Общая теория относительности: Простое объяснение

Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы он это сделал. В ответ он создал свое величайшее творение — Общую теорию относительности.

Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжения действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.

Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации всё еще использовались в течение десятилетий, как основа для универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движения планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую теорию тяготения и на то, где она не дотягивает.

Перо и шар для боулинга в вакууме, при отсутствии сопротивления воздуха, падают с одинаковой скоростью.

 

Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают», а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.

Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, — это орбиты небесных тел, почему Луна вращается вокруг Земли, а Земля —  вокруг Солнца. В конечном счете, ответ Ньютона на это заключался в том, что гравитация —  это сила, пропорциональная массе объекта. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.

Но, как мы уже упоминали ранее, проблема ньютоновской гравитации заключается в её действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстояния между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Это также проблема, потому что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной. То есть ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжения, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.

В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью. Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.

В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.

Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый пространственно-временной континуум.

Внедрение любой массы в пространство искажает окружающее её пространство.

 

В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.

Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.

Большим шаром здесь является Солнце, превращающее пространство-время в чашу, которая заставляет Землю двигаться по круговой (точнее эллиптической) орбите.

 

Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени  —  три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле. Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.

Откуда мы знаем, что Общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.

Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.

Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву. С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.

Как выразился физик-теоретик Джон Уилер (John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться».

Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.

Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.