Важко уявити людину, яка б не знала про Альберта Ейнштейна. Фізик, геній, дивна зачіска — будь-який школяр згадає все це, почувши його ім’я. Втім, у науковому світі німецький вчений відомий видатними фізичними теоріями, зокрема загальною теорією відносності (ЗВТ). Вчора виповнилась річниця з дня її появи.
25 листопада 1915 року Ейнштейн презентував членам Королівської академії наук Пруссії рівняння, що стали серцем ЗТВ. Минуло більше століття, але теорія досі вважається одним з найвидатніших наукових досягнень людства. Чому? Розібратися в цьому Chas News допоміг Віталій Шевчук, вчитель фізики рівненського НВК «Колегіум» і популяризатор науки, чий освітній YouTube-канал «Цікава наука» наразі має більше 100 тис. підписників.
Що таке загальна теорія відносності і чому вона настільки важлива?
До Ейнштейна у фізиці домінувала теорія Ісаака Ньютона. Для науковців того часу закони Ньютона були чимось на кшталт «біблії», адже вони лягли в основу всієї механіки і чудово працювали. Наприкінці XIX століття деякі вчені навіть вважали, що в фізиці вже відкрито все, що можливо. Та потім в експериментах почали проявлятися певні неузгодження, які не могли пояснити тогочасними теоріями.
Класичний приклад: прецесія орбіти Меркурія. Ньютонівський закон всесвітнього тяжіння не міг дати вичерпне пояснення цього явища. Але не тому, що був хибним, а тому, що описував притягання небесних тіл без урахування ефектів, включених в загальну теорію відносності.
ЗТВ працює за будь-яких умов. Вона цілком і повністю узгоджується зі спостережуваним світом, в ній досі не знайдено ані відхилень, ані недоліків. Вона дозволила вченим пояснити це аномальне зміщення перигелію Меркурія.
У своїй теорії Ейнштейн представив низку рівнянь, над розв’язанням яких потім працював і він, і інші вчені. Розв’язавши їх, вдалося передбачити невідомі до цього явища. А коли теорія не просто пояснює те, що ми бачимо, а ще й дозволяє спрогнозувати речі, про які досі нічого не відомо, — це один з найважливіших показників її правильності.
ЗТВ замінила класичну (ньютонівську) механіку, а також дозволила усунути суперечності в електродинаміці. Ці класичні теорії були фундаментом багатьох галузей фізики. Завдяки Ейнштейну ми замінили цей фундамент міцнішим, більш загальним. Теорія відносності лежить в основі всієї сучасної фізики. Це і робить її такою важливою. Можливо, з часом будуть відкриті явища, які вона не зможе пояснити, і на її місце заступить точніша теорія. Втім, вона не скасує ЗТВ, а лише розширить межі своєї застосовності.
Які явища передбачила загальна теорія відносності?
Розв’язуючи рівняння, виведені Ейнштейном, вчені отримували різні передбачення. Наприклад, спрогнозували існування чорних дір, описали їхні властивості. Відхилення світла поблизу масивних тіл, як наше Сонце, — ще одне передбачення.
Річ у тім, що біля Сонця світло йде не по прямій, а ніби огинає його. Це відбувається через гравітаційний вплив зірки. Подібним чином траєкторія світла викривляється лінзою. Сьогодні астрономи використовують цей ефект, аби спостерігати космічні об’єкти, а в ролі гравітаційної лінзи виступають цілі галактики, або й навіть галактичні скупчення.
П’ять років тому вчені зареєстрували гравітаційні хвилі, також передбачені загальною теорією відносності. Це було непросте завдання. Уявіть рівну поверхню води, на яку кинули камінь, і по ній пішли хвилі. Вони переносять енергію, та чим далі розходяться, тим менше енергії може дійти до спостерігача, аж поки ці хвилі стають практично непомітними.
З гравітаційними хвилями відбувається дещо подібне. Це збурення простору-часу, що слабшають з відстанню. Аби зареєструвати їх, потрібна подія, яка б супроводжувалася надзвичайно потужним викидом енергії. Такою подією є злиття двох чорних дір або двох нейтронних зірок. Чорні діри є дуже масивними об’єктами, масу яких можна описати як енергію їхнього гравітаційного поля. Коли дві чорні діри зливаються в одну, помітна частина їхньої гравітаційної енергії за короткий час випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль. Хвиль, настільки потужних, що їх можна зареєструвати навіть на відстані у кілька мільярдів світлових років. При цьому маса новоутвореної чорної діри суттєво менша, ніж сума мас початкових дір перед злиттям.
Яке прикладне застосування загальної теорії відносності?
Часто фундаментальна наука не має очевидного застосування, або його знаходять через багато років. Утім, загальна теорія відносності покладена в основу роботи системи GPS. Більшість користувачів вважає, що супутники GPS повідомляють смартфону його місцезнаходження, але насправді це робить сам телефон (звісно, все далеко не так просто). Супутники GPS — це фактично дуже точні атомні годинники (хронометри), що випромінюють сигнали точного часу. На основі сигналів від кількох (мінімум чотирьох) супутників чіп GPS в телефоні розраховує, де саме в просторі та часі він перебуває.
Однак гравітація впливає на те, як швидко тече час. Ми знаходимось на поверхні планети, де гравітаційне поле сильніше, ніж на висоті, на якій рухаються GPS-супутники. З цієї причини для нас час плине повільніше, ніж для них. Тому щодоби годинник супутника поспішає на 37 мікросекунд відносно до наземних годинників. Це, здавалося б, мізерна різниця, але її треба враховувати. Інакше визначити точне місцезнаходження буде неможливо.
ЗТВ знайшла застосування і в ядерній енергетиці, бо виділення ядерної енергії прямо пов’язане з еквівалентністю маси та енергії спокою. До того ж, нагадаю, загальна теорія відносності лежить в основі всієї сучасної фізики. Тож прикладні застосування відкриттів, зроблених в тій чи іншій її галузі, опосередковано також є результатом застосування ЗТВ.
ЗТВ припускає можливість подорожей у часі. Як саме?
Здебільшого не так, як показують у кіно. Не можна просто сісти в якусь машину і опинитися в якій завгодно точці простору-часу. Загальною теорією відносності Ейнштейн надав простору-часу та гравітації геометричної інтерпретації. Згідно з нею, простір-час є 4-вимірним: три просторових координати і одна часова (точніше, добуток часу на швидкість світла у вакуумі). Час тече лише в один бік — у майбутнє. Однак темп плину часу може змінюватись, наприклад, біля масивних об’єктів, або ж для тіл, що рухаються дуже швидко відносно спостерігача.
Згадаємо фільм «Інтерстелар», де герої потрапляють на планету, розташовану близько від чорної діри. На ній час плинув суттєво повільніше, ніж на космічному кораблі, що залишився на більшій відстані від чорної діри. Астронавти перебували на цій планеті недовго (для їхньої системи відліку минули хвилини), та коли повернулися на корабель, з’ясували, що для члена екіпажу, який залишався на кораблі, минуло більше 20 років. Вони, так би мовити, перемістились у майбутнє астронавта, який залишався у набагато слабшому гравітаційному полі.
З такої точки зору подорожі в часі можливі. Але тільки в один кінець — у майбутнє. В минуле таким чином переміститися не вдасться.
Чи можливо спростувати ЗВТ?
Люди полюбляють теорії змови. Коли хтось розповідає про складні речі простими словами, це здається правильним. Однак природа не має бути простою. Та й вченим нема сенсу нічого приховувати. Навпаки, випробовуючи різні твердження, вони шукають істину.
І якщо вона не вписується в певну теорію, її вдосконалюють або шукають їй заміну. Вчений, якому вдасться спростувати теорію відносності, точно отримає Нобелівську премію.
Тож науковці можуть критикувати ЗТВ. Навіть сам Ейнштейн не поділяв деяких висновків, зроблених із неї. Однак я не зустрічав серйозних публікацій із намаганням заперечити теорію.
