Що таке теорія загальної відносності?

Одним із проявів загальної теорії відносності є гравітаційні хвилі, зображені тут як створені двома чорними дірами, що зіштовхуються. (Копирайт изображения: R. Hurt/Caltech-JPL)

Тут ми досліджуємо, що таке теорія загальної відносності і як вона впливає на простір-час.

Загальна теорія відносності – це розуміння фізиком Альбертом Ейнштейном того, як гравітація впливає на тканину простору-часу.

Теорія, яку Ейнштейн опублікував у 1915 році, розширила теорію спеціальної відносності, яку він опублікував за 10 років до того. Спеціальна теорія відносності стверджувала, що простір і час нерозривно пов’язані, але не визнавала існування гравітації.

Ейнштейн провів десятиліття між цими двома публікаціями, визначаючи, що особливо масивні об’єкти викривляють тканину простору-часу, і це викривлення проявляється як гравітація, згідно з даними НАСА.

ЯК ПРАЦЮЄ ЗАГАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ?

Щоб зрозуміти загальну теорію відносності, давайте почнемо з гравітації – сили притягання, яку два об’єкти чинять один на одного. Сер Ісаак Ньютон дав кількісне визначення гравітації в тому ж тексті, в якому він сформулював свої три закони руху, “Принципії”.

За даними Дослідницького центру NASA ім. Гленна, сила тяжіння між двома тілами залежить від того, наскільки масивним є кожне з них і як далеко одне від одного вони лежать. Навіть коли центр Землі тягне вас до себе (утримуючи вас на землі), ваш центр маси відштовхується від Землі. Але більш масивне тіло ледве відчуває цей поштовх, в той час як ви, з вашою набагато меншою масою, міцно стоїте на землі завдяки тій самій силі. Проте закони Ньютона припускають, що гравітація – це вроджена сила об’єкта, яка може діяти на відстані.

Альберт Ейнштейн у своїй теорії відносності визначив, що закони фізики однакові для всіх спостерігачів, які не прискорюються, і показав, що швидкість світла у вакуумі однакова незалежно від швидкості, з якою рухається спостерігач, повідомляє Wired.

В результаті він виявив, що простір і час переплетені в єдиний континуум, відомий як простір-час. І події, які відбуваються одночасно для одного спостерігача, можуть відбуватися в різний час для іншого.

Працюючи над рівняннями своєї загальної теорії відносності, Ейнштейн зрозумів, що масивні об’єкти спричиняють викривлення простору-часу. Уявіть собі, що в центр батута поклали великий об’єкт. Об’єкт втиснеться в тканину, спричиняючи вм’ятини. Якщо ви спробуєте прокотити мармур по краю батута, мармур закрутиться по спіралі всередину до тіла, притягуючись так само, як гравітація планети притягує каміння в космосі.

За десятиліття, що минули відтоді, як Ейнштейн опублікував свої теорії, вчені спостерігали незліченну кількість явищ, що відповідають передбаченням теорії відносності.

ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ З ВІДПОВІДЯМИ ЕКСПЕРТА

Ми поставили Олені Гіоргі, доцентці математики Колумбійського університету, кілька поширених запитань про загальну теорію відносності.

Що таке загальна теорія відносності?

Загальна теорія відносності – це фізична теорія про простір і час, яка має прекрасний математичний опис. Згідно із загальною теорією відносності, простір-час є 4-вимірним об’єктом, який підпорядковується рівнянню, що називається рівнянням Ейнштейна, яке пояснює, як матерія викривляє простір-час.

Яку силу пояснює загальна теорія відносності?

Загальна теорія відносності пояснює гравітацію, і в цій теорії вона більше не є “силою”. Гравітаційне поле випливає з опису загальної теорії відносності як результат викривлення простору-часу.

Коли була створена загальна теорія відносності?

Загальна теорія відносності була створена в 1915 році Альбертом Ейнштейном, а перші рішення рівняння Ейнштейна були знайдені вже на початку 1916 року.

Чи доведена загальна теорія відносності?

Загальна теорія відносності пройшла всі експериментальні випробування, але очікується, що її застосовність порушиться, коли ефекти квантової механіки (теорії дуже малих частинок) стануть домінуючими.

ГРАВІТАЦІЙНЕ ЛІНЗУВАННЯ

Світло огинає масивний об’єкт, такий як чорна діра, змушуючи його діяти як лінзу для того, що знаходиться за ним. Астрономи регулярно використовують цей метод для вивчення зірок і галактик за масивними об’єктами.

Хрест Ейнштейна, квазар у сузір’ї Пегаса, за даними Європейського космічного агентства (ЄКА), є чудовим прикладом гравітаційного лінзування. Квазар видно таким, яким він був близько 11 мільярдів років тому; галактика, за якою він знаходиться, приблизно в 10 разів ближча до Землі. Оскільки ці два об’єкти так точно вирівнюються, навколо галактики з’являються чотири зображення квазара, оскільки інтенсивна гравітація галактики викривляє світло, що йде від квазара.

У таких випадках, як хрест Ейнштейна, різні зображення гравітаційно лінзованого об’єкта з’являються одночасно, але так буває не завжди. Вченим також вдалося спостерігати приклади лінзування, коли світло, проходячи навколо лінзи, проходить різні шляхи різної довжини, і різні зображення з’являються в різний час, як у випадку з однією особливо цікавою надновою.

Хрест Ейнштейна – приклад гравітаційного лінзування. (Копирайт изображения: NASA та Європейське космічне агентство (ESA))

ЗМІНИ НА ОРБІТІ РТУТІ

За даними NASA, орбіта Меркурія з часом зміщується дуже поступово через викривлення простору-часу навколо масивного Сонця.

Як найближча до Сонця планета, перигелій Меркурія (точка вздовж його орбіти, яка є найближчою до Сонця), за прогнозами, з часом змінюватиметься в дещо іншому напрямку. Згідно з прогнозами Ньютона, гравітаційні сили в Сонячній системі повинні прискорювати прецесію Меркурія (зміну його орбітальної орієнтації), яка вимірюється в 5600 арксекунд на століття (1 арксекунда дорівнює 1/3600 градуса). Однак існує розбіжність у 43 арксекунди на століття, що пояснюється загальною теорією відносності Ейнштейна. Використовуючи теорію викривленого простору-часу Ейнштейна, прецесія перигелію Меркурія повинна просуватися трохи швидше, ніж за прогнозами Ньютона, оскільки планети не обертаються навколо Сонця по статичній еліптичній орбіті.

Звісно, кілька наукових робіт, опублікованих з середини 20-го століття, підтвердили, що розрахунки Ейнштейна щодо прецесії перигелію Меркурія є точними.

Через кілька мільярдів років це коливання може навіть призвести до зіткнення внутрішньої планети з Сонцем або планетою.

ПЕРЕТЯГУВАННЯ ПРОСТОРУ-ЧАСУ НАВКОЛО ТІЛ, ЩО ОБЕРТАЮТЬСЯ

Обертання важкого об’єкта, такого як Земля, повинно викривляти і спотворювати простір-час навколо неї. У 2004 році NASA запустило гравітаційний зонд B (Gravity Probe B, GP-B). За даними НАСА, осі точно відкаліброваних гіроскопів супутника з часом дрейфували дуже незначно, що відповідало теорії Ейнштейна.

“Уявіть собі Землю, ніби вона занурена в мед”, – сказав головний дослідник Gravity Probe-B Френсіс Еверітт зі Стенфордського університету в заяві НАСА про місію.

“Коли планета обертається, мед навколо неї закручується, і те саме відбувається з простором і часом. GP-B підтвердив два найглибші передбачення Всесвіту Ейнштейна, що мають далекосяжні наслідки для досліджень в галузі астрофізики”.

ГРАВІТАЦІЙНЕ ЧЕРВОНЕ ЗМІЩЕННЯ

Електромагнітне випромінювання об’єкта трохи розтягується всередині гравітаційного поля. Подумайте про звукові хвилі, які виходять від сирени на машині швидкої допомоги: коли машина рухається до спостерігача, звукові хвилі стискаються, але коли вона віддаляється, вони розтягуються, або червоно зміщуються. Такі ж явища, відомі як ефект Доплера, відбуваються зі світловими хвилями на всіх частотах.

У 1960-х роках, за даними Американського фізичного товариства, фізики Роберт Паунд і Глен Ребка вистрілили гамма-променями спочатку вниз, а потім вгору по вежі в Гарвардському університеті. Паунд і Ребка виявили, що гамма-промені дещо змінили частоту через спотворення, спричинені гравітацією.

ГРАВІТАЦІЙНІ ХВИЛІ

Ейнштейн передбачив, що бурхливі події, такі як зіткнення двох чорних дір, створюють пульсації у просторі-часі, відомі як гравітаційні хвилі. І в 2016 році Лазерна інтерферометрична обсерваторія гравітаційних хвиль (LIGO) оголосила, що вперше виявила такий сигнал.

Це виявлення відбулося 14 вересня 2015 року. LIGO, що складається з двох обсерваторій-близнюків у Луїзіані і Вашингтоні, нещодавно була модернізована і перебувала в процесі калібрування перед запуском в експлуатацію. Перше виявлення було настільки великим, що, за словами тодішнього речника LIGO Габріели Гонсалес, команді знадобилося кілька місяців аналізу, щоб переконатися, що це був справжній сигнал, а не збій.

“Нам дуже пощастило з першим виявленням, що воно було настільки очевидним”, – сказала вона під час 228-ї зустрічі Американського астрономічного товариства в червні 2016 року.

Відтоді вчені почали швидко ловити гравітаційні хвилі. Загалом LIGO та його європейський колега Virgo виявили загалом 50 гравітаційно-хвильових подій, згідно з даними Обсерваторії гравітаційно-хвильового лазерного інтерферометра.

Ці зіткнення включали такі незвичайні події, як зіткнення з об’єктом, який вчені не можуть точно ідентифікувати як чорну діру або нейтронну зірку, злиття нейтронних зірок, що супроводжувалося яскравим вибухом, зіткнення невідповідних чорних дір та багато іншого.

СПОСТЕРЕЖЕННЯ НЕЙТРОННИХ ЗІРОК

Концепція художника про пульсар, що обертається. (Копирайт изображения: NASA/JPL-Caltech)

У 2021 році дослідження, опубліковане в журналі Physical Review X, поставило під сумнів кілька передбачень Ейнштейна, спостерігаючи за системою подвійних пульсарів на відстані близько 2400 світлових років від Землі. Кожне з семи передбачень загальної теорії відносності було підтверджено дослідженням.

Пульсари – це тип нейтронних зірок, які пульсують завдяки пучкам електромагнітного випромінювання, що виходять з їхніх магнітних полюсів.

Піддослідні пульсари обертаються дуже швидко – близько 44 разів на секунду – і на 30% масивніші за Сонце, але мають лише 15 миль (близько 24 кілометрів) у діаметрі, що робить їх неймовірно щільними. Це означає, що їхнє гравітаційне тяжіння величезне, наприклад, на поверхні нейтронної зорі гравітація приблизно в 1 мільярд разів сильніша, ніж на Землі. Це робить нейтронні зорі чудовим тестовим об’єктом для перевірки передбачень у теоріях Ейнштейна, таких як здатність гравітації викривляти світло.

“Ми стежимо за поширенням радіофотонів, випромінюваних космічним маяком, пульсаром, і відстежуємо їхній рух у сильному гравітаційному полі пульсара-компаньйона”, – говорить професор Інгрід Стіверс з Університету Британської Колумбії у Ванкувері.

“Ми вперше бачимо, як світло не тільки затримується через сильне викривлення простору-часу навколо супутника, але й те, що світло відхиляється на невеликий кут 0,04 градуса, який ми можемо виявити. Ніколи раніше такий експеримент не проводився при такому високому викривленні простору-часу”, – додає Стіверс.

ДОДАТКОВІ РЕСУРСИ

Більше про загальну теорію відносності читайте у книзі “Відносність: Спеціальна та загальна теорія – 100-річне ювілейне видання. Досліджуємо природу простору і часу (Серія лекцій Інституту Ісаака Ньютона, 3) та Книга з фізики: Великі ідеї просто пояснюються.