То есть когда мы говорим о вращении Земли вокруг Солнца, то речь идёт не о взаимном притяжении. А о том, что наша планета как бы «падает» на Солнце, «катаясь» вокруг «воронки», образованной в результате «продавливания» Землёй пространства-времени.
То, что мы принимаем за силу тяжести в ньютоновском понимании, на самом деле исключительно внешнее проявление искривления пространства-времени. На сегодня лучшего объяснения природы гравитации, чем даёт нам ОТО, не найдено. И это факт!
Проверить ОТО непросто, поскольку в обычных лабораторных условиях её результаты практически полностью совпадают с результатами, предсказанными законом всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были проведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной.
Кроме того, ОТО помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе. Например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звёзд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца или звёзд вообще.
На самом деле значительные (действительно заметные) различия между результатами, предсказанными ОТО и законами Ньютона, проявятся только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это свидетельствует о том, что для полноценной проверки потребуются сверхточные измерения очень массивных объектов. Например, чёрных дыр. И знаете что? Мы очень близки к таким измерениям. Ведь на подходе гравитационно-волновая астрономия. Но об этом поговорим позднее.
Первое подтверждение общей теории относительности
29 мая 1919 года была сделана фотография солнечного затмения, с помощью которой был доказан основной постулат общей теории относительности: гравитация является не силой притяжения, возникающей между телами в космосе, как объяснял Исаак Ньютон, а свойством пространства-времени, которое искривляется под воздействием массивного тела.
Фотография, положившая начало «веку гравитации»
За тем затмением наблюдали две группы астрономов. Первая группа в составе Артура Эддингтона и его помощника Эдвина Коттингемна находились на острове Принсипи к западу от Африки. Вторая группа британских исследователей находилась в городе Собрал, что на севере Бразилии. При этом обе экспедиции были организованы Королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном.
Изображение из публикации о той работе
В то время мир всё ещё не оправился от Первой мировой войны. Поэтому научные исследования финансировали весьма скудно, и у астрономов было слишком мало оборудования. Помимо прочего, предсказывать погоду тогда практически совсем не умели (будем считать, что сейчас это выходит отлично). Обе эти проблемы оказывали отрицательно существенное влияние на работу, призванную зафиксировать отклонение света под действием гравитации.
Во-первых, если смещение будет обнаружено, как узнать, что конкретно его вызывает: ньютоновская физика или эйнштейновская? Ведь, согласно Ньютону, величина отклонения луча света должна равняться 0,8 угловых секунды, а по Эйнштейну – примерно 1,8. Одна угловая секунда составляет 1/3600°. Обнаружить такую небольшую разницу с приборами того времени – чрезвычайно сложная задача.
Во-вторых, на Принсипи весь день до затмения шёл дождь, а затем опустился туман, который несколько мешал наблюдениям и фотосъёмке. Но задача доказать или опровергнуть самую революционную научную идею XX века стоила всех усилий.
Эддингтону и Коттингемну удалось сделать 16 снимков. Но только два их них отображали достаточное количество звёзд, по которым можно было определить смещение.
У группы астрономов в Бразилии, несмотря на лучшие погодные условия, все 19 снимков, полученных при помощи основного телескопа, оказались не в фокусе. К счастью, у учёных был запасной телескоп, чуть меньше первого, с помощью которого им удалось сделать ещё восемь снимков, оказавшихся удачными.
В августе 1919 года рабочие материалы обеих групп были тщательно изучены. В итоге фотопластинки из Принсипи показали величину отклонения лучей света около 1,6 угловых секунд, из Бразилии – 1,98. Другими словами, безоговорочно была подтверждена общая теория относительности.
Через три месяца учёные презентовали одну из фотографий астрономов (ту, что в начале главы) во время выступления перед Лондонским королевским обществом, что дало начало «веку гравитации». Выступление повергло в всех присутствующих в шок: теория гравитации Ньютона, которая 200 лет была основной, стала частным случаем общей теории относительности.
Журналисты с огромным удовольствием подхватили эту новость, сопровождая её кричащими заголовками (кликбейт всегда был), наподобие этого: «Идеи Ньютона о гравитации выбросили на помойку».
Это было грубым искажением правды об открытии. Никто ничего никуда не выбрасывал! Просто ОТО показала процессы, происходящие во Вселенной, гораздо шире, чем теория гравитации Ньютона.
Последующие наблюдения за другими солнечными затмениями снова и снова подтверждали правоту ОТО. А первые же снимки, сделанные телескопом «Хаббл», выявили ещё большее искривление света под действием гравитации.
Краеугольный камень общей теории относительности и теории гравитации
Международная группа специалистов зафиксировала наиболее точное на данный момент подтверждение одного из краеугольных камней общей теории относительности – универсальность свободного падения (G. Voisin, 2020).
По большому счёту, этот принцип лежит в основе ОТО. Однако несоответствие между ОТО и квантовой механикой, а также загадка доминирования в составе Вселенной тёмных материи и энергии привели многих физиков к убеждению, что ОТО может не являться окончательной теорией гравитации.
Универсальность принципа свободного падения заключается в том, что два тела, упавшие в гравитационное поле третьего, независимо от своего состава испытывают одно и то же ускорение. Впервые это продемонстрировал Галилей. Как известно, он бросал объекты разной массы с вершины Пизанской башни, чтобы убедиться, что они оба достигают Земли одновременно.
Новое исследование показало, что этот постулат справедлив даже для сильно самогравитирующихся объектов, таких как нейтронные звёзды. Измерения были записаны совместной группой из Университета Манчестера, парижской обсерватории и Института радиоастрономии Макса Планка.
Специалисты изучили данные о трио, состоящем из двух белых карликов и пульсара. В этом трио пульсар и первый белый карлик вращаются друг вокруг друга (на расстоянии в 10 раз ближе чем Меркурий к Солнцу) и в то же время – вокруг второго белого карлика. Последний расположен на расстоянии немного дальше, чем Солнце от системы Земля – Луна.
Авторская визуализация пульсара и его ближайшего спутника – белого карлика с их орбитами и вторым спутником на заднем плане. Не в масштабе. © Guillaume Voisin CC BY-SA 4.0
Казалось бы, в подобной схеме нет ничего удивительного. Аналогично Земля с Луной вращаются вокруг Солнца. Но тут всё дело в массах объектов, и в частности пульсара «PSR J0337+1715». При диаметре всего 25 км он имеет массу в 1,44 раза больше массы Солнца. Предполагалось, что этот пульсар может больше гравитационно воздействовать на белого карлика, находящегося с ним в непосредственной близости и одной связке, чем второй белый карлик. При этом согласно данной гипотезе различалось бы воздействие и второго белого карлика на каждый из оставшихся компонентов.
Как были получены данные?
Пульсар испускает пучок радиоволн, который проносится сквозь пространство. При каждом повороте это создает вспышку радиоизлучения, которая с очень высокой точностью фиксируется радиотелескопом. Когда пульсар движется по своей орбите, время прихода света на Землю смещается, согласно определённому закону. Именно точные измерения и математическое моделирование этих пучков радиоизлучения, вплоть до наносекунды, позволили учёным делать выводы о движении звезды с исключительной точностью. В итоге был зафиксирован аналог эксперимента Галилея космических масштабов. Два тела разных состава и массы падают с одинаковым ускорением в гравитационном поле третьего.
Таким образом, универсальность свободного падения, описанная в ОТО, была подтверждена с уровнем достоверности 95 %. Она справедлива даже в присутствии объекта, масса которого в значительной степени обусловлена его собственным гравитационным полем. А это, в свою очередь, в очередной раз подтверждает и саму ОТО.
Одно из последних доказательств теории относительности
Во время наблюдений за уникальной двойной звездой PSR J1141-6545 в созвездии Мухи астрономы зафиксировали искажение ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося белого карлика. Они смогли наблюдать «качание» орбиты пульсара, вращающегося вокруг этого карлика, примерно на 150 км в стороны. Этот эффект, как вы уже поняли, объясняется теорией относительности как искривление ткани пространства-времени вокруг быстро вращающегося массивного объекта.
Уникальность системы PSR J1141-6545 заключается в том, что белый карлик вращается невероятно быстро. Благодаря рекордно малому расстоянию между компонентами пульсар движется по орбите соседа с огромной скоростью в 1 млн км/ч.
Всё это просто не могло не привести к проявлению релятивистских эффектов. Поэтому астрономы и начали свои наблюдения в поисках проявления одного конкретного эффекта Лензе – Тирринга, релятивистского аналога силы Кориолиса, но закручивающего само пространство.
Результаты исследования максимально точны (V. Venkatraman Krishnan, 2020). Так, специалисты измерили скорость импульсов от пульсара до Земли с точностью до 100 мс за 200 лет, используя радиотелескопы Parkes и Extreme в Австралии.
Чёрные линии показывают радиоконтуры, треугольник указывает на пульсар PSR J1833-0827. Небольшая вставка показывает функцию разброса точек инструмента с учётом сглаживания, применённого к изображению