Невидимая «ткань» Вселенной

Невидимая «ткань» Вселенной

Феномен гениальности Альберта Эйнштейна в том, что по сей день ученые находят подтверждения его теориям, выдвинутым более ста лет назад. Например, применение релятивистским эффектам Теории относительности в повседневной жизни нашлось уже в XXI веке.

Человек ловко разбирается в том, с чем сталкивается ежедневно, что может представить и в том, что подвластно его воображению. Эйнштейн умел объяснять вещи, о которых человечество на тот момент даже не задумывалось: он находил ответы на еще не заданные вопросы. Одним из таких ответов стала его теория относительности, которая, кстати, так и не была отмечена при его жизни.

Королевская академия наук на своем вчерашнем заседании приняла решение присудить Вам премию по физике за прошедший год, отмечая тем самым Ваши работы по теоретической физике, не учитывая при этом Ваши работы по теории относительности и теории гравитации, которые будут оценены после их подтверждения в будущем.

Секретарь Шведской Академии наук Кристофер Ауривиллиус

Если из нашего мира убрать все материальное, включая нас самих, останется загадочное «ничто», а на деле – нечто, имеющее структуру и свойства – ткань пространства. То самое пространство, о котором и рассказал Эйнштейн в теории относительности – объединенное со временем, обладающее собственным набором качеств, способное изменяться, деформироваться под воздействием гравитационных сил. Эйнштейн ввел понятие кривизны пространства-времени, произведя настоящую революцию в мире физики.

Но так ли это на самом деле? Эйнштейн предполагал, что единственный способ проверить гибкость пространства – подлететь к черной дыре, где гравитация настолько огромна, что пространство внутри нее закручивается, как кусок ткани, и в результате этой деформации по нему идет рябь – гравитационные волны.

sphere is affecting space / time around it .

Однако 14 сентября 2015 года обсерваториями LIGO и VIRGO было сделано прямое детектирование гравитационных волн от слияния двух далеких черных дыр – грандиозное открытие, полностью подтвердившее теорию относительности.

Почему именно я создал теорию относительности? Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями.

Альберт Эйнштейн

Теория относительности предсказывает наличие релятивистских эффектов. Это явления, наблюдаемые при скоростях, близких к скорости света. Например, если бы мы могли увидеть летящий на скорости света космический корабль, мы бы заметили, что его длина составляет всего несколько сантиметров, а время внутри корабля идет очень медленно. Замедление времени справедливо и для меньших скоростей, но тогда эффект гораздо слабее: например, прожив всю жизнь на МКС, можно «выиграть» едва ли одну секунду. Настоящее применение таким эффектам было найдено уже в наше время – в спутниковой навигации.

Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения.

Альберт Эйнштейн

Система спутниковой навигации базируется на 24 спутниках, обращающихся вокруг Земли с периодом 12 часов на высоте около 20000 км. Каждый спутник передает электромагнитные сигналы, содержащие информацию о местоположении спутника в момент, когда был излучен сигнал. Для получения необходимой точности позиционирования, нужно получить информацию с четырех спутников.

Данные, с которыми работают спутники, должны быть невероятно точными: погрешность во времени в 1 миллисекунду дает погрешность определения местоположения в 300 километров, 1 микросекунду – 300 метров. Допустимая погрешность – 30 наносекунд – не может быть достигнута без учета релятивистских эффектов Теории относительности.

Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для наблюдателя с Земли. А время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее. Вычислив эти эффекты, можно получить значение финальной корректировки – часы на борту спутников идут быстрее земных на 38 микросекунд в день – огромное значение погрешности (более 10 км в день), которое невозможно не учесть.

Для учета релятивистских эффектов в атомные часы на спутниках искусственно вводится поправка в 38 микросекунд.

О подробностях вычислений, а также о том, где еще сегодня используются релятивистские эффекты теории относительности Эйнштейна, можно узнать на лекциях, которые регулярно проходят в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН. Следите за новостями!

bmd

По лекции кандидата физ.-мат. наук, научного сотрудника Лаборатории физики Солнца Пулковской обсерватории Виктории Смирновой.