Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин

Включая в себя СТО (и, следовательно, законы Ньютона) как частный случай, ОТО расширяет границы и, если можно так сказать, даёт новую интерпретацию гравитации, которая на сегодня является её нерешённой частью.

Один из наиболее интересных фактов заключается в том, что ОТО описывает пространство четырёхмерным, добавляя к трём пространственным измерениям время. Поскольку все четыре измерения неразрывны, речь идёт о пространственно-временных интервалах между событиями. Так и появилось понятие пространства-времени. Тут интуиция, как говорится, вообще выходит из чата. Ведь наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже в мнении о том, произошли ли два события одновременно или одно предшествовало другому.

Спешу огорчить «альтернативщиков»: речь идёт не о нарушении причинно-следственных связей. Существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже ОТО не допускает (что упускают псевдоучёные и мракобесы).

Законы Ньютона тоже никак не нарушаются – меняется причина их возникновения. Если Ньютон говорил, что Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения, то Эйнштейн посредством ОТО показал, что причина в другом (что уже многократно было доказано, но об этом ниже).

Согласно ОТО, гравитация – это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы. Наиболее понятный (хоть и слишком упрощённый) пример известен абсолютному большинству: туго натянутое полотно, на которое помещён массивный шар, деформируется под его тяжестью, из-за чего вокруг него образуется впадина в форме воронки.

То есть когда мы говорим о вращении Земли вокруг Солнца, то речь идёт не о взаимном притяжении. А о том, что наша планета как бы «падает» на Солнце, «катаясь» вокруг «воронки», образованной в результате «продавливания» Землёй пространства-времени.

То, что мы принимаем за силу тяжести в ньютоновском понимании, на самом деле исключительно внешнее проявление искривления пространства-времени. На сегодня лучшего объяснения природы гравитации, чем даёт нам ОТО, не найдено. И это факт!

Проверить ОТО непросто, поскольку в обычных лабораторных условиях её результаты практически полностью совпадают с результатами, предсказанными законом всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были проведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной.

Кроме того, ОТО помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе. Например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звёзд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца или звёзд вообще.

На самом деле значительные (действительно заметные) различия между результатами, предсказанными ОТО и законами Ньютона, проявятся только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это свидетельствует о том, что для полноценной проверки потребуются сверхточные измерения очень массивных объектов. Например, чёрных дыр. И знаете что? Мы очень близки к таким измерениям. Ведь на подходе гравитационно-волновая астрономия. Но об этом поговорим позднее.

Первое подтверждение общей теории относительности

29 мая 1919 года была сделана фотография солнечного затмения, с помощью которой был доказан основной постулат общей теории относительности: гравитация является не силой притяжения, возникающей между телами в космосе, как объяснял Исаак Ньютон, а свойством пространства-времени, которое искривляется под воздействием массивного тела.

Фотография, положившая начало «веку гравитации»

За тем затмением наблюдали две группы астрономов. Первая группа в составе Артура Эддингтона и его помощника Эдвина Коттингемна находились на острове Принсипи к западу от Африки. Вторая группа британских исследователей находилась в городе Собрал, что на севере Бразилии. При этом обе экспедиции были организованы Королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном.

Изображение из публикации о той работе

В то время мир всё ещё не оправился от Первой мировой войны. Поэтому научные исследования финансировали весьма скудно, и у астрономов было слишком мало оборудования. Помимо прочего, предсказывать погоду тогда практически совсем не умели (будем считать, что сейчас это выходит отлично). Обе эти проблемы оказывали отрицательно существенное влияние на работу, призванную зафиксировать отклонение света под действием гравитации.

Во-первых, если смещение будет обнаружено, как узнать, что конкретно его вызывает: ньютоновская физика или эйнштейновская? Ведь, согласно Ньютону, величина отклонения луча света должна равняться 0,8 угловых секунды, а по Эйнштейну – примерно 1,8. Одна угловая секунда составляет 1/3600°. Обнаружить такую небольшую разницу с приборами того времени – чрезвычайно сложная задача.

Во-вторых, на Принсипи весь день до затмения шёл дождь, а затем опустился туман, который несколько мешал наблюдениям и фотосъёмке. Но задача доказать или опровергнуть самую революционную научную идею XX века стоила всех усилий.

Эддингтону и Коттингемну удалось сделать 16 снимков. Но только два их них отображали достаточное количество звёзд, по которым можно было определить смещение.

У группы астрономов в Бразилии, несмотря на лучшие погодные условия, все 19 снимков, полученных при помощи основного телескопа, оказались не в фокусе. К счастью, у учёных был запасной телескоп, чуть меньше первого, с помощью которого им удалось сделать ещё восемь снимков, оказавшихся удачными.

В августе 1919 года рабочие материалы обеих групп были тщательно изучены. В итоге фотопластинки из Принсипи показали величину отклонения лучей света около 1,6 угловых секунд, из Бразилии – 1,98. Другими словами, безоговорочно была подтверждена общая теория относительности.

Через три месяца учёные презентовали одну из фотографий астрономов (ту, что в начале главы) во время выступления перед Лондонским королевским обществом, что дало начало «веку гравитации». Выступление повергло в всех присутствующих в шок: теория гравитации Ньютона, которая 200 лет была основной, стала частным случаем общей теории относительности.

Журналисты с огромным удовольствием подхватили эту новость, сопровождая её кричащими заголовками (кликбейт всегда был), наподобие этого: «Идеи Ньютона о гравитации выбросили на помойку».

Это было грубым искажением правды об открытии. Никто ничего никуда не выбрасывал! Просто ОТО показала процессы, происходящие во Вселенной, гораздо шире, чем теория гравитации Ньютона.

Последующие наблюдения за другими солнечными затмениями снова и снова подтверждали правоту ОТО. А первые же снимки, сделанные телескопом «Хаббл», выявили ещё большее искривление света под действием гравитации.

Краеугольный камень общей теории относительности и теории гравитации

Международная группа специалистов зафиксировала наиболее точное на данный момент подтверждение одного из краеугольных камней общей теории относительности – универсальность свободного падения (G. Voisin, 2020).

По большому счёту, этот принцип лежит в основе ОТО. Однако несоответствие между ОТО и квантовой механикой, а также загадка доминирования в составе Вселенной тёмных материи и энергии привели многих физиков к убеждению, что ОТО может не являться окончательной теорией гравитации.

Универсальность принципа свободного падения заключается