В первой части мы рассматривали специальную теорию относительности Эйнштейна, а именно - время и его замедление при возрастании скорости, постоянство скорости света. Теперь обратимся к общей теории относительности и природе гравитации.
До Эйнштейна гравитацию считали силой, которая притягивает тела. Чем больше масса тела, тем сильнее оно притягивает остальные. Предполагалось даже, что сила притяжения имеет волновую природу и от неё можно «закрыться» – эту теорию изобразил Герберт Уэллс в своем фантастическом романе «Первые люди на Луне». Ученый по имени Кейвор изобрел вещество, непроницаемое для силы тяготения, и построил оригинальный космический корабль – шар без двигателя, обшитый листами «кейворита», которые могли опускаться и подниматься, как шторы. Опустив наглухо все «кейворитовые» шторы, двое пассажиров корабля легко оказались в космосе, т.к. фантастический материал был непроницаем для силы всемирного тяготения.
В 1915 году Альберт Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности, которая перевернула эти представления о всемирном тяготении: гравитация – это не сила, а искажение материи пространства-времени.
Представить это искривление пространства, однако, непросто. Я постараюсь максимально понятно визуализировать этот эффект.
Итак - как наше пространство искривляется массивными объектами и каким образом это искривление меняет траектории движения тел?
Начнем с примера, который часто приводят и показывают в планетариях, но который далеко не достаточно и не точно отображает явление гравитации: когда в середину ткани которого кладут какой-нибудь достаточно тяжелый предмет, бросают на батут шарики – изогнутость ткани заставляет шарики «кружиться» вокруг тяжелого предмета – подобно тому, как планеты кружатся вокруг Солнца:
Объясняют, что чем массивнее объект – тем больше он «прогибает» пространство и, соответственно, тем сильнее к нему стремятся окружающие тела.
Но эта аналогия не совсем верна и чересчур упрощена.
Во-первых, получается, что батут прогибается в третье измерение - стало быть, трехмерное пространство должно искривляться куда-то в четвертое пространственное измерение? Куда?!
Во-вторых, в данном примере объекты лежат НА пространстве времени, а должны находиться ВНУТРИ НЕГО. Если уж мы представляем пространство двумерным, показывая пример с батутом, то и объекты должны быть плоские и НЕ ВЫСТУПАТЬ за пределы ткани пространства-времени, которую изображает батут.
В-третьих, этот пример объясняет притяжение внутри пространства-времени притяжением снаружи пространства времени. На вопрос, почему яблоко падает на Землю, данная визуализация отвечает: «Яблоко тянет вниз, что заставляет его падать, как шарик в чаше»:
Поэтому обратимся к другим аналогиям.
Правильней сказать, что тела движутся по прямой, которая в искривленном пространстве превращает их путь в дугу или в эллипс. Более верной аналогией может послужить путь самолета из одного пункта в другой: если выбрать для лайнера кратчайший путь – прямую, то, приложенная к глобусу, эта линия будет дугой – ведь поверхность Земли искривлена, Земля – шар:
Вот еще одна аналогия: представим двоих людей, стоящих на экваторе на расстоянии 1000 км:
Если они оба отправятся прямо на север по линиям меридиан, то расстояние между ними будет постепенно сокращаться,
пока они наконец не встретятся на полюсе в одной точке:
Наших путешественников как будто тянуло друг к другу, хотя никакого воздействия со стороны другого ни один из них не испытывал. Они шли по прямым линиям, если взглянуть на карту, но на шарообразной поверхности Земли прямые линии стали дугами, которые в конце концов пересеклись.
На мой взгляд, самой точной визуализацией и объяснением, что такое гравитация, служит вот такой пример.
Поместим Землю внутрь пространственной сетки. Она - искривлена массой земного шара. Временную составляющую изобразим, поместив в каждой точке координат маленькие часы:
Далее возьмем классический пример с яблоком, падающим на Землю, и поместим его в наше искривленное массой планеты пространство-время:
Итак - почему яблоко движется именно по направлению к Земле, а не в другую сторону? Что заставляет его падать на Землю?
Чтобы по-настоящему это понять, нам нужно исключить одно пространственное измерение, представив трехмерное пространство плоским, а в качестве третьей оси координат проложить временной вектор. Тогда картина падения яблока предстанет нам в таком виде:
Фактически именно временной компонент кривизны пространства-времени и объясняет притяжение: ведь даже с нулевой скоростью яблоко всё равно движется вперед в будущее. При падении кривизна пространства-времени будет постепенно изгибать траекторию яблока между временной скоростью по направлению в будущее и пространственной – направляя в итоге яблоко к Земле:
Яблоко движется по прямой, но кривизна пространства-времени поворачивает ориентацию этой прямой между временем и пространством. Таким образом мы понимаем, что, если яблоко падает к Земле, то это потому, то оно начало со скорости во времени. Искривление пространства-времени Землей просто перевело временную скорость в скорость пространственную.
Человек не воспринимает временную скорость объекта. Когда яблоко просто висит на дереве, нам кажется, что оно неподвижно. Мы не воспринимаем тот факт, что оно движется во времени. Мы воспринимаем события мгновение за мгновением, т.к. сами точно так же движемся во времени. Поэтому мы видим просто падение яблока сверху вниз, как будто Земля его притянула какой-то силой:
Земля своей массивностью деформирует пространство-время, задавая его кривизну. Эта кривизна становится нескончаемым движением сжатия пространственной сетки. Скорость этого сжатия постоянна, поскольку зависит только от массы объекта, искривляющего пространство-время.
Технически говоря, объем, содержащийся между геодезическими линиями, сжимается со временем из-за кривизны. Данная сетка, которая сжимается, представляет то, что мы называем инерциальными системами отсчета, которые находятся в свободном падении.
Важно понимать, что геометрически пространство не сжимается: просто прямые линии из-за искривления пространства-времени становятся ближе друг к другу, что и дает ощущение сжатия.
Таким образом, если мы разместим яблоко с нулевой начальной скоростью, и при отсутствии сил, действующих на него, яблоко будет оставаться неподвижным относительно сетки, но по мере сжатия сетки яблоко будет падать:
Наконец, если мы разместим объект с начальной скоростью больше нуля и в отсутствие сил, действующих на него, то он продолжит двигаться по прямой внутри сетки, но по мере сжатия сетки, объект непрерывно тянется к Земле:
Путь объекта каждую секунду отклоняется от прямой на одинаковое расстояние, в результате чего превращается в замкнутый, эллиптический.
Именно так Луна вращается вокруг Земли, а сама Земля – вокруг Солнца,
равно как и другие планеты вокруг своих звезд, а звезды - вокруг центров своих галактик, и так далее.
Из приведенных примеров ясно: создать просто из комбинации каких-либо элементов вещество, которое делало бы тело непроницаемым для гравитации – невозможно. Но это не закрывает вопроса: а может ли существовать анти-гравитация?
Когда были открыты анти-частицы, появились предположения, что можно создать анти-вещество, обладающее анти-массой, которое будет искривлять пространство время в другую сторону, вот так:
Получение такого анти-вещества, обладающего анти-массой, да если бы при этом не существовало аннигиляции - мгновенного взаимного уничтожение анти-частицы и частицы при их соприкосновении, с образованием гамма-лучей - открыло бы перед человечеством колоссальные возможности: можно было бы построить корабли без громоздких двигателей, тратящих огромное количество топлива, возможно, летать на высоких скоростях... Но пока в распоряжении ученых имеются всего лишь частицы анти-вещества, которые нужно держать в очень специальных условиях, чтобы избежать аннигиляции:
И главное: анти-частицы по всем параметрам совпадают с обычными частицами, кроме заряда (или магнитного момента). Кто ж сказал, что они непременно должны обладать анти-массой? Они вполне могут реагировать на гравитацию точно так же, как и обычные частицы.
Проверить это долго не удавалось: анти-частицы удерживаются в специальных камерах электромагнитным полем, которое в триллионы раз превышает гравитацию Земли, и поэтому проверить влияние земной гравитации на частицу было затруднительно.
Гравитация сильно проигрывает электромагнетизму, если речь идет о частицах. Здесь можно привести простую аналогию: нельзя поднять магнитом гирю, а вот мелкую железную стружку – запросто. Магнитная сила с железной стружкой во много раз превосходит гравитацию.
Но недавно был найден способ провести эксперимент. Ученым из коллаборации ALPHA впервые удалось выяснить влияние гравитации на антивещество. 27 сентября сего года об этом вышла статья в журнале «Nature».
Для эксперимента взяли нейтральные анти-атомы водорода. Их тоже можно удерживать в магнитной ловушке, влияя на их магнитный момент, при очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю. Магнитная ловушка нужна, чтобы анти-атомы не соприкасались с нормальными атомами и не аннигилировали. 100 анти-атомов водорода разместили в такой ловушке, установив её вертикально. Магнитное поле постепенно делали слабее, давая частицам покинуть ловушку, после чего анти-атомы аннигилировали, производя вспышку. И ученые посчитали, сколько таких вспышек было в нижней части ловушки, и сколько – в верхней. И оказалось, что 80% вспышек было внизу, т.е. ЧАСТИЦЫ ПАДАЛИ ВНИЗ, к земле. Эксперимент приводит к выводу, что анти-вещество вовсе не изгибает пространство в другую сторону и гравитация сохраняется.
Возможно, анти-масса - только фантазия. Если еще вспомнить про аннигиляцию, то вряд ли создание анти-вещества может открыть дорогу к преодолению гравитации и более высоким скоростям.
Как искривляется время
Самые массивные объекты – такие, как черные дыры, искажают пространство-время так, что близ черной дыры время ощутимо замедляется. Этот эффект испытали на себе астронавты фантастического фильма «Интерстеллар»: сверхмассивная черная дыра Гаргантюа настолько искривила пространство-время, что один час на планете, расположенной на орбите, близкой к дыре, равнялся аж семи годам на Земле или на корабле, который находился на приличном расстоянии от Гаргантюа.
Получается, что на астронавтов на МКС и на искусственные спутники Земли действуют 2 эффекта: замедление времени из-за скорости и ускорение времени из-за того, что спутники и МКС подвержены меньшей гравитации, тем все тела, находящиеся на Земле.
Первый эффект выражен сильнее, и его уже приходится учитывать - хотя различия во времени, конечно, ощутимы лишь для точных современных приборов. В бортовую шкалу времени спутников вводится пересчётный коэффициент, зависящий от высоты орбиты и учитывающий релятивистские эффекты (движение спутника относительно наземных часов; разность гравитационных потенциалов на орбите и на поверхности Земли) . Так, для системы ГЛОНАСС он равен 1—4,36×10−10 (релятивистская поправка на 37,7 мкс в сутки).
Теория относительности изменила наше представление о времени: долгие века человечество жило с ощущением абсолютного времени, а оказалось, что оно может сжиматься и растягиваться - это выражается в ускорениях и замедлениях времени для того, кто двигается с достаточно высокой скоростью либо находится в сильно искривленном массивным объектом пространстве (например, близ черной дыры).
Теория относительности не отменяет законы механики Ньютона. По сути, ньютоновская механика – это по сути частный случай теории относительности, применимый, когда скорости далеки от световых. А гравитацией можно пренебречь. Вся наша жизнь проходит именно в таких условиях.
Однако теория относительности значительно расширила наши понимания законов мироздания и дала объяснения многим, прежде необъяснимым, вещам. Если человечеству суждено развиваться дальше – то все сделанные открытия обязательно внесут свою лепту в это развитие.
В следующей части я разберу наиболее частые вопросы, которые касаются теории относительности.
Ставьте лайк, если понравилась статья. Пишите комментарии, подписывайтесь на канал - будет еще много интересного!