100 лет с открытия общей теории относительности: как Эйнштейн изменил наше понимание Вселенной

Теория относительности Альберта Эйнштейна это «самое удивительное сочетание философского проникновения, физической интуиции и математических способностей», как сказал о ней Макс Борн. Она потрясла основы физики и буквально переписала координаты Вселенной, связывая геометрию пространства-времени и гравитацию необычным образом.

Как мы уже говорили, её сформулировал Альберт Эйнштейн физик, ставший символом науки и чьё имя известно всему миру. Вчера, 18 апреля, исполнилось 70 лет со дня его смерти. Его лицо, усы, растрепанные волосы, трубка, ручка, заправленная в свитер, доска, полная расчетов эти образы стали почти универсальными символами, присутствующими в коллективном воображении каждого.

Чтобы отметить этот юбилей, предлагаем вам вновь обратиться к теории относительности. Или, точнее, к теориям относительности, ведь Эйнштейн создал две версии, обе революционные: специальную, которая описывает поведение пространства и времени при движении со скоростью, близкой к скорости света, и общую, посвященную гравитации.

Особенности специальной теории относительности

Начнем с узкой версии. Мы находимся в начале XX века, когда сообщество физиков было довольны знаниями, накопленными до этого момента. Считалось, что науки почти достигли своей кульминации оставалось лишь решить несколько проблем. Но предсказания оказались ошибочными. Две из этих проблем стали гораздо сложнее, чем ожидалось, и решение их открыло двери к двум важнейшим революциям в физике.

Первая проблема, связанная с черным телом, послужила толчком для развития квантовой механики. Вторая, проблема скорости распространения света, легла в основу специальной теории относительности. Согласно уравнениям Максвелла, свет распространяется в вакууме с фиксированной скоростью (около 300 тысяч километров в секунду), независимо от скорости наблюдателя. Однако классическая механика утверждает, что скорости складываются или вычитаются в зависимости от движения наблюдателя.

Теория специальной теории относительности

Одним из предложений для объяснения того, почему свет ведет себя иначе, чем другие объекты, была гипотеза эфира некая «невидимая среда», через которую распространяются электромагнитные волны, как звук распространяется в воздухе. Однако тщательные эксперименты не оставили от эфира и следа. Свет продолжал двигаться с постоянной скоростью, и объяснения не находилось.

И вот в 1905 году молодой сотрудник Патентного ведомства в Берне, доктор Эйнштейн, предложил новую теорию, исключившую эфир. Он предложил два фундаментальных постулата: законы физики одинаковы для всех инерциальных систем отсчета (т.е. тех, которые движутся с постоянной скоростью относительно друг друга), и скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от их движения и является максимальной, т.е. ничто не может двигаться быстрее света. Эти два постулата лежат в основе специальной теории относительности и приводят к необычным и странным последствиям.

Одним из них является замедление времени когда движущиеся часы относительно неподвижного наблюдателя идут медленнее, а при скорости света останавливаются. Другим важным следствием стала знаменитая формула эквивалентности массы и энергии: E mc².

Общая теория относительности и гравитация

Теперь переходим от света к гравитации. Чтобы понять, как Эйнштейн подошел к новой концепции, нужно вернуться к теории всемирного тяготения Исаака Ньютона, согласно которой масса действует мгновенно и привлекает другие массы. Однако специальная теория относительности предсказывает, что ничто не может двигаться быстрее света. Это создает проблему: если Солнце исчезнет, Земля должна немедленно перестать чувствовать его притяжение, но по теории относительности никакая информация не может передаваться мгновенно.

Эйнштейн решил эту проблему в 1915 году, создав уравнение поля, которое перевернуло представление о гравитации. Он связал её с геометрией пространства-времени, представив его как четырехмерную ткань, искривляющуюся массами, такими как Солнце. Это искривление пространства-времени и есть то, что мы воспринимаем как гравитацию.

Метафора «резиновой ткани», которая изгибается под воздействием масс, помогает представить, как работает гравитация, хотя и не является точной с научной точки зрения.

Подтверждения теории

Теория относительности не оставалась просто гипотезой. Первое подтверждение было получено ещё в 1919 году, когда астроном Артур Эддингтон наблюдал солнечное затмение. Он заметил, что свет звезд, которые должны были бы быть скрыты за Солнцем, на самом деле был виден, потому что его путь искривляла масса Солнца. Это явление подтвердило предсказания Эйнштейна.

После этого последовали и другие проверки, например, наблюдения сверхновых, свет которых разделялся на несколько путей из-за искривления пространства-времени (так называемый эффект гравитационного линзирования), что привело к открытию так называемого Креста Эйнштейна.

Читайте также: