[Перевод] Без Эйнштейна мы разбирались бы с гравитацией ещё десятки лет

В 1905 году Альберт Эйнштейн перевернул мир теоретической физики с ног на голову, опубликовав работу по дисциплине, которую впоследствии назовут общей теорией относительности. Она показала, что пространство и время нельзя рассматривать, как абсолютные сущности: время может ускоряться или замедляться, стандартные длины могут сокращаться, массы – увеличиваться.

И, самый знаменитый результат, эквивалентность массы энергии, и их пропорция выражается через уравнение E = mc².

Никто не сомневается в гении Эйнштейна, сформулировавшего ОТО, но принято считать, что если бы он не опубликовал свою теорию в 1905 году, какой-нибудь другой физик вскоре сделал бы это вместо него.


«Крест Эйнштейна» – четыре изображения одного удалённого квазара, полученные из-за того, что свет от него изгибается вокруг галактики, расположенной ближе к нам, работающей как гравитационная линза.

Лишь в 1915 году Эйнштейн продемонстрировал свой гений, опубликовав свою общую теорию относительности. Она утверждала, что кривизна пространства-времени пропорциональна, а также происходит вследствие «плотности энергии-импульса», то есть, энергии и импульсу, связанным с любой материей в единице объёма пространства.

Это утверждение было подтверждено, когда оно совпало с наблюдениями необычной орбиты Меркурия и с изгибающимся вокруг Солнца светом звёзд.

За последние сто лет ОТО была проверена с потрясающей точностью и каждый раз выдерживала проверку. ОТО стала таким гигантским скачком вперёд, что можно сказать – если бы Эйнштейн её не сформулировал, она могла оставаться неоткрытой ещё долго.

Путь к общей теории относительности

В 1907 году к Эйнштейну пришла «счастливейшая мысль всей жизни», когда он сидел на стуле в патентном офисе в Берне:

Если человек свободно падает, он не ощущает свой вес.

Она привела его к формулировке «принципа эквивалентности«, гласящего, что нельзя различить ускоряющуюся систему отсчёта и гравитационное поле. К примеру, если вы стоите на Земле, это будет ощущаться точно так же, как если бы вы стояли в космическом корабле, двигающемся с ускорением в 9,81 м/c² — с ускорением свободного падения на Земле.

Это был первый важнейший шаг к формулировке новой теории гравитации.

Эйнштейн верил, что «вся физика – это геометрия». Он имел в виду, что про пространство-время и Вселенную можно мыслить геометрическими терминами. Самое удивительное заключение ОТО, динамическая природа времени и пространства, по-видимому, привела Эйнштейна к необходимости переосмысления «геометрического» пространства-времени.

Эйнштейн провёл серию аккуратных мысленных экспериментов по сравнению наблюдений, сделанных наблюдателями в инерциальных и вращающихся системах отсчёта.

Он установил, что для наблюдателя во вращающейся системе отсчёта пространство-время не может быть Евклидовым, то есть таким, как та плоская геометрия, что мы все изучаем в школах. Нам необходимо ввести в рассуждения «искривлённое пространство», чтобы учесть аномалии, предсказанные относительностью. Кривизна становится вторым важнейшим предположением, поддерживающим его ОТО.

Для описания искривлённого пространства Эйнштейн обратился к более ранней работе Бернарда Римана, математика XIX века. С помощью своего друга Марселя Гроссмана, тоже математика, Эйнштейн несколько утомительных лет изучал математику искривлённых пространств – то, что математики называют «дифференциальной геометрией». Эйнштейн отмечал, что «по сравнению с пониманием гравитации, специальная теория относительности казалась детской игрушкой».

Теперь у Эйнштейна был математический аппарат для доведения теории до завершения. Принцип эквивалентности утверждал, что ускоряющаяся система отсчёта эквивалентна гравитационному полю. В результате занятий геометрией он считал, что гравитационное поле было простым проявлением искривлённого пространства-времени. Поэтому он мог показать, что ускоряющиеся системы отсчёта были неевклидовыми пространствами.

Развитие

Третьим важнейшим шагом стало устранение сложностей при применении ОТО к ньютоновской гравитации. В специальной теории относительности постоянство скорости света во всех системах отсчёта и утверждение, что скорость света – максимально достижимая скорость, противоречили ньютоновской теории гравитации, постулировавшей мгновенность действия гравитации.

Проще говоря, ньютоновская гравитация говорила о том, что если убрать Солнце из центра Солнечной системы, гравитационный эффект этого события мгновенно ощутится на Земле. Но СТО говорит, что даже эффект исчезновения Солнца будет перемещаться со скоростью света.

Эйнштейн также знал, что гравитационное притяжение двух тел прямо пропорционально их массам, что следовало из ньютоновского F = G*M*m/r². Поэтому масса явно определяла силу гравитационного поля. СТО говорит, что масса эквивалентна энергии, поэтому плотность энергии-импульса тоже должна определять силу гравитации.

В результате, тремя ключевыми предположениями, использованными Эйнштейном для формулировки его теории, были:
1. Во вращающихся (неинерциальных) системах отсчёта пространство искривлено (неевклидово).
2. Принцип эквивалентности говорит, что ускоряющиеся системы отсчёта эквивалентны гравитационным полям.
3. Из СТО следует эквивалентность массы и энергии, а из ньютоновой физики следует, что масса пропорциональна силе гравитации.

Эйнштейн сумел заключить, что плотность энергии-импульса создаёт, и пропорциональна, кривизне пространства-времени.

Неизвестно, когда у него случилось «озарение», когда он смог сложить эту головоломку и связать массу/энергию с кривизной пространства.

С 1913 по 1915 года Эйнштейн публиковал несколько работ, одновременно работая над завершением ОТО. В некоторых работах встречались ошибки, из-за чего Эйнштейн тратил время на ненужные отвлечения в теоретических рассуждениях.

Но итоговый результат, что плотность энергии-импульса искривляет пространство время, как шар для боулинга – натянутый лист резины, и что движение массы в гравитационном поле зависит от кривизны пространства-времени – это, без сомнения, величайшие догадки, сделанные интеллектом человека.

Фора

Как долго мы разбирались бы в гравитации, не будь с нами гения Эйнштейна? Возможно, что нам пришлось ждать бы этого много десятилетий. Но в 1979 году загадка наверняка бы вышла наружу. В том году астрономы обнаружили «квазары-близнецы«, QSO 0957+561, первый квазар, на котором наблюдалось гравитационное линзирование.

Это удивительное открытие можно объяснить только кривизной пространства-времени. За него наверняка дали бы Нобелевскую премию, если бы не гений Эйнштейна. А может, её всё-таки стоит выдать.