Сто лет назад Альберт Эйнштейн представил окончательную форму общей теории относительности. За столетие её подтверждения накопились от наблюдений солнечных затмений до полётов атомных часов – учёные пытались опровергнуть её, но безуспешно.
Эпохальное испытание 1919 года
29 мая 1919 г. произошло редкое солнечное затмение, которое стало идеальной возможностью проверить предсказание Эйнштейна о гравитационном отклонении света. Британский астроном Артур Эддингтон подготовил два экспедиционных отряда – один в Собрál, Бразилия, другой на остров Принсипе у западно‑африканского побережья. Они измеряли смещение звёзд, находящихся рядом с Солнцем, которое согласно общей теории должно было составлять 1,75″, в два раза больше, чем предсказывала ньютоновская гравитация. Экспедиции зафиксировали смещения 1,6″ и почти 2″, подтвердив тем самым правильность Эйнштейна. Новости об этом мгновенно разлетелись по всему миру, сделав учёного знаменитостью.
Аномальная орбита Меркурия
Ещё до затмения 1919 г. Эйнштейн решал старую проблему: наблюдалась небольшая предсказуемая отклонение орбиты Меркурия от идеального эллипса. Французский астроном Урбен Леверье в 1859 г. зафиксировал эту аномалию, но лишь общая теория относительности смогла полностью её объяснить, учитывая искривление пространства‑времени вблизи Солнца.
Что такое относительность?
Общая теория построена на специальной, опубликованной десять лет ранее. Специальная относительность утверждает, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, независимо от их скорости, а скорость света постоянна. Это приводит к замедлению времени и сокращению длин при больших скоростях.
Эйнштейн заметил, что ускорение неотличимо от гравитации (принцип эквивалентности). Поэтому гравитацию он трактовал не как обычную силу, а как искривление пространства‑времени: тела движутся по прямым линиям в искривлённом пространстве, что в привычных координатах выглядит как орбитальное движение.
Гравитационные волны
Сегодня учёные, такие как Гийс Нелеманс из Радбоудского университета, ищут гравитационные волны – колебания пространства, генерируемые слиянием массивных объектов (нейтронных звёзд, чёрных дыр). При прохождении волны расстояния меняются на доли 10⁻²⁰ м. Для измерения используют «световые линейки» – лазеры в детекторах LIGO (США) и Virgo (Италия). Когда частота лазера меняется, интерферометр фиксирует событие.
Эксперимент с атомными часами
В 1971 г. Джозеф Хафеле и Ричард Китинг совершили практический тест: четыре сверхточных атомных часов взяли в кругосветный перелёт на самолёте, а один оставили в Вашингтоне. После полётов часы, летавшие на восток, отстали на 59 нс, а те, что летели на запад, ускорились на 273 нс – измерения полностью согласовались с предсказаниями специальной и общей относительности.
Относительность в масштабах Вселенной
На космических масштабах эффекты становятся заметными. Искривление света массивными галактиками образует «кольца Эйнштейна». Кроме того, свет, покидая сильное гравитационное поле, смещается в красную часть спектра – гравитационное красное смещение, наблюдаемое в спектрах далеких галактик.
GPS без относительности невозможен
Навигационная система GPS использует атомные часы на спутниках, движущихся со скоростью ~14 000 км/ч на высоте ~20 000 км. Благодаря сочетанию эффекта замедления времени из‑за скорости и ускорения из‑за более слабой гравитации, часы спутников отстают около 38 мкс в сутки. Без коррекции эти отклонения привели бы к ошибке позиционирования в 10 км в день.
Будущее проверок
За столетие общая теория прошла множество испытаний и каждый раз выдерживала их. Сейчас LIGO и Virgo продолжают искать новые события, а учёные стремятся проверить её в экстремальных условиях – при скоростях, близких к скорости света, и вблизи чёрных дыр. Возможно, такие наблюдения покажут, где теория начинает давать трещины.
