Предыдущая публикация
Величайшая ошибка Эйнштейна
Чтиво любознательным
В своей книге: «Оптика: трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света», опубликованной на английском языке в 1704 году, Исаак Ньютон анализирует фундаментальную природу света на примере преломления света призмами и линзами, дифракции света близко расположенными листами стекла и поведения цветовых смесей с помощью спектральных ламп или пигментных порошков. Книга «Оптика» стала вторым крупным трудом Ньютона по физическим наукам и считается одной из трёх основных работ по оптике периода научной революции. В конце книги Ньютон приводит список «вопросов» — нерешённых на тот момент физических задач. В частности, он пишет:
«И для отрицания такой среды мы имеем авторитет тех древнейших и знаменитейших философов древней Греции и Финикии, которые сделали вакуум, атомы и тяготение атомов первыми принципами своей философии, молчаливо приписывая тяготение какой-то иной причине, чем плотная материя. Позднейшие философы отбрасывают рассмотрение такой причины… придумывая [вместо неё] гипотезы для механического объяснения всего сущего [Но] главное дело натурфилософии — без притворных гипотез доказывать явления, выводить причины из следствий, пока мы не придём к самой первой причине, которая, конечно, не механическая.»
«И не только для того, чтобы раскрыть механизм мира, но и главным образом для того, чтобы разрешить такие вопросы, как «Что находится в местах, пустых от материи?» и «Почему солнце и планеты тяготеют друг к другу без плотной материи между ними? Почему природа ничего не делает напрасно? И откуда берётся весь тот порядок и красота, которые мы видим в мире? Для чего существуют кометы? И почему планеты движутся все одним и тем же путём в концентрических орбитах, а кометы — разными путями в очень эксцентрических орбитах? И что мешает неподвижным звёздам падать друг на друга?»
«И не только для того, чтобы раскрыть механизм мира, но и главным образом для того, чтобы разрешить такие вопросы, как «Что находится в местах, пустых от материи?» и «Почему солнце и планеты тяготеют друг к другу без плотной материи между ними? Почему природа ничего не делает напрасно? И откуда берётся весь тот порядок и красота, которые мы видим в мире? Для чего существуют кометы? И почему планеты движутся все одним и тем же путём в концентрических орбитах, а кометы — разными путями в очень эксцентрических орбитах? И что мешает неподвижным звёздам падать друг на друга?»
Ньютон сформулировал законы движения тел и достаточно хорошую на тот момент теорию гравитации, и что интересно, именно нюансы движения планет вынудили его последователей отправиться на поиски других теорий, а на вопрос «что мешает неподвижным звёздам падать друг на друга?» не смог правильно ответить и сам Эйнштейн, предложивший специальную теорию относительности в качестве расширения классической механики Ньютона.
Где теория гравитации Ньютона дала сбои на практике? Во-первых, она дала неверное предсказание прецессии перигелия орбиты Меркурия. Орбита Меркурия эллиптическая, как и предсказывает теория, но эллипс не остаётся всё время в одном и том же месте. Он прецессирует, т. е. при движении Меркурия по орбите вокруг Солнца весь эллипс вращается вокруг фокусной точки (т. е. Солнца). Эта прецессия очень мала — всего 570 секунд дуги в столетие (секунда дуги = 1» = 1/3600°). Большую часть этой прецессии можно понять в контексте теории гравитации Ньютона, если учесть возмущения орбиты, вызванные присутствием других планет. Однако, как только астрономы проделали эти вычисления, оказалось, что остаётся малое расхождение между предсказанием и наблюдаемым значением, составляющее около 40" в столетие. Это расхождение было полной загадкой для учёных на рубеже веков. Для его объяснения они даже дошли до предположения о существовании невидимой планеты (Вулкан) на дальней стороне Солнца. Только после публикации Эйнштейном своей работы по общей теории относительности смещение перигелия Меркурия стало по-настоящему понятным.
Где теория гравитации Ньютона дала сбои на практике? Во-первых, она дала неверное предсказание прецессии перигелия орбиты Меркурия. Орбита Меркурия эллиптическая, как и предсказывает теория, но эллипс не остаётся всё время в одном и том же месте. Он прецессирует, т. е. при движении Меркурия по орбите вокруг Солнца весь эллипс вращается вокруг фокусной точки (т. е. Солнца). Эта прецессия очень мала — всего 570 секунд дуги в столетие (секунда дуги = 1» = 1/3600°). Большую часть этой прецессии можно понять в контексте теории гравитации Ньютона, если учесть возмущения орбиты, вызванные присутствием других планет. Однако, как только астрономы проделали эти вычисления, оказалось, что остаётся малое расхождение между предсказанием и наблюдаемым значением, составляющее около 40" в столетие. Это расхождение было полной загадкой для учёных на рубеже веков. Для его объяснения они даже дошли до предположения о существовании невидимой планеты (Вулкан) на дальней стороне Солнца. Только после публикации Эйнштейном своей работы по общей теории относительности смещение перигелия Меркурия стало по-настоящему понятным.
Во-вторых, в ней не объяснялось, почему сила гравитации объекта пропорциональна его инерционной массе. Другими словами, она не объясняет, почему гравитационное ускорение не зависит от массы или состава объекта.
В-третьих, она постулирует наличие мгновенной силы гравитационного притяжения, то есть мгновенной передачи информации о местоположении одного объекта другому объекту за счёт изменения силы гравитации. То есть допускает передачу информации со скоростью, превышающей скорость света.
Эти три проблемы, вместе взятые, привели Эйнштейна к иному представлению о гравитации: вместо постулирования наличия невидимой, бесконечно быстро действующей силы, которая действует на всех расстояниях и во все времена, гравитацию можно объяснить просто искривлением пространства-времени, которое в свою очередь диктуется наличием в нём материи и энергии.
Суть теорий Эйнштейна, устранивших вышеперечисленные проблемы и в то же время радикально изменивших представления физиков о Вселенной, состоит в том, что:
Теория Эйнштейна дала правильное предсказание смещения перигелия Меркурия. Она также объяснила, почему объекты падают одинаково независимо от их массы: все они движутся по одной и той же прямой линии в искривлённом пространстве-времени. Наконец, в теории Эйнштейна мгновенная гравитационная сила заменяется кривизной пространства-времени. Перемещение массы приводит к образованию пульсаций в этой кривизне (гравитационных волн), которые распространяются со скоростью, равной скорости света. Таким образом, удалённая масса не ощущает мгновенного изменения гравитационной силы, и специальная теория относительности не нарушается.
Пытаясь объяснить расхождения теории Ньютона с реальностью, Эйнштейн в начале XX века сначала выдвинул и обосновал СТО, а потом у него в голове сложились три части головоломки, породившие общую теорию относительности (ОТО):
Предсказанная в рамках общей теории относительности амплитуда отклонения света на лимбе Солнца составляет 1,75", причём отклонение происходит в радиальном направлении от центра Солнца и линейно уменьшается с расстоянием. Предсказанное изгибание света в теории, в которой свет реагирует на гравитацию (действует принцип эквивалентности), но пространство-время не искривляется, составляет ровно половину от этого значения: 0,87". Эта модель в то время называлась ньютоновским предсказанием. Рассматривалась и третья возможность — нулевое отклонение.
В связи с этим несколько обсерваторий, специализирующихся на солнечных затмениях, пересматривали исторические фотоматериалы и/или организовывали специальные экспедиции на затмения в 1912, 1914 и 1918 годах. Ни одной из них не удалось получить нужных результатов. Следующее доступное затмение, 29 мая 1919 года, было исключительным в том отношении, что полное затмение должно было длиться относительно долго, а на фоне оказывалось звёздное скопление Гиады, обладающее исключительным количеством и пространственным распределением ярких звёзд. Королевский астроном сэр Фрэнк Дайсон признал, что это беспрецедентная возможность для проверки отклонения света от прямого пути, и поддержал организацию специальной экспедиции, которая «должна послужить для всесторонней проверки или опровержения теории Эйнштейна».
В-третьих, она постулирует наличие мгновенной силы гравитационного притяжения, то есть мгновенной передачи информации о местоположении одного объекта другому объекту за счёт изменения силы гравитации. То есть допускает передачу информации со скоростью, превышающей скорость света.
Эти три проблемы, вместе взятые, привели Эйнштейна к иному представлению о гравитации: вместо постулирования наличия невидимой, бесконечно быстро действующей силы, которая действует на всех расстояниях и во все времена, гравитацию можно объяснить просто искривлением пространства-времени, которое в свою очередь диктуется наличием в нём материи и энергии.
Суть теорий Эйнштейна, устранивших вышеперечисленные проблемы и в то же время радикально изменивших представления физиков о Вселенной, состоит в том, что:
- Пространство-время не является неизменной и постоянной «сценой», на которой происходят события. У него есть своя форма и структура, на которые влияет вещественно-энергетическое содержание Вселенной.
- Материя и энергия указывают пространству-времени, как искривляться.
- Пространство-время указывает материи, как двигаться. В частности, малые объекты движутся по самым прямым линиям в искривлённом пространстве-времени.
Теория Эйнштейна дала правильное предсказание смещения перигелия Меркурия. Она также объяснила, почему объекты падают одинаково независимо от их массы: все они движутся по одной и той же прямой линии в искривлённом пространстве-времени. Наконец, в теории Эйнштейна мгновенная гравитационная сила заменяется кривизной пространства-времени. Перемещение массы приводит к образованию пульсаций в этой кривизне (гравитационных волн), которые распространяются со скоростью, равной скорости света. Таким образом, удалённая масса не ощущает мгновенного изменения гравитационной силы, и специальная теория относительности не нарушается.
Пытаясь объяснить расхождения теории Ньютона с реальностью, Эйнштейн в начале XX века сначала выдвинул и обосновал СТО, а потом у него в голове сложились три части головоломки, породившие общую теорию относительности (ОТО):
- Специальная теория относительности, или представление о том, что каждый уникальный наблюдатель имеет своё собственное уникальное — но взаимно согласованное между наблюдателями — представление о пространстве и времени, включая расстояние между объектами, продолжительность и порядок событий.
- Переформулировка таких понятий, как пространство и время, проведённая Минковским. Он объединил их в единую четырёхмерную ткань, называемую пространством-временем, на фоне которой движутся и эволюционируют все другие объекты и наблюдатели.
- И принцип эквивалентности, который Эйнштейн неоднократно называл своей «самой счастливой мыслью» и который заключался в том, что наблюдатель в герметичной комнате, ускоряющийся из-за того, что он находится в гравитационном поле, не почувствует никакого отличия от такого же наблюдателя в такой же комнате, ускоряющегося из-за наличия тяги (или внешней силы), вызывающей это ускорение.
Предсказанная в рамках общей теории относительности амплитуда отклонения света на лимбе Солнца составляет 1,75", причём отклонение происходит в радиальном направлении от центра Солнца и линейно уменьшается с расстоянием. Предсказанное изгибание света в теории, в которой свет реагирует на гравитацию (действует принцип эквивалентности), но пространство-время не искривляется, составляет ровно половину от этого значения: 0,87". Эта модель в то время называлась ньютоновским предсказанием. Рассматривалась и третья возможность — нулевое отклонение.
В связи с этим несколько обсерваторий, специализирующихся на солнечных затмениях, пересматривали исторические фотоматериалы и/или организовывали специальные экспедиции на затмения в 1912, 1914 и 1918 годах. Ни одной из них не удалось получить нужных результатов. Следующее доступное затмение, 29 мая 1919 года, было исключительным в том отношении, что полное затмение должно было длиться относительно долго, а на фоне оказывалось звёздное скопление Гиады, обладающее исключительным количеством и пространственным распределением ярких звёзд. Королевский астроном сэр Фрэнк Дайсон признал, что это беспрецедентная возможность для проверки отклонения света от прямого пути, и поддержал организацию специальной экспедиции, которая «должна послужить для всесторонней проверки или опровержения теории Эйнштейна».
В итоге были отправлены две экспедиции, обе британские: на остров Собрал (Бразилия), где работали Чарльз Дэвидсон и Эндрю Кроммелин, астрономы Королевской Гринвичской обсерватории, и на остров Принсипе (Западная Африка) под руководством Артура Эддингтона из Кембриджа и при поддержке Эдвина Коттингема, часовщика из Кембриджа. Экспедиции взяли три телескопа: в Собрал — астрограф и 4-дюймовый телескоп, в Принсипи — астрограф. Все они были установлены горизонтально под солнцезащитными козырьками, а вид на небо подавался с помощью подвижного зеркала-целостата, установленного перед каждым телескопом.
Результаты измерений однозначно подтвердили правильность одного из предположений Эйнштейна, а это значило, что теорию стоило попробовать применить не только к отдельным звёздам, но и ко всей Вселенной (такой, какой её себе представляли во времена Эйнштейна).
Тогда, как и во времена Ньютона, Вселенная ещё казалась наблюдателям статичной, и представлялось очевидным, что если заполнить пространство материей и энергией, то в отсутствии отталкивающей силы всё это рано или поздно соберётся в одну точку и сколлапсирует в сингулярность — чёрную дыру. Так что же «мешало неподвижным звёздам падать друг на друга»?
Когда Эйнштейн обнаружил, что его первоначальные уравнения позволяют Вселенной расширяться или сжиматься, он не поверил в такую возможность, и ввёл в свои уравнения космологическую постоянную — «лишний» член, отвечающий только за то, чтобы наблюдаемая материя не стягивалась в одну точку. Также Эйнштейн в своих рассуждениях пришёл к выводу, что пространство имеет положительную пространственную кривизну (как поверхность шара), и вследствие этого Вселенная замкнута, то есть конечна.
Результаты измерений однозначно подтвердили правильность одного из предположений Эйнштейна, а это значило, что теорию стоило попробовать применить не только к отдельным звёздам, но и ко всей Вселенной (такой, какой её себе представляли во времена Эйнштейна).
Тогда, как и во времена Ньютона, Вселенная ещё казалась наблюдателям статичной, и представлялось очевидным, что если заполнить пространство материей и энергией, то в отсутствии отталкивающей силы всё это рано или поздно соберётся в одну точку и сколлапсирует в сингулярность — чёрную дыру. Так что же «мешало неподвижным звёздам падать друг на друга»?
Когда Эйнштейн обнаружил, что его первоначальные уравнения позволяют Вселенной расширяться или сжиматься, он не поверил в такую возможность, и ввёл в свои уравнения космологическую постоянную — «лишний» член, отвечающий только за то, чтобы наблюдаемая материя не стягивалась в одну точку. Также Эйнштейн в своих рассуждениях пришёл к выводу, что пространство имеет положительную пространственную кривизну (как поверхность шара), и вследствие этого Вселенная замкнута, то есть конечна.
И с этой константой начались проблемы. В 1917 году нидерландский астроном Виллем де Ситтер показал, что если взять модель Вселенной, в которой присутствует только космологическая постоянная, и нет других источников материи и энергии, то получится пустое четырёхмерное пространство-время, вечно расширяющееся с постоянной скоростью.
Затем работами Эйнштейна и Виллема де Ситтера очень заинтересовался ещё один великий ум того времени, российский и советский математик, гидромеханик, физик и геофизик Александр Александрович Фридман. Он принял в качестве рабочей гипотезы «лишний» член уравнений Эйнштейна, космологическую постоянную, но указал, что при различных значениях этой постоянной, а также при других предположениях Вселенная может вести себя совершенно по-разному. Статическая Вселенная, которую представлял себе Эйнштейн — это лишь частный случай; Вселенная также может расширяться вечно или расширяться некоторое время, затем сжиматься до определённой точки и снова начинать расширяться.
Работа Фридмана, описывающая динамические вселенные, под названием «О кривизне пространства» была принята к публикации в престижном журнале Zeitschrift für Physik 29 июня 1922 года.
Затем работами Эйнштейна и Виллема де Ситтера очень заинтересовался ещё один великий ум того времени, российский и советский математик, гидромеханик, физик и геофизик Александр Александрович Фридман. Он принял в качестве рабочей гипотезы «лишний» член уравнений Эйнштейна, космологическую постоянную, но указал, что при различных значениях этой постоянной, а также при других предположениях Вселенная может вести себя совершенно по-разному. Статическая Вселенная, которую представлял себе Эйнштейн — это лишь частный случай; Вселенная также может расширяться вечно или расширяться некоторое время, затем сжиматься до определённой точки и снова начинать расширяться.
Работа Фридмана, описывающая динамические вселенные, под названием «О кривизне пространства» была принята к публикации в престижном журнале Zeitschrift für Physik 29 июня 1922 года.
Эйнштейн возражал против такого подхода. Он написал в журнал заметку, в которой утверждал, что Фридман допустил математическую ошибку. Однако выяснилось, что ошибался сам Эйнштейн. На это его ошибку ему указал его новый хороший знакомый, ещё один русский советский физик-теоретик, Юрий Александрович Крутков. В 1922 году Крутков получил стипендию Рокфеллеровского фонда и отправился на стажировку в Германию и Голландию, где закупал оборудование и книги, а также активно налаживал научные связи, и кроме Эйнштейна встречался с Лоренцем, П. Дебаем и другими великими умами того времени.
Признав в итоге правильность математических выкладок Фридмана, Эйнштейн всё же не успокоился и продолжал отрицать их физическую обоснованность, заявив: «Ваши расчёты верны, но физика отвратительна».
Свой вклад в развитие теории внёс и Жорж Леметр — бельгийский священник, астрофизик, космолог и математик, автор теории Большого взрыва. В 1927 году Леметр опубликовал в Бельгии практически незамеченную работу, в которой дал убедительное решение уравнений общей теории относительности для случая расширяющейся Вселенной. Его решение в чём-то повторяло выкладки Фридмана, но последнего в основном интересовала математика ряда идеализированных решений (включая расширяющуюся и сжимающуюся вселенные), и он не рассматривал возможность того, что одно из них может действительно описывать физическую Вселенную. В отличие от него, Леметр подошёл к проблеме космологии с глубокой физической точки зрения и понял, что его решение предсказывает расширение реальной вселенной, полной различных галактик, о котором в то время только начали говорить наблюдения.
До 1997 года достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина, наличие которой зависит от эстетических предпочтений автора. В 1998 году две группы астрофизиков, одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса, провели измерения на далёких сверхновых, которые показали, что скорость убегания галактик относительно Млечного Пути увеличивается со временем. Вселенная находится в состоянии ускоренного расширения, что требует строго положительного значения космологической постоянной. Получалось, что Вселенная должна содержать непонятную пока силу — тёмную энергию — создающую отталкивающее воздействие, которая уравновешивает гравитационное торможение, производимое материей, содержащейся во Вселенной.
Получается, Эйнштейн всё-таки был прав, даже ошибаясь при этом.
Источник
Признав в итоге правильность математических выкладок Фридмана, Эйнштейн всё же не успокоился и продолжал отрицать их физическую обоснованность, заявив: «Ваши расчёты верны, но физика отвратительна».
Свой вклад в развитие теории внёс и Жорж Леметр — бельгийский священник, астрофизик, космолог и математик, автор теории Большого взрыва. В 1927 году Леметр опубликовал в Бельгии практически незамеченную работу, в которой дал убедительное решение уравнений общей теории относительности для случая расширяющейся Вселенной. Его решение в чём-то повторяло выкладки Фридмана, но последнего в основном интересовала математика ряда идеализированных решений (включая расширяющуюся и сжимающуюся вселенные), и он не рассматривал возможность того, что одно из них может действительно описывать физическую Вселенную. В отличие от него, Леметр подошёл к проблеме космологии с глубокой физической точки зрения и понял, что его решение предсказывает расширение реальной вселенной, полной различных галактик, о котором в то время только начали говорить наблюдения.
До 1997 года достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина, наличие которой зависит от эстетических предпочтений автора. В 1998 году две группы астрофизиков, одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса, провели измерения на далёких сверхновых, которые показали, что скорость убегания галактик относительно Млечного Пути увеличивается со временем. Вселенная находится в состоянии ускоренного расширения, что требует строго положительного значения космологической постоянной. Получалось, что Вселенная должна содержать непонятную пока силу — тёмную энергию — создающую отталкивающее воздействие, которая уравновешивает гравитационное торможение, производимое материей, содержащейся во Вселенной.
Получается, Эйнштейн всё-таки был прав, даже ошибаясь при этом.
Источник
Следующая публикация
Нет комментариев