12 интересных фактов об общей теории относительности Эйнштейна
О замедлении времени и истоках Вселенной — о чем еще может рассказать общая теория относительности.
Людям нравится обсуждать теорию относительности Альберта Эйнштейна, будто они говорят о последнем голливудском блокбастере. Возможно, они делают это, чтобы казаться умнее. Но что такое теория относительности? Скорее всего, вы знаете, что она связана с гравитацией, притягивающей объекты, и с замедлением времени. Но мы уверены: вы даже не подозреваете, что это совершенно новый способ описания самой реальности!
Вы можете считать само собой разумеющимся, что завтра вы встретитесь с другом за завтраком в вашем любимом месте, скажем, в 10 утра. Но без сил, изложенных в теории относительности, вы бы встретились в совершенно иное время в совершенно другом месте!
Теория относительности Эйнштейна, которая была впервые опубликована в 1915 году, смогла решить проблемы, с которыми веками боролись физики и астрономы. Она раскрыла некоторые секреты о черных дырах, планетарных орбитах и космических путешествиях.
Мы в 1Gai.ru предлагаем вам ознакомиться с несколькими фактами о теории относительности, которые покажут вам, насколько она удивительна.
Общая теория исходит из специальной теории относительности Эйнштейна
В 1905 году Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности, которая стала очень популярной среди математиков и физиков. Согласно ей, законы природы абсолютно одинаковы для объектов, движущихся прямолинейно с одинаковой скоростью.
Суть в том, что эти объекты не могут ускоряться — они должны иметь постоянную скорость. В теории также говорится о том, что, несмотря на ускорение или скорость, скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат.
Общая теория относительности учитывает ускорение
В течение десяти лет после создания специальной теории относительности Эйнштейн работал над изучением ускорения. Он определил, что законы физики (например, пространства и времени) одинаковы для двух людей, движущихся с одинаковой постоянной скоростью.
Однако в ту минуту, когда один человек начинает ускоряться, возникают проблемы. Чем больше ускоряется объект, тем сильнее будет разница во времени между этим объектом и теми, кто движется с более медленной скоростью.
Гравитация и ускорение имеют одинаковый эффект
Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала, что пространство-время вокруг Земли будет не только искривлено, но и искривлено вращением планеты. Гравитационный зонд «B» показал, что это правильно. Изображение NASA
В 1911 году Эйнштейн сформулировал «принцип эквивалентности», который утверждает, что тяжелая и инертная масса (от ускорения) любого тела равны.
Если вы когда-нибудь задумывались, почему астронавтам так тяжело дается запуск космического челнока, все потому, что постоянное ускорение, необходимое для преодоления гравитации Земли, накладывает гравитационные силы на людей внутри корабля.
Поэтому космонавтам требуется предварительная подготовка. Например, обучение в центрифуге G-Force готовит их к воздействию этой силы на их тела.
Пространство-время — четвертое измерение
Чтобы все эти теории работали, Вселенную нужно измерять по-другому. Стандартные координаты X и Y описывают положение в двухмерной плоскости, но поскольку Вселенная — пространство трехмерное, нужна координата Z. Однако на самом деле в этой «игре» есть и четвертое измерение — время.
Можно сказать, что пространство-время — это симбиоз времени и трехмерного пространства. Все это дало физикам совершенно новый взгляд на понимание Вселенной.
Гравитация влияет на пространство-время
Tenor
Когда Эйнштейну стало понятно, что гравитация может нарушить пространство-время, он изменил константы, с которыми работал прежде. Когда ускорение (и, следовательно, сила тяжести) постоянны или вовсе отсутствуют, постоянно и пространство-время. Но когда сила тяжести меняется, вы должны быть готовы изменить все переменные.
Пространство и время работают сообща
Альберт Эйнштейн понял, что объекты, как правило, движутся по прямым линиям. Он также понял, что гравитация может изменить вид этих линий. Но сама линия не изгибается — изгибается пространство-время. Таким образом, две отдельные концепции работают вместе.
Вы тоже влияете на пространство-время
Каждый из нас обладает небольшой силой притяжения, но это не значит, что мы не можем влиять на Вселенную. Все, что имеет массу, обладает гравитационным притяжением, а значит, пока Земля притягивает нас, мы отталкиваем ее обратно. Но поскольку наша планета обладает гораздо большей массой, она выигрывает в этих «состязаниях» по перетягиванию каната и удерживает нас на поверхности.
Все во Вселенной, что имеет массу, влияет на другие расположенные в ней объекты. Так, гравитация Луны создает приливы, а гравитация Солнца удерживает все планеты на эллиптических орбитах.
Гравитационное линзирование показывает, что пространство-время искривлено
Как же экспертам удалось выяснить, что пространство-время искривлено гравитацией? Эффект можно увидеть через гравитационное линзирование — наблюдение за объектом через другой космический объект.
В этом процессе участвует кусок материи с такой большой гравитационной силой, что она сильно изгибает пространство-время вокруг себя.
Обычно гравитационные изгибы практически не влияют на свет: он движется очень быстро. Но когда массивный объект — скажем, черная дыра или квазар — выступает в качестве линзы, посредника при наблюдении, даже свет начинает искривляться.
Астрономы могут использовать этот изогнутый свет, чтобы посмотреть, что находится вокруг и позади этого массивного объекта. Это прекрасный пример нарушения гравитационного поля и искривления пространства-времени.
Теория относительности объясняет странную орбиту Меркурия
Орбита Меркурия на протяжении веков ставила астрономов в тупик. Исаак Ньютон смог точно рассчитать орбиты других планет, но Меркурий оказался трудной задачей — точка его орбиты, перигелий, смещалась с более быстрой скоростью, чем предполагалось. Некоторые эксперты даже предположили, что на орбиту Меркурия влияла совершенно новая планета — Вулкан.
Но теория относительности Эйнштейна наконец пролила свет на причину этого странного поведения. Дело в том, что масса Солнца искривляла пространство, заставляя Меркурий — ближайшую к Солнцу планету — проходить не самый обычный путь через Солнечную систему.
Гравитация влияет на свет и звук
Uximetc pavel / Shutterstock
Теория относительности также объясняет, как гравитация влияет на свет и звук. Находясь внутри гравитационного поля, механические волны (например, звуковые) и электромагнитные волны (например, световые) обычно расширяются по мере удаления от центра масс. Этот процесс называют эффектом Доплера.
Гравитационные волны — ключ к истокам Вселенной
Столкновение двух черных дыр 1,3 миллиарда лет назад (как показано на этой анимации) породило гравитационные волны, которые впервые были обнаружены исследователями из гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO) 14 сентября 2015 года. Фото: Caltech
Когда происходит массивное звездное событие, оно создает заметную рябь в пространстве-времени — гравитационные волны. Этот феномен может помочь теоретикам выяснить, как была создана Вселенная.
Если ученые смогут обнаружить волны от Большого взрыва — самого масштабного события в известной Вселенной, — это открытие поможет доказать, что взрыв действительно был, а также определить, когда именно он произошел.
И хотя к настоящему времени ученые обнаружили лишь одну подтвержденную гравитационную волну, космические агентства по всему миру не оставляют попытки найти и другие.
Квантовая механика и общая теория относительности порой противоречат друг другу
theconversation.com
Общая теория относительности Эйнштейна объясняет многое из того, что происходит во Вселенной, но не всегда согласуется с квантовой механикой. Согласно квантовым теориям, частицы взаимодействуют с помощью других частиц.
Например, электричество, которое работает, посылая фотон между двумя заряженными частицами. Проблема в том, что маршрут, по которому движется частица, довольно случаен.
Отслеживание гравитации означает, что вы должны уметь определять, каким образом движутся вещи в пространстве-времени. Но в квантовой механике иные правила.
Сегодня разрабатывается единая теория квантовой гравитации, но никто не знает, когда ученые смогут согласовать эти две концепции.
Обложка: 1Gai.Ru / SHUTTERSTOCK
