The Equivalence Principle
Отправной пункт Эйнштейна — его "самая счастливая мысль" — принцип эквивалентности: человек в свободном падении не может отличить падение в гравитационном поле от парения в пустом пространстве. Локально гравитация и ускорение идентичны. Развивая эту простую идею, он потратил 8 лет на разработку математики искривлённого пространства-времени.
Что такое искривлённое пространство-время?
В ньютоновской физике пространство плоское и трёхмерное; время отдельно и абсолютно. В общей теории относительности пространство и время объединены в четырёхмерное пространство-время, и массивные объекты искривляют эту ткань. Земля искривляет пространство-время вокруг себя; Луна движется по кривой траектории через это искривлённое пространство-время — то, что мы называем орбитой. Гравитационной силы нет; есть только искривлённая геометрия.
Уравнения поля Эйнштейна
Уравнения поля Эйнштейна (Gμν + Λgμν = 8πG/c⁴ Tμν) связывают кривизну пространства-времени (левая часть) с распределением энергии и материи (правая часть). John Wheeler подвёл итог: «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться». Это 10 связанных нелинейных уравнений в частных производных — одни из самых математически сложных в физике.
Confirmations
Наблюдения Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года подтвердили, что звёздный свет изгибается вокруг Солнца, как предсказывает теория. Прецессия орбиты Меркурия (необъяснённая Ньютоном) точно описывается ОТО. Спутники GPS должны корректироваться с учётом замедления времени ОТО — без этого GPS ошибался бы на ~10 км в день. Гравитационные волны (предсказаны в 1916 году) впервые обнаружены детектором LIGO в 2015 году. Чёрные дыры, предсказанные уравнениями ОТО, напрямую сфотографированы телескопом Event Horizon (2019).
Frequently Asked Questions
Что такое общая теория относительности в простых словах?
Общая теория относительности — теория Эйнштейна о том, что гравитация не является силой, а представляет собой искривление пространства-времени, вызванное массой и энергией. Массивные объекты изгибают ткань пространства-времени; другие объекты следуют по этим кривым, что мы воспринимаем как гравитационное притяжение. Представьте себе бильярдный шар на резиновом листе, из-за которого находящиеся рядом шарики катятся к нему.
Как была подтверждена общая теория относительности?
Общая теория относительности подтверждена: наблюдениями Эддингтона в 1919 году преломления света звёзд вокруг Солнца во время солнечного затмения; корректировками спутников GPS с учётом замедления времени (без них GPS ошибалась бы на ~10 км в день); обнаружением гравитационных волн детектором LIGO (2015); снимками чёрных дыр телескопом Event Horizon (2019). Это наиболее точно проверенная теория в истории физики.
В чём разница между специальной и общей теорией относительности?
Специальная теория относительности (1905) применяется к наблюдателям, движущимся равномерно (без ускорения), и описывает замедление времени, сокращение длины и E=mc². Общая теория относительности (1915) расширяет её, включив гравитацию и ускорение, описывая гравитацию как искривление пространства-времени. Общая теория переходит в специальную локально при отсутствии гравитации.
Прочитайте полную статью на Geniuses.Club