Научные предсказания Эйнштейна, которые подтвердились в наше время
Существуют научные предсказания Эйнштейна, которые подтвердились в наше время, свидетельствуя о настоящей гениальности великого ученого. Альберт Эйнштейн возглавляет список самых известных и культовых ученых в истории. Его специальная теория относительности, выдвинутая в 1905 году, и общая теория относительности 1915 года буквально произвели революцию в физике.
Читайте также: Рукопись Эйнштейна с теорией относительности: кому и за сколько продали гениальный труд немецкого физика?
В своих рассуждениях он вышел за рамки теории гравитации Ньютона, которая существовала с 1687 года. Эйнштейн также представил свои знаменитые мысленные эксперименты, которые тоже подвергли испытанию зарождающиеся разработки квантовой механики. Его вклад в этой области принес ему Нобелевскую премию по физике, которую он получил в 1921 году за фотоэлектрический эффект.
Многие считают, что Нобелевская премия за общую теорию относительности, которой он не был удостоен, — это большой неоплаченный долг перед великим ученым. В этой теории гравитация понимается как деформация или искривление пространства-времени, вызванное распределением масс и энергий. Чем больше массы упаковано в меньший объем, тем сильнее искривляется пространство-время вокруг него. Любые другие частицы или объекты, проходящие вблизи массы, ощущают это искривление, что приводит к изменению их траектории.
Научные предсказания Эйнштейна: кривизна пространства-времени
Некоторые из предсказаний, касающихся общей теории относительности, были проверены спустя короткое время. В 1919 году, всего через 4 года после публикации теории, произошло полное затмение Солнца. Это было идеальное событие для проверки кривизны пространства-времени.
Несколько научных экспедиций отправились вплоть до Бразилии и западного побережья Африки, чтобы сделать лучшие фотографии и собрать данные о затмении и, прежде всего, о звездах, окружающих Солнце.
Самый массивный и компактный объект, который у нас есть, — это Солнце. Луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклоняться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду на небе не там, где она обычно находится. В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды днем. Но такая возможность появляется во время солнечных затмений.
Подтверждение этого эффекта, в соответствии с измерениями затмения 1919 года, сделало Эйнштейна всемирно известным.
Научные предсказания Эйнштейна и его сомнения
Чтобы экспериментально продемонстрировать другие предсказания общей теории относительности, пришлось ждать гораздо дольше.
В 1916 году Эйнштейн начал детально анализировать свои уравнения, в частности ряд терминов, которые после небольшого упрощения сильно напоминают волновое уравнение — ту самую структуру, которая появляется во многих физических системах, где у нас есть возмущение, распространяющееся путем переноса энергии.
В этом случае уравнения показывают, что вибрирует само пространство-время, и мы называем эти возмущения гравитационными волнами. Эти волны представляют собой изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. При прохождении гравитационной волны между двумя телами расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны.
Можно ли их наблюдать, и существует ли способ «услышать» вибрации пространства-времени?
При жизни Эйнштейн сомневался в реальном существовании этого явления (возможно, это был математический артефакт, но без физической реализации?). Эйнштейн был не первым и не единственным выдающимся физиком, который сомневался в математических следствиях своей теории. У него были свои взлеты и падения в отношениях с коллегами и престижными научными журналами, которые породили очень интересные истории.
Как бы то ни было, благодаря вкладу выдающихся личностей в конце концов стало понятно, что гравитационные волны должны существовать. Их свойства были проанализированы, и оставалось только узнать, принесет ли плоды технологическая гонка по экспериментальному доказательству их существования.
Научные предсказания Эйнштейна: гравитационные волны доказаны
Амплитуда этих волн настолько слаба, что сам Эйнштейн не был уверен, что их когда-нибудь удастся обнаружить.
Для успешного развития технологии потребовались десятилетия вместе с неудачными попытками, которые не всегда упоминаются в науке, — например, пионерские эксперименты физика Джозефа Вебера с резонансными стержнями в 1960‑х годах.
Приборы, которые наконец-то смогли решить эту задачу, — лазерные интерферометры с дистанционным управлением.
11 февраля 2016 года всему миру было объявлено, что 15 сентября 2015 года на Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США был зарегистрирован сигнал, образованный гравитационными волнами. По фантастическому совпадению, открытие было сделано ровно через 100 лет после предсказания гравитационных волн.
Гравитационные волны (ГВ) излучаются двойными звездами вследствие их вращения относительно друг друга или сжатия (коллапса) несферических тел. Сигнал от гравитационных волн очень трудно зарегистрировать из-за чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия. Мы ощущаем гравитацию на Земле, потому что она создана огромными массами материи и ничем не экранирована.
При регистрации сигнала гравитационной волны в детекторе было измерено ничтожно малое смещение. Оно соответствует изменению длины метрового тела на величину на десять порядков меньше размера атома водорода. Возмущения от окружающих тел или сейсмические возмущения Земли создают смещения в детекторе, которые могут значительно превышать сигнал от атома водорода.
Чтобы минимизировать влияние местных фоновых возмущений, для регистрации ГВ используется, как минимум два детектора, расположенных на большом расстоянии друг от друга.
Установка LIGO состоит из двух лазерных установок, расположенных в Луизиане и штате Вашингтон на расстоянии 3000 км друг от друга. Выделение сигнала достигается путем изучения корреляции сигналов, наблюдаемых на двух установках.
Гравитационный сигнал на обеих установках должен быть идентичным, поскольку он распространяется от источника к Земле почти без искажений.
Поскольку скорость распространения гравитационных волн конечна (она должна быть равна скорости света), существует разница во времени прихода сигнала на двух установках.
Наблюдательное измерение этой разницы, которая составила около 10 миллисекунд, позволило очертить на небе круговую полосу, откуда мог прийти ГВ-сигнал. Площадь полосы — 600 квадратных градусов — очень велика, что делает очень трудным отождествление источника ГВ с любым видимым на небе объектом.
Волна была испущена двумя черными дырами. Сравнение формы волны, зарегистрированной на обеих установках, с теоретическими расчетами позволило оценить массы компактных сливающихся объектов, излучающих ГВ-сигнал.
Ими оказались две черные дыры с большими массами — 36 и 29 солнечных масс. Теория позволяет определить мощность гравитационного сигнала при слиянии таких черных дыр, а из сравнения с зарегистрированным сигналом найти расстояние до источника. Оно равно примерно 410 мегапарсек.
Энергия, уносимая ГВ, представляет собой огромную величину, эквивалентную энергии покоя тела с массой в три солнечных массы. ГВ была обнаружена модернизированным экспериментом LIGO, который способен регистрировать сигнал с относительным смещением 10–23.
Сигнал в 100 раз превышал этот порог и вполне мог быть зарегистрирован той же установкой еще до ее модернизации, а также некоторыми другими приборами. По совпадению, ни один из них (в Италии, Японии и Германии) в момент регистрации не работал.
Система из двух массивных черных дыр до сих пор никогда не наблюдалась и не ожидалась как источник гравитационных волн. Единственным надежным источником сигнала считалась система из двух нейтронных звезд с орбитальным периодом в несколько часов.
Такие системы наблюдаются в нашей галактике и называются радиопульсары. Оценка времени их жизни, а также статистика их существования в других галактиках дали оценки частоты событий, пригодных для регистрации ГВ — около десятка в год из окружающей вселенной в 200 мегапарсек. Речь идет о сигнале, превышающем порог регистрации.
Сигнал, зарегистрированный в эксперименте LIGO, превысил порог в 24 раза, хотя пришел с большего расстояния — 410 мегапарсек. То есть мощность сигнала была примерно в тысячу раз выше, чем ожидаемая от слияния в системах двух нейтронных звезд.
Научные предсказания Эйнштейна: волны-предвестники
Сигнал, зарегистрированный на LIGO, можно считать первой прямой регистрацией ГВ в лаборатории на Земле.
Однако косвенная регистрация ГВ на основе анализа радионаблюдений бинарного пульсара Халса-Тейлора, открытого в 1974 году, была сделана еще в 1980‑х годах, а затем подтверждена наблюдениями бинарной системы из двух радиопульсаров, открытой в 2004 году.
Уменьшение периода бинарной системы за счет излучения гравитационных волн с точностью до 0,01% совпадает с предсказаниями теории Эйнштейна.
К настоящему времени мы имеем в общей сложности 90 подтвержденных аналогичных событий, все они имеют в качестве астрофизического сценария слияние двух компактных объектов: пары черных дыр, пары нейтронных звезд или смешанные пары черной дыры и нейтронной звезды.
Дверь для исследований в этой области все еще открыта для компактных объектов другой природы, и гравитационные волны, которые они генерируют, могут дать ученым подсказки об их структуре и свойствах.
Космологическая постоянная: самый большой «промах» Эйнштейна?
Говоря о научных предсказаниях Эйнштейна, нельзя не вспомнить о знаменитой «космологической постоянной», которая также вызывала у него противоречия. Эта константа, ее свойства и то, способна ли она достоверно моделировать эволюцию и расширение Вселенной в свете будущих данных, — это страница книги, которая пишется прямо сейчас.
Космологическая постоянная – безразмерная константа, которая была введена в уравнения общей теории относительности Альбертом Эйнштейном (1917 год) для противодействия силам гравитации во Вселенной.
Однако после того как в 1931 году физик Эдвин Хаббл провел наблюдения за расширением Вселенной, Эйнштейн счел свое предложение «величайшим промахом» в своей научной деятельности. Так ли это было на самом деле?
Интерес к космологической постоянной, которую ввел Эйнштейн, был возрожден квантовыми теориями поля, которые говорят об энергии вакуума, которая может вести себя как предсказанная им космологическая постоянная.
Так что, похоже, Эйнштейн в очередной раз оказался прав.
Читайте также:
- В Мюнхене нашли зашифрованное письмо Эйнштейна
- Большой адронный коллайдер перезапущен после трех с половиной лет перерыва
- Развитие черных дыр: найдено недостающее звено
Читайте также:
Обсуждение
Самые последние новости
