"Аз съм изтощен. Но успехът е славен."
Свързано съдържание
- Математикът Еми Нотер трябва да бъде ваш герой
Това беше преди сто години този ноември и Алберт Айнщайн се наслаждаваше на рядък момент на задоволство. Дни по-рано, на 25 ноември 1915 г., той се качи на сцената в Пруската академия на науките в Берлин и заяви, че най-сетне е завършил агонизиращата си десетилетие експедиция за ново и по-задълбочено разбиране на гравитацията. Общата теория на относителността, твърди Айнщайн, сега беше пълна.
Месецът, предхождащ историческото известие, беше най-интелигентният и тревожен период от живота му. То завърши с коренно новата визия на Айнщайн за взаимодействието на пространството, времето, материята, енергията и гравитацията, подвиг, широко почитан като едно от най-големите интелектуални постижения на човечеството.
По онова време бръмченето на общата относителност се чуваше само от котери на мислители в покрайнините на езотеричната физика. Но през века оттогава дечицата на Айнщайн се е превърнала в основата на широк кръг основополагащи въпроси, включително произхода на Вселената, структурата на черните дупки и обединяването на природните сили, а теорията е използвана и за по-приложени задачи като търсене на екстрасоларни планети, определяне на масата на далечни галактики и дори насочване на траектории на възходящи шофьори на автомобили и балистични ракети. Общата относителност, някога екзотично описание на гравитацията, сега е мощен инструмент за изследване.
Търсенето на гравитацията започна много преди Айнщайн. По време на чумата, която опустоши Европа от 1665 до 1666 г., Исак Нютон се оттегли от поста си в университета в Кеймбридж, намери убежище в дома на семейството си в Линкълншър и в бездействащите си часове разбра, че всеки предмет, независимо дали е на Земята или в небето, се дърпа всеки друг със сила, която зависи единствено от това колко големи са предметите - тяхната маса и колко далеч са в пространството - тяхното разстояние. Учениците от цял свят научиха математическата версия на закона на Нютон, която направи толкова грандиозно точни прогнози за движението на всичко - от хвърлени скали до орбитални планети, че изглежда, че Нютон е написал последната дума за гравитацията. Но той не го направи. И Айнщайн беше първият, който се увери в това.
**********
През 1905 г. Айнщайн открива специалната теория на относителността, установявайки прочутия диктум, че нищо - нито обект, нито сигнал - не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината. И там лежи търкането. Според закона на Нютон, ако разклатите Слънцето като космическа марака, гравитацията ще накара Земята незабавно да се разклати също. Тоест, формулата на Нютон предполага, че гравитацията упражнява влиянието си от едно място на друго моментално. Това е не само по-бързо от светлината, но е безкрайно.
Относителност: Специалната и Общата теория
Публикувана на сто години от общата относителност, това красиво издание на известната книга на Айнщайн поставя произведението в исторически и интелектуален контекст, като същевременно предоставя безценна представа за един от най-великите научни умове на всички времена.
КупуваАйнщайн не би имал нищо от това. Със сигурност трябва да съществува по-прецизно описание на гравитацията, при което гравитационните влияния не изпреварват светлината. Айнщайн се посвети да го намери. И за да направи това, разбра той, ще трябва да отговори на привидно основен въпрос: Как действа гравитацията? Как Слънцето достига през 93 милиона мили и упражнява гравитационно дърпане на Земята? За по-познатите дърпания от ежедневния опит - отваряне на врата, отваряне на бутилка вино - механизмът е явен: Има пряк контакт между вашата ръка и предмета, който изпитва дърпане. Но когато Слънцето се дърпа към Земята, това издърпване се упражнява в пространството - празно пространство. Няма директен контакт. И така, каква невидима ръка е на работа, изпълнявайки наддаването на гравитацията?
Самият Нютон намери този въпрос за дълбоко озадачаващ и доброволно заяви, че собствената му неуспех да идентифицира как гравитацията упражнява влиянието си означава, че неговата теория, колкото и успешни да са нейните прогнози, със сигурност е непълна. Въпреки това за повече от 200 години признанието на Нютон не беше нищо повече от пренебрегвана бележка под линия към теорията, която иначе беше съгласна с наблюдения.
През 1907 г. Айнщайн започва да работи сериозно в отговор на този въпрос; до 1912 г. това се е превърнало в неговата мания за пълно работно време. И в рамките на тази шепа години Айнщайн се удари в ключов концептуален пробив, лесен за заявяване, както е предизвикателно да се схване: Ако между Слънцето и Земята няма нищо друго освен празно пространство, тогава тяхното взаимно гравитационно дърпане трябва да се упражнява от космоса себе си. Но как?
Отговорът на Айнщайн, едновременно красив и загадъчен, е, че материята като Слънцето и Земята кара пространството около нея да се извива и получената изкривена форма на пространството влияе върху движението на други тела, които минават покрай него.
Ето начин да мислите за това. Представете правия път, последван от мрамор, който сте се търкаляли по плосък дървен под. А сега си представете да търкаляте мрамора върху дървен под, който е изкривен и усукан от наводнение. Мраморът няма да следва същата права траектория, защото ще бъде натиснат по този начин и по извитите контури на пода. Както с пода, така и с пространството. Айнщайн предвиждаше, че извитите контури на космоса ще тласнат ватиран бейзбол, за да последва познатия си параболичен път и да накарат Земята да се придържа към обичайната си елиптична орбита.
Това беше спиращ дъха скок. Дотогава пространството беше абстрактно понятие, вид космически контейнер, а не осезаемо същество, което може да доведе до промяна. Всъщност скокът все още беше по-голям. Айнщайн осъзна, че и времето може да се изкриви. Интуитивно всички ние предвиждаме, че часовниците, независимо къде се намират, маркират с една и съща скорост. Но Айнщайн предложи, че по-близките часовници са към масивно тяло, подобно на Земята, толкова по-бавно те ще цъкат, отразявайки стряскащо влияние на гравитацията върху самото течение на времето. И колкото пространствената основа може да прокара траекторията на даден обект, толкова и временна: математиката на Айнщайн предложи обектите да се изтеглят към места, където времето изтича по-бавно.
Все пак радикалното преработване на гравитацията на Айнщайн по отношение на формата на пространството и времето не беше достатъчно, за да може да поиска победа. Трябваше да разработи идеите в прогнозна математическа рамка, която да опише точно хореографията, танцувана от пространството, времето и материята. Дори за Алберт Айнщайн това се оказа монументално предизвикателство. През 1912 г., борейки се за мода на уравненията, той пише на свой колега, че „Никога досега през живота си не съм измъчвал себе си нещо подобно.“ Въпреки това, само година по-късно, докато работех в Цюрих с по-математическия си колега Марсел Гросман, Айнщайн се доближаваше докрай до отговора. Използвайки резултати от средата на 1800 г., които предоставят геометричния език за описание на извити форми, Айнщайн създаде изцяло роман, но напълно строго преформулиране на гравитацията по отношение на геометрията на пространството и времето.
Но тогава всичко като че ли се срива. Докато изследва новите си уравнения, Айнщайн допусна съдбовна техническа грешка, което го накара да помисли, че предложението му не успява да опише правилно всички видове обикновени движения. Две дълги, разочароващи години Айнщайн отчаяно се опитваше да закърпи проблема, но нищо не даде резултат.
Айнщайн, упорит с идването си, остава непроменен и през есента на 1915 г. най-накрая вижда пътя напред. Дотогава той е професор в Берлин и е въведен в Пруската академия на науките. Въпреки това той имаше време на ръце. Отчуждената му съпруга Милева Марич най-накрая прие, че животът й с Айнщайн е приключил и се е преместил обратно в Цюрих с двамата си синове. Макар че все по-обтегнатите семейни отношения тежеха изключително много на Айнщайн, уговорката също му позволяваше свободно да следва математическите си ловувания, необезпокоявани ден и нощ, в тихото уединение на безплодния си берлински апартамент.
До ноември тази свобода даде плод. Айнщайн поправи по-ранната си грешка и тръгна на последното изкачване към общата теория на относителността. Но тъй като той работеше интензивно върху фините математически детайли, условията се оказаха неочаквано коварни. Няколко месеца по-рано Айнщайн се срещна с известния немски математик Дейвид Хилберт и беше споделил всичките си мисли за новата си гравитационна теория. Очевидно Айнщайн научи с ужас, срещата беше толкова възбудила интереса на Хилберт, че сега той караше Айнщайн до финала.
Поредица от пощенски картички и писма, които двамата разменяха през ноември 1915 г., документират сърдечно, но силно съперничество, тъй като всяка от тях се затваря в уравненията на общата относителност. Хилберт смята за честна игра да следва отваряне в обещаваща, но все още незавършена теория за гравитацията; Айнщайн смяташе, че Хилберт е изненадващо лоша форма за участие в соловата си експедиция толкова близо до върха. Освен това Айнщайн тревожно осъзнал, че по-дълбоките математически резерви на Хилберт представлявали сериозна заплаха. Независимо от годините на упорит труд, Айнщайн може да се зачерпи.
Притеснението беше основателно. В събота, 13 ноември, Айнщайн получи покана от Хилберт да се присъедини към него в Гьотинген на следващия вторник, за да научи „много подробно” „решението на големия си проблем”. „Трябва да се въздържа да пътувам до Гьотинген за момента и по-скоро трябва да изчакам търпеливо, докато мога да изуча вашата система от отпечатаната статия; защото освен това съм изморен и измъчван от болки в стомаха. "
Но онзи четвъртък, когато Айнщайн отвори пощата си, той се сблъска с ръкописа на Хилберт. Айнщайн веднага му отвърна, едва прикривайки раздразнението си: „Системата, която предлагате, е съгласна - доколкото виждам - точно с това, което открих през последните седмици и съм представил на Академията.“ На приятеля си Хайнрих Занггер, Айнщайн довери, „В моя личен опит не съм научил по-добре окаяността на човешкия вид, както по повод на тази теория ....“
Седмица по-късно, на 25 ноември, изнасяйки лекции пред приглушена публика в Пруската академия, Айнщайн разкри окончателните уравнения, съставляващи общата теория на относителността.
Никой не знае какво се е случило през онази последна седмица. Дали Айнщайн измисли сам окончателните уравнения или книгата на Хилберт оказа неразбрана помощ? Съдържа ли чернова на Хилберт правилната форма на уравненията или Хилберт впоследствие вмъква тези уравнения, вдъхновени от работата на Айнщайн, във версията на вестника, публикувана Хилберт месеци по-късно? Интригата се задълбочава само когато научаваме, че ключов раздел от страницата, който потвърждава за хартията на Хилберт, който може да разреши въпросите, е бил буквално откъснат.
В крайна сметка Хилберт постъпи правилно. Той призна, че каквато и да е била ролята му в катализирането на крайните уравнения, общата теория на относителността с право трябва да бъде приписана на Айнщайн. И така има. Хилберт също си заслужава, тъй като технически, но особено полезен начин за изразяване на уравненията на общата относителност носи имената и на двамата мъже.
Разбира се, заслугата ще си заслужава само ако общата теория на относителността бъде потвърдена чрез наблюдения. Забележително е, че Айнщайн можеше да види как това може да се направи.
**********
Общата относителност предсказва, че лъчите светлина, излъчвани от далечни звезди, ще се движат по извити траектории, докато преминават през изкривения регион близо до Слънцето по пътя на Земята. Айнщайн използва новите уравнения, за да направи това прецизно - той изчисли математическата форма на тези извити траектории. Но за да тестват прогнозите астрономите ще трябва да видят далечни звезди, докато Слънцето е на преден план, и това е възможно само когато Луната блокира слънчевата светлина по време на слънчево затъмнение.
Следващото слънчево затъмнение, от 29 май 1919 г., би било поводът за обща относителност. Екипи от британски астрономи, ръководени от сър Артър Едингтън, създадоха магазин на две места, които ще изпитат пълно затъмнение на Слънцето - в Собрал, Бразилия и на Принсипи, край западния бряг на Африка. Като се бори с предизвикателствата на времето, всеки екип направи поредица от фотографски табели на далечни звезди, които се виждат за момент, когато Луната се носеше над Слънцето.
През следващите месеци на внимателен анализ на изображенията Айнщайн търпеливо изчаква резултатите. Накрая, на 22 септември 1919 г. Айнщайн получава телеграма, в която съобщава, че наблюденията на затъмнението са потвърдили прогнозата му.
Вестници по целия свят вдигнаха историята, като задъхани заглавия обявиха триумфа на Айнщайн и го катапултираха практически за една нощ в световна сензация. Посред всички вълнения млад студент Илзе Розентал-Шнайдер попита Айнщайн какво би си помислил, ако наблюденията не са съгласни с прогнозата на общата относителност. Айнщайн отлично отговори с очарователна смелост: „Бих съжалявал за Милия Господ, защото теорията е вярна.“
В действителност, през десетилетията след измерванията на затъмнението, имаше много други наблюдения и експерименти - някои продължаващи -, които доведоха до твърда увереност в общата относителност. Един от най-впечатляващите е тест за наблюдение, продължил близо 50 години, сред най-продължителните проекти на НАСА. Общата относителност твърди, че като тяло като Земята се върти по оста си, то трябва да влачи пространство наоколо във вихър, донякъде като въртящо се камъче в кофа с меласа. В началото на 60-те физиците на Станфорд излагат схема за тестване на прогнозата: пускат четири ултра точни жироскопа в околоземна орбита и търсят дребни измествания в ориентацията на осите на жироскопите, които според теорията трябва да бъдат причинени от въртеливото пространство.
Нужни бяха поколения научни усилия, за да се разработи необходимата жироскопска технология, а след това години на анализ на данни, наред с други неща, за да се преодолее злощастното колебание на жироскопите, придобити в космоса. Но през 2011 г. екипът зад Gravity Probe B, както е известен проектът, обяви, че експериментът в продължение на половин век е достигнал до успешното заключение: осите на жироскопите се въртят от сумата, предвидена от математиката на Айнщайн.
Има един останал експеримент, в момента повече от 20 години в процес на създаване, който мнозина считат за последен тест на общата теория на относителността. Според теорията два сблъскващи се предмета, било то звезди или черни дупки, ще създадат вълни в тъканта на космоса, колкото две сблъскащи се лодки на иначе спокойно езеро ще създадат водни вълни. И тъй като такива гравитационни вълни пулсират навън, пространството ще се разшири и свие след тях, донякъде като топче от тесто, което се редува и сгъстява.
В началото на 90-те години екип, ръководен от учени от MIT и Caltech, започна изследователска програма за откриване на гравитационни вълни. Предизвикателството, и то голямо, е, че ако бурна астрофизична среща се случи далеч, тогава с времето, когато получените пространствени вълни се измият от Земята, те ще се разпространят толкова широко, че ще бъдат фантастично разредени, може би разтягащи и компресиращи пространството от само частица от атомно ядро.
Независимо от това, изследователите са разработили технология, която просто би могла да види мъничките признаци на пулсация в пулсацията в космоса, докато се търкаля от Земята. През 2001 г. две устройства с форма на L с дължина четири километра, известни общо като LIGO (Обсерватория за гравитационна вълна с лазерни интерферометри), бяха разположени в Ливингстън, Луизиана и Ханфорд, Вашингтон. Стратегията е една преминаваща гравитационна вълна да се разтяга и компресира двете рамена на всеки L, оставяйки отпечатък върху лазерната светлина, която се движи нагоре и надолу във всяка ръка.
През 2010 г. LIGO бе изведен от експлоатация, преди да бъдат открити подписи на гравитационна вълна - апаратът почти сигурно нямаше чувствителността, необходима за записване на малките потрепвания, причинени от гравитационна вълна, достигаща Земята. Но сега се прилага усъвършенствана версия на LIGO, ъпгрейд, който се очаква да бъде десет пъти по-чувствителен, и изследователите предвиждат, че до няколко години откриването на пулсации в космоса, причинено от далечни космически смущения, ще бъде нещо обичайно.
Успехът би бил вълнуващ не защото някой наистина се съмнява в общата относителност, а защото потвърдените връзки между теорията и наблюдението могат да дадат нови мощни приложения. Измерванията на затъмнението от 1919 г. например, които установяват, че гравитацията огъва траекторията на светлината, са вдъхновили успешна техника, използвана сега за намиране на далечни планети. Когато такива планети преминават пред своите звезди-домакини, те леко фокусират светлината на звездата, причинявайки образец на блясък и затъмняване, който астрономите могат да открият. Подобна техника също позволи на астрономите да измерват масата на определени галактики, като наблюдават колко силно изкривяват траекторията на светлината, излъчвана от още по-далечни източници. Друг, по-познат пример е глобалната система за позициониране, която разчита на откритието на Айнщайн, че гравитацията влияе на времето. GPS устройство определя местоположението му чрез измерване на времето на пътуване на сигнали, получени от различни орбитни спътници. Без да отчита влиянието на гравитацията върху изтичането на времето върху спътниците, GPS системата не успява да определи правилно местоположението на обект, включително вашия автомобил или управлявана ракета.
Физиците смятат, че откриването на гравитационни вълни има способността да генерира собствено приложение с дълбоко значение: нов подход към наблюдателната астрономия.
От времето на Галилей сме обърнали телескопи към небето, за да събираме светлинни вълни, излъчвани от далечни обекти. Следващата фаза на астрономията може да се съсредоточи върху събирането на гравитационни вълни, произведени от далечни космически катаклизми, което ни позволява да изследваме вселената по изцяло нов начин. Това е особено вълнуващо, защото светлинните вълни не могат да проникнат в плазмата, която изпълва пространството до няколко стотин хиляди години след Големия взрив, но вълните на гравитация могат. Следователно един ден можем да използваме гравитацията, а не светлината, като най-проникващата ни сонда от най-ранните моменти на Вселената.
Тъй като вълните на гравитацията пулсират в пространството донякъде като вълни от звукови пулсации във въздуха, учените говорят за „слушане“ на гравитационни сигнали. Приемайки тази метафора, колко прекрасно е да си представим, че второто столетие от общата относителност може да бъде причина физиците да празнуват, най-накрая чули звуците на творението.
Бележка на редактора, 29 септември 2015 г.: По-ранна версия на тази статия неточно описана как работят GPS системите. Текстът е съответно променен.
