Выражение «теория относительности Эйнштейна» в точном смысле значит «Общая теория относительности», ОТО, так как, во-первых, Специальная теория относительности (СТО) входит в ОТО частным случаем, как и ньютоновская теория всемирного тяготения. Во-вторых, если создание СТО в конце XIX – начале XX вв., после опыта Майкельсона-Морли, буквально носилось в воздухе (к ней вплотную подошли Х. А. Лоренц и А. Пуанкаре), то ОТО поначалу показалась современникам А. Эйнштейна «красивым, но бесплодным цветком», хотя все учёные признавали, что родилась теория относительности Эйнштейна в результате гениального прозрения, до того неизвестного в истории, и лучше всех альтернативных ей объясняет наблюдаемое устройство Вселенной.
Примечание: кроме голландского физика Хендрика Антона Лоренца (Hendrik Antoon Lorentz), известен также датский Людвиг Валентин Лоренц (Ludvig Valentin Lorenz). Закон (или формулу) Лоренца-Лоренца в классической физике они получили независимо друг от друга в одном и том же 1880 г.
Что это такое?
Говоря простыми словами, выражение «общая теория относительности» (ОТО) означает следующее (см. также далее):
- «Теория относительности Эйнштейна – простейшая из возможных модель устройства мироздания на основе всемирного тяготения (гравитации, всеобщего притяжения массивных тел друг к другу)».
- «Теория относительности Эйнштейна утверждает, что в мире, в котором есть хоть ничтожная крупица чего-нибудь, кроме полной пустоты, не существует ни прямых путей, ни единого, абсолютного, не зависимого ни от чего мирового времени, ни отдельных гравитационной (тяготеющей) и инертной масс тела».
- «Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство и время составляют вместе единое протяжённое неразрывное целое – пространственно-временно́й континуум».
- «Теория относительности Эйнштейна основана на том, что всемирная гравитация объясняется не наличием в телах вещества и/или действием физических силовых полей, а геометрическим искривлением самого пространства-времени под действием заключённого в весомых телах вещества и/или накопленной в пространстве энергии».
Примечание: говорят, что, когда маленький сынишка Эйнштейна спросит его: «Папа, а что же ты такого отрыл?», тот засмеялся и ответил: «Представь себе очень большой шар, по которому ползают жуки. Так вот, я первый из таких жуков понял, что поверхность, по которой он ползёт – кривая». Такие люди, как Эйнштейн, просто так не произносят ни единого слова – у нормального, вполне развитого жука есть крылья, которые он может расправить и взлететь (см. далее).
- «Кратчайшими путями из одного пункта в другой по теории относительности Эйнштейна являются не прямые, а так называемые геодезические – линии наименьшей длины в искривлённом пространстве-времени».
Примечание: к примеру, моряки рассчитывают пути кораблей по дугам большого круга, которые и есть геодезические (обычные, не релятивистские) на сфере – по поверхности земного шара путей прямее и короче не существует.
- «Из теории относительности Эйнштейна следует, что и свет (электромагнитное излучение) в искривлённом пространственно-временно́м континууме замедляется и движется по кривым путям».
- «Теория относительности Эйнштейна и по своему существу, и по высказываниям её автора не претендует на “полное и окончательное навсегда” описание устройства Вселенной и её происхождения».
- «В настоящее время теория относительности Эйнштейна широко применяется на практике при расчётах траекторий движения космических аппаратов и построении систем спутниковой связи и навигационных (глобального позиционирования)».
Примечание: например, при расчёте полётов к внешним планетам Солнечной системы ОТО даёт погрешность в сотни и тысячи км, что означает технически приемлемый запас топлива на борту для коррекции орбиты. Альтернативные теории гравитации (Минковского, ПНП (постньютоновских поправок) и др.) при тех же начальных условиях привели бы к отклонениям от цели во многие миллионы км.
Синонимы «общая теория относительности», ОТО; частичные «релятивизм», «релятивистский мир», «релятивистская теория» (от relative – «отношение», «относительность»), СТО, «теория относительности».
История
Научная теория, или просто теория, лишь тогда стоит своего названия, когда позволяет решать конкретные практические задачи людям, даже не имеющим о ней ни малейшего представления. Всё прочее (сайентология, скажем) – верование, догма, доктрина, убеждение, учение; всё, что угодно, но не теория.
Возьмём, к примеру, бушмена или амазонского индейца, тысячи лет живущего в отрыве от цивилизации, подведём к телевизору с электророзеткой рядом, и скажем: «Если ты вот это (вилку) воткнёшь вот сюда, а потом нажмёшь вот здесь, то вот тут появится картинка, а вот отсюда ты услышишь звуки». Если он сделает всё, как сказано, то посмотрит передачу, знать не зная и ведать не ведая об электричестве и тем более об электронике.
Первая научная теория об устройстве всего мира была создана Гиппархом и Птолемеем. Для того уровня знаний она оказалась очень действенной: Колумб открыл Америку, а Магеллан обошёл вокруг света, пользуясь астрономическими таблицами и картами, основанными на построениях Птолемея.
С развитием человечества усложнялись и стоящие перед ним практические задачи, для решения которых требовался более совершенный математический аппарат, который и был создан независимо И. Ньютоном и Г. Ф. Лейбницем. Ньютон же и объяснил предложенную Н. Коперником гелиоцентричекую систему мира взамен птолемеевской геоцентрической, что многократно упрощало астрономические расчёты. Но ньютоновский принцип всемирного тяготения также и расширил мироздание до безграничных, как тогда казалось, пределов.
Примечание: по одному из ходящих среди учёной братии анекдотов, идея анализа бесконечно малых родилась до Лейбница у Й. Кеплера – он решил математически описать способ, которым виноторговцы определяли объём бочки, не прибегая к пробному наливу. Результатом чего явилась работа «Новая стереометрия винных бочек», считающаяся первым научным трудом по интегральному исчислению. Кеплер же и придумал общее название для своих построений Summa omnium (Сумма всех <малых частных сечений>), а Лейбниц стал записывать его сокращённо в виде сильно вытянутой в высоту S, которая и стала знаком интеграла.
Теория Ньютона построена на мгновенном дальнодействии силы тяжести и потому изначально не была лишена серьёзных недостатков. Так, оставаясь в рамках мгновенности дальнодействия, и пользуясь её же математическим аппаратом, можно было чисто формально доказать, что всеобщего притяжения во Вселенной… не существует вообще! К тому же ньютоновская теория ставила задачи, ею же принципиально неразрешимые (задача трёх тел).
Но главным пороком теории мгновенно действующего всемирного тяготения была необходимость непрерывного взаимного движения всех тел во Вселенной: иначе они со временем слиплись бы в одно, а консолидация всего мирового вещества означала бы смерть мироздания. Сам сэр Айзек на вопросы: «Какая сила приводит мир в движение? Кто дал ему первоначальный толчок? Уж не Бог ли?» отвечал, как известно: «Бог есть гипотеза. Гипотез же я не измышляю».
Как бы то ни было, но теория Ньютона до поры, до времени и на практике блестяще оправдывалась, и давала простор теоретической мысли – на ней построено всё здание классической физики. А полностью законченной, не оставляющей ничего не объяснённым, может быть только какая-нибудь «Всеобщая теория всего», от разговоров о которой с кислой миной уходят даже мыслители эзотерического направления.
Первый толчок фундамент классической физики испытал от электродинамики М. Фарадея, формализованной Дж. К. Максвеллом. Фарадеевская концепция силового поля никак не вписывалась в мгновенное дальнодействие: раз взаимодействие осуществляется посредством поля сил, то его энергия, мгновенно распространяющаяся на бесконечность, тоже должна быть бесконечной, по какому бы закону она не уменьшалась на расстоянии. Бесконечным могуществом, то есть энергией, может обладать только Бог, но если он есть и сам как таковой занимается человеческими делами (чего никто никогда своими глазами не видывал), то рациональной науке там делать нечего. К тому же у Максвелла чисто теоретически получилось, что электромагнитное поле должно образовывать волны, распространяющиеся с некоторой постоянной скоростью c, которая с точностью до тогдашних измерений совпадала со скоростью света в свободном пространстве.
«Классика» требовала для волновых (колебательных) процессов среды, в которой они происходят, и подчинения скорости движения волн классическому закону сложения скоростей. Насчёт последнего максвелловская электродинамика молчала, но наличие электромагнитных волн было доказано опытами Г. Герца, а внезадолге после того А. С. Попов и Г. Маркони независимо друг от друга изобрели радио.
Однако ещё до выхода в свет основополагающих работ Максвелла (1861-62 и 1864 гг.) физики – сторонники волновой природы света – задумывались о среде, в которой он распространяется (свет ведь не затухает и в вакууме), в результате чего О. Ж. Френель выдвинул гипотезу «светоносного эфира», особой неподвижной субстанции, пропитывающей всю Вселенную. Свойства эфира получались парадоксальными: неуловимо малая его плотность должна была сочетаться с неимоверно высокой упругостью. Тем не менее, степень увлечения эфира движущейся по своей орбите и вращающейся Землёй выходила ненулевой и поддающейся измерению. Попытку её определить предприняли в 1887 г. А. А. Майкельсон и Э. У. Морли, и она дала определённо отрицательный результат.
В поисках выхода из создавшегося тупика Х. А. Лоренц высказал предположение, что эфир нестационарен, он тоже движется, как и всё сущее. Но по тогдашним представлениям эфиру надлежало быть не просто средой распространения электромагнитных волн, а всеобщей скрепой, связующим звеном всего содержимого Вселенной; как сказали бы сейчас – универсальным интерфейсом мироздания. А заодно быть универсальной точкой отсчёта для вычисления любого движения. Из того и другого непосредственно вытекало продольное сокращение тел, движущихся прямолинейно и равномерно, и замедление хода времени в них.
Сам Лоренц вывел коэффициент такого сокращения – его-то и дают школьникам-старшеклассникам, зачастую не объясняя, что называется он множителем Лоренца (см. рис. справа), а Пуанкаре разработал подходящий математический аппарат.
Но непротиворечивая эфирная теория всё равно не складывалась, пока малоизвестный в научных кругах швейцарский инженер-патентовед Альберт Эйнштейн не предположил, что скорость света является фундаментальной физической константной, не зависимой ни от чего бы то ни было величиной, и потому не подчиняется классическому закону сложения скоростей, который также должен быть пересмотрен. Постоянство скорости света он постулировал (взял как непреложное без доказательства) в работе «К электродинамике движущихся тел», опубликованной в 1905 г. и лёгшей в основу специальной теории относительности (СТО). Кстати говоря, свою знаменитую формулу E = mc2 Эйнштейн получил именно в ходе создания СТО, и связь времени с пространством постулировал тогда же, но пока что в евклидовой («прямоугольной») геометрии.
СТО удовлетворительно объяснила результаты опыта Майкельсона-Морли, предсказала поперечный эффект Доплера (которому в классической физике нет места) и дала возможность, правда, ценой больших математических сложностей, описывать некоторые случаи ускоренного движения тел на околосветовых скоростях (например, давала разрешение парадокса диска Эренфеста), но не позволяла включить в себя ньютоновскую гравитацию в качестве частного случая – возникали неразрешимые противоречия из-за различной интерпретации основополагающего физического понятия энергии: в классической физике это величина скалярная, ненаправленная (направленность приложению кинетической энергии даёт импульс движущегося тела, а, к примеру, тепловая энергия горящего костра расходится равномерно во все стороны). Но в СТО энергия становилась векторной, неразрывно связанной с движением несущего её тела. То есть, нарушался один из главных принципов научной методологии: оправдавшая себя на практике теория не должна отвергаться новой более глубокой. Так, птолемеевы эпициклы в видимом движении планет без труда описываются ньютоновской механикой при смене точки отсчёта с Солнца на движущуюся вокруг него Землю.
Размышления над причинами столь явного несоответствия двух явно работающих теорий привели Эйнштейна к следующему:
- Нет никакой разницы между инертной массой тела («сопротивляющейся» приложенной к нему силе) и тяготеющей, притягивающей другие тела. Масса тела – единственно лишь мера количества содержащегося в нём вещества и заключённой в нём энергии.
- Всеобщего «цемента» Вселенной и единой для всех процессов в ней точки отсчёта не существует; «светоносный эфир» – фикция, долговременное коллективное заблуждение всего научного сообщества (СТО явно не отвергает эфира).
- Любая присутствующая в пространстве масса, равно как имеющаяся там же энергия, искажают пространственно-временной континуум, и ортогональная евклидова геометрия для описания строения мироздания непригодна.
В данном случае математика опередила физику: в ней давно уже имелась криволинейная риманова геометрия (частный случай которой – геометрия Лобачевского), также сперва почитавшаяся математиками как «красивый, но бесплодный цветок». Поначалу только К. Ф. Гаусс оценил глубину и дальновидность озарений Г. Ф. Б. Римана и всячески способствовал построению математиками на основе его выкладок теории геодезических линий. Которая очень пригодилась Эйнштейну и помогавшим ему математикам (пришлось привлечь даже величайшего из них Д. Гилберта) в создании логически стройной, формально законченной и на сегодняшний день практически актуальной Общей теории относительности, всем интересующимся точными науками известной как «теория относительности Эйнштейна».
Её «ядро» составляет система уравнений Эйнштейна, исходя из которых, можно вывести формулы геодезических в пространстве-времени, в котором имеется вещество (масса) и поле (энергия), и рассчитать как параметры движения по ним реальных физических тел, так и течение времени для них. Верно и обратное (что есть важный признак совершенства теории): если расчётная геодезическая не совпадает с наблюдаемой (движущееся тело перемещается не так, как следовало бы), то где-то там таится скрытая масса и/или неучтённая в расчёте энергия. Вводить в исходные данные какие-либо посторонние влияющие факторы и/или величины неизвестной физической природы при этом не требуется.
Pro и contra
То есть, каковы доводы «за» и «против» истинности ОТО? Тот самый «светоносный эфир» тоже ведь долгое время считался действительно существующим. Не является ли и теория относительности Эйнштейна тоже временным заблуждением? В ОТО также, как и в ньютоновской механике, заложены несообразности и она тоже ставит неразрешимые ею же задачи, но это свойство любой научной теории: по мере расширения круга познаний удлиняется и его граница с неведомым. Сингулярности в виде «чёрных дыр» и наличие «горизонта событий» тут не определяющий показатель: это просто общие признаки, что здесь или отсюда и далее эта теория непригодна и нужна более совершенная. Начнём, как и положено в справедливом разбирательстве, с доводов «обвинения».
Contra
Главными недостатками ОТО на сегодняшний день по существу дела являются:
- «Гладкость» математического аппарата, выражающаяся в непрерывности и плавности геодезических линий: в основе ОТО лежит тензорный анализ, не позволяющий «продолжить» геодезическую, претерпевшую разрыв I или II рода – за ним как бы начинается «новый мир», проникнуть в который теория относительности Эйнштейна не даёт возможности; она просто неспособна дать ответы – а есть ли там что-нибудь? Если да, то что именно? Что там творится и как это может сказаться на нашем мире?
Между тем прерывистость, импульсный характер природных процессов скорее правило, чем исключение. Например, данные астрономии свидетельствуют, что в ядрах галактик находятся массивные чёрные дыры, проявляющие влияющую и на наш мир активность. Астрономы говорят, что спокойное сравнительно с другими ядро нашей Галактики сейчас, похоже, «просыпается». Что с нами будет, если его активизация обусловлена внутренними причинами? ОТО спрашивать бесполезно – она ничего не может сказать по этому поводу. Да и «на подходе» к потенциально возможному разрыву либо излому геодезической простая по замыслу ОТО перерастает в огромные, а то и непреодолимые математические трудности.
Так, образование истекающих из квазаров очень быстрых струй сверхгорячего вещества – джетов – астрофизикам до сих пор не удаётся ясно объяснить: сердцевина квазара, по представлениям ОТО это большая чёрная дыра, сингулярность, к которой приводит применение ОТО в области чрезвычайно сильной гравитации. Для точного описания поведения вещества в непосредственной близости от горизонта событий чёрной дыры – сферы Шварцшильда – просто-напросто не хватает ни теоретического аппарата, ни вычислительных мощностей.
Также, но уже без сингулярностей, ОТО не срабатывает в разрешении «парадокса близнецов». Напомним: есть два брата-близнеца. Один остаётся на Земле; другой отправляется в космическое путешествие на релятивистских (околосветовых) скоростях, но в конце концов возвращается обратно. Время улетевшего с точки зрения оставшегося замедляется. Вернётся ли улетавший молодым к постаревшему брату, или вследствие касательных ускорений на обратном повороте постареет равно с ним? Матаппарат ОТО неспособен дать однозначный ответ: он зависит от метрики пространства-времени, в которой ведётся расчёт. Точно так же ньютоновская механика не даёт аналитического (в виде уравнений, имеющих общее, «буквенное», символьное решение) описания движения трёх тяготеющих тел в свободном пространстве.
Примечание 6: метрика пространства-времени это формальное (математическое) описание его свойств, получающееся в результате решения системы уравнений Эйнштейна; геодезические движения в пространстве-времени строятся уже по метрике. Уравнения Эйнштейна возможно решать различными способами, которые для экстремальных условий дают существенно различающиеся результаты. Математики говорят, что в определённых случаях решения уравнений Эйнштейна расходятся (имеет место расхождение решений).
Выходит, вблизи очень больших масс и/или в зоне действия очень больших энергий теория относительности Эйнштейна всё-таки оказывается не особо совершенной.
- Несоответствие ОТО квантовой физике – они никак не состыковываются ни теоретически, ни в опыте.
Однако квантовые линии связи реально действуют на тысячи км, и никакой задержки прохождения сигнала при этом не наблюдается. А современная техника уверенно измеряет времена, за которые свет проходит считанные сантиметры; лабораторным опытом недавно измерено время прохождения кванта света сквозь… атом водорода! Каким образом и в какой среде передаётся квантовое взаимодействие? Как вообще квантовый мир соотносится с законами сохранения энергии и импульса? Это опять-таки вопросы не к ОТО.
Примечание: квантовая физика возникла на грани XIX и XX веков как решение другого «проклятого вопроса» классической – так называемой «ультрафиолетовой катастрофы»; мощность излучения любого нагретого тела в классической интерпретации оказывалась бесконечной, поскольку его «хвост» теоретически тянулся в сторону бесконечно высоких частот. М. Планк выдвинул казавшееся ему самому «непристойным» предположение, что энергия может излучаться и поглощаться телом только лишь отдельными порциями – квантами. Не «накачано» тело энергией, достаточной для излучения кванта такой-то частоты – его и не будет, неоткуда ему в этом теле взяться.
- Для объяснения в пределах ОТО видимого современными научными приборами и способами строения Вселенной приходится вводить немыслимые во время её создания субстанции – «тёмную материю» и «тёмную энергию», свойства которых оказываются ещё более парадоксальными и загадочными, чем у «светоносного эфира» классической (нерелятивистской) физики.
Примечание: автор гипотезы «тёмной материи» Э. П. Хаббл предполагал, что её составляют не какие-то экзотические компоненты, а просто множество невидимых в тогдашние телескопы малых холодных небесных тел. Позднейшие, на порядки более чувствительные и точные астрономические наблюдения этого предположения не подтвердили, хотя полностью оно не отброшено и поныне.
Pro
Сильнейший довод в пользу действенности ОТО – её современные инженерные приложения. О космических полётах сказано выше (см. Примечание 4). Мало того, с учётом любых, кроме эйнштейновских, поправок, точность позиционирования в навигационных системах GPS и ГЛОНАСС на экваторе была бы не лучше (+/–)10 км, а в высоких широтах ещё худшей. То есть, сейчас теория относительности Эйнштейна работает так же блестяще, как 150-200 лет тому назад – ньютоновское всемирное тяготение.
А что дальше?
Сам же Эйнштейн однажды высказался о своих творениях так: «Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой. Каждый важный успех приносит новые вопросы. Всякое развитие обнаруживает со временем всё новые и более глубокие трудности». И он же не раз указывал, что нет никаких ни философских, ни логических, ни формально-математических оснований к тому, чтобы скорость света была наибольшей достижимой где бы то ни было.
Дело в том, что пригодным для жизни может быть только более-менее упорядоченный мир, такой, энтропия которого конечна и равна определённой величине. А в таком мире должен соблюдаться принцип причинности: ничто не должно случаться ранее причин, его породивших. А для соблюдения принципа причинности нужно, чтобы скорость распространения взаимодействия не превышала некоего максимально возможного значения. Эйнштейн предположил, что для нас оно равно скорости света в вакууме – и у него получилась картина мироздания, полностью соответствующая наблюдаемой. Кроме квантового взаимодействия, об использовании которого в практических целях во время жизни Эйнштейна никто и помыслить не мог.
В пределах самой ОТО возможны теоретические построения, допускающие перемещение масс материи со сверхсветовой скоростью («пузырь Алькубьерре»; «труба Красова»). Это не «кротовые норы» или («червоточины», «worm whole»), которые теоретически саморазрушаются при попадании в них малейших частиц вещества: в пространственно-временном «пузыре» или по такой же «трубе» в принципе возможны межзвёздные полёты в приемлемом для нас масштабе человеческого биологического времени, только вот энергии для этого понадобится больше, чем возможно «выжать» из массы вещества по той же эйнштейновской формуле E = mc2. Но в квантовом мире она недействительна, а в нём мы понемногу начинаем осваиваться.
Более того, буквально сейчас (результат объявлен в конце 2021 г.) коллаборацией южнокорейских учёных завершён эксперимент на детекторе COSINE-100, который для теории относительности Эйнштейна можно считать аналогом опыта Майкельсона-Морли для проверки наличия «светоносного эфира». А именно: наблюдениями в течение 1,7 лет не подтверждено существование так называемых вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle(s), «слабо взаимодействующие тяжёлые частицы»), гипотетических тяжёлых и медленных элементарных частиц тёмной материи, существование которых вытекает из ОТО. Другие наиболее вероятные кандидаты на роль элементарной составляющей тёмной материи (например, аксионы) описываются уже квантовыми теориями (также ещё не подтверждёнными опытом). Как тут снова не вспомнить самого Эйнштейна: «Теория не может быть подтверждена опытом. Опыт может её только опровергнуть». Здесь он имел в виду другое капитальное правило научного поиска: «Один противоречащий данной теории факт делает её несостоятельной по крайней мере применительно к данному казусу».
Примечание 9: Эйнштейн после создания ОТО остаток жизни посвятил работе над единой теорией поля – описанию всех известных тогда типов физических взаимодействий (силовых полей) в рамках геометризации пространственно-временного континуума. Это ему не удалось, а современная физика такой задачи перед собой и не ставит – силовых полей на сегодняшний день известно больше, чем сто лет тому назад, и нет никакой гарантии, что вот-вот не откроются новые. В целом же мир оказался намного сложнее и разнообразнее, чем думалось основателям релятивистской физики.
Ну, и когда же мы вырвемся из «запертого Эйнштейном» в обывательском понимании мира и рванём «через тернии к звёздам», руководствуясь ещё более общими, мощными и глубокими теориями? Не раньше, чем в том назреет практическая потребность. А чтобы она назрела, необходимы реально осуществимые попытки целенаправленных управляемых межзвёздных перелётов хотя бы к нашим ближайшим соседкам по Галактике. Но такое предприятие в обозримой перспективе не под силу ни одному отдельному государству, ни блоку из нескольких держав. Так что сперва надо управиться со своими «терниями»: уж больно много на матушке – Земле наболело проблем никак не научного и не естественного происхождения.
***
© ПишемПравильно.ру
Автор: Садов Артур Александрович, лингвист-типолог
Перечень академических источников, использовавшихся при подготовке материалов.
