Книга: Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
Назад: Очень специальная теория
Дальше: Противники теории относительности
Немного о теории гравитации
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна относится к крупнейшим научным достижениям физики XX века. Эта теория, опубликованная в 1916 году, открыла нам глаза на природу сил гравитации: оказывается, то, что мы воспринимаем как тяготение, фактически является следствием кривизны пространства и времени.
Озарение, которое помогло Эйнштейну начать работу над общей теорией относительности, пришло к нему, когда он осознал следующее: если человек окажется запертым в свободно падающем лифте, он не почувствует силы тяготения. Такой человек будет парить в невесомости и с легкостью отталкиваться то от пола, то от потолка кабины лифта. Теперь-то мы знаем, как это бывает у космонавтов: карандаши висят в воздухе, жидкости отказываются выливаться и т. д. Но Эйнштейну пришлось прибегнуть к силе воображения. Ему хватило гениальности, чтобы постичь значимость этого открытия. Если ускорение падающего лифта может в точности уравновесить силу тяготения, то сила тяготения и ускорение эквивалентны друг другу. Это и есть принцип эквивалентности (рис. 2.3).
Чтобы понять всю важность этой идеи, представим вместо лифта замкнутую лабораторию. Эта лаборатория находится внутри ракеты, ускоряющейся в пространстве под действием постоянной силы. Естественно, все в этой лаборатории падает на пол. Физики могут проводить в ней эксперименты по измерению силы, толкающей объекты вниз, но они не смогут сказать, за счет чего возникает эта сила: за счет ускорения или за счет гравитации.
Рис. 2.3. Принцип эквивалентности Эйнштейна: гравитация и ускорение производят одинаковые силы, и ни один эксперимент не может отличить их друг от друга
Самому находчивому из них приходит идея направить луч света через комнату под прямым углом к направлению действия ускорения. За время, в течение которого свет пересечет комнату, стена, на которую направлен свет, сдвинется по отношению к лучу света за счет ускоренного движения ракеты. Если теперь посмотреть на пятно света на стене, то покажется, что луч света изогнулся. Сможет ли в этом случае физик отличить ускорение от гравитации? Нет, говорит Эйнштейн: по принципу эквивалентности луч света будет изгибаться также и под действием силы гравитации.
Четыре измерения
Эйнштейн долго ломал голову над этой идеей, пока не предложил математическую теорию, которая объяснила изгиб света и многое другое (см. главу 1). Его картина Вселенной резко отличалась от обыденного восприятия пустого пространства, заменив его почти осязаемым континуумом четырех измерений – трех в пространстве и одного во времени. Эта картина основывается на идее Минковского о пространстве-времени как способе понять специальную теорию относительности, но если раньше пространство-время представлялось плоским, то теперь, в общей теории относительности, континуум может быть искривлен. И энергия, и давление могут искривить пространство-время, но на практике главной причиной кривизны являются масса и энергия вещества.
Рис. 2.4. Ткань реальности: массивные объекты искривляют пространство-время
Четыре измерения представить себе очень трудно, поэтому давайте вообразим двумерное резиновое полотно, туго натянутое на раму. Бросьте маленький шарик на полотно: он сделает небольшое углубление и покатится по прямой линии. А теперь положите туда же шар для боулинга. Он сильно прогнет полотно вниз, и маленький шарик покатится по искривленной траектории. Это и есть модель Эйнштейна для иллюстрации силы гравитации: объекты выбирают кратчайший путь, называемый геодезической линией, сквозь искривленное пространство-время. Это в равной степени относится к шарику, планете или лучу света.
Наиболее впечатляющим следствием такого свойства природы является гравитационная линза, когда, например, скопление галактик или другая концентрация масс изгибает и фокусирует свет от удаленного объекта и создает два (или более) изображения этого объекта на небе, иногда даже размывая это изображение до формы светящейся окружности, известной как кольцо Эйнштейна.
В тех случаях, где гравитация слаба, теория относительности и закон всемирного тяготения Ньютона дают одинаковые результаты: сила притяжения между телами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Но в сильном поле тяготения обнаруживаются новые эффекты. Для Меркурия, который расположен близко к Солнцу, это проявляется в виде сдвига его орбиты. До появления теории относительности этот феномен был большой загадкой для ученых (см. «Свет изгибается» в главе 1).
Самые большие отклонения от закона тяготения Ньютона можно ожидать вблизи черной дыры. Черная дыра так сильно изгибает пространство-время вокруг себя, что полностью закрывается от остальной Вселенной. Если вспомнить аналогию с резиновым полотном, черная дыра создает глубокое жерло в ткани пространства, из которого ничто, даже свет, не может ускользнуть. В самом центре черной дыры, в точке, известной как сингулярность, плотность становится бесконечной. К ней не применимы ни аналогии, ни уравнения.
Модель Вселенной
Конечно, теория претендует на описание всей Вселенной. Но на первых порах, когда Эйнштейн пытался с ее помощью создать математическую модель Вселенной, он столкнулся с одной проблемой. В 1917 году здравый смысл говорил однозначно: Вселенная статична. А уравнения общей теории относительности настаивали на том, что она должна либо расширяться, либо сжиматься. Единственный способ, с помощью которого Эйнштейн мог «удержать» Вселенную в статичном состоянии, это ввести дополнительный член в свои уравнения, так называемую космологическую постоянную. Ровно 12 лет спустя наблюдатели в Калифорнии под руководством Эдвина Хаббла (1889–1953) впервые обнаружили, что Вселенная расширяется. Если снова прибегнуть к аналогии с резиновым полотном, то можно сказать, что она постоянно расширяется во всех направлениях. Это означает не только то, что далекие галактики удаляются от нас, но и то, что длина волны по мере распространения света «растягивается», что приводит к ее смещению в красную сторону спектра.
Та же самая аналогия помогает нам представить, как возникают гравитационные волны. Когда глыба вещества вибрирует, она создает рябь на поверхности полотна, и эта рябь заставляет вибрировать другие тела. Гравитационные волны очень слабые, но ученые все-таки смогли их обнаружить в 2016 году (см. главу 4). Общая теория относительности Эйнштейна не подвергается теперь никаким сомнениям и считается наилучшей теорией для объяснения гравитации и Вселенной в целом.
Как понять концепцию относительности?
Мы привыкли, что пространство и время – это просто. Мы довольно свободно перемещаемся во всех трех измерениях пространства, но иногда испытываем душевную боль, осознавая безжалостное течение времени. C’est la vie.Но так ли это? Сто лет тому назад Эйнштейн перевернул наше мироощущение. Вначале своими теориями относительности он запретил всему на свете двигаться быстрее скорости света, а затем связал пространство и время в одно-единственное пространство-время, которое может деформироваться под действием гравитации. Всевозможные изгибы, возникающие в специальной и общей теориях относительности Эйнштейна, делают интервалы как в пространстве, так и во времени зависимыми от того, где мы их измеряем. Каждому из двух наблюдателей с фонарями, которые едут в быстро движущихся поездах, может показаться, что первым фонарь зажег не он. И каждый из них будет прав со своей точки зрения.Фильм «Интерстеллар» (2014) основан на правдоподобной, согласно Эйнштейну, предпосылке, что при путешествии со скоростью, близкой к скорости света, или при движении в сильном гравитационном поле, таком как у черной дыры, мы стареем медленнее, чем люди, оставшиеся на Земле (рис. 2.5). Однако технологически это вряд ли выполнимо. Но не обязательно отправляться в столь далекое путешествие, чтобы увидеть некоторые реальные проявления теории относительности. Космонавты на Международной космической станции стареют немного меньше благодаря скорости, с которой они путешествуют, но немного больше из-за отсутствия притяжения Земли. Эти эффекты не вполне уравновешивают друг друга. Каждый космонавта МКС, который пребывает на орбите не менее полугода, получает «возрастной выигрыш» в размере 0,007 секунды в сравнении с теми, кто остается на Земле.На первый взгляд, теория относительности кажется полной парадоксов, пока мы не задумаемся внимательно о том, как наше собственное движение влияет на наше восприятие течения времени для других; а также над тем, что и другие могут видеть, что наше время течет по-иному.Теории относительности Эйнштейна – специальная и общая – охватывают два эффекта, которые влияют на наше восприятие пространства и времени (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Научная основа фильма «Интерстеллар»
Назад: Очень специальная теория
Дальше: Противники теории относительности
