Что такое искривление пространства
Спросите Итана: если масса искривляет пространство-время, как оно распрямляется обратно?
Кривизна пространства-времени вблизи любого массивного объекта определяется комбинацией массы и расстояния до центра масс. Необходимо учесть и другие параметры, такие, как скорость, ускорение и другие источники энергии.
Материя сообщает пространству, как искривляться, а искривлённое пространство сообщает материи, как двигаться. Это основной принцип ОТО Эйнштейна, впервые связавшей такое явление, как гравитация, с пространством-временем и относительностью. Поместите массу в любой точке Вселенной, и пространство вокруг неё отреагирует искривлением. Но если убрать массу или передвинуть её, что заставляет пространство-время «вставать на место», принимая неискривлённое положение? Такой вопрос задаёт наш читатель:
Нас учат, что масса деформирует пространство-время, а кривизна пространства-времени вокруг массы объясняет гравитацию – к примеру, объект на орбите вокруг Земли на самом деле движется по прямой, лежащей в искривлённом пространстве-времени. Допустим, это имеет смысл, но когда масса (вроде Земли) двигается через пространство-время и искривляет его, почему пространство-время не остаётся искривлённым? Какой механизм распрямляет этот участок пространства-времени, когда масса двигается дальше?
С этим вопросом связано много интересного, и ответ на самом деле может помочь вам понять, как работает гравитация.
Кривизну пространства, придаваемую ему планетами и Солнцем в нашей Солнечной системе, необходимо учитывать в процессе любых наблюдений, которые может делать космический корабль или иная обсерватория. Эффекты ОТО, даже самые малые, игнорировать нельзя.
Сотни лет до Эйнштейна нашей лучшей теорией гравитации была Ньютоновская. Концепция Вселенной от Ньютона была простой, прямолинейной и философски не удовлетворяла многих. Он заявлял, что две любых массы Вселенной, вне зависимости от их расположения и удаления, мгновенно притягивают одна другую при помощи обоюдной силы, известной, как гравитация. Чем более массивна каждое тело, тем больше сила, а чем дальше они расположены, тем меньше сила (убывающая с квадратом расстояния). Это применимо ко всем объектам Вселенной, и закон всемирного тяготения Ньютона, в отличие от всех остальных существовавших альтернатив, идеально совпадал с наблюдениями.
Закон всемирного тяготения Ньютона, заменённый теорией относительности Эйнштейна, основывался на мгновенности действия сил на расстоянии
Но он ввёл идею, которую многие величайшие умы того времени не могли принять: концепцию действия на расстоянии. Как могут два объекта, расположенные в разных концах Вселенной, внезапно и мгновенно оказывать друг на друга воздействие? Как они могут взаимодействовать на таком большом расстоянии, чтобы между ними ничего не было? Декарт не мог принять эту концепцию, и вместо неё сформулировал иную, в которой существовала среда, по которой распространялась гравитация. Он утверждал, что космос заполнен некоей материей, и когда через неё двигается масса, она смещает материю и создаёт вихри – это была ранняя версия эфира. Эта теория стала первой в длинной линейке того, что позже назовут механическими (или кинетическими) теориями гравитации.
В версии гравитации от Декарта пространство было заполнено эфиром, и только его смещение могло объяснить гравитацию. Эта идея не привела к формулировке гравитации, совпадавшей с наблюдениями.
Конечно, концепция Декарта оказалась неверной. Полезность физической теории определяет совпадение с экспериментом, а не наша предрасположенность к определённым эстетическим критериям. Когда появилась ОТО, она фундаментально изменила картину, нарисованную законами Ньютона. К примеру:
Кривизна пространства-времени означает, что часы, расположенные глубже в гравитационном колодце – и, следовательно, в сильнее искривлённом пространстве – работают со скоростью, отличной от часов, расположенных в менее глубоком, менее искривлённом месте пространства.
Если бы Солнце внезапно исчезло из Вселенной, мы некоторое время не узнали бы об этом. Земля не улетела бы сразу по прямой; она продолжала бы вращаться вокруг местоположения Солнца ещё 8 минут и 20 секунд. Гравитацию определяет не масса, а кривизна пространства, которую определяет сумма всей материи и энергии, находящейся в нём.
Если бы вы убрали Солнце, пространство перешло бы из искривлённого в плоское состояние, но эта трансформация идёт не мгновенно. Пространство-время – это ткань, и переход должен происходить в виде некоего резкого движения, отправляющего очень большие волны – гравитационные – по Вселенной, которые распространяются по ней, как рябь по поверхности пруда.
Каждая волна, распространяющаяся в среде или в вакууме, обладает скоростью распространения. Не бывает бесконечной скорости, и, в теории, скорость распространения гравитационных волн должна совпадать с максимальной скоростью, разрешённой во Вселенной: со скоростью света.
Скорость распространения волн определяется так же, как определяется скорость всего в теории относительности: их энергией и массой. Поскольку гравитационные волны не имеют массы, однако имеют конечную энергию, они должны двигаться со скоростью света. А это значит, что Земля на самом деле не привязана напрямую к местоположению Солнца в пространстве – она привязана к тому месту, где Солнце было чуть больше 8 минут назад.
Гравитационное излучение появляется всякий раз, когда одна масса движется по орбите вокруг другой, поэтому за достаточно долгое время орбиты уменьшаются. Когда-нибудь в будущем Земля по спирали упадёт на то, что останется от Солнца, если до этого никакое тело не выкинет её с орбиты. Земля привязана к тому месту, где Солнце было порядка 8 минут назад, а не к тому, где оно находится в данный момент.
Это странно, и потенциально является проблемой, поскольку Солнечную систему мы изучили довольно хорошо. Если бы Земля была привязана к местоположению Солнца, которое оно занимало ≈ 8 минут назад согласно законам Ньютона, то орбиты планет не совпадали бы с наблюдениями. Однако ОТО отличается ещё и в другом аспекте. Для расчётов необходимо учесть скорость движущейся по орбите вокруг Солнца планеты.
К примеру, Земля, поскольку она также двигается, в каком-то смысле «катается» на этих волнах, идущих сквозь пространство, опускаясь не там, где её подняло до этого. В ОТО есть два новых явления, которые сильно отличают её от Ньютоновской: на восприятие объектом гравитации влияет скорость каждого объекта, а также изменения в гравитационном поле.
Ткань пространства-времени, с волнами и деформациями, происходящими из-за присутствия масс. Ткань пространства, конечно, искривляется, но при движении масс через изменяющееся гравитационное поле происходит много интересного.
Если вы хотите подсчитать кривизну пространства-времени в любой точке пространства, ОТО позволяет вам сделать это, но вам сначала нужно кое-что узнать. Вам нужно узнать расположение, величину и распределение всех масс Вселенной, точно так, как требовал Ньютон. Кроме того, вам нужна информация о следующем:
Эволюцию пространства-времени и работу гравитации определяет не только положения и величины масс, но ещё и то, как они двигаются относительно друг друга и ускоряются в изменяющемся гравитационном поле.
У этого искривления и распрямления есть свои издержки. Ускоряющаяся Земля не может просто так двигаться в изменяющемся гравитационном поле Солнца без последствий. Они существуют, хотя и маленькие, и их можно измерить. В отличие от теории Ньютона, по которой Земля должна описывать замкнутый эллипс, двигаясь вокруг Солнца, ОТО предсказывает, что этот эллипс со временем должен испытывать прецессию, а орбита медленно убывать. Промежуток времени, за который это произойдёт, может превышать текущий возраст Вселенной, но, тем не менее, орбита не будет оставаться стабильной произвольное время.
Ещё до того, как мы измерили гравитационные волны, это был основной метод измерения скорости распространения гравитации. Не на примере Земли, а на примере системы с экстремальными параметрами, у которой изменение орбиты можно легко заметить: системы из двух объектов на близкой орбите, по крайней мере, один из которых — это нейтронная звезда.
Проще всего будет увидеть этот эффект, если массивный объект будет двигаться с быстро изменяющейся скоростью в сильном и меняющемся гравитационном поле. И такие условия дают нам двойные звёздные системы из нейтронных звёзд! Одна или две таких вращающихся звезды излучают импульсы, которые видны на Земле каждый раз, когда ось звезды проходит через линию прямой видимости. Предсказания теории гравитации Эйнштейна чрезвычайно чувствительны к скорости света, настолько, что уже по итогам наблюдения самого первого пульсара, двойной системы PSR 1913+16, открытой в 1980-х, (двойная система Халса-Тейлора), мы наложили ограничения на скорость гравитации, которая совпала со скоростью света в пределах погрешности измерений всего в 0,2%!
Скорость уменьшения орбиты двойного пульсара сильно зависит от скорости гравитации и орбитальных параметров двойной системы. Мы использовали данные по бинарному пульсару, чтобы ограничить скорость гравитации, и приравнять её к скорости света с точностью в 99,8%
Только на примере этих двойных пульсаров мы узнали, что скорость гравитации находится в пределах 2,993 × 10 8 — 3,003 × 10 8 м/с. Это подтверждает ОТО и исключает Ньютоновскую гравитацию и другие альтернативы. Но механизма, объясняющего, почему пространство не искривляется, когда масса, бывшая в каком-то месте, уходит оттуда; ОТО не является объяснением этого. Масса, движущаяся с ускорением сквозь изменяющееся гравитационное поле, будет излучать энергию, а эта энергия будет волнами, известными, как гравитационные волны, идти сквозь материю пространства-времени. Возвращение к равновесному, неискривлённому состоянию, случается естественным путём. Оно не требует дальнейших объяснений, ОТО решает всё. [Когда Ньютона спрашивали о природе гравитации, он отвечал: Гипотез не измышляю / прим. перев.]
eugene_solo
eugene_soloИстория одной жизни на Земле
Что ж, в прошлый раз я рассказывал о принципах Теории Относительности — о том, почему при достижении больших скоростей начинают быть заметны искажения в течении времени и линейных размерах тел. Что во время разгона космического корабля до околосветовой скорости время впереди по его траектории будет проматываться вперед, причем, чем дальше от космического корабля, тем сильнее. Там то я и упомянул про ускорение.
Ускорение — штука хитрая. Ускорение, это когда меняется скорость или направление движения. Ну, например, при движении по кругу вас отбрасывает от его центра центробежная сила, которая на самом деле и есть обычное ускорение. Таким образом, ускорение показывает насколько изменился вектор скорости — как по его величине, так и по направлению.
А теперь представьте, что вы, находясь в глубоком космосе и ускоряетесь с ускорением равным 9.8 (метров за секунду в квадрате — так измеряется ускорение, хотя это и не суть). Как результат вас вдавит инерция в ваше ускорительное кресло, в котором вы сидите. Если вы будете ускоряться вверх, то сила, с которой вас вдавит в кресло будет подозрительно похожа на обычное притяжение, которое вы испытывали на Земля тупо пялясь телек в этом же кресле. Разницы вы не заметите, уж поверьте. Такая подозрительная похожесть инерции на силу тяготения какое-то время будоражила умы физиков, еще самого Ньютона. Он экспериментально проверял — они одинаковые. Со временем точность одинаковости ученые только увеличили. Так вот, если принять тот факт, что эти массы равны — инерционная масса (что при ускорении получается) и гравитационная (что на Земле ощущается), то в формулах, описывающих ускоренное движение эти массы сократятся и исчезнут из них навсегда. В результате получится, что то, как движется тело от его массы не зависит. Это, к примеру, объясняет почему брошенный со 130-го этажа Лунного небоскреба чертов телек и случайно уроненный любимый айфон (лежавший на телеке) разлетятся вдребезги на поверхности Луны одновременно. На Луне нет воздуха, а стало быть парусность телека не будет препятствовать его движению вниз.
А теперь представьте, что это вас выкинули из окна 130-го этажа Лунного небоскреба за неуплату квитанций по ЖКХ и вы успели захватить с собой любимый айфон. И вот летите вы и чувствуете как вам стало легко. И не потому что вам больше не надо оплачивать ЖКХ, а потому что перестала действовать сила тяготения. И тогда вы решаете провести эксперимент: берете любимый айфон и отпускаете его. Он, вопреки вашему жизненному опыту не падает, а остается рядом неподвижно висеть. Тогда вы пробуете его немного подтолкнуть вниз. И что же — он медленно и равномерно начинает двигаться вниз. В какой-то момент вы понимаете, что его вам не вернуть — он безвозвратно улетел вниз. В последний момент, перед встречей с лунной поверхностью становится ясно, что тела при свободном падении друг относительно друга двигаются равномерно и на них не действуют инерционные силы.
Но как же так, ведь вы ускоряетесь при падении? Ускорение свободного падения на луне равно 1.6 м/с в квадрате. Должны чувствовать! И вот тут на сцену снова выходит дядька Эйнштейн. Ньютон считал, что тела взаимодействуют друг с другом мгновенно и начинают свое движение друг к другу пока не столкнутся. Однако, он не объяснял почему это они вдруг начинают двигаться друг к другу, что это за сила такая, что притягивает их. А вот Эйнштейн объяснил. Оказывается, причина таится не в самих телах и их массах, а в пространстве. До этого никто и никогда не пытался приписать пространству какие-либо свойства, считалось, что оно как бы не особенно то и существует и нечему там эти свойства приписывать. А на самом деле пространство может быть искривлено.
Вот тут надо объяснить поподробнее и с картинками (ура, наконец-то картинки!).
Самая простая аналогия, чтобы понять как искривляется пространство и, главное, как этим искривлением оно влияет на движения всяких разных тел в нем — это аналогия с резиновой мембраной. Давайте в уме натянем резиновую мембрану. Мембрана очень пластичная и если в ее центр положить бильярдный шар, то мембрана прогнется как на картинке. Теперь, если взять маленький и легкий мячик для настольного тенниса и пустить его на мембрану прокатиться так, чтобы его траектория проходила недалеко от бильярдного шара то его движение будет не прямолинейным. Так же как нарисовано на картинке — длинная голубая линия со стрелкой — так же и будет двигаться теннисный мяч. Вблизи бильярдного шара он отклонится от своей прямой траектории и приблизится к шару. Если он катится достаточно быстро, то он сможет преодолеть «силу притяжения» шара и снова вернуться на свою траекторию, хотя уже и измененную. Чем ближе к шару будет прокатываться мяч, тем сильнее будет «притяжение» и тем меньше у него шансов вырваться из него. В конце концов он может «упасть» на шар и там остаться. Катая таким образом мяч по мембране, в какой-то момент можно будет даже добиться круговых движений вокруг шара аки Земли вокруг Солнца.
Конечно, аналогия с мембраной это всего лишь аналогия, ведь на шар и мяч на мембране продолжает действовать обычная гравитация Земли, где мы и проводим этот эксперимент. Поэтому предлагаю представить в уме искривление пространства следующим образом. Во-первых, пространство трехмерное, а следовательно это искривление должно быть и в длину и в высоту и в ширину — во всех направлениях. Во-вторых, это не «прогибание» чего либо под действием чего либо, это, скорее просто уплотнение пространства вблизи массивного тела. Это можно представить себе так: будто бы один метровый отрезок чем ближе к поверхности Земли, тем он более коротким становится — пространство сжимается. Очень похоже не изменения размеров при большой скорости движения. Представили?
А теперь вернемся к движению тел в этих искривленных пространствах. В науке это называют движением по геодезическим линиям (или мировым линиям). Получается, что тела движутся просто по инерции, их ускорение с их же точки зрения равно нулю. А нам дуракам, стоящим и наблюдающим со стороны кажется, что они ускоряются. И все это потому, что эти тела проваливаются в гравитационную яму, которую образовало массивное тело типа Земли. Представить это можно себе так: разметьте линию отрезками, засечками, аки линейку, только засечки сделайте так, чтобы каждый следующий отрезок был короче предыдущего, пока отрезки не станут слишком мелкими. А теперь двигайте пальцем вдоль этой «линейки» с одинаковой скоростью, начиная с широких отрезков. Видите, ваш палец с вашей точки зрения (точки зрения пальца) движется равномерно. Но с точки зрения искривленного пространства линейки, он все больше и больше метров покрывает за единицу времени. Приплетать сюда замедление времени пока не стоит — а то запутаетесь. Скажу лишь, что время замедляется существенно меньше, чем искривляется пространство.
Но почему тела вообще начинают движение друг к другу? Вот, к примеру, если поднять над землей ваш любимый айфон и отпустить — он же упадет, хотя изначально он не двигался? Зачем он вообще начинает движение по этим вашим геодезическим линиям, спросите вы? А я отвечу — не спроста! Все дело в искривлении времени. Как известно, айфон имеет размеры. А еще он состоит из элементарных частиц (а вы думали из чего?). Так вот, те элементарные частицы той части айфона, что ближе к Земле имеют энергию большего значения, чем те, что дальше от Земли по причине разницы в течении времени. В результате айфон начинает движение по вектору этой силы — от меньших энергий к большим. Так и порождается движение по вполне определенному направлению — по этим самым геодезическим линиям, которые приведут его к Земле, где он разобьется вдребезги. Причем, чем ближе к Земле находится айфон, тем более интенсивно он будет к ней приближаться, ибо искривление пространства-времени вблизи Земли больше. Для айфона — страх да и только!
Вот так всё в мире устроено. Вы сами создаете искривления пространства своими телесами, не думайте, что вы чем-то хуже звезд и планет. Только ваше искривление такое слабое, что им в общем-то можно и пренебречь. А вращающиеся тела помимо простого искривления создают еще и вихревые — они как бы увлекают за собой материю пространства-времени и искривление происходит по ходу вращения тела. Поэтому у тех пацанов, что едут в своих джипах по ходу вращения Земли часы идут быстрее, чем у тех, что едут обратно в эту свою Москву.
Достоверно известно, что до сих пор не провели ни одного эксперимента, который бы опровергнул Теорию Относительности (все, что я тут говорил про гравитацию тоже относится к ОТО). Однако, неугомонными противниками ОТО было таки разработано около 30 альтернативных теорий. Справедливости ради надо сказать, что некоторые из них получают цифры очень близкие к тем, что выводятся формулами ОТО. То есть получается, что одни и те же величины можно рассчитать как по ОТО, так и еще по нескольким другим теориям. Поэтому пространство для маневров все еще сохраняется, хотя я лично не верю в то, что вдруг кто-то опровергнет настолько изящную и красивую теорию, выведенную Эйнштейном.
Причины, по которым люди ищут альтернативные теории понятны: с одной стороны тупо хочется славы, с другой — в ОТО есть пара проблем, которые до сих пор не разрешены до конца. Основная проблема ОТО — это конфликт ее положений с квантовым представлением мира. Вы обратили внимание, что до сих пор мы вели речь в основном о больших объектах — звездах, планетах, айфонах? Это не случайно. Дело в том, что если опуститься на микроскопический уровень, расщепив атом и достигнув размеров электрона, то там творится просто кромешный звиздец: пространство хаотически искривлено, все находится в постоянном движении со световыми скоростями, количество энергии зашкаливает. В этом мире можно пройти сквозь стену и не заметить ее, взять в руки айфон и тут же потерять его. В общем, жесть еще та. С таким хаосом гладкий и неторопливый мир ОТО никак не стыкуется.
Зато в этом мире столько чудес! Причем, многие чудеса уже давно экспериментально подтверждены. Как вы уже поняли я клоню к тому, что в следующем посте я расскажу вам про квантовую механику — самую завораживающую и волшебную науку.
masterok
Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
Международная команда астрофизиков провела наблюдения за рентгеновскими лучами, выбрасываемыми во Вселенную сверхмассивной черной дырой, и впервые в истории сумела зафиксировать свет, исходящий с ее «обратной» стороны.
Команда во главе с астрофизиком из Стэнфордского университета Дэном Уилкинсом изучила лучи, исходящие из центра галактики, расположенной на расстоянии 800 миллионов световых лет от Земли.
В результате была выявлена заинтриговавшая ученых закономерность. Сначала телескопы зафиксировали серию ярких рентгеновских вспышек, которые не являются беспрецедентными. Однако затем неожиданно были пойманы дополнительные рентгеновские сигналы, которые заметно отличались от предыдущих ярких вспышек. В частности, они были короче, пришли с «опозданием» и имели разные «цвета».
Астрофизики детально изучили их и пришли к выводу, что они столкнулись с так называемым световым эхо. Иными словами, были пойманы рентгеновские лучи с «обратной», если наблюдать с Земли, стороны черной дыры. Это явление не укладывается в мерки нашего сегодняшнего понимания природы черных дыр, однако при этом оно отлично вписывается в сценарий, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна, но до сих пор практически не подтвержденный.
«Любой свет, который попадает в эту черную дыру, не покидает ее, — говорит Уилкинс. — Поэтому мы не должны видеть то, что находится за черной дырой. Однако существует необычная характеристика, которая делает такое наблюдение возможным. Причина, по которой мы это увидели, заключается в том, что данная черная дыра искривляет пространство, искривляет свет и закручивает вокруг себя магнитные поля».
Интересно, что изначально астрофизики планировали просто получить дополнительную информацию о такой загадочной характеристике некоторых черных дыр, как корона. Считается, что попадающий в сверхмассивную черную дыру материал подпитывает самые яркие и непрерывные источники света во Вселенной.
При этом вокруг черной дыры образуется своего рода корона. Этот свет является рентгеновским излучением, анализируя которое, ученые получают характеристики каждой конкретной черной дыры.
В данном случае ученые намеревались установить происхождение ярких вспышек, но им удалось поймать и серию более мелких вспышек. Результаты команда перепроверила не раз и в итоге пришла к выводу, что мелкие вспышки — это такие же яркие рентгеновские вспышки, только отраженные от задней части короны. По сути, представленное исследование — это буквально первый взгляд с Земли на дальнюю сторону черной дыры.
«Пятьдесят лет назад, когда астрофизики только начинали размышлять о том, как магнитное поле может вести себя вблизи черной дыры, они понятия не имели, что однажды у нас могут появиться методы, чтобы наблюдать это напрямую и увидеть общую теорию относительности Эйнштейна в действии», — резюмирует соавтор исследования Роджер Блэндфорд.