Знаменитой общей теории относительности Эйнштейна в этом году исполняется 100 лет, и она по-прежнему остается фундаментальной основой физики и астрономии. Эту теорию Эйнштейн опубликовал в 1915 году, и она легла краеугольным камнем в основу понимания ученых происхождения и эволюции Вселенной. До сих пор она вдохновляет ученых всего мира на поиск ответов на самые любопытные вопросы физики и астрономии, которые остаются без ответа.

Общая теория относительности «сейчас, как мне кажется, принимается за основу описания Вселенной в целом, то есть за основу космологии; она описывает черные дыры, нейтронные звезды, небольшие корректировки орбит планет и космических аппаратов в нашей собственной Солнечной системе», — говорит Роджер Блэндфорд из Института астрофизики частиц и космологии Кавли при Стэнфордском университете.

Природа гравитации

Общая теория относительно добавляет гравитацию к специальной теории относительности, которую Эйнштейн опубликовал в 1905 году. Специальная относительность утверждает, что законы физики одинаковы для всех неподвижных наблюдателей и что скорость света в вакууме не меняется, даже если наблюдатель или источник света находится в движении.

Специальная теория относительности объясняет отношения между энергией и массой известным уравнением E = mc^2, в котором E — энергия, m — масса, а c — скорость света в вакууме (порядка 1,08 миллиарда километров в час). Эта теория также объединяет пространство и время в четырехмерное пространство-время.

Общая теория относительности расширяет эту последнюю идею, поясняя, что материя искривляет пространство-время, подобно тому как тяжелый шар создает впадину на мягкой поверхности. Это важное и монументальное понимание природы пространства пришло к Эйнштейну не сразу; он пришел к нему после десяти лет напряженной и тяжелой мысленной работы.

«Он должен был двигаться вперед. Он предложил идеи, от которых впоследствии сам отказался. Но продолжал двигаться вперед, — Блэндфорд рассказал Space.com. — Он руководствовался не математическими идеями или математическими техниками. В первую очередь его вела физическая интуиция; эта необычайно мощная физическая интуиция весьма хорошо послужила ему в прошлом».

Общая теория относительности характеризует гравитацию не как врожденную силу, действующую на объекты, а как следствие искривления пространства-времени. (Представьте себе, как шар катится по наклонной поверхности, созданной шаром, лежащим на мягкой кровати).

Это была мощная и радикальная идея — и она стала предметом пристального внимания на сотню лет.

Подтверждения со всех сторон

Общая теория относительности предсказывает, что свет будет выбирать кривой путь, огибая массивный объект вроде галактического скопления, которое будет существенно влиять на пространство-время.

Этот эффект астрономы наблюдали экспериментально; более того, астрономы используют «гравитационные линзы» для изучения далеких источников света. На самом деле, в меньших масштабах, это явление даже помогает искать планеты за пределами Солнечной системы. (Экзопланеты могут быть обнаружены по тому, как их родные звезды искривляют свет от фоновых объектов).

Особенности орбиты Меркурия вокруг Солнца также подтверждают общую теорию относительности.

«Она объясняет аномальную прецессию перигелия Меркурия, или вращение линии, соединяющей Солнце с точкой наибольшего сближения с планетой, — писал Блэндфорд в статье Science. — Эйнштейн использовал общую теорию относительности, чтобы объяснить 10-процентное расхождение в прецессии, связав ее с гравитационным притяжением других планет, 43 угловых секунды в столетие».

Другие типы наблюдаемых данных также помогли поставить общую теорию относительности на твердую основу, говорит Блэндфорд.

«Мы проверили ее много-много раз, самыми различными способами», — говорит он. — «Думаю, справедливо было бы сказать, что нет никаких убедительных измерений или наблюдений, которые могли бы вызвать сомнения в ОТО».

Темная Вселенная

Общая теория относительности также предполагает, что подавляющая часть Вселенной состоит из вещей, которые люди не могут обнаружить напрямую (на данном этапе), иногда даже понять, пишет Дэвид Спергель из Принстонского университета.

Тщательное изучение движения света и материи во Вселенной показало, что «нормальная» материя сама по себе не может объяснить закономерности кривизны пространства-времени. Действительно, наблюдения показывают, что только 5% Вселенной состоит из знакомой нам атомарной материи, в то время как 25% приходится на темную материю, и 70% — на темную энергию.

Темная материя не излучает и не поглощает свет, выдавая свое присутствие только за счет гравитационных эффектов. Темная энергия, тем временем, представляет собой таинственную силу, которая ассоциируется с пустым пространством и считается ответственной за ускоряющееся расширение Вселенной.

В 1917 году Эйнштейн ввел термин «космологическая постоянная» в общую теорию относительности как силу отталкивания, которая противодействует гравитации и удерживает Вселенную в статическом состоянии (на тот момент это был преобладающий взгляд на природу Вселенной). После того как наблюдения Эдвина Хабла в 1929 году показали, что наша Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн отказался от космологической постоянной, посчитав ее «самой большой ошибкой» своей жизни.

Но постоянная оказалась пророчеством, ведь сегодня астрономы пытаются понять природу темной энергии, которая вполне подходит на ее роль.

«Почему расширение Вселенной ускоряется? Наиболее возможный вариант — космологическая постоянная (или эквивалент энергии вакуума пустого пространства) движет космическим ускорением», — пишет Спергель. — «Другой вариант — развивающееся скалярное поле заполняет пространство (вроде поля Хиггса или поля инфляции, которое быстро расширило Вселенную в ранние ее дни). Обе эти возможности объединяет в себе «темная энергия».

«Поскольку все доказательства темной энергии используют уравнения общей теории относительности, есть мнение, что новая теория гравитации поможет объяснить наблюдения, — добавляет он. — Возможности включают модифицированные теории гравитаций с дополнительными измерениями».

Будущее

Общая теория относительности будет продолжать объединять усилия физиков, космологов и астрономов еще долгое время в будущем, считает Блэндфорд.

К примеру, ученые будут использовать теорию, чтобы получить лучшее понимание черных дыр, нейтронных звезд и других небесных тел и явлений. Ученые также будут продолжать зондировать природу темной энергии и темной материи, пытаясь понять Вселенную в самых широких масштабах.

И, наконец, ученые пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, поженить очень большое на очень маленьком. Эта грандиозная и долгожданная «теория всего» по-прежнему ускользает от физиков, но они думают, что это достижимо.

«Есть много интересных идей. Буду оптимистом и выражу надежду, что мои коллеги смогут осуществить это».