Теория относительности Эйнштейна

В 1905 году Альберт Эйнштейн сделал два заявления:
1. Законы физики одинаковы для всех инерциальных (т.е. двигающихся с постоянной скоростью относительно друг друга) систем;
2. Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения наблюдателей.
Эти принципы легли в основу специальной теории относительности (СТО), которая перевернула представления ученых о физике в целом. Эйнштейн потратил целых 10 лет, чтобы включить в данную теорию такой немаловажный компонент, как ускорение. В 1915 году ему это, наконец, удалось, и он представил миру общую теорию относительности (ОТО), в которой утверждалось, что массивные тела провоцируют искривление пространства-времени, что и является по сути причиной возникновения гравитации.
Исаак Ньютон заявлял, что сила тяготения, возникающая между двумя телами, зависит от их массы и расстояния, на котором они друг от друга находятся. Центр Земли притягивает человека к себе, а центр массы человека, в свою очередь, притягивает к себе Землю. Однако наша планета, будучи значительно более массивной, чем любой ее житель, едва ли ощущает его тяготение, в то время как человек стоит на Земле именно благодаря ее притяжению. Казалось бы, все логично. Однако, Ньютон даже не пытался ответить на вопрос, как появляется гравитация, именно поэтому его теория заведомо содержала в себе ошибку. Альберт Эйнштейн пошел дальше. Приняв во внимание озвученные выше принципы СТО и доказав, что скорость света также неизменна и вне вакуума, не зависимо от скорости наблюдателей, он сделал вывод, потрясший абсолютно всех. Эйнштейн провозгласил, что пространство и время следует объединить в один континуум, который получил название пространство-время. Ученый утверждал, что события, произошедшие в одно и тоже время для одного наблюдателя, могут произойти в разное время для другого наблюдателя. Работая над ОТО, Эйнштейн осознал, что массивные тела провоцируют искривление пространства-времени. Представить это довольно легко: вообразите резиновую мембрану, в центр которой положили массивное тело. Мембрана прогнется под весом тела, образуя «яму», верно? А если мы пустим по краю «ямы» маленький шарик, он покатится по спирали вниз, постепенно приближаясь к нашему массивному телу. Таким же образом работает и гравитация.

Хотя современное оборудование не способно ни увидеть, ни измерить пространство-время, ученые уже обнаружили несколько явлений, которые подтверждают правильность этой теории. Остановимся на них более подробно.

Гравитационное линзирование

Свет вокруг массивных тел, таких как черные дыры, изгибается, подобно тому, как преломляется луч света, проходящий через линзу.

Благодаря этому явлению астрономам удается изучать звезды и галактики, находящиеся за массивными телами.
Крест Эйнштейна — один из ярких примеров гравитационного линзирования. В его центре находится объект-линза — галактика, располагающаяся на расстоянии 400 млн световых лет от Земли.

Другие четыре объекта представляют собой изображения квазара, который на самом деле находится за галактикой и удален от нашей планеты на целых 8 млрд световых лет. Еще один интересный пример: мертвая звезда, которую удалось обнаружить при помощи телескопа «Кеплер». Этот белый карлик находится в двойной звездной системе вместе с красным карликом, который больше его по размерам, но меньше по массе. Когда белый карлик проходит перед своим соседом, его гравитационное поле искажает свет, исходящий от красного карлика, и делает его ярче.

Изменения в орбите Меркурия

Из-за искривления пространства-времени вокруг нашего массивного Солнца орбита Меркурия постепенно смещается. Через несколько миллиардов лет орбита этого небесного тела может измениться настолько, что в этом далеком будущем возможно его столкновение с Землей.

Искривление и закручивание пространства-времени Землей

Эйнштейн предсказывал, что любое массивное вращающееся тело, как, например, наша планета, закручивает и искривляет пространство-время вокруг себя. Чтобы проверить это предсказание, в 2004 году НАСА запустила на орбиту Земли зонд «Gravity Probe B» (GP-B). Ориентация высокоточных гироскопов, расположенных на борту GP-B со временем действительно изменилась, причем именно настолько, насколько следовало, исходя из расчетов Эйнштейна. «Представьте, что Земля погружена в мед, — объясняет происходящее ведущий исследователь миссии «Gravity Probe B» Френсис Эверитт. – Когда планета вращается, мед закручивается вокруг нее. Тоже самое происходит и с пространством-временем».

Гравитационное красное смещение

Гравитационным красным смещением называют изменение частоты света, испущенного неким источником, по мере его удаления от массивных тел. Представьте машину скорой помощи, которая едет с включенной сиреной. Когда машина приближается к наблюдателю, длина звуковых волн уменьшается, а когда скорая помощь начинает удаляться, звуковые волны, напротив, удлиняются. Это явление называется эффект Доплера. Тоже самое происходит и с волнами света. В 1959 году два физика, Роберт Паунд и Глен Ребка, провели следующий эксперимент: ученые испускали гамма-лучи вертикально в башне Гарвардского университета и обнаружили, что в таких условиях их частота меньше, чем обычно, а причиной тому – искривления, вызванные гравитацией.