Гравитационное замедление времени: удивительный феномен искривленного пространства-времени
Альберт Эйнштейн — один из самых известных физиков XX века. Однако, помимо удивительных теорий, невероятно точно описывающих крупномасштабный мир, он выявил один любопытный феномен: чем сильнее гравитация, тем медленнее идет время.
Свою первую известную на весь мир теорию Эйнштейн назвал Специальной теорией относительности. Она была специальной, так как имела дело с постоянными скоростями. Чтобы примирить ее с реальным миром, в котором объекты постоянно ускоряются и замедляются, ему было необходимо исследовать последствия своей теории, когда речь заходила об ускорении. Эта попытка обобщить и учесть все общие феномены привела к открытию отношения между временем и гравитацией. Эйнштейн назвал свою новую теорию Общей теорией относительности.
Ньютон считал, что поток времени похож на стрелу. Оно непоколебимо движется только в одну сторону — вперед. Эйнштейн предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. И благодаря своей текучести, подобно пространству, оно «заслуживало» собственного измерения. Более того, Эйнштейн утверждал, что пространство и время представляют собой единое целое — гибкую четырехмерную ткань, на которой происходят все события Вселенной. Он так и назвал это — ткань пространства-времени. Когда физик опубликовал свою работу со всеми ее выводами, ее встретили с недоверием.
Согласно Общей теории относительности, вещество растягивает и сжимает ткань пространства-времени. Получается, что объекты не притягиваются к центру Земли каким-то таинственным образом, а скорее, наоборот, подталкиваются искривленным пространством вокруг себя. Подобно склону, искривление пространства-времени ускоряет объекты, движущиеся вниз, хотя степень этого ускорения не всегда одинакова. Сила гравитации возрастает с приближением к поверхности Земли, где искривление интенсивнее.
История Вселенной на стреле времени / © NASA/GSFC
Если сила гравитации возрастает при движении вниз, объект свободно упадет в точку Б на поверхности быстрее, чем в точку А на большей высоте. Согласно Специальной теории относительности, время для свободно падающего объекта в точке Б должно идти медленнее относительно объекта в точке А из-за того, что скорость объекта в точке Б выше.
Что такое время
Какое время верное? Эйнштейн постулировал, что абсолютного времени нет. Время относительно в зависимости от системы сил, которым оно подвергается. Формально это называется системой отсчета. Время, протекающее в рамках вашей системы, называется собственным временем. Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться. То есть чем быстрее вы движетесь, тем медленнее ваши часы тикают относительно других часов. Именно об этом героиня Энн Хэтэуэй говорила персонажу Мэтью МакКонахи в «Интерстелларе» после спуска на далекую планету: «Один час на этой планете равен семи земным годам».
Итак, является ли наблюдение замедленного времени ограничением нашего примитивного неврологического строения или же время действительно замедляется? И что вообще означает замедление времени? В итоге это приводит нас к вопросу: что есть время? Это не просто вопрос, который задают друг другу студенты философского факультета за бокалом пива. Понятие времени озадачивало натурфилософов и физиков с незапамятных времен.
Главная функция времени — отслеживание хронологии событий. Однако вплоть до последних 400 лет люди определяли время, основываясь на предположении, что звезды движутся вокруг Земли, а не наоборот. Несмотря на это, все работало до определенной степени приемлемо — из-за того, что дни и времена года предсказуемо повторялись, а когда у вас есть что-то предсказуемо повторяющееся, то есть и механизм для отслеживания времени.
Галилео использовал рекурсивную природу такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможным без какого-либо обозначения времени. Но это время никогда не было абсолютным. Даже когда Ньютон формулировал свои законы движения, он использовал понятие времени, в котором две пары часов тикают синхронно не с абсолютным, независимым временем, а друг с другом. Синхронизация — причина, по которой человечество соорудило такие сложные и точные атомные часы.
Понятие времени построено на одновременности или решающем совпадении двух событий — вроде прибытия поезда и уникального совпадения стрелок часов в этот момент. Теория Эйнштейна утверждает, что на это должно влиять движение. Если два наблюдателя на платформе и поезд не могут прийти к единому мнению о том, что одновременно, они не могут прийти к согласию о том, как течет само время.
Движение искажает время
Чтобы понять влияние движения на предсказуемость, рассмотрим простейший механизм для отсчета времени. Представьте себе аппарат для отслеживания времени, состоящий из фотона, который отражается между двумя зеркалами, расположенными на конечном расстоянии друг от друга. Пусть за период отражения фотона проходит одна секунда. Теперь расположим два таких аппарата в точках А и Б над поверхностью Земли и прямо на ней (как в примере, описанном выше) и посмотрим, как они отсчитывают время, когда мимо них проносится свободно падающий объект. В свою очередь, этот объект измеряет собственное время при помощи таких же часов. Что они покажут?
Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами похоже на наблюдение теннисного мяча, прыгающего по движущемуся поезду. Даже если мяч отскакивает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя снаружи он описывает треугольники.
Эксперимент с падающими часами / © Science ABC
При движении аппарата вперед кажется, что фотон, подобно мячу, преодолевает большее расстояние после отражения. Получается, один результат нашего эксперимента искажен! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем больше фотону нужно времени для отражения, тем самым растягивается и длительность секунды. Именно поэтому ход времени в точке Б оказывается медленнее, чем в точке А (вспомним: из-за гравитации объект падает в точке Б быстрее, чем в точке А).
Конечно, эта разница ничтожна. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, — всего несколько наносекунд. Тем не менее открытие Эйнштейна стало настоящим прорывом. Гравитация действительно мешает ходу времени, а значит, чем массивнее объект, тем медленнее время течет вблизи него. Некоторые физики даже делают оговорку о том, что все объекты во Вселенной будто чувствуют это и стараются падать туда, где время идет медленнее, из мест, где время идет быстрее.
Гравитационное поле Земли и GPS-спутник / © NASA
Ноги моложе головы
Сегодня гравитационное замедление времени не только известный феномен из области теоретической физики, но и практический инструмент. Благодаря открытию Эйнштейна и его уравнениям, у нас есть такая замечательная вещь, как GPS-навигация, которая не смогла бы работать так точно, если бы не была учтена разница между ходом времени на поверхности Земли и ходом времени на околоземной орбите. Гравитационное замедление времени также помогает физикам-теоретикам и астрофизикам строить точные теории о том, что происходит в далеком космосе вблизи объектов, к которым мы пока не можем подобраться физически (например, черные дыры и нейтронные звезды). И да, учитывая этот феномен, получается, что ваши ноги — пусть и бесконечно незначительно — младше вашей головы.
Мне кажется что фотон на верхних зеркалах будет меньше раз отскакивать из-за того, что зеркала летят быстрее и фотону дольше догонять зеркало которое от него улетает. Если зеркало разогнать до скорости фотона, то он вообще в него не ударит. Но значит ли это что время для объекта остановилось? Или может способ измерения времени примитивен?
То то я смотрю, что ноги у меня какие то молодые
Вы насобирали информацию о квантовой механике и выдаете ее просто мусором, извините, пожалуйста. Прочитайте литературу хотя бы об этом. а потом делаете выводы. Могу подсказать, с чего начать читать.
Что заставляет тела падать в воронки в пространстве-времени?
В комментариях к моей статье «почему гравитация не сила» в блоге однажды прозвучал очень интересный вопрос о причине появления гравитации. Давайте обсудим его.
Мы выяснили, что по одной из теорий, которую активно отстаивал Эйнштейн, гравитация не является силой поскольку представляет собой следствие падения объекта в искажение пространства.
Сразу вспоминается лунка параболической формы на ровной поверхности и, например, мяч для гольфа. Очевидно, что мяч для гольфа скатится в такую лунку. Вот только сделает он это благодаря тому, что на Земле работает гравитация. Как быть с лункой в пространстве, которая и порождает гравитацию?
В своём вопросе комментатор размышляет как же тогда объекты проваливаются в искажения пространства, если нет ни гравитации, ни какой другой силы, подталкивающей объекты в эти неровности?
Про основы теории относительности
Начать размышления тут стоит, собственно говоря, с основ теории относительности.
Если два поезда едут с одинаковыми скоростями друг относительно друга, то и пассажиры, глядя в окно, будут видеть неподвижные поезда. Отправьте такие поезда в темный тоннель, чтобы не было видно движения относительно поверхности планеты, и сказать про перемещение в пространстве будет невозможно. Значит, самое важное здесь относительно какого объекта мы оцениваем движение.
Эти размышления неизбежно приводят к интересной мысли. Вероятно все тела в пространстве на самом деле постоянно перемещаются. Только мы не ощущаем этого движения. Вот сидишь за компьютером на стуле, а на самом деле перемещаешься. Зато относительно Земли и стола ты неподвижен!
Согласно теории перемещающиеся (читай как «все») тела имеют некоторую энергию-массу, описываемую известной формулой.
Энергия вызывает искажения пространства-времени, причём чем больше масса тела, тем больше искажается пространство вокруг него при его движении. Само пространство уместно рассматривать как некоторые направляющие для движения или рельсы, поэтому когда более массивное тело уже исказило пространство, то менее массивное устремится за ним по этим рельсам. Так и появляется гравитация, пропорциональная массам и не являющаяся силой.
Воронка да, но что подталкивает туда тело?
Вот только на главный вопрос мы не ответили. Боюсь, что пока уместно говорить об этом не совсем научно. Просто вот так вот всё вокруг работает :)!
Сам Эйнштейн, как я понял из изученных материалов, не дал ответа на вопрос «почему».
Он отметил, что пространство-время деформируется под действием энергии-массы. Это приводит к изменению траектории движения постоянно перемещающихся тел (а мы помним, что это всё тела).
Хотя и правильнее будет сказать, что мы так воспринимаем искажение пространства-времени, так как не способны нанести четвертое измерение ни на одну координатную плоскость.
Сама же природа постоянного движения пока, как я понял, остаётся за гранью объяснения. Это примерно как про движение частиц, о котором мы говорили в одной из статей. Только там хотя бы можно было оправдать движение тем, что частица уже появляется движущейся как и планета в космосе рождается уже вращающейся.
Касательно же пространства мы просто принимаем как факт движение всего и вся. Мы все как будто бесконечно едем на поезде непонятно куда и даже сложно сказать зачем.
Соответственно, ответ на поставленный вопрос про то, какая именно сила подталкивает тело для того, чтобы оно падало в воронку в пространстве, упирается в базовое понимание Эйнштейновской теории. Это сводится к работе с постоянным неизбежным движением любых тел и искажениями, которые направляют менее массивные тела за более массивными.
При этом пространство становится этакими рельсами, а искажения прекрасно иллюстрирует поведение света в пространстве.
Ну и не забывайте подписываться на телегу проекта, если вам нравятся мои заметки.
Подборка новостей науки за неделю: Шнобелевская премия, очередное подтверждение ОТО и двойник чёрной дыры
🦈 Каждую неделю мы собираем самые интересные, на наш взгляд, новости из мира науки. И в этом выпуске: Почему акулы водят хороводы; где прячется голографический двойник чёрной дыры; чувствителен ли жир; как ещё можно подтвердить теорию относительности и за какие достижения вручали Шнобелевскую премию?
(все ссылки на пруфы и исследования под роликом на ютубе. Короткая текстовая версия ниже)
Содержание ролика:
00:19 Учёные открыли тайну акульих хороводов
01:24 Фотонные кольца могут содержать квантовую информацию о чёрных дырах
03:32 Мозг и жир контактируют напрямую
05:35 Один из принципов теории относительности подтвержден с высочайшей точностью
07:29 За что вручали Шнобелевскую премию
Учёные открыли тайну акульих хороводов
Учёные наконец смогли изучить при помощи дронов загадочные хороводы гигантских акул. Известно, что эти рыбы могут собираться в ритуальные хороводы размером от 13 до более 1000 особей, но подробно изучить их поведение внутри круга не получалось. Но теперь мы знаем, что это — брачилище. Я только что придумал это слово по аналогии с лежбищем, его даже гугл не знает. Да, акулы устраивают хоровод в августе-сентябре в регионах, богатых планктоном, для того, чтобы найти себе пару. Правда планктон они во время хоровода не поглощали, просто плавали на глубине до 16 метров, иногда попарно сближаясь, трогая друг друга плавниками и плывя какое-то время вместе, а затем переходя к другому партнёру. В самом хороводе акулы не спаривались, но это очень напоминало speed-dating, так что учёные уверены, что после случалось всё то, что должно. Ну а области хороводовождения нужно бы, конечно, ограждать от промысла и судоходства.
Фотонные кольца могут содержать квантовую информацию о чёрных дырах
Вы помните фотографии теней черных дыр? На фотографии (в видео) сверхмассивной чёрной дыры Мессье 87 мы видим именно тень, она внутри светящейся области. Горизонт событий черной дыры еще примерно раза в два с половиной меньше по размеру, и, естественно, мы его не видим, потому что свет, проходящий по кромке черной дыры, через горизонт событий, не попадает в наши телескопы, у него совсем иная траектория, очень искривленная. Но вокруг горизонта событий находится фотонное кольцо, ловушка, в которую попадают редкие фотоны, обречённые чуть ли не вечно вращаться вокруг чёрной дыры. На компьютерной симуляции кольца, видно, что оно состоит из ряда субколец. Эти кольца — ряд вложенных друг в друга изображений Вселенной. Каждой кольцо формируется потоками фотонов, которые совершили некоторое количество полуоборотов или оборотов вокруг черной дыры. Чем ближе к дыре, тем кольца тусклее. Пока мы делаем снимки при помощи телескопа горизонта событий, разглядеть их нельзя, хотя изображения первого из них можно получить, отправив телескоп на земную орбиту.
Кольца могут многое рассказать о массе, размерах и вращении черной дыры. Но ещё интереснее то, что симметрия концентрических колец может помочь в поисках голографического двойника чёрной дыры. Голографический двойник это квантовая система, в которой содержится вся информация о чёрной дыре.
Существует мнение, что такой голографический двойник может помочь совместить квантовую теорию и теорию относительности, приблизив нас к созданию теории всего. Изучая симметрию фотонных колец, учёные открыли конформность этой симметрии. Кольца как бы переходят друг в друга посредством растяжения. Ещё учёные выяснили, что колебания чёрной дыры находят отражения и в фотонных кольцах, те хранят эту информацию.
И тогда учёные пришли к выводу, что голографический двойник чёрной дыры может находиться как раз в этих кольцах. Не обязательно он там находится, разумеется, есть и противники этой теории, но может. Если это так, и в фотонных кольцах содержится квантовая информация о чёрной дыре, то для нас это как видеокамера, обращённая в прошлое, плюс голограмма чёрной дыры одновременно. Впереди много проверок и тестов, но оно стоит того.
Мозг и жир контактируют напрямую
Учитывая, что проблема лишнего веса касается всё большей доли людей, исследования жировой ткани и её роли в организме не прекращаются. Недавняя работа пролила чуть больше света на сенсорную иннервацию в жировой ткани.
У млекопитающих жировая ткань пронизана чувствительными нервами. Симпатическая нервная система регулирует метаболизм и выработку тепла жиром. А с помощью сенсорной системы жировые клетки передают сенсорные сигналы в центральную нервную систему через спинной мозг. Однако, как показали ранние эксперименты, дезактивация сенсорных нервов не приводила к каким-либо явным изменениям, так что смысл этой иннервации был для учёных не очень ясен.
Но и методы, которыми проводили прежние эксперименты, были так сказать устаревшими. То ли дело день сегодняшний, продвинутый. Сейчас лабораторную мышь можно сделать практически прозрачной, а соматосенсорные нейроны снабдить флуоресцентными метками.
В рамках эксперимента это сделали с одним ответвлением соматосенсорной нервной системы, ведущим к жировой ткани и исходящим от нервного узла, прилегающего к спинному мозгу. И эти нервы оказались перед нами как на ладони. Это вы и видите на экране. Исследования этой модели дали следующие результаты. Во-первых, видно, что это достаточно разветвлённая сеть. Во-вторых, если её инактивировать, выключить, то в жире активизируются гены, приводящие к распаду жиров и выработке тепла.
Выходит, что невыключенные работоспособные сенсорные нервы приводят наоборот к накоплению жира. Интересно, можно ли это как-то использовать в борьбе с ожирением.
В-третьих, выяснилось, что жировая ткань таки общается с мозгом. Разумеется, делает она это быстрее, чем более исследованная в этом плане гормональная система. Пока что непонятно, для чего нужна такая скорость для жира, возможно для очень быстрых сигналов сжечь топливо. В итоге, даже новый метод исследования не заставил сенсорную нервную систему в жировой ткани сдать свои позиции таинственности, но, думаю, это ненадолго.
Один из принципов теории относительности подтвержден с высочайшей точностью
Кажется, бесконечно можно смотреть на текущую воду, танцующее пламя и на то, как подтверждают общую теорию относительности.
Команда учёных представила результаты наиточнейшей на настоящее время проверки слабого принципа эквивалентности или по сути равенства гравитационной и инертной масс. Эта проверка накладывает ограничения на любые последующие теории, даже теорию всего, поскольку они не должны будут нарушать это равенство.
Вспомните, теория Эйнштейна, работающая с гравитацией, пространством и временем, не учитывала квантовые эффекты. Поэтому важно искать экспериментальные отклонения от теории на всё увеличивающихся уровнях точности. Ведь так мы сможем заметить взаимодействия сил, указывающие на возможность объединения теории гравитации и квантовой физики. Сколько уже можно об этом говорить. Так вот, слабый принцип эквивалентности говорит, что тела в гравитационном поле падают одинаково, независимо от их массы, если на них не действуют другие силы вроде сопротивления воздуха. Все слышали про Галилео, который сбрасывал предметы с Пизанской башни. Скорее всего, это просто легенда, и эксперимент ставился иначе. Но мы точно знаем, что новый эксперимент ставился на орбите при помощи спутника MICROSCOPE.
Внутри него находились титановый и платиновый цилиндры, в сущности подвергающиеся свободному падению в течение двух лет. Ускорение этих предметов измерялось с экстремально высокой точностью. Приборы могли засечь различие всего в одну квадриллионную при помощи электростатических сил. Но не засекли.
Разницы в движении объектов не было. Нарушения равенства гравитационной и инертной масс с точностью до квадрилионных долей не обнаружено, а это гораздо точнее, чем можно было бы добиться на Земле. Скорее всего нарушений не будет обнаружено и в следующий десяток лет, пока не выведут на орбиту MICROSCOPE-2, аппарат, который сможет добавить ещё два порядка к текущей точности и попытаться обнаружить расхождения.
За что вручали Шнобелевскую премию
Шнобелевская премия вручалась уже 32 раза. Напомню, что её вручают за открытия, которые заставляют сначала засмеяться, а потом задуматься. Лауреатам по-прежнему вручают денежный приз в размере 10 триллионов зимбабвийских долларов, поздравления они принимают от нобелевских лауреатов, всё вокруг напоминают атмосферу маскарадного артхауса, мюзикла, Теории большого взрыва вместе взятых, и вообще, это крутое научное шоу. Итак, какие открытия были отмечены в этом году.
Премия в области искусства была вручена за работу, опубликованную ещё в 1986 году. Она посвящена исследованию того, как древние майа ставили ритуальные клизмы. Спиртовые. Об этом говорит их керамика. Исследователи зашли очень далеко, опробовав этот метод на себе с 5% алкоголем. Но не так далеко, чтобы опробовать клизмы с грибами и табаком.
Премия в области литературы досталась за открытие того, почему юридические документы настолько зубодробительны для неюристов. Все эти необязательные жуткие, устаревшие конструкции (особенно, если говорить об англосаксонском праве), пассивный залог, который должен быть избегаем, всё это скорее из-за психолингвистического фактора, чем из-за потребности в технической точности.
Премия в области физики присуждена за объяснение того, отчего утята уже в однодневном возрасте способны плыть гуськом в составе косячка. Выводок плавал в специальной метаболической камере, а экономия энергии в такой формации достигала 35%. Премия в области биологии была вручена за исследования сложностей жизни некоторых скорпионов, которые умеют отбрасывать хвост подобно ящерице. Т.к. в хвосте находятся не только ядовитое жало, но и часть пищеварительной системы, включая анус, то через несколько месяцев животное всё же погибает от жуткого запора. Но до этого живёт в целом неплохо, быстро бегает и даже может размножаться.
Премия в области медицины досталась за метод, позволяющий сократить побочный эффект от химио или радиотерапии. Если кушать мороженое во время терапии, то это заменяет традиционную местную криотерапию и позволяет не так сильно повреждать эпителиальные клетки кишечника и ротовой полости, что в ряде случаев приводит к неспособности принимать пищу.
Премия в области прикладной кардиологии ушла за за открытие того, что во время первой встречи людей, которые нравятся друг другу, их сердечные ритмы синхронизируются. Так что к синхронизации взглядов и движений можно добавить также и сердечную. Хороший маркер для слепых свиданий.
Премия в области физики выдана за попытку найти оптимальнейший способ использования пальцев для поворота ручек и крутилок. Оказывается, от диаметра крутилки зависит то, сколько пальцев лучше задействовать. Чем шире ручка, тем больше пальцев нужно. Промышленным дизайнерам на заметку.
Премия в области экономики отдана за математическое объяснение того, почему успех достаётся не более талантливым, а более удачливым людям. Персональные положительные характеристики, так воспетые бизнес-коучами, не позволят вам работать в 10000 больше других, а ваш айкью не будет 1000 и больше. Тем не менее состояние одних в миллиарды раз больше, чем у других, привычное дело. Секретный ингредиент этого — случайная удача оказаться в нужном месте в нужное время. Ага.
Премия в области техники безопасности нашла победителя, создавшего манекена лося для краш-тестов. Например, в мае в Швеции ежедневно происходят до 13 столкновений с крупными дикими животными. Анатомия настоящего лося использовалась для построения физически точного манекена, имеющего тот же центр тяжести, такие же хрупкие ноги, и точно так же влетающего в лобовое стекло по причине закручивания корпуса.
И наконец премия в области мира выдана за разработку алгоритма, подсказывающего сплетникам, когда стоит сказать правду, а когда солгать. Так-то сплетни это сильный социальный механизм обмена информацией об отсутствующих. Вопрос в том, честна эта информация. И здесь включается теория игр, рекомендующая в итоге быть честными, если есть идеальное совпадение намерений, и наоборот.
В 1916 году Эйнштейн обнародовал свою общую теорию относительности
По сути, он понял, что пространство намного больше, чем «пространство», в котором мы живем, и что время превосходит изобретенные нами часы. Скорее, предположил он, эти двое физически переплетены.
Общая теория относительности для самых маленьких
Спасибо комментаторам за уточнения!
Астроном, который предал Британию
К началу ХХ века мир, в общем, был понят и объяснён, а физика считалась чуть ли не умирающей наукой. Три закона великого Ньютона описали всё мироздание целиком, последующие учёные лишь наводили глянец, уточняя те или иные детали. И, разумеется, Великая Британия, самое могущественное государство земли, весьма гордилась своим выдающимся гением.
Исаак Ньютон (1642-1727)
И вдруг в 1916 году директор Кембриджской обсерватории Артур Эддингтон делает доклад, который не просто ставит ньютоновскую картину мира под сомнение, но и противопоставляет ей теорию какого-то Эйнштейна. Немца! Подданного империи, с которой Британия уже два года ведёт кровопролитную войну! А этот астрономишко, оказывается, через третьи страны ведёт переписку с врагом – и это в то время, когда верные долгу солдаты Его Величества Георга V тысячами гибнут в бою! К тому же, Эддингтон – квакер, стало быть, пацифист, отказывающийся умирать за родину. Да не шпион ли он вообще?! А если и не шпион, то уж точно выродок, потому что не может нормальный человек предпочесть истинно британскую стройность и красоту ньютоновских уравнений какой-то германской галиматье.
Артур Стэнли Эддингтон (1882-1974)
Эддингтона начинают травить, но неугомонный учёный не только не прекращает переписку с Эйнштейном, которую ведёт при посредничестве голландца де Ситтера, но и продолжает всячески популяризировать теорию относительности.
К счастью, к голосу Эддингтона прислушался королевский астроном Фрэнк Дайсон, употребивший всё своё влияние, чтобы доказать, что Артур – не изменник и дезертир, а талантливый учёный, способный принести на научном поприще куда больше пользы своей стране. Именно при поддержке Дайсона удалось организовать экспедицию в Экваториальную Африку, на остро Принсипи, для наблюдения за полным солнечным затмением 29 мая 1919 года.
Экспедиция должна была экспериментально поставить точку в споре между ньютоновской и эйнштейновской физикой: если звёзды, которые появятся на небе возле Солнца в момент затмения, окажутся на положенных им местах, то прав Ньютон – а если нет, значит, солнечная гравитация действительно способна отклонять свет, как это и предсказал Эйнштейн.
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
22 сентября фотопластины были проявлены, и появилась возможность сравнить их со снимками, сделанными в ночное время. Среднее отклонение составило 1,7 угловой секунды. Эйнштейн победил.
Свои нам Солнце приоткрыло тайны,
И Эддингтон явился не случайно
— написал он в шуточном стихотворении по случаю подтверждения своей теории.
Считавшаяся универсальной ньютоновская модель мироздания оказалась лишь частным случаем, и перед физикой открылись невиданные ранее горизонты.
Артур Эддингтон навсегда останется в истории науки не только как выдающийся астрофизик, но и как человек, поставивший научную истину выше национальных предрассудков и ложного патриотизма.
Теория относительности | Лекции по физике – физик Кирилл Половников | Научпоп
Сколько существует теорий относительности? Чем они отличаются и что описывают? Что такое теория инвариантности? Почему, согласно теории относительности, гравитации нет? Что представляет собой замедление времени и что такое парадокс близнецов? Об этом и многом другом — в лекции по физике от Кирилла Половникова, физика, кандидата физико-математических наук, стипендиата фонда «Династия».
14 марта 1879 г. — День рождения Альберта Энштейна
Новость №1354: Американцы разработают портативные атомные часы
Астрофизик Сергей Попов о космическом вкладе русских ученых
Кто из российских ученых-астрофизиков самый известный в мире, а о ком мы не знаем ничего? Почему такое открытие, как «кольцо Эйнштейна» на деле заслуга не только Эйнштейна? И, наконец, сколько раз должна быть процитирована научная статья, чтобы стать по-настоящему знаменитой?
В новом «Толке» популяризатор науки и астрофизик Сергей Попов расскажет про самые значимые космические открытия ученых из России, которыми по праву стоит гордиться. Например, вы знали, что магнитары были открыты в Советском Союзе? А современная модель Вселенной родилась в Петрограде начала 1920-х? Поверьте, это далеко не все.
00:27 — Классификация заслуг в науке
01:10 — №1 космическое открытие: открытие магнитаров
03:17 — №2 космическое открытие: фотография черной дыры
04:43 — №3 космическое открытие: лазерные интерферометры для регистрации гравитационных волн
05:46 — №4 космическое открытие: Вселенная Фридмана
07:15 — №5 космическое открытие: кольцо Хвольсона-Эйнштейна
08:51 — №6 космическое открытие: модель аккреционных дисков Шакуры и Сюняева
10:56 — №7 космическое открытие: Байкальский нейтринный детектор
12:55 — Какая главная трудность современной науки?
Время в чёрной дыре
Что такое световые конусы? В чём разница между временем и пространством? Почему время и пространство меняются ролями внутри чёрной дыры? Что такое диаграмма Пенроуза? В видео от ScienceClic в моей озвучке.
Черные дыры могут иметь «волосы». Эйнштейн не прав?
Недавно проведенное исследование американских физиков об экстремальных черных дырах может опровергнуть знаменитую теорему об отсутствии волос.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры обладают только тремя наблюдаемыми свойствами: массой, спином (момент импульса) и зарядом. Дополнительных характеристик, или, как называют их физики, «волос», не существует.
Чтобы объяснить идею, представим однояйцевых близнецов. Они имеют одинаковый генотип, это генетические копии, но даже такие близнецы будут различаться множеством вещей: от темперамента до прически. Черные дыры, согласно теории гравитации Альберта Эйнштейна, могут иметь всего три характеристики: массу, спин и заряд. Если эти значения одинаковы для любых двух черных дыр, то они идентичны, будет невозможно отличить одну от другой. У черных дыр нет волос.
«Согласно классической общей теории относительности, такие черные дыры были бы абсолютно идентичны», — отмечает Пол Чеслер, физик-теоретик из Гарвардского университета.
Однако ученые задаются вопросом, верна ли теорема об отсутствии волос. В 2012 году математик Стефанос Аретакис, работавший тогда в Кембриджском университете, а теперь в Университете Торонто, предположил, что некоторые черные дыры могут иметь нестабильности (instabilities) на горизонте событий.
Нестабильности придали бы одним участкам горизонта черной дыры более сильное гравитационное притяжение, чем другим. Получается, что в таком случае даже идентичные черные дыры будут различимыми.
Однако уравнения Аретакиса показали, что это возможно только для так называемых экстремальных черных дыр — тех, которые имеют максимально возможное значение для массы, спина или заряда. И, по словам Чеслера, такие черные дыры не могут существовать в природе.
Но допустим, что есть почти экстремальная черная дыра, которая приближается к максимальным значениям, но не достигает их. Такая черная дыра может существовать, по крайней мере, теоретически. Опровергнет ли это теорему об отсутствии волос?
В докладе, опубликованном в конце января, показано, что это возможно.
Более того, земные детекторы гравитационных волн могут уловить такие волосы.
«Аретакис предположил, что существует некоторая информация, которая остается на горизонте событий», — прокомментировал Гаурав Ханна, физик из Массачусетского университета и Университета Род-Айленда, один из соавторов исследования.
Ученые предполагают, что свидетельства образования черной дыры или более поздних возмущений горизонта событий (например, падение вещества в черную дыру) могут создавать гравитационную нестабильность на горизонте событий почти экстремальной черной дыры или рядом с ним.
«Мы предполагаем, что гравитационный сигнал, который мы обнаружим, будет сильно отличаться от обычных черных дыр, которые не являются экстремальными», — говорит Ханна.
Если у черных дыр есть волосы, значит сохраняется некоторая информация об их прошлом, — это затронет и знаменитый информационный парадокс черных дыр, который сформулирован Стивеном Хокингом, как отмечает Лия Медейрос, астрофизик из Института перспективных исследований в Принстоне.
Этот парадокс обнажает фундаментальный конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой, двумя столпами физики XX века.
Если опровергнем одно из условий информационного парадокса, мы сможем решить сам парадокс. Одно из условий — это теорема об отсутствии волос.
Последствия этого открытия будут значительным. «Если мы сможем доказать, что реальное пространство-время черной дыры за пределами черной дыры отличается от того, что мы ожидаем увидеть, тогда, я думаю, это будет иметь действительно огромное значение для общей теории относительности», — сказала Медейрос, соавтор октябрьского доклада, который посвящен тому, соответствует ли наблюдаемая геометрия черных дыр предположениям.
Однако, пожалуй, самым захватывающим моментом исследования является то, что оно открывает путь, как объединить наблюдения за черными дырами и фундаментальную физику. Обнаружение волос на черных дырах, пожалуй, на самых экстремальных астрофизических лабораториях во Вселенной, может позволить исследовать такие идеи, как теория струн и квантовая гравитация, таким способом, каким раньше это было невозможно.
«Одна из больших проблем с теорией струн и квантовой гравитацией заключается в том, что эти предположения сложно проверить, — утверждает Медейрос, — так что, если у нас есть что-то, что можно проверить даже удаленно, это просто потрясающе».
Однако встречаются и серьезные препятствия. Нет уверенности в существовании почти экстремальных черных дыр. По словам Чеслера, в лучших моделях на данный момент обычно образуются черные дыры, которые на 30% отличаются от экстремальных значений. И даже если почти экстремальные дыры существуют, не совсем понятно, достаточно ли чувствительны детекторы гравитационных волн для определения нестабильности по волосам.
Более того, предполагается, что волосы крайне скоротечны, они длятся доли секунды.
Но сам доклад выглядит основательным. «Я не думаю, что кто-то в сообществе сомневается в этом», — сказал Чеслер.
Следующий этап — посмотреть, какие сигналы мы будем обнаруживать с помощью детекторов гравитационных волн: сейчас мы работаем с LIGO и Virgo, но запускается новые инструменты, например, LISA, совместный эксперимент Европейского космического агентства и НАСА по исследованию гравитационных волн.
«Теперь следует опираться на их работу и действительно вычислить, какой будет частота гравитационного излучения. Важно понять, как мы можем измерить и идентифицировать его», — отмечает Хельви Витек, астрофизик из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн.
Хотя шансы обнаружить волосы не так велики, такое открытие поставит под сомнение общую теорию относительности Эйнштейна и докажет существование почти экстремальных черных дыр.
«Мы хотели бы знать, позволяет ли природа существовать такому зверю», — говорит Ханна.
Автор: Jonathan O’Callaghan
Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие
Четырнадцатого марта 1879 года в городе Ульм родился человек, впоследствии перевернувший научный мир с ног на голову. Его работы лежат в основе понимания Вселенной — в частности, гравитации. В чем же вся гениальность трудов Альберта Эйнштейна и каково их место в XXI веке?
Когда юный Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности в 1915 году, вряд ли кто-то мог предположить, какое влияние она окажет на науку. Относительность изменила наше понимание Вселенной и предоставила новые способы изучения фундаментальной физики, которым подчиняется окружающий мир.
Несмотря на всю важность принципа относительности, с ней не все так просто, как хотелось бы. И пусть кому-то может показаться, что эта теория слишком абстрактна и оторвана от реальности, на самом деле она напрямую связана с нашим существованием на фундаментальном уровне. Она позволила изучить и исследовать космос, а на Земле она стоит за технологиями, связанными со множеством открытий: от GPS до ядерной энергии, от смартфонов до ускорителей частиц — множество инноваций, которые мы принимаем как должное, уходят корнями в теорию Эйнштейна.
Как работает относительность
Прежде всего стоит отметить, что Общая теория относительности состоит из двух отдельных теорий. Первая — Специальная теория относительности — опубликована в 1905 году и была принята научным сообществом со смешанными чувствами. В чем причина такой реакции? Дело в том, что Специальная теория относительности перевернула большую часть того, что — как казалось ученым — было известно о мире.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор во время Сольвеевского конгресса 1930 года / © Danish Film Institute/Paul Ehrenfest
До публикации Эйнштейном своего научного откровения было принято считать, что время всегда и везде протекает с одинаковой скоростью. Вне зависимости от скорости движения объекта природа секунд, минут и часов считалась неизменной. Однако Эйнштейн считал, что время на самом деле непостоянно и изменяется в зависимости от того, насколько быстро движется объект.
Великий ученый утверждал, что настоящая неизменная величина — константа — это скорость света. Свет движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме, тогда как время течет по-разному — в зависимости от скорости, с которой объект движется через пространство. Для объектов, движущихся очень быстро, время замедляется.
Это откровение пошатнуло основы физики, но на этом все не закончилось. Спустя всего десять лет гениальный нонконформист из бернского патентного бюро дополнил теорию новой деталью — на этот раз речь шла о гравитации.
Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене, 1921 год / © Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons
Гравитация как кривизна пространства-времени
Настоящим украшением идей Эйнштейна стала Общая теория относительности. Она отвечала на многовековой вопрос: как именно работает гравитация?
Когда в середине XVII века, как гласит популярная легенда, Исааку Ньютону на голову упало яблоко, родилась революционная теория гравитации. Ньютон определил, что гравитация существует, и постулировал ее воздействие, но не мог наверняка сказать, каковы ее истоки.
Ответ был найден спустя почти три века посредством Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он считал, что, так как пространство и время «текучи» и изменчивы, их могут искривлять массивные объекты.
Представьте шар для боулинга посередине натянутого батута. Поскольку он тяжелый, то искривляет ткань, стягивая таким образом все объекты, находящиеся у краев батута, к центру. Гравитация работает похожим образом. Массивные объекты вроде Земли искривляют ткань пространства и времени, притягивая к себе материю, а также время и свет.
Три нобелевских лауреата по физике. Слева направо: Альберт Майкельсон, Альберт Эйнштейн, Роберт А. Милликан / © Smithsonian Institution Libraries/Wikimedia Commons
Доказательства относительности
Как и многие другие теории, относительность непросто доказать окончательно. Но все собранные более чем за 100 лет данные указывают на абсолютную правоту Эйнштейна в этом вопросе. Часы, установленные на небоскребах, отмеряют время несколько быстрее, чем часы, установленные у их оснований, так как первые находятся дальше от центра Земли, а значит, и пространство-время на такой высоте искривлено меньше.
Иногда на снимках далекого космоса, таких как Hubble Ultra-Deep Field, можно видеть некоторые объекты, которые выглядят искаженными и увеличенными на фоне галактических скоплений: это феномен гравитационного линзирования. Масса таких объектов искривляет пространство-время, из-за чего изображение получается искаженным.
Однако, пожалуй, самым значимым доказательством Общей теории относительности стало событие, о котором было объявлено в 2016 году — спустя более чем 100 лет после публикации работы. Этим доказательством стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Они были зарегистрированы посредством детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Ливингстоне и Хэгнфорде, разработкой которых с 1992 года занимался физик-теоретик Кип Торн.
Если пространство и время — это ткань, напоминающая поверхность батута, то такие масштабные и массивные события, как слияния черных дыр, будут создавать на ней рябь. Если теория Эйнштейна верна, то мы должны быть способны зарегистрировать эти волны, но до недавнего времени это было только теорией без экспериментальных доказательств.
В начале 2016 года ученые объявили, что применили детектор LIGO для регистрации гравитационных волн, точно определив субатомные расширения и сокращения, проходящие через пространство-время.
LIGO напоминает невероятно мощную линейку: он направляет лазерный луч между двумя зеркалами, расположенными в четырех километрах друг от друга, затем пускается лазерный луч и измеряется время, за которое лазер проходит этот путь. Из-за гравитационных волн все смещается, и если лазерный луч перестает двигаться синхронно, то для ученых это знак, что его путь пересекла гравитационная волна и вызвала субатомное смещение зеркала. Регистрацию гравитационных волн можно назвать самым главным преимуществом теории Эйнштейна. Помимо этого, относительность была применена для постулирования Большого взрыва и расширения Вселенной.
Стол Альберта Эйнштейна в его кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. Именно таким его оставил гениальный ученый перед своей смертью в апреле 1955 года / © Ralph Morse-Time & Life Pictures/Getty Images
Наследие Эйнштейна и будущее науки
Относительность помогла нам предположить, что Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Эта же теория помогла разработать ускорители частиц, в которых электроны, протоны и другие элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к световой.
Теория относительности сделала для науки и нашего понимания устройства мира неописуемо много. А теперь, когда есть возможность регистрировать гравитационные волны, мы можем заглянуть еще глубже в устройство Вселенной, изучить такие объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, опираясь на беспрецедентно точные предсказания теории.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Но самое великое наследие ученого заключается не в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи ученых, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.
Фундаментально ли время во Вселенной
Человеческая жизнь неразрывно связана со временем. Мы привыкли измерять ход процессов при помощи него — к тому же это необходимо для нашего выживания. Но служит ли этот феномен фундаментальным свойством реальности или время эмерджентно?
Теоретическая физика не одно десятилетие пытается объединить квантовую механику и Общую теорию относительности в одну теорию квантовой гравитации. Но одно из главных препятствий — так называемая проблема времени.
В квантовой механике время универсально и абсолютно: его постоянный ход диктует запутывание между частицами. В то же время в Общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна — время относительно и динамично, оно представляет собой измерение, неразрывно переплетенное с пространственными измерениями, формируя таким образом четырехмерную ткань пространства-времени. Эта ткань искривляется, когда на ней находится вещество, из-за чего все, что находится вокруг него, — если оно обладает большей массой — начинает падать по направлению к нему, замедляя течение времени относительно часов, находящихся вдалеке. Этого же эффекта можно достичь, если сесть в ракету и ускориться при помощи топлива: для вас время замедлится, вы будете стареть не так быстро, нежели ваши друзья и родные на Земле.
Объединение квантовой механики и Общей теории относительности требует примирения их абсолютного и относительного понимания времени. Постепенно исследования в области теоретической физики, похоже, подводят ученых к черте объединения, а также пониманию истинной природы времени.
Многие ведущие физики сегодня склоняются к тому, что пространство-время и гравитация — это эмерджентные феномены. Изгибающееся и искривляющееся пространство-время и вещество в нем — что-то сродни голограммы, происходящей из сети запутанных кубитов (квантовых битов информации), вроде трехмерной окружающей среды в видеоигре, которая запрограммирована в форме классических битов на кремниевом чипе. Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии сказал: «Думаю, сейчас мы понимаем, что пространство-время — по сути, всего лишь геометрическая репрезентация запутанной структуры этих фундаментальных квантовых систем».
Исследователи разработали математический аппарат, с помощью которого показали, как голограмма появляется в «игрушечных» вселенных с геометрией пространства-времени в виде «рыбьего глаза» — в антидеситтеровском пространстве. В этих искривленных мирах пространственные приращения все больше сокращаются по мере движения от центра. В конце концов пространственное измерение, простирающееся от центра, сжимается в ничто, доходя до своего предела. Наличие этого предела, который содержит на одно пространственное измерение меньше, чем внутреннее пространство-время, или «балк», помогает в вычислениях, предоставляя твердое основание, на котором можно моделировать запутанные кубиты, проецирующие голограмму внутри такой вселенной. Внутри балка, согласно моделям и вычислениям, время начинает сильно искривляться вместе с пространством.
Состояния кубитов развиваются в соответствии с универсальным временем, словно выполняя последовательности в компьютерном коде, при этом производя искривленное, релятивистское время в балке антидеситтеровского пространства. Единственное но — в нашей Вселенной все работает не совсем так.
Согласно моделям, запутанность постепенно создает пространство-время. Сначала друг с другом запутываются отдельные частицы, которые затем запутываются с другими запутанными парами. По мере запутывания все большего количества частиц возникает четырехмерная структура пространства-времени / © Olena Shmahalo/Quanta Magazine
Здесь ткань пространства-времени обладает деситтеровской геометрией, растягиваясь, когда вы смотрите вдаль. Ткань растягивается, пока Вселенная не упрется в предел, сильно отличающийся от того, что есть в антидеситтеровском пространстве, — и это будет конец времени. В тот момент, во время события, известного как тепловая смерть Вселенной, пространство-время растянется настолько сильно, что все в нем потеряет причинно-следственную связь друг с другом. Можно сказать, тогда время разрушится. Как только это случится, во Вселенной уже ничего не будет происходить.
На безвременной границе нашего пространственно-временного пузыря запутанности, связывающие между собой кубиты (и шифрующие динамическую внутренность Вселенной), предположительно, остались бы нетронутыми, так как эти квантовые соотношение не требуют передачи сигналов. Но в таком случае состояние кубитов должно быть статичным и безвременным. Такой ход рассуждений предполагает, что каким-то образом — как кубиты на границе антидеситтеровского пространства порождают внутреннюю область с одним дополнительным пространственным измерением — кубиты на безвременной границе деситтеровского пространства могут породить Вселенную со временем, в частности с динамическим. Ученые еще не выяснили, как именно проводить эти вычисления в деситтеровском пространстве, — четкого понимания о возникновении времени еще нет.
В 1980-х физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс обнаружили зацепку. Пейдж, работающий сегодня в Альбертском университете, и Вуттерс, работавший до 2017 года в Колледже Уильямса, обнаружили, что глобально статичная запутанная система может содержать в себе подсистему, которая развивается, с точки зрения наблюдателя, внутри нее. Такая система, известная как «историческое состояние», состоит из подсистемы, запутанной с тем, что можно назвать часами. Состояние подсистемы различается в зависимости от того, находятся ли часы в состоянии, при котором часовая стрелка указывает на единицу, двойку, тройку и так далее. Тем не менее общее состояние системы с часами не меняется, так как времени как такового нет. Это неизменное состояние. Другими словами, в глобальном смысле времени не существует, но в подсистеме возникает эффективное понятие времени для нее.
В 2013 году команда исследователей из Италии экспериментально продемонстрировала этот феномен. Подводя итоги своей работы, ученые сообщали: «Мы показываем, как статическое запутанное состояние двух фотонов можно рассматривать в качестве развивающегося с точки зрения наблюдателя, использующего один из двух фотонов как часы — для оценки временного развития другого фотона. Однако сторонний наблюдатель может показать, что глобально запутанное состояние не развивается».
Другая теоретическая работа, также проведенная в 2013 году исследователями из Калифорнийского технологического института (Калтех), привела к очень похожим выводам. Геометрические паттерны — вроде амплитуэдра, — описывающие результаты взаимодействий между частицами, также подразумевают, что реальность возникает из чего-то безвременного, абсолютно математического. Однако пока не ясно, как именно связаны амплитуэдр и голография.
Амплитуэдр в представлении художника – вновь открытый математический объект, похожий на многогранную жемчужину в высших измерениях / © Andy Gilmore
В книге «Порядок времени» (The Order of Time) физик Карло Ровелли тоже описывает время как эмерджентный феномен. По его словам, абсолютного понятия одновременности каких-либо двух событий не существует из-за ограничений физических законов. Например, даже смотря на какой-то объект, мы видим его не в тот момент, в который мы на него посмотрели, как минимум по двум причинам. Так, свету необходимо пройти какое-то расстояние от объекта до глаза, а затем зрительному сигналу нужно дойти до мозга, где он в итоге будет обработан, прежде чем мы «получим картинку». Ровелли утверждает, что время — не более чем результат приближений и упрощений, которые позволяют нам, людям, воспринимать реальность в соответствии с нашими ограничениями.
Время от времени появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагаются независимость от причинно-следственных связей, течение времени назад и множество других необычных феноменов. Возможно, время и впрямь может возникнуть из безвременных степеней свободы при помощи запутанности. Время покажет.