Эксперименты и теория относительности.

XX век стал воистину революционным в науке и, соответственно, в понимании Вселенной вокруг. Человек видит то, что знает — и мы стали видеть гораздо чётче и яснее, вероятно.

В XX веке человечество догадалось систематически и умышленно использовать пенициллин, разработало квантовую механику и теорию относительности, обнаружило нейтрон и антиматерию, изобрело транзистор и лазер, экспериментально впервые отождествило объекты за пределами нашей Галактики – то есть, люди только недавно открыли Вселенную, да ещё и расширяющуюся! И ещё Плутон обнаружили. Также отважные исследователи впервые побывали на Южном полюсе в Антарктиде, нырнули в Марианскую впадину и покорили Эверест. Прогресс и наука позволили людям слетать на Луну, создать Интернет (а вместе с ним – неограниченный доступ к знаниям и к источникам, где можно проверить достоверность информации). И под конец тысячелетия обнаружить воду на Солнце и успешно посадить целый функционирующий марсоход (сейчас Марс – пока что единственная известная планета, полностью населённая роботами). Насыщенный получился XX век. Совсем недавно всего этого не было. Мы же воспринимаем всё, как должное и само собой разумеющееся. Стоит задуматься и особенно ценить упорный труд той небольшой части человечества, что двигало его столь стремительно вперёд к комфорту, удобству жизни, её продлению и поддержанию. И главное – к знаниям.

Сегодня речь пойдёт про теорию относительности. Вот уж что наломало парадигм не хуже квантовой механики и поражает своей предсказательной силой и по сей день. Увы, множество далёких от науки обывателей, насмотревшись или начитавшись научно-популярных видео и книжек – ошибочно полагают, что поняли теорию относительности и уж точно разобрались в ней, на деле же неверно истолковав содержимое. Зачастую причиной тому бывают упрощённые аналогии – все эти растянутые массивными объектами батуты, "объясняющие" гравитацию, и надувные шарики, иллюстрирующие расширение Вселенной – отсюда у недостаточно образованных любителей науки возникают ошибочные представления об иллюзорной простоте теории, что влечёт заблуждения о всяких физических сокращениях размеров объектов, увеличении массы в движении и прочие мнимые парадоксы (вызванные исключительно непониманием), которыми особо прыткие дилетанты спешат опровергать Эйнштейна и его труд. Безусловно, сложность восприятия кроется в совершенно неинтуитивных понятиях и представлении, сменивших классические (дорелятивистские) воззрения – даже в серьёзных научных кругах споры и дискуссии продолжались десятилетиями. Но, ни один скептик не переспорит эксперимент.

Теория относительности делится на Специальную (СТО) и Общую (ОТО). Теории в физике имеют границы своей применимости. Известные законы физики постоянно уточняются, оказываясь приближёнными. Предшествующие теории обобщаются более полными. СТО справедлива в небольших масштабах, в ней пренебрегается влиянием гравитации, и ОТО является её корректировкой, обобщением и более точной (и совершенно иной) теорией гравитации, отличной от ньютоновской. Вопреки "научно"-популярным трактовкам, ценность теории относительности вовсе не в батутах и скукоживающихся предметах. С точки зрения фундаментальных законов Вселенной естественно трактовать все системы отсчёта одинаково. Достаточно очевидно, что законы природы не могут зависеть от принятой системы координат. И теория относительности именно об этом.

Используя принцип относительности, СТО провозглашает равноправие точек зрения наблюдателей: законы физики проявляются одинаковым образом для всех наблюдателей, находящихся в состоянии равномерного движения. Иными словами, никакими опытами невозможно определить своё пребывание в той или иной системе отсчёта: никакой эксперимент не даст основания полагать экспериментатору, что в покое пребывает именно он, а не движущийся относительно него другой экспериментатор. Природа скрывает от нас эту опцию. Но такое равноправие неполно без ОТО, базирующейся на принципе эквивалентности, который обобщает принцип относительности на случай произвольным образом движущихся систем отсчёта. Принцип эквивалентности, в свою очередь, не различает ускоренное движение и гравитацию. ОТО требует существование гравитации, позволяющей объявить, что все наблюдатели – независимо от состояния движения – являются абсолютно равноправными. Даже те, движение которых кажется ускоренным, могут заявить, что находятся в состоянии покоя, поскольку способны подходящим образом ввести гравитационное поле в описание своего окружения. Таким образом, ОТО гарантирует равноправие всех точек зрения и систем отсчёта, независимо от состояния движения. И этим мы обязаны гравитации. А что есть гравитация? Это проявление кривизны пространства-времени, которая управляется материей (веществом или полем) через уравнения Эйнштейна.

Прошло чуть больше века с тех пор, как учёные поняли, что мы живём в четырёхмерном пространстве-времени. И это понимание повлекло невероятный подъём науки. В чём это проявляется? К примеру, Дирак релятивистски обобщил уравнение Шрёдингера, что следственно влекло существование антиматерии, и сегодня это наиболее дорогостоящая субстанция на нашей планете. Вообще, синтез теории относительности и квантовой механики породил квантовую электродинамику (релятивистскую квантовую теорию поля) и это наиболее точная из когда-либо созданных теорий, описывающих природные явления. Следствия СТО в явлениях атомной спектроскопии согласуются с экспериментами с точностью до относительных величин порядка 10⁻⁶, а при определении магнитного момента электрона теория и эксперимент совпадают вплоть до восьмой значащей цифры (Drell, 1980). Уравнения теории относительности незаметно вплелись в нашу повседневную жизнь – астрофизики предсказывают вспышки линзированных Сверхновых (Kelly et al, 2015), химики объясняют релятивистскими эффектами токсичность свинца (Pekka Pyykkö, 2012), жидкость ртути (Calvo et al, 2013) и цвет золота (Pekka Pyykkö, 2008), а спутники GPS без учёта замедления течения времени тут же дадут ошибку в координатах на наших навигаторах, которую мы заметим уже через 2 минуты (и дальше будем копить по ~10 км/день). Часы на спутниках идут чуть быстрее, чем наши. Точный отсчёт времени критически важен для высокоточного определения системой GPS положений на земной поверхности, и поэтому релятивистские эффекты в этой системе строго учитываются (Neil Ashby, 2003). То есть, тривиальным доказательством справедливости теории относительности, вообще говоря, является смартфон с работающей навигационной системой. Но за век скопилось куда большее количество экспериментов, подтверждающих наши представления об окружающей Вселенной, описываемых в рамках теории относительности.

Казалось бы, мы живём в мире небольших скоростей, который с запасом точности описывается законами Ньютона. Могучая ньютоновская механика теоретически предсказала планету Нептун, которую впоследствии открыли в наблюдениях. Не так много явлений в целой Солнечной системе, где описание ньютоновской физикой не совсем справедливо – стоило ли ради этого строить невероятно сложную теорию, радикально меняющую взгляд на устройство окружающего мира? Ну, ускоритель частиц по формулам механики Ньютона работать не будет. Да и построение теории было стимулировано, разумеется, не праздностью. С чего всё начиналось – естественно, с эксперимента. И стремительно копившихся несостыковок и неувязок от неприменимости в некоторых случаях принципа Галилея и классического уравнения движения (второй закон Ньютона), а вслед и понимания, что механика Ньютона несовместима с полем.

Во-первых, после открытия первой элементарной частицы – электрона – и естественной радиоактивности (бета-распад), связанной с электронами – в опытах Кауфмана было установлено, что законами Ньютона поведение разогнанных до релятивистских скоростей частиц уже не описать. Во-вторых, уравнения электродинамики (блестяще работающие в конкретной лаборатории) не пересчитывались в координаты других лабораторий (преобразования Галилея не сохраняют форму уравнений Максвелла). В-третьих, эксперименты с интерферометром Майкельсона реально озадачили учёных того времени и поставили в тупик. Оказалось, что скорость света не зависит от скорости движения источника, а фиксированная скорость света выводится из уравнений электродинамики. Сам экспериментальный факт того, что взаимодействия распространяются не мгновенно (а с постоянной конечной скоростью) попросту ломал всю ньютонову физику.

Следует уточнить, что из истории переписок Эйнштейна ясно, что, к примеру, опыт Майкельсона не был фундаментом для построения теории относительности (и едва ли оказал на молодого Альберта заметного влияния), однако, наука развивается сообща – так или иначе достаточно много умов было вовлечено в развитие науки – Пуанкаре, Лоренц, Минковский, Лармор, Фогт, Планк и другие величайшие умы – все они опирались на результаты и опыты предшественников. Сейчас я лишь пытаюсь подчеркнуть некоторые экспериментальные предпосылки той эпохи на рубеже веков, указывающие на неполноценность имеющихся знаний и теорий, описывающих действительность.

Постоянство скорости света уже, по сути, бросало тень на ньютоновскую физику — законы движения Ньютона позволяли догнать луч света, вопреки законам электромагнетизма Максвелла. Казусы с электронами пробовали объяснить новыми электронными теориями, но возникающие бреши приходилось латать введением непонятных сил и дополнительных сущностей. При этом, проблемы вокруг максвелловской электродинамики решались с помощью преобразований Лоренца, и Эйнштейн с помощью СТО разом разрешил множество противоречий и несостыковок в физике, радикально изменив представление о пространстве и времени.

В июне 1905 молодой Эйнштейн послал в немецкий журнал Annalen der Physik статью, с которой начинается Специальная теория относительности. В рамках этой теории раздельно пространство и время теряют абсолютный смысл и переплетаются в едином целом – четырёхмерном пространстве-времени псевдоевклидовой геометрии. Да, такой переворот в физике оказался радикальным и революционным, ожидаемо не все в научном сообществе стремглав приняли новое описание Вселенной, но Эйнштейн пошёл гораздо дальше и в конце 1915 года представил результаты своих крайне нетривиальных и трудоёмких исследований в статье, главным в которой были так называемые уравнения гравитационного поля. Согласно ОТО пространство-время не только зависит от состояния движения наблюдателя (СТО), но и должно деформироваться и искривляться в ответ на присутствие вещества или энергии. В свою очередь, такие деформации структуры пространства-времени передают силу тяжести из одного места в другое.

В случае незначительного влияния гравитации мы возвращаемся к плоскому пространству-времени Минковского, не имеющему никакой кривизны. То есть, предельным случаем для ОТО является СТО. Понятно, что если экспериментальные данные указывают на справедливость ОТО, то это влечёт и справедливость СТО, поэтому ниже будут представлены лишь самые неочевидные и впечатляющие экспериментальные свидетельства (Турышев, 2009), связанные именно с ОТО. Но, как известно, теория хороша, если описывает массив уже имеющихся экспериментальных наблюдений. Но что её делает великолепной – так это предсказание неких наблюдаемых явлений наперёд. И тут ОТО есть чем удивить.

• 1915 год. Первый триумф ОТО – описание смещения перигелия Меркурия. Но то была проблема известная ранее, пусть и не поддающаяся в рамках классической механики. Другое дело – следствия и предсказания столь революционные и контринтуитивные, экспериментальное подтверждение которых по-настоящему перевернуло бы представление об устройстве мироздания.

• 1919 год. Эксперимент Эддингтона и Дайсона (Dyson et al, 1920). Во время солнечного затмения возможно пронаблюдать свет фоновых звёзд, идущий близ тяготеющего Солнца. ОТО предсказывает гравитационное линзирование, то есть, отклонение положения звёзд на небосводе ввиду искривлений пространства-времени, вызванных массивным Солнцем. Эти отклонения можно обнаружить, сравнив тот же участок небесной сферы с теми же звёздами через несколько месяцев до или после затмения (когда Солнце находится на другом участке небосвода).

В первом эксперименте при затмении для анализа хватило звёзд для сравнения с заранее полученными данными. Одновременно вторая экспедиция получила наблюдения, которые так же при анализе совпали с предсказанием отклонения Эйнштейна. Независимый анализ фотопластинок Эддингтона в 1923 году, затем в 1956 году, а затем ещё в 1979 году показал то же предсказанное отклонение, но чуть уменьшив погрешность измерения. В статье Kennefick (2007) приводится данный анализ.

Затем эксперименты неоднократно повторялись, подтверждая предсказанный эффект. После уже подключили радиоинтерферометрию со сверхдлинной базой (РСДБ) для более высоких точностей (Fomalont et al, 2009).

Подробнее про историю вопроса и расширение кругозора: Clifford (2014), Lemos (2019).

В 1801 году (Jaki, 1978) в некоторых допущениях ньютоновской теории гравитации немецкий учёный Иоганн Георг фон Зольднер вычислил величину углового отклонения луча от первоначального прямолинейного пути, однако, результат оказался вдвое меньше предсказания ОТО.

В широких кругах эксперимент Эддингтона — самый известный результат, связанный с теорией относительности. Увы, среди широкой публики часто можно встретить представление, что чуть ли не единственный, да и то – сомнительный. Да и ОТО – всего лишь теория. Ну и так далее. Потому расширим картину. Понятно, что перечислять совсем все эксперименты – труд неподъёмный, потому ниже будут выделены лишь самые значимые.

• 1929 год. Хаббл публикует результаты своих наблюдений (Hubble, 1929), в которых разрешил ближайшие галактики на звёзды. Эмпирическим результатом стала зависимость радиальных скоростей этих галактик от расстояния до них, что соответствует одному из следствий теории относительности. Из уравнений ОТО следует, что общий пространственный размер Вселенной может изменяться с течением времени. И это расширение Вселенной и было зафиксировано Хабблом.

Последующие эксперименты описаны в следующем посте.