Семь простых способов узнать, что Эйнштейн был прав

В течение 100 лет общая теория относительности Альберта Эйнштейна выдерживала практически все испытания, которым подвергали ее физики. Объявленные в ноябре 1915 года уравнения поля знаменитого ученого расширили давно известные законы Исаака Ньютона, представив гравитацию как искривление ткани пространства и времени, а не как простую силу, действующую между объектами.

Результаты использования уравнений общей теории относительности на самом деле похожи на те, которые получаются при использовании математики Ньютона, если только участвующие массы не слишком велики, а скорости относительно малы по сравнению со скоростью света. Но эта концепция стала революцией для физики.

Искривленное пространство-время означает, что сам свет подвержен влиянию гравитации гораздо сильнее, чем предсказывал Ньютон. Это также означает, что планеты движутся по своим орбитам немного измененным, но очень существенным образом, и предсказывает существование таких экзотических объектов, как чудовищные черные дыры и червоточины.

Общая теория относительности не совершенна - правила гравитации Эйнштейна, похоже, разрушаются, если применить их к правилам квантовой механики, которая царит в субатомных масштабах. Это оставляет множество дразнящих пробелов в нашем понимании Вселенной. Даже сегодня ученые расширяют границы, чтобы увидеть, как далеко может завести нас относительность. Тем временем, вот несколько способов, с помощью которых мы постоянно наблюдаем относительность в действии:

Еще в 19 веке астроном Урбен Леверрье заметил проблему с орбитой Меркурия. Планетные орбиты не круговые, а эллипсы, что означает, что планеты могут быть ближе или дальше от Солнца и друг от друга по мере их движения по Солнечной системе. Когда планеты тянутся друг к другу, их точки наибольшего сближения движутся предсказуемым образом, этот процесс называется прецессией.

Но даже после учета влияния всех других планет Меркурий, казалось, с каждым столетием отклоняется немного дальше, чем должен. Сначала астрономы подумали, что внутри орбиты Меркурия должна находиться еще одна невидимая планета, названная Вулканом, которая добавляет свое гравитационное притяжение.

Но Эйнштейн с помощью уравнений общей теории относительности показал, что никакой таинственной планеты не нужно. Меркурий, находясь ближе всего к Солнцу, просто сильнее подвержен влиянию того, как наша массивная звезда искривляет ткань пространства-времени, чего не учитывала ньютоновская физика.

Согласно общей теории относительности, свет, движущийся сквозь ткань пространства-времени, должен следовать изгибам этой ткани. Это означает, что свет, движущийся вокруг массивных объектов, должен огибать их. Когда Эйнштейн опубликовал свои работы по общей теории относительности, было неясно, как наблюдать это искажение, поскольку предсказанный эффект невелик.

Британскому астроному Артуру Эддингтону пришла в голову идея: посмотреть на звезды у края Солнца во время солнечного затмения. Когда солнечный свет заслоняет Луна, астрономы могут увидеть, изменяется ли видимое положение звезды под действием гравитации массивного Солнца. Ученые вели наблюдения в двух местах: в восточной части Бразилии и в Африке.

Конечно, команда Эддингтона увидела смещение во время затмения 1919 года, и газетные заголовки трубили на весь мир, что Эйнштейн был прав. В последние годы новые исследования данных показали, что по современным стандартам эксперимент был несовершенен - были проблемы с фотопластинками, а точность, доступная в 1919 году, была недостаточно хороша, чтобы показать нужную величину отклонения в измерениях из Бразилии. Но последующие эксперименты показали, что эффект существует, и, учитывая отсутствие современного оборудования, работа была достаточно прочной.

Сегодня астрономы с помощью мощных телескопов могут видеть, как свет от далеких галактик отклоняется и увеличивается другими галактиками - этот эффект сейчас называется гравитационным линзированием. Этот же инструмент сегодня используется для оценки массы галактик, для поиска темной материи и даже для поиска планет, вращающихся вокруг других звезд.

Возможно, самым впечатляющим предсказанием общей теории относительности является существование черных дыр - объектов настолько массивных, что даже свет не может избежать их гравитационного притяжения. Однако эта идея не была новой. В 1784 году английский ученый по имени Джон Митчелл представил ее на заседании Королевского общества, а в 1799 году Пьер-Симон Лаплас, французский математик, пришел к той же концепции и написал более строгое математическое доказательство. Несмотря на это, никто не наблюдал ничего похожего на черную дыру. Кроме того, эксперименты, проведенные в 1799 году и позже, показывали, что свет должен быть волной, а не частицей, поэтому он не будет подвержен влиянию гравитации, если вообще будет подвержен.

Введите Эйнштейна. Если гравитация действительно обусловлена искривлением пространства-времени, то она может влиять на свет. В 1916 году Карл Шварцшильд использовал уравнения Эйнштейна, чтобы показать, что черные дыры не только могут существовать, но и что результирующий объект почти такой же, как у Лапласа. Шварцшильд также ввел понятие горизонта событий - поверхности, за которую не может выйти ни один материальный объект.

Хотя математика Шварцшильда была обоснована, астрономам потребовались десятилетия, чтобы наблюдать какие-либо кандидаты - Сигнус Х-1, мощный источник рентгеновского излучения, стал первым объектом, широко признанным в качестве черной дыры в 1970-х годах. Теперь астрономы считают, что каждая галактика имеет в своем ядре черную дыру - даже наша собственная. Астрономы тщательно проследили орбиты звезд вокруг другого яркого рентгеновского источника в центре Млечного Пути, Стрельца А, и обнаружили, что эта система ведет себя как чрезвычайно массивная черная дыра.

Создавая общую теорию относительности, Эйнштейн понял, что эффект гравитации и эффект ускорения вызваны искривлением пространства-времени, и что сила гравитации, испытываемая человеком, стоящим на массивном объекте, будет сродни эффекту, испытываемому человеком, ускоряющимся, скажем, на ракете.

Это означает, что законы физики, измеренные в лаборатории, всегда будут выглядеть одинаково, независимо от того, с какой скоростью движется лаборатория и где она находится в пространстве-времени. Кроме того, если поместить объект в гравитационное поле, его движение будет зависеть только от его начального положения и скорости. Второе утверждение важно, поскольку оно подразумевает, что гравитационное притяжение Солнца к Земле и Луне должно быть очень стабильным - в противном случае, кто знает, какие неприятности могут произойти, если наша планета и Луна будут "падать" к Солнцу с разной скоростью.

В 1960-х годах миссии "Аполлон" и советские лунные зонды установили на Луне отражатели, и ученые на Земле обстреливали их лазерными лучами для проведения множества научных экспериментов, включая измерение расстояния между Землей и Луной и их относительного движения вокруг Солнца. Одним из уроков, полученных в ходе лунных исследований, стало то, что Земля и Луна действительно падают к Солнцу с одинаковой скоростью, как и предсказывает общая теория относительности.

В большинстве описаний общей теории относительности люди представляют Землю как шар для боулинга, подвешенный на куске ткани, он же пространство-время. Шар заставляет ткань деформироваться, образуя впадину. Но поскольку Земля вращается, общая теория относительности говорит, что эта впадина должна скручиваться и искажаться при вращении шара.

Космический аппарат под названием Gravity Probe B, запущенный в 2004 году, в течение года измерял кривизну пространства-времени вокруг Земли. Он обнаружил некоторые свидетельства "перетягивания рамки", или того, что Земля при вращении тянет за собой космическую ткань, что помогает подтвердить теорию гравитации Эйнштейна.

Другим следствием движения объектов в пространстве-времени является то, что иногда они создают рябь и волны в ткани, подобно следам корабля. Эти гравитационные волны будут растягивать пространство-время таким образом, что теоретически это можно наблюдать. Например, в некоторых экспериментах лазерный луч направляют между двумя наборами зеркал и засекают время, которое требуется лучу, чтобы проскочить между ними. Если пульсация пространства-времени пройдет через Землю, такие детекторы должны увидеть крошечное удлинение и сужение луча, что проявится в виде интерференционной картины.

Пока гравитационные волны - одно из последних важных предсказаний общей теории относительности, которое еще не было замечено, хотя ходят слухи об их обнаружении на одном из объектов в США. Но есть и некоторые косвенные доказательства. Пульсары - это мертвые звезды, масса которых во много раз превышает массу Солнца на площади размером с Манхэттен. Наблюдения за двумя пульсарами, вращающимися друг вокруг друга, дают некоторые намеки на то, что гравитационные волны реальны.

"Орбитальный период первого бинарного пульсара затухает со временем примерно на 0,0001 секунды в год", - говорит физик Алан Костелецкий. "Скорость распада соответствует потере энергии из-за гравитационного излучения, которое предсказывается общей теорией относительности".

Системы глобального позиционирования - это не совсем проверка относительности, но они абсолютно на нее опираются. GPS использует сеть орбитальных спутников, которые передают сигналы на телефоны и арендованные автомобили по всей планете. Чтобы определить положение, спутники должны знать, где и когда они находятся, поэтому они измеряют время с точностью до миллиардных долей секунды.

Но спутники кружат в 12 550 милях над нашими головами, где они испытывают меньшее гравитационное притяжение планеты, чем люди на земле. На основании теории специальной относительности Эйнштейна, которая гласит, что время течет по-разному для наблюдателей, движущихся с разной скоростью, часы на спутниках тикают немного медленнее, чем часы земного путешественника.

Однако общая теория относительности помогает нивелировать этот эффект, поскольку гравитация вблизи поверхности Земли замедляет тиканье часов по сравнению со спутником, пролетающим над головой. В отсутствие этого релятивистского сочетания часы GPS отставали бы примерно на 38 микросекунд в день. Это может показаться небольшой ошибкой, но GPS требует такой высокой точности, что это расхождение сделает ваше местоположение на карте заметно неправильным в течение нескольких часов.