Как понять теорию гравитации Эйнштейна

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна может быть сложной, но это наш лучший способ понять Вселенную. В этой статье мы в доступной форме ее объясняем.

На обложке этой статьи – явление, известное как «кольцо Эйнштейна», созданное, когда свет изгибается под действием силы тяжести вокруг большого объекта. В этом случае большая красная галактика посередине заставляет свет из гораздо более далекой голубой галактики, находящейся прямо за ней, изгибаться в форме кольца. Снимок телескопа Хаббл.

Итак, представим, что астронавт просыпается на космическом корабле, не помня, как он туда попала. Сидя в кресле, он задается вопросом: «Где я во вселенной?»

Космический корабль не имеет окон. Единственная подсказка – притяжение его тела к стулу. Фух, есть гравитация, думает он. Его судно все еще должно быть на Земле. Но тогда у него появляется второй вопрос. Корабль мог ускоряться в пространстве, прижимая его к сиденью, словно гоночная машина, когда набирает скорость.

Дилемма этого космонавта была знакома Альберту Эйнштейну. Его общая теория относительности 1915 года основывалась на том, что гравитация и ускорение просто легко перепутать. Эта эквивалентность, «самая счастливая мысль» в жизни Эйнштейна, была его отправной точкой для пересмотра гравитации.

Общая теория относительности выросла из теории специальной теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как скорость света (в вакууме) всегда может быть постоянной.

Согласно теории относительности, все, что может произойти внутри коробки, набирающей скорость, то есть ускорение, также происходит в присутствии силы тяжести. Представьте, например, горизонтальный лазер внутри лифта, который ускоряется вверх. Когда свет движется вбок, лифт поднимается, в результате чего луч попадает в точку на стене немного ниже, чем там, где он появился. Если лифт ускоряется достаточно быстро, луч заметно наклоняется к полу.

Точно так же он ожидал, что луч звездного света должен согнуться при прохождении через гравитацию Солнца. Этот прогноз оказался верным, когда во время солнечного затмения в 1919 году звезды двигались.

Относительность описывает, почему часы на спутнике тикают на несколько десятков микросекунд быстрее, чем часы на Земле; без учета этого несоответствия технологии GPS не будут работать.

Чтобы связать ускорение и гравитацию таким образом, Эйнштейн сверг одного из своих собственных кумиров: Исаака Ньютона. Возможно, вы знали, что Ньютон описал гравитацию как силу, которая сближает объекты с массой. Математика Ньютона хорошо предсказывает, как все движется от снарядов к планетам, но гравитация отделяется от ускорения.

Эйнштейн утверждал, что гравитация вообще не является силой. Он описал это как искривление времени и пространства, вызванное массой и энергией. Смущенны? Немецкий физик тоже был смущен, и он боролся с теорией почти десятилетие. Он получил помощь от математика Марселя Гроссмана, старого друга, который поделился своими заметками с молодым Эйнштейном.

Их математика, изложенная в 10 уравнениях, объясняла, как гравитация может перемещаться вокруг объектов через искаженное пространство, ускоряясь, даже не ощущая никаких таинственных ньютоновских сил.

Яблоко обычно остается на том же месте (слева). Но когда гравитация искривляет пространство и время (справа), как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, плод оказывается на земле без силы притяжения.


Относительные основы

Основные выводы из общей теории относительности Эйнштейна:

1. Время и пространство не являются ни плоскими, ни фиксированными; оно изогнуто и искажено массой и энергией.

2. Гравитация – это не сила, а искажение времени и пространства.

3. Эффекты гравитации неотличимы от эффектов ускорения на небольшом пространстве.

Вдохновение Эйнштейна для общей теории относительности произошло, когда он работал патентным клерком в Швейцарии в 1907 году. 

Особые предсказания Эйнштейна

Относительность делает многочисленные странные предсказания, многие из которых экспериментально подтверждены. Они кажутся странными только потому, что мы не замечаем их в нашей повседневной жизни – мы живем, по большей части, в реальности Ньютона. Но за этим лежит вселенная Эйнштейна, где гравитация изгибает пространство и время по своей воле. Вот некоторые из самых странных побочных эффектов теории:

  • Гравитация буквально замедляет время. Волны света, испускаемые звездами, растягиваются из-за этого времени изгиба, и объекты ближе к массивному объекту стареют медленнее. Сверхточные часы, которые тикают в соответствии с колебаниями атомов, подтвердили, что гравитация изменяет течение времени.
  • Спутники показали, что вращающиеся небесные тела вращают ткань космоса вокруг себя, подобно меду, закрученному ложкой, влияя на движение гироскопов.
  • Одно предсказание решило давнюю дилемму, странное колебание на орбите Меркурия, которое математика Ньютона не могла объяснить. (Астрономы изначально обвинили скрытую планету под названием Вулкан). Относительность объяснила шаткую орбиту с точки зрения искривления пространства мощной гравитацией Солнца.

Вас также может заинтересовать:

3D-карта показывает, что мы живем в искривленной и перекрученной галактике