Общая теория относительности Эйнштейна — идея о том, что гравитация — это материя, искажающая пространство-время, — выдержала более 100 лет тщательного изучения и тестирования, включая новейшие испытания, проведенные коллаборацией Event Horizon Telescope, опубликованные в последнем выпуске Physical Review Letters. Согласно последним результатам, теорию Эйнштейна стало в 500 раз труднее опровергнуть. Но есть одна проблема: несмотря на свои успехи, надежная теория Эйнштейна остается математически несовместимой с квантовой механикой, научным пониманием субатомного мира. Рассказываем главное об этом непростом научном открытии.
С чего все началось?
В конце девятнадцатого века физика оказалась в кризисе: существовали совершенные теории механики (Ньютон) и электромагнетизма (Максвелл), но они, похоже, не особо согласовывались. Свет был известен как электромагнитное явление, но он не подчинялся тем же законам механики, что и материя. Эксперименты Альберта А. Михельсона и других ученых в 1880-х годах показали, что он всегда двигался с одной и той же скоростью, независимо от скорости своего источника.
Специальная теория относительности
Однако ни один из этих выдающихся физиков не сумел собрать всю историю воедино. Надежда оставалась на молодого Альберта Эйнштейна, который в то время уже начал подходить к проблеме по-новому. В возрасте шестнадцати лет он задумался, каково это — путешествовать вместе со световым лучом? К 1905 году он показал, что результаты Фитцджеральда и Лоренца вытекают из одного простого, но радикального предположения: законы физики и скорость света должны быть одинаковым для всех равномерно движущихся наблюдателей, независимо от их состояния относительного движения.
Чтобы это «работало», пространство и время больше не могут быть независимыми. Скорее они «конвертируются» друг в друга таким образом, чтобы скорость света оставалась постоянной для всех наблюдателей. Вот почему кажется, что движущиеся объекты сжимаются, как предполагали Фитцджеральд и Лоренц, и почему движущиеся наблюдатели могут измерять время по-разному, как предполагал Пуанкаре. Пространство и время относительны, т. е. они зависят от движения наблюдателя, который измеряет их — и свет более фундаментален, чем то и другое. Это основа специальной теории относительности Эйнштейна («специальная» относится к ограничению равномерного движения).
Принцип эквивалентности
Вскоре после завершения своей специальной теории у Эйнштейна возникла «самая счастливая мысль в своей жизни». Это произошло в 1907 году, когда он сидел в своем кресле в патентном бюро в Берне и гадал, каково было бы попытаться уронить мяч, падая с стены здания. Эйнштейн понял, что человек, который ускоряется вниз вместе с мячом, не сможет обнаружить на нем действие силы тяжести. Наблюдатель может «преобразовать» гравитацию (по крайней мере, в непосредственной близости), просто переместившись в эту ускоренную систему отсчета — независимо от того, какой объект уронить. Гравитация (локально) эквивалентна ускорению. Это и есть принцип эквивалентности.
Чтобы понять, насколько на самом деле замечателен принцип эквивалентности, представьте, что было бы, если бы гравитация действовала так же, как и другие силы. Если бы гравитация была подобна электричеству, например, тогда мячи с большим зарядом были бы сильнее притянуты к Земле и, следовательно, падали бы быстрее, чем шары с меньшим зарядом. Не было бы никакого способа трансформировать такие эффекты, перемещаясь в одну и ту же ускоренную систему отсчета для всех объектов. Но гравитация «слепа к материи» — она одинаково воздействует на все объекты. Из этого факта Эйнштейн сделал впечатляющий вывод о том, что гравитация не зависит от свойств материи (как, например, электричество зависит от электрического заряда). Скорее феномен гравитации должна происходить из некоторого свойства пространства-времени.
Гравитация как искривленное пространство-время
В конце концов Эйнштейн определил свойство пространства-времени, которое отвечает за гравитацию, как его кривизну . Пространство и время во вселенной Эйнштейна больше не плоские (как неявно предполагал Ньютон), а могут тянуться, растягиваться и деформироваться материей. Гравитация сильнее всего ощущается там, где пространство-время наиболее искривлено, и исчезает там, где пространство-время плоское. В этом суть общей теории относительности Эйнштейна, которую часто можно выразить словами: «материя диктует пространству-времени, как изгибаться, а искривленное пространство-время говорит материи, как двигаться».
Стандартный способ проиллюстрировать эту идею — поместить шар для боулинга (представляющий, например, такой массивный объект, такой как Солнце) на растянутый резиновый лист (представляющий пространство-время). Если на резиновый лист положить шарик, он будет катиться к шару для боулинга и даже может быть выведен на «орбиту» вокруг шара для боулинга. Это происходит не потому, что меньшая масса «притягивается» силой, исходящей от большей, а потому, что она движется по поверхности, которая была деформирована присутствием большей массы.
Точно так же гравитация в теории Эйнштейна возникает не как сила, распространяющаяся в пространстве-времени, а скорее как характеристика самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, ваш вес на Земле обусловлен тем, что ваше тело путешествует в искривленном пространстве-времени.
Общая теория относительности
Общая теория относительности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО).В этой теории постулируется, что гравитационные и инерциальные силы имеют одну и ту же природу.
Отсюда следует, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.
ОТО отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей
Общая теория относительности физически основана на принципе эквивалентности, но у этой теории есть и второй, более математический фундамент. Известный как принцип общей ковариантности, это требование, чтобы закон всемирного тяготения был одинаковым для всех наблюдателей, даже ускоряющихся, независимо от координат, в которых он описан. Именно по этой причине Эйнштейн назвал свою новую теорию «общей», а не «специальной» теорией относительности — он снял ранее существовавшее ограничение на равномерно движущихся наблюдателей. Это оказалось самой сложной проблемой, с которой когда-либо сталкивался Эйнштейн. Как он позже сказал, выражать физические законы без координат — все равно что «описывать мысли без слов». Физику пришлось овладеть абстрактной математикой поверхностей и их описанием в терминах тензоров.
Что выяснили ученые?
Гравитация черной дыры настолько сильна, что искривляет пространство. Она действует как своеобразное увеличительное стекло, из-за чего тень этого космического объекта кажется больше, чем она есть на самом деле. Ученые проекта Event Horizon Telescope (EHT) изучили это визуальное искажение и обнаружили, что настоящий размер тени черной дыры М87 соответствует предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна.
Как заявил Кейчи Асада, член научного совета EHT и эксперт по радионаблюдениям за черными дырами Института астрономии и астрофизики Academia Sinica, их способ это «совершенно новый способ проверить общую теорию относительности с использованием сверхмассивных черных дыр».
Как ученые пришли к своим выводам?
Когда в апреле 2019 года было опубликовано первое изображение черной дыры, оно стало мощным подтверждением теории гравитации Альберта Эйнштейна или общей теории относительности. Теория не только описывает то, как материя искажает пространство-время, но и предсказывает само существование черных дыр, включая размер тени, отбрасываемой черной дырой на яркий диск материала, который вращается вокруг некоторых плотных объектов.
Для проведения теста команда использовала первое когда-либо сделанное изображение сверхмассивной черной дыры в центре соседней галактики M87 на расстоянии около 55 миллионов световых лет, полученное с помощью EHT в прошлом году.
Культовое изображение сверхмассивной черной дыры показало, что тень полностью соответствует предсказаниям общей теории относительности относительно ее размера. Другими словами, Эйнштейн был прав — снова.
Этот результат, о котором сообщила компания Event Horizon Telescope Collaboration, дал ответ на один вопрос: соответствует ли размер черной дыры M87 общей теории относительности?
Но «очень сложно ответить на противоположный вопрос: насколько я могу настроить общую теорию относительности, и при этом соответствовать измерениям [черной дыры]?», заявил ученые команды EHT Димитриос Псалтис из Университета Аризоны в Тусоне. Этот вопрос является ключевым, потому что все еще возможно, что какая-то другая теория гравитации могла бы описать Вселенную, но замаскировалась под общую теорию относительности.
Вероятность неправоты Эйнштейна сократилась в 500 раз
В исследовании, опубликованном 1 октября в Physical Review Letters, Псалтис и его коллеги использовали тень черной дыры M87, чтобы сделать важный шаг к опровержению этих альтернативных теорий.
Команда провела очень широкий анализ многих модификаций общей теории относительности, чтобы определить уникальную характеристику теории гравитации, которая определяет размер тени черной дыры. Ученые сосредоточилась на ряде альтернатив, которые прошли все предыдущие испытания в Солнечной системе.
«Используя разработанный нами датчик, мы показали, что измеренный размер тени черной дыры в M87 сужает пространство для маневра для модификаций общей теории относительности Эйнштейна почти в 500 раз по сравнению с предыдущими испытаниями в Солнечной системе», — объясняет профессор астрофизики Уаризоны Фериал Озель, старший участник коллаборации EHT. «Многие способы изменить общую теорию относительности терпят неудачу в этом новом и более жестком тесте на тень от черной дыры».
Авторы и права: Д. Псалтис, Универсет Аризоны; EHT
Чтобы быть уверенными в результатах, ученые использовали размер черной дыры для выполнения так называемого теста «второго порядка» общей теории относительности. Это «невозможно сделать в Солнечной системе», потому что гравитационное поле слишком слабое, — объясняет Лия Медейрос из Института перспективных исследований в Принстоне, также участник EHT.
Проверки теории Эйнштейна
В общем, сейчас физики представляют общую теорию относительности как наборе поправок или дополнений к теории гравитации Ньютона. Общая теория относительности предсказывает, какими должны быть эти надстройки. Если измерения того, как гравитация работает во Вселенной, отклоняются от этих предсказаний, то физики знают, что общая теория относительности — это еще не все. Чем больше дополнений или факторов добавлено к тесту, тем больше уверенности в результате. Новые тесты и проверки черных дыр не заставят себя ждать.
Однако, если ОТО подтвердилась, почему некоторые физики недовольны результатами? Дело в том, что общая теория относительности конфликтует с квантовой механикой.
Относительность против квантовой механики: битва за Вселенную
Физики потратили десятилетия, пытаясь примирить две очень разные теории. И если с общей теорией относительности все понятно, то почему квантовая механика отказывается подчиняться законам Эйнштейна?
В настоящее время у физиков есть два отдельных свода правил, объясняющих, как устроена природа. Существует общая теория относительности, которая прекрасно объясняет гравитацию и все, что она определяет: вращение планет, сталкивающиеся галактики, динамику расширяющейся Вселенной в целом. Это «наука о большом».
А есть и квантовая механика , которая имеет дело с тремя другими силами — электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория чрезвычайно искусна в описании того, что происходит, когда атом урана распадается или когда отдельные частицы света попадают в солнечный элемент. Это «наука о малом».
Квантовая мехааника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики.
Столкновение действительно несовместимых описаний реальности
Теперь к проблеме: теория относительности и квантовая механика — это принципиально разные теории, которые имеют разные формулировки. Это не просто вопрос научной терминологии; это столкновение действительно несовместимых описаний реальности.
Конфликт между двумя половинами физики назревает уже более века — спровоцированный парой работ Эйнштейна 1905 года, одна из которых описывает теорию относительности, а другая — квантовую.
По сути, вы можете думать о разделении между теорией относительности и квантовыми системами как о «гладком» и «коротком». В общей теории относительности события непрерывны и детерминированы, что означает, что каждая причина соответствует определенному локальному следствию.
В квантовой механике события, вызванные взаимодействием субатомных частиц, происходят скачками (да, квантовыми скачками) с вероятностными, а не определенными результатами. Квантовые правила разрешают связи, запрещенные классической физикой. Это было продемонстрировано в широко обсуждаемом эксперименте. Тогда ученые продемонстрировали, что две частицы — в данном случае электроны — могут мгновенно влиять друг на друга, даже если они находятся на расстоянии мили. Когда вы пытаетесь интерпретировать гладкие релятивистские законы (законы относитеьности) в кратком квантовом стиле или наоборот, все «идет не по плану».
Бессмысленные ответы
Относительность дает бессмысленные ответы, когда вы пытаетесь уменьшить ее до квантового размера, в конечном итоге опускаясь до бесконечных значений в своем описании гравитации. Точно так же квантовая механика сталкивается с серьезными проблемами, когда вы раздуваете ее до космических размеров. Квантовые поля несут определенное количество энергии даже в кажущемся пустом пространстве, и количество энергии становится больше по мере увеличения полей. Согласно Эйнштейну, энергия и масса эквивалентны (это сообщение E = mc 2 ), поэтому накопление энергии в точности похоже на накопление массы. Достаточно большой, и количество энергии в квантовых полях станет настолько большим, что создаст черную дыру, которая заставляет Вселенную складываться саму в себя. Однако, как можно заметить, этого не происходит.
Проще говоря, квантовая механика несовместима с общей теорией относительности, потому что в квантовой теории поля силы действуют локально через обмен четко определенными квантами.
Что в итоге?
В итоге, новый результат немного разочаровывает физиков, надеющихся найти трещины в теории Эйнштейна. Обнаружение отклонения от общей теории относительности мог бы указать путь к новой физике. Или это могло бы помочь объединить общую теорию относительности, физику очень большого и квантовую механику, ведущую теорию, которая описывает физику очень малых объектов, таких как субатомные частицы и атомы. Тот факт, что общая теория относительности по-прежнему отказывается подчиняться, «беспокоит тех из нас, кто достаточно стар и надеялся получить ответ еще при жизни», — говорит Псалтис.
Проверка теории гравитации — это постоянный поиск: достаточно ли хороши предсказания общей теории относительности для различных астрофизических объектов, чтобы астрофизики не беспокоились о любых возможных различиях или модификациях общей теории относительности?
Однако будущие наблюдения с EHT сделают еще более точные проверки общей теории относительности, особенно с еще не опубликованными изображениями Sgr A * (Стрельца А*), черной дыры в центре Млечного Пути. С гораздо более точными измерениями массы Sgr A *, чем у любой другой сверхмассивной черной дыры, это изображение может изменить общую теорию относительности.
«Изображения черных дыр открывают совершенно новый угол для проверки общей теории относительности Эйнштейна , — объясняет Майкл Крамер, директор Радиоастрономического института Макса Планка и участник коллаборации EHT.
«Вместе с наблюдениями за гравитационными волнами это знаменует начало новой эры в астрофизике черных дыр», — уверен Псалтис.
«Когда мы получим изображение черной дыры в центре нашей собственной галактики, мы можем еще больше ограничить отклонения от общей теории относительности», — заключает Озель.
Будет ли Эйнштейн прав тогда? И какая судьба ждет квантовую механику?
Читать также:
Создать термоядерный реактор на Земле реально. Какие будут последствия?
Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком