Невероятната прецизност на Теорията на относителността

[asthfghl]

Общата теория на относителността на Айнщайн продължава да показва завидна жизненост дори сега, цял век след нейното откриване. През 1915 г. Айнщайн публикува известния си труд, който се превръща в крайъгълен камък, който учените и до днес използват в опитите си да вникнат в произхода и развитието на Вселената. Тази теория продължава да вдъхновява изследвания по някои от най-фундаменталните въпроси във физиката и астрономията.

 

Общата относителност е приемана за основа на съвременното описание на Вселената в най-големи мащаби, което наричаме космология: от галактиките, черните дупки и неутронните звезди до най-незначителните корекции в орбитите на планетите и космическите апарати в собствената ни Слънчева система, та чак до правилното функциониране на GPS системите.

Естеството на гравитацията

Това, което Общата относителност постига, е да добави гравитацията към Специалната теория на относителността, която Айнщайн публикува десет години по-рано. Специалната теория на относителността гласи, че законите на физиката са едни и същи за всеки неускоряващ се наблюдател и че скоростта на светлината във вакуум е постоянна, дори когато наблюдателят или източникът на светлина се движи.

Специалната теория на относителността описва взаимовръзката между енергия и маса чрез най-известната в историята на науката формула E=mc^2. ("Е" е енергията, "m" е масата, а "c" е скоростта на светлината във вакуум, или около 1.08 млрд кмч). Теорията също обединява пространство и време в единна четириизменна система, наречена "пространство-време".

Общата относителност надгражда над тази идея и обяснява как материята изкривява пространство-времето, подобно на тежка топка, която е търкулната по мека повърхност и която предизвиква вдлъбнатини в нея. Това монументално прозрение не е постигнато от Айнщайн просто ей тъй, без усилия - той достига до него с много труд, след цяло десетилетие на интензивни размишления по въпроса и сложни изчисления.

Неведнъж през това време му се е налагало да се връща обратно и да започва отначало. На няколко пъти е извеждал предложения, които впоследствие е оттеглял. Но нито за миг не се е отчаял и е продължил да упорства. Той не се е движел в усилията си от математически идеи и техники, а преди всичко от невероятната си физична интуиция, която в края на краищата не го е предала.

Общата относителност описва гравитацията не като някаква присъща на обектите сила, а по-скоро като последствие от кривината на пространство-времето. (Представете си малко топче, което се спуска по наклон, причинен от присъствието на по-голяма топка върху меката повърхност).

Това е могъща, радикална идея. И тя досега е издържала на непрестанни тестове и изпитания - вече цял век.

Потвърждение от много източници

Общата относителност прогнозира, че светлината би поела по изкривена траектория в присъствието на масивни обекти като галактическите купове, които значително изкривяват тъканта на пространство-времето. Това наистина е наблюдавано пряко от астрономите, които в днешни дни успешно се възползват от така наречения ефект на "гравитационните лещи", за да наблюдават далечни източници на светлина. Всъщност в по-малки мащаби, това явление често помага на търсачите на нови планети да откриват чужди светове далече отвъд нашата Слънчева система. (Екзопланетите понякога се засичат чрез изследване на начина, по който техните звездни системи изкривяват светлината, идваща от обектите, разположени далече зад тях).

Някои странности в орбитата на Меркурий около Слънцето също потвърждават Общата теория на относителността. Те обясняват аномалиите в прецесията на перихелия на Меркурий, или с други думи - въртенето на мислената линия, която съединява Слънцето с точката на максимално доближаване на планетата. Айнщайн е използвал своята теория, за да обясни 10-процентното разминаване на прецесията, което се дължи на гравитационното привличане от страна на останалите планети, което е 43 дъгови секунди на 100 години.

И други видове емпирични данни, добити чрез преки наблюдения, са идвали на помощ на Общата относителност. Всъщност тя е може би най-често и щателно проверяваната теория в историята на науката. И досега не се е получило нито едно свидетелство, което да поставя под въпрос нейната прецизност и надеждност.

Тъмна Вселена

Общата относителност също намеква, че Вселената в огромната си част е съставена от нещо, което хората не са в състояние да засекат директно (към момента) и дори да си го представят. По-щателното изучаване на движението на материята и светлината из Вселената показва, че "обичайната" материя изобщо не е достатъчна да се обясни специфичното разпределение и мащаб на пространствено-времевите изкривявания в голям мащаб. В действителност от наблюденията излиза, че само 5% от Вселената е съставена от познатата ни обичайна материя (изградена от атоми), докато около 25% е "тъмна материя", а останалите 70% - още по-мистериозната "тъмна енергия".

Тъмната материя нито излъчва, нито поглъща светлина, а присъствието й си проличава единствено чрез гравитационните ефекти от нея. Същевременно, тъмната енергия представлява мистериозна сила, която се свързва с празното пространство и за която се счита, че причинява непрекъснато ускоряващото се разширяване на Вселената.

През 1917 г. Айнщайн вмъква в уравненията си едно понятие, което нарича "космологична константа" - това се предполага да е някакъв вид отблъскваща сила, която да противостои на гравитацията и така да се постига идеално балансирана статична (т.е. неподвижна, нито разширяваща се, нито свиваща се) Вселена - което е било и преобладаващото схващане по онова време. Само че, след като американският астроном Едуин Хъбъл прави своите наблюдения през 1929 г. и доказва, че Вселената всъщност се разширява, Айнщайн премахва космологичната константа от теорията си и дори заявява, че вмъкването й е било "най-голямата грешка в живота му".

Само дето тази константа сега изглежда напълно пасва в картината, която астрономите наблюдават със съвременните си инструменти - тя поразително съвпада с функцията, изпълнявана именно от тъмната енергия! Айнщайн изглежда е напипал нещо, което самият той не е имал смелостта и знанията да доразвие по онова време.

Защо се ускорява и разширява Вселената? Най-често споменаваното обяснение е, че космологичната константа (или казано другояче, вакуумната енергия на празното пространство) подклажда космическото "раздуване". Друго едно възможно обяснение е, че цялото пространство е изпълнено с някакво еволюиращо скаларно поле (подобно на Хигсовото поле или инфлационното поле, което е предизвикало невероятно огромното взривообразно разширение на Вселената в първата секунда от нейното съществуване). И двете възможности се разглеждат като свързани с проблема за "тъмната енергия".

Тъй като всички свидетелства за тъмната енергия използват уравненията на Общата относителност, за да тълкуват наличните наблюдения за разширението и развитието на Вселената, се натрапва заключението, че е необходима една съвсем нова теория за гравитацията, която да обясни тези явления. Някои от спряганите възможни обяснения включват видоизменени гравитационни теории, свързани с хипотетичното съществуване на допълнителни пространствени измерения.

Бъдещето на теорията

Общата относителност вероятно ще продължи да има доминираща роля в усилията на физиците, космолозите и астрономите да вникнат в далечното бъдеще на Вселената. Така например, изследователите ще продължават да я използват, за да разберат по-добре устройството и начина на зараждане и функциониране на черните дупки, неутронните звезди и други небесни тела и явления. Учените ще продължават да изследват природата на тъмната енергия и тъмната материя в опит да разберат Вселената в най-големи мащаби.

И разбира се, изследователите ще продължат да търсят начин да се обединят Общата относителност с квантовата механика и така едновременно да се обясни по единен начин светът на микроскопичното и този на огромното. Тази отдавна търсена "Теория на всичко" засега продължава упорито да им убягва, но това не означава, че е непостижима.