100 лет общей теории относительности — всего-то?

25 ноября 1915 года Альберт Эйнштейн, наконец, объявил исчерпывающие математические подробности своей общей теории относительности (ОТО). По этому поводу Моноклер переводит эссе астронома Национального аэрокосмического института Стена Оденвальда (Sten Odenwald), который рассказывает, что гравитация и природа пространства остаются сегодня такими же загадочными, какими были и тогда.

Сегодня все мы привыкли слышать о том, что общая теория относительности описывает гравитацию как «искажение пространства» и что эта теория привела к ряду сенсационных открытий и объяснений – например, космологической гипотезы Большого Взрыва, черных дыр и замедления хода времени под влиянием гравитации.

Мы даже слышали об эффекте Лензе — Тирринга, предсказанном в 1918 году, согласно которому вращающиеся тела могут «стягивать» само пространство и вызывать удивительные, но очень слабые изменения поведения вращающихся гироскопов в гравитационном поле. Этот причудливый феномен был детально изучен спутником NASA Gravity Probe B.

Если вы хотите узнать больше об общей теории относительности, достаточно выйти в Интернет, где есть сотни ресурсов, рассказывающих о ней. Но, несмотря на её популярность и тот прогресс, толчком которого она стала, остаются весьма колючие детали, которые требуют разработки или непосредственного наблюдения.

 

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ

100 лет общей теории относительности Эйнштейна

Искажение пространства-времени, вызванное вращением Земли (Фото: NASA / GP-B)

Теория относительности базируется на идее, что пространство и время образуют единую физическую сущность под названием «пространство-время». Каждый раз, когда вы пытаетесь описать поведение чего-то, вам необходимо описывать его эффекты не только в связи с тремя измерениями пространства, но и четвертым временным измерением. Они тесно связаны друг с другом, особенно когда вы математически описываете физические процессы. Вы не можете просто путешествовать из одной точки в другую с определенной скоростью, вы должны учитывать, как это движение меняется с течением времени. Всё это элементарные вещи — написано множество статей о том, как «замедляется ход времени» и «объекты сжимаются по направлению движения». Но общая теория относительности добавляет ещё одну странную деталь к описанию четырехмерного пространства-времени.

В первую очередь ОТО утверждает, что пространство-время и гравитационные поля — одно и то же. Они описываются одним и тем же математическим символом в теории. Гравитация — это не сила вообще, а констатация того, как объекты движутся в пространстве-времени. Если они движутся по прямой, то не будет вообще никакой гравитационной силы. Вот что вы почувствовали бы в совершенно пустом пространстве. Но в присутствии материи (или энергии) пространство-время искажается геометрически, так что самые прямые линии из возможных в четырех измерениях становятся искаженными. Мы испытываем это искривление в четырех измерениях как изменение ускорения или гравитационную силу между этими объектами. Но что касается того, почему объекты (и энергия) могут искажать пространство-время, этот вопрос до сих пор остаётся без ответа.

В других ситуациях, как, например, с электромагнитной силой, мы имеем дело с полем, которое растягивается через пространство и расширяется со скоростью света из своего источника. Это силовое поле встраивается в пространство, подобно краске, оставшейся в мазке краски на вашей стене. Но общая теория относительности говорит, что гравитация совсем не такая. То, что мы называем пространством-временем, само по себе является гравитацией. В отличие от электромагнитного поля, гравитация не «окрашивает» поверхность пространства-времени. Чтобы понять в полной мере, что такое гравитация, вам нужно хорошо усвоить, что такое пространство и время как физические вещи, а не математические абстракции! Эйнштейн оставил две таких цитаты:

Пространство и время являются принципами нашего мышления, а не условиями, в которых мы живём.

Пространство-время не претендует на собственное существование как таковое, только на роль структурного качества [гравитационного] поля.

 

НЕ ВСЕ СИЛЫ ОДИНАКОВЫ

Общая теория относительности Эйнштейна

Искаженное пространство вокруг скопления галактик CL0024 (Фото: Большой синоптический обзорный телескоп Консорциум)

За последние 100 лет мы усвоили из многочисленных экспериментов, что гравитация принципиально отличается от других трёх сил. Эти три силы — электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие – всё, что нам нужно для описания природы материи и её взаимодействия. Это описание называется Стандартной моделью и является удивительно точной математической моделью, способной объяснить самые сложные эксперименты, проводимые в настоящее время на Большом адронном коллайдере в CERN.

Хотя физики пытались описать гравитацию (пространство-время) тем же математическим языком, что используется в Стандартной модели, это привело к массе технических проблем. Не потому, что математики недостаточно изобретательны (ведь в результате этих попыток у нас появилась теория струн и петлевой квантовой гравитации), а потому, что по-прежнему всё это не доказывает, что гравитация (пространство-время) является того же рода «квантовым полем», что и поля Стандартной модели. Лауреат Нобелевской премии Фримен Дайсон отмечал:

…Теории квантовой гравитации [могут быть] непроверяемы и научно бессмысленны. В таком случае классическая вселенная и квантовая вселенная могли бы сосуществовать тихо и мирно. Не было бы никакого несоответствия между двумя этими картинами. Обе картины вселенной могут быть верными, и поиск теории объединения может оказаться иллюзией.

Ричард Фейнман также отметил в 1962 году:

Крайняя слабость квантовых гравитационных эффектов в настоящее время представляет некоторые философские проблемы. Может быть, природа пытается сказать нам что-то новое, может, мы не должны пытаться квантовать гравитацию. Все еще возможно, что квантовая теория не гарантирует нам, что гравитация должна квантоваться.

Сегодня мы знаем о теории струн и других математических моделях пространства-времени и гравитации, но они не отражают картины того, как на самом деле может выглядеть гравитация или пространство-время. Так же, как схематические диаграммы, используемые для сборки радиоприемников, которые не описывают движение электронов через цепь компонентов, струны и петли просто могут быть нашими математическими инструментами, которые помогают делать определённые расчёты. Они также похожи на символические диаграммы Фейнмана, используемые для описания электромагнитных квантовых взаимодействий. Однако эти вычисления не востребованы на практике, поскольку в настоящее время нет данных, которые сообщали бы о необходимости «квантовать» гравитацию для объяснения известных наблюдаемых измерений.

Мы можем утверждать, что физика была бы проще, если бы пространство-время квантовалось, но нет никаких свидетельств того, что наша особая тяга к объединению действительно необходима реальному миру. Природа могла бы быть математически более красивой, если пространство-время оказалось бы полем, состоящим из гравитонов или других квантовых элементов, но эти требования подгоняются математическими интересами, а не очевидными или необходимыми потребностями физики. И всё же поиск стоит всех усилий, поскольку общая теория относительности в свои 100 лет продолжает задавать нам вопрос, как материя может «генерировать» пространство-время вокруг нас, или, наоборот, как пространство-время может генерировать вселенную и её физическое содержание. В теории Эйнштейна есть решения, в которых пространство-время не содержит материи вообще и, соответственно, вообще не требует его источника. Существуют также новейшие теории, которые и вовсе указывают на то, что информация более фундаментальна, чем само пространство-время.

Всё это сводится к одному: если мы не знаем, чем является пространство-время с точки зрения физического агента, как мы вообще можем пытаться понять гравитацию или манипулировать ей искусственно, не говоря уж о создании «варп-двигателей»?

Возможно, когда ОТО исполнится 200, мы всё это поймем. Или нет?..

Источник: «Happy Birthday Einstein! 100 years of General Relativity», Huffington Post.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Обозреватель:

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: