Что такое теория относительности Эйнштейна?

10.11.2022
0
22 мин
80
Что такое теория относительности Эйнштейна?

Приветствую, друзья!

Сегодня у нас на очереди теория относительности Эйнштейна.

А вы знаете что это такое? Давайте тогда начнем!

В истории науки и физики несколько ученых, теорий и уравнений стали нарицательными.

С точки зрения ученых, известные примеры включают Пифагора, Аристотеля, Галилея, Ньютона, Планка и Хокинга.

С точки зрения теорий, есть «Эврика» Архимеда, «Яблоко» Ньютона (вселенская гравитация) и «Кот Шрёдингера» (квантовая механика).

Но самым известным и известным является, возможно, Альберт Эйнштейн (Albert Einstein), теория относительности и знаменитое уравнение E = mc2.

На самом деле, Относительность может быть самой известной научной концепцией, которую мало кто действительно понимает.

Например, теория относительности Эйнштейна состоит из двух частей: специальной теории относительности (СТО) и общей теории относительности (ОТО).

И сам термин «относительность» восходит к Галилео Галилею (Galileo Galilee) и его объяснению того, почему движение и скорость относительны к наблюдателю.

Как вы, вероятно, можете догадаться, объяснение того, как работает новаторская теория Эйнштейна, требует глубокого погружения в историю физики, некоторые передовые концепции и то, как все это объединилось для одного из величайших умов всех времен!

Чтобы опровергнуть это, Эйнштейн предложил СТО в 1905 году, чтобы разрешить эксперименты, связанные со светом, с классической физикой.

В течение следующих десяти лет Эйнштейн попытался обобщить теорию, чтобы объяснить, как электромагнетизм и классическая механика могут быть решены с помощью гравитации, что привело к ОТО.

Хотя выводы Эйнштейна подтвердятся через несколько лет, они продолжают проверяться и подтверждаться по сей день.

Профессор Альберт Эйнштейн читает 11-ю лекцию Джозайи Уилларда Гиббса

Профессор Альберт Эйнштейн читает 11-ю лекцию Джозайи Уилларда Гиббса (Josiah Willard Gibbs) на собрании Американской ассоциации содействия развитию науки 28 декабря 1934 года.

Как однажды сказал Эйнштейн: «Если вы не можете объяснить это шестилетнему ребенку, вы сами этого не понимаете».

Но, как уже отмечалось, это означает знакомство с некоторой историей и передовыми концепциями – такими как всеобщая гравитация, инерциальные системы отсчета, эквивалентность массы и энергии, пространство-время и т.д.

Но при небольшом терпении и самоотверженности теория относительности — это то, что способен понять любой человек.

Галилей и Ньютон

История теории относительности восходит к 17 веку и работе знаменитого итальянского астронома и эрудита Галилео Галилея.

В 1632 году Галилей опубликовал «Диалог о двух главных мировых системах», который многие считают его выдающимся произведением.

В этой работе Галилей простыми словами объяснил, как гелиоцентрическая модель Вселенной (описанная Коперником) решает проблемы, которые не может объяснить геоцентрическая модель.

Среди прочего Галилей объяснил, почему движение Земли не было очевидным для людей на ее поверхности.

В соответствии со своей способностью передавать сложные идеи с помощью простой и эрудированной логики, Галилей иллюстрировал, как это возможно, используя метафору корабля в море.

Короче говоря, Галилей сказал, что если человек, стоящий на палубе, бросит шарик воска в сосуд с водой, он увидит, как шарик опустится прямо на дно.

Это будет применяться независимо от того, находится ли корабль в движении или нет.

Причина, заявил он, в том, что мяч и все, что находится на борту корабля, является частью инерциальной системы отсчета корабля, т. е. движется вместе с ней.

То же самое, утверждал он, верно и для человека, стоящего на поверхности Земли во время ее движения:

«Эти вещи происходят в движении, которое не является естественным, и в материалах, с которыми мы можем экспериментировать также в состоянии покоя или в движении в противоположном направлении, однако мы не можем обнаружить никакой разницы в явлениях, и кажется, что наши чувства обмануты.

Тогда что же мы можем ожидать от земли, которая, движется ли она или покоится, всегда находится в одном и том же состоянии?

И когда же мы должны экспериментально проверить, есть ли какое-либо различие между этими событиями локального движения в их различных состояниях движения и покоя, если земля остается навсегда в том или ином из этих двух состояний?»

Галилео Галилей показывает свой телескоп Леонардо Донато

Галилео Галилей показывает свой телескоп Леонардо Донато.

Однако наблюдателю на берегу Галилей заявил, что все будет выглядеть совсем иначе.

Если человек, стоящий на палубе корабля, сбросит мяч за борт, ему покажется, что он все еще падает прямо вниз.

Но для наблюдателя на берегу это выглядело бы так, как будто он движется по параболе.

Для них движение шара явно было бы результатом движения, сообщаемого движущимся кораблем гравитационному притяжению Земли.

Короче говоря, движение и скорость будут относиться к наблюдателю.

Это стало известно как галилеевская относительность (или галилеевская инвариантность), которая сводилась к одному постулату:

«Любые два наблюдателя, движущиеся с постоянной скоростью и направлением друг относительно друга, получат одинаковые результаты для всех механических экспериментов.»

Другими словами, физическая механика системы одинакова во всех системах отсчета при условии, что движение и скорость наблюдателей остаются постоянными.

Однако если изменится любой из этих параметров, то изменится и механика (об этом позже).

Объяснение станет ключевым аргументом в защиту гелиоцентрической модели.

Для земных наблюдателей все движения планет, Солнца, Луны и звезд относились к наблюдателю (нам).

Но когда кто-то каталогизировал движения (и относительные размеры) этих объектов в ночном небе с течением времени, они увидели бы, что эти наблюдения могут быть объяснены только движением Земли вокруг Солнца (а также вращением самой Земли) с постоянной скоростью.

К 1687 году сэр Исаак Ньютон (Isaac Newton) произвел революцию в нашем понимании физики своим выдающимся трудом «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica».

В этом томе Ньютон синтезировал теории движения Галилея с его исследованиями гравитации, которые были обобщены его тремя законами движения.

К ним относились:

  1. Тело остается в состоянии покоя или в равномерном прямолинейном движении, если на него не действует сила;
  2. Тело, на которое действует сила, движется так, что скорость изменения количества движения во времени равна силе;
  3. Если два тела действуют друг на друга с силами, то эти силы равны по величине и противоположны по направлению.

Сэр Исаак Ньютон

Сэр Исаак Ньютон.

Эти три закона описывают три физические константы, которые остаются центральными в современной физике:

  • Инерция, которая утверждает, что тела останутся в состоянии движения, если внешняя сила не ускорит их или не замедлит;
  • Сила, которую математически можно представить как массу объекта, умноженную на его ускорение (F = ma);
  • И действие-противодействие, которое устанавливает, что когда объект воздействует на другой объект, второй объект оказывает равное и противоположное воздействие на первый.

Это заложило основу для теории всемирного тяготения Ньютона, в которой утверждается, что все точечные источники с массой притягиваются друг к другу за счет гравитационной силы.

И Закон обратных квадратов, который гласит, что эта сила напрямую зависит от масс обоих объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами.

Короче говоря, Ньютон утверждал, что та же сила, которая заставила яблоко упасть с дерева (яблоко Ньютона), заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, Луны вокруг Земли и все другие орбитальные механизмы в Солнечной системе.

Следствием универсальности Ньютона стало то, что ученые отныне будут рассматривать пространство и время как фиксированные и отдельные системы отсчета.

По сути, положение и движение объекта можно описать с помощью трех измерений в пространстве — длины, высоты и глубины (или осей x, y, z) — и одного измерения во времени.

Эта схема понимания Вселенной станет каноном на следующие двести лет.

Теории Ньютона были настолько влиятельны, что термины «классическая физика» и «ньютоновская физика» (или «механика») использовались как синонимы.

К середине-концу 19 века новые открытия в области астрономии, электромагнетизма и теории элементарных частиц заставили их забыть об этих условностях.

То, что раньше казалось упорядоченной Вселенной, состоящей из пространства и времени, материи и энергии и универсальных систем отсчета, будет заменено релятивистскими эффектами, замедлением времени и «жутким действием на расстоянии».

Электромагнетизм

К середине 19 века ученые сделали несколько прорывов в изучении оптики (света и цвета) и электромагнитных (ЭМ) явлений.

Это привело к осознанию того, что свет является формой электромагнитного излучения и что его свойства (то, как он ведет себя как волна) были подобны распространению электрического тока.

Более того, эксперименты, проведенные к этому времени, дали очень точные оценки скорости света — 299 792 458 м/с (1,079 миллиарда км/ч — 670,6 миллиона миль в час).

Кроме того, теоретическая работа Джеймса Клерка Максвелла (James Clerk Maxwell) и Хендрика Лоренца (Hendrik Lorentz) установила, что электрические и магнитные силы ведут себя как поля, воздействующие на точечные заряды.

Они были обобщены в уравнениях Максвелла (1861-62) и законе силы Лоренца (1895), которые описывают, как электрические и магнитные поля генерируются зарядами, токами и изменениями полей.

Вместе эти принципы составляют основу классического электромагнетизма, оптики и электрических цепей.

Электромагнетизм

Электромагнетизм.

Эти эксперименты также дали высокоточные оценки скорости света, которая в настоящее время составляет 299 792 458 м/с (1,079 миллиарда км/ч — 670,6 миллиона миль в час).

К сожалению, эти эксперименты также представляли теоретические проблемы для классической физики.

Во всех случаях измеренная скорость света была постоянной, независимо от того, двигался ли источник относительно наблюдателя или нет.

Это противоречило основному принципу классической механики и теории относительности Галилея.

Например, вращение Земли вокруг своей оси по существу означает, что она вращается по направлению к Солнцу.

Это означает, что когда Солнце находится на востоке, свет, достигающий наблюдателя, будет приближаться и, следовательно, иметь большую измеренную скорость, чем свет, наблюдаемый с любого другого направления.

Однако эксперименты с оптикой и преломлением света, подобные тем, что были проведены Огюстеном Френелем (Augustin Fresnel) в 1818 году, не показали заметного изменения скорости света.

Таинственный «эфир»

В результате к началу 19 века ученые начали постулировать, что пространство должно быть заполнено неким невидимым «эфиром».

Они утверждали, что эта среда позволяет свету распространяться в пространстве, но также означает, что свет увлекается ею, что приводит к изменению его скорости.

Примером этого является гипотеза частичного сопротивления эфира Френеля, где он заявил, что движение Земли не оказывает никакого влияния на то, как преломляется свет, потому что «эфир частично переносится землей, а световые волны внутри оптической среды частично увлекаются эфиром».

Это похоже на то, как звук распространяется в воздухе или воде, или как рябь распространяется по поверхности пруда.

Увы, эксперименты, проводившиеся на протяжении всего XIX века, постоянно указывали на то, что скорость света постоянна.

Чтобы решить эти теоретические вопросы с помощью экспериментальных результатов, ученым необходимо было измерить эффекты этого эфира, чтобы определить его свойства.

Это потребовало от ученых показать, что измеренная скорость света представляет собой простую сумму его скорости в среде плюс скорость среды.

Ипполит Физо (Hippolyte Fizeau) попытался доказать это своим «экспериментом с водяной трубкой» (или экспериментом Физо), который он провел в 1851 году.

После измерения скорости света в воде, движущейся по трубам, результаты Физо показали, что свет увлекается средой — вода.

Это, по-видимому, подтверждает более ранние экспериментальные результаты, например, проведенные Огюстеном Френелем (Augustin Fresnel) и сэром Джорджем Строксом (George Strokes).

Однако величина эффекта, который наблюдал Физо, оказалась намного ниже, чем ожидалось.

Опыт Ипполита Физо

Опыт Ипполита Физо.

Другим известным примером был эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.), проведенный американскими физиками Альбертом А. Майкельсоном (Albert A. Michelson) и Эдвардом У. Морли (Edward W. Morley).

Используя камеру и серию зеркал, они попытались измерить скорость света под разными углами — горизонтальным, соответствующим вращению Земли по направлению к Солнцу, и перпендикулярным.

Если бы такой «эфир» существовал, то движение Земли через него (и к Солнцу) привело бы к заметной разнице с горизонтальным лучом.

И снова эксперимент дал отрицательные результаты, поскольку не было заметной разницы между измеренными скоростями световых лучей.

В этот момент в игре появится Эйнштейн и предложит блестящее понимание, анализ и синтез теоретических и экспериментальных данных.

Это произошло в 1905 году, когда Эйнштейн впервые представил то, что впоследствии стало известно как его специальная теория относительности (СТО).

Введите Эйнштейна

В 1905 году, во время своего «annus mirabilis» (года чудес), Эйнштейн опубликовал свою диссертацию, а также четыре новаторские статьи, которые привлекли к нему внимание международного научного сообщества.

Одной из них была «Об электродинамике движущихся тел», где Эйнштейн предложил то, что впоследствии стало известно как его специальная теория относительности (СТО).

Эта теория разрешала уравнения Максвелла и закон силы Лоренца с помощью законов движения Ньютона и сводилась к двум постулатам:

  1. Законы физики одинаковы во всех неускоренных инерциальных системах отсчета;
  2. Скорость света в вакууме постоянна, независимо от движения наблюдателя или источника света.

Ключевым аспектом прорыва Эйнштейна были преобразования Лоренца, которые старший физик вывел при изучении экспериментов, касающихся поведения света.

Чтобы объяснить, почему свет не соответствует теории относительности, Лоренц предположил, что объекты искажаются (уплотняются) по пути движения в ускоренной инерциальной системе отсчета.

Как теоретизировал Эйнштейн, объекты, приближающиеся к скорости света (с), не будут наблюдать изменения с, исходящего от внешних источников, но они заметят, что время для них движется медленнее, чем для них.

Подобно своему предшественнику Галилею, Эйнштейн изложил механику этого понятия с помощью метафоры, причем несколько обновленной.

Согласно Эйнштейну, человек, путешествующий в поезде, заметит те же релятивистские эффекты, о которых упоминал Галилей, когда мяч падает прямо на пол.

Наблюдателю, находящемуся рядом с путями, кажется, что тот же самый шарик, упавший за борт поезда, падает по параболической траектории.

Теперь замените шар серией зеркал.

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн.

Человек, едущий в поезде, держит одно из них в руке, в то время как другой находится прямо под ним на полу.

Человеку, держащему зеркало, покажется, что луч света многократно прыгает вверх и вниз.

Теперь представьте, что еще одно зеркало расположено на стене в передней части автомобиля.

Если бы человек переориентировал зеркало в руке так, чтобы оно смотрело на него, луч света выглядел бы так, как если бы он отражался взад и вперед по вагону поезда.

Во всех случаях казалось бы, что свет движется с постоянной скоростью (c).

Но для человека, стоящего рядом с путями, в первом сценарии свет будет казаться зигзагообразным, пытаясь догнать движущиеся зеркала.

Во втором сценарии казалось бы, что свет движется медленнее, переходя от ручного зеркала к зеркалу в передней части автомобиля.

Увы, если бы они могли рассчитать время, они бы тоже зафиксировали постоянную скорость c.

Инстинктивно это не имело особого смысла для двух наблюдателей, пока они не сверились со своими часами.

Для человека, едущего в вагоне поезда, время двигалось (бесконечно мало) медленнее.

Разница была бы неизмеримой, но если бы движущаяся система отсчета была чем-то вроде космического корабля, способного двигаться со скоростью, составляющей долю скорости света, разницу было бы невозможно не заметить.

По сути, человек в движущейся системе отсчета ощущает время медленнее, эффект, известный как «замедление времени».

По мере того, как объекты приближаются к скорости света, этот эффект усиливается.

Однако Эйнштейн и его современники по-прежнему придерживались закона сохранения энергии, впервые предложенного и проверенного Эмили дю Шатле (Émilie du Châtelet) в 18 веке.

Этот закон гласит, что полная энергия изолированной системы остается постоянной и сохраняется во времени.

Применяя те же рассуждения к объектам, приближающимся к скорости света, Эйнштейн вывел уравнение E = mc2, где E — общее количество энергии в системе, m — масса системы, а c — ускорение системы до скорости света.

Согласно этому закону, объекты, ускоряющиеся до скорости, испытывают увеличение своей инерционной массы.

Это означает, что для поддержания ускорения объекта во времени требуется больше энергии, а скорость света абсолютна.

Мало того, что объекту потребовалось бы бесконечное количество энергии для достижения скорости света, его масса также стала бы бесконечной в процессе.

Другим поразительным следствием было то, что масса и энергия взаимозаменяемы в этом уравнении.

уравнение Эйнштейна

Если в уравнении поменять местами массу и энергию, результат останется прежним.

Это стало известно как принцип эквивалентности массы и энергии, который утверждает, что энергия и масса, по сути, являются двумя сторонами одной медали.

Еще одним следствием СТО является то, как она интерпретирует пространство и время как два выражения одной и той же реальности.

Согласно ньютоновской физике, ученые рассматривали геометрию Вселенной с точки зрения трех измерений — высоты, длины и ширины (или осей x, y и z ) — и одного измерения времени.

Другими словами, ньютоновская физика рассматривала пространство и время как отдельные и фиксированные.

Но, показав, как время относилось к наблюдателю в ускоренной системе отсчета, Эйнштейн представил четырехмерную геометрию, состоящую из трех измерений пространства и одного измерения времени – иначе говоря.

Пространство-время!

Почти сразу же ученые начали применять теорию Эйнштейна из-за того, как она соотносила электромагнетизм с теориями движения Ньютона и как устраняла необходимость в «эфире».

Общая теория относительности

Между 1905 и 1915 годами Эйнштейн стремился обобщить СТО, расширив ее для учета гравитации.

Во многом это было связано с теоретическими проблемами, вытекающими из теории всемирного тяготения Ньютона.

Ранее астрономы обнаружили, что уравнения Ньютона могут объяснить орбиты большинства известных тогда Солнечных тел.

Однако орбита Меркурия представляла собой долговременную особенность, которую уравнения Ньютона не могли объяснить.

В дополнение к тому, что орбита Меркурия имеет большой эксцентриситет, перигелий Меркурия также движется вокруг Солнца с течением времени.

Это известно как «прецессия перигелия», когда самая дальняя точка орбиты планеты с течением времени перемещается вокруг родительского тела.

Был способ, которым теории Ньютона интерпретировали гравитацию как притяжение между точечными источниками с массой.

Но если бы это было правдой, то сила притяжения была бы чем-то, что возникало бы между объектами мгновенно, даже если бы оно было особенно слабым на больших расстояниях.

Но, как продемонстрировал Эйнштейн с помощью СТО, информация не передается мгновенно через пространство-время.

Было также несколько нерешенных вопросов, касающихся того, как СТО применяется ко Вселенной в целом.

Первой проблемой была идея мгновенной связи.

Как ранее продемонстрировал Эйнштейн с помощью СТО, информация не передается мгновенно через пространство-время, а ограничена скоростью света.

Сверхновая, которая происходит на расстоянии 1 миллиарда световых лет от нас, будет казаться нам сейчас взорвавшейся в ночном небе, но это произошло 1 миллиард лет назад.

Общая теория относительности

Общая теория относительности.

В соответствии с законами электромагнетизма Эйнштейн предположил, что гравитация действует как поле, а не как мгновенное притяжение.

Чем больше масса, тем мощнее поле, в котором объекты будут притягиваться друг к другу.

Другой важной проблемой было ускорение, которое Эйнштейн проиллюстрировал с помощью другой умной (и обновленной) метафоры: пассажир в лифте.

Если бы кто-то перерезал кабель, лифт начал бы падать со скоростью 9,8 м/с2 (нормальная сила тяжести Земли, или 1 г.) по направлению к центру Земли.

Пассажир будет испытывать ощущение невесомости (свободного падения) вплоть до момента, когда лифт рухнет!

То же самое относится к любому объекту, испытывающему ускорение, будь то лодка, самолет, поезд, автомобиль или космический корабль.

При постоянной скорости люди, путешествующие в инерциальной системе отсчета (при отсутствии внешних опорных точек), даже не осознавали бы, что они движутся.

Фактически, пассажир или экипаж в космосе чувствовали бы себя невесомыми, если бы космический корабль находился в состоянии покоя или двигался с постоянной скоростью.

Но если система отсчета ускорится, любой внутри будет отброшен в направлении, противоположном движению.

Если бы ускорение было равно 9,8 м/с2, экипаж испытал бы ощущение земной гравитации.

Если бы космический корабль был ориентирован так, чтобы его вертикальная ось была направлена ​​в направлении движения, ускорение удержало бы ноги экипажа на полу.

Тот же принцип применим к вертушкам или вращающимся цилиндрам в космосе, где скорость вращения создает центростремительную силу, которая заставляет объекты вытягиваться наружу.

Для людей на борту станции эта сила создает ощущение гравитации.

В зависимости от радиуса и скорости станции «искусственная гравитация» может быть равна нормальной земной гравитации.

С конца 20–го века многие известные ученые предположили, что такие объекты могут стать ключом к исследованию и заселению Солнечной системы, в том числе Константин Циолковский (Konstantin Tsiolkovsy), Вернер фон Браун (Werner von Braun) и Джерард К. О’Нил (Gerard K. O’Neill — откуда цилиндр О’Нила получил свое название).

Суть в том, что ускорение неотличимо от силы тяжести в инерциальной системе отсчета.

И наконец, что не менее важно, была проблема замедления времени, поднятая СТО и преобразованиями Лоренца.

Если ускорение вызывает замедление времени, то это означает, что сама гравитация влияет на пространство-время.

Отсюда и родилась Общая Теория Относительности Эйнштейна (ОТО)!

По словам Эйнштейна, гравитация не является силой притяжения между точечными массами, а сама гравитация является следствием искривления пространства-времени, которое изменяется при наличии массивного объекта.

Следовательно, когда объекты вращаются вокруг друг друга, они не «притягиваются», а отслеживают кривизну этого пространства-времени.

Эксперимент Эддингтона

Эксперимент Эддингтона.

В ноябре 1915 года Эйнштейн представил свои уравнения поля Прусской академии наук в Берлине, Германия.

Эти уравнения определяют, как на четырехмерную геометрию пространства-времени влияют гравитационные поля (масса) и излучение (электромагнитные силы).

По словам Джона Уилера (John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться — материя сообщает пространству-времени, как искривляться».

Из всего этого официально родилась Общая Теория Относительности (ОТО) Эйнштейна, которая быстро станет основой для нашего современного понимания физики.

Подобно СТО, обобщенная теория относительности Эйнштейна будет иметь несколько теоретических следствий.

Во-первых, если то, что говорил Эйнштейн, было правдой, это означало, что гравитационные поля и результирующая кривизна пространства-времени будут влиять на все, включая свет!

Это предсказание предоставило астрофизикам средства для проверки ОТО, и первая возможность представилась в 1919 году.

В это время Фрэнк Дайсон (Frank Dyson), Артур Эддингтон (Arthur Eddington) и группа астрофизиков провели эксперимент во время солнечного затмения (эксперимент Эддингтона).

Эксперимент Эддингтона

За столетие, прошедшее с тех пор, как Эйнштейн формализовал свою теорию, СТО и ОТО неоднократно проверялись и подтверждались.

Некоторые из этих испытаний включали в себя небольшие эксперименты, тогда как другие проводились в самых экстремальных условиях.

В случае Эддингтонского эксперимента (или экспедиции) испытание состояло из наблюдений, сделанных во время солнечного затмения из двух экваториальных обсерваторий — одной, расположенной на северо-восточном побережье Бразилии, другой на острове Сан-Томе и Принсипи у побережья Западной Африки.

В частности, команда экспедиции искала звезды, проходящие за Солнцем во время затмения.

Если бы теория Эйнштейна была верна, свет, исходящий от этих звезд, отслеживал бы искривление пространства-времени, вызванное гравитацией Солнца.

Для наблюдателей этот эффект будет выглядеть так, будто сами звезды находятся рядом с Солнцем. Поскольку сияние Солнца эффективно блокируется полным затмением Луной, свет будет виден для инструментов их экспедиций.

Команды обеих обсерваторий не только видели эти звезды, но и их положение на ночном небе было точно таким, каким предсказывали уравнения поля Эйнштейна.

Эта история была немедленно подхвачена газетами по всему миру и размещена на первых полосах, что сделало книгу «Эйнштейн и общая теория относительности» мгновенной сенсацией!

Однако это была одна из многих проверок и предсказаний, которые в конечном итоге подтвердили правильность теорий Эйнштейна.

Со временем ОТО будет включена во все области современной физики, от электромагнетизма и астрофизики до физики элементарных частиц и зарождающейся в то время области квантовой механики.

Интересно, что некоторые из теорий, возникших в результате прорыва Эйнштейна, не устраивали астрофизиков.

На самом деле, некоторые из них (такие как космическое расширение и квантовая теория) он считал откровенно еретическими (и «жуткими»)!

Космическое расширение

Например, в 1917 году Эйнштейн попытался использовать ОТО для создания модели строения Вселенной.

К своему ужасу, он обнаружил, что в космическом масштабе его уравнения поля предсказывают, что Вселенная находится либо в состоянии расширения, либо в состоянии сжатия.

Чтобы предотвратить коллапс галактических скоплений и крупномасштабной структуры Вселенной, что-то должно противодействовать гравитации в самых больших масштабах.

Поскольку он предпочитал идею постоянной и неизменной Вселенной (распространенное в то время представление), Эйнштейн ввел в ОТО новую концепцию.

Это было известно как космологическая постоянная, представленная математическим символом лямбда в его уравнениях поля.

Он предположил, что эта сила отвечала за «сдерживание гравитации» и за то, чтобы плотность материи и энергии космоса оставалась неизменной с течением времени.

Сделав это, Эйнштейн оказался вовлеченным в полемику между сторонниками гипотезы стационарного состояния и космологической теории Большого взрыва (которая в конечном итоге разрешилась в пользу модели Большого взрыва).

Новая теория Эйнштейна также вызовет возражения со стороны некоторых его коллег, которые рассматривали ее как нестабильное решение проблем, представленных ОТО.

В 1922 году русский физик Александр Фридман (Alexander Friedmann) математически показал, как уравнения поля Эйнштейна согласуются с динамической Вселенной (уравнение Фридмана).

За этим последовал бельгийский астрофизик Жорж Лемэтр (Georges Lemaître) в 1927 году, который продемонстрировал, что ОТО и расширяющаяся Вселенная согласуются с астрономическими наблюдениями, особенно наблюдениями американского астронома Эдвина Хаббла (Edwin Hubble).

В 1931 году Эйнштейн посетил Хаббла в обсерватории Маунт-Вилсон, где стал свидетелем того, как галактики удаляются от Млечного Пути.

В ответ на то, что представил ему Хаббл, Эйнштейн официально объявил, что исключает космологическую постоянную из своих теорий, заявив, что это была «самая большая ошибка в моей карьере».

Тем временем астрофизики продолжали измерять скорость, с которой расширялся космос, что впоследствии стало известно как закон Хаббла (также известный как закон Хаббла-Леметра).

Однако наблюдения, проведенные на протяжении 1990-х годов (в частности, с помощью космического телескопа Хаббла), показали, что скорость космического расширения со временем увеличивается!

Это привело астрофизиков к предположению о существовании таинственной силы, противодействующей гравитации.

Но вместо того, чтобы предотвратить коллапс Вселенной, эта сила активно раздвигала ее на части.

Сегодня мы знаем эту силу как темную энергию.

Наряду с темной материей она является ключевым компонентом наиболее широко принятой космологической модели — модели лямбда холодной темной материи (LCDM — Lambda Cold Dark Matter).

Космическое расширение

Космическое расширение.

Черные дыры, линзирование и волны

В 1915 году, всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн представил ОТО, немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) нашел решение уравнения поля Эйнштейна, которое предсказало существование черных дыр.

Согласно этому решению, масса шара может стать настолько сжатой, что скорость убегания от поверхности будет равна скорости света.

Теперь это называется радиусом Шварцшильда, который описывает минимальные размеры, при которых сферическая масса должна коллапсировать, чтобы образовалась черная дыра.

В 1924 году Эддингтон наблюдал, как теория Эйнштейна позволила астрономам исключить существование видимых звезд с чрезмерно большой плотностью.

Согласно Эддингтону, такие плотные тела «создали бы такую кривизну метрики пространства-времени, что пространство вокруг звезды сомкнулось бы, оставив нас снаружи (т. е. нигде)».

В 1931 году индийско-американский астрофизик Субрахманьян Чандрасекар (Subrahmanyan Chandrasekhar) предложил СТО решение, рассчитав, как достаточная масса электронно-вырожденного вещества (в невращающемся теле) коллапсирует сама в себя.

Это стало известно как предел Чандрасекара.

В сочетании с расчетами Шварцшильда у астрофизиков теперь были оценки пределов массы и радиуса черных дыр.

В 1939 году Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer) и другие ученые согласились с анализом Чандрасекара, утверждая, что нейтронные звезды при превышении установленного предела коллапсируют в черные дыры.

Они также определили внешнюю границу радиуса Шварцшильда как границу сингулярности, внутри которой останавливается время.

Для внешних наблюдателей черная дыра будет восприниматься как звезда, застывшая во времени в момент коллапса, но у падающего наблюдателя будет совершенно другой опыт.

Другой эффект, предсказанный ОТО, заключается в том, как гравитационные поля могут искривлять и фокусировать свет, исходящий от более удаленных источников.

Это известно как гравитационное линзирование, когда особенно массивный объект действует как «линза», усиливая световые силы за его пределами (или позади него).

Этот метод также использовался для проверки ОТО Эйнштейна в экстремальных условиях, таких как наблюдения Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры (СМЧД) в центре Млечного Пути.

Модифицированная версия этого метода, Гравитационное микролинзирование, также обнаруживает экзопланеты вокруг далеких звезд.

Черные дыры, линзирование и волны

Черные дыры, линзирование и волны.

Еще одно предсказание, сделанное ОТО — это эффект ряби, который гравитационные силы могут оказывать на пространство-время.

Это происходит, когда два особенно массивных объекта (нейтронные звезды, черные дыры или СМЧД) сливаются и выделяют огромное количество энергии в виде гравитационных волн.

Первое подтвержденное обнаружение этих волн было сделано Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2016 году, примерно через столетие после того, как Эйнштейн впервые предсказал их.

Теория относительности Эйнштейна также оказала бы глубокое влияние на зарождающуюся область квантовой механики.

Открытия, которые он поможет сделать здесь, были еще одним источником страха для него.

Среди них принцип квантовой запутанности, который он охарактеризовал бы как «призрачное действие на расстоянии», и то, что Вселенная характеризуется полухаотическим характером уравнения квантовой волновой функции Шредингера и принципа неопределенности Гейзенберга.

Несмотря на то, что Эйнштейн сопротивлялся некоторым прорывам, которые он вдохновил, нельзя отрицать ту роль, которую он сыграл в революции в современной физике.

Однако из всех сделанных им вкладов ни один не приближается по значению (или следствию) к теории относительности.

Спустя более века после того, как он завершил свою обобщенную теорию, передовые эксперименты продолжают демонстрировать, насколько он был прав.

Неудивительно, почему она остается частью фундамента, на котором покоятся современная физика, квантовая физика, астрофизика и космология.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 5