Подтверждение правильности ОТО

Считая, что физическое поле гравитации и искривленное пространство суть одно и то же, Эйнштейн сумел составить вакуумные уравнения, описывающие гравитационные поля через кривизну пространства.

На основании своей теории Эйнштейн предсказал два неизвестных ранее эффекта. Прежде всего, это искривление луча света в гравитационном поле Солнца. Оказывается, огромная масса нашего Солнца действует не только на соизмеримые по массе планеты, но и на ничтожные кванты света – фотоны. Эйнштейн дал рекомендации того, как искривление светового луча можно обнаружить опытным путем. И в 1919 году этот факт был подтвержден экспериментально.

Кроме того, он объяснил странности в смещении перигелия[5] Меркурия. Оказалось, что у Меркурия (а Меркурий – ближайшая к Солнцу планета) перигелий за столетие смещается значительно больше, чем должен был бы сместиться из-за действия на Меркурий остальных планет Солнечной системы.

Этот эффект теория тяготения Ньютона не объясняла. А теория относительности позволила понять, в чем дело. Оказывается, добавочное смещение перигелия есть результат искривления пространства, вызванного массой Солнца.

Теоретические расчеты Эйнштейна совпали с измеренной астрономами величиной смещения.

«Представьте себе мою радость, когда я добился того, что уравнения согласуются со смещением перигелия у Меркурия. Несколько дней я был вне себя от радостного возбуждения», – писал Эйнштейн своему ближайшему другу – физику Эренфесту [1].

Когда предсказания Эйнштейна подтвердились экспериментально, общая теория относительности получила всеобщее признание.

Еще одно предсказание ОТО состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой: чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, и его частота уменьшается. Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее. Это предсказание было проверено в 1962 году с помощью очень точных часов: одни были расположены на самом верху водонапорной башни, а вторые – у ее подножия. Оказалось, что часы, находящиеся внизу, шли медленнее [3].

Если законы движения Ньютона покончили с абсолютным положением в пространстве, то общая теория относительности освободила нас от абсолютного времени.

В качестве пояснения рассмотрим так называемый парадокс близнецов. Например, один из близнецов отправился жить на вершину горы, а другой остался на уровне моря. Поскольку время на вершине бежит быстрее, то житель вершин состарится быстрее. Конечно, разница во времени между вершиной горы и подножьем очень мала. Более ярким оказался бы пример с полетом одного из близнецов на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света. По возвращении он оказался бы моложе своего брата-близнеца, оставшегося на Земле. То есть каждый индивидуум имеет свой собственный масштаб времени – в зависимости от того, где он находится и как движется.

Сегодня на теорию относительности Эйнштейна опираются такие разделы науки, как теория элементарных частиц и космология, исследующие самые малые тела и самый большой объект природы – Вселенную как единое целое. А уж исследования в Большом адронном коллайдере просто немыслимы без теории относительности. Правда, ОТО не может объяснить, что произошло в момент времени t = 0, где t – время рождения Вселенной, хотя довольно правильно описывает ситуацию при t больше нуля. Ученым уже удалось подобраться ко времени 10–34 секунды после Большого взрыва, хотя материя, которую они так хотят получить, пока не обнаружена.

Надо сказать, что общая теория относительности Эйнштейна не отвергла теорию тяготения Ньютона: она отвела ей более скромное место науки, справедливой для движений, медленных по сравнению со скоростью распространения света.

В своей автобиографии Эйнштейн писал: «Ньютон, прости меня. В свое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы» [1].

Появление теории относительности привело к такому прорыву, о котором даже не мечтали, например, к овладению атомной энергией и коренному изменению научных представлений о мире.

И, тем не менее, желание проверить теорию относительности Эйнштейна никогда не оставляло ученых. Что-то все-таки смущало ученых в этой теории.

Еще в 1959 году было выдвинуто предложение проверить теорию Эйнштейна экспериментальным путем, но пришлось ждать почти полвека, прежде чем эта проверка стала технически возможной. Она была проведена в 2004 году силами американского Национального аэрокосмического агентства НАСА.

Специалисты НАСА запустили в 2004 году специальный спутник, внутри которого находились четыре кварцевых шара, покрытых ниобием. Их температура поддерживалась близкой к абсолютному нулю. Они были помещены в самую «спокойную» среду из существующих, а именно в емкость со сверхжидким гелием. При выведении на орбиту шарам задали вращательный импульс. Если теория Эйнштейна правильна, то под влиянием массы и вращения Земли, которая будет находиться на расстоянии 640 километров от шаров, шары должны будут сместиться на некоторое расстояние [4].

Полученные с помощью спутников данные выявили смещение этих шаров, хотя и весьма незначительное. Если бы Эйнштейн ошибся, то оси кварцевых шаров не отклонились бы от своего положения.

Искривление пространства и времени вокруг Земли оказывает влияние на близлежащие объекты. С большими трудностями удалось установить, что за год отклонение оси шариков составило всего одну тысячную угловой секунды.

«Одна тысячная угловой секунды – это толщина человеческого волоса, видимая на расстоянии 16 километров. То есть это очень маленький угол, и вот такой точности должен был достичь созданный аппарат», – пояснил руководитель группы ученых, профессор Стэнфордского университета Френсис Эверетт.

Уже после 2004 года ученые еще и еще раз проверяли правильность теории относительности, и в 2011 году руководитель проекта Френсис Эверетт, наконец, подвел черту под этими проверками. Он заявил: «Представьте, если бы Земля была погружена в мед. При вращении планеты вокруг своей оси и Солнца мед вокруг нее деформировался бы и закручивался». Лучше общую теорию относительности не объяснить.