Когда Эйнштейн снова оказался прав

Учёный предсказал существование гравитационных волн ровно век назад

Прямые наблюдения обеспечили последнее доказательство шедевра великого ученого: общей теории относительности. Ученые из Калтеха и MIT обнаружили гравитационную волну, порожденную двумя сталкивающимися черными дырами.

Эйнштейна не всегда считали гением. Когда он впервые высказал свои сомнительные мысли об относительности, некоторые ученые организовали протесты. Другие просто поносили Эйнштейна в прессе, порицая его как за опасные идеи, так и за еврейское происхождение.

Но работа ученого перевернула физику с самого основания. Вселенная Эйнштейна быстро и непринужденно играет с понятиями положения и скорости — кроме света, который всегда проносится в вакууме со скоростью 300 миллионов метров в секунду. Пространство и время перемешаны в четырехмерную мелассу под названием пространство-время, которую может растягивать и искривлять вещество, материя, масса. И движущаяся материя идет по кривым пространства-времени — скрытую геометрию, которую мы воспринимаем как гравитацию.

Звучит как сущая нелепица.

Но за последние 100 лет эксперименты показывали снова и снова: Эйнштейн прав. Его теория была доказана слишком много раз, чтобы перечислять все эти разы здесь, но даже самые яркие случаи впечатляют.

Свет — это и волна, и частица

Имя Эйнштейна чаще всего связывают с относительностью, но Нобелевскую премию он получил за работу над светом. Классическая физика постулировала, что свет — это волна, но эта теория не могла объяснить, как и почему металлы испускают электроны при подсветке — это явление называется фотоэлектрическим эффектом.

Эйнштейн объяснил это странное поведение, предположив, что свет на самом деле состоит из дискретных волновых пакетов (фотонов), обладающих энергией, связанной с их частотой. Это открытие привело к появлению квантовой физики, в которой все атомы ведут себя странным волновым образом, и Эйнштейн помог случиться этому открытию.

Пространство-время может изгибаться

Первая крупная победа Эйнштейна в области ОТО пришла, когда он объяснил загадочное колебание орбиты Меркурия. В 1859 году блестящий французский астроном Урбен Леверье приписал этот эффект еще не виданной планете под названием Вулкан, мол, она притягивает Меркурий. Но годы поисков не привели ни к чему, никакого Вулкана никто не нашел.

К величайшей радости Эйнштейна, его новая теория относительности принесли Вулкан к его ногам, показав, что масса Солнца искривляет ближайшее пространство-время, подобно тому, как шар для боулинга будет искривлять упругую, но мягкую поверхность. Поскольку Меркурий так близок к Солнцу, его колеблющаяся орбита — это ближайший путь через пространство-время, искривленное массой Солнца. Нет и не было никакой еще одной планеты: все дело в геометрии Вселенной, о которой не подозревал Ньютон.

Пространство-время может быть «линзой»

Эйнштейн снова оказался прав в мае 1919 года во время полного солнечного затмения. По теории относительности, пространство-время, искривленное массой солнца, будет изгибать входящий свет звезд, подобно линзе.

Британский астроном Артур Эддингтон делал большие снимки затмения и обнаружил, что Солнце растянуло звездное скопление Гиады, искривив свет отдельных звезд примерно на одну двухтысячную долю градуса — в соответствии с прогнозом Эйнштейна, который удвоил искривление, предсказанное ньютоновой физикой.

Даже Эйнштейн не ожидал, насколько полезным этот феномен окажется для астрономов: используя сами галактики как гигантские линзы, астрономы могут заглянуть в прошлое, в самые ранние годы Вселенной. И когда астрономы видят, что линзирование вызывается некими невидимыми массами, это позволяет им составлять карты обширных площадей темной материи.

Вращение масс закручивает пространство-время

Мало того, что материя искривляет пространство-время, как тот самый шар для боулинга, так вращающиеся массы вроде Земли легко стягивают пространство вокруг себя, как ложечка в патоке. Это влияет на орбиты ближайших спутников — причудливый эффект увлечения инерциальных систем отсчета, эффект Лензе – Тирринга.

Предсказанный в 1918 году общей теорией относительности, эффект Лензе – Тирринга получил подтверждение в 2004 году, когда ученые обнаружили, что вращение Земли легко сместило орбиты двух спутников. В 2011 году зонд NASA Gravity Probe B подтвердил находку и уточнил цифры.

Гравитация замедляет время

Уравнения Эйнштейна также наделяют материю способностью ускорять или замедлять время — и изменять цвет света.

Мы можем наблюдать правоту этого странного предсказания даже с Земли: свет далеких звезд принимает высокие частоты — или выглядит более синим — чем увидел бы наблюдатель в глубоком космосе. И чем дальше вы отходите от гравитационного колодца Земли, тем ниже и ниже частоты принимает свет, излученный с Земли, подчиняясь эффекту гравитационного красного смещения.

В конце концов, игнорировать теорию относительности не может даже ваш смартфон: без релятивистских поправок, часы на спутниках GPS тикали бы на 38 микросекунд быстрее с каждым днем, чем на поверхности Земли, разрушая точность системы спустя две минуты и добавляя 10 километров ошибок ежедневно.