Що таке загальна теорія відносності

Вітаю вас на каналі ScienceClic.
Сьогодні у нас загальна теорія відносності.
Що таке гравітація?
Гравітація (або тяжіння) є фундаментальним явищем у Всесвіті, це взаємне притягання усіх об'єктів, що мають масу.
Яблуко падає на землю, Місяць обертається навколо Землі, а Земля обертається навколо Сонця.
Усе це відбувається завдяки гравітації, яка створюється цими об'єктами, втримуючи їх поруч один з одним.
На перший погляд, тяжіння можна представити силою, якою можна описати притягання об'єктів пропорційно їхнім масам.
Чим більшою є маса якогось об'єкта, тим сильніше він притягує до себе інші об'єкти Всесвіту.
Таке представлення гравітації як сили дозволяє нам зрозуміти, як поводяться тіла під час падіння, або як рухаються планети навколо Сонця.
Однак в дійсності ледь помітні ефекти вказують на те, що гравітація насправді не є силою.
Наприклад, розгляньмо, як штучний супутник падає на Землю.
Якби гравітація була силою, супутник повинен був би падати по прямій в бік центра планети.
Але експеримент показує, що траєкторія руху супутника трохи викривляється, слідуючи за обертанням Землі.
Іще одним ефектом є той факт, що орієнтація орбіти Меркурія змінюється з часом передбачуваним чином.
Якби сила тяжіння була силою, то ми змогли б точно передбачити швидкість зміщення перигелію орбіти цієї планети.
Однак спостереження показали, що таке зміщення орбіти відбувається помітно швидше.
Враховуючи ці слабкі ефекти, ми приходимо до висновку, що гравітація взагалі не є силою.
Щоб зрозуміти її природу, нам потрібно повністю переглянути наше розуміння усього Всесвіту, а також простору і часу.
Це і було зроблено в загальній теорії відносності.
Головні положення загальної теорії відносності майже повністю засновані на принципі еквівалентності.
Принцип еквівалентності стверджує, що всі тіла падають однаково.
Згідно з цим принципом, вільне падіння не є результатом дії сили.
Під час вільного падіння тіло не рухається прискорено.
Натомість вільне падіння є природним рухом будь-яких тіл.
Вільне падіння тіл на Землю еквівалентне їхньому перебуванню в спокої, в той час, як насправді поверхня Землі прискорюється в напрямі до цих тіл.
Всупереч нашій наївній інтуїції, саме вільне падіння, будучи природним рухом, і є аналогом стану спокою, в той час, як нерухомий стан на поверхні Землі зводиться до постійного опору вільному падінню і до постійного руху з прискоренням, яке спрямоване вгору.
Саме з цієї причини ми відчуваємо свою вагу лише тоді, коли контактуємо з опорою чи підвісом.
Під час вільного падіння наше тіло "слідує" за своїм природним рухом.
І лиш при торканні землі ми відчуваємо свою вагу, оскільки наші ноги зупиняють падіння.
Таким чином, в загальній теорії відносності гравітація не є силою.
Ми майже можемо сказати, що гравітації не існує, що вона є чимось на кшталт "ілюзії".
Якщо тіла, як нам здається, падають і взаємно притягуються, то це тому, що вони, рухаючись природно, перебувають в стані спокою.
У Всесвіті, геометрія якого викривлена, об'єкти не притягуються один до одного, вони просто рухатися по прямих лініях - геодезичних.
А ще вони своїми масами викривляють простір-час навколо себе, впливаючи таким чином на траєкторії руху інших навколишніх об’єктів.
Головна ідея загальної теорії відносності полягає в тому, що всі об’єкти, які мають масу, викривляють простір-час навколо.
Щоб зрозуміти це, представимо наш Всесвіт величезною просторово-часовою сіткою.
Тоді масивні об’єкти викривлятимуть простір-час поблизу.
Тож, самі поняття відстані, напряму чи навіть швидкості плину часу "викривляються", змінюються в присутності об'єкта з масою.
Природним чином об'єкт має тенденцію до руху по прямій лінії - геодезичній.
Наприклад, якщо ми кинемо яблуко посеред міжгалактичної порожнечі, воно рухатиметься по прямій постійно з незмінною швидкістю.
Але що як ми кинемо це яблуко неподалік від такого масивного тіла, як Земля?
Маючи дуже велику масу, Земля досить сильно впливає на простір-час навколо себе.
Прямі лінії викривляються, вигинаються в напрямку планети.
Таким чином, коли ви кинете яблуко, воно рухатиметься по прямій.
Але оскільки прямі тепер викривлені масою Землі, яблуко поступово наближатиметься до поверхні планети.
Це явище і є тим, що ми називаємо тяжінням.
Дуже масивне тіло сильно змінює "тканину" простору-часу, викривляючи прямі лінії в напрямку до себе.
Тож всі об'єкти поблизу рухатимуться вздовж цих викривлених ліній, наближаються до масивного тіла.
Для кращого розуміння, уявімо два сценарії, що відбуваються одночасно.
В першому: двоє спостерігачів рухаються вгору по прямій, яка лежить на пласкій, невикривленій поверхні.
В другому: двоє спостерігачів рухаються по прямих в бік півночі, по сферичній поверхні Землі, тобто по викривленій поверхні.
В першому сценарії (для пласкої поверхні) спостерігачі рухатимуться вздовж паралельних прямих.
В цьому випадку вони ніколи не зблизяться.
Проте у другому сценарії (для викривленої поверхні Землі), двоє спостерігачів, йдучи прямолінійно, як не дивно, зрештою зустрінуться, коли досягнуть Північного полюса.
Хоча кожен з них йшов по ідеально прямій лінії, через кривизну земної поверхні, а отже і через те, що прямі лінії на поверхні Землі теж викривлені, дві людини можуть пояснити взаємне зближення дією "таємничої" сили притягання між ними.
З цим прикладом ми краще розуміємо, як гравітація може "виникнути" через кривизну простору-часу.
Тіла ніби притягуються одне до одного, а їхні траєкторії поступово зближаються.
Але в дійсності це явище зумовлене кривизною прямих ліній, вздовж яких рухаються ці тіла.
Щоб зобразити це незвичне явище, яке описується загальною теорією відносності, розгляньмо один з найдивовижніших об’єктів нашого Всесвіту - чорну діру.
Чорна діра - це дуже масивний об’єкт, який виникає здебільшого в результаті колапсу ядра масивної зірки, коли вся речовина, як вважається, потрапляє в гравітаційну сингулярність.
В цій особливій точці "тканина" простору-часу має нескінченну кривизну, а сучасні наукові теорії поблизу сингулярності втрачають застосовність.
Біля сингулярності кривизна простору-часу настільки велика, що всі прямі лінії спрямовані до неї.
Жоден об'єкт не зможе уникнути падіння на сингулярність.
Навіть для світла всі можливі траєкторії ведуть у сингулярність.
Чорна діра нічого не випромінює. Ні речовина, ні світло не можуть її покинути.
З цієї причини ми бачимо її як цілковито чорну поверхню.
На великій відстані від цієї "зони захоплення", далеко за межею, яку ми називаємо горизонтом, чорна діра поводиться так само як і будь-який інший об'єкт.
Коли ми близько до горизонту, залишатися на стабільній орбіті навколо чорної діри неможливо.
Кривизна простору-часу настільки велика, що зобразити траєкторії руху об'єктів стає надзвичайно складно.
Однак щойно ми опинимось достатньо далеко від горизонту, рух тіл навколо не відрізнятиметься від руху планет навколо Сонця.
Об'єкт, що проходитиме біля чорної діри, трохи відхилятиметься, але все ж зможе вирватися з її гравітаційної "ями".
Зокрема світло від далеких зірок змінює напрям поширення при наближенні до чорної діри.
З цієї причини, дивлячись в бік чорної діри, ми можемо бачити спотворене зображення далеких зірок, розташованих позаду неї.
Ми називаємо це явище гравітаційним лінзуванням.
Інший цікавий ефект проявляється, коли чорна діра обертається навколо власної осі.
У випадку чорної діри зі швидким обертанням, вона ніби "тягне" простір-час в напрямку свого обертання.
Об'єкт, який падає в чорну діру по прямій траєкторії, відхилятиметься в напрямку обертання чорної діри.
Цей дуже дивний ефект також проявляється і біля Землі, обертання якої призводить до незначного відхилення траєкторії руху об'єктів.
І нарешті, одним з найпримітніших ефектів є гравітаційне уповільнення часу.
Поблизу дуже масивного об'єкта, як-от біля чорної діри, прямі лінії, вздовж яких ми рухаємося, викривляються не лише в просторі, але і в часі,.. здебільшого в часі.
Швидкість плину часу залежить від відстані до масивного об'єкта.
На великій відстані від чорної діри, де кривизна простору-часу майже непомітна, час тече приблизно так само, як і біля Землі.
Проте, чим ближче годинник до чорної діри, тим повільніше тектиме його час для віддаленого спостерігача.
Біля самого горизонту подій кривизна простору-часу настільки велика, що за одну секунду, яка минула б для такого корабля, пройшов би цілий рік для віддаленого спостерігача.
Тобто, що ближче ми до джерела гравітації, до масивного об'єкта на кшталт Сонця чи Землі, то повільніше тече наш час.
На поверхні Землі, наприклад, якщо порівнювати годинники двох спостерігачів, один з яких перебуває біля підніжжя Ейфелевої вежі, а інший на її верхівці, то виявиться, що годинник внизу йде трохи повільніше, оскільки годинник внизу ближче до центра Землі.
Для людини біля підніжжя вежі за один рік пройде на 1 мкс (мікросекунду) менше, ніж для людини на верхівці.
Цей ефект уповільнення часу хоч і малопомітний, та водночас надзвичайно важливий.
Його необхідно враховувати в роботі супутників систем глобального позиціювання для забезпечення синхронізації їхніх внутрішніх годинників.
Підсумуємо. Загальна теорія відносності дає нам ґрунтовну основу для розуміння гравітації.
Будь-яке тіло своєю масою викривляє геометрію простору-часу навколо.
Викривлення прямих ліній в просторі й в часі призводить до відхилення траєкторій руху навколишніх об'єктів, а також до зміни швидкості плину часу для них.
Окрім гравітації, загальна теорія відносності описує ряд інших дивовижних наслідків.
Одним з них є той факт, що простір-час не змінює свою кривизну миттєво.
Аналогічно збуренню на натягнутій тканині, гравітаційний вплив об'єкта, якби він раптово з'явився, поширювався б крізь простір-час поступово, з певною швидкістю.
Викривляючи просторово-часову геометрію в процесі свого поширення зі швидкістю світла, такі "брижі" кривизни простору-часу фактично є гравітаційними хвилями, Збурення простору-часу, які поширюються крізь Всесвіт на швидкості світла.
Гравітаційні хвилі зазвичай генеруються на величезних відстанях від Землі в ході катастрофічних подій на кшталт злиття двох чорних дір.
Ці хвилі проходять крізь нас і нашу планету, періодично змінюючи геометрію, а отже і розміри об'єктів на своєму шляху.
Зрештою, думка про те, що наш Всесвіт може мати неевклідову геометрію, ставить запитання про його форму, і підживлює численні припущення, як-от щодо існування своєрідних "тунелів" крізь простір-час.
Такі гіпотетичні структури називаються кротовинами або червоточинами.