Абсолютная общая теория относительности

Альберт Эйнштейн стал одним из самых востребованных персонажей массовой культуры. Почтовая открытка

2 декабря 2015 года исполняется 100 лет со дня публикации Альбертом Эйнштейном статьи с изложением положений общей теории относительности (ОТО) всего на четырех страницах! Эйнштейновская теория гравитации и по истечении почти 100 лет остается самой успешной гравитационной теорией, хорошо подтвержденной точными наблюдениями и экспериментами. Так, во время полетов на Луну американских астронавтов по программе «Аполлон» расстояние между Землей и ее естественным спутником измерялось с точностью до 30 см. Такая точность измерения позволила подтвердить теорию Эйнштейна: инертная масса и гравитационный заряд с учетом энергии гравитации связи здесь совпадают с точностью до 10–11.

Science торопится

В связи с этим и неудивительно, что престижный американский научный журнал Science решил опередить другие профильные издания, посвятив свой специальный выпуск предстоящему 100-летию появления в печати знаменитой статьи Альберта Эйнштейна. Тема номера была вынесена на обложку – «General Relativity turns 100». В этот выпуск вошли 10 статей более трех десятков ученых.

Спецвыпуск начинается с предисловия двух научных обозревателей Маргарет Мюрхен и Роберта Гунтца «Einstein’s Vision» («Взгляд Эйнштейна»), где подчеркивается представление о том, что сидящий в лаборатории с утра до ночи в течение многих лет ученый это мифологическое представление о том, как делается наука. В действительности же прогресс в науке создается коллективом ученых – единой командой исследователей, отдельные гении не могут создать революционные теории… Но Альберт Эйнштейн это сделал. Он, пожалуй, был и остается исключением.

Общеизвестно, что создание квантовой теории – совместное достижение многих исследователей, среди которых блистали Луи де Бройль, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Поль Дирак и др. В то время как общая теория относительности, как и специальная теория относительности (1905) были сформулированы лишь благодаря разуму отдельного человека. К концу 1915 года Эйнштейн пришел к твердому выводу, что гравитация – лишь отражение кривизны четырехмерного пространства-времени, выраженной через массу и энергию.

И через 100 лет наука, прежде всего физика, достигшая невиданных успехов, все еще оперирует постулатами ОТО в раскрытии тайн Вселенной – в поисках гравитационных волн, исследованиях сверхмощной гравитации черных дыр, расположенных в центре нашей Галактики, да и в поисках сценариев происхождения самой Вселенной. Именно поэтому Science посвящает свой спецвыпуск столь невероятным достижениям этой, по сути, единственной теории, заключают авторы предисловия.

Наблюдения 

и подтверждения

Альберт Эйнштейн взорвал свою интеллектуальную бомбу, общую теорию относительности, как раз в тот период, когда реальные бомбы и снаряды Первой мировой войны громыхали почти по всей территории Европы. Многие видные ученые-физики оказались на фронтах боевых действий. Поразительно, что немецкий физик Карл Шварцшильд, призванный в армию в качестве артиллерийского офицера и попавший на российский фронт, успел зафиксировать на небосклоне странный сферический объект огромной массы без каких-либо признаков вращения – именно этот факт позже подтолкнул ученых к исследованиям так называемых черных дыр. Шварцшильд написал по этому поводу письмо Эйнштейну, в котором подчеркивал, что даже под грохотом снарядов и бомб он не перестает думать об идеях, выдвинутых им. Вскоре Шварцшильд скончался от полученных ран.

Другой немецкий ученый, астроном Эрвин Фройндлих, летом 1914 года со своей научной группой в Крыму наблюдал за солнечным затмением в попытках зафиксировать изменения гравитационного эффекта нашего светила. Но сразу после начала войны они были арестованы, и астрономические приборы у них изъяли – наблюдения остались незавершенными. Позже, через пять лет после окончания войны, британский астроном Артур Эдингтон на острове Principle смог четко зафиксировать отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения. Это полностью подтвердило предсказания общей теории относительности.

Тут необходимо вернуться немного назад. В конце 1915 года астрономы четко зафиксировали аномальные отклонения в орбите Меркурия, что, пожалуй, является первым наглядным подтверждением правоты ОТО. Именно эти отклонения в перигелии Меркурия сильно вдохновили Эйнштейна и дали толчок к немедленной публикации его знаменитой статьи. Обо всем этом подробно пишет в своем научном обзоре Эмили Коновер. Далее она называет в качестве «красных дат» подтверждение ОТО еще четырех важных астрономических наблюдений.

В 1935 году молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекхар, изучая в Лондоне соотношение между уравнениями квантовой механики и общей теорией относительности, пришел к выводу, что крупные, массивные звезды отличаются нестабильностью и к концу жизни превращаются в необычные объекты – черные дыры. Впрочем, сам термин «черные дыры» будет предложен значительно позже, после публикации оригинальных теоретических работ выдающегося индийского физика, удостоенного в 1983 году Нобелевской премии.

В 1936 году Альберт Эйнштейн совместно с профессором Натаном Розеном направил в журнал Physical Review статью под интригующим названием «Существуют ли гравитационные волны?». Их окончательный ответ был – нет. В это время как раз в научных журналах начали практиковать внутренние закрытые рецензии. Когда Эйнштейн узнал, что их статья получила критическую оценку, он немедленно отозвал ее и направил в другой журнал, но уже под другим заголовком «О гравитационных волнах», где авторы пришли к противоположным выводам и почти однозначно заявили о возможности существования гравитационных волн. Небезынтересно, пишет обозреватель Science, что Эйнштейн больше никогда не направлял свои статьи в Physical Review.

Тут любопытно отметить, что свою первую статью в журнале Science Альберт Эйнштейн опубликовал 2 января 1920 года. В ней он в научно-популярной форме излагал свою ОТО в связи с предстоящим пятилетием первой публикации. Позже в Science появились десятки статей Эйнштейна.

ОТО становится ближе

Милестон, 1974 год. Наблюдая в Пуэрто-Риканской обсерватории за поведением нейтронной звезды PSR B1913+16, американские астрофизики Джозеф Тейлор и Рассел Хюлз обнаружили странное явление: импульсы сигналов, приходящие от упомянутой звезды в радиоволновом диапазоне, как правило, через 59 миллисекунд, иногда стали показывать другую периодичность – на десятки миллисекунд больше или меньше. Потом ученым удалось выяснить, что нейтронная звезда, вращающаяся вокруг другой, как бы меняет периодичность своих сигналов в зависимости от траектории движения – в направлении Земли или от нее. Это, по существу, подтверждение ОТО Эйнштейна о том, что нейтронные звезды теряют энергию, испуская гравитационные волны.

Значительно позже, в 80-х годах прошлого века, ученое сообщество пришло к выводу о том, что подобные пары нейтронных звезд рано или поздно, через несколько сотен миллионов лет, столкнутся между собой, испуская гравитационные волны огромной энергии. Тейлор и Хюлз в 1993 году стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

Создание GPS (Global Positioning System – система глобального позиционирования) было бы совершенно невозможным без учета одного из главных параметров ОТО – «растяжения времени». Именно для этих целей NASA запустила в 1977 году специальный спутник, где были установлены особо точные цезиевые часы для синхронизации временных параметров прохождения электромагнитных волн от спутниковых установок GPS до ваших мобильных телефонов. Такое уточнение относительного значения времени, как это предполагает ОТО, способствует точному вычислению местонахождения получателя сигналов от GPS. Дело в том, что часы на спутниках GPS на несколько десятков миллисекунд опережают время у навигаторов, находящихся на Земле. Если не учитывать этот параметр ОТО, то вся система навигации GPS становится абсолютно бесполезной.

Профессор Принстонского университета Дэвид Шпергел посвятил свою статью «Темная сторона космологии» рассмотрению сквозь призму ОТО сущности темной материи и темной энергии. По мнению автора, стандартная космическая модель (СКМ) – довольно простая теория, состоящая всего из шести параметров, а именно: возраст Вселенной, плотность атомов, плотность материи Вселенной, амплитуда первоначальной флуктуации, зависимость космических структур от упомянутой флуктуации и эпоха формирования первых звезд.

На первый взгляд СКМ выглядит как весьма понятная простейшая модель. В то же время это довольно странная модель. Прежде всего речь идет о темной материи, состоящей из абсолютно неизвестных для науки частиц, а также о темной энергии, составляющей большую часть энергии Вселенной. Экспериментальное подтверждение существования темной материи и темной энергии, безусловно, потребует пересмотра стандартной модели современной физики, а возможно, даже опровержения общей теории относительности в крупных космических масштабах. Именно это направление научных исследований приобретает фундаментальное значение в XXI веке, заключает профессор Шпергел.

Профессор Р.Д. Бландфорд в своей статье отмечает, что через 100 лет после своего появления на научном небосклоне ОТО утвердилась как самая успешная концептуальная физическая теория, прошедшая огромное число экспериментальных тестов и наблюдений, а главное, находит надежное применение для исследований широкого спектра космических феноменов. ОТО приобретает особое значение для понимания сущности черных дыр и нейтронных звезд – источников мощных, порой драматически громадных космических процессов. Поэтому ОТО, по оценке профессора Бландфорда, остается важной сферой изучения и применения и на последующее столетие.

Профессор Мишель Янссен из Университета Миннесоты (США) в своей статье «Beyond General relativity» («За пределами теории относительности») акцентирует внимание читателей на том, что последние 30 лет своей жизни Альберт Эйнштейн посвятил методологическим задачам науки и попыткам решения эпической задачи – унификации всех природных сил, утверждению теории Великого объединения. Однако ему не удалось здесь добиться полного успеха, и эта задача до сих остается нерешенной.

Небезынтересно, что Эйнштейн, объединивший понятия пространства и времени, пришел к такому эпохальному выводу через глубокое изучение природы гравитации! Поиски и изучение гравитационных волн в последние 15–20 лет стали весьма интригующим направлением современной космологии. Эти эксперименты требуют объединения усилий многих коллективов ученых, финансовых и новых технологических ресурсов.

Вот что пишет об этом профессор Даниел Крери в статье под «темным» названием Dark lab («Темная лаборатория»). Большая команда американских и европейских астрофизиков, базирующихся в нескольких научных центрах, с привлечением ресурсов полдюжины обсерваторий, расположенных в Чили, Мексике, США, на Южном полюсе, а также в Северной и Южной Европе, где будут установлены новейшие сверхчувствительные детекторы, намерены в ближайшие три-четыре года решить сверхамбициозную задачу – проверку действия законов ОТО в центре нашей Галактики.

Астрофизики, изучая импульсы излучения, исходящие из центра Млечного Пути в миллиметровом радиодиапазоне, высказали предположение, что в самом центре нашей Галактики находится супермассивная черная дыра, масса которой в 4 млн раз превышает массу Солнца! Стало быть, там находится область космического пространства с самым мощным гравитационным полем. Но проблема в том, что для интенсивных наблюдений это пространство под названием Sagittarius A (Sgr. A) почти недоступно из-за «ослепляющих» лучей нескольких квазаров, особенно S2.

Астрономы предполагают, что к 2018 году звезда S2 пройдет на самом близком расстоянии от упомянутой черной дыры. Это позволит зафиксировать тень супермассивной черной дыры, тем самым зафиксировать ее основные параметры, а главное, как раз это может подтвердить или опровергнуть общую теорию относительности в таких супермасштабах.

Вся надежда на LIGO

Сверхчувствительные детекторы LIGO в ближайшие годы смогут раскрыть тайны гравитационных волн, пишет Science. После нескольких десятков лет усилий американские ученые близки к раскрытию тайн гравитационных волн, предсказанных Альбертом Эйнштейном. В частности, этому может помочь фиксация мощных сигналов в процессе слияния двух нейтронных звезд или образования новой черной дыры. Для этих целей в двух научных центрах США – в Ливингстоне (штат Луизиана) и  Хафорде (штат Вашингтон) – завершается установка сверхчувствительных лазерных интерферометров LIGO, способных зарегистрировать и интерпретировать сигналы гравитационных волн. Если такое произойдет, то тем самым будет подтвержден основной принцип ОТО. Что в конечном счете откроет новые возможности в познании космоса.

Спецвыпуск Science завершается публикацией, подготовленной командой знаменитого космического телескопа Хаббл – коллектива ученых из 30 человек под сложным названием «Multiple images of highly magnified supernova formed an early-type cluster galaxy lens». Не будем утомлять наших читателей попыткой точного перевода заголовка этой весьма сложной по научным параметрам статьи. Кратко вот о чем идет речь.

Уже в далеком 1964 году астрофизик Рефедал высказал предположение о том, что лучи сверхновой звезды, проходящие через мощное гравитационное поле, могут быть использованы для измерения темпов расширения Вселенной. Упомянутая статья в Science как раз является подтверждением этой давней гипотезы. Телескоп Хаббл зафиксировал четыре изображения одной сверхновой, составляющих по форме так называемую конфигурацию Einstain cross («Крест Эйнштейна») вокруг эллиптической галактики в кластере Macsj1149,6 + 2223.

Гравитационный потенциал кластера создает также множественные имиджи другой спиральной сверхновой звезды из соседней галактики. Причем эта суперновая вновь может появиться в другом кластере через определенное время. Все это как раз свидетельствует о темпах расширения Вселенной, о распределении материи в Галактике и замедлении времени в гравитационном поле.

Тут необходимо подчеркнуть, что появление упомянутой статьи в Science, по существу, стало главной астрономической сенсацией начала 2015 года. Причем мировые СМИ дали этому явлению примерно такую интерпретацию. Космический телескоп Хаббл зарегистрировал нейтронную звезду, которая появилась 9 млрд лет тому назад из точечной сингулярности бесконечно большой плотности. Как известно, сингулярности непредсказуемы, поскольку там нарушаются все известные нам физические законы, кстати и ОТО тоже там не действует.

Как бы то ни было, Хаббл зарегистрировал упомянутые четыре пересекающихся имиджа лучевой линзы, «запущенной» в свое время – 5 млрд лет тому назад – в сторону нашей Галактики. И все это прекрасно «очертило» феномен Креста Эйнштейна, что, по существу, является прекрасным историко-пространственным подтверждением общей теории относительности...

Как будто кто-то специально старался приурочить это событие к 100-летию уникально успешной теории Альберта Эйнштейна.