Теория относительности на самом деле очень простая, но ее сложно уложить в наши извилины, потому что она противоречит бытовой логике и интуиции. Наш мозг миллионы лет эволюционировал для выполнения совсем других задач – собрать побольше бананов, заколоть мамонта, и т.п., от чего заглянуть в секреты мироздания нам бывает очень тяжело. Но если, выглянуть за рамки привычного, то можно узнать много интересного. В предыдущих двух постах на эту тему со многими упрощениями мы выяснили много важного, а теперь обобщим всё это и дополним.
В мире науки нередко бывает такое. Ученый формулирует гипотезу, основываясь на интуитивно понятных тезисах. Затем тестирует эти тезисы и смотрит, к каким последствиям они приведут. Чтобы проверить верность своих выводов, ученый смотрит на предсказания, которые следуют из теории и сравнивает их с реальными наблюдениями. Если предсказания теории подтверждаются наблюдениями, то теория публикуется, проверяется другими учеными, и если те ее подтвердят, то теория становится общепринятой. Даже если она противоречит интуиции. С теорией относительности (ТО) Эйнштейна вышло примерно так же.
Во-первых, Эйнштейн резонно предположил, что у Вселенной нет центра, т.е. все инерциальные системы отсчета, а значит, все точки и направления во Вселенной равноправны. Из этого можно сделать вывод, что скорость света постоянна всегда, в любом направлении и не зависит от скорости источника света. В последствии это предположение было доказано во многих экспериментах. Один из самых недавних - эксперимент в Курчатовском центре синхротронного излучения НИЦ КИ, где в 2011 году разогнали сгусток возбужденных электронов до 95% скорости света и замерили скорость исходящих от него фотонов. Если бы ТО была неверна, то измеренная скорость фотонов была бы почти вдвое больше скорости света. Но эксперимент подтвердил верность этого постулата ТО. Отсюда вытекает, что чем быстрее мы движемся в пространстве, тем медленнее течет наше время. Увидев такую жесткую взаимосвязь пространства и времени, Эйнштейн предположил, что время – это четвертое измерение нашего трехмерного мира, и стало быть, пространство-время представляют собой неделимую ткань мироздания.
Все 2 предыдущих поста про ТО можно уместить вот в такой график, который можно интерпретировать так: мы всегда движемся со скоростью света – либо в пространстве, либо во времени. За эту визуализацию спасибо Диме Побединскому - автору прекрасного ютюб-канала имени себя. «4-скорость» на графике – это результирующая скорость в 4-мерном пространстве-времени, которая всегда у всех одинакова. Поэтому когда мы начинаем ускоряться в пространстве, мы замедляемся во времени и наоборот. Потому же скорость света непреодолима. Замедление времени при наборе скорости также много раз подтверждено опытным путем, например, в эксперименте Хафеле-Китинга, которые синхронизировали двое сверхточных атомных часов, одни оставили в покое, а вторые загрузили на самолет, который совершил две кругосветки. По итогу сравнили показания двух часов и, вуаля, часы, которые летали туда-сюда, отстали от находящихся в покое на предсказанную теорией величину. А еще благодаря ТО работает спутниковая навигация, т.к. без учета замедления времени на быстро летящих спутниках каждый день набегала бы ошибка в несколько километров.
Во-вторых, Эйнштейн сделал предположение, что гравитация – это не сила, которой мы привыкли ее считать в ньютоновской физике, а искривление самого пространства-времени. Обычно для визуализации этого тезиса натягивают ткань, и кладут в ее центр что-нибудь тяжелое, от чего ткань под тяжестью прогибается. Ткань здесь как раз изображает пространство-время, мол вот так массивные объекты и искривляют пространство.
Однако, это упрощенное представление, т.к. пространство трехмерно, поэтому вернее было бы визуализировать это так:
А еще лучше вот так. Примерно так искривляются геодезические линии нашего пространства рядом с тяжелыми объектами, например, рядом со звездой. Если вы издалека кинете кроссовок в эту звезду, то траектория кроссовка сначала будет прямой, как и положено в неискривленном пространстве, а затем, приближаясь к звезде, вы увидите, что его траектория будет всё больше отклоняться от прямой. На самом деле, кроссовок продолжит лететь по прямой, но в искривленном пространстве самой прямой линией для него станет дуга. Это может показаться сложным, опять же, только потому, что противоречит интуиции. Чтобы было понятнее, можно привести следующий пример.
Так выглядит прямая линия между Москвой и Магаданом – кратчайший путь от одного города в другой.
Однако, если чуть сменить ракурс, мы увидим, что наша прямая – совсем не прямая, а дуга. Если вы летите в самолете по этому маршруту, то по своим ощущениям вы будете лететь по прямой, но из-за шарообразной формы Земли, ваша реальная траектория будет дугой. Т.е., как и в случае с кроссовком, вы летите по прямой, но в искривленном пространстве, поэтому со стороны ваша траектория уже не выглядит прямой.
Гипотеза об искривлении пространства массивными телами также впоследствии подтвердилась многими наблюдениями. Например, ТО объяснила неразрешимую до Эйнштейна аномалию смещения перигелия Меркурия, которая не вписывалась в классическую ньютоновскую механику.
Еще одно наблюдение 1919 года, добавившее очков теории Эйнштейна. Тогда во время затмения астрономы зафиксировали положение звезд рядом с солнечным диском и потом сверили с тем, как эти звезды должны быть расположены. Выяснилось, что Солнце своей массой создает искривление пространства, которое отклоняет свет далеких звезд в точном соответствии с предсказаниями ТО.
Некоторые из присутствующих здесь не понаслышке знают, что такое свободное падение. Если вы падаете с воздушного шара, то первые несколько секунд, пока воздух не начнет вас тормозить, ваше тело ускоряется на 9,8 м\с каждую секунду. В эти секунды вы испытываете самую настоящую невесомость. С точки зрения ТО нет никакой разницы между вами, падающим с воздушного шара и вами, парящим в невесомости на МКС. Теперь представим, что вы, выпав из воздушного шара, благополучно приземлились и стоите на земле. А на МКС, в то же время, включили двигатели, которые придают станции ускорение 9,8 м\с^2. Космонавт на МКС почувствует ровно такую же гравитацию под ногами, как и вы, стоя на земле. И это тоже не иллюзия, с точки зрения ТО между этими двумя ситуациями нет разницы. Дело в том, что находясь на земле, как нам кажется в покое, мы постоянно ускоряемся по направлению вверх на 9,8 м\с^2. Но мы не ощущаем этого, потому что ускоряемся в искривленном пространстве-времени, кривизна которого обнуляет наше ускорение в пространстве. В результате мы никуда не движемся, но то, что мы ощущаем как гравитацию, остается с нами. Здесь поможет еще одна аналогия: представьте, что вы плывете по реке против течения. Вы тратите силы, но поток сносит вас назад, в итоге вы перемещаетесь относительно потока, но относительно земли остаетесь на месте. В этой аналогии в роли искривленного пространства выступает поток воды, которому вы сопротивляетесь.
А теперь последний штрих. Раз пространство и время неразрывно связаны между собой, то массивные объекты, искривляя пространство, должны искривлять и время. И они это делают. И все паззлы для объяснения этого мы уже собрали сверху. В самом начале мы выяснили, что чем быстрее летит условный корабль, тем медленнее течет время на нем. И если с точки зрения физики нет никакой разницы – сидите вы в ускоряющемся корабле или на поверхности планеты, то в обоих случаях время будет одинаково замедляться. Чем быстрее вы движетесь или чем тяжелее тело, на котором вы находитесь, тем сильнее будет замедляться ваше время.
Когда у меня в голове сложился этот паззл, я прям кайфанул от того, как прикольно всё устроено. Надеюсь, получилось объяснить всё так, чтобы каждый понял и кайфанул).