Законы механики и всемирного тяготения Ньютона прекрасно описывают практически все земные явления, а также движения Луны и планет. В этом смысле Ньютон обеспечил прекрасный синтез двух ранее различных наборов явлений: земных и небесных. Однако, как и в случае со всеми теориями, сочетание экспериментальных результатов и концептуальных рассуждений в конечном итоге заставило отойти от теории тяготения Ньютона и заменить её общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна.
Со временем в теории Ньютона вскрылось в общей сложности три проблемы. Во-первых, концептуальная: согласно ньютону сила тяготения между двумя телами была пропорциональна произведению инерционных масс тел. Таким образом, инерционная масса выполняла двойную функцию. В первую очередь она по определению, была мерой сопротивления объекта изменению скорости. А кроме того, инерционная масса была чем-то вроде «гравитационного заряда». Подобно тому, как электрический заряд определяет силу электростатических сил между двумя заряженными объектами, инерционная масса (она же гравитационный заряд) определяет силу соответствующей гравитационной силы. Именно по этой причине, как установил Галилей, все предметы падают на Землю с совершенно одинаковой скоростью. Причина такого двойного действия — полная загадка в контексте ньютоновской механики, но, по сути, тривиальное следствие эйнштейновской гравитации.
Вторая проблема теории Ньютона заключалась в том, что она описывала гравитацию как мгновенную силу притяжения между двумя массивными объектами. Следовательно, если переместить один из них, то другой должен был немедленно узнать об этом перемещении из-за изменения силы тяготения, независимо от расстояния между ними.
И, наконец, самое главное: между предсказаниями теории Ньютона и экспериментальными наблюдениями прецессии орбиты Меркурия было обнаружено расхождение, хотя и очень маленькое. Учёные делали различные попытки объяснить это расхождение (либо через модификацию теории Ньютона, чем некоторые занимаются до сих пор, либо через введение ещё одной, не замеченной ранее планеты) – но всё поменялось, когда на сцену вышел Эйнштейн. И ещё до того, как начать рассуждать об относительности, он устроил всем нам «год чудес», annus mirabilis, опубликовав в 1905 году четыре невероятно знаковые статьи, внёсшие неоценимый вклад в фундамент современной физики (Четыре! Всего за год!).
В период написания этих работ Эйнштейн не имел свободного доступа к полному набору научных справочных материалов, хотя регулярно читал и писал рецензии в журнал Annalen der Physik. Кроме того, научных коллег, готовых обсудить его теории, было немного. Он работал экспертом в патентном бюро в Берне (Швейцария) и позже сказал о своём коллеге Микеле Бессо, что «лучшего резонатора для моих идей не найти во всей Европе». Кроме того, определённое влияние на работу Эйнштейна оказали его коллеги и другие члены так называемой «Академии Олимпии» (Морис Соловин и Конрад Хабихт), а также его жена Милева Марич, но насколько именно — неясно.
В этих работах Эйнштейн рассмотрел некоторые из наиболее важных вопросов и проблем физики того времени. В 1900 г. лорд Кельвин в лекции «Облака девятнадцатого века над динамической теорией тепла и света» высказал предположение, что физика не имеет удовлетворительных объяснений результатов эксперимента Майкельсона-Морли и излучения чёрного тела. Объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли (опровергшего существование гипотетической субстанции, переносящей свет, «светоносного эфира») позволила специальная теория относительности. Объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта расширило квантовую теорию, которую Макс Планк развил в своём успешном объяснении излучения чёрного тела.
Несмотря на большую известность других его работ, например, по специальной теории относительности, именно работа по фотоэлектрическому эффекту принесла ему Нобелевскую премию в 1921 г. Нобелевский комитет терпеливо ждал экспериментального подтверждения специальной теории относительности, но до экспериментов по замедлению времени Айвза и Стилвелла (1938 и 1941 гг.) и Росси и Холла (1941 г.) оно так и не появилось.
Первая работа из четырёх объяснила фотоэлектрический эффект, установила энергию световых квантов E = h f и стала единственным конкретным открытием, упомянутым в цитате о присуждении Эйнштейну Нобелевской премии по физике.
Вторая работа объясняла броуновское движение, в которой было установлено эйнштейновское соотношение D = μ kB T, и заодно убедила научное сообщество в существовании атомов.
В третьей работе была представлена специальная теория относительности Эйнштейна, которая использовала универсальную постоянную скорость света c для вывода преобразований Лоренца.
В четвёртой работе, являющейся следствием СТО, был разработан принцип эквивалентности массы и энергии, выраженный в знаменитом уравнении E = mc2 и приведший спустя десятилетия к открытию и использованию атомной энергии.
Эти четыре работы, а также квантовая механика и более поздняя общая теория относительности Эйнштейна стали основой современной физики.
Как уже говорилось выше, Ньютон объяснил причину падения предметов на Землю, постулировав мгновенную силу притяжения между всеми предметами. Это хорошо работает до определённого момента, но оставляет необъяснённым один поразительный факт: все предметы падают на Землю с одинаковой скоростью. И это полная загадка в теории гравитации Ньютона. Для того чтобы объяснить этот простой факт, Эйнштейну пришлось полностью перевернуть ньютоновское представление о Вселенной. В частности, Эйнштейн показал, что гравитация (как мгновенная сила притяжения между двумя объектами) — это миф.
Более того, пространство — это не просто инертная сцена, на которой происходят физические явления. Пространство — это динамическая сущность: оно имеет форму и структуру, которые определяются содержащейся в нём материей. Объекты падают на Землю с одинаковой скоростью, потому что все они пытаются двигаться по (одинаковой) прямой траектории в искривлённом пространстве, окружающем Землю. Пространство (а точнее, пространство-время) деформируется из-за присутствия в нём массы и/или энергии.
В 1907 году Эйнштейну пришла в голову, по его собственному признанию, «самая счастливая мысль в жизни», когда он сидел на стуле в патентном бюро в Берне:
Если человек свободно падает, то он не чувствует собственного веса.
Это привело его к постулату «принципа эквивалентности», который гласит, что нельзя отличить ускоряющуюся систему отсчёта от гравитационного поля. Например, стоя на Земле, можно почувствовать то же самое, что и находясь в космическом корабле, ускоряющемся со скоростью 9,81 м/с в секунду – то есть, с ускорением, обусловленным гравитацией на поверхности Земли. Это был первый важный шаг в формулировании Эйнштейном новой теории гравитации.
Далее, Эйнштейн решил, что «вся физика — это геометрия». Это означало, что мы можем работать с пространством-временем и всей Вселенную в терминах геометрии. Затем Эйнштейн приступил к серии тщательных мысленных экспериментов, сравнивая наблюдения, сделанные наблюдателями в инерциальной и вращающейся системах координат.
Эйнштейн пришёл к выводу, что для наблюдателей, находящихся во вращающейся системе координат, пространство-время не может быть евклидовым, т.е. не может быть похожим на плоскую геометрию, о которой мы все узнаём в школе. Скорее, для учёта аномалий, предсказываемых теорией относительности, необходимо ввести «искривлённое пространство». Таким образом, кривизна стала вторым ключевым предположением, лежащим в основе ОТО.
Эксперименты, проводимые в равномерно ускоряющейся системе отсчёта с ускорением a, неотличимы от тех же экспериментов, проводимых в неускоряющейся системе отсчёта, находящейся в гравитационном поле, где ускорение силы тяжести = g = -a = напряжённость гравитационного поля. Один из вариантов формулировки этого фундаментального принципа общей теории относительности состоит в том, что гравитационная масса эквивалентна (или, по крайней мере, пропорциональна) инерционной массе.
Одно из следствий принципа эквивалентности состоит в том, что, поскольку фотоны обладают импульсом и, следовательно, им можно приписать инерционную массу, они должны обладать и гравитационной массой. Замечено, что фотоны отклоняются под действием гравитации. Они также должны препятствовать выходу из гравитационного поля, что приводит к гравитационному красному смещению и концепции чёрной дыры. А это даёт нам уже эффект гравитационной линзы.
Если приписывание фотону своего рода «эффективной массы» является одним из способов описания того, почему путь света искривляется под действием гравитационного поля, то подход Эйнштейна в общей теории относительности состоял в том, чтобы связать массу с искривлением пространства-времени: существование массы приводит к искривлению пространства-времени вокруг неё. С точки зрения того, что свет идёт по кратчайшему пути, или по геодезической линии пространства-времени, если Солнце искривляет пространство вокруг себя, то свет, проходящий мимо Солнца, будет следовать этой кривизне.
Таким образом, три ключевых предположения, которые Эйнштейн использовал для формулировки своей теории, были следующими:
- Вращающиеся системы отсчёта (неинерциальные) предполагают неевклидово (или искривлённое) пространство-время
- Принцип эквивалентности утверждает, что ускоряющиеся системы отсчёта (т.е. неинерциальные системы отсчёта) эквивалентны гравитационным полям
- Из специальной теории относительности следует, что масса равна энергии, а из ньютоновской физики — что масса пропорциональна силе тяжести.
Отсюда Эйнштейн мог сделать вывод, что плотность энергии-момента вызывает искривление пространства-времени и пропорциональна ему.
Так родилась общая теория относительности, суть в которой заключается в том, что масса (и энергия) говорит пространству, как искривляться, и это искривлённое пространство говорит всей материи и энергии, как двигаться через него.
И первым из проверенных её предсказаний (а по сей день все её проверенные предсказания сбылись) стало гравитационное линзирование. Гравитационная линза — это скопление материи (например, галактик), находящееся между удалённым источником света и наблюдателем, способное искривлять свет от источника по мере его продвижения к наблюдателю. Интересно, что рассматривая свет как частицы («корпускулы»), движущиеся со скоростью света, ньютоновская физика также предсказывала изгиб света под действием гравитации — но только наполовину от того, что предсказывает общая теория относительности (а предсказание ОТО подтверждено опытами). Благодаря полному солнечному затмению реальность гравитационного линзирования и совпадение наблюдений с расчётами Эйнштейна удалось проверить в 1919 году.
Газетный заголовок статьи 1919 года
Хотя Эйнштейн сделал неопубликованные расчёты на эту тему в 1912 году, Орест Хвольсон (1924) и Франтишек Линк (1936) обычно считаются первыми, кто обсудил этот эффект в печати. Однако чаще всего этот эффект ассоциируется с Эйнштейном, который опубликовал статью на эту тему в 1936 году.
Интересно, что, несмотря на триумф ОТО, модификацией теории Ньютона некоторые учёные занимаются до сих пор – в особенности те, кому кажутся искусственными или избыточными понятия «тёмной материи» и «тёмной энергии». Они ищут альтернативы общей теории относительности.
Эти попытки можно разделить на четыре большие категории в зависимости от их масштаба. Во-первых, есть прямые альтернативы общей теории относительности, которые не связаны с квантовой механикой или объединением сил. Другие теории, в которых делается попытка построить теорию, использующую принципы квантовой механики, известны как теории квантованной гравитации. В-третьих, существуют теории, которые пытаются объяснить гравитацию и другие силы одновременно; они известны как классические единые теории поля. Наконец, наиболее амбициозные теории, пытающиеся одновременно объяснить гравитацию в квантовомеханических терминах, и объединить силы, называются теориями всего.
Ни одна из этих альтернатив общей теории относительности не получила широкого признания. Общая теория относительности выдержала множество проверок, оставаясь согласованной со всеми наблюдениями до настоящего времени. Напротив, многие из ранних альтернатив были окончательно опровергнуты. Тем не менее некоторые из альтернативных теорий гравитации поддерживаются меньшинством физиков, и эта тема остаётся предметом интенсивных исследований в теоретической физике.
Конечно, Эйнштейн не творил в пустоте, и его работы «чудесного года», как и прочие, ссылались и опирались на его великих современников и не менее великих предшественников: Макса Планка, Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла, Генриха Герца, Кристиана Доплера, Хендрика Лоренца, Германа Минковского, Анри Пуанкаре.
Но можно представить, насколько медленнее развивалась бы наука без статей «года чудес», без СТО и ОТО, и сколько нам потребовалось бы времени, чтобы вывести эти теории из наблюдений, сделанных за весь XX век.
Автор: Валерий Исаковский
