В своей книге: «Оптика: трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света», опубликованной на английском языке в 1704 году, Исаак Ньютон анализирует фундаментальную природу света на примере преломления света призмами и линзами, дифракции света близко расположенными листами стекла и поведения цветовых смесей с помощью спектральных ламп или пигментных порошков. Книга «Оптика» стала вторым крупным трудом Ньютона по физическим наукам и считается одной из трёх основных работ по оптике периода научной революции. В конце книги Ньютон приводит список «вопросов» — нерешённых на тот момент физических задач. В частности, он пишет:
«И для отрицания такой среды мы имеем авторитет тех древнейших и знаменитейших философов древней Греции и Финикии, которые сделали вакуум, атомы и тяготение атомов первыми принципами своей философии, молчаливо приписывая тяготение какой-то иной причине, чем плотная материя. Позднейшие философы отбрасывают рассмотрение такой причины… придумывая [вместо неё] гипотезы для механического объяснения всего сущего [Но] главное дело натурфилософии — без притворных гипотез доказывать явления, выводить причины из следствий, пока мы не придём к самой первой причине, которая, конечно, не механическая.»
«И не только для того, чтобы раскрыть механизм мира, но и главным образом для того, чтобы разрешить такие вопросы, как «Что находится в местах, пустых от материи?» и «Почему солнце и планеты тяготеют друг к другу без плотной материи между ними? Почему природа ничего не делает напрасно? И откуда берётся весь тот порядок и красота, которые мы видим в мире? Для чего существуют кометы? И почему планеты движутся все одним и тем же путём в концентрических орбитах, а кометы — разными путями в очень эксцентрических орбитах? И что мешает неподвижным звёздам падать друг на друга?»
Ньютон сформулировал законы движения тел и достаточно хорошую на тот момент теорию гравитации, и что интересно, именно нюансы движения планет вынудили его последователей отправиться на поиски других теорий, а на вопрос «что мешает неподвижным звёздам падать друг на друга?» не смог правильно ответить и сам Эйнштейн, предложивший специальную теорию относительности в качестве расширения классической механики Ньютона.
Где теория гравитации Ньютона дала сбои на практике? Во-первых, она дала неверное предсказание прецессии перигелия орбиты Меркурия. Орбита Меркурия эллиптическая, как и предсказывает теория, но эллипс не остаётся всё время в одном и том же месте. Он прецессирует, т. е. при движении Меркурия по орбите вокруг Солнца весь эллипс вращается вокруг фокусной точки (т. е. Солнца). Эта прецессия очень мала — всего 570 секунд дуги в столетие (секунда дуги = 1» = 1/3600°). Большую часть этой прецессии можно понять в контексте теории гравитации Ньютона, если учесть возмущения орбиты, вызванные присутствием других планет. Однако, как только астрономы проделали эти вычисления, оказалось, что остаётся малое расхождение между предсказанием и наблюдаемым значением, составляющее около 40" в столетие. Это расхождение было полной загадкой для учёных на рубеже веков. Для его объяснения они даже дошли до предположения о существовании невидимой планеты (Вулкан) на дальней стороне Солнца. Только после публикации Эйнштейном своей работы по общей теории относительности смещение перигелия Меркурия стало по-настоящему понятным.
Во-вторых, в ней не объяснялось, почему сила гравитации объекта пропорциональна его инерционной массе. Другими словами, она не объясняет, почему гравитационное ускорение не зависит от массы или состава объекта.
В-третьих, она постулирует наличие мгновенной силы гравитационного притяжения, то есть мгновенной передачи информации о местоположении одного объекта другому объекту за счёт изменения силы гравитации. То есть допускает передачу информации со скоростью, превышающей скорость света.
Эти три проблемы, вместе взятые, привели Эйнштейна к иному представлению о гравитации: вместо постулирования наличия невидимой, бесконечно быстро действующей силы, которая действует на всех расстояниях и во все времена, гравитацию можно объяснить просто искривлением пространства-времени, которое в свою очередь диктуется наличием в нём материи и энергии.
Суть теорий Эйнштейна, устранивших вышеперечисленные проблемы и в то же время радикально изменивших представления физиков о Вселенной, состоит в том, что:
- Пространство-время не является неизменной и постоянной «сценой», на которой происходят события. У него есть своя форма и структура, на которые влияет вещественно-энергетическое содержание Вселенной.
- Материя и энергия указывают пространству-времени, как искривляться.
- Пространство-время указывает материи, как двигаться. В частности, малые объекты движутся по самым прямым линиям в искривлённом пространстве-времени.
В искривлённом пространстве изменяются правила евклидовой геометрии. Параллельные прямые могут пересекаться, а сумма углов в треугольнике может быть больше или меньше 180 градусов — в зависимости от того, как искривлено пространство (именно об этом идёт речь при подсчёте кривизны Вселенной).
Теория Эйнштейна дала правильное предсказание смещения перигелия Меркурия. Она также объяснила, почему объекты падают одинаково независимо от их массы: все они движутся по одной и той же прямой линии в искривлённом пространстве-времени. Наконец, в теории Эйнштейна мгновенная гравитационная сила заменяется кривизной пространства-времени. Перемещение массы приводит к образованию пульсаций в этой кривизне (гравитационных волн), которые распространяются со скоростью, равной скорости света. Таким образом, удалённая масса не ощущает мгновенного изменения гравитационной силы, и специальная теория относительности не нарушается.
Пытаясь объяснить расхождения теории Ньютона с реальностью, Эйнштейн в начале XX века сначала выдвинул и обосновал СТО, а потом у него в голове сложились три части головоломки, породившие общую теорию относительности (ОТО):
- Специальная теория относительности, или представление о том, что каждый уникальный наблюдатель имеет своё собственное уникальное — но взаимно согласованное между наблюдателями — представление о пространстве и времени, включая расстояние между объектами, продолжительность и порядок событий.
- Переформулировка таких понятий, как пространство и время, проведённая Минковским. Он объединил их в единую четырёхмерную ткань, называемую пространством-временем, на фоне которой движутся и эволюционируют все другие объекты и наблюдатели.
- И принцип эквивалентности, который Эйнштейн неоднократно называл своей «самой счастливой мыслью» и который заключался в том, что наблюдатель в герметичной комнате, ускоряющийся из-за того, что он находится в гравитационном поле, не почувствует никакого отличия от такого же наблюдателя в такой же комнате, ускоряющегося из-за наличия тяги (или внешней силы), вызывающей это ускорение.
В опубликованной в 1915 году ОТО Эйнштейн упомянул три необходимых и достаточных эксперимента, результаты которых по-разному описывали релятивистские предсказания и ньютоновская теория для плоского пространства-времени. В порядке, представленном Эйнштейном, это были следующие измерения. Первое — измерение скорости прецессии орбиты планеты Меркурий вокруг Солнца (дополнительно 43" в столетие, тогдашние наблюдения требовали 45±5" в столетие). Второе — предсказанная амплитуда изгиба светового луча от фоновой звезды, проходящей мимо Солнца (1,75" на лимбе Солнца). Третье — гравитационное красное смещение света для частицы, движущейся через гравитационный потенциал; последнее было однозначно определено только в 1960-х годах.
Предсказанная в рамках общей теории относительности амплитуда отклонения света на лимбе Солнца составляет 1,75", причём отклонение происходит в радиальном направлении от центра Солнца и линейно уменьшается с расстоянием. Предсказанное изгибание света в теории, в которой свет реагирует на гравитацию (действует принцип эквивалентности), но пространство-время не искривляется, составляет ровно половину от этого значения: 0,87". Эта модель в то время называлась ньютоновским предсказанием. Рассматривалась и третья возможность — нулевое отклонение.
В связи с этим несколько обсерваторий, специализирующихся на солнечных затмениях, пересматривали исторические фотоматериалы и/или организовывали специальные экспедиции на затмения в 1912, 1914 и 1918 годах. Ни одной из них не удалось получить нужных результатов. Следующее доступное затмение, 29 мая 1919 года, было исключительным в том отношении, что полное затмение должно было длиться относительно долго, а на фоне оказывалось звёздное скопление Гиады, обладающее исключительным количеством и пространственным распределением ярких звёзд. Королевский астроном сэр Фрэнк Дайсон признал, что это беспрецедентная возможность для проверки отклонения света от прямого пути, и поддержал организацию специальной экспедиции, которая «должна послужить для всесторонней проверки или опровержения теории Эйнштейна».
В итоге были отправлены две экспедиции, обе британские: на остров Собрал (Бразилия), где работали Чарльз Дэвидсон и Эндрю Кроммелин, астрономы Королевской Гринвичской обсерватории, и на остров Принсипе (Западная Африка) под руководством Артура Эддингтона из Кембриджа и при поддержке Эдвина Коттингема, часовщика из Кембриджа. Экспедиции взяли три телескопа: в Собрал — астрограф и 4-дюймовый телескоп, в Принсипи — астрограф. Все они были установлены горизонтально под солнцезащитными козырьками, а вид на небо подавался с помощью подвижного зеркала-целостата, установленного перед каждым телескопом.
Результаты измерений однозначно подтвердили правильность одного из предположений Эйнштейна, а это значило, что теорию стоило попробовать применить не только к отдельным звёздам, но и ко всей Вселенной (такой, какой её себе представляли во времена Эйнштейна).
Тогда, как и во времена Ньютона, Вселенная ещё казалась наблюдателям статичной, и представлялось очевидным, что если заполнить пространство материей и энергией, то в отсутствии отталкивающей силы всё это рано или поздно соберётся в одну точку и сколлапсирует в сингулярность — чёрную дыру. Так что же «мешало неподвижным звёздам падать друг на друга»?
Когда Эйнштейн обнаружил, что его первоначальные уравнения позволяют Вселенной расширяться или сжиматься, он не поверил в такую возможность, и ввёл в свои уравнения космологическую постоянную — «лишний» член, отвечающий только за то, чтобы наблюдаемая материя не стягивалась в одну точку. Также Эйнштейн в своих рассуждениях пришёл к выводу, что пространство имеет положительную пространственную кривизну (как поверхность шара), и вследствие этого Вселенная замкнута, то есть конечна.
И с этой константой начались проблемы. В 1917 году нидерландский астроном Виллем де Ситтер показал, что если взять модель Вселенной, в которой присутствует только космологическая постоянная, и нет других источников материи и энергии, то получится пустое четырёхмерное пространство-время, вечно расширяющееся с постоянной скоростью.
Затем работами Эйнштейна и Виллема де Ситтера очень заинтересовался ещё один великий ум того времени, российский и советский математик, гидромеханик, физик и геофизик Александр Александрович Фридман. Он принял в качестве рабочей гипотезы «лишний» член уравнений Эйнштейна, космологическую постоянную, но указал, что при различных значениях этой постоянной, а также при других предположениях Вселенная может вести себя совершенно по-разному. Статическая Вселенная, которую представлял себе Эйнштейн — это лишь частный случай; Вселенная также может расширяться вечно или расширяться некоторое время, затем сжиматься до определённой точки и снова начинать расширяться.
Работа Фридмана, описывающая динамические вселенные, под названием «О кривизне пространства» была принята к публикации в престижном журнале Zeitschrift für Physik 29 июня 1922 года.
Эйнштейн возражал против такого подхода. Он написал в журнал заметку, в которой утверждал, что Фридман допустил математическую ошибку. Однако выяснилось, что ошибался сам Эйнштейн. На это его ошибку ему указал его новый хороший знакомый, ещё один русский советский физик-теоретик, Юрий Александрович Крутков. В 1922 году Крутков получил стипендию Рокфеллеровского фонда и отправился на стажировку в Германию и Голландию, где закупал оборудование и книги, а также активно налаживал научные связи, и кроме Эйнштейна встречался с Лоренцем, П. Дебаем и другими великими умами того времени.
Признав в итоге правильность математических выкладок Фридмана, Эйнштейн всё же не успокоился и продолжал отрицать их физическую обоснованность, заявив: «Ваши расчёты верны, но физика отвратительна».
Свой вклад в развитие теории внёс и Жорж Леметр — бельгийский священник, астрофизик, космолог и математик, автор теории Большого взрыва. В 1927 году Леметр опубликовал в Бельгии практически незамеченную работу, в которой дал убедительное решение уравнений общей теории относительности для случая расширяющейся Вселенной. Его решение в чём-то повторяло выкладки Фридмана, но последнего в основном интересовала математика ряда идеализированных решений (включая расширяющуюся и сжимающуюся вселенные), и он не рассматривал возможность того, что одно из них может действительно описывать физическую Вселенную. В отличие от него, Леметр подошёл к проблеме космологии с глубокой физической точки зрения и понял, что его решение предсказывает расширение реальной вселенной, полной различных галактик, о котором в то время только начали говорить наблюдения.
До 1997 года достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина, наличие которой зависит от эстетических предпочтений автора. В 1998 году две группы астрофизиков, одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса, провели измерения на далёких сверхновых, которые показали, что скорость убегания галактик относительно Млечного Пути увеличивается со временем. Вселенная находится в состоянии ускоренного расширения, что требует строго положительного значения космологической постоянной. Получалось, что Вселенная должна содержать непонятную пока силу — тёмную энергию — создающую отталкивающее воздействие, которая уравновешивает гравитационное торможение, производимое материей, содержащейся во Вселенной.
Получается, Эйнштейн всё-таки был прав, даже ошибаясь при этом.
Автор: Валерий Исаковский
