Альберт Эйнштейн был знаменит многими вещами, но его величайшим детищем является теория относительности. Это навсегда изменило наше понимание пространства и времени.
Что такое относительность? Короче говоря, это понятие, что законы физики везде одинаковы. Здесь, на Земле, мы подчиняемся тем же законам света и гравитации, что и кто-то в дальнем углу вселенной.
Универсальность физики означает, что история провинциальна. Разные зрители по-разному видят время и интервал событий. То, что для нас составляет миллион лет, может быть просто мгновением для кого-то, летящего на скоростной ракете или падающего в черную дыру.
Это все относительно.
Специальная теория относительности
Теория Эйнштейна делится на специальную и общую теорию относительности.
Сначала появилась особая теория относительности, основанная на том, что скорость света постоянна для всех. Это может показаться достаточно простым, но оно имеет далеко идущие последствия.
Эйнштейн пришел к такому выводу в 1905 году после того, как экспериментальные данные показали, что скорость света не изменилась, когда Земля вращалась вокруг Солнца.
Этот результат был удивительным для физиков, потому что скорость большинства других вещей зависит от того, в каком направлении движется наблюдатель. Если вы едете на своей машине вдоль железнодорожного пути, приближающийся к вам поезд, похоже, будет двигаться гораздо быстрее, чем если бы вы повернули и следовали по нему в том же направлении.
Эйнштейн сказал, что все наблюдатели будут измерять скорость света до 186 000 миль в секунду, независимо от того, как быстро и в каком направлении они движутся.
Этот принцип побудил комика Стивена Райта спросить: «Если вы находитесь на космическом корабле, который путешествует со скоростью света, и включаете фары, что-нибудь происходит?»
Ответ: фары включаются нормально, но только с точки зрения кого-то, находящегося внутри космического корабля. Когда кто-то стоит снаружи и наблюдает за пролетающим кораблем, фары не включаются: свет выходит, но он движется с той же скоростью, что и космический корабль.
Эти противоречивые версии возникают потому, что линейки и часы - вещи, которые отмечают время и пространство - не одинаковы для разных наблюдателей. Если скорость света должна оставаться постоянной, как сказал Эйнштейн, тогда время и пространство не могут быть абсолютными; они должны быть субъективными.
Например, космический корабль длиной 100 футов, движущийся со скоростью 99,99%, покажется стационарному наблюдателю длиной в один фут, но он останется своей обычной длиной для тех, кто находится на борту.
Возможно, еще более странно, что время идет медленнее, чем быстрее. Если близнец летит на скоростном космическом корабле к какой-то далекой звезде, а затем возвращается, она будет моложе своей сестры, которая осталась на Земле.
Масса тоже зависит от скорости. Чем быстрее движется объект, тем массивнее он становится. Фактически, ни один космический корабль никогда не сможет достичь 100% скорости света, потому что его масса будет расти до бесконечности.
Эта связь между массой и скоростью часто выражается как связь между массой и энергией: E = mc ^ 2, где E - энергия, m - масса, а c - скорость света.
Общая теория относительности
Эйнштейн не успел расстроить наше понимание времени и пространства. Затем он обобщил свою теорию, включив ускорение, и обнаружил, что это искажает форму времени и пространства.
Чтобы придерживаться приведенного выше примера: представьте, что космический корабль ускоряется, выпуская его двигатели. Те, кто на борту, будут прилипать к земле, как если бы они были на Земле. Эйнштейн утверждал, что сила, которую мы называем гравитацией, неотличима от присутствия на ускоряющем корабле.
Само по себе это не было настолько революционным, но когда Эйнштейн разработал сложную математику (ему потребовалось 10 лет), он обнаружил, что пространство и время изогнуты рядом с массивным объектом, и это искривление - то, что мы ощущаем как силу гравитации.
Трудно представить изогнутую геометрию общей теории относительности, но если представить пространство-время как некую ткань, то массивный объект растягивает окружающую ткань так, что все, что проходит рядом, больше не следует по прямой линии.
Уравнения общей теории относительности предсказывают ряд явлений, многие из которых были подтверждены:
- огибание света вокруг массивных объектов (гравитационное линзирование)
- медленная эволюция на орбите планеты Меркурий (прецессия перигелия)
- перетаскивание пространства-времени вокруг вращающихся тел
- ослабление света, выходящего из гравитационного притяжения (гравитационное красное смещение)
- гравитационные волны (рябь в пространстве-времени), вызванные космическими ударами
- существование черных дыр, которые захватывают все, включая свет
Деформация пространства-времени вокруг черной дыры более интенсивна, чем где-либо еще. Если космический близнец упадет в черную дыру, она растянется, как спагетти.
К счастью для нее, все закончится через несколько секунд. Но ее сестра на Земле никогда не увидит конца - наблюдая, как ее бедная сестра постепенно приближается к черной дыре в течение века вселенной.
Эта статья была обновлена 2 июля 2019 года автором Live Science Тимом Чилдерсом.
