Альберт Эйнштейн
Возможно, теорию гравитации Эйнштейна
придется переписать после того, как исследователи Сент-Эндрюсского университета обнаружили гигантское кольцо галактик, удаляющееся от нас со скоростью, нарушающей наши расчеты.
Кольцо диаметром в 10 миллионов световых лет, которое состоит из карликовых галактик, расширяется очень быстро, как при Большом взрыве в миниатюре. Ученые полагают, что причина этого в том, что некогда соседняя с нами галактика Андромеда прошла рядом с нашей и разогнала их.
«Если бы теория гравитации Эйнштейна была верна, наша галактика никогда не смогла бы подойти достаточно близко к Андромеде, чтобы вытолкнуть что-то с такой скоростью», — заявил доктор Хуншэн Чжао.
Это открытие, если расчеты подтвердятся, потребует пересмотреть наше понимание гравитации и космоса, поскольку такое сближение галактик возможно лишь тогда, когда гравитация ослабевает медленнее, чем предполагалось до сих пор, когда галактики разлетаются в разные стороны, пишет Phys.org.
«Кольцеобразное распространение галактик весьма своеобразно. Эти небольшие галактики напоминают дождевые капли, разлетающиеся с крутящегося зонта. Я оцениваю вероятность случайного распределения галактик таким образом как 1 к 640», — говорит руководитель исследования Индранил Баник.
«Такая высокая скорость галактик требует в 60 раз большей массы, чем у звезд Млечного Пути и Андромеды. Однако, трение межу гигантскими гало темной материи привело бы к их слиянию, а не к тому, что они разлетелись на 2,5 млн световых лет, как и произошло», — говорит астроном Марсель Павловски, член команды ученых.
По мнению профессора Эрика Верлинде необходимости использовать темную материю в объяснении феномена гравитационного ускорения нет. Он предлагает новую теорию, которая точно рассчитывает скорость вращения звезд вокруг центра Млечного Пути, а также движение звезд внутри галактик. При этом он тоже считает, что гравитация ведет себя не так, как предсказал Эйнштейн.
Источник
Спутницы гениев нередко становятся не только их музами, но и свидетельницами и заложницами обратной стороны их гениальности. Альберт Эйнштейн в повседневной жизни отличался тяжелым характером, и уживаться с ним было очень нелегко. Он был женат дважды, и обеим его женам приходилось мириться с его требовательностью, непостоянством, отсутствием моральных устоев и странному отношению к браку.
Милева Марич и Альберт Эйнштейн | Фото: photochronograph.ru
Со своей первой женой Эйнштейн познакомился во время учебы в Политехникуме. Милеве Марич был 21 год, а ему – 17. Родители Эйнштейна были категорически против этого брака, но он никого не слушал. «Я потерял разум, умираю, пылаю от любви и желания. Подушка, на которой ты спишь, во стократ счастливее моего сердца! Ты приходишь ко мне ночью, но, к сожалению, только во сне», – писал он Милеве в 1901 г. Но период пылких признаний прошел очень быстро. Еще до свадьбы, в 1902 г. Милева родила дочь, и ее муж неожиданно настоял на том, чтобы отдать ее на удочерение бездетным родственникам «в связи с материальными трудностями». О том, что у Эйнштейна была дочь Лизерль, стало известно только в 1997 г., когда его правнуки продали на аукционе письма, пролившие свет на некоторые эпизоды биографии ученого.
Милева Марич и Альберт Эйнштейн | Фото: hipwee.com
И даже после этого Милева, несмотря на протесты родителей, согласилась выйти замуж за своего избранника. Но она была шокирована, когда жених вдруг выдвинул свои требования: «Если хочешь замужества, ты должна будешь согласиться на мои условия, вот они: во-первых, ты будешь заботиться о моей одежде и постели; во-вторых, будешь приносить мне трижды в день еду в мой кабинет; в-третьих, ты откажешься от всех личных контактов со мной, за исключением тех, которые необходимы для соблюдения приличий в обществе; в-четвертых, всегда, когда я попрошу тебя об этом, ты будешь покидать мою спальню и кабинет; в-пятых, без слов протеста ты будешь выполнять для меня научные расчеты; в-шестых, не будешь ожидать от меня никаких проявлений чувств». Как ни удивительно, Милева приняла эти условия.
Свадебное фото с Милевой, 1903 | Фото: photochronograph.ru
Альберт Эйнштейн со своей первой семьей | Фото: artfulliving.com.tr и photochronograph.ru
В 1904 г. у них родился сын Ганс Альберт, единственный продолжатель рода Эйнштейнов – рожденный в 1910 г. сын Эдуард страдал шизофренией и закончил свои дни в психиатрической лечебнице. Однако ни выполнение женой условий этого странного брачного «манифеста», ни рождение детей, ни постоянная помощь мужу в его научной деятельности не уберегли этот брак от краха. В 1919 г. они развелись, хотя фактически их семья распалась еще в 1914 г.
Великий ученый и невыносимый муж | Фото: photochronograph.ru
Милева приняла и условия развода, а они тоже были специфическими: в обмен на ее добровольное согласие расстаться муж пообещал ей отдать Нобелевскую премию – а Эйнштейн не сомневался в том, что он ее когда-нибудь получит, впрочем, как и его жена. Милева очень тяжело переживала развод, ей даже пришлось обращаться за помощью к психоаналитикам, так как она не могла самостоятельно справиться с длительной депрессией. К чести ученого, свое слово он сдержал – став нобелевским лауреатом, он отдал бывшей жене 32 тысячи долларов.
Альберт Эйнштейн и его вторая жена Эльза | Фото: photochronograph.ru
Через 3 месяца после развода ученый снова женился – на своей двоюродной сестре Эльзе, которая незадолго до этого по-матерински заботливо ухаживала за ним во время его болезни. Эйнштейн согласился удочерить двух девочек от предыдущего брака Эльзы, и в первые годы в их доме царила идиллия. Бывавший у них Чарли Чаплин так отзывался о второй жене ученого: «Из этой женщины с квадратной фигурой так и била жизненная сила. Она откровенно наслаждалась величием своего мужа и вовсе этого не скрывала, ее энтузиазм даже подкупал».
Эйнштейн со своей второй женой Эльзой, 1922 | Фото: photochronograph.ru и banzaj.pl
Альберт Эйнштейн и его вторая жена Эльза | Фото: kommersant.ru
Однако традиционные семейные устои и ценности были абсолютно чужды великому ученому. Как он ни пытался создать гармоничный союз, его природа брала верх и разрушала гармонию. Позже об одном из друзей Эйнштейн писал: «Больше всего меня восхищала его способность жить долгие годы не только в мире, но и в подлинном согласии с женщиной – эту задачу я дважды пытался решить, и оба раза с позором провалил».
Великий ученый и невыносимый муж | Фото: photochronograph.ru
Эйнштейн, его вторая жена Эльза и приемная дочь Марго | Фото: photochronograph.ru и mind-temple.com
Эйнштейн был очень любвеобильным, и в своих многочисленных увлечениях он не знал никаких моральных ограничений. Эльза выслушивала жалобы мужа на то, что женщины не дают ему прохода. Ей приходилось мириться с его постоянными связями на стороне, первая любовница у него появилась уже через несколько месяцев после свадьбы. Он даже приводил своих женщин в их с Эльзой дом. Тем не менее этот брак просуществовал до самой смерти Эльзы в 1936 г.
Великий ученый и невыносимый муж | Фото: photochronograph.ru
Альберт Эйнштейн
Источник:
Еще при жизни он стал легендой: о нем спорили, слагали мифы, рассказывали анекдоты. Он, действительно, был незаурядным, и, как и положено гению, имел свои причуды.
Вспышки гнева
Многие биографы сходятся во мнении, что маленький Альберт был очень замкнутым и медлительным ребенком. Любил собирать карточные домики и мог разрыдаться, если вдруг дети рядом с ним затевали шумную игру в войну с песнями и маршами. В книге Дэниса Брайена маленький Эйнштейн предстает как «эдакий зритель и наблюдатель», который при встрече с ровесниками «был тих и углублен в себя». Впрочем, младшая сестра Майя знала и другого брата: непредсказуемого «озорника», который в приступе ярости мог обрушить на ее голову садовую лопатку или шар для игры в кегли. Доставалось малышке обычно в те моменты, когда она не успевала разглядеть «зарождение вспышек гнева у брата — в этот момент его лицо становилось желтым». Вывести из равновесия мальчика могло только одно – бесцеремонное вторжение в созданный им мир.
Медитация
Учиться игре на скрипке Эйнштейн начал в 6 лет по настоянию матери. Правда, обучение шло «со скрипом» — инструмент никак не хотел покоряться будущему гению. Рассказывали, что в приступах ярости мальчик гонялся за учительницей, пытаясь кинуть в нее стульчик. А затем он открыл для себя Моцарта, и с этого момента больше не расставался с инструментом. Как вспоминал старший сын Эйнштейна, «отец часто обращался к скрипке в моменты затруднений в работе». Игра на скрипке приводила его в состояние умиротворения и помогала размышлять. Он мог играть до тех пор, пока не находил ответ, а затем останавливался и объявлял: «Отлично! Теперь-то я понял, в чем дело!» Хорошо известна байка о совместном выступлении Эйнштейна и композитора Ганса Эйслера, а вернее, о неудачной попытке сыграть дуэтом. Эйнштейну никак не удавалось попасть в такт. Раздосадованный Эйслер в сердцах воскликнул: «Я не понимаю, почему весь мир называет великим человека, который не умеет считать до трех!»
Зависимость
Эйнштейн обожал хорошие сигары, не прочь был насладиться и ароматной трубкой. Он состоял в клубе Монреальских курильщиков трубок и часто повторял, что «курительная трубка помогает объективно судить о делах человеческих». Причудой это, конечно, не назовешь, если бы не одно «но». В воспоминаниях внука Эйнштейна, опубликованных в бельгийской газете «Le Soir», рассказывается, что никотиновая зависимость деда была настолько сильной, что тот, будучи человеком весьма рассеянным, мог подбирать окурки с тротуара, чтобы заправить трубку.
Лекарство для попугая
Сегодня уже сложно понять, какой из афоризмов действительно принадлежит Эйнштейну, но то, что он был остроумным человеком – факт. В дневниках его помощницы Иоганны Фантовой можно найти историю о попугае Бибо – Эйнштейн получил птицу в подарок на день рождения. В те моменты, когда ученому казалось, будто попугай пребывает в депрессии, он начинал рассказать ему неприличные анекдоты, пытаясь развеселить. Уверяют, что «лекарство» помогало. Интересно, что «зрелость» собственных теорий и четкость мышления Эйнштейн проверял просто: излагал их людям, далеким от науки. Говорили, что в конце жизни его не раз видели разговаривающим с любимой кошкой.
Исключая лишнее
Сильно растиражирован факт о том, что Эйнштейн не признавал носки. Даже на официальные церемонии он отправлялся без этого элемента гардероба, маскируя их отсутствие высокими ботинками (действительно, на многих снимках Эйнштейна можно увидеть в такой обуви). Якобы однажды он не без иронии заметил, что когда в молодости узнал, что «большой палец всегда закачивается дыркой в носке», перестал их носить. Эйнштейн также не запоминал то, что казалось ему несущественным. Известен анекдот, когда он во время приглашения на обед профессора Стимпсона, сказал: «Приходите! У меня будет профессор Стимпсон!» А когда стоящий напротив человек сообщил, что он и есть Стимпсон, Эйнштейн не смутился: «Всё равно приходите!» Правда, иногда гений мог забыть и о важных вещах. В одном из писем своей будущей жене Милевне Марич он писал: «Примите мои запоздалые сердечные поздравления в день вашего рождения, которое было вчера, и про которое я снова забыл».
Несовместимое
Эйнштейн не умел плавать, но любил ходить на яхте. Его внук Бернхард в мемуарах рассказывал, что дед мало разговаривал во время хождения под парусом. «Однажды, когда ветра практически не было, он разговорился. За три часа прогулки мы проплыли не больше километра». По словам внука, дед любил штиль, называя его «самым серьезным вызовом для моряков». Интересно, что некоторые биографы утверждают, будто Эйнштейн избегал активной деятельности, но при этом он обожал езду на велосипеде.
Легендарный снимок
Снимок Эйнштейна с высунутым языком стал символом непосредственного гения, а сам физик — единственным ученым, который решился на такую смелую выходку. Снимок был сделан в 1951 году фотографом Артуром Сасом в день рождения Эйнштейна. На полном кадре, кроме главного героя, присутствуют доктор Эйделот и его супруга – компания уселась на заднее сиденье автомобиля. Когда Артур Сас попросил Эйнштейна улыбнуться, ученый показал язык. В редакции долго обсуждали публиковать кадр или не стоит. В итоге было решено, что снимок все-таки заслуживает быть напечатанным. Сам Эйнштейн обожал эту фотографию и часто отсылал свое изображение в качестве открытки друзьям. На одном из последних отправленных снимков он написал: «Вам обязательно понравится этот жест, поскольку он адресован всему человечеству».
источник
Еще при жизни он стал легендой: о нем спорили, слагали мифы, рассказывали анекдоты. Он, действительно, был незаурядным, и, как и положено гению, имел свои причуды.
Вспышки гнева
Многие биографы сходятся во мнении, что маленький Альберт был очень замкнутым и медлительным ребенком. Любил собирать карточные домики и мог разрыдаться, если вдруг дети рядом с ним затевали шумную игру в войну с песнями и маршами. В книге Дэниса Брайена маленький Эйнштейн предстает как «эдакий зритель и наблюдатель», который при встрече с ровесниками «был тих и углублен в себя». Впрочем, младшая сестра Майя знала и другого брата: непредсказуемого «озорника», который в приступе ярости мог обрушить на ее голову садовую лопатку или шар для игры в кегли. Доставалось малышке обычно в те моменты, когда она не успевала разглядеть «зарождение вспышек гнева у брата — в этот момент его лицо становилось желтым». Вывести из равновесия мальчика могло только одно – бесцеремонное вторжение в созданный им мир.
Медитация
Учиться игре на скрипке Эйнштейн начал в 6 лет по настоянию матери. Правда, обучение шло «со скрипом» — инструмент никак не хотел покоряться будущему гению. Рассказывали, что в приступах ярости мальчик гонялся за учительницей, пытаясь кинуть в нее стульчик. А затем он открыл для себя Моцарта, и с этого момента больше не расставался с инструментом. Как вспоминал старший сын Эйнштейна, «отец часто обращался к скрипке в моменты затруднений в работе». Игра на скрипке приводила его в состояние умиротворения и помогала размышлять. Он мог играть до тех пор, пока не находил ответ, а затем останавливался и объявлял: «Отлично! Теперь-то я понял, в чем дело!» Хорошо известна байка о совместном выступлении Эйнштейна и композитора Ганса Эйслера, а вернее, о неудачной попытке сыграть дуэтом. Эйнштейну никак не удавалось попасть в такт. Раздосадованный Эйслер в сердцах воскликнул: «Я не понимаю, почему весь мир называет великим человека, который не умеет считать до трех!»
Зависимость
Эйнштейн обожал хорошие сигары, не прочь был насладиться и ароматной трубкой. Он состоял в клубе Монреальских курильщиков трубок и часто повторял, что «курительная трубка помогает объективно судить о делах человеческих». Причудой это, конечно, не назовешь, если бы не одно «но». В воспоминаниях внука Эйнштейна, опубликованных в бельгийской газете «Le Soir», рассказывается, что никотиновая зависимость деда была настолько сильной, что тот, будучи человеком весьма рассеянным, мог подбирать окурки с тротуара, чтобы заправить трубку.
Лекарство для попугая
Сегодня уже сложно понять, какой из афоризмов действительно принадлежит Эйнштейну, но то, что он был остроумным человеком – факт. В дневниках его помощницы Иоганны Фантовой можно найти историю о попугае Бибо – Эйнштейн получил птицу в подарок на день рождения. В те моменты, когда ученому казалось, будто попугай пребывает в депрессии, он начинал рассказать ему неприличные анекдоты, пытаясь развеселить. Уверяют, что «лекарство» помогало. Интересно, что «зрелость» собственных теорий и четкость мышления Эйнштейн проверял просто: излагал их людям, далеким от науки. Говорили, что в конце жизни его не раз видели разговаривающим с любимой кошкой.
Исключая лишнее
Сильно растиражирован факт о том, что Эйнштейн не признавал носки. Даже на официальные церемонии он отправлялся без этого элемента гардероба, маскируя их отсутствие высокими ботинками (действительно, на многих снимках Эйнштейна можно увидеть в такой обуви). Якобы однажды он не без иронии заметил, что когда в молодости узнал, что «большой палец всегда закачивается дыркой в носке», перестал их носить. Эйнштейн также не запоминал то, что казалось ему несущественным. Известен анекдот, когда он во время приглашения на обед профессора Стимпсона, сказал: «Приходите! У меня будет профессор Стимпсон!» А когда стоящий напротив человек сообщил, что он и есть Стимпсон, Эйнштейн не смутился: «Всё равно приходите!» Правда, иногда гений мог забыть и о важных вещах. В одном из писем своей будущей жене Милевне Марич он писал: «Примите мои запоздалые сердечные поздравления в день вашего рождения, которое было вчера, и про которое я снова забыл».
Несовместимое
Эйнштейн не умел плавать, но любил ходить на яхте. Его внук Бернхард в мемуарах рассказывал, что дед мало разговаривал во время хождения под парусом. «Однажды, когда ветра практически не было, он разговорился. За три часа прогулки мы проплыли не больше километра». По словам внука, дед любил штиль, называя его «самым серьезным вызовом для моряков». Интересно, что некоторые биографы утверждают, будто Эйнштейн избегал активной деятельности, но при этом он обожал езду на велосипеде.
Легендарный снимок
Снимок Эйнштейна с высунутым языком стал символом непосредственного гения, а сам физик — единственным ученым, который решился на такую смелую выходку. Снимок был сделан в 1951 году фотографом Артуром Сасом в день рождения Эйнштейна. На полном кадре, кроме главного героя, присутствуют доктор Эйделот и его супруга – компания уселась на заднее сиденье автомобиля. Когда Артур Сас попросил Эйнштейна улыбнуться, ученый показал язык. В редакции долго обсуждали публиковать кадр или не стоит. В итоге было решено, что снимок все-таки заслуживает быть напечатанным. Сам Эйнштейн обожал эту фотографию и часто отсылал свое изображение в качестве открытки друзьям. На одном из последних отправленных снимков он написал: «Вам обязательно понравится этот жест, поскольку он адресован всему человечеству».
источник
Обычно о теории относительности Эйнштейна думают как о некой абстрактной, мистической математической теории, никак не связанной с повседневной жизнью
. Это совсем не так.
Почти все из нас, так или иначе, используют навигационную систему GPS. Это может быть автомобильный GPS-навигатор с цифровыми картами или GPS-навигатор, встроенный в смартфон, который показывает наше местоположение (широту, долготу, высоту) с точностью от 5 до 10 метров.
Текущая конфигурация GPS состоит из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли на высоких орбитах. Каждый спутник в «созвездии» GPS летает на высоте порядка 20 тысяч километров над землей, его орбитальная скорость порядка 14 тысяч километров в час. Орбиты спутников распределены так, что в любой момент времени, по крайней мере, четыре спутника видимы с любой позиции на Земле. Каждый спутник несет на своем борту атомные часы, которые «тикают» с точностью до одной наносекунды (одна миллиардная секунды). Этим достигается замечательная точность: даже простенький карманный GPS-приемник может определить вашу абсолютную позицию относительно поверхности Земли с точностью от 5 до 10 метров всего за несколько секунд. GPS-приемник в машине и вовсе может получать точные значения местоположения, скорости и направления в реальном времени.
Для достижения такой точности сигналы времени, поступающие со спутников GPS, должны быть известны с точностью 20-30 наносекунд. Однако из-за постоянного движения спутников относительно наблюдателя на Земле, для достижения желаемых 20-30 наносекунд погрешности, необходимо учитывать эффекты, предсказываемые общей и специальной теорией относительности.
Так как наблюдатель на земле видит спутники в движении, специальная теория относительности (СТО) утверждает, что мы должны видеть, будто их часы отсчитывают время медленнее. СТО говорит, что бортовые атомные часы на спутниках должны запаздывать по сравнению с земными примерно на 7 микросекунд в день из-за меньшей скорости хода ввиду релятивистского замедления времени.
Кроме того, спутники находятся на орбитах на большом расстоянии от Земли, где кривизна пространства-времени из-за массы Земли меньше, чем на земной поверхности. Прогноз общей теории относительности (ОТО) в том, что ход часов, расположенных ближе к массивному объекту, будет казаться медленнее, чем тех, что находятся дальше от него. По сути, когда мы наблюдаем за ними с земной поверхности, часы на спутниках кажутся более быстрыми, чем аналогичные часы на земле. Расчеты, опирающиеся на ОТО, показывают, что часы на каждом спутнике GPS должны спешить относительно земных на 45 микросекунд в день.
Комбинация этих двух релятивистских эффектов означает, что часы на борту каждого спутника должны идти быстрее, чем аналогичные часы на земле примерно на 38 (45 — 7 = 38) микросекунд в день. Звучит как маленькая величина, но высокая точность, требуемая в системе GPS, требует наносекундных погрешностей, в то время как 38 микросекунд равны 38 тысячам наносекунд. Если бы эти эффекты не были приняты в расчет, то координаты, вычисленные на основе облака GPS-спутников, были бы неверными уже через две минуты, а ошибки в глобальных местоположениях продолжали бы накапливаться со скоростью примерно 10 километров в день!
Относительность — не просто какая-то абстрактная математическая теория: понимание ее является необходимым условием правильной работы GPS.
источник
В своей книге «Почему Е=mc2?» ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу не ставят под сомнение теорию Эйнштейна, а учат не доверять тому, что мы называем здравым смыслом. Публикуем главы о пространстве и времени, а вернее, о том, почему нам нужно отказаться от сложившихся о них представлениях.
Что для вас значат слова «пространство» и «время»? Возможно, вы представляете себе пространство как тьму между звездами, которую видите, глядя на небо холодной зимней ночью? Или как пустоту между Землей и Луной, в которой мчится космический корабль со звездами и полосами, пилотируемый парнем по имени Базз (Buzz Aldrin, пилот лунного модуля «Аполлон-11»)? Время можно представить как тиканье ваших часов или осеннее превращение листьев из зеленых в красные и желтые, когда Солнце проходит по небу все ниже в пятимиллиардный раз. Мы все интуитивно ощущаем пространство и время; они — неотъемлемая часть нашего существования. Мы движемся через пространство на поверхности голубой планеты, пока время ведет свой отсчет.
Ряд научных открытий, сделанных в последние годы XIX столетия на первый взгляд в совершенно не связанных между собой областях, побудил физиков пересмотреть простые и интуитивные картины пространства и времени. В начале XX века Герман Минковский, коллега и учитель Альберта Эйнштейна, написал свой знаменитый некролог древней сфере с орбитами, по которым путешествовали планеты: «Отныне пространство само по себе и время само по себе превратились не более чем в тени, и имеется только своего рода смешение этих двух понятий». Что Минковский подразумевал под смешением пространства и времени? Чтобы разобраться в сути этого почти мистического утверждения, необходимо понять специальную теорию относительности Эйнштейна, которая представила миру наиболее известное из всех уравнений, E = mc2, и навсегда поместила в центр нашего понимания устройства Вселенной величину, обозначаемую символом c — скорость света.
Специальная теория относительности Эйнштейна — это фактически описание пространства и времени. Центральное место в ней занимает понятие особой скорости, которую невозможно превзойти никаким ускорением, каким бы сильным оно ни было. Эта скорость — скорость света в вакууме, составляющая 299 792 458 метров в секунду. Путешествуя с такой скоростью, луч света, покинувший Землю, через восемь минут пролетит мимо Солнца, за 100 тысяч лет пересечет нашу Галактику Млечный Путь, а через два миллиона лет достигнет ближайшей соседней галактики — Туманности Андромеды. Сегодня ночью крупнейшие телескопы Земли будут вглядываться в черноту межзвездного пространства и ловить древние лучи света от дальних, давно умерших звезд на краю наблюдаемой Вселенной. Эти лучи начали свое путешествие более 10 миллиардов лет назад, за несколько миллиардов лет до возникновения Земли из сжимающегося облака межзвездной пыли. Скорость света велика, но далеко не бесконечна. По сравнению c огромными расстояниями между звездами и галактиками она может казаться удручающе низкой — настолько, что мы в состоянии ускорить очень малые объекты до скоростей, отличающихся от скорости света на доли процента, с помощью такой техники, как 27-километровый Большой адронный коллайдер в Европейском центре ядерных исследований в Женеве.
Существование специальной, предельной космической скорости — достаточно странная концепция. Как мы узнаем позже из этой книги, связь этой скорости со скоростью света — своего рода подмена понятий. Предельная космическая скорость играет гораздо более важную роль во Вселенной Эйнштейна, и есть веская причина, по которой луч света перемещается именно с данной скоростью. Однако мы к этому еще вернемся. А пока достаточно сказать, что по достижении объектами этой особой скорости начинают происходить странные вещи. Как можно предотвратить превышение объектом этой скорости? Это выглядит так, словно существует универсальный закон физики, не позволяющий вашей машине разогнаться свыше 90 километров в час, независимо от мощности двигателя. Но в отличие от ограничения скорости автомобиля выполнение этого закона обеспечивается не какой-то неземной полицией. Его нарушение становится абсолютно невозможным благодаря самому построению ткани пространства и времени, и это исключительное везение, поскольку в противном случае мы имели бы дело с очень неприятными последствиями. Позже мы увидим, что если бы можно было превышать скорость света, то мы могли бы построить машину времени, переносящую нас в любую точку истории. Например, мы могли бы отправиться в период до нашего рождения и случайно или преднамеренно помешать встрече родителей.
Это неплохой сюжет для фантастической литературы, но не для создания Вселенной. И действительно, Эйнштейн выяснил, что Вселенная устроена совсем не так. Пространство и время настолько тонко переплетены, что подобные парадоксы недопустимы. Однако все имеет свою цену, и в данном случае эта цена — наш отказ от глубоко укоренившихся представлений о пространстве и времени. Во Вселенной Эйнштейна движущиеся часы идут медленнее, движущиеся объекты сокращаются в размере, и мы можем путешествовать на миллиарды лет в будущее. Это Вселенная, где человеческая жизнь может растянуться почти до бесконечности. Мы могли бы наблюдать угасание Солнца, испарение океанов, погружение Солнечной системы в вечную ночь, рождение звезд из облаков межзвездной пыли, формирование планет и, возможно, зарождение жизни в новых, пока еще не сформировавшихся мирах. Вселенная Эйнштейна позволяет нам путешествовать в далекое будущее, вместе с тем удерживая двери в прошлое плотно закрытыми.
К концу этой книги мы увидим, как Эйнштейн был вынужден прийти к столь фантастической картине Вселенной и как ее корректность была неоднократно доказана в ходе большого количества научных экспериментов и технологического применения. Например, спутниковая навигационная система в автомобиле разработана с учетом того факта, что время на орбите спутников и на земной поверхности движется с разной скоростью. Картина Эйнштейна радикальна: пространство и время — совсем не то, чем нам кажутся. <…>
Представьте, что вы читаете книгу во время полета в самолете. В 12:00 вы взглянули на часы и решили сделать перерыв и прогуляться по салону, чтобы поговорить с другом, сидящим на десять рядов впереди. В 12:15 вы вернулись на место, сели и вновь взяли в руки книгу. Здравый смысл подсказывает, что вы вернулись на то же место: то есть прошли те же десять рядов назад, а когда вернулись, ваша книга находилась там же, где вы ее оставили. А теперь давайте немного задумаемся над концепцией «то же самое место». Поскольку интуитивно понятно, что мы имеем в виду, говоря о некоем месте, все это может восприниматься как чрезмерный педантизм. Мы можем пригласить друга на бокал пива в бар, и бар никуда не переедет к тому времени, когда мы до него дойдем. Он будет на том же месте, где мы его оставили, вполне возможно, накануне вечером. В этой вводной главе многие вещи наверняка покажутся вам излишне педантичными, но все же продолжайте читать. Тщательное обдумывание этих на первый взгляд очевидных концепций проведет нас по стопам Аристотеля, Галилео Галилея, Исаака Ньютона и Эйнштейна.
Так как же точно определить, что мы подразумеваем под «тем же самым местом»? Мы уже знаем, как сделать это на поверхности Земли. Земной шар покрыт воображаемыми линиями параллелей и меридианов, так что любое место на его поверхности можно описать двумя числами, представляющими собой координаты. Например, британский город Манчестер расположен в точке с координатами 53 градуса 30 минут северной широты и 2 градуса 15 минут западной долготы. Эти два числа говорят нам о том, где именно находится Манчестер, при условии согласования положения экватора и нулевого меридиана. Следовательно, положение любой точки как на поверхности Земли, так и за ее пределами можно зафиксировать с помощью воображаемой трехмерной сетки, распространяющейся от поверхности Земли вверх. На самом деле такая сетка может проходить и вниз, через центр Земли, и выходить на другой ее стороне. С ее помощью можно описать положение любой точки — на поверхности Земли, под землей или в воздухе. В действительности нам нет необходимости останавливаться на нашей планете. Сетку можно протянуть до Луны, Юпитера, Нептуна, за пределы Млечного Пути, вплоть до самого края наблюдаемой Вселенной. Такая большая, возможно, бесконечно большая сетка позволяет вычислить местоположение любого объекта во Вселенной, что, перефразируя Вуди Аллена, может очень пригодиться тому, кто не в состоянии вспомнить, куда что положил. Стало быть, эта сетка определяет область, где находится все сущее, своего рода гигантскую коробку, содержащую все объекты Вселенной. У нас даже может возникнуть соблазн назвать эту гигантскую область пространством.
Но вернемся к вопросу, что означает «одно и то же место», и к примеру с самолетом. Можно предположить, что в 12:00 и 12:15 вы находились в одной и той же точке пространства. Теперь представим, как выглядит последовательность событий с позиции человека, который наблюдает за самолетом с поверхности Земли. Если самолет пролетает над его головой со скоростью, скажем, около тысячи километров в час, то за период с 12:00 до 12:15 вы переместились, с его точки зрения, на 250 километров. Другими словами, в 12:00 и 12:15 вы находились в разных точках пространства. Так кто же прав? Кто двигался, а кто оставался на одном и том же месте?
Если вы не в состоянии ответить на этот будто бы простой вопрос, то вы оказались в хорошей компании. Аристотель, один из величайших мыслителей Древней Греции, был бы абсолютно неправ, поскольку однозначно бы заявил, что движется пассажир самолета. Аристотель считал, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг Земли, будучи закреплены на 55 концентрических прозрачных сферах, вложенных друг в друга, как матрешки. Таким образом, Аристотель разделял наше интуитивное представление о пространстве как некой области, в которой размещены Земля и небесные сферы. Для современного человека картина Вселенной, состоящей из Земли и вращающихся небесных сфер, выглядит совершенно нелепой. Но подумайте сами, к какому выводу вы могли прийти, если бы никто не сказал вам, что Земля вращается вокруг Солнца, а звезды представляют собой не что иное, как очень удаленные солнца, среди которых есть звезды в тысячи раз ярче ближайшей к нам звезды, хотя они и расположены в миллиардах километров от Земли? Безусловно, у нас не было бы ощущения, что Земля дрейфует в невообразимо огромной Вселенной. Наше современное мировоззрение сформировалось ценой больших усилий и зачастую противоречит здравому смыслу. Если бы картина мира, которую мы создавали на протяжении тысячелетий экспериментов и размышлений, была очевидной, то великие умы прошлого (такие как Аристотель) сами бы разгадали эту загадку. Стоит вспомнить об этом, когда какая-либо из описанных в книге концепций покажется вам слишком сложной. Величайшие умы прошлого согласились бы с вами.
источник
источник
Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно — хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке.
Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез. В новом выпуске рубрики «Просто о сложном» — рассказ об истории открытия «застывших звезд» и о том, что происходит с пространством и временем на границах черной дыры.
Долгая история неверия
В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко — он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно — так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла — по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.
А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет — это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.
Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).
Загробная жизнь звезды
Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий — она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься — в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.
Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.
Выхода нет
Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).
Так же можно представить и рождение черной дыры — шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых — у звезды, а «подошва» — это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что начиная с этого момента ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры — так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
На самом деле все не так
Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр — Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.
источник
Загадка Эйнштейна. Решить которую в уме под силу лишь 2% всего населения. Была опубликована журналом Life International 17 декабря 1962 года. Попробуйте, возможно вы и есть те 2%…
источник
Обычно о теории относительности Эйнштейна думают как о некой абстрактной, мистической математической теории, никак не связанной с повседневной жизнью. Это совсем не так.
Почти все из нас, так или иначе, используют навигационную систему GPS. Это может быть автомобильный GPS-навигатор с цифровыми картами или GPS-навигатор, встроенный в смартфон, который показывает наше местоположение (широту, долготу, высоту) с точностью от 5 до 10 метров.
Текущая конфигурация GPS состоит из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли на высоких орбитах. Каждый спутник в «созвездии» GPS летает на высоте порядка 20 тысяч километров над землей, его орбитальная скорость порядка 14 тысяч километров в час. Орбиты спутников распределены так, что в любой момент времени, по крайней мере, четыре спутника видимы с любой позиции на Земле. Каждый спутник несет на своем борту атомные часы, которые «тикают» с точностью до одной наносекунды (одна миллиардная секунды). Этим достигается замечательная точность: даже простенький карманный GPS-приемник может определить вашу абсолютную позицию относительно поверхности Земли с точностью от 5 до 10 метров всего за несколько секунд. GPS-приемник в машине и вовсе может получать точные значения местоположения, скорости и направления в реальном времени.
Для достижения такой точности сигналы времени, поступающие со спутников GPS, должны быть известны с точностью 20-30 наносекунд. Однако из-за постоянного движения спутников относительно наблюдателя на Земле, для достижения желаемых 20-30 наносекунд погрешности, необходимо учитывать эффекты, предсказываемые общей и специальной теорией относительности.
Так как наблюдатель на земле видит спутники в движении, специальная теория относительности (СТО) утверждает, что мы должны видеть, будто их часы отсчитывают время медленнее. СТО говорит, что бортовые атомные часы на спутниках должны запаздывать по сравнению с земными примерно на 7 микросекунд в день из-за меньшей скорости хода ввиду релятивистского замедления времени.
Кроме того, спутники находятся на орбитах на большом расстоянии от Земли, где кривизна пространства-времени из-за массы Земли меньше, чем на земной поверхности. Прогноз общей теории относительности (ОТО) в том, что ход часов, расположенных ближе к массивному объекту, будет казаться медленнее, чем тех, что находятся дальше от него. По сути, когда мы наблюдаем за ними с земной поверхности, часы на спутниках кажутся более быстрыми, чем аналогичные часы на земле. Расчеты, опирающиеся на ОТО, показывают, что часы на каждом спутнике GPS должны спешить относительно земных на 45 микросекунд в день.
Комбинация этих двух релятивистских эффектов означает, что часы на борту каждого спутника должны идти быстрее, чем аналогичные часы на земле примерно на 38 (45 — 7 = 38) микросекунд в день. Звучит как маленькая величина, но высокая точность, требуемая в системе GPS, требует наносекундных погрешностей, в то время как 38 микросекунд равны 38 тысячам наносекунд. Если бы эти эффекты не были приняты в расчет, то координаты, вычисленные на основе облака GPS-спутников, были бы неверными уже через две минуты, а ошибки в глобальных местоположениях продолжали бы накапливаться со скоростью примерно 10 километров в день!
Относительность — не просто какая-то абстрактная математическая теория: понимание ее является необходимым условием правильной работы GPS.