Свет, испускаемый галактиками или другими объектами, искривляется от наличия массивных объектов на пути. Прежде чем Эйнштейн разработал свою теорию относительности, он понял, что подобное искривление должно существовать. Многие ученые относились к этому скептически до солнечного затмения 1919 года, когда эта гипотеза была подтверждена.

С тех пор прошло 100 лет и Forbes решил напомнить, что же из себя представляют теория и выводы, к которым 100 лет назал пришел Энштейн. LIGA.net публикует резюме. В наш век, когда такие предприниматели как Илон Маск готовятся к покорению космоса, наблюдения одного из самых известных физиков только набирают вес. Ведь без понимания того, как устроена вселенная, каким законам она подвластна, вряд ли можно произвести точные расчеты для далеких миссий. 

Итак, сначала вопросы. Что происходит, когда свет проходит возле объектов с большой массой? Он продолжает свой путь по прямой или отклоняется? Действует ли гравитация на свет так же, как и на материю? И если да, какова величина силы, которая на него влияет?

Эти вопросы касаются самых основных принципов работы гравитации. В этом году (2019), ученые отмечают 100-летний юбилей подтверждения Общей теории относительности. Две независимые команды предприняли успешную попытку измерить положение звезд вокруг солнечного ореола во время солнечного затмения 29 мая 1919 года. С помощью самых современных технологий наблюдения, которые были доступны в то время, они определили, что свет этих звезд действительно искривлялся солнечной гравитацией. А главное — узнали, насколько сильно. Результат эксперимента удивил многих, но Эйнштейн уже знал, каким будет ответ. И вот, почему.

Иллюстрация гравитационного искривления и связи траектории света с массой объектов, мимо которых он проходит. Еще до появления любых количественных предположений Эйнштейн работал над теорией. Он знал, что свет должен искривляться в зависимости от массы.

Если вы внтури лифта

Представьте, что вы находитесь в лифте, его двери закрыты. Вы можете слышать, как снаружи работает двигатель, но не можете видеть что-либо за пределами кабины. Вы можете полагаться только на то, что видите внутри кабины и на свои ощущения. А теперь попробуйте ответить на один из наиболее физически значимых вопросов, который только можно задать: как быстро вы движетесь и в каком направлении? Направление движения изменяется или нет? И если да, почему?

Если вы находитесь внутри лифта, нет никакой возможности определить, что творится снаружи. Вы не сможете ответить ни на один из этих вопросов. Согласно принципам относительности — если вернуться назад еще до Эйнштейна прямо к Галилею — вы не сможете определить, находитесь ли вы в движении или нет.

Законы физики не зависят от скорости, с какой вы движетесь. А также не существует измерений, которые вы можете осуществить внутри лифта и которые покажут, что ваша скорость движения зависит от внешнего мира. Ваш лифт будет двигаться вверх, вниз, горизонтально и в любом другом направлении — и пока он не изменит его, вы не будете чувствовать никакого физического влияния и не будете иметь представления, что творится вне кабины.

Это и есть принцип относительности: любые внутренние системы отсчета подчиняются одним и тем же физическим законам и уравнениям. Таким образом, статичный лифт и лифт, двигающийся с постоянной скоростью, будут неотличимы для любого наблюдателя, который находится внутри системы. И только если вы сможете выглянуть из кабины и сравнить ваше движение с чем-то внешним, только тогда вы сможете определить, как именно вы двигаетесь.

Теперь добавим ускорение

Основная идея теории относительности в том, что не существует такого понятия, как абсолютное движение: все наблюдатели, на которых не действует сила ускорения, могут одинаково утверждать, что именно их наблюдения правильные. Но когда лифт начинает ускоряться, ситуация меняется кардинально. Пассажиры лифта, который ускоряется с стабильной скоростью 9,8 м/с2, увидят, что все снаружи тоже ускоряется со скоростью 9,8 м/с2. Когда вы находитесь в автомобиле, который стремительно ускоряется (когда вы чувствуете, что сила ускорения прижимает вас к спинке сидения) или замедляется (сила как будто толкает вас вперед), вы переживаете те же ощущения, что и пассажиры ускоряющегося лифта. Ускорение — это изменение движения, в субъективном восприятии оно ощущается как такая же сила, которая действует на вас, исходя из известного ньютоновского уравнения F = ma.

Давайте рассмотрим другую ситуацию. Вы находитесь в том самом лифте, но, несмотря на ускорение, вы чувствуете, как будто вы просто сидите на поверхности Земли. А что снаружи?

Сила гравитации Земли притягивает все к ее поверхности с одинаковым ускорением — 9,8 м/с2. Если лифт стоит на земле, гравитация планеты все равно притягивает все объекты снаружи с ускорением 9,8 м/с2 — точно такой же результат, как если бы лифт ускорялся с таким же значением. Наблюдатель внутри не сможет определить, находится ли лифт в гравитационном поле или же постоянно ускоряется. Ощущения в обоих случаях будут идентичными.

Принцип относительности Эйнштейна наглядно демонстрирует следующий пример. Падение обычного мячика будет абсолютно идентичным что на поверхности Земли, что на борту ракеты с постоянным ускорением. Таким образом, между гравитационным ускорением и любым другим типом ускорения формально нет разницы; до тех пор, пока вы не сможете провести наблюдения извне, эти два состояния будут показывать идентичные экспериментальные результаты.

А теперь подумайте, что случится, если вы впустите луч света из внешнего источника в лифт и он будет зафиксирован на другой стене. Так вот, конечная точка светового луча будет зависеть от вашего ускорения и относительного ускорения источника света.

В частности:

1. Если между лифтом и источником света нет относительного движения или ускорения, то луч света будет падать по идеальной прямой.

2. Если между точками есть относительное движение, но нет относительного ускорения, луч света будет проходить по прямой линии, но находящейся под углом.

3. Если ускорение есть, луч света будет падать по кривой, а величина кривизны будет определяться величиной ускорения.

Последний частный случай описывает как движение лифта с постоянным ускорением, так и лифта, находящегося в гравитационном поле.

Если вы позволите свету извне проникнуть внутрь, вы получите информацию об относительной скорости и ускорении между двумя системами. Но причина ускорения (инерционная или гравитационная) все равно останется пока что неизвестной.

Это и есть суть принципа относительности Эйнштейна: наблюдатель не может определить разницу между ускорением, которое вызвано гравитационными или инерционными силами. В крайнем случае, прыжок с крыши здания при отсутствии сопротивления воздуха будет ощущаться абсолютно так же, как полная невесомость.

Астронавты на Международной космической станции, к примеру, находятся в состоянии полной невесомости, даже если учесть, что гравитация Земли действует на них в силой в 90% от той, которую чувствует человек на поверхности.

Эйнштейн позже упоминал, что осознание этого стало одной из самых счастливых его мыслей. Именно эта идея через 4 года дальнейших исследований и привела его к публикации Общей теории относительности.

Вывод, к которому пришел Эйнштейн, был неоспоримым. Не имеет значения, какое ускорение действует на свет — гравитационное или инерционное — эти силы одинаково влияют на световой поток. Ускорение лифта будет причиной точно такого же искривления света, как и влияние гравитационного поля.

Таким образом, Эйнштейн предположил, что световые лучи не будут идти по прямой траектории, находясь в гравитационном поле, а угол отклонения можно рассчитать, зная силу гравитационного воздействия возле объекта с большой массой.

Проверка затмениями

Во время солнечного затмения расположение звезд вокруг солнечного ореола меняется. И причина этому: искривление светового потока из-за гравитационного поля Солнца. Угол искривления можно рассчитать, если учесть силу гравитационного воздействия и локацию в пространстве, где световой поток проходил.

Эта замечательная идея пришла Эйнштейну в 1911 году, а уже в 1915 он закончил формулировку Общей теории относительности, которая позволила точно спрогнозировать угол искривления света звезд, проходящих через гравитационное поле Солнца.

Это было бы невозможно проверить днем в нормальных условиях, потому что днем звезды не видны. Но во время полного солнечного затмения, особенно, если оно длительное, небо становится достаточно темным, чтобы звезды на нем были заметны.  В 1916 году было подходящее затмение, но из-за Первой мировой не получилось провести необходимые наблюдения. В 1918 году полное затмение проходило над США, но тучи помешали наблюдениям, сорвав планы Военно-морской обсерватории США.

В 1919 году, тем не менее, длительное солнечное затмение можно было наблюдать в Южной Америке и Африке, поэтому сэр Артур Эддингтон из Великобритании подготовился к этому. С двумя командами в городах Собрал, Бразилия, и Принсипи, Африка, он наблюдал затмение длительностью в 6 минут. Это было идеальное экспериментальное поле для теории Эйнштейна. Хотя споры длились еще долго, результаты наблюдения полностью соответствовали теоретическим значениям теории относительности — они прошли тест временем и дальнейшими тщательными проверками.

Резюме

Результаты экспедиции Эддингтона в 1919 году показали, что Общая теория относительности описывает искривление света звезд возле массивных объектов, опровергая ньютоновскую картину мира. Это стало первым доказательством Общей теории относительности.

Несмотря на то, что для подтверждения или опровержения теоретических прогнозов нужно обязательно проводить эксперименты, Эйнштейн не сомневался, что звездный свет, проходя возле такого массивного объекта как Солнце, будет искривлен его гравитационным полем. Он был уверен, что гравитация создает ускорение, поэтому искривление света для ускоряющегося наблюдателя будет таким же, как и от влияния гравитации.

В мае 2019 года человечество будет праздновать 100-летний юбилей подтверждения Общей теории относительности и 100 лет открытию влияния гравитации на свет. Многие сомневались в истинности этой теории, но Эйнштейн не был одним из них. И пока падающие объекты ускоряются из-за воздействия гравитации, у нас есть все причины полагать, что гравитация искривляет и свет.

Cтатья подготовлена при поддержке партнера - онлайн-школы английского языка EnglishDom