые до сих пор придерживались законов Ньютона 17 века.
Эддингтон задумал идеальный эксперимент. Он хотел проверить, как Солнце — безусловно, самый тяжелый объект в Солнечной системе — преломляет свет звезд на заднем плане. Звезды, расположенные рядом с Солнцем, немного сместятся из-за его гравитации. А поскольку теория Эйнштейна предсказывала сдвиг в два раза больший, чем теория Ньютона, решающим фактором стала бы точность измерения.
Солнечное затмение было прекрасной возможностью:обычно яркость Солнца делает такое измерение невозможным. Но эта проблема исчезает в тот момент, когда Луна движется перед Солнцем. И это должно было произойти 29 мая 1919 года.
В своем эксперименте Эддингтон хотел наблюдать гравитационное влияние Солнца на свет звезд яркого звездного скопления Гиады. Общая теория относительности предсказала крошечный сдвиг примерно на 1,75 угловых секунды (это толщина волоса на расстоянии почти 40 метров). Но законы Ньютона предсказывали еще меньший эффект.
Две научные группы отправились наблюдать солнечное затмение. Одна команда отправилась в Собрал в Бразилии, другая — на остров Принсипи у побережья Западной Африки. В конечном итоге экспедиции зафиксировали сдвиги на 1,6 и почти 2 угловые секунды. Эддингтон опубликовал свои результаты 6 ноября того же года, и они доказали многим учёным, что Эйнштейн был прав. Эта новость даже попала на первые полосы газет по всему миру. Общая теория относительности сделала Эйнштейна знаменитостью.
Безумная орбита Меркурия
Хотя солнечное затмение 1919 года считается первым настоящим испытанием общей теории относительности, уже существовала более старая проблема, которую Эйнштейн мог решить с его помощью. В 1859 году французский математик Урбен Леверье опубликовал книгу, в которой заявил, что Меркурий не делал того, что должен был делать согласно законам классической механики:вращался вокруг Солнца по аккуратному эллипсу.
Леверье изучал время транзитов Меркурия – когда планета проходит перед Солнцем – за предыдущие 150 лет и заметил, что переходы начинались немного быстрее, чем ожидалось. Частично эту аномалию можно было объяснить гравитационными возмущениями других планет, но в конце концов именно общая теория относительности дала полное решение. Эйнштейн заявил, что из-за искривленности пространства вблизи Солнца происходят отклонения от «классических» планетных орбит. Это позволило ему объяснить в своей публикации отклонение в одну сотую градуса за столетие.
Огромный калькулятор
Но что именно придумал Эйнштейн? Чтобы объяснить это, мы не можем избежать небольшого урока физики. Общая теория относительности, которой сейчас ровно сто лет, на самом деле основывается на специальной теории относительности Эйнштейна, созданной десять лет назад. В нем он заявил, что на самом деле не имеет значения, как быстро движется наблюдатель, законы природы всегда одни и те же.
На борту поезда, движущегося почти со скоростью света, нет ничего существенного:часы тикают (для наблюдателя) так же быстро, весы показывают то же самое. Это кажется логичным, но еще более странно то, что непоколебимая скорость света по-прежнему остается скоростью света, даже в транспортном средстве, которое само движется почти со скоростью света. Таким образом, теория имеет странные последствия для времени, которое течет быстрее или медленнее для наблюдателей с разной скоростью.
Благодаря элегантной специальной теории относительности Эйнштейна многое внезапно встало на свои места, но была проблема:ускорение наблюдатели. «Они на самом деле полностью испортили специальную теорию относительности», — говорит Гийс Нелеманс, астроном астрофизического факультета Университета Радбауд в Неймегене. Но Эйнштейн нашел решение. Он понял, что ускорение и гравитация очень похожи. На самом деле они неотличимы. Например, вы не можете определить, чувствуете ли вы гравитацию или ускорение в закрытом лифте.
Эйнштейн утверждал, что это имело далеко идущие последствия для гравитации:это не классическая сила, такая как, например, электромагнитная сила. Наоборот, это результат искажения пространства. Объекты, которые обычно движутся по прямой, изгибаются, просто следуя кривизне пространства. Земля, совершающая круговое движение вокруг Солнца, с точки зрения Эйнштейна, является планетой, описывающей прямую линию в пространстве, искривленном Солнцем. «Этот подход гарантировал, что ускоренные наблюдатели также вписываются в теорию относительности», — говорит Нелеманс. «Потребовалось очень много времени, чтобы изложить это математически правильно на бумаге. Это был огромный расчет».
Волны Эйнштейна
Сам Нелеманс участвует в исследованиях, которые, вероятно, снова проверят общую теорию относительности. Он и его коллеги ищут гравитационные волны. Теория Эйнштейна предсказывает, что когда два чрезвычайно компактных и тяжелых объекта – например, нейтронные звезды или черные дыры – вращаются вокруг друг друга, они не только искажают пространство, но и создают волны, так называемые гравитационные волны.
Когда такая гравитационная волна проходит мимо Земли (со скоростью света), теория утверждает, что это на мгновение меняет расстояния между объектами, хотя это незначительное влияние:метр становится всего 10 -20 метров длиннее или короче. Но как измерить такие изменения? «Одна из проблем заключается в том, что такая волна влияет на всю материю, включая «физическую линейку», с помощью которой вы хотите измерить изменения в пространстве», — говорит Нелеманс. «На самом деле вы вообще ничего не измеряете!»
Эту проблему можно решить, используя линейку, которая не меняется с пространством:линейку света. На самом деле это тоже «изобретение» Эйнштейна. «Его специальная теория относительности утверждает, что скорость света всегда одинакова», — говорит Нелеманс. «В тот момент, когда пройдет гравитационная волна, на какое-то время изменится только частота света».
Детекторы гравитационных волн, такие как LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) ждем таких перемен). ) в США и Дева в Италии. Детекторы состоят из двухкилометровых перпендикулярных плеч с мощными лазерами, которые гасят друг друга ровно посередине. В тот момент, когда частота одного из этих лазерных образцов изменится хотя бы на долю, вы можете заметить, что в тот момент, когда лучи касаются друг друга:они больше не гасят друг друга ни на мгновение.
Обе обсерватории уже много лет проводят кампанию измерений, в ходе которой они не обнаружили ни одной гравитационной волны. Но участвующие в проекте учёные не собираются останавливаться на достигнутом. «В этом году уже будет проводить измерения улучшенный LIGO, а через год будет готова и модернизированная версия Virgo», — говорит Нелеманс. «В 2019 году у них максимальная чувствительность. Тогда им действительно придется начать что-то измерять, потому что вряд ли нам потребуются еще более чувствительные детекторы».
Я отправляюсь в путешествие и беру с собой:атомные часы
Возможно, самым странным следствием работы Эйнштейна является растяжение времени. Так ли это на самом деле, задавались вопросом Джозеф Хафеле и Ричард Китинг более сорока лет назад. Вместе они провели самый практический эксперимент по теории относительности в 1971 году. В то время, когда теория относительности уже давно получила широкое признание среди учёных.
И специальная, и общая теория относительности предсказывают так называемое замедление времени. Первая теория утверждает, что время замедляется для тех, кто путешествует по Вселенной с огромной скоростью.
Не то чтобы этот человек что-то замечал:все и все на борту космического корабля подвержены растяжению времени. Часы на борту тикают медленнее, компьютеры замедляются, а поскольку естественные процессы не могут избежать замедления времени, восприятие наблюдателя также замедляется. Согласно общей теории относительности, точно то же самое происходит, когда кто-то находится в сильном гравитационном поле.
Хафеле и Китинг хотели проверить обе теории с помощью эксперимента. Они взяли с собой четыре чрезвычайно точных атомных часа в путешествие на самолете, дважды обогнув Землю. Это уже должно привести к измеримому замедлению времени из-за скорости самолета и того факта, что на высоте они испытывают немного меньшую земную гравитацию. Конечно, ученые также оставили атомные часы в своей лаборатории в Вашингтоне для проверки. В 19:30. 4 октября первая партия атомных часов отправилась на восток по мере вращения Земли. Двойное кругосветное путешествие заняло чуть более 65 часов. Чуть больше недели спустя, 13 октября, такая же партия колоколов была отправлена на запад. В путешествии продолжительностью более 80 часов и дважды вокруг планеты.
Вернувшись в Вашингтон, они сравнили свои атомные часы с часами, оставленными на земле. И что получилось? Часы, которые двигались на восток, отставали в среднем на 59 наносекунд. Часы, которые пошли на запад, опережали время на 273 наносекунды. Это было всего лишь миллиардные доли секунды, но эффект был безошибочным и притом в соответствии с теорией. Самые точные часы в мире шли не так быстро – это стимул для Эйнштейна.
Относительность в большом масштабе
Эти эксперименты предоставили важные доказательства теории Эйнштейна, но также показали, что релятивистские эффекты вряд ли играют роль в нашей жизни на Земле. Однако если вы посмотрите на космические масштабы или на экстремальные объекты, ситуация изменится. Например, если свет искривляет не Солнце, а целая галактика с сотнями миллиардов звезд. Это может создать особый эффект:кольца Эйнштейна.
Когда две галактики выстраиваются точно так, как видно с Земли, ведущий объект может преломлять свет самой дальней галактики так, что он выглядит как кольцо вокруг ведущего объекта. Эйнштейн написал в публикации 1936 года:«Конечно, нет никакой надежды, что мы когда-нибудь непосредственно увидим это явление». Он оказался неправ, поскольку учел этот эффект только со звездами. Но в настоящее время известна дюжина (частичных) колец Эйнштейна, образованных (скоплениями) галактик.
Общая теория относительности заметна и в «цветах» далеких галактик. Когда свет перемещается из среды с сильной гравитацией в поле с низкой гравитацией, длина волны света увеличивается. Свет как бы слегка сдвинут в красную сторону, отсюда и название гравитационное красное смещение. Поэтому мы видим свет от тяжелого центра скопления галактик несколько более «красным», чем свет от края такого скопления.
Бесполезный GPS без теории относительности
Вы можете подумать, что теория относительности не имеет практического применения, ведь она предсказывает чрезвычайно быстрые и тяжелые объекты.
Однако есть одна система, которая не будет работать без учета теории относительности:спутниковая навигация, такая как Глобальная система позиционирования США. (GPS).
Эта навигационная система использует атомные часы на борту спутников, которые вращаются вокруг Земли со скоростью примерно 14 000 км/ч на высоте около 20 000 км. И скорость, и тот факт, что гравитация Земли на этой высоте уменьшается почти вдвое, означают, что часы на борту спутников будут примерно на 38 микросекунд в день быстрее, чем земные часы. Если бы инженеры не учли это, система выдавала бы погрешность позиционирования около 10 километров в сутки!
Общая теория относительности за последние сто лет прошла многочисленные испытания, и Эйнштейн снова и снова проходил их с честью. Тем не менее, такие детекторы, как LIGO и VIRGO, снова исследуют эту теорию. Нелеманс заявляет, что проверит теорию в тех областях, где она еще никогда не проверялась.
«По сути, все тесты на сегодняшний день проводились с объектами, движущимися со скоростью менее одного процента скорости света», — говорит он. «Эйнштейн говорит, что становится интересно, когда объекты движутся со скоростью света, потому что тогда эффекты становятся намного сильнее. Реальный характер теории относительности проявляется при высоких энергиях, которые мы сможем измерить с помощью экстремальных объектов, таких как быстродвижущиеся нейтронные звезды или черные дыры. Возможно, эти измерения дадут нам подсказку о тех областях, где теория начинает рушиться».
