10. Загадка Меркурия. Общая теория относительности. В мире больших скоростей

Теория относительности Эйнштейна

10. Загадка Меркурия. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

Кто бы мог подумать, что мелкий почтовый служащий изменит основы науки своего времени? Но такое случилось! Теория относительности Эйнштейна заставила пересмотреть привычный взгляд на устройство Вселенной и открыла новые области научного познания.

Большинство научных открытий сделано с помощью эксперимента: ученые повторяли свои опыты много раз, чтобы быть уверенными в их результатах. Работы обычно проводились в университетах или исследовательских лабораториях больших компаний.

Альберт Эйнштейн полностью изменил научную картину мира, не проведя ни одного практического эксперимента. Его единственными инструментами были бумага и ручка, а все эксперименты он проводил в голове.

Движущийся свет

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свои первые статьи. В них шла речь о движении со скоростью, близкой к скорости света. Выдвинутая им теория получила название специальной теории относительности.

Альберт Эйнштейн (1879—1955) основывал все свои выводы но результатах «мысленного эксперимента». Эти эксперименты можно было совершить только в воображении.

Скорости всех движущихся тел относительны. Это означает, что все объекты движутся или остаются неподвижными только относительно какого-либо другого объекта. Например, человек, неподвижный относительно Земли, в то же время вращается вместе с Землей вокруг Солнца.

Или допустим, что по вагону движущегося поезда идет человек в сторону движения со скоростью 3 км/час. Поезд движется со скоростью 60 км/час. Относительно неподвижного наблюдателя на земле скорость человека будет равна 63 км/час – скорость человека плюс скорость поезда.

Если бы он шел против движения, то его скорость относительно неподвижного наблюдателя была бы равна 57 км/час.

Эйнштейн утверждал, что о скорости света так рассуждать нельзя. Скорость света всегда постоянна, независимо от того, приближается ли источник света к вам, удаляется от вас или стоит на месте.

Чем быстрее, тем меньше

С самого начала Эйнштейн выдвинул несколько удивительных предположений. Он утверждал, что, если скорость объекта приближается к скорости света, его размеры уменьшаются, а масса, наоборот, увеличивается. Никакое тело нельзя разогнать до скорости равной или большей скорости света.

Другой его вывод был еще удивительней и, казалось, противоречил здравому смыслу. Представьте, что из двоих близнецов один остался на Земле, а другой путешествовал по космосу со скоростью, близкой к скорости света. С момента старта на Земле прошло 70 лет.

Согласно теории Эйнштейна, на борту корабля время течет медленнее, и там прошло, например, только десять лет. Получается, что тот из близнецов, кто оставался на Земле, стал на шестьдесят лет старше второго. Этот эффект называют «парадоксом близнецов».

Звучит просто невероятно, но лабораторные эксперименты подтвердили, что замедление времени при скоростях, близких к скорости света, действительно существует.

Беспощадный вывод

Теория Эйнштейна также включает известную формулу E=mc2, в которой E – энергия, m – масса, а c – скорость света. Эйнштейн утверждал, что масса может превращаться в чистую энергию. В результате применения этого открытия в практической жизни появились атомная энергетика и ядерная бомба.

Эйнштейн был теоретиком. Эксперименты, которые должны были доказать правоту его теории, он оставлял другим. Многие из этих экспериментов было невозможно проделать до тех пор, пока не появились достаточно точные измерительные приборы.

Факты и события

  • Был произведен следующий эксперимент: самолет, на котором были установлены очень точные часы, взлетел и, облетев с большой скоростью вокруг Земли, опустился в той же точке. Часы, находившиеся на борту самолета, на ничтожную долю секунды отстали от часов, которые оставались на Земле.
  • Если в лифте, падающем с ускорением свободного падения, уронить шар, то шар не будет падать, а как бы зависнет в воздухе. Это происходит потому, что шар и лифт падают с одинаковой скоростью.
  • Эйнштейн доказал, что тяготение влияет на геометрические свойства пространства-времени, которое в свою очередь влияет на движение тел в этом пространстве. Так, два тела, начавшие движение параллельно друг другу, в конце концов встретятся в одной точке.

Искривляя время и пространство

Десятью годами позже, в 1915—1916 годах, Эйнштейн построил новую теорию гравитации, названную им общей теорией относительности. Он утверждал, что ускорение (изменение скорости) действует на тела так же, как и сила гравитации. Космонавт не может по своим ощущениям определить, притягивает ли его большая планета, или ракета начала тормозить.

Если космический корабль разгоняется до скорости, близкой к скорости света, то часы на нем замедляются. Чем быстрее движется корабль, тем медленнее идут часы.

Отличия ее от ньютоновской теории тяготения проявляются при изучении космических объектов с огромной массой, например планет или звезд. Эксперименты подтвердили искривление лучей света, проходящих вблизи тел с большой массой.

В принципе возможно столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы. Это явление получило название «черной дыры».

«Черные дыры», по-видимому, обнаружены в составе некоторых звездных систем.

Ньютон утверждал, что орбиты планет вокруг Солнца фиксированы. Теория Эйнштейна предсказывает медленный дополнительный поворот орбит планет, связанный с наличием гравитационного поля Солнца. Предсказание подтвердилось экспериментально. Это было поистине эпохальное открытие. В закон всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона были внесены поправки.

Начало гонки вооружений

Работы Эйнштейна дали ключ ко многим тайнам природы. Они оказали влияние на развитие многих разделов физики, от физики элементарных частиц до астрономии – науки о строении Вселенной.

Эйнштейн в своей жизни занимался не только теорией. В 1914 году он стал директором института физики в Берлине. В 1933 году, когда к власти в Германии пришли нацисты, ему, как еврею, пришлось уехать из этой страны. Он переехал в США.

В 1939 году, несмотря на то что он был противником войны, Эйнштейн написал президенту Рузвельту письмо, в котором предупреждал его, что можно сделать бомбу, обладающую огромной разрушительной силой, и что фашистская Германия уже приступила к разработке такой бомбы. Президент отдал распоряжение начать работы. Это положило начало гонке вооружений.

Источник: https://www.what-this.ru/scientists/einstein-relativity-theory.php

Общей теории относительности Эйнштейна в этом году исполняется 100 лет (3 фото)

10. Загадка Меркурия. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

14 марта 2015 nlo-mir Чудеса науки

Знаменитой общей теории относительности Эйнштейна в этом году исполняется 100 лет, и она по-прежнему остается фундаментальной основой физики и астрономии.

Эту теорию Эйнштейн опубликовал в 1915 году, и она легла краеугольным камнем в основу понимания ученых происхождения и эволюции Вселенной.

До сих пор она вдохновляет ученых всего мира на поиск ответов на самые любопытные вопросы физики и астрономии, которые остаются без ответа.

Общая теория относительности «сейчас, как мне кажется, принимается за основу описания Вселенной в целом, то есть за основу космологии; она описывает черные дыры, нейтронные звезды, небольшие корректировки орбит планет и космических аппаратов в нашей собственной Солнечной системе», — говорит Роджер Блэндфорд из Института астрофизики частиц и космологии Кавли при Стэнфордском университете.

  • 1 Природа гравитации
  • 2 Темная Вселенная
  • 3 Будущее

Природа гравитации

Общая теория относительно добавляет гравитацию к специальной теории относительности, которую Эйнштейн опубликовал в 1905 году. Специальная относительность утверждает, что законы физики одинаковы для всех неподвижных наблюдателей и что скорость света в вакууме не меняется, даже если наблюдатель или источник света находится в движении.

Специальная теория относительности объясняет отношения между энергией и массой известным уравнением E = mc2, в котором E — энергия, m — масса, а c — скорость света в вакууме (порядка 1,08 миллиарда километров в час). Эта теория также объединяет пространство и время в четырехмерное пространство-время.

Общая теория относительности расширяет эту последнюю идею, поясняя, что материя искривляет пространство-время, подобно тому как тяжелый шар создает впадину на мягкой поверхности. Это важное и монументальное понимание природы пространства пришло к Эйнштейну не сразу; он пришел к нему после десяти лет напряженной и тяжелой мысленной работы.

«Он должен был двигаться вперед. Он предложил идеи, от которых впоследствии сам отказался. Но продолжал двигаться вперед, — Блэндфорд рассказал Space.com. — Он руководствовался не математическими идеями или математическими техниками. В первую очередь его вела физическая интуиция; эта необычайно мощная физическая интуиция весьма хорошо послужила ему в прошлом».

Общая теория относительности характеризует гравитацию не как врожденную силу, действующую на объекты, а как следствие искривления пространства-времени. (Представьте себе, как шар катится по наклонной поверхности, созданной шаром, лежащим на мягкой кровати).

Это была мощная и радикальная идея — и она стала предметом пристального внимания на сотню лет.

Подтверждения со всех сторон

Общая теория относительности предсказывает, что свет будет выбирать кривой путь, огибая массивный объект вроде галактического скопления, которое будет существенно влиять на пространство-время.

Этот эффект астрономы наблюдали экспериментально; более того, астрономы используют «гравитационные линзы» для изучения далеких источников света. На самом деле, в меньших масштабах, это явление даже помогает искать планеты за пределами Солнечной системы. (Экзопланеты могут быть обнаружены по тому, как их родные звезды искривляют свет от фоновых объектов).

Особенности орбиты Меркурия вокруг Солнца также подтверждают общую теорию относительности.

«Она объясняет аномальную прецессию перигелия Меркурия, или вращение линии, соединяющей Солнце с точкой наибольшего сближения с планетой, — писал Блэндфорд в статье Science. — Эйнштейн использовал общую теорию относительности, чтобы объяснить 10-процентное расхождение в прецессии, связав ее с гравитационным притяжением других планет, 43 угловых секунды в столетие».

Другие типы наблюдаемых данных также помогли поставить общую теорию относительности на твердую основу, говорит Блэндфорд.

«Мы проверили ее много-много раз, самыми различными способами», — говорит он. — «Думаю, справедливо было бы сказать, что нет никаких убедительных измерений или наблюдений, которые могли бы вызвать сомнения в ОТО».

Темная Вселенная

Общая теория относительности также предполагает, что подавляющая часть Вселенной состоит из вещей, которые люди не могут обнаружить напрямую (на данном этапе), иногда даже понять, пишет Дэвид Спергель из Принстонского университета.

Тщательное изучение движения света и материи во Вселенной показало, что «нормальная» материя сама по себе не может объяснить закономерности кривизны пространства-времени. Действительно, наблюдения показывают, что только 5% Вселенной состоит из знакомой нам атомарной материи, в то время как 25% приходится на темную материю, и 70% — на темную энергию.

Темная материя не излучает и не поглощает свет, выдавая свое присутствие только за счет гравитационных эффектов. Темная энергия, тем временем, представляет собой таинственную силу, которая ассоциируется с пустым пространством и считается ответственной за ускоряющееся расширение Вселенной.

В 1917 году Эйнштейн ввел термин «космологическая постоянная» в общую теорию относительности как силу отталкивания, которая противодействует гравитации и удерживает Вселенную в статическом состоянии (на тот момент это был преобладающий взгляд на природу Вселенной). После того как наблюдения Эдвина Хабла в 1929 году показали, что наша Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн отказался от космологической постоянной, посчитав ее «самой большой ошибкой» своей жизни.

Но постоянная оказалась пророчеством, ведь сегодня астрономы пытаются понять природу темной энергии, которая вполне подходит на ее роль.

«Почему расширение Вселенной ускоряется? Наиболее возможный вариант — космологическая постоянная (или эквивалент энергии вакуума пустого пространства) движет космическим ускорением», — пишет Спергель.

— «Другой вариант — развивающееся скалярное поле заполняет пространство (вроде поля Хиггса или поля инфляции, которое быстро расширило Вселенную в ранние ее дни).

Обе эти возможности объединяет в себе «темная энергия».

«Поскольку все доказательства темной энергии используют уравнения общей теории относительности, есть мнение, что новая теория гравитации поможет объяснить наблюдения, — добавляет он. — Возможности включают модифицированные теории гравитаций с дополнительными измерениями».

Будущее

Общая теория относительности будет продолжать объединять усилия физиков, космологов и астрономов еще долгое время в будущем, считает Блэндфорд.

К примеру, ученые будут использовать теорию, чтобы получить лучшее понимание черных дыр, нейтронных звезд и других небесных тел и явлений. Ученые также будут продолжать зондировать природу темной энергии и темной материи, пытаясь понять Вселенную в самых широких масштабах.

И, наконец, ученые пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, поженить очень большое на очень маленьком. Эта грандиозная и долгожданная «теория всего» по-прежнему ускользает от физиков, но они думают, что это достижимо.

«Есть много интересных идей. Буду оптимистом и выражу надежду, что мои коллеги смогут осуществить это».

Другие статьи:

Источник: https://nlo-mir.ru/chudesa-nauki/32929-obschej-teorii-otnositelnosti-jejnshtejna-v-jetom-godu-ispolnjaetsja-100-let.html

Теория Эйнштейна подтвердилась со второй попытки

10. Загадка Меркурия. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

Звездной аномалии, не вписывавшейся в теорию относительности, нашлось объяснение. Голландские астрономы экспериментально подтвердили предсказание отечественного теоретика Николая Шакуры, сделанное четверть века назад. Звезды в двойной системе DI Геркулеса крутятся «лежа на боку», и это спасает эйнштейновскую теорию.

Уверенность физиков в справедливости общей теории относительности основывается на нескольких классических тестах. Это и отклонение лучей света в поле тяготения Солнца, и замедление времени в гравитационном поле Земли, и задержка распространения радиосигналов между планетами. Однако первым еще в 1916 году стало простое и изящное объяснение медленного поворота орбиты Меркурия.

Эффект Эйнштейна

Поворот перигелия МеркурияАстрономы давно заметили, что меркурианская линия апсид — прямая, соединяющая самую близкую к Солнцу (перигелий) и самую далекую (афелий) точки орбиты, медленно поворачивается.

Небольшая добавка к скорости поворота линии апсид — всего 43 угловых секунды за столетие стала настоящим проклятием для астрономов XIX века. Чем только они не пытались закрыть эту несуразность — и трением Меркурия о внешние слои солнечной короны, и сплюснутой формой нашего светила и даже наличием неизвестной маленькой планеты внутри орбиты Меркурия, которой за глаза даже придумали имя Вулкан. Однако все эти объяснения порождали больше проблем, чем решений, и что с этим делать, никто не знал.

Эйнштейн же уже в одной из первых работ, завершивших создание общей теории относительности (ОТО), решил задачу движения небольшого тела по эллиптической орбите вокруг тяготеющего центра.

В приложении к Меркурию эйнштейновская теория с точностью до 0,1% давала поправку ровно в 43 секунды дуги в столетие.

По сравнению с другими поправками (той же сплюснутостью Солнца и уж тем более трением о солнечную корону) этот эффект безоговорочно доминировал, и безо всякой необходимости вводить какие-то ненаблюдаемые сущности.

Релятивистскому повороту линии апсид подвержены также и другие планеты, даже Нептун. Однако, как и большинство эффектов ОТО, это смещение становится тем заметнее, чем сильнее поле тяготения, а значит лучше всего его измерять у самой близкой к Солнцу планеты — Меркурия.

Лучше Меркурия

На деле есть еще более подходящие для измерений места — тесные двойные звезды.

И суммарная масса двух светил здесь зачастую гораздо выше, чем масса всей Солнечной системы, и расположены они гораздо ближе друг к другу, чем Меркурий к Солнцу.

А если их орбита еще и заметно вытянута, как у ближайшей к нашему светилу планете, получается превосходная астрономическая лаборатория для проверки эффектов теории относительности.

Одну из лучших таких «лабораторий» в конце 1970-х годов открыли астрономы Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ) при Московском университете — тогдашний директор ГАИШ Дмитрий Яковлевич Мартынов и его сотрудник, ныне профессор Хабибрахман Файзрахманович Халиуллин. Это переменная звезда DI Геркулеса (DI Her), которая периодически «подмигивает» земному наблюдателю. Эти подмигивания — результат взаимных затмений, при которых сначала первая звезда затмевает вторую, а затем вторая затмевает первую.

Период этих подмигиваний, он же период обращения двойной по своей орбите, всего полторы недели. Компоненты двойной — довольно массивные звезды, в 4,5 и пять раз тяжелее нашего Солнца.

Крутятся они на меньшем расстоянии, чем Меркурий от Солнца, а вытянутость их орбиты вдвое больше, чем у самой маленькой планеты Солнечной системы.

Где же, как не здесь, проверять ОТО: скорость релятивистского поворота линии апсид в этой системе должна быть в 400 раз больше, чем у Меркурия, — примерно четыре градуса за столетие вместо 43 угловых секунд. И что самое приятное, эта величина легко измеряется — по нарушениям в «расписании» повторения затмений.

Эйнштейн дал осечку

Мартынов и Халиуллин проверили, сдаст ли теория относительности этот экзамен. К всеобщему изумлению, в случае с DI Her ОТО проверку не прошла — измеренная скорость поворота линии апсид оказалась в четыре раза меньше положенного по Эйнштейну значения.

Соответствующая статья была опубликована в 1980 году и вызвала вполне закономерную реакцию. Половина заинтересованных ученых бросились проверять наблюдения и расчеты отечественных астрономов, половина — искать объяснения странному расхождению теории и наблюдений.

В итоге результаты Мартынова и Халиуллина полностью подтвердились, а объяснений им было предложено столько же, сколько и аномальному повороту орбиты Меркурия в XIX веке.

Самые радикальные идеи простирались вплоть до замены ОТО модифицированной теорией — знаменитый теоретик Джон Моффат, к примеру, считал DI Her лучшим аргументом в пользу своей «несимметричной» гравитации.

Были и вариации на тему негравитационного взаимодействия двух компонент (например, через магнитные поля), сплюснутости обеих звезд и наличия в системе третьего тела — далекой звезды или близкой планеты.

Как и в случае с аномальной прецессией Меркурия, все эти объяснения сталкивались с трудностями, только на этот раз толковать их в пользу теории относительности уже не получалось.

Объяснение на боку

В 1985 году, спустя пять лет после работы Мартынова и Халиуллина, авторитетный теоретик Николай Иванович Шакура из того же ГАИШ МГУ предложил свое объяснение. Он вспомнил классический результат из теории движения спутников Земли.

Если спутник обращается вокруг вращающейся сплюснутой Земли по экваториальной орбите, его линия апсид будет медленно смещаться в ту же сторону, что и у Меркурия.

А вот если его запустить на такую же орбиту, проходящую через полюса, поворачиваться орбита будет в два раза медленнее и в сторону, противоположную движению по орбите.

Шакура вывернул этот результат наизнанку: он показал, что подобный эффект может уменьшить скорость поворота линии апсид, если звезды движутся по орбите «лежа на боку», то есть оси их вращения направлены не перпендикулярно плоскости орбиты, а более или менее параллельно ей.

По словам наследника Мартынова на посту директора ГАИШ академика Анатолия Михайловича Черепащука, это было смелое предположение, потому что астрономы полагают, что взаимодействие звезд в тесных системах должно выстраивать три оси вращения — двух звезд и их взаимной орбиты более или менее в одном направлении. Кроме того, звезды должны были вращаться очень быстро, едва ли не на пределе устойчивости, пояснил академик корреспонденту Infox.ru.

Тем не менее, как показал Шакура, если хотя бы одна из звезд «лежит на боку» в пределах хотя бы 30 градусов, это может «спасти» эйнштейновскую теорию относительности. Вот только проверить это предположение не получалось почти четверть века.

Космические шестеренки

В нынешнем номере Nature опубликована статья ученых из Нидерландов, США и Германии, которая полностью подтверждает теорию Шакуры. Ученые под руководством Симона Альбрехта из обсерватории Лейденского университета умудрились измерить наклон оси двух звезд. Обе они лежат на боку, как и предсказывал московский теоретик.

Чтобы измерить наклон, ученые воспользовались так называемым эффектом Росситера—Маклафлина, из-за которого цвет звезд во время затмений едва заметно меняется.

Эффект Росситера — МаклафлинаДело в том, что половинка диска звезды, которая в данный момент удаляется от нас, кажется нам чуть краснее за счет доплеровского смещения частоты.

На деле этот эффект очень мал и заметить какие-то изменения цвета почти невозможно. Тем не менее он прекрасно виден в форме спектральных линий. Ее-то и измерили Альбрехт и его коллеги, сконцентрировавшись на хорошо заметной линии ионизованного магния (MgII 448,1 нм) в синей части спектра. Ученые получили настоящие спектры с помощью телескопа диаметром 1,93 м во французской обсерватории Верхнего Прованса, а затем подогнали под них модель, меняя многочисленные параметры двойной системы.

Стандартная модель, в которой звезды крутились бы в той же плоскости, где обращаются вокруг друг друга, совершенно не вписывается в наблюдения. Более того, 22 спектров, полученных в прошлом году, оказалось достаточно, чтобы зафиксировать направление оси с точностью до нескольких градусов.

Звезды действительно крутятся на боку — ось вращения одной из них пронзает плоскость орбиты под углом 18 (плюс/минус 4) градусов, ось другой и вовсе лежит в ней в пределах ошибок, угол составляет всего 6 (+/-8) градусов. При этом крутятся звезды в разные стороны, как сцепленные шестеренки.

Новая загадка

К сожалению, этот метод не позволяет до конца восстановить ориентацию осей вращения (неопределенным остается угол их поворота к картинной плоскости), однако даже с учетом остающейся неопределенности противоречие с теорией относительности снимается.

По подсчетам Альбрехта и его коллег, при имеющихся ограничениях скорость поворота линии апсид должна составить не 4, а от 0,5 до 1,5 градуса в столетие, при том что измерения Мартынова и Халиуллина дают один градус за 100 лет.

Догадка Николая Ивановича Шакуры блестяще подтвердилась.

Правда, возникла новая задача: какой эволюционный процесс привел двойную звезду к такой странной конфигурации – вытянутая орбита и быстрое вращение в противоположные стороны, да еще «лежа на боку»? Альбрехт и его коллеги считают одним из самых простых объяснений влияние третьего тела, так называемый эффект Кодзаи. Так что наличие в системе третьего тела совсем не исключено, но ему теперь уже не придется спасать репутацию Эйнштейна.

Источник: https://www.infox.ru/news/11/science/universe/27773-teoria-ejnstejna-podtverdilas-so-vtoroj-popytki

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.