Интересно, что именно эта модель стала первой, которая даёт наиболее правильные предсказания поведения тёмной материи. К примеру, абсолютное большинство галактик, включая нашу, вращаются настолько быстро, что должны разрываться на части. Однако этого не происходит.
Поэтому учёные пришли к выводу, что существует невидимое «гало» тёмной материи, которое удерживает галактики от того, чтобы разваливаться. Новое исследование полностью подтверждает, а главное – предсказывает образование гало тёмной материи. Его данные полностью согласуется с данными, полученными при наблюдениях за последние 100 лет.
О теории относительности «на пальцах»
Пора переходить непосредственно к теории относительности. Рассказать о ней настолько просто, чтобы её понял даже ребёнок, вероятно, невозможно. Потому что существуют понятия и теории, интуитивно не воспринимаемые нашим мозгом, о чём я уже не раз говорил в предыдущих главах. Но можно описать теорию относительности так, чтобы она не вызывала страха в изучении (Трефил, 2007). Ну а база по физике и математике нужна в любом случае.
Столь великая работа не могла не обрасти различными легендами. По одной из них, прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в то мгновение, когда он ехал на трамвае по Берну (Швейцария) и взглянул на уличные часы. Эйнштейн внезапно осознал: если б трамвай разогнался до скорости света, то в его, Эйнштейна, восприятии эти часы остановились. То есть время исчезло бы.
Как бы то ни было, этот эффект является следствием одного из центральных постулатов теории относительности – различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.
Если переходить на научный язык, то Эйнштейн показал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель.
Если, к примеру, пассажирка движущегося поезда уронит свою сумочку, то для неё она упадёт вертикально вниз, а вот для пешехода, стоящего на платформе, мимо которой едет этот поезд, сумочка будет падать по параболе.
Не стóит, правда, забывать, что есть и универсальные вещи, не зависящие от точки отсчёта. К примеру, закон, согласно которому вызвано падение, никак не зависит от наблюдателя. Иными словами, от наблюдателя зависит лишь описание событий, но не законы природы. В этом и заключается принцип относительности.
Принцип относительности породил две теории, одна из которых является частным случаем другой, и которые, собственно, описал Эйнштейн.
Специальная (частная) теория относительности (СТО), опубликованная в 1905 году, говорит нам о том, что законы природы одни и те же для всех систем отсчёта, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности (ОТО), распространяющая этот принцип на любые системы отсчёта, включая движущиеся с ускорением, гораздо более сложная с точки зрения математического аппарата. Поэтому она была завершена Эйнштейном лишь к 1916 году.
Осознавая, сколько было потрачено лет и насколько обширную совокупную работу совершили многие учёные, чтобы сформулировать и описать теорию относительности, хочется передать привет всем тем, кто уверенно обещает объяснить её «на пальцах», говоря, что и базовых знаний будет достаточно.
Специальная теория относительности (СТО)
Начну с того, что абсолютное большинство самых парадоксальных и противоречащих интуиции и логике эффектов, которые возникают при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывает именно СТО. Самый известный из них – эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Уверен, большинство из вас сейчас вспомнило фильм «Интерстеллар».
В этой же картине представлены и кротовые норы, являющиеся одним из следствий формул СТО. Если не вдаваться в подробности, то суть и аллегории фильма и формул заключается в том, что время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается. Ну а длина (протяженность в пространстве) объектов вдоль оси направления движения – наоборот, сжимается.
Вообще, этот эффект был описан ещё в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом. Затем дополнен в 1892 году Хендриком Лоренцем из Нидерландов. В результате он получил название «сокращение Лоренца – Фицджеральда».
Вот почему я говорю, что теория относительности – это результат совокупной работы многих учёных.
Сокращение Лоренца – Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона – Морли, на который ссылаются адепты эфирной гипотезы (определение скорости движения Земли в космическом пространстве путём замеров «эфирного ветра») дал отрицательный результат и показал, что эфира не существует.
Эйнштейн, к слову сказать, не просто включил эти уравнения в СТО, а дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела тоже увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света.
Интересно, что псевдоучёные продолжают пользоваться тем фактом, что выводы и предсказания теории относительности зачастую противоречат логике и интуиции (хотя, заметим, научные выводы контринтуитивны не только в физике, но и в любой другой точной науке). Они словно забывают тот факт, что сами из года в год находят полные и прямые экспериментальные подтверждения теории Эйнштейна, но, тем не менее, продолжают распространять в научной среде свои непонимание и нежелание учиться.
Далее я расскажу о некоторых принципиальных доказательствах более подробно. А сейчас приведу один из самых показательных, на мой взгляд, опытов.
На борту авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, разместили сверхточные атомные часы. После каждого его возвращения в аэропорт приписки их показания сверяли с контрольными. Выяснилось, что часы на самолёте постепенно отставали от контрольных всё больше и больше. Правда, речь идёт о долях секунды, но нам важно принципиальное доказательство отставания.
Ну и, конечно, нельзя забывать об экспериментах на различных ускорителях частиц, включая Большой адронный коллайдер (БАК). Там пучки заряженных субатомных частиц (протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Ими либо обстреливают различные ядерные мишени, либо, как на БАК, сталкивают друг с другом. Последнее намного эффективнее, так как скорости движущихся навстречу друг другу объектов складываются.
При увеличении скоростей частиц до близких к скорости света их массы тоже увеличиваются. Этот факт необходимо учитывать. Иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации.
Таким образом, чтобы вам ни говорили, СТО уже очень давно перешла из разряда гипотез в область инструментов прикладной инженерии, где её используют наравне с законами механики Ньютона.
Кстати, о законах Ньютона
Необходимо особо отметить, что СТО, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона. Конечно, при условии, если её применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть СТО не отменяет ньютоновскую физику, а расширяет и дополняет её.
Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая играет столь важную роль в этой модели строения мира. Такой вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы потому, что она определена естественнонаучным законом (см. Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчёта. Казалось бы, такое утверждение противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.
Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в ОТО.
Общая теория относительности
ОТО применяется уже не только к движущимся с постоянной друг относительно друга скоростью, но и ко всем системам отсчёта. Поэтому, как уже было сказано, она и выглядит гораздо сложнее с точки зрения математики.
Включая в себя СТО (и, следовательно, законы Ньютона) как частный случай, ОТО расширяет границы и, если можно так сказать, даёт новую интерпретацию гравитации, которая на сегодня является её нерешённой частью.
Один из наиболее интересных фактов заключается в том, что ОТО описывает пространство четырёхмерным, добавляя к трём пространственным измерениям время. Поскольку все четыре измерения неразрывны, речь идёт о пространственно-временных интервалах между событиями. Так и появилось понятие пространства-времени. Тут интуиция, как говорится, вообще выходит из чата. Ведь наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже в мнении о том, произошли ли два события одновременно или одно предшествовало другому.
Спешу огорчить «альтернативщиков»: речь идёт не о нарушении причинно-следственных связей. Существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже ОТО не допускает (что упускают псевдоучёные и мракобесы).
Законы Ньютона тоже никак не нарушаются – меняется причина их возникновения. Если Ньютон говорил, что Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения, то Эйнштейн посредством ОТО показал, что причина в другом (что уже многократно было доказано, но об этом ниже).
Согласно ОТО, гравитация – это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы. Наиболее понятный (хоть и слишком упрощённый) пример известен абсолютному большинству: туго натянутое полотно, на которое помещён массивный шар, деформируется под его тяжестью, из-за чего вокруг него образуется впадина в форме воронки.