Альберт Эйнштейн в первую очередь известен своей теорией относительности. В ней заложена одна простая идея: описание различных физических явлений зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Из этого следует другой фундаментальный тезис: законы природы, которые ответственны за определенные события, остаются неизменными (инвариантными) и не зависят от способа описания этих событий. Кроме того, именно Эйнштейн предложил рассматривать Вселенную как четырехмерное пространство, в которое помимо длины, ширины и высоты входит время.
Такой подход теоретически делает возможным ряд невероятных вещей, например, эффект замедления времени, согласно которому часы, движущиеся относительно наблюдателя, становятся медленнее, чем часы у него на руке. Однако из-за технических ограничений долгие годы расчеты Эйнштейна нельзя было ни подтвердить, ни опровергнуть — многие тезисы получили доказательства только спустя сто лет после первой публикации. Вот некоторые современные наблюдения, которые подтвердили, что Эйнштейн был прав.
Первое изображение черной дыры
Общая теория относительности (ОТО) описывает гравитацию как следствие деформации пространственно-временного континуума. Другими словами, Земля вращается вокруг Солнца вовсе не из-за силы взаимного притяжения, а из-за того, что звезда своей массой создает углубление в упругой ткани пространства-времени.
Чтобы понять, как именно это работает, достаточно вообразить себе батут с плотно натянутой тканью. Если на него положить тяжелый предмет (в данном случае Солнце), материал прогнется, образовав вокруг объекта своеобразную впадину-воронку. По ней-то в теории и вращаются более маленькие предметы, например крошечный шарик Земли. С точки зрения теории относительности даже сила тяжести — еще одно проявление искривления пространства-времени, а вовсе не сила, описанная Ньютоном.
Теория Эйнштейна также допускает, что во Вселенной могут существовать сверхмассивные объекты, которые настолько сильно деформируют ткань пространства-времени, что в образуемую ими ворону "скатывается" все, даже свет. И хотя сам физик не верил в то, что подобное возможно в реальности, открытие черных дыр подтвердило, что фантастическая теория верна.
Когда же ученые в 2019 году с помощью телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope) сумели впервые сфотографировать сверхмассивную черную дыру, оказалось, что Эйнштейн, сам того не подозревая, был прав и в других специфических вещах. Физик предположил, что у каждой черной дыры есть условная точка невозврата, которую также называют горизонтом событий.
ЧТО ТАКОЕ ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ?
Это особая граница в астрофизике, связанная со второй космической скоростью (эту скорость необходимо развить меньшему объекту, чтобы преодолеть гравитационное притяжение большего). Дело в том, что чем сильнее гравитация космического тела, тем большую скорость необходимо развить, чтобы от него "отделаться". Однако в случае с черной дырой это может быть невозможно: после определенной точки (горизонта событий) избежать ее притяжения не может даже свет — самый быстрый объект во Вселенной.
По мнению физика, горизонт событий по форме напоминал бы круг, а его размер напрямую зависел бы от массы черной дыры.
И в 2019 году эйнштейновскую теорию подтвердили. Event Horizon Telescope сумел сфотографировать сверхмассивную черную дыру, которую как бы обрамляло падающее в нее вещество. Это наблюдение доказало, что Эйнштейн был прав в специфических подсчетах размера горизонта событий, а также в том, какая у него форма.
Гравитационные волны
Теория относительности Эйнштейна предполагает, что на ткани пространства-времени могут появляться огромные гравитационные волны. Это своего рода "пульсации" в пространственно-временном континууме, которые вызывают любые массивные тела, движущиеся с переменным ускорением. Подобные колебания проще всего зафиксировать у сверхмассивных тел — например, черных дыр, нейтронных звезд или белых карликов, которые вращаются вокруг друг друга, в результате чего сталкиваются. Во время движения космические объекты вырабатывают энергию в виде гравитационных волн, которые в свою очередь распространяются вокруг со скоростью света и провоцируют сжатие и растяжение пространства-времени.
По тому же принципу работает камушек, брошенный в воду: он волнует гладь озера, вызывая ее видимые колебания, которые распространяются во все стороны.
В 2015 году ученые из проекта LIGO сумели засечь гравитационные волны напрямую.
ЧТО ТАКОЕ LIGO?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, которую сконструировали, чтобы зафиксировать гравитационные волны. С помощью специальных зеркальных тоннелей, по которым пускают лазерные лучи, можно определить, когда происходят изменения в ткани пространства-времени.
14 сентября зеркала в тоннелях стали колебаться с частотой 150 Гц и невероятно маленькой амплитудой 10–19 м. После анализа зафиксированного явления оказалось, что это произошло из-за слияния двух массивных черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли: первая весила как 29 Солнц, а вторая — как 36. Получившаяся в результате их слияния черная дыра потеряла три солнечные массы: это значение преобразовалось в энергию, которая и вызвала колебания в пространственно-временном континууме. В 2017 году это открытие удостоилось Нобелевской премии по физике.
Гравитационная линза
Эйнштейн считал, что космические объекты, которые обладают достаточной массой (планеты, звезды и скопления галактик), способны изменять своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, к которому относится и свет. По тому же принципу работают обыкновенные линзы, которые могут менять траекторию движения солнечных лучей.
Благодаря гравитационным линзам можно наблюдать отдаленные объекты, чей свет проходит вблизи массивных космических тел: летящие во все стороны фотоны будут изменять траекторию движения из-за гравитационного поля "линзы", в результате чего искаженное изображение далеких просторов можно будет получить в точке наблюдения. Благодаря этому эффекту с Земли видно удаленные звезды и галактики, которые по факту отгорожены от нашей планеты физическими препятствиями.
По этому принципу был получен "самый глубокий и четкий на сегодняшний день инфракрасный снимок далекой Вселенной", созданный с помощью орбитальной обсерватории "Джеймс Уэбб". На нем зафиксировано массивное скопление галактик SMACS 0723, которое удалено от Земли более чем на 4,6 млрд световых лет.
Однако SMACS 0723 — не только цель наблюдения, но и средство. Оно выступает гравитационной линзой, позволяющей разглядеть еще более далекие просторы Вселенной, а именно — галактики, которые отделяют от Земли около 13 млрд световых лет.
А в чем Эйнштейн был не прав?
Хотя теория относительности Эйнштейна объясняет многие принципы работы Вселенной и постоянно находит экспериментальные подтверждения, она теряет любой смысл в микромире отдельных частиц. Другими словами, теория относительности идет вразрез с законами квантовой механики.
Принципиально разные и опровергающие друг друга подходы теорий хорошо иллюстрирует явление квантовой запутанности, характерное для квантовой механики. Работает оно так: частицы в квантовой механике обладают спином — собственным моментом импульса. Спин может быть ориентирован либо вверх, либо вниз. Однако иногда частицы могут как бы запутываться между собой, в результате чего можно с уверенностью сказать, что спин одной частицы обязательно будет противоположен спину другой.
ПОЧЕМУ ТО, ЧТО МОЖНО ПРЕДСКАЗАТЬ СПИНЫ ЧАСТИЦ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ, — УДИВИТЕЛЬНО?
У частиц в квантовой механике до измерения нет определенной позиции. Они, как и кот Шредингера, могут быть одновременно и "мертвы", и "живы" до открытия ящика (измерения). Такое состояние частиц называется суперпозицией — это своего рода комбинация всех событий, которые могли бы произойти с изучаемой частицей. Другими словами, вне момента непосредственного наблюдения ученые не могут сказать, как поведет себя та или иная частица. Именно поэтому тот факт, что можно определить спин одной запутанной частицы, посмотрев на другую, поразителен.
Описанная связь сохраняется вне зависимости от того, как далеко друг от друга находятся запутанные частицы: стоит изучить одну, как спин другой станет противоположным. Это означает, что информация между ними передается быстрее скорости света.
Именно тут и прогадал Эйнштейн. Согласно теории относительности, скорость света — абсолютный предел, который невозможно преодолеть, что идет вразрез с принципом квантовой запутанности. Физик всю жизнь высмеивал это явление, настаивая, что превысить скорость света невозможно. Кроме того, он утверждал, что объекты имеют состояние вне зависимости от того, измеряем мы их или нет (один из базовых постулатов теории относительности).
Однако, по всей видимости, физик ошибался. Многочисленные эксперименты показали, что запутанные частицы действительно влияют друг на друга — при этом понять их состояние можно только в момент измерения, но никак не раньше.
Из всего этого напрашивается простой вывод: базовые постулаты теории относительности теряют смысл в микромире.