Просмотр новости
Найдите то, что Вас интересует
Спутники
РН
SpaceX
Роскосмос
NASA
СпутникиРНSpaceXРоскосмосNASAОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ: ИСТОРИЯ С ГРАВИТАЦИЕЙ
В долгой истории познания Вселенной, пожалуй, ни один год не заслуживает звания «поворотного» больше, чем 1915-й. Именно тогда Альберт Эйнштейн представил Прусской академии наук свои окончательные уравнения общей теории относительности - и навсегда изменил наши представления о пространстве, времени и тяготении. Целых двести с лишним лет до этого гравитационный закон Ньютона безраздельно царил в физике: он безупречно описывал, как падает яблоко, как обращается Луна, как планеты вычерчивают свои эллиптические орбиты - настолько совершенно, что дух захватывало. Но Эйнштейн с помощью череды дерзких мысленных экспериментов и головоломного математического аппарата явил миру истину куда более глубокую: гравитация - это вовсе не «сила», а геометрический эффект искривления самого пространства-времени. Вывод этот настолько противоречит интуиции, что самому Эйнштейну потребовалось целых десять лет, чтобы пройти путь от первой догадки до стройной теории.
Чтобы по-настоящему осознать масштаб этой революции, стоит на миг вернуться в мир Ньютона. Ньютон учил нас, что между любыми двумя телами, обладающими массой, действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Закон прост, изящен и невероятно полезен - с его помощью можно рассчитать планетные орбиты с поразительной точностью. Однако сам Ньютон прекрасно понимал, что он так и не ответил на вопрос, что же такое гравитация «по сути» - он лишь описал, как она «ведёт себя». В своих «Математических началах натуральной философии» он честно признавался, что не в силах найти причину, по которой тяготение передаётся от одного тела к другому, и оставляет это размышлениям читателя. Этакое действие на расстоянии, без посредников, без среды, мгновенно перелетающее через пустоту космоса - для самого Ньютона оно оставалось гипотезой, которую он не мог принять до конца. Два столетия тревога эта заглушалась блестящими практическими успехами, пока на свет не выползла маленькая, но не дающая покоя аномалия.
Аномалией этой оказался сдвиг перигелия Меркурия. Если считать по ньютоновской теории, эллиптическая орбита Меркурия вокруг Солнца сама по себе должна медленно поворачиваться в пространстве примерно на 5557 угловых секунд за столетие - причём бо́льшую часть этого поворота можно объяснить возмущениями, которые вносят другие планеты. Но когда все известные влияния вычтены, остаётся лишних 43 угловых секунды за сто лет, которые никак не удаётся списать на счёт известных причин. Эту крошечную невязку астрономы заметили ещё в середине XIX века, и она засела в сознании как заноза - не смертельная, но постоянно напоминающая о себе. Кое-кто предполагал, что внутри орбиты Меркурия прячется неизвестная планета Вулкан, которая и вносит свои возмущения, но десятилетия поисков не дали ровно ничего. Ньютоновская теория тяготения здесь дала трещину, и именно в эту трещину суждено было войти грандиозной революции.
Эйнштейн подошёл к проблеме с неожиданной стороны - с того, что многие сочли бы простым совпадением. В классической физике существуют две совершенно разные по смыслу разновидности массы. Масса инертная определяет, насколько тело сопротивляется изменению скорости - толкнуть стальной шар куда труднее, чем теннисный мячик. Масса гравитационная показывает, насколько сильно тело притягивается к другим телам - стальной шар весит больше, чем мячик. По своему физическому смыслу эти две массы никак не связаны, но бесчисленные изощрённые опыты доказывают: их численные значения совпадают с фантастической точностью. Галилей бросал с Пизанской башни шары разного веса, и они падали одновременно - именно благодаря этой эквивалентности; позднейшие эксперименты Этвёша довели точность до одной десятимиллиардной, и вывод остался незыблем. Большинство физиков принимали это как данность, как исходный факт природы, но Эйнштейн упрямо спрашивал себя: почему две столь разные характеристики всегда строго равны? За этим обязана скрываться какая-то глубинная причина.
Из этого вопроса родилась мысль, которую Эйнштейн впоследствии назвал «самой счастливой в своей жизни», - принцип эквивалентности. Он придумал знаменитый мысленный эксперимент с лифтом: представьте, что вы заперты в герметичной кабине, пол давит на ваши ступни с привычной силой, а отпущенное яблоко падает на пол. Как вам узнать, стоит ли ваш лифт неподвижно на поверхности Земли или же мчится в пустом космосе с ускорением 9,8 метра в секунду за секунду? Никак, потому что все ваши ощущения в обоих случаях будут идентичны. А если канат лифта оборвётся и вы начнёте падать вместе с кабиной - вы окажетесь в состоянии невесомости, яблоко повиснет рядом, вы будете парить в воздухе, и ни один эксперимент внутри кабины не покажет, падаете ли вы на Землю или дрейфуете в межзвёздном пространстве вдали от всяких тяготеющих масс. Отсюда Эйнштейн сделал решающий вывод: гравитация и ускорение в локальной области неразличимы, они эквивалентны.
Это заключение имело поистине революционные последствия. Оно означало, что гравитацию можно вообще не считать самостоятельной «силой» - она с успехом моделируется как геометрический эффект, возникающий в ускоренной системе отсчёта. А дальше Эйнштейн сделал ещё один шаг: если ускорение способно искривлять траекторию света - в ускоряющемся вверх лифте горизонтальный луч, выпущенный из одной стенки, опишет дугу и упадёт на пол, словно брошенный мяч, - то, по принципу эквивалентности, и гравитация обязана искривлять свет. Это предсказание казалось в те годы совершенно немыслимым, ведь в мире Ньютона свет всегда распространялся строго по прямым. Но логика Эйнштейна была железобетонной: гравитация эквивалентна ускорению, ускорение искривляет световой путь, значит, и гравитация искривляет свет. А раз свет в гравитационном поле не идёт по прямой, это само по себе доказывает, что пространство не может быть плоским - только в искривлённом пространстве «кратчайший путь» способен выглядеть как кривая.
Однако принцип эквивалентности отвечал лишь на вопрос, как проявляет себя гравитация, но не на вопрос, чем она является по своей природе. Для следующего шага Эйнштейну понадобился совершенно новый математический язык. Обычная евклидова геометрия, имеющая дело с плоскостями и прямыми, в искривлённом мире совершенно бесполезна - точно так же, как на поверхности земного шара утверждение «кратчайшее расстояние между двумя точками - прямая» должно быть заменено на «кратчайшее расстояние - дуга большого круга». К счастью, ещё в XIX веке математики, и в первую очередь Риман, разработали геометрию, способную описывать любые искривлённые пространства, - ту самую риманову геометрию. Когда она только появилась, это был чистый, отвлечённый интеллектуальный конструкт, и даже её создатели едва ли предполагали, что спустя десятилетия она станет тем языком, на котором будет описано всё пространство-время Вселенной. С помощью своего друга-математика Гроссмана Эйнштейн постепенно овладел этим сложнейшим аппаратом и в конечном счёте записал гравитационное поле как кривизну пространства-времени.
В ноябре 1915 года Эйнштейн представил то самое уравнение поля, которое навсегда вписано в историю физики. Гениальность его заключается в самой структуре: левая часть описывает степень искривления пространства-времени, правая - распределение материи и энергии. Материя говорит пространству-времени, как искривляться, а искривлённое пространство-время говорит материи, как двигаться, - эту знаменитую фразу позднее произнёс физик Уилер, и она стала квинтэссенцией всей общей теории относительности. У Ньютона процесс был разделён на два шага: материя создаёт поле тяготения, а поле затем действует на материю с силой. У Эйнштейна всё слито воедино: материя искривляет пространство-время, а искривлённое пространство-время непосредственно задаёт траектории движения - без всякой промежуточной «силы». Гравитация исчезает как самостоятельная сущность, и на её место приходит геометрия. Яблоко падает на голову Ньютона потому, что Земля его «тянет»; в мире Эйнштейна яблоко падает потому, что масса Земли прогнула вокруг себя пространство-время, и яблоко попросту скользит по «самой прямой из возможных линий» - геодезической - в этом искривлённом пространстве.
Новая теория немедленно подверглась самой суровой проверке. Эйнштейн сам вывел три наблюдаемых следствия. Первым шёл тот самый избыточный сдвиг перигелия Меркурия в 43 угловых секунды - общая теория относительности давала для него значение, идеально совпадающее с наблюдениями, и проблема, мучившая астрономов более полувека, была решена раз и навсегда. Вторым предсказанием было отклонение света вблизи Солнца: согласно расчётам Эйнштейна, звёздный луч, проходящий у края солнечного диска, должен был изогнуться на 1,75 угловой секунды. В 1919 году британский астроном Эддингтон воспользовался случаем полного солнечного затмения и отправил две экспедиции - в Бразилию и на западное побережье Африки. Они сфотографировали звёзды вблизи Солнца во время затмения, а затем сравнили эти снимки с фотографиями того же участка неба, сделанными ночью, - и оказалось, что положения звёзд действительно чуть сместились, причём ровно на ту величину, которую предсказал Эйнштейн. Весть разнеслась по миру, и Эйнштейн в одночасье стал всемирно известной фигурой. Третьим предсказанием было гравитационное красное смещение - удлинение волны и понижение частоты света, покидающего сильное гравитационное поле. Этот эффект впоследствии подтвердился и в лабораторных, и в астрономических наблюдениях. Все три пророчества сбылись, и общая теория относительности прочно взошла на трон гравитационной физики.
Но по-настоящему захватывающим оказалось то, какое множество удивительных следствий и подтверждений теория породила в последующее столетие. Всего через месяц после публикации уравнений немецкий физик Шварцшильд, находясь на русском фронте Первой мировой войны, прямо в окопах вычислил первое точное решение - для статического сферически-симметричного пространства-времени. Это решение открывало жуткую возможность: если сжать достаточную массу в достаточно малый объём, пространство-время искривится настолько, что даже свет не сможет его покинуть; граница этого региона получила название горизонта событий, а всё, что за ней, навсегда отрезано от внешней Вселенной. Так родилось математическое понятие чёрной дыры. В те годы многие считали это лишь экзотическим частным случаем уравнений, вряд ли имеющим отношение к реальности; сегодня же астрономы получили фотографии чёрных дыр, зарегистрировали гравитационные волны от их слияний, и чёрные дыры из бумажных монстров превратились в реальные космические объекты.
Общая теория относительности предсказывала и существование гравитационных волн - ряби самого пространства-времени, порождаемой ускоренно движущимися массивными телами и распространяющейся со скоростью света. Этому предсказанию пришлось ждать прямого подтверждения целых сто лет. В 1974 году Халс и Тейлор открыли двойную пульсарную систему - две нейтронные звезды, обращающиеся друг вокруг друга. Многолетние наблюдения показали, что период их обращения неуклонно сокращается, причём ровно с той скоростью, которая соответствовала бы потере энергии на гравитационное излучение по формулам Эйнштейна. За эту работу они получили Нобелевскую премию 1993 года. Но лишь 14 сентября 2015 года американская лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO впервые напрямую зафиксировала сигнал от слияния двух чёрных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда световых лет от нас. В 2017 году это открытие принесло Нобелевскую премию троим физикам. Так родилась гравитационно-волновая астрономия, и человечество обрело совершенно новый способ «вслушиваться» во Вселенную.
Влияние общей теории относительности простирается далеко за пределы самой гравитации. Без неё мы не смогли бы понять происхождение и эволюцию космоса. Когда Эйнштейн применил свои уравнения ко всей Вселенной целиком, он с удивлением обнаружил, что статического решения не получается - пространство-время обязано либо расширяться, либо сжиматься, третьего не дано. Однако в те годы господствовало убеждение, что Вселенная вечна и неизменна, и Эйнштейн искусственно ввёл в уравнения дополнительный член - космологическую постоянную - чтобы скомпенсировать притяжение и сохранить статичность. Позже Хаббл открыл, что галактики действительно разбегаются и Вселенная расширяется, и Эйнштейн с горечью назвал космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Но история не закончилась: в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а, напротив, ускоряется. Самым естественным способом объяснить это явление оказалось вернуть космологическую постоянную на место - только теперь она получила новое имя: тёмная энергия. Та самая «ошибка» Эйнштейна стала одним из ключевых ингредиентов современной стандартной космологической модели, и этот сюжетный поворот сам по себе мог бы стать сюжетом для драмы.
На уровне повседневной жизни общая теория относительности тоже давно проникла в нашу техническую цивилизацию. Система глобального позиционирования GPS - идеальный тому пример. Спутники GPS кружат на высоте около двадцати тысяч километров со скоростью почти четырнадцать тысяч километров в час. Там гравитация слабее, чем на поверхности Земли, и время течёт быстрее - релятивистский эффект заставляет атомные часы на спутниках уходить вперёд примерно на 45 микросекунд в сутки. По отдельности эта разница ничтожна, но для позиционирования требуются наносекундные точности; без релятивистской коррекции ошибка в определении местоположения накапливалась бы по километрам в день, и навигатор отправлял бы вас совершенно не туда. Поэтому часы на каждом GPS-спутнике перед запуском специально замедляют, а на орбите их регулярно подправляют. Общая теория относительности давно перестала быть кабинетной метафизикой - это технология, которую вы носите в кармане и используете каждый раз, когда открываете карты на смартфоне.
Однако наука никогда не останавливается на достигнутом. Как ни успешна общая теория относительности, она не является финальной точкой. Её самое уязвимое место - фундаментальное противоречие с квантовой механикой. Общая теория относительности рисует пространство-время как непрерывную, гладкую геометрическую структуру, которую можно делить до бесконечности. Квантовая механика, напротив, учит, что на микроскопических масштабах всё дискретно, вероятностно и неопределённо. Попытки механически соединить эти две теории приводят к математическим бесконечностям и физической бессмыслице. В центре чёрной дыры, в момент Большого взрыва кривизна пространства-времени обращается в бесконечность, и общая теория относительности сама себя разрушает - она нуждается в квантовой теории гравитации, но до сих пор никому не удалось построить непротиворечивую теорию такого рода. Кандидаты есть - теория струн, петлевая квантовая гравитация и другие, - но до экспериментальной проверки им ещё далеко. Это самая блестящая и одновременно самая мучительная загадка современной физики.
Продолжение следует.
ОТКРЫТ НАБОР НА КУРС "СЦЕНАРИЙ ТЕЛЕСЕРИАЛА"
(ссылка в профиле)
СЛЕДУЙТЕ ЗА БЕЛЫМ КРОЛИКОМ!