Так чи мав рацію Ейнштейн перевіряємо теорію відносності

Загальної теорії відносності Ейнштейна виповнилося 100 років. До сих пір її не змогли спростувати. Нові технології дають шанс дізнатися, так чи правий був Ейнштейн.

Сто років тому, в 1915 році, молодий швейцарський вчений, який на той момент вже зробив революційні відкриття у фізиці, запропонував принципово нове розуміння гравітації.

Сто років потому загальна теорія відносності (ЗТВ) стала основою для побудови сучасної науки, вона витримала всі випробування, з якими на неї накинулися вчені.

Але до недавнього часу було неможливо проводити експерименти в екстремальних умовах, щоб перевірити стійкість теорії.

Дивно, наскільки сильною показала себе теорія відносності за 100 років. Ми все ще користуємося тим, що написав Ейнштейн!

Кліффорд Уїлл, фізик-теоретик, Флоридський університет

Тепер у вчених є технологія, за допомогою якої можна шукати фізику за межами ОТО.

Новий погляд на гравітацію

Загальна теорія відносності описує гравітацію не як силу (так вона постає в ньютонівської фізики), а як викривлення простору-часу за рахунок маси об'єктів. Земля обертається навколо Сонця не тому, що зірка її притягує, а тому, що Сонце деформує простір-час. Якщо на розтягнуте ковдру покласти важкий кулю для боулінгу, обділяє змінить форму - гравітація впливає на простір приблизно так само.

Теорія Ейнштейна передбачила кілька божевільних відкриттів. Наприклад, можливість існування чорних дір, які викривляють простір-час до такої міри, що нічого не може вирватися зсередини, навіть світло. На основі теорії були знайдені докази загальноприйнятій сьогодні думку, що Всесвіт розширюється і прискорюється.

Загальна теорія відносності була підтверджена численними спостереженнями. Сам Ейнштейн використовував ОТО, щоб розрахувати орбіту Меркурія, чиє рух не може бути описано законами Ньютона. Ейнштейн передбачив існування об'єктів настільки масивних, що вони викривляють світ. Це явище гравітаційного лінзування, з яким часто стикаються астрономи. Наприклад, пошук екзопланет заснований на ефекті ледь помітних змін в випромінюванні, викривленому гравітаційним полем зірки, навколо якої обертається планета.

Перевірка теорії Ейнштейна

Загальна теорія відносності добре працює для гравітації звичайної сили, як показують досліди, проведені на Землі, і спостереження за планетами Сонячної системи. Але її ніколи не перевіряли в умовах екстремально сильного впливу полів в просторах, що лежать на кордонах фізики.

Найбільш перспективний спосіб тестування теорії в таких умовах - спостереження за змінами в просторі-часі, які називаються гравітаційними хвилями. Вони виникають і результат великих подій, при злитті двох масивних тіл, таких як чорні діри, або особливо щільних об'єктів - нейтронних зірок.

Космічний феєрверк такого масштабу відіб'ється на просторі-часі тільки найменшої брижами. Наприклад, якби дві чорні діри зіткнулися і злилися десь в нашій Галактиці, гравітаційні хвилі могли б розтягнути і стиснути відстань між об'єктами, що знаходяться на Землі в метрі один від одного, на одну тисячну діаметра атомного ядра.

З'явилися експерименти, які можуть зафіксувати зміни простору-часу внаслідок таких подій.

Є непоганий шанс зафіксувати гравітаційні хвилі в найближчі два роки.

Лазерно-інтерферометрична обсерваторія гравітаційних хвиль (LIGO) з обсерваторіями в околицях Річленд (Вашингтон) і Лівінгстона (Луїзіана) використовує лазер для визначення найдрібніших спотворень в подвійних Г-образних детекторах. Коли брижі простору-часу проходить через детектори, вона розтягує і стискає простір, внаслідок чого детектор змінює розміри. А LIGO може їх виміряти.

Ще один спосіб протестувати теорію відносності - подивитися на властивості гравітаційних хвиль. Наприклад, вони можуть бути поляризовані, як світло, що пройшло через поляризаційні окуляри. Теорія відносності пророкує особливості такого ефекту, і будь-які відхилення від розрахунків можуть стати приводом засумніватися в теорії.

Єдина теорія

Кліффорд Уїлл вважає, що відкриття гравітаційних хвиль тільки зміцнить теорію Ейнштейна:

Думаю, ми повинні продовжувати пошук доказів загальної теорії відносності, щоб бути впевненими в її правоті.

А навіщо взагалі потрібні ці експерименти?

Одна з найважливіших і важкодосяжних завдань сучасної фізики - пошук теорії, яка зв'яже воєдино дослідження Ейнштейна, тобто науку про макросвіті, і квантову механіку. реальність найдрібніших об'єктів.

Успіхи цього напрямку, квантової гравітації. можуть зажадати внести зміни в загальну теорію відносності. Можливо, що експерименти в галузі квантової гравітації зажадають стільки енергії, що їх буде неможливо провести. «Але хто знає, - говорить Віл, - може, в квантової всесвіту існує ефект, незначний, але доступний для пошуку».