Общая теория относительности должна быть верна. Вот как мы узнали.
Что происходит со светом, когда он проходит вблизи большой массы? Продолжается ли он просто по прямой линии, не отклоняясь от своего первоначального пути? Испытывает ли он силу вследствие гравитационного воздействия материи поблизости? И если да, то какова величина силы, которую он испытывает?
Эти вопросы затрагивают самую суть работы гравитации. В этом, 2019 году, исполняется 100 лет со дня подтверждения общей теории относительности. Две независимые группы предприняли успешную экспедицию по измерению положения звезд вблизи края Солнца во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года. Благодаря наблюдениям высочайшего качества, которые позволяли технологии в то время, они определили, был ли этот далекий свет звезды изогнут под действием силы тяжести Солнца и насколько. Это был результат, который многих шокировал, но Эйнштейн уже знал, каким будет ответ. Вот как.
Представьте, что вы в лифте, и все двери закрыты. Вы можете слышать, как снаружи работают двигатели, но не можете видеть, что происходит снаружи. Все, что вы знаете, это то, что вы можете чувствовать и что вы можете видеть внутри кабины лифта. Теперь попробуйте задать наиболее физически значимые вопросы, какие только сможете. Как быстро вы двигаетесь и в каком направлении? Ваше движение меняется или нет? И если да, то чем это вызвано?
Находясь внутри лифта, не имея возможности увидеть, что происходит снаружи, вы не можете знать ответы почти ни на один из этих вопросов. Согласно правилам относительности - возвращаясь задолго до Эйнштейна, вплоть до Галилея - вы не можете сказать, находитесь ли вы в движении или нет.
Законы физики не зависят от вашей скорости, и никакие измерения, которые вы можете выполнить исключительно внутри лифта, не подскажут вам, какова эта скорость относительно внешнего мира. Ваш лифт может двигаться вверх, вниз, горизонтально или вообще в любом направлении; если бы не было изменения в его движении, не было бы никакого физического воздействия на что-либо, что происходило внутри лифта.
Это принцип относительности: все инерциальные (неускоряющиеся) системы отсчета подчиняются одним и тем же физическим законам и уравнениям. Свойства Вселенной внутри стационарного лифта и лифта в постоянном движении неразличимы для любого наблюдателя. Только если вы сможете видеть и сравнить свое движение с чем-то внешним, будет какой-то способ сказать, как вы двигаетесь.
Представление о том, что абсолютного движения не существует, лежит в основе специальной теории относительности: все наблюдатели, не движущиеся с ускорением, могут в равной степени претендовать на то, что их точка зрения является правильной.
Если лифт ускорится, история резко изменится. Лифт, который ускоряется вверх со скоростью 9,8 м/с2, увидит, как все внутри него будет ускоряться вниз к полу с той же скоростью: 9,8 м/с2. Когда вы находитесь в транспортном средстве, которое быстро ускоряется (и вы чувствуете, что вас отбрасывает назад на свое место) или замедляется (что толкает вас вперед), вы испытываете эффекты, аналогичные тем, которые испытывает человек внутри ускоряющегося лифта. Именно изменения в движении - ускорении - вызывают то, что вы воспринимаете как силу, точно так же, как вы ожидаете от самого известного уравнения Ньютона: F=m а.
Теперь давайте перейдем к другой проблеме. Если бы вы оказались в том же самом лифте, но вместо того, чтобы разогнаться, он неподвижно сидел на поверхности Земли, что бы вы испытали изнутри?
Сила притяжения Земли тянет все вниз с таким же ускорением - 9.8 м/с2 - на поверхности нашей планеты. Если лифт неподвижен на земле, гравитация Земли по-прежнему заставляет каждый объект внутри ускоряться вниз со скоростью 9,8 м/с2: такой же результат, как если бы лифт ускорялся вверх с такой же скоростью. Для человека, находящегося внутри лифта, у которого нет возможности видеть внешний мир и нет возможности узнать, неподвижны ли они, но находятся ли они в гравитационном поле или ускоряются из-за внешней тяги, эти сценарии будут идентичными.
Теперь подумайте о том, что произойдет, если вы позволите лучу света проникнуть снаружи в одну сторону лифта через отверстие и посмотрите, где он ударит в стену с другой стороны. Это будет зависеть как от вашей скорости, так и от ускорения относительно внешнего источника света. В частности:
- Если бы не было относительного движения или относительного ускорения между лифтом и источником света, казалось бы, что световой луч движется прямо поперек.
- Если бы имелось относительное движение (скорость), но не было бы относительного ускорения, луч света двигался бы по прямой линии, но смещался бы от прямого пересечения.
- Если бы существовало относительное ускорение, луч света следовал бы по кривой траектории, причем величина кривизны определялась бы величиной ускорения.
Этот последний случай, однако, одинаково хорошо описывает ускоряющийся лифт и стационарный лифт в гравитационном поле.
Это основа принципа эквивалентности Эйнштейна: идея о том, что наблюдатель не может различить ускорение, вызванное гравитационными или инерционными (тяговыми) эффектами. В крайнем случае, прыжок со здания при отсутствии сопротивления воздуха будет ощущаться так же, как если бы вы были в полной невесомости.
Астронавты на борту Международной космической станции, например, испытывают полную невесомость, даже несмотря на то, что Земля ускоряет их по направлению к своему центру с примерно 90% силы, которую мы испытываем здесь, на своей поверхности. Позднее Эйнштейн называл это осознание, поразившее его в 1911 году, своей самой счастливой мыслью. Именно эта идея привела его после четырех лет дальнейшего развития к публикации Общей теории относительности.
Вывод мысленного эксперимента Эйнштейна был неопровержим. Какими бы ни были гравитационные эффекты в определенном месте пространства - какие бы ускорения они ни вызывали - они также будут влиять на свет. Точно так же, как ускорение вашего лифта с помощью тяги вызовет отклонение светового луча, ускорение его за счет того, что он находится в непосредственной близости от гравитационной массы, вызовет такое же отклонение.
Следовательно, рассуждал Эйнштейн, можно не только предсказать, что лучи света не могут двигаться по прямой траектории, когда они находятся в гравитационном поле, но и вычислить величину отклонения, просто зная какова сила гравитационных эффектов вблизи этой массы.
Эйнштейну пришла в голову самая счастливая мысль в 1911 году, и к концу 1915 года он завершил формулировку своей общей теории относительности, которая привела к точному предсказанию того, насколько сильно свет должен отклоняться от звезд, испытавших определенные угловые расстояния от Солнца.
Этого нельзя было наблюдать, конечно, в обычных условиях, так как нельзя наблюдать звезды днем. Но когда происходит полное солнечное затмение, особенно если затмение длится долго и небо становится очень темным, звезды могут открыться внимательному наблюдателю. В 1916 году произошло полное солнечное затмение, но Первая мировая война помешала провести важные наблюдения. Затмение 1918 года произошло над континентальной частью Соединенных Штатов, но вмешались облака, нарушив планы Военно-морской обсерватории США.
В 1919 году, однако, над Южной Америкой и Африкой должно было пройти очень долгое затмение, и сэр Артур Эддингтон из Великобритании был к этому готов. С двумя группами в Собрале, Бразилия, и Принсипи, Африка, и затмением продолжительностью около шести минут, это был идеальный полигон для проверки теории Эйнштейна. Несмотря на то, что в течение многих лет результаты вызывали споры, они соответствовали предсказаниям Эйнштейна и выдержали испытание временем и дальнейшую проверку. После наблюдений Эддингтон сочинил следующее пародийное стихотворение:
О, предоставьте Мудрецу наши меры для сверки
Одно можно сказать наверняка: СВЕТ имеет ВЕС
Одно можно сказать наверняка, а об остальном спорить -
Световые лучи, находясь рядом с Солнцем, НЕ ИДУТ ПРЯМО
Хотя всегда важно провести критический эксперимент или наблюдение, способное подтвердить или опровергнуть ваши теоретические предсказания, Эйнштейн не сомневался, что наблюдения звездного света, проходящего вблизи значительной массы, такой как Солнце, покажут что световые лучи действительно искривляются под действием силы тяжести. Точно так же, как он мог быть уверен, что гравитация вызывает ускорения, не было никакого способа избежать вывода, что свет, который, казалось бы, изгибается для ускоренного наблюдателя, также должен изгибаться из-за эффектов гравитации.
29 мая 2019 года человечество будет отмечать 100-летие подтверждения Общей теории относительности и 100-летие гравитационного искривления света. Хотя в тот день у многих были сомнения, Эйнштейн не был одним из них. Поскольку падающие объекты ускоряются под действием гравитации, у нас есть все основания полагать, что гравитация также искривляет свет.