Теория относительности Эйнштейна

Теория относительности Эйнштейна

Достаточно много разных теорий мы с вами уже обсуждали, но все время как-то обходили стороной одну, которая на данный момент кажется наиболее правдоподобной. Теория относительности Эйнштейна не кажется такой фантастической, как например, Теория струн. Она также выглядит убедительнее, хоть и менее интересно, чем Теория петлевой квантовой гравитации – ее основного конкурента. Итак, устраивайтесь поудобнее, заварите чайку, потому что путешествие наше будет не близким. Для начала углубимся в историю…

На дворе далекий 1905-ый год, до изобретения Теории квантовой гравитации оставалось еще почти 80 лет. Тогда еще не всемирно известный немецкий физик-теоретик Альберт Эйнштейн сделал два заявления, которые, если не потрясли весь мир, то точно заставили научное сообщество задуматься.

  • Законы физики одинаково действуют на все объекты, движущиеся с постоянной скоростью относительно друг друга.
  • Скорость света в вакууме есть постоянная величина, не зависящая от скорости наблюдателей.

Эти заявления стали основными постулатами специальной теории относительности. И вот она точно «перевернула игру». На протяжении десяти с лишним лет Эйнштейну не удавалось собрать пазл воедино, так как ускорение никак не вписывалось в формулу. И, когда у него это наконец получилось, планета увидела то, ради чего мы с вами здесь сегодня собрались – Общую теорию относительности, сокращенно просто ОТО. Она говорила о том, что все тела в разной степени искривляют пространство-время, особенно массивные, образуя тем самым то, что мы называем гравитацией.

О ней человечество узнало еще от Исаака Ньютона, когда тот говорил о силе тяготения между двумя объектами, которая зависит от их масс и расстояния, на которое они удалены друг от друга. Если коротко, то центр тяжести планеты и человека тянутся друг к другу, но, так как планета гораздо больше, она этого тяготения не ощущает, в отличие от человека. Как сказал бы один известный персонаж: в принципе, логично.

Главной проблемой Ньютона было то, что он не захотел разбираться в вопросе того, откуда вообще берется гравитация. Поэтому так и не нашел ошибки в своих предположениях. Эйнштейн же не стал сглаживать углы в пользу своей теории и начал изучение самих истоков гравитации. Он сумел доказать свое утверждение касательно скорости света в вакууме, и это позволило ему сделать вывод, от которого планета содрогнулась. 

Вооружившись основами СТО, Эйнштейн обратился к мировому научному сообществу с заявлением о том, что время и вещество неразрывны, поэтому их нужно объединить в один континуум или проще говоря пространство-время. Он говорил о том, что разные события, которые происходят в одно время для одного наблюдателя, могут проходить в разные промежутки времени для другого.

В процессе работы над Общей теорией относительности к Альберту пришло осознание того, что пространство-время искривляется словно резиновая мембрана под действием массивных объектов. На самом же деле это искривление происходит для всех объектов, но эта сила незначительна.

Теория относительности Эйнштейна
Теория относительности Эйнштейна

«Теория теорией, но где же пруфы?» - спросите вы. Вот и научное сообщество тоже спросило. До сих пор нет ни одного прибора, с помощью которого можно было увидеть состояние пространства-времени или каким-либо образом его измерить. Но, все же ученым удалось открыть несколько явлений, которые доказывают утверждения Эйнштейна.

Гравитационное линзирование

Это, пожалуй, самое явное доказательство ОТО. Сверхмассивные тела, такие как черные дыры, способны преломлять свет вокруг себя аки стеклянные линзы.

Гравитационное линзирование
Гравитационное линзирование

До недавнего времени самым достоверным примером гравитационного линзирования был всем известный Крест Эйнштейна – изображение квазара, находящегося в 400 млн световых лет от нас. Если слово на букву «к» вызывает у вас недоумение, рекомендую почитать о том, что такое квазары.

Квазары
Квазары

Почему же лишь «до недавнего времени»? Потому что в 2019 году мир убедился в существовании черной дыры, фотография которой в очередной раз дала прикурить Теории петлевой квантовой гравитации, возвысив ОТО на вершину Олимпа. Можете подробнее ознакомиться с тем, что дала нам первая фотография черной дыры.

Еще одним явлением в пользу теории Эйнштейна является белый карлик – мертвая звезда, находящаяся рядом с красным карликом, который значительно меньше ее по массе, но больше по размеру. Проходя рядом с красным, белый становится гораздо ярче от того, что его гравитационное поле искажает свет от соседа.

Изменения в орбите Меркурия

Меркурий находится так близко к Солнцу, что его орбита немного смещается под воздействием столь массивного объекта. Еще каких-то пару миллиардов лет такого смещения, и бедняга может столкнуться с Землей. Ну что ж, зато ОТО докажем.

Искривление пространства-времени Землей

НАСА решило проверить утверждение Эйнштейна о том, что Земля искривляет пространство-время вокруг себя. Они отправили на орбиту спутник, провели вычисления и выяснили, что ориентация гироскопов внутри этого зонда изменилась именно так, как и предсказывал ученый. Френсис Эверитт – глава этой исследовательской миссии, сказал, что пространство-время словно мед, в который погружена наша планета. При вращении эта субстанция закручивается вокруг нее. Вот такое вот сравнение.

Гравитационное красное смещение

Знаете ли вы, что такое спектрограмма? Если нет, загуглите, мы тут не это обсуждаем. Так вот, на этом изображении любого массивного объекта в космосе выделяют красное и фиолетовое смещение. Если объект, который является источником света, удаляется от массивного небесного тела, его спектрограмма смещает к красному цвету. Наоборот – к фиолетовому.

В далеком 1959-ом был проведен интересный эксперимент. Ученые Паунд и Ребка забрались на башню Гарвардского университета и стали запускать вверх гамма-лучи. Так как они находились дальше от поверхности Земли, частота лучей была немного меньше, чем обычно. Это доказало правдивость красного смещения из-за гравитационного искривления пространства-времени. Это явление называется эффектом Доплера – изменение длин волн излучения для наблюдателя по мере движения источника этих волн, о котором, возможно, я тоже когда-нибудь вам расскажу.