Сборник - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной

• Название: Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
• Автор: Сборник
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-17-110828-1

Откуда мы знаем, как зародилась и развивалась Вселенная? Как появилась теория, определившая современные представления о пространстве и времени? Как понять концепцию относительности? Можно ли найти в черных дырах другие вселенные? Почему темная энергия «толкается»? В этой книге собраны лучшие статьи ведущих авторов журнала New Scientist. Здесь вы найдете описание современной физической картины мира и интервью с самыми известными физиками, в которых они ответят на самые неожиданные вопросы.

---

Некоторые срезы мозга пропали без вести. Не исключено, что когда-нибудь они найдутся на чердаках ваших дедушек.

Пространственно-временная хроника

1905

Эйнштейн излагает свою специальную теорию относительности в статье «Об электродинамике движущихся тел».

1915

Эйнштейн представляет в Прусской академии наук в Берлине свои уравнения гравитационного поля в общей теории относительности.

1916

Эйнштейн использует общую теорию относительности для предсказания существования гравитационных волн, складок в пространстве-времени, возникающих в результате ускорения массивных тел.

1917

Эйнштейн вводит дополнительный член в свои уравнения, космологическую постоянную, чтобы уравновесить силы притяжения и получить статичную Вселенную, которая бы не расширялась и не сжималась.

1919

Артур Эддингтон наблюдает отклонения световых лучей под действием притяжения Солнца во время солнечного затмения на острове Принсипи – эффект гравитационной линзы, предсказанный Эйнштейном.

1921

Эйнштейн получает Нобелевскую премию за «заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

1922

Александр Фридман находит решение уравнений Эйнштейна, которое описывает равномерно расширяющуюся Вселенную. Пять лет спустя Жорж Леметр независимо от него получает те же результаты.

1929

Эдвин Хаббл и др. показывают, что далекие галактики удаляются от нас – первый намек на расширяющуюся после Большого взрыва Вселенную. Эйнштейн отказывается от своей космологической постоянной.

1948

Теоретики предсказывают, что если Вселенная расширяется из горячего и плотного состояния после Большого взрыва, то она должна оставлять после себя остаточное свечение: космическое микроволновое фоновое излучение.

1964

Радиоантенны улавливают космическое микроволновое фоновое излучение в виде шума. Наступает «золотой век» теории относительности.

1972

Рентгеновское излучение от источника X-1 в созвездии Лебедя предоставляет первое доказательство коллапса звезды и превращения ее в черную дыру звездной массы.

1974

Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаруживают пару нейтронных звезд, чьи орбиты замедляются точно так же, как если бы они теряли энергию, испуская гравитационные волны.

1974

Стивен Хокинг теоретически показывает, что квантовые эффекты могут вынуждать черные дыры испаряться, испуская излучение Хокинга. Возникает вопрос: что происходит с информацией, которую поглощают черные дыры?

1980

Алан Гут и др. выдвигают предположение, что Вселенная, родившаяся в результате Большого взрыва, выровнялась после инфляции – периода ускоренного расширения в первые моменты после своего рождения.

1989

Космическое ведомство США (НАСА) запускает космическую обсерваторию COBE для исследования реликтового (космического микроволнового фонового) излучения. Обсерватория обнаруживает весьма однородное поле излучения, что подтверждает инфляционную теорию Большого взрыва.

1998

Исследования далеких сверхновых показывают, что Вселенная расширяется с ускорением. Космологическая постоянная Эйнштейна приобретает особую актуальность при поиске причин этого явления.

2000-е

Более детальные исследования реликтового излучения подтверждают инфляционную теорию рождения Вселенной в результате Большого взрыва, в которой доминирует темная материя и темная энергия.

2016

Усовершенствованная аппаратура LIGO детектирует гравитационные волны от столкновения черных дыр.

Глава 2 О пространстве и времени

Теория относительности, разработанная Эйнштейном в начале ХХ столетия, включает в себя две части: специальную и общую теорию относительности. Здесь мы познакомим вас с основными элементами этих двух теорий.

Очень специальная теория

Специальная теория относительности, которую Эйнштейн предложил в 1905 году, изменила наши представления о пространстве и времени.

Эйнштейн нарисовал новую картину Вселенной, в которой мы сталкиваемся с очень странными вещами, происходящими во время движения: часы опаздывают, линейки для измерения расстояний сжимаются, а массивные тела становятся еще более массивными. И все это объясняется двумя простыми постулатами: 1) скорость света остается постоянной, независимо от того, кто ее измеряет; 2) соблюдается принцип относительности, который гласит, что одни и те же законы физики действуют для всех наблюдателей, движущихся прямолинейно с постоянными скоростями.

Чтобы понять, почему это происходит, по традиции представим себе поезд (рис. 2.1). Наблюдатель Б (пусть его зовут Боб), который едет в поезде, устанавливает источник света в середине своего вагона. Этот источник посылает два световых луча в противоположных направлениях. С точки зрения этого наблюдателя, лучи достигнут противоположных концов вагона одновременно. Но стоящий на платформе наблюдатель А (по имени Алан) видит нечто другое. Сначала для него скорость каждого светового луча остается точно такой же, какой она видится Бобу. Но пока световые импульсы распространяются, поезд движется вперед. Алан видит, что луч света, направленный к задней стенке вагона, достигает его быстрее, чем луч света, направленный к передней стенке. Итак, два события, одновременные для одного человека, кажутся происходящими в разное время для другого. Одновременность относительна.

Рис. 2.1. В соответствии с принципом относительности события, одновременные для одного человека, могут казаться происходящими в разные времена для другого.

Если два наблюдателя не могут договориться о том, одновременно или нет происходят события, они не смогут договориться и о результатах измерений, касающихся времени. Этот феномен известен под названием «замедление времени». Пусть у наблюдателя Боба в поезде есть «световые часы», состоящие из двух зеркал и источника света. Эти точные часы измеряют время интервалами, которые требуются свету для того, чтобы пройти путь туда и обратно между двумя зеркалами, поставленными под прямыми углами к направлению движения поезда. Проход света от одного зеркала до другого и обратно равен одному «тику» часов. Наблюдатель Боб знает скорость света и расстояние между зеркалами, поэтому он знает время одного «тика».

Постоянная скорость

Но для Алана, стоящего на платформе, «световые часы» с двумя зеркалами двигаются вперед, поэтому путь, по которому проходит свет, лежит для него по двум сторонам треугольника. Этот путь длиннее, чем прямое расстояние между двумя зеркалами, находящимися в покое. Поскольку скорость света постоянна, один «тик» движущихся часов кажется Алану более длительным, чем один «тик» идентичных часов, расположенных на платформе.

Важно понимать, что ситуация является симметричной. Исходя из принципа относительности, наблюдатель Боб может считать, что поезд находится в состоянии покоя, а платформа движется. Проделав такие же расчеты, Боб установит, что часы Алана идут медленнее. Здесь нет никакого парадокса, если мы вспомним, что одновременность относительна. Мы не можем сравнить показания двух разделенных расстоянием часов в «один и тот же миг» до тех пор, пока не решим, что означает этот самый «один и тот же миг». Наши два наблюдателя, например, имеют разные точки зрения на этот счет.

Поскольку световой луч в движущихся часах движется по гипотенузам двух прямоугольных треугольников, легко вычислить величину замедления времени. Если v — это скорость движения часов, а с – скорость света, время растягивается на величину 1/(1–√v2/c2). Эта величина, известная как Лоренц-фактор, появляется во многих релятивистских расчетах.

Замедление времени

Замедление времени, которое таким явным образом проявляется в рассмотренных выше часах, на самом деле характерно для всех движущихся часов и процессов. Эксперименты с быстрыми и короткоживущими элементарными частицами показывают, что их время жизни действительно продлевается за счет Лоренц-фактора.

Давайте пока забудем о времени и поговорим о пространстве. Предположим, что на столике в купе поезда лежит длинная палка. Наблюдатель Алан может измерить длину палки, сосчитав, сколько «тиков» сделают часы на платформе, пока палка проезжает мимо определенной точки на платформе. Но для наблюдателя Боба часы Алана идут медленнее, поэтому в сравнении с его измерениями длина, измеренная Аланом, окажется меньше на тот же самый фактор 1/(1–√v2/c2).

Сжатие Лоренца – Фицджеральда также применимо и к поезду, и к самому Бобу. Все сжимается в направлении движения поезда. Конечно, при скоростях, гораздо меньших скорости света, этот фактор очень мал: даже для сверхзвукового реактивного самолета при числе Маха, равном 2, т. е. при скорости, в 2 раза превышающей скорость звука на уровне моря, сжатие составляет всего лишь две части на один триллион. Чем быстрее объект движется относительно наблюдателя, тем более он укорачивается, и его часы «тикают» все медленнее. При скорости света длина объекта в направлении движения становится равной нулю, а время для него останавливается.