Продолжаем менять наше восприятие реальности при помощи такого легального инструмента, как общая теория относительности. Ну и книги Хокинга "Мир в ореховой скорлупе".
В прошлых статьях мы говорили о зарождении теории относительности; о том, что предлагает физика для продления жизни; что будет, если путешествовать на волне света; и как общая теория относительности породила ядерное оружие.
Сегодня разберём:
- откуда берутся чёрные дыры;
- как меняется пространство-время под объектам;
- что было в начале жизни Вселенной и что происходит сейчас.
Проблемка: теория относительности не сходится с законом тяготения Ньютона!
Закон тяготения Ньютона говорит о том, что если перераспределить материю в одной части Вселенной, то гравитационное поле мгновенно изменится во всей Вселенной. Слово "мгновенно" неприменимо для теории относительности, потому что оно означает во-первых, распространение изменений со сверхсветовой скоростью, что невозможно; во-вторых, для слова "мгновенно" необходимо, чтобы время было абсолютно, едино для всех и вся во Вселенной, что также невозможно: время индивидуально, т. е. для каждого течёт по-своему, об этом мы говорили здесь.
Гравитация и ускорение эквивалентны
Примерно в 1911 году Эйнштейн понял, что есть тесная взаимосвязь между гравитацией и ускорением. Например, если тебя, дорогой читатель, поместить в небольшое замкнутое помещение без окон (что-то вроде кабины лифта), то ты не сможешь определить, стоит это помещение неподвижно на Земле или летит с ускорением в открытом космосе.
Эйнштейн подумал годик и понял, что гравитация и ускорение должны быть эквивалентны если пространство-время искривлено.
У Альберта был друг Марсель Гроссман. Он помог Эйнштейну изучить теорию искривлённых пространств, и в 1913 году они написали статью, где предположили, что гравитация - это искривление пространства-времени. Новая теория об искривлении пространства-времени стала называться Общей теорией относительности, а старая теория, не включающая пространство-время, стала называться Специальной теорией относительности.
Подтверждение Общей теории относительности
В 1919 году Артур Эдингтон поехал в Западную Африку для того, чтобы подтвердить Общую теорию относительности. 29 мая 1919 года застала солнечное затмение. Это позволило наблюдать смещение видимого положения звезды, свет от которой проходил вблизи Солнца. Искривление пространства-времени Солнцем вызвало отклонение света, исходящего от звезды, находящейся за Солнцем.
Таким образом, человечество узнало, что пространство-время не пассивный фон, на котором происходят события Вселенной, а непосредственный участник этих событий.
Почему Земля не улетает от Солнца?
Действительно, что держит её? Космос такой большой, а она застыла у одной звезды...
Представьте, что пространство-время - это ткань. Если натянуть ткань и положить на неё, допустим, монету, ткань под монетой прогнётся, образовав воронку. Точно так же Солнце и другие объекты, даже Земля, прогибают под собой "ткань" пространства-времени. Всё, что находится рядом с объектом, попадает в воронку. Так Земля находится рядом с Солнцем, потому что она находится в воронке, которую образовало Солнце в пространстве-времни.
И что же, Земля когда-нибудь упадёт на Солнце???
Во времена Эйнштейна, и даже во времена до Эйнштейна, господствовало мнение о том, что Вселенная статична и вечна. Иначе говоря, у неё нет конца и нет начала, она не меняется в размерах. Эйнштейн тоже в это верил. Так как объяснить то, что Земля не падает на Солнце?
Для этого Эйнштейн ввёл космологическую постоянную - силу, противоположную гравитации. И, если гравитация притягивает объекты друг к другу, то космологическая постоянная должна была наоборот их с такой же силой отталкивать. Таким образом, Вселенная оставалась статичной, но при этом ничто ни на что не падало.
Однако в 1920 году учёные взглянули в телескоп и обнаружили, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. И тут стало понятно, что, о ужас и кошмар, Вселенная не статична, а расширяется с ускорением!
Да, объекты искривляют пространство-время, создавая тем самым притягивая к себе, но постоянно ускоряющееся расширение Вселенной не даёт объектам упасть друг на друга.
Таким образом, расширение Вселенной сделало ненужной космическую постоянную, и позднее Эйнштейн назвал её своей величайшей ошибкой. Хотя последние наблюдения показали, что она всё же скорее существует, чем не существует. Только её значение лишь немного отлично от нуля.
Вначале был Большой взрыв...
Итак, если до Эйнштейна считалось, что Вселенная статична и существовала всегда, то общая теория относительности полностью это опровергла. То, что галактики с ускорением удаляются друг от друга свидетельствовало о том, что в прошлом эти самые галактики должны были располагаться рядом друг с другом. Оказалось, что плотность Вселенной 15 млрд лет назад была гигантской и составляла 1 с 72 нулями тонн материи на кубический сантиметр. Что ещё хуже, из общей теории относительности следует, что Вселенная началась с Большого взрыва, а, значит, время имело начало! Парадоксально :)
Чёрные дыры - звёзды, которые больше не могут противостоять своей гравитации
Общая теория относительности также предсказала, что, когда массивная звезда больше не может генерировать тепло, она больше не может противостоять своей силе притяжения, которая в итоге сжимает звезду. Получается, когда массивная звезда умирает, для неё прекращается течение времени.
Сегодня мы знаем, что звёзды, масса которых хотя бы вдвое превышает массу Солнца, умирая сжимаются, пока не становятся чёрными дырами - настолько искривлённым пространством-временем, что даже свет уже не может выйти наружу. Внутри чёрной дыры время заканчивается как для самой звезды, так и для всего, что в неё попадёт.
Начало и конец времени - это точки, в которых теория относительности перестаёт работать. Причина этого в том, что теория относительности несовместима с квантовой теорией, которую Эйнштейн так и не смог принять. Но об этом поговорим как-нибудь в другой раз...
Подписывайтесь, комментируйте, ставьте лайки. Это меня обрадует и вдохновит на новые статьи!
