Альберт Эйнштейн не только произвел самый настоящий фурор в научном мире, потеснив классическую и считавшуюся незыблемой механику Ньютона, но и фактически стал отцом-основателем современной теоретической физики, сделав главными постулатами в создании любых будущих теорий математические модели и сопоставление их с реальностью.
Теория относительности явилась миру не сразу, "с бухты-барахты". Еще до Эйнштейна многие ученые пытались объяснить некоторые явления, с которыми не могла справиться ньютоновская механика. Например, прецессию орбиты Меркурия вокруг Солнца и неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Галилея. Высказывались разные гипотезы, самой известной из которых считается теория эфира – гипотетической всепроникающей среды, колебания которой проявляют себя как электромагнитные волны. Однако все они рухнули перед простотой и универсальностью новой теории...
Предыстория
К концу XIX века классическая теория тяготения, разработанная Исааком Ньютоном почти на 200 лет ранее, объясняла все известные на тот момент физические процессы и явления, происходившие на Земле и даже в Солнечной системе, включая формы орбит планет и скорости их вращения. Никто не сомневался в ее универсальности и эффективности...
Первыми и главными, так сказать, "гвоздями в крышку гроба", стали вопросы дальнодействия и гравитации. Согласно Ньютону, сила притяжения непонятно как передавалась мгновенно на любые расстояния через совершенно пустое пространство с бесконечной скоростью, что делало ее чисто математической, без всякого физического смысла. Из этого вытекал гравитационный парадокс, сформулированный учеными Карлом Нейманом и Хуго Зелигером:
В бесконечной Вселенной с евклидовой геометрией и ненулевой средней плотностью вещества гравитационный потенциал всюду принимает бесконечное значение.
Это поставило под сомнение применимость ньютоновской теории в космологических масштабах.
Следующей проблемой стало расхождение теоретического и наблюдаемого смещения перигелия Меркурия. Это смещение оказалось первым движением небесного тела, которое не подчинялось ньютоновскому закону всемирного тяготения. Физики были вынуждены искать другие объяснения этого феномена.
Также существовал вопрос понятия массы. В классической механике их было два: одно относилось ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Эти массы измерялись разными способами, и, следовательно, необязательно должны были быть связанными и уж тем более пропорциональными. Однако, экспериментально было доказано не только зависимость, но и равенство этих масс.
Начало разработки
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую статью "К электродинамике движущихся тел", в которой были заложены два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света. На их основе в дальнейшем рассчитывались все преобразования Лоренца, относительность одновременности, новая формула сложения скоростей и, самое главное, — ненужность эфира. Чуть позже вышла еще одна статья, в которой впервые появилась знаменитая формула, связывающая массу и энергию, — Е=mc^2.
Часть ученых сразу приняла новую теорию, получившую впоследствии название "специальная теория относительности" (для простоты в дальнейшем СТО). Другие же, наоборот, начали критиковать ее, указывая на кажущиеся недостатки (например, парадокс близнецов) и оставались верными концепции эфира.
Однако, опыты по проверке общей теории относительности (ОТО), подтвердили истинность СТО.
Обобщение теории относительности. Замена эфира на пространство-время
Оформление идей ОТО заняло у Эйнштейна 8 лет — с 1907 по 1915. Идея избавления от мистического дальнодействия и эфира была максимально проста: материальным носителем тяготения является само пространство (точнее, пространство-время). Так, время, бывшее абсолютным и чем-то особенным, превратилось в относительное измерение, наряду с уже существовавшими тремя, создав новое понятие пространственно-временного континуума.
Обобщенная теория впервые озвучила идею искривления пространства-времени под воздействием материи: все объекты во Вселенной (в том числе и мы с вами) искажают пространство вокруг себя, и чем больше масса объекта, тем сильнее искажение.
Новая теория тяготения предсказала множество ранее неизвестных физических эффектов, в частности, гравитационное отклонение света и существование черных дыр. Кроме того, работа систем GPS также основана на ОТО — расчеты координат производятся с очень существенными релятивистскими поправками.
Мировое признание
Эйнштейна неоднократно номинировали на Нобелевскую премию, впервые в 1910 году. Однако, по началу, Нобелевский комитет счел доказательства новой теории недостаточными. Далее ученого номинировали каждый год, кроме 1911 и 1915.
В итоге, Эйнштейн получил заветную премию только в 1922 году, причем не за теорию относительности, а за свои работу по открытию закона фотоэффекта. Члены Нобелевского комитета не решились дать премию конкретно за ОТО, однако, текст решения содержал, помимо слов о фотоэффекте, следующую фразу:
«… и за другие работы в области теоретической физики»
Здесь, конечно, можно выразить сомнение, действительно ли именно Эйнштейн является автором ОТО. До него идеи принципа относительности высказывали Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре. В частности, Пуанкаре первым дал правильную математическую формулировку преобразований Лоренца — фундамента ОТО. Также, еще в 1898 году, то есть задолго до Эйнштейна, Пуанкаре в своих работах сформулировал общий принцип теории относительности и даже ввел понятие четырехмерного пространства. Однако, он продолжал верить в существование эфира.
Эйнштейн же перенес новые эффекты из динамики в кинематику, заменив свойства эфира на объективные свойства пространства и времени и убрав понятия абсолютного движения и абсолютного времени. Именно эта теория, по предложению Макса Планка (создателя квантовой физики), получила название теории относительности.
Почему же теория эфира оказалась несостоятельной?
Ответ прост: его не смогли обнаружить. Концепция эфира, придуманная еще в античности и доработанная в XVII веке французским математиком Рене Декартом, не смогла объяснить новые эффекты. В попытках обнаружить эфир ученые терпели крах, задаваясь больше вопросами, чем ответами. Многие из ученых начали высказывать сомнения в его существовании. Так, Томас Юнг в 1800 году разработал теорию интерференции света; в 1860-х знаменитый английский ученый Джеймс Максвелл записал уравнения классической электродинамики, которые противоречили концепции эфира. Наконец, в конце XIX века Хендрик Лоренц разработал свою теорию эфира, где описал сокращение длины и относительность одновременности. Эта теория была математически обоснована и усовершенствована Анри Пуанкаре, который сформулировал универсальный принцип относительности.
Заключение
ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями и рутинно используемая в астрономии и в инженерных приложениях, таких как системы спутниковой навигации. С момента создания и объяснения насущных проблем другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и гравитационное излучение.
Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.
Благодарю за прочтение! Подписывайтесь, оценивайте, комментируйте! До встречи!
Обязательно ознакомьтесь:
Звёзды. Какими они бывают?
Большой взрыв. Рождение Вселенной
Вселенная осознанно симулирует свое существование. Возможно ли это?