Эйнштейн был прав: что мы знаем про общую теорию относительности?

Первые идеи появились в 1907 году, когда физик предположил, что ускорение и гравитация могут быть связаны. Это натолкнуло его на мысль, что инерция может быть следствием гравитационных взаимодействий.

Эйнштейн заметил, что уже существовавшая теория Ньютона не учитывала тот факт, что свет распространяется с конечной скоростью. Согласно классической ньютоновской модели, если положение Солнца изменится, то гравитационное воздействие на Земле должно тоже сразу же измениться. Это предположение требовало, чтобы все события происходили параллельно, независимо от расстояния между объектами, что подразумевает существование абсолютной одновременности. Однако Эйнштейн, основываясь на принципах специальной теории относительности, отверг идею о мгновенной передаче гравитационного воздействия и пришел к выводу, что теория Ньютона должна быть пересмотрена.

Проблема состояла в том, что теоретически корректировки к законам Ньютона могли быть внесены разными способами. Однако Эйнштейна беспокоило, что существующие теории, учитывающие конечную скорость распространения гравитации, не полностью объясняли равномерное падение тел. Он заметил, что, если бы инертная масса объекта была равна гравитационной, это объяснило бы наблюдаемое равенство ускорений падения для разных предметов. Физик счел это важным и понял, что равенство инертной и гравитационной масс не может быть случайным совпадением. На этой основе он вывел принцип эквивалентности, положив его в основу общей теории относительности.

Эйнштейн осознал, что для описания гравитации нужна новая структура. Для этого он начал изучать математику кривизны пространства-времени. На этом этапе его идеи позволили понять, что гравитация не сила, как предполагал Ньютон, а искривление пространства и времени.

Общая теория относительности, предложенная Эйнштейном в 1915 году, представляет из себя расширение его предыдущей работы, которая рассматривала законы физики для инерциальных систем отсчета (без ускорений). В отличие от специальной теории относительности общая воспринимает ускоренное движение и гравитацию как единое целое, о чем свидетельствует принцип эквивалентности.

Общая теория относительности утверждает, что пространство и время составляют континуум (пространство-время), который может искривляться под воздействием массы и энергии. Эйнштейн считал, что чем массивнее объект, тем сильнее он деформирует пространство вокруг себя. Например, Земля не падает на Солнце, потому что оно искажает пространство-время, и планета движется по геодезической траектории в измененном пространстве. Для математического описания этого явления физик предложил так называемое уравнение Эйнштейна, которое позволяет предсказать, как различные формы материи и энергии воздействуют на геометрическую структуру пространства-времени.

Первое крупное подтверждение общей теории относительности произошло в 1919 году, когда астрономы наблюдали, как свет от далеких звезд отклоняется, проходя рядом с Солнцем. Это явление, известное как гравитационное линзирование, стало доказательством того, что гравитация действительно искривляет пространство.

В 1971 году проводился эксперимент, который проверил как специальную, так и общую теорию относительности. В нем использовались синхронизированные атомные часы, которые установили на борту авиалайнеров, совершивших кругосветный полет. После завершения полета часы на борту показали, что время в самолете шло немного медленнее, чем на Земле. Это явление объясняется как с позиций специальной теории относительности, учитывая скорость движения самолета, так и с точки зрения общей, принимая во внимание различия в гравитационном поле на высоте полета.

В 2018 году астрономы из Европейской южной обсерватории подтвердили положения общей теории относительности, наблюдая за звездой S2, которая вращается вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец A* в центре Млечного Пути. При максимальном приближении звезды к черной дыре на расстояние 4 световых часа (примерно 20 млрд км) было зафиксировано гравитационное красное смещение и замедление времени. Эти наблюдения также продемонстрировали, что в таких сильных гравитационных полях законы физики, изложенные в общей теории относительности, остаются актуальными, чего нельзя было бы объяснить законами Ньютона.

Также одним из подтверждений общей теории Эйнштейна стали результаты эксперимента, проведенного группой исследователей из Национального института стандартов и технологий Университета Колорадо в 2021 году, в котором использовались атомные часы. Ученые использовали 100 тыс. атомов стронция, которые были охлаждены и размещены в вертикальной решетке. Задача заключалась в измерении разницы в тиканье атомных часов на разных высотах. Оказалось, что атомы выше показывали отличие в частоте тиканья по сравнению с нижними. Это стало доказательством гравитационного красного смещения, предсказанного общей теорией относительности, согласно которой гравитационное поле влияет на скорость времени — чем выше расположение атома, тем быстрее идут его часы. Эксперимент повторили несколько раз в течение 90 часов, и результат неизменно подтверждал теоретические ожидания.

Для проверки принципа эквивалентности в 2022 году международная группа ученых провела исследование с использованием спутника MICROSCOPE, который предназначен для измерения коэффициента Этвеша с очень высокой точностью. Эксперимент состоял в том, чтобы измерить ускорения тестовых масс, состоящих из сплава титана и платины, которые вращались вокруг Земли. Для их удержания в одном положении относительно друг друга использовались электростатические силы, чтобы найти возможные различия в ускорениях. Результаты показали, что различий в ускорениях объектов не было, что подтверждает правильность принципа эквивалентности.

Несмотря на успешную проверку теории в большинстве случаев, при попытках объединить ее с квантовой механикой возникают сложности. Ожидается, что в будущем удастся разработать единую «теорию всего», но пока все попытки не увенчались успехом.

На практике теория относительности находит повседневное применение, в частности, в спутниковой навигации.

Системы GPS используют спутники, которые вращаются на орбитах вокруг Земли, двигаясь с высокой скоростью, а также находятся в отличных от объектов на Земле гравитационных условиях. Поэтому для обеспечения точности измерений необходимо учитывать принципы как специальной, так и общей теории относительности.