Принцип эквивалентности
Отправной точкой Эйнштейна — его «самой счастливой мыслью» — был принцип эквивалентности: человек в свободном падении не может отличить падение в гравитационном поле от парения в пустоте. Локально гравитация и ускорение идентичны. Исходя из этого простого наблюдения, он потратил 8 лет на разработку математики искривленного пространства-времени.
Что такое искривленное пространство-время?
В физике Ньютона пространство плоское и трехмерное, время отдельно и абсолютно. В общей теории относительности пространство и время объединены в четырехмерное пространство-время, и массивные объекты искривляют эту ткань. Земля искривляет пространство-время вокруг себя; Луна следует по искривленному пути через это искривленное пространство-время — то, что мы называем орбитой. Гравитационной силы не существует, есть только искривленная геометрия.
Уравнения поля Эйнштейна
Уравнения поля Эйнштейна (Gμν + Λgμν = 8πG/c⁴ Tμν) связывают кривизну пространства-времени (слева) с распределением энергии и материи (справа). Джон Уилер резюмировал их так: «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться». Это 10 связанных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных — одни из самых математически сложных в физике.
Двадцать вопросов, восемь минут на часах и процентиль, измеренный по всем, кто его проходил. Без регистрации.
Пройти тест IQ →Подтверждения
Наблюдения Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года подтвердили, что свет звезд искривляется вокруг Солнца, как предсказывала ОТО. Прецессия орбиты Меркурия (необъяснимая Ньютоном) точно объясняется ОТО. GPS-спутники должны корректировать эффект замедления времени согласно ОТО — без этой коррекции GPS отклонялся бы на ~10 км в день. Гравитационные волны (предсказанные в 1916 году) были впервые обнаружены LIGO в 2015 году. Черные дыры, предсказанные уравнениями ОТО, были непосредственно сфотографированы Телескопом горизонта событий (2019).
Часто задаваемые вопросы
Что такое общая теория относительности простыми словами?
Общая теория относительности — это теория Эйнштейна о том, что гравитация — это не сила, а искривление пространства-времени, вызванное массой и энергией. Массивные объекты искривляют ткань пространства-времени; другие объекты следуют по этим изгибам, что мы ощущаем как гравитационное притяжение. Представьте шар для боулинга на резиновом полотне, из-за которого соседние шарики катятся к нему.
Как была подтверждена общая теория относительности?
Общая теория относительности была подтверждена: наблюдением Эддингтона за искривлением света звезд во время солнечного затмения в 1919 году; поправками GPS-спутников на замедление времени (без которых GPS давал бы погрешность ~10 км/день); обнаружением гравитационных волн с помощью LIGO (2015); и изображениями черной дыры, полученными Телескопом горизонта событий (2019). Это самая точно проверенная теория в истории физики.
В чем разница между специальной и общей теорией относительности?
Специальная теория относительности (1905) применяется к наблюдателям в равномерном движении (без ускорения) и имеет дело с замедлением времени, сокращением длины и E=mc². Общая теория относительности (1915) расширяет это, включая гравитацию и ускорение, описывая гравитацию как искривление пространства-времени. В отсутствие гравитации общая теория относительности локально сводится к специальной.