Альберт Ейнштейн славився багатьма речами, але його найбільше дітище - теорія відносності. Це назавжди змінило наше розуміння простору та часу.
Що таке відносність? Коротко кажучи, це поняття, що закони фізики скрізь однакові. Ми тут, на Землі, дотримуємось тих же законів світла і сили тяжіння, що і хтось у далекому куточку Всесвіту.
Універсальність фізики означає, що історія є провінційною. Різні глядачі бачитимуть час та інтервал подій по-різному. Що для нас - це мільйон років, може бути просто мить очей для того, хто летить у швидкісній ракеті або потрапляє в чорну діру.
Це все відносно.
Особлива відносність
Теорія Ейнштейна поділяється на особливу і загальну відносність.
Особлива відносність вийшла першою і ґрунтується на тому, що швидкість світла є постійною для всіх. Це може здатися досить простим, але це має далекосяжні наслідки.
Ейнштейн прийшов до цього висновку в 1905 році після того, як експериментальні дані показали, що швидкість світла не змінюється, коли Земля розгойдується навколо Сонця.
Цей результат здивував фізиків, оскільки швидкість більшості речей залежить від того, в якому напрямку рухається спостерігач. Якщо ви їдете на вагоні поруч із залізничною колією, поїзд, який підходить до вас, здається, рухається набагато швидше, ніж якби ви повернули і пішли за ним у тому ж напрямку.
Ейнштейн сказав, що всі спостерігачі вимірюють швидкість світла 186 000 миль в секунду, незалежно від того, наскільки швидко і в якому напрямку вони рухаються.
Ця максима спонукала коміка Стівена Райт запитати: "Якщо ви знаходитесь в космічному кораблі, який подорожує зі швидкістю світла, і ви включаєте фари, чи щось трапляється?"
Відповідь - фари включаються нормально, але лише з точки зору того, хто знаходиться всередині космічного корабля. Якщо хтось стоїть на вулиці, спостерігаючи, як судно пролітає, фари, здається, не включаються: світло виходить, але він рухається з однаковою швидкістю космічного корабля.
Ці суперечливі версії виникають через те, що лінійки та годинники - речі, що позначають час та простір - неоднакові для різних спостерігачів. Якщо швидкість світла має бути постійною, як сказав Ейнштейн, то час і простір не можуть бути абсолютними; вони повинні бути суб'єктивними.
Наприклад, космічний корабель довжиною 100 футів, який рухається зі швидкістю 99,99%, швидкість світла буде здаватися однією ногою стаціонарному спостерігачеві, але він залишатиметься його звичайною довжиною для борту.
Можливо, навіть дивніше час проходить повільніше, тим швидше йде. Якщо близнюк їде на швидкохідному космічному кораблі до якоїсь далекої зірки, а потім повернеться, вона буде молодшою за сестру, яка залишилася на Землі.
Маса теж залежить від швидкості. Чим швидше рухається об'єкт, тим він стає більш масивним. Насправді жоден космічний корабель ніколи не може досягти 100% швидкості світла, оскільки його маса зростатиме до нескінченності.
Цей взаємозв'язок між масою і швидкістю часто виражається як співвідношення маси і енергії: E = mc ^ 2, де E - енергія, m - маса і c - швидкість світла.
Загальна відносність
Ейнштейна не було порушено наше розуміння часу та простору. Він продовжив узагальнювати свою теорію, включаючи прискорення, і виявив, що це спотворює форму часу та простору.
Щоб дотримуватися наведеного вище прикладу: уявіть, що космічний корабель прискорюється, стріляючи по його тяги. Ті, хто на борту, будуть прилипати до землі так само, як ніби вони були на Землі. Ейнштейн стверджував, що сила, яку ми називаємо гравітацією, не відрізняється від перебування на кораблі, що прискорюється.
Це само по собі не було настільки революційним, але коли Ейнштейн розробив складну математику (на це знадобилось 10 років), він виявив, що простір і час вигнуті поблизу масивного об'єкта, і ця кривизна - це те, що ми переживаємо як силу тяжіння.
Важко зобразити вигнуту геометрію загальної відносності, але якщо людина вважає простір-час як якусь тканину, то масивний предмет розтягує навколишню тканину таким чином, що все, що проходить поблизу, вже не йде за прямою лінією.
Рівняння загальної відносності прогнозують низку явищ, багато з яких підтверджені:
- згинання світла навколо масивних предметів (гравітаційне лінзування)
- повільна еволюція на орбіті планети Меркурій (перигеліонова прецесія)
- перетягування кадрів простору-часу навколо обертових тіл
- ослаблення світла, що витікає від тяжкості (гравітаційне червоне зміщення)
- гравітаційні хвилі (брижі в тканині простору-часу), спричинені космічними розбиттями
- існування чорних дір, які захоплюють все, включаючи світло
Викривлення простору-часу навколо чорної діри інтенсивніше, ніж де-небудь ще. Якби космос-близнюк потрапив у чорну діру, вона буде розтягнута, як спагетті.
На щастя для неї все закінчиться за кілька секунд. Але її сестра на Землі ніколи не побачить цього кінця - спостерігаючи, як її бідна сестра поступово нахиляється до чорної діри протягом доби Всесвіту.
Цю статтю оновив 2 липня 2019 року науковий співробітник Live Science Тім Чайлдерс.
