Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

породило события (во время Большого взрыва) и может поглотить их снова (в черных дырах), что стало ясно только десятилетия спустя. События также должны соответствовать пространству-времени. «Пространство-время говорит материи, как она должна двигаться, а материя говорит пространству-времени, как оно должно искривляться», – поэтично заметил физик Джон Уилер[45].

Публикация уравнений поля гравитации была важнейшей вехой в истории общей теории относительности. Но ни в коем случае эти уравнения не завершали создание теории. На самом деле работа только начиналась.

Оставалось много вопросов.

■ Каковы уравнения движения тел в гравитационном поле?

■ Какие решения имеют уравнения?

■ Каковы локальные и «космические» граничные условия?

■ Какие следствия, новые эффекты и, возможно, даже применения существуют?

■ Как можно проверить утверждения и выводы?

■ Где границы применения теории?

■ Как можно преодолеть эти ограничения?

■ Что означает теория относительности в более широком контексте физики, что из этого вытекает для научного и философского мировоззрения?

■ И самое главное: подтверждается ли теория научными наблюдениями и экспериментами?

На некоторые из этих вопросов удалось быстро ответить, но большинство из них до сих пор занимают исследователей.

Шест Эйнштейна

1. Чего ожидал Эйнштейн от общей теории относительности?

◻ а. Объяснения равномерного прямолинейного движения

◻ б. Определений массы и энергии

◻ в. Описания гравитации и ускорения

2. Что послужило отправной точкой для общей теории относительности?

◻ а. Принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы

◻ б. Принцип относительности инерциальных систем отсчета

◻ в. Принцип постоянства скорости света

3. Что нужно было Эйнштейну для общей теории относительности?

◻ а. Доброжелательные коллеги и офис открытого типа

◻ б. Новейшие открытия в астрономии

◻ в. Неевклидова геометрия

4. Часы идут в гравитационном поле…

◻ а. медленнее

◻ б. быстрее

◻ в. быстрее, когда они движутся с ускорением

5. Для чего Эйнштейну понадобилась помощь Гроссмана?

◻ а. Чтобы объяснить релятивистские эффекты на вращающемся диске

◻ б. Чтобы описать математически геометрию искривленного пространства

◻ в. Чтобы изучить ковариантность уравнений

Ответы: 1в, 2а, 3в, 4а, 5б

Масса искривляет пространство-время. Следовательно, свет будет распространяться не по прямой, а по кратчайшему пути, заданному кривизной пространства.

Этот предсказанный Эйнштейном эффект впервые наблюдали во время солнечного затмения в 1919 году: звезды, близкие к краю Солнца, казались слегка смещенными. На рисунке пространство представлено в виде двумерного резинового листа, а его кривизна под воздействием массы Солнца – в виде вмятины на нем.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ДЛЯ ЭЙНШТЕЙНА

«До сих пор общая теория относительности проходила всевозможные проверки, но теперь ей предстоит сверхиспытание в совершенно новой области. Выдержит ли его теория? Для одних это просто любопытно, другие надеются на это, а третьи беззаветно в это верят».

Даже в самых своих смелых мечтах Эйнштейн не догадывался, какие блестящие подтверждения общей теории относительности получат ученые в наши дни. Он не находил способов ее практического применения, считал что «ожидаемые отклонения» результатов, предсказанных его теорией, от результатов, полученных в рамках классической теорией гравитации Ньютона, «слишком малы, чтобы их можно было заметить на поверхности Земли»; и он возлагал свои надежды на астрономические измерения. Однако не только они, но и земные эксперименты блестяще подтвердили теорию относительности – иногда с точностью до одной триллиардной доли. Теория применима в масштабах от 0,001 миллиметра до 100 миллионов километров – в микромире и в космических и галактических масштабах она по-прежнему остается крайне интересной. Даже крошечную «рябь» пространства-времени можно было измерить. Но теория относительности помогает решать и повседневные задачи: без нее не было бы ни спутниковых навигационных систем, с помощью которых можно найти любую точку на Земле, ни определения высоты с точностью до нескольких сантиметров.

Искривленная Вселенная

То, что теория относительности преодолела не только границы познания, но и границы стран с их мелочной, но тем более опасной политикой, стало очевидным в период после Первой мировой войны: в националистической Германии произошел крах теории гравитации Исаака Ньютона, однако именно англичанин Артур Стэнли Эддингтон[46] из Кембриджского университета помог сообщению из Берлина получить всемирную известность. Это стало первым триумфом Эйнштейна и помогло ему, убежденному пацифисту, избежать военного призыва.

Еще в 1911 году Эйнштейн вычислил, что лучи света далеких звезд, проходящие мимо края Солнца, изгибаются гравитацией Солнца. Он предсказал, что угол отклонения будет равен 0,875 угловых секунды (это ничтожно мало: одна угловая секунда равна 0,026 миллиметра на фотографической стеклянной пластине в телескопе, которыми пользовался Эддингтон). В 1913 году Эйнштейн спросил астронома Джорджа Эллери Хейла[47], можно ли это доказать с помощью наблюдений в телескоп дневного неба, но тот не дал ему никакой надежды – ведь яркость Солнца затмевает все.

Берлинский астроном Эрвин Фройндлих[48] – страстный защитник теории относительности, состоявший в переписке с Эйнштейном, – пытался измерить отклонение света во время полного солнечного затмения 21 августа 1914 года. Он даже отправился для этого в Крым. Но в военное время такая экспедиция оказалась очень сложной и опасной: астрономов арестовали и конфисковали их оборудование. Британской группе под руководством Уильяма Уоллеса Кэмпбелла[49] арест не грозил[50], но из-за плотной облачности к югу от Киева съемки не удались.

Но эта неудача была счастливой для Эйнштейна. В статье от 18 ноября 1915 года, как раз перед окончанием работы над общей теорией относительности, он написал, что угол смещения из за искривления пространства-времени должен быть вдвое больше, чем он предполагал сначала. А такой угол было не так сложно измерить.

«Проходящий мимо Солнца луч света отклоняется на 1,7 угловых секунды, проходящий мимо Юпитера – всего на 0,02 угловых секунды».

В 1917 году Эддингтон решил проверить предсказание Эйнштейна. Но это оказалось возможным лишь 29, Май 1919 года во время очередного полного затмения. С острова Принсипи[51] у побережья Испанской Гвинеи он сфотографировал небо и определил положение звезд, близких к Солнцу[52]. Такие же результаты получила экспедиция Эндрю Кроммелина[53] из Гринвичской обсерватории в области Собраль[54], на севере Бразилии.

Отклонение света на краю Солнца, покрытого Луной, сравнили со снимками, сделанными несколькими месяцами ранее, когда Солнце находилось совсем в другом месте. И оно оказалось, во-первых, именно таким, какое