«Я исчерпан. Но успех славен».
Связанный контент
- Математик Эмми Нетер должен быть твоим героем
Это было сто лет назад в ноябре этого года, и Альберт Эйнштейн наслаждался редким моментом удовлетворения. Днями ранее, 25 ноября 1915 года, он вышел на сцену в Прусской академии наук в Берлине и заявил, что наконец-то завершил свою мучительную десятилетнюю экспедицию к новому и более глубокому пониманию гравитации. Общая теория относительности, утверждал Эйнштейн, теперь завершена.
Месяц, предшествовавший историческому объявлению, был самым интеллектуально напряженным и напряженным периодом его жизни. Кульминацией этого стало принципиально новое видение Эйнштейном взаимодействия пространства, времени, материи, энергии и гравитации, подвиг, который широко почитается как одно из величайших интеллектуальных достижений человечества.
В то время шум общей теории относительности был услышан только группой мыслителей на окраине эзотерической физики. Но в последующее столетие детище Эйнштейна стало связующим звеном для широкого круга основополагающих вопросов, включая происхождение Вселенной, структуру черных дыр и объединение сил природы, и теория также использовалась для решения более прикладных задач. такие как поиск внесолнечных планет, определение массы далеких галактик и даже управление траекториями странных водителей автомобилей и баллистических ракет. Общая теория относительности, некогда экзотическое описание гравитации, теперь является мощным исследовательским инструментом.
Поиски гравитации начались задолго до Эйнштейна. Во время чумы, разорившей Европу с 1665 по 1666 год, Исаак Ньютон отступил со своего поста в Кембриджском университете, нашел убежище в доме своей семьи в Линкольншире и в свободное время осознал, что каждый объект, будь то на Земле или на небесах тянет друг друга с силой, которая зависит исключительно от того, насколько велики объекты - их масса - и как далеко они находятся в пространстве - их расстояние. Школьники во всем мире выучили математическую версию закона Ньютона, которая сделала такие невероятно точные предсказания движения всего, от брошенных камней до вращающихся планет, что казалось, что Ньютон написал последнее слово о гравитации. Но он этого не сделал. И Эйнштейн был первым, кто убедился в этом.
**********
В 1905 году Эйнштейн открыл специальную теорию относительности, установив знаменитое изречение о том, что ничто - ни объект, ни сигнал - не может двигаться быстрее скорости света. И в этом заключается загвоздка. Согласно закону Ньютона, если вы встряхните Солнце, как космическую мараку, гравитация заставит Землю тоже мгновенно сотрясаться. То есть формула Ньютона подразумевает, что гравитация оказывает свое влияние из одного места в другое мгновенно. Это не только быстрее света, это бесконечно.
Относительность: специальная и общая теория
Это красивое издание знаменитой книги Эйнштейна, опубликованное к 100-летию общей теории относительности, помещает произведение в исторический и интеллектуальный контекст, предоставляя бесценную возможность проникнуть в суть одного из величайших научных умов всех времен.
купитьЭйнштейн не получил бы ничего из этого. Несомненно, должно существовать более утонченное описание гравитации, в котором гравитационные воздействия не превосходят свет. Эйнштейн посвятил себя поиску этого. И чтобы сделать это, он понял, ему нужно ответить на казалось бы основной вопрос: как работает гравитация? Как Солнце достигает 93 миллионов миль и оказывает гравитационное воздействие на Землю? Для более знакомых ощущений повседневного опыта - открытия двери, откупоривания бутылки вина - механизм налицо: между вашей рукой и объектом, испытывающим тягу, имеется прямой контакт. Но когда Солнце притягивает Землю, это притяжение проявляется через пространство - пустое пространство. Там нет прямого контакта. Так какая же невидимая рука работает, выполняя приказ гравитации?
Сам Ньютон нашел этот вопрос глубоко загадочным и вызвался тем, что его собственная неспособность определить, как гравитация оказывает свое влияние, означала, что его теория, какими бы успешными ни были ее предсказания, была, безусловно, неполной. И все же на протяжении более 200 лет признание Ньютона было не чем иным, как пропущенной сноской к теории, которая иначе согласилась бы с наблюдениями.
В 1907 году Эйнштейн начал серьезно работать над ответом на этот вопрос; к 1912 году это стало его навязчивой идеей. И в течение этих нескольких лет Эйнштейн совершил ключевой концептуальный прорыв, о котором так просто заявить, как о нем трудно понять: если между Солнцем и Землей нет ничего, кроме пустого пространства, то их взаимное гравитационное притяжение должно проявиться космосом. сам. Но как?
Ответ Эйнштейна, одновременно красивый и загадочный, состоит в том, что материя, такая как Солнце и Земля, заставляет пространство вокруг нее изгибаться, и получающаяся искривленная форма пространства влияет на движение других проходящих мимо тел.
Вот способ думать об этом. Представьте себе прямую траекторию, за которой следует мрамор, который вы катили по плоскому деревянному полу. А теперь представьте, что вы катаете мрамор на деревянном полу, который был искривлен и искривлен потоком. Мрамор не будет следовать той же прямой траектории, потому что он будет подталкиваться таким образом и изогнутыми контурами пола. Как с полом, так и с пространством. Эйнштейн предполагал, что изогнутые контуры пространства будут подталкивать изогнутый бейсбольный мяч по его привычному параболическому пути и уговаривать Землю придерживаться своей обычной эллиптической орбиты.
Это был захватывающий прыжок. До этого пространство было абстрактным понятием, своего рода космическим контейнером, а не осязаемой сущностью, способной вызвать изменения. На самом деле, скачок был еще больше. Эйнштейн понял, что время тоже может деформироваться. Интуитивно понятно, что все мы предполагаем, что часы, независимо от того, где они расположены, тикают с одинаковой скоростью. Но Эйнштейн предположил, что чем ближе часы к массивному телу, подобному Земле, тем медленнее они будут тикать, отражая поразительное влияние гравитации на сам ход времени. И как пространственная деформация может подтолкнуть траекторию объекта, так и временную: математика Эйнштейна предполагает, что объекты тянутся к местам, где время течет медленнее.
Тем не менее, радикальное преобразование Эйнштейна гравитации с точки зрения формы пространства и времени было недостаточно для того, чтобы претендовать на победу. Ему нужно было развить идеи в математическую систему прогнозирования, которая бы точно описывала хореографию, танцеванную в пространстве, времени и материи. Даже для Альберта Эйнштейна это оказалось монументальной проблемой. В 1912 году, изо всех сил пытаясь смоделировать уравнения, он написал коллеге: «Никогда прежде в своей жизни я не мучил себя чем-то подобным». И все же, всего год спустя, работая в Цюрихе со своим более математически настроенным коллегой Марселем Гроссманом, Эйнштейн мучительно приблизился к ответу. Используя результаты середины 1800-х годов, которые предоставили геометрический язык для описания изогнутых форм, Эйнштейн создал совершенно новую, но в то же время полностью строгую переформулировку гравитации с точки зрения геометрии пространства и времени.
Но тогда все это казалось рухнуло. Исследуя свои новые уравнения, Эйнштейн совершил роковую техническую ошибку, заставив его подумать, что его предложение не смогло правильно описать все виды банальных движений. В течение двух долгих, разочаровывающих лет Эйнштейн отчаянно пытался исправить проблему, но ничего не получалось.
Эйнштейн, цепкий, как они приходят, остался неуязвимым, и осенью 1915 года он наконец увидел путь вперед. К тому времени он был профессором в Берлине и был принят в Прусскую академию наук. Несмотря на это, у него было время на руках. Его отчужденная жена Милева Марич, наконец, признала, что ее жизнь с Эйнштейном закончилась, и вернулась в Цюрих с двумя сыновьями. Хотя все более напряженные семейные отношения тяжело давили на Эйнштейна, договоренность также позволяла ему свободно следовать своим математическим догадкам, беспрепятственно днем и ночью, в тихом одиночестве своей бесплодной берлинской квартиры.
К ноябрю эта свобода принесла свои плоды. Эйнштейн исправил свою предыдущую ошибку и отправился в последний путь к общей теории относительности. Но поскольку он интенсивно работал над мелкими математическими деталями, условия оказались неожиданно коварными. Несколько месяцев назад Эйнштейн встретился с известным немецким математиком Дэвидом Гильбертом и поделился всеми своими мыслями о своей новой теории гравитации. Очевидно, Эйнштейн, к своему ужасу, узнал, что встреча настолько разожгла интерес Гильберта, что теперь он гонял Эйнштейна до финиша.
Серия открыток и писем, которыми они обменивались в течение ноября 1915 года, свидетельствует о сердечном, но интенсивном соперничестве, поскольку каждое из них приблизилось к уравнениям общей теории относительности. Гильберт считал честной игрой стремление к раскрытию в многообещающей, но еще не законченной теории гравитации; Эйнштейн считал, что для Гильберта в его одиночной экспедиции так близко к вершине было ужасно плохо. Более того, с тревогой осознал Эйнштейн, более глубокие математические резервы Гильберта представляли серьезную угрозу. Несмотря на годы тяжелой работы, Эйнштейн мог бы получить сенсацию.
Беспокойство было обоснованным. В субботу, 13 ноября, Эйнштейн получил приглашение от Гильберта присоединиться к нему в Геттингене в следующий вторник, чтобы «очень подробно» узнать «решение вашей великой проблемы». Эйнштейн возразил. «Я должен воздержаться от поездки в Геттинген на данный момент и скорее должен терпеливо ждать, пока я не смогу изучить вашу систему из печатной статьи; ибо я устал от боли в животе ».
Но в тот четверг, когда Эйнштейн открыл свою почту, он столкнулся с рукописью Гильберта. Эйнштейн немедленно ответил, едва скрывая свое раздражение: «Система, которую вы предоставляете, соответствует, насколько я вижу, именно тому, что я нашел за последние несколько недель и представил Академии». Своему другу Генриху Цангеру Эйнштейн доверился «По своему личному опыту я не усвоил ничего лучше убогого человеческого рода, чем иногда эту теорию…»
Неделю спустя, 25 ноября, читая лекции перед прусской академией, Эйнштейн обнародовал окончательные уравнения, составляющие общую теорию относительности.
Никто не знает, что произошло в течение этой последней недели. Эйнштейн сам придумал окончательные уравнения или статья Гильберта оказала непредвиденную помощь? Содержал ли проект Гильберта правильную форму уравнений или Гильберт впоследствии вставил эти уравнения, вдохновленные работой Эйнштейна, в версию статьи, которую Гильберт опубликовал несколько месяцев спустя? Интрига только углубляется, когда мы узнаем, что ключевой раздел страницы с доказательствами для статьи Гильберта, который мог бы решить вопросы, был буквально отбит.
В конце концов, Гильберт поступил правильно. Он признал, что какой бы ни была его роль в катализировании окончательных уравнений, общая теория относительности должна справедливо быть приписана Эйнштейну. И так оно и есть. Гильберт тоже получил должное, поскольку технический, но особенно полезный способ выражения уравнений общей теории относительности носит имена обоих людей.
Конечно, заслуга будет иметь смысл только в том случае, если общая теория относительности будет подтверждена наблюдениями. Примечательно, что Эйнштейн видел, как это можно сделать.
**********
Общая теория относительности предсказывала, что лучи света, испускаемые отдаленными звездами, будут перемещаться по искривленным траекториям, когда они проходят через искривленную область около Солнца на пути к Земле. Эйнштейн использовал новые уравнения, чтобы сделать это более точным - он рассчитал математическую форму этих кривых траекторий. Но чтобы проверить предсказание, астрономы должны видеть далекие звезды, когда Солнце находится на переднем плане, и это возможно только тогда, когда Луна блокирует солнечный свет во время солнечного затмения.
Таким образом, следующее солнечное затмение 29 мая 1919 года станет испытательным полигоном общей теории относительности. Команды британских астрономов во главе с сэром Артуром Эддингтоном открыли магазин в двух местах, где произойдет полное затмение Солнца - в Собрале, Бразилия, и в Принсипи, у западного побережья Африки. В борьбе с погодой каждая команда взяла серию фотографических пластинок далеких звезд, на мгновение видимых, когда Луна дрейфовала по Солнцу.
В последующие месяцы тщательного анализа изображений Эйнштейн терпеливо ждал результатов. Наконец, 22 сентября 1919 года Эйнштейн получил телеграмму, объявляющую, что наблюдения затмения подтвердили его прогноз.
Газеты по всему земному шару подхватили эту историю с бездыханными заголовками, провозглашающими триумф Эйнштейна и практически мгновенно катапультирующими его в мировую сенсацию. В разгар всего этого волнения молодой студент Ильза Розенталь-Шнайдер спросила Эйнштейна, что бы он подумал, если бы наблюдения не соответствовали предсказанию общей теории относительности. Эйнштейн классно ответил с очаровательной бравадой: «Мне было бы жаль дорогого Господа, потому что теория верна».
Действительно, за десятилетия, прошедшие после измерений затмения, было очень много других наблюдений и экспериментов, некоторые из которых продолжались, которые привели к твердой уверенности в общей теории относительности. Одним из самых впечатляющих является обсервационный тест, который длился почти 50 лет среди самых длительных проектов НАСА. Общая теория относительности утверждает, что, поскольку тело, подобное Земле, вращается вокруг своей оси, оно должно увлекать пространство вокруг вихря, как вращающаяся галька в ведре с патокой. В начале 1960-х годов физики из Стэнфорда разработали схему проверки прогноза: запустите четыре сверхточных гироскопа на околоземную орбиту и посмотрите на небольшие сдвиги в ориентации осей гироскопов, которые, согласно теории, должны быть вызваны по кружащемуся пространству.
Потребовалось поколение научных усилий, чтобы разработать необходимую гироскопическую технологию, а затем годы анализа данных, чтобы, среди прочего, преодолеть неудачное колебание гироскопов, приобретенных в космосе. Но в 2011 году команда разработчиков Gravity Probe B, как известно об этом проекте, объявила, что полувековой эксперимент дал успешное заключение: оси гироскопов поворачивались на величину, предсказанную математикой Эйнштейна.
Есть еще один эксперимент, который в настоящее время проводится более 20 лет, и который многие считают окончательным испытанием общей теории относительности. Согласно теории, два сталкивающихся объекта, будь то звезды или черные дыры, будут создавать волны в ткани пространства, так же, как две сталкивающиеся лодки в спокойном озере будут создавать волны воды. И когда такие гравитационные волны распространяются наружу, пространство расширяется и сжимается вслед за ними, как шарик теста, попеременно растягивающийся и сжимаемый.
В начале 1990-х годов команда под руководством ученых из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института начала исследовательскую программу для обнаружения гравитационных волн. Задача, и это большая проблема, заключается в том, что если шумное астрофизическое столкновение происходит далеко, то к тому времени, когда возникающие пространственные волнения будут омываться Землей, они распространятся настолько широко, что будут фантастически разбавлены, возможно, растянутся и сжимают пространство только часть атомного ядра.
Тем не менее, исследователи разработали технологию, которая просто могла бы видеть крошечные контрольные признаки пульсации в ткани космоса, когда она катится по Земле. В 2001 году в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, были развернуты два L-образных устройства длиной четыре километра, все вместе известные как LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Стратегия заключается в том, что проходящая гравитационная волна попеременно растягивает и сжимает две ветви каждой буквы L, оставляя отпечаток на лазерном свете, бегущем вверх и вниз по каждой руке.
В 2010 году LIGO был выведен из эксплуатации до того, как были обнаружены сигнатуры гравитационных волн - аппарату почти наверняка не хватало чувствительности, необходимой для регистрации крошечных подергиваний, вызванных гравитационными волнами, достигающими Земли. Но теперь внедряется усовершенствованная версия LIGO, обновление, которое, как ожидается, будет в десять раз более чувствительным, и исследователи ожидают, что в течение нескольких лет обнаружение ряби в космосе, вызванных отдаленными космическими возмущениями, станет обычным явлением.
Успех был бы захватывающим не потому, что кто-то действительно сомневается в общей теории относительности, а потому, что подтвержденные связи между теорией и наблюдением могут дать мощные новые приложения. Например, измерения затмения 1919 года, которые установили, что гравитация изгибает траекторию света, вдохновили успешную технику, которая теперь используется для поиска далеких планет. Когда такие планеты проходят перед звездами-хозяевами, они слегка фокусируют свет звезды, вызывая паттерн осветления и затемнения, который астрономы могут обнаружить. Подобный метод также позволил астрономам измерить массу отдельных галактик, наблюдая, насколько сильно они искажают траекторию света, излучаемого еще более отдаленными источниками. Другой, более знакомый пример - система глобального позиционирования, которая опирается на открытие Эйнштейном того, что гравитация влияет на ход времени. Устройство GPS определяет свое местоположение путем измерения времени прохождения сигналов, полученных от различных орбитальных спутников. Без учета влияния силы тяжести на то, как проходит время на спутниках, система GPS не сможет правильно определить местоположение объекта, в том числе вашего автомобиля или управляемой ракеты.
Физики полагают, что обнаружение гравитационных волн способно создать собственное приложение, имеющее огромное значение: новый подход к наблюдательной астрономии.
Со времен Галилея мы направили телескопы в небо, чтобы собирать световые волны, испускаемые отдаленными объектами. Следующая фаза астрономии вполне может сосредоточиться на сборе гравитационных волн, создаваемых отдаленными космическими потрясениями, что позволит нам исследовать Вселенную совершенно новым способом. Это особенно захватывающе, потому что волны света не могли проникнуть через плазму, которая заполнила пространство, до тех пор, пока через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва - но волны гравитации могли. Таким образом, однажды мы можем использовать гравитацию, а не свет, как наш самый проницательный зонд самых ранних моментов вселенной.
Поскольку гравитационные волны слегка колеблются в пространстве, подобно звуковым волнам в воздухе, ученые говорят о «прослушивании» гравитационных сигналов. Принимая эту метафору, как чудесно представить, что второе столетие общей теории относительности может стать причиной для празднования физиками, наконец, услышав звуки творения.
Примечание редактора, 29 сентября 2015 г .: в предыдущей версии этой статьи неточно описано, как работают системы GPS. Текст был изменен соответственно.
