Что такое теория относительности?

Заведующий отделом гравитационных измерений Государственного астрономического института имени Штернберга, доктор физико-математических наук Валентин Руденко провел в Культурном центре ЗИЛ лекцию «Просто о теории относительности». Slon публикует ее сокращенную версию.

Теория относительности – это теория, которая была создана как обобщение теории гравитации Ньютона.

Чтобы говорить о движении, нужен предмет, по отношению к которому это движение определяется, то есть движение относительно. Этот принцип был возведен в основополагающее утверждение уже в специальной теории относительности, которая предшествовала теории гравитации Эйнштейна.

Специальная теория относительности была создана в 1905 году и включала в себя принцип относительности (то есть все инерциальные, без ускорения, системы равноправны) и еще один факт – наличие максимальной скорости распространения сигнала, скорости света. Скорость света остается максимально возможной в природе, и отсюда получаются эти световые размеры, световые года и так далее. Почему – никто не ответит: мы пришли в мир, который устроен именно так.

Почему появилась задача создания новой теории гравитации?

А вот из-за того, что ввели постоянную максимальную скорость света. И ньютоновская теория никак этому не удовлетворяла. Почему? Потому что теория Ньютона – это теория дальнодействия, она молчаливо предполагала, что скорость распространения взаимодействия бесконечно большая. Но как только ввели специальную теорию относительности, максимальную скорость распространения сигнала, немедленно поняли, что нужно менять теорию гравитации. Этот мотив и заставлял физиков – не только Эйнштейна, он был один из физиков, а этим все занимались – продолжать исследования.

Почему нельзя была построить теорию по аналогии с электромагнетизмом?

Казалось бы, это было бы логично, ведь теория электромагнетизма была уже создана Джеймсом Клерком Максвеллом. Так почему нет? А вот из-за того обстоятельства, которое сразу выделяет гравитационное поле по сравнению с другими полями. Оно имеет совершенно уникальную особенность, которая получила название «принципа эквивалентности». Ньютон во втором законе и законе всемирного тяготения ввел понятие массы. Дальше вы спрашиваете его: это та же самая масса, которая была во втором законе или в законе всемирного тяготения, или другая?

Масса выступает как мера инертности, степени подверженности действию силы. А в гравитации? Ведь масса – это мера притяжения. То есть, вообще-то говоря, это абсолютно разные физические свойства. Так вот эквивалентность – это вещь совершенно нетривиальная, равенство инертной массы и гравитационной. Это приводит к тому, что все тела в гравитационном поле приобретают одно и то же ускорение, независимо от их массы. Ускорение для любого тела равняется ускорению силы тяжести в гравитационном поле Земли. Оно одно и то же для всех – для Васи, Пети, кошки, мышки и так далее.

Таким образом, строить теорию относительности нужно было, обобщая теорию гравитации Ньютона и учитывая два фактора: принцип эквивалентности и конечность распространения гравитации. На основании этого и была построена и общая теория гравитации.

Если все тела в окружении Земли имеют одно и то же ускорение, то это означает, что они двигаются по одним и тем же траекториям. Значит, траектория не зависит от предмета, она получается свойством самого пространства. Когда эта теория была создана, были написаны уравнения гравитации.

Что такое уравнение Эйнштейна?

Это сложнейшая вещь, нужно пуд соли съесть и быть специалистом, чтобы ее понять. Но я вам скажу, что это не больше чем просто запись принципа эквивалентности.

Нужно было сделать так, чтобы любимая нами и проверенная наукой теория гравитации Ньютона осталась справедливой в том обобщении, в котором была создана теория относительности. Теория Ньютона – это предел теории Эйнштейна, когда можно считать скорость взаимодействия бесконечно большой и в области малых энергий, или малых гравитационных полей.

Мы с вами живем в области очень слабого поля.

На Земле отношение к энергии покоя – 10 в минус восьмой, в минус девятой степени. То есть нам на самом деле достаточно было бы ньютоновской физики, и вся релятивистская физика для нас – это чистая наука, игра ума, умозрительная вещь, которая не имеет практического значения, по крайней мере до тех пор, пока мы не стали играть с ускорением или не начали пытаться понимать, что происходит в соседних галактиках и в центре нашей галактики.

Какой смысл имеет теория Эйнштейна?

Отвечая на этот вопрос, надо смотреть, какие новые эффекты она предсказывает по сравнению с теорией Ньютона. А потом попытаться их увидеть, измерить, понаблюдать за ними. Вот так, собственно, и шло развитие.

После создания теории относительности Эйнштейн сам написал три следствия. Это:

1) гравитационное смещение спектральных линий звезд

2) отклонение световых лучей в гравитационном поле

3) релятивистская прецессия планетных орбит.

В этот же период были предсказаны другие следствия общей теории относительности, такие как прецессия гироскопа в гравитационном поле и существование гравитационных волн.

Что такое черная дыра?

Существование черных дыр – важное следствие теории относительности.

Черная дыра – это звезда с очень сильным гравитационным полем. Если звезда обладает такой сильной гравитацией, что и свет может выскочить, то никакой информации отсюда мы получить не можем. Поэтому это некое черное образование, черная дыра. Это явление открыл Джон Арчибальд Уилер, один из учеников Эйнштейна.

Но если черная дыра не видна, то как можно определить ее существование? Так вот: ученые поняли, что, согласно определению, черная дыра должна в себя все всасывать из окружающего пространства, все должно падать под действием неимоверных сил тяготения. А падать – значит сильно ускоряться. Если это заряженные частицы, значит, они ускоряются, значит, они должны излучать. То есть все вокруг черной дыры должно излучать и должно светиться; и светиться не где-нибудь, а в рентгене. Поищите рентгеновские источники в центре галактики, и эти области будут кандидатами в черные дыры.

Что значит расширение Вселенной?

Еще одно следствие теории относительности – расширение Вселенной. Это нельзя представлять как взрыв, это нужно представлять как раздувание мыльного пузыря. Кто-то постоянно надувает мыльный пузырь, и он все время расширяется, и два объекта, которые на нем находятся, удаляются друг от друга пропорционально расстоянию между ними. Никакого выделенного центра тут нет, и это потрясающее следствие теории относительности.

Сам Эйнштейн был сторонником стационарной Вселенной, а человеком, который дал теорию динамической, расширяющейся Вселенной, был наш соотечественник Александр Фридман, ленинградский математик и ученый. Эйнштейн потом признал крах стационарной теории.

Важно то, что только динамика в гравитации, динамические системы и процессы могут быть в каком-то стационарном состоянии. Таким образом, вот это космологическое расширение является следствием теории относительности.

Что такое «телескоп Эйнштейна»?

Благодаря экспериментальной проверке теории относительности были открыты пульсары – сверхплотные звезды, у которых масса как у Солнца, а размер в тысячу раз меньше. Там гравитационное поле в сто тысяч раз больше, чем у Солнца. Значит, там все эффекты, связанные с теорией относительности, будут увеличены.

Считается, что косвенное доказательство существования гравитационного поля у двойных пульсаров как следствия теории относительности реализовано. Но этого нам мало – нам нужно его поймать и использовать. Это тот вид излучения, которым человечество еще не овладело.

Сейчас речь идет о том, что готовится последнее поколение гравитационных детекторов, гравитационных антенн, которые будут называться телескопом Эйнштейна. Это подземный проект, углубленный на километр, большая европейская – а может быть, и мировая – коллаборация. Радует то, что и Россия входит в эту команду.