Понаблюдайте за действием силы тяжести. Поднимите руку и почувствуйте, как вы вынуждены снова ее опустить. Гравитация существует всегда - она стабильна, она постоянна, она неизменна. Так ли это?На протяжении сотен лет мы могли предсказывать действие гравитации. Но мы понятия не имели, как она работает, пока Эйнштейн не вмешался, нарисовав странную и неинтуитивную картину. По мнению Эйнштейна, гравитация - это далеко не статичная, неизменная сила, а фундаментальная часть структуры Вселенной, которая изгибается, искривляется и пульсирует, когда объекты движутся, вращаются и толкаются.Предсказания теорий Эйнштейна подтверждаются снова и снова. И вот теперь, спустя 100 лет после создания теории гравитации, еще одно из ее предсказаний - гравитационные волны - было непосредственно измерено, несмотря на то, что Эйнштейн считал, что мы никогда не сможем этого сделать.В этой теме мы рассмотрим динамическое видение Эйнштейном гравитации, включая недавно измеренное явление гравитационных волн. Если вы не знакомы с теорией относительности, некоторые из этих понятий могут сбить вас с толку. В таком случае мы призываем вас продолжать двигаться вперед, поскольку это одно из величайших путешествий в истории науки.Для начала давайте разберемся, почему законы Ньютона не дают полного представления о гравитации.
Ньютон и законы гравитации
Ньютон опубликовал одну из самых знаменитых научных работ, Principia, в 1687 году. В ней он описал, что сила, притягивающая предметы к земле, - это та же самая сила, которая лежит в основе движения планет и звезд.
Чтобы прийти к такому выводу, Ньютон представил, что берет предмет, находящийся далеко от поверхности Земли, и бросает его. Если бросить его со слишком малым импульсом, он упадет на Землю, захваченный гравитацией, как и мы сами. Если бросить его со слишком большим импульсом, он унесется прочь от планеты, начав свое путешествие в космические просторы. Но если придать ему правильный импульс, можно бросить его так, что он будет непрерывно падать вокруг Земли, вокруг и вокруг в вечном перетягивании каната. Объект пытается продолжить путь, который вы ему подбросили, но гравитация продолжает тянуть его обратно. При правильном балансе объект теперь находится на орбите вокруг Земли - как Луна или как Земля вокруг Солнца.
Ньютон сформулировал это понимание в виде математического уравнения, известного сегодня как закон всемирного тяготения. В сочетании со знаниями геометрии и другими уравнениями движения Ньютона мы можем использовать его для предсказания движения планет, траекторий комет или силы, необходимой для того, чтобы доставить ракету на Луну.
Мы признаем Ньютона не только за его идею, но и за то, что он сформулировал эту идею в уравнение, которое позволяет делать предсказания с большей точностью, чем когда-либо прежде. Но оно не было идеальным - уравнения Ньютона давали неверные предсказания, и, что еще важнее, он не описал, как работает гравитация. Ньютон прекрасно понимал это, когда сказал,
Гравитация должна быть вызвана агентом, постоянно действующим по определенным законам; но будет ли этот агент материальным или нематериальным, я оставляю на рассмотрение моих читателей.
Исаак Ньютон
Искажения в пространстве и времени
Спустя более 200 лет после публикации Principia мир все еще не понимал механизма гравитации. Появился Альберт Эйнштейн - человек, которому предстояло изменить мир во многих отношениях. Но прежде чем мы перейдем к его работам, нам придется сделать еще один крюк.
Вы не можете сказать, движетесь ли вы (с постоянной скоростью)
В 1632 году, еще до того, как Ньютон опубликовал свою знаменитую работу, Галилео Галилей написал об относительном движении привычных для его времени объектов - кораблей.
Если вы находитесь в закрытой комнате на корабле, плывущем с постоянной скоростью, и движение идеально гладкое, объекты ведут себя так же, как и на суше. Не существует физического эксперимента, который можно было бы провести, чтобы определить, движетесь вы или неподвижны (при условии, что вы не выглядываете из иллюминатора). Это основная идея теории относительности, и по этой же причине мы не ощущаем движения нашей планеты вокруг Солнца или движения нашей Солнечной системы через галактику.
Пространство и время взаимосвязаны
Спустя почти 300 лет после Галилея Эйнштейн размышлял о последствиях теории относительности в контексте важного фактора - скорости света. Он был не единственным человеком, который размышлял на эти темы - другие физики того времени знали, что в этой области есть вопросы, на которые нет ответов. Но именно Эйнштейн сформулировал теорию - свою теорию специальной относительности - для объяснения существующих явлений и создания новых предсказаний. Поначалу может показаться, что специальная теория относительности не имеет особого отношения к гравитации, но для Эйнштейна она стала важным шагом к пониманию гравитации.
ДВИЖУЩИЕСЯ ЧАСЫ ТИКАЮТ МЕДЛЕННЕЕ
Эксперименты, проведенные во времена Эйнштейна, показали, что скорость света кажется постоянной. Неважно, как быстро вы пытаетесь догнать свет, кажется, что он всегда мчится от вас со скоростью почти 300 000 000 метров в секунду.
Почему это так важно? Давайте представим себе, что часы можно построить из самого света. Два зеркала расположены друг напротив друга, и "тиканье" часов - это время, которое требуется частице света, чтобы переместиться с одной стороны на другую и обратно.
Теперь представим, что у вашего друга, который находится на космическом корабле, пролетающем мимо Земли, есть такие часы. Для вашего друга часы, кажется, работают нормально - частицы света движутся вверх и вниз, как и ожидалось, и время идет своим обычным чередом. Но с вашей точки зрения, наблюдающей за пролетающим мимо кораблем, свет движется и вверх, и вниз, и в стороны, вместе с кораблем. С каждым тактом свет проходит все большее расстояние.
НЕПОДВИЖНЫЕ И ДВИЖУЩИЕСЯ СВЕТОВЫЕ ЧАСЫ
(в замедленном режиме)
Как видно изнутри космического корабля
Как видит неподвижный наблюдатель
Так что если для космического путешественника свет движется со скоростью 300 000 000 м/с, но ему приходится двигаться только вверх и вниз, а для земного наблюдателя свет движется со скоростью 300 000 000 м/с, но должен пройти большее расстояние по диагонали, то для земного наблюдателя часы "тикают" дольше.
Этот эффект называется замедлением времени. Чем быстрее вы перемещаетесь в пространстве, тем медленнее вы перемещаетесь во времени.
ПЕРСПЕКТИВА ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ
Но чье время на самом деле замедляется? Человек на Земле, наблюдающий за тем, как его подруга проносится мимо на космическом корабле? Или астронавт, который утверждает, что не двигается с места, пока Земля пролетает мимо?
Как ни странно, обе точки зрения верны - но только в том случае, если обе находятся в постоянном движении.
Для иллюстрации предположим, что, когда астронавт покидала Землю, она и ее подруга были одного возраста. Когда она улетает, космический корабль ускоряется, удаляясь от Земли. Когда она возвращается, космический корабль замедляется, чтобы избежать аварийной посадки. При отлете и возвращении космический корабль меняет систему отсчета, и наша астронавтка может почувствовать изменение движения. Эксперименты, проведенные внутри космического корабля во время ускорения и замедления, показали бы, что что-то меняется. Это нарушает симметрию ситуации, и когда космический корабль приземлится обратно на Землю, наша астронавтка действительно окажется моложе своего земного коллеги.
ЧЕТЫРЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ
Исходя из этого, вместо того чтобы думать о трех измерениях пространства и одном отдельном измерении времени, мы можем рассматривать их как четыре измерения "пространства-времени". Чем быстрее вы перемещаетесь в пространстве, тем медленнее вы перемещаетесь во времени, и наоборот.
ДВИЖУЩИЕСЯ ОБЪЕКТЫ СЖИМАЮТСЯ В ПРОСТРАНСТВЕ
Еще одно следствие специальной теории относительности заключается в том, что быстро движущиеся объекты уменьшаются в размерах в направлении своего движения. (И снова все меняется в зависимости от того, с какой точки зрения вы смотрите).
Эффект заметен только в том случае, если они летели очень-очень быстро, но все равно верно утверждение, что когда современные астронавты и пилоты истребителей вернутся из высокоскоростного полета, они постареют на крошечную толику меньше, чем все мы за время этого полета.
Это следует из искажения времени - ведь длину чего-либо можно измерить количеством пространства, пройденного за время (например, световыми годами или световыми секундами). И хотя трудно представить себе измерение длины движущегося объекта с чужой точки зрения, сокращение длины - это реальный физический эффект, а не просто результат неточных измерений.
В отличие от разницы в возрасте, которая может возникнуть из-за замедления времени, сокращение длины не имеет остаточных эффектов после того, как движущийся объект и наблюдатель воссоединяются.
Понимание гравитации
Описание гравитации Эйнштейном приводит к ситуациям, столь же причудливым, как и специальная относительность, включая путешествия во времени!
УСКОРЕНИЕ И ГРАВИТАЦИЯ МОГУТ БЫТЬ НЕРАЗЛИЧИМЫ
Представьте себе, что вы очнулись на космическом корабле, ускоряющемся в пространстве. Точно так же, как вас толкает назад на сиденье ускоряющегося автомобиля, ускоряющийся космический корабль толкает вас в сторону, противоположную той, к которой он движется. При определенной скорости ускорения весы могут сказать вам, что вы весите точно так же, как и дома на Земле.
Существует ли какой-нибудь физический эксперимент, который можно было бы провести в пределах космического корабля, чтобы определить, действительно ли вы ускоряетесь в космосе (при условии, что там нет окон, из которых можно было бы выглянуть), или же вы находитесь в космическом корабле, неподвижно стоящем на поверхности Земли? Эйнштейн ответил: "Нет". Подобно тому, как Галилей представлял себе неразличимость человека внутри плавно плывущего корабля (замкнутого, без окон) и человека на суше, Эйнштейн понял, что эффекты ускорения и гравитации тоже неразличимы. Это называется принципом эквивалентности.
ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА ПРИ УСКОРЕННОМ ДВИЖЕНИИ
После того как Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, гравитация стала менее загадочной. Он смог применить свои знания об ускорении, чтобы лучше понять гравитацию.
Вы, наверное, знаете, что ускорение не всегда означает изменение скорости, например, когда вы разгоняетесь в машине, прижимаясь к спинке сиденья. Оно также может означать изменение направления движения, например, когда вы едете по кольцевой развязке, в результате чего вы наклоняетесь в сторону автомобиля.
Чтобы расширить это понятие, давайте представим себе цилиндрический карнавальный аттракцион, где вы и ваши пассажиры прижаты к внешней поверхности. Цилиндр вращается все быстрее и быстрее, пока ускорение не ослабевает и движение не становится постоянным. Но даже когда скорость становится постоянной, вы все равно ощущаете ускоренное движение - вы чувствуете, что вас прижало к внешнему краю аттракциона.
Если бы этот вращающийся аттракцион был достаточно большим и двигался с достаточной скоростью, вы бы начали замечать некоторые странные эффекты внутри самого аттракциона, а не только с точки зрения человека, стоящего снаружи.
При каждом вращении те, кто находится на краю аттракциона, проходят всю окружность цилиндра, в то время как в самом центре движение практически отсутствует. Так что если бы кто-то стоял в самом центре аттракциона (возможно, удерживаемый скобой, не дающей ему упасть на край), он бы заметил все те странные эффекты, которые мы наблюдали в рамках специальной относительности: длина тела тех, кто находится на краю, уменьшится, а часы будут тикать медленнее.
ГРАВИТАЦИЯ - ЭТО ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ
Принцип эквивалентности говорит нам, что эффекты гравитации и ускорения неразличимы. Размышляя над примером цилиндрического аттракциона, мы видим, что ускоренное движение может искривлять пространство и время. Именно здесь Эйнштейн соединил точки и предположил, что гравитация - это искривление пространства и времени. Гравитация - это искривление Вселенной, вызванное массивными телами, которое определяет путь, по которому движутся объекты. Эта кривизна динамична, она движется по мере того, как движутся эти объекты.
Эта теория, общая теория относительности, предсказывает все: от орбит звезд до столкновения астероидов и падения яблок с ветки на землю - все, что мы привыкли ожидать от теории гравитации.
Пространство-время захватывает массу, указывая ей, как двигаться... Масса захватывает пространство-время, указывая ему, как изогнуться
Физик Джон Уилер
Успех общей теории относительности
Как формулировки законов гравитации Ньютона были ценны своей предсказательной силой, так и формулировки Эйнштейна. На сегодняшний день все его предсказания - как бы странно они ни звучали - выдержали испытание временем.
Гравитационные волны
ОТГОЛОСКИ КАТАКЛИЗМОВ, ДОНОСЯЩИЕСЯ ИЗДАЛЕКА
Представьте себе два очень массивных объекта, например, черные дыры. Если бы эти объекты столкнулись, они могли бы создать экстремальное возмущение в ткани пространства-времени, распространяющееся наружу, как рябь на пруду. Но как далеко могут ощущаться такие волны? Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн, но считал, что они будут слишком малы, чтобы обнаружить их к тому времени, когда они достигнут нас здесь, на Земле.
Поэтому 11 февраля 2016 года научное сообщество с огромным волнением восприняло сообщение об обнаружении гравитационной волны. Нам нужны были приборы, способные обнаружить сигнал диаметром в одну десятитысячную протона (10-19 метров). Именно на это способно оборудование Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), работающей под управлением Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института.
ЭКСПЕРИМЕНТ ЛИГО
В эксперименте LIGO лазер направляется в большую туннельную структуру. Лазерный луч разделяется таким образом, что половина его проходит по одному из 4-километровых "рукавов", а другая половина проходит по другому 4-километровому рукаву в то же самое время. В конце каждого рукава зеркало отражает свет от лазера туда, откуда он пришел, и два луча сливаются в один.
В норме лазерные лучи должны рекомбинировать в одно и то же время. Но если во время работы детекторов по пространству прокатится гравитационная волна, то она растянет одно плечо L-образной структуры раньше, чем другое. Гравитационная волна искажает прохождение света, в результате чего на выходе получается особый вид интерференционной картины света.
ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВАЯ АСТРОНОМИЯ
Успешный эксперимент LIGO открыл новую эру в астрономии. До сих пор астрономы в основном занимались изучением электромагнитного спектра (включая свет и радиоволны). Благодаря этой работе мы смогли открыть для себя огромное количество сведений о нашей Вселенной, но теперь у нас появился совершенно новый способ ее изучения.
Открытие гравитационных волн дает астрономам новое "чувство", с помощью которого можно исследовать Вселенную, и поэтому почти наверняка впереди нас ждут сюрпризы. Мы знаем только то, что этот метод позволит нам лучше понять самые массивные объекты во Вселенной, такие как черные дыры, нейтронные звезды и сверхновые, а также откроет нам новое окно для изучения того, как формировалась Вселенная.
Является ли наше понимание полным?
Хотя теория гравитации Эйнштейна подтверждается экспериментом за экспериментом, это не означает, что наше понимание завершено. На самом деле мы знаем, что что-то не совсем так.
Один из вопросов, оставшихся без ответа, - распространяется ли гравитация с помощью гравитона - предполагаемой (но до сих пор не обнаруженной) частицы, ответственной за гравитационные взаимодействия. Что еще более важно, мы знаем, что общая теория относительности в ее нынешней форме несовместима с другим столпом современной физики - квантовой механикой. Это указывает на то, что одна или обе теории неполны, или что нам не хватает какого-то другого ключевого компонента.
Останется ли теория гравитации Эйнштейна неизменной, неизвестно. Но она дала множество неожиданных, неинтуитивных предсказаний, которые подтверждались снова и снова на протяжении более ста лет. Это и есть признак великой научной теории - она делает предсказания, которые, возможно, не могут быть доказаны в то время, но выдерживают тщательную проверку. Это было одно из величайших путешествий в истории науки, в котором участвовали не только Ньютон и Эйнштейн, но и мыслители и деятели по всему миру, которые работали над проверкой этих теорий.
Тем не менее, раскол между относительностью и квантовой механикой сохраняется. Что будет дальше, никто не знает с уверенностью. Однако есть несколько теорий - строгих, петлеобразных, многомерных - недоказанных, но обещающих стать следующей вехой в понимании нашего космоса.