И снова эйнштейн оказался прав

Эйнштейна не всегда считали гением. Когда он впервые высказал свои сомнительные мысли об относительности, некоторые ученые организовали протесты. Другие просто поносили Эйнштейна в прессе, порицая его как за опасные идеи, так и за еврейское происхождение.

Но работа ученого перевернула физику с самого основания. Вселенная Эйнштейна быстро и непринужденно играет с понятиями положения и скорости - кроме света, который всегда проносится в вакууме со скоростью 300 миллионов метров в секунду. Пространство и время перемешаны в четырехмерную мелассу под названием пространство-время, которую может растягивать и искривлять вещество, материя, масса. И движущаяся материя идет по кривым пространства-времени - скрытую геометрию, которую мы воспринимаем как гравитацию.

Звучит как сущая нелепица.

Но за последние 100 лет эксперименты показывали снова и снова: Эйнштейн прав. Его теория была доказана слишком много раз, чтобы перечислять все эти разы здесь, но даже самые яркие случаи впечатляют.



Свет - это и волна, и частица

Имя Эйнштейна чаще всего связывают с относительностью, но Нобелевскую премию он получил за работу над светом. Классическая физика постулировала, что свет - это волна, но эта теория не могла объяснить, как и почему металлы испускают электроны при подсветке - это явление называется фотоэлектрическим эффектом.

Эйнштейн объяснил это странное поведение, предположив, что свет на самом деле состоит из дискретных волновых пакетов (фотонов), обладающих энергией, связанной с их частотой. Это открытие привело к появлению квантовой физики, в которой все атомы ведут себя странным волновым образом, и Эйнштейн помог случиться этому открытию.

Пространство-время может изгибаться

Первая крупная победа Эйнштейна в области ОТО пришла, когда он объяснил загадочное колебание орбиты Меркурия. В 1859 году блестящий французский астроном Урбен Леверье приписал этот эффект еще не виданной планете под названием Вулкан, мол, она притягивает Меркурий. Но годы поисков не привели ни к чему, никакого Вулкана никто не нашел.

К величайшей радости Эйнштейна, его новая теория относительности принесли Вулкан к его ногам, показав, что масса Солнца искривляет ближайшее пространство-время, подобно тому, как шар для боулинга будет искривлять упругую, но мягкую поверхность. Поскольку Меркурий так близок к Солнцу, его колеблющаяся орбита - это ближайший путь через пространство-время, искривленное массой Солнца. Нет и не было никакой еще одной планеты: все дело в геометрии Вселенной, о которой не подозревал Ньютон.

Пространство-время может быть "линзой"

Эйнштейн снова оказался прав в мае 1919 года во время полного солнечного затмения. По теории относительности, пространство-время, искривленное массой солнца, будет изгибать входящий свет звезд, подобно линзе.

Британский астроном Артур Эддингтон делал большие снимки затмения и обнаружил, что Солнце растянуло звездное скопление Гиады, искривив свет отдельных звезд примерно на одну двухтысячную долю градуса - в соответствии с прогнозом Эйнштейна, который удвоил искривление, предсказанное ньютоновой физикой.

Даже Эйнштейн не ожидал, насколько полезным этот феномен окажется для астрономов: используя сами галактики как гигантские линзы, астрономы могут заглянуть в прошлое, в самые ранние годы Вселенной. И когда астрономы видят, что линзирование вызывается некими невидимыми массами, это позволяет им составлять карты обширных площадей темной материи.



Вращение масс закручивает пространство-время

Мало того, что материя искривляет пространство-время, как тот самый шар для боулинга, так вращающиеся массы вроде Земли легко стягивают пространство вокруг себя, как ложечка в патоке. Это влияет на орбиты ближайших спутников - причудливый эффект увлечения инерциальных систем отсчета, эффект Лензе - Тирринга.

Предсказанный в 1918 году общей теорией относительности, эффект Лензе - Тирринга получил подтверждение в 2004 году, когда ученые обнаружили, что вращение Земли легко сместило орбиты двух спутников. В 2011 году зонд NASA Gravity Probe B подтвердил находку и уточнил цифры.

Гравитация замедляет время

Уравнения Эйнштейна также наделяют материю способностью ускорять или замедлять время - и изменять цвет света.

Мы можем наблюдать правоту этого странного предсказания даже с Земли: свет далеких звезд принимает высокие частоты - или выглядит более синим - чем увидел бы наблюдатель в глубоком космосе. И чем дальше вы отходите от гравитационного колодца Земли, тем ниже и ниже частоты принимает свет, излученный с Земли, подчиняясь эффекту гравитационного красного смещения.

В конце концов, игнорировать теорию относительности не может даже ваш смартфон: без релятивистских поправок, часы на спутниках GPS тикали бы на 38 микросекунд быстрее с каждым днем, чем на поверхности Земли, разрушая точность системы спустя две минуты и добавляя 10 километров ошибок ежедневно.