Pull to refresh

Спросите Итана: если масса искривляет пространство-время, как оно распрямляется обратно?

Popular science Physics
Translation
Original author: Ethan Siegel

Кривизна пространства-времени вблизи любого массивного объекта определяется комбинацией массы и расстояния до центра масс. Необходимо учесть и другие параметры, такие, как скорость, ускорение и другие источники энергии.

Материя сообщает пространству, как искривляться, а искривлённое пространство сообщает материи, как двигаться. Это основной принцип ОТО Эйнштейна, впервые связавшей такое явление, как гравитация, с пространством-временем и относительностью. Поместите массу в любой точке Вселенной, и пространство вокруг неё отреагирует искривлением. Но если убрать массу или передвинуть её, что заставляет пространство-время «вставать на место», принимая неискривлённое положение? Такой вопрос задаёт наш читатель:
Нас учат, что масса деформирует пространство-время, а кривизна пространства-времени вокруг массы объясняет гравитацию – к примеру, объект на орбите вокруг Земли на самом деле движется по прямой, лежащей в искривлённом пространстве-времени. Допустим, это имеет смысл, но когда масса (вроде Земли) двигается через пространство-время и искривляет его, почему пространство-время не остаётся искривлённым? Какой механизм распрямляет этот участок пространства-времени, когда масса двигается дальше?

С этим вопросом связано много интересного, и ответ на самом деле может помочь вам понять, как работает гравитация.


Кривизну пространства, придаваемую ему планетами и Солнцем в нашей Солнечной системе, необходимо учитывать в процессе любых наблюдений, которые может делать космический корабль или иная обсерватория. Эффекты ОТО, даже самые малые, игнорировать нельзя.

Сотни лет до Эйнштейна нашей лучшей теорией гравитации была Ньютоновская. Концепция Вселенной от Ньютона была простой, прямолинейной и философски не удовлетворяла многих. Он заявлял, что две любых массы Вселенной, вне зависимости от их расположения и удаления, мгновенно притягивают одна другую при помощи обоюдной силы, известной, как гравитация. Чем более массивна каждое тело, тем больше сила, а чем дальше они расположены, тем меньше сила (убывающая с квадратом расстояния). Это применимо ко всем объектам Вселенной, и закон всемирного тяготения Ньютона, в отличие от всех остальных существовавших альтернатив, идеально совпадал с наблюдениями.


Закон всемирного тяготения Ньютона, заменённый теорией относительности Эйнштейна, основывался на мгновенности действия сил на расстоянии

Но он ввёл идею, которую многие величайшие умы того времени не могли принять: концепцию действия на расстоянии. Как могут два объекта, расположенные в разных концах Вселенной, внезапно и мгновенно оказывать друг на друга воздействие? Как они могут взаимодействовать на таком большом расстоянии, чтобы между ними ничего не было? Декарт не мог принять эту концепцию, и вместо неё сформулировал иную, в которой существовала среда, по которой распространялась гравитация. Он утверждал, что космос заполнен некоей материей, и когда через неё двигается масса, она смещает материю и создаёт вихри – это была ранняя версия эфира. Эта теория стала первой в длинной линейке того, что позже назовут механическими (или кинетическими) теориями гравитации.


В версии гравитации от Декарта пространство было заполнено эфиром, и только его смещение могло объяснить гравитацию. Эта идея не привела к формулировке гравитации, совпадавшей с наблюдениями.

Конечно, концепция Декарта оказалась неверной. Полезность физической теории определяет совпадение с экспериментом, а не наша предрасположенность к определённым эстетическим критериям. Когда появилась ОТО, она фундаментально изменила картину, нарисованную законами Ньютона. К примеру:

  • Пространство и время не были абсолютными и повсюду одинаковыми, а были связаны и вели себя по-разному для наблюдателей, движущихся с разной скоростью в разных местах.
  • Гравитация действует не мгновенно, а перемещается с ограниченной скоростью – со скоростью света.
  • Гравитация определяется не массой и положением напрямую, а кривизной пространства, которая, в свою очередь, определяется всей находящимися во Вселенной массой и энергией.

Действие на расстоянии никуда не делось, но «силу, действующая на бесконечном расстоянии через неподвижное пространство» Ньютона заменили на кривизну пространства-времени.


Кривизна пространства-времени означает, что часы, расположенные глубже в гравитационном колодце – и, следовательно, в сильнее искривлённом пространстве – работают со скоростью, отличной от часов, расположенных в менее глубоком, менее искривлённом месте пространства.

Если бы Солнце внезапно исчезло из Вселенной, мы некоторое время не узнали бы об этом. Земля не улетела бы сразу по прямой; она продолжала бы вращаться вокруг местоположения Солнца ещё 8 минут и 20 секунд. Гравитацию определяет не масса, а кривизна пространства, которую определяет сумма всей материи и энергии, находящейся в нём.

Если бы вы убрали Солнце, пространство перешло бы из искривлённого в плоское состояние, но эта трансформация идёт не мгновенно. Пространство-время – это ткань, и переход должен происходить в виде некоего резкого движения, отправляющего очень большие волны – гравитационные – по Вселенной, которые распространяются по ней, как рябь по поверхности пруда.


Каждая волна, распространяющаяся в среде или в вакууме, обладает скоростью распространения. Не бывает бесконечной скорости, и, в теории, скорость распространения гравитационных волн должна совпадать с максимальной скоростью, разрешённой во Вселенной: со скоростью света.

Скорость распространения волн определяется так же, как определяется скорость всего в теории относительности: их энергией и массой. Поскольку гравитационные волны не имеют массы, однако имеют конечную энергию, они должны двигаться со скоростью света. А это значит, что Земля на самом деле не привязана напрямую к местоположению Солнца в пространстве – она привязана к тому месту, где Солнце было чуть больше 8 минут назад.


Гравитационное излучение появляется всякий раз, когда одна масса движется по орбите вокруг другой, поэтому за достаточно долгое время орбиты уменьшаются. Когда-нибудь в будущем Земля по спирали упадёт на то, что останется от Солнца, если до этого никакое тело не выкинет её с орбиты. Земля привязана к тому месту, где Солнце было порядка 8 минут назад, а не к тому, где оно находится в данный момент.

Это странно, и потенциально является проблемой, поскольку Солнечную систему мы изучили довольно хорошо. Если бы Земля была привязана к местоположению Солнца, которое оно занимало ≈ 8 минут назад согласно законам Ньютона, то орбиты планет не совпадали бы с наблюдениями. Однако ОТО отличается ещё и в другом аспекте. Для расчётов необходимо учесть скорость движущейся по орбите вокруг Солнца планеты.

К примеру, Земля, поскольку она также двигается, в каком-то смысле «катается» на этих волнах, идущих сквозь пространство, опускаясь не там, где её подняло до этого. В ОТО есть два новых явления, которые сильно отличают её от Ньютоновской: на восприятие объектом гравитации влияет скорость каждого объекта, а также изменения в гравитационном поле.


Ткань пространства-времени, с волнами и деформациями, происходящими из-за присутствия масс. Ткань пространства, конечно, искривляется, но при движении масс через изменяющееся гравитационное поле происходит много интересного.

Если вы хотите подсчитать кривизну пространства-времени в любой точке пространства, ОТО позволяет вам сделать это, но вам сначала нужно кое-что узнать. Вам нужно узнать расположение, величину и распределение всех масс Вселенной, точно так, как требовал Ньютон. Кроме того, вам нужна информация о следующем:

  • как эти массы двигаются и двигались,
  • как распределены все другие, не принадлежащие к массе, формы энергии,
  • как объект, с которого вы ведёте наблюдения, движется в изменяющемся гравитационном поле,
  • и как кривизна пространства меняется со временем.

И только вместе с этими дополнительными знаниями можно подсчитать искривление пространства в определённой точке пространства и времени.


Эволюцию пространства-времени и работу гравитации определяет не только положения и величины масс, но ещё и то, как они двигаются относительно друг друга и ускоряются в изменяющемся гравитационном поле.

У этого искривления и распрямления есть свои издержки. Ускоряющаяся Земля не может просто так двигаться в изменяющемся гравитационном поле Солнца без последствий. Они существуют, хотя и маленькие, и их можно измерить. В отличие от теории Ньютона, по которой Земля должна описывать замкнутый эллипс, двигаясь вокруг Солнца, ОТО предсказывает, что этот эллипс со временем должен испытывать прецессию, а орбита медленно убывать. Промежуток времени, за который это произойдёт, может превышать текущий возраст Вселенной, но, тем не менее, орбита не будет оставаться стабильной произвольное время.

Ещё до того, как мы измерили гравитационные волны, это был основной метод измерения скорости распространения гравитации. Не на примере Земли, а на примере системы с экстремальными параметрами, у которой изменение орбиты можно легко заметить: системы из двух объектов на близкой орбите, по крайней мере, один из которых — это нейтронная звезда.


Проще всего будет увидеть этот эффект, если массивный объект будет двигаться с быстро изменяющейся скоростью в сильном и меняющемся гравитационном поле. И такие условия дают нам двойные звёздные системы из нейтронных звёзд! Одна или две таких вращающихся звезды излучают импульсы, которые видны на Земле каждый раз, когда ось звезды проходит через линию прямой видимости. Предсказания теории гравитации Эйнштейна чрезвычайно чувствительны к скорости света, настолько, что уже по итогам наблюдения самого первого пульсара, двойной системы PSR 1913+16, открытой в 1980-х, (двойная система Халса-Тейлора), мы наложили ограничения на скорость гравитации, которая совпала со скоростью света в пределах погрешности измерений всего в 0,2%!


Скорость уменьшения орбиты двойного пульсара сильно зависит от скорости гравитации и орбитальных параметров двойной системы. Мы использовали данные по бинарному пульсару, чтобы ограничить скорость гравитации, и приравнять её к скорости света с точностью в 99,8%

Только на примере этих двойных пульсаров мы узнали, что скорость гравитации находится в пределах 2,993 × 108 — 3,003 × 108 м/с. Это подтверждает ОТО и исключает Ньютоновскую гравитацию и другие альтернативы. Но механизма, объясняющего, почему пространство не искривляется, когда масса, бывшая в каком-то месте, уходит оттуда; ОТО не является объяснением этого. Масса, движущаяся с ускорением сквозь изменяющееся гравитационное поле, будет излучать энергию, а эта энергия будет волнами, известными, как гравитационные волны, идти сквозь материю пространства-времени. Возвращение к равновесному, неискривлённому состоянию, случается естественным путём. Оно не требует дальнейших объяснений, ОТО решает всё. [Когда Ньютона спрашивали о природе гравитации, он отвечал: Гипотез не измышляю / прим. перев.]
Tags:
Hubs:
Total votes 18: ↑15 and ↓3 +12
Views 47K
Comments Comments 102