Введение
Общая теория относительности — это теория гравитации, разработанная Альбертом Эйнштейном в период с 1907 по 1915 год, с последующими вкладами многих других ученых после 1915 года. Согласно общей теории относительности, наблюдаемое гравитационное притяжение между массами является результатом искривления пространства-времени этими массами. До появления общей теории относительности закон всемирного тяготения Ньютона принимался в качестве достоверного описания гравитационной силы между массами более двухсот лет, хотя сам Ньютон не считал эту теорию окончательным ответом на вопрос о природе гравитации. В течение столетия после формулировки Ньютона, тщательные астрономические наблюдения выявили необъяснимые расхождения между теорией и наблюдениями. В модели Ньютона гравитация представлялась как сила притяжения между массивными объектами. Хотя даже Ньютона беспокоил неизвестный характер этой силы, базовая структура оказалась чрезвычайно успешной в описании движения. Однако эксперименты и наблюдения показывают, что описание Эйнштейна объясняет ряд эффектов, необъяснимых законом Ньютона, таких как незначительные аномалии на орбитах Меркурия и других планет. Общая теория относительности также предсказывает новые гравитационные эффекты, такие как гравитационные волны, гравитационное линзирование и влияние гравитации на время, известное как гравитационное замедление времени. Многие из этих предсказаний были подтверждены экспериментально или наблюдательно, в то время как другие остаются предметом текущих исследований. Общая теория относительности стала важнейшим инструментом в современной астрофизике, обеспечивая основу для современного понимания чёрных дыр — областей пространства, где гравитационное притяжение настолько велико, что даже свет не может их покинуть. Считается, что их сильная гравитация ответственна за интенсивное излучение, испускаемое определенными типами астрономических объектов (например, активными галактическими ядрами или микроквазарами). Общая теория относительности также является частью структуры стандартной космологической модели Большого взрыва.
General relativity is a theory of gravitation that was developed by Albert Einstein between 1907 and 1915, with contributions by many others after 1915. According to general relativity, the observed gravitational attraction between masses results from the warping of space and time by those masses. Before the advent of general relativity, Newton's law of universal gravitation had been accepted for more than two hundred years as a valid description of the gravitational force between masses, even though Newton himself did not regard the theory as the final word on the nature of gravity. Within a century of Newton's formulation, careful astronomical observation revealed unexplainable differences between the theory and the observations. Under Newton's model, gravity was the result of an attractive force between massive objects. Although even Newton was bothered by the unknown nature of that force, the basic framework was extremely successful at describing motion. However, experiments and observations show that Einstein's description accounts for several effects that are unexplained by Newton's law, such as minute anomalies in the orbits of Mercury and other planets. General relativity also predicts novel effects of gravity, such as gravitational waves, gravitational lensing and an effect of gravity on time known as gravitational time dilation. Many of these predictions have been confirmed by experiment or observation, while others are the subject of ongoing research. General relativity has developed into an essential tool in modern astrophysics. It provides the foundation for the current understanding of black holes, regions of space where gravitational attraction is so strong that not even light can escape. Their strong gravity is thought to be responsible for the intense radiation emitted by certain types of astronomical objects (such as active galactic nuclei or microquasars). General relativity is also part of the framework of the standard Big Bang model of cosmology.
Ранние расследования
Первая релятивистская теория гравитации была предложена Анри Пуанкаре в 1905 году. Он опубликовал инвариантную теорию Лоренца о четырехмерном пространстве-времени, где гравитация передается гравитационными волнами, движущимися со скоростью света. Как позже сказал Эйнштейн, причиной развития общей теории относительности было предпочтение инерционного движения в рамках специальной теории относительности, в то время как теория, которая изначально не выделяет какое-либо конкретное состояние движения, казалась ему более удовлетворительной. Так, еще работая в патентном бюро в 1907 году, Эйнштейн обрёл то, что он назвал своей "самой счастливой мыслью". Он понял, что принцип относительности можно распространить на гравитационные поля. Вследствие этого, в 1907 году он написал статью, опубликованную в 1908 году, об ускорении в условиях специальной теории относительности. В этой статье он утверждал, что свободное падение – это на самом деле инерционное движение, и что для свободно падающего наблюдателя должны применяться правила специальной теории относительности. Этот аргумент называется принципом эквивалентности. В той же статье Эйнштейн также предсказал феномен гравитационного замедления времени. В 1911 году Эйнштейн опубликовал еще одну статью, расширяющую работу 1907 года. Там он рассмотрел случай равномерно ускоренной коробки, не находящейся в гравитационном поле, и отметил, что она будет неотличима от коробки, неподвижно находящейся в постоянном гравитационном поле. Он использовал специальную теорию относительности, чтобы показать, что часы в верхней части коробки, ускоряющейся вверх, будут идти быстрее, чем часы в нижней части. Он пришел к выводу, что скорость течения времени зависит от положения в гравитационном поле, и что разница в скорости пропорциональна гравитационному потенциалу в первом приближении. В статье также предсказывалось отклонение света массивными телами, например, Юпитером и Солнцем. Хотя приближение было грубым, оно позволило ему рассчитать, что отклонение не равно нулю. Эйнштейн призвал астрономов попытаться непосредственно наблюдать отклонение света от неподвижных звезд вблизи Солнца во время солнечных затмений, когда они будут видны. В октябре 1911 года Фрёндлих связался с астрономом Чарльзом Д. Перрином в Берлине, чтобы узнать, можно ли изучить существующие фотографии солнечных затмений для подтверждения предсказания Эйнштейна об отклонении света. Перрин, директор Национальной обсерватории Аргентины в Кордове, участвовал в четырех экспедициях по наблюдению солнечных затмений, находясь в обсерватории Лика в 1900, 1901, 1905 и 1908 годах. Он стал, по мнению директора обсерватории Лика, В. В. Кэмпбелла, наблюдателем, не имеющим себе равных в области солнечных затмений. Он не считал, что существующие фотографии затмений будут полезны для доказательства утверждения Эйнштейна. В 1912 году Фрёндлих спросил, включит ли Перрин наблюдение за отклонением света в свою программу для солнечного затмения 10 октября 1912 года в Бразилии. В. В. Кэмпбелл, директор обсерватории Лика, одолжил Перрину свои линзы для внутримеркуриальной камеры. Перрин и команда из Кордобы были единственной экспедицией по затмению, построившей специализированное оборудование, предназначенное для наблюдения за отклонением света. К сожалению, все экспедиции столкнулись с сильными дождями, которые помешали любым наблюдениям. Тем не менее, Перрин был первым астрономом, предпринявшим целенаправленную попытку наблюдать отклонение света для проверки предсказания Эйнштейна. Два года спустя три директора обсерваторий – Перрин, Фрёндлих и Кэмпбелл – включили наблюдение отклонения света в свои экспедиции в Российскую империю для солнечного затмения 21 августа 1914 года. К сожалению, из-за облачности и начала Первой мировой войны, никаких результатов получить не удалось. Однако Перрин смог сделать первые фотографии в попытке проверить предсказание Эйнштейна об отклонении света. Небольшая облачность помешала определить точное положение звезд. Оглядываясь назад, можно сказать, что неблагоприятные погодные условия и отсутствие результатов в 1912 и 1914 годах сыграли на руку Эйнштейну. Если бы были получены четкие фотографии и измеримые результаты, предсказание Эйнштейна 1911 года могло бы оказаться неверным. Величина отклонения, которую он рассчитал в 1911 году, была слишком мала (0,83 секунды дуги) в два раза, поскольку использованное им приближение плохо работает для объектов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Когда Эйнштейн завершил полную теорию общей относительности в 1915 году, он исправил эту ошибку и предсказал правильную величину отклонения света, вызванного Солнцем (1,75 секунды дуги). Эддингтон и Дайсон в 1919 году и В. В. Кэмпбелл в 1922 году смогли сравнить свои результаты с исправленным предсказанием Эйнштейна. Другой заметный мысленный эксперимент Эйнштейна о природе гравитационного поля – это вращающийся диск (вариант парадокса Эренфеста). Он представил наблюдателя, проводящего эксперименты на вращающемся проигрывателе. Он отметил, что такой наблюдатель обнаружит иное значение математической константы π, чем то, которое предсказывается евклидовой геометрией. Причина в том, что радиус окружности измерялся бы не сжатой линейкой, но, согласно специальной теории относительности, длина окружности казалась бы больше, поскольку линейка была бы сжата. Поскольку Эйнштейн верил, что законы физики локальны и описываются локальными полями, он заключил из этого, что пространство-время может быть локально искривлено. Это привело его к изучению римановой геометрии и формулированию общей теории относительности на этом языке.
Развитие общей теории относительности
В 1912 году Эйнштейн вернулся в Швейцарию, чтобы занять должность профессора в своей альма-матер, Цюрихской высшей технической школе. Вернувшись в Цюрих, он немедленно навестил своего старого однокурсника Марселя Гроссмана, к тому времени профессора математики, который познакомил его с римановой геометрией и, в более широком смысле, с дифференциальной геометрией. По рекомендации итальянского математика Туллио Леви-Чивиты, Эйнштейн начал изучать полезность принципа общей ковариантности (по сути, использование тензоров) для своей теории гравитации. Поначалу Эйнштейн считал, что в этом подходе есть проблемы, но позже вернулся к нему и к концу 1915 года опубликовал свою общую теорию относительности в той форме, в которой она используется и сегодня. Эта теория объясняет гравитацию как искажение структуры пространства-времени веществом, влияющее на инерциальное движение другого вещества. Во время Первой мировой войны работы ученых стран Центрального блока были доступны только ученым этих стран по соображениям национальной безопасности. Некоторые работы Эйнштейна достигли Соединенного Королевства и Соединенных Штатов благодаря усилиям австрийца Пола Эрренфеста и физиков в Нидерландах, в особенности лауреата Нобелевской премии 1902 года Хендрика Лоренца и Виллема де Ситтера из Лейденского университета. После войны Эйнштейн поддерживал связь с Лейденским университетом, приняв контракт на должность внештатного профессора; в течение десяти лет, с 1920 по 1930 год, он регулярно ездил в Нидерланды для чтения лекций. В 1917 году несколько астрономов приняли вызов Эйнштейна, брошенный им в Праге. Обсерватория Маунт-Уилсон в Калифорнии, США, опубликовала спектроскопический анализ Солнца, который не выявил гравитационного красного смещения. В 1918 году обсерватория Лика, также в Калифорнии, объявила, что тоже опровергла предсказание Эйнштейна, хотя ее результаты не были опубликованы. Однако в мае 1919 года группа под руководством британского астронома Артура Стэнли Эддингтона заявила о подтверждении предсказания Эйнштейна об отклонении звездного света под действием гравитации Солнца, сделав фотографии солнечного затмения в ходе двух экспедиций в Собрал, на севере Бразилии, и на остров Принсипи в Западной Африке. Его коллега, лауреат Нобелевской премии Пол Дирак, утверждал, что это было "вероятно, величайшее научное открытие, когда-либо сделанное". Имеются утверждения о том, что тщательный анализ конкретных фотографий, сделанных в экспедиции Эддингтона, показал, что экспериментальная погрешность сопоставима с величиной эффекта, который Эддингтон утверждал, что продемонстрировал, и что британская экспедиция 1962 года пришла к выводу, что метод был принципиально ненадежным. Отклонение света во время солнечного затмения было подтверждено более поздними, более точными наблюдениями. Некоторые были недовольны внезапной славой новичка, особенно некоторые националистически настроенные немецкие физики, которые впоследствии основали движение Deutsche Physik (немецкая физика).
Общая ковариантность и аргумент о дыре
К 1912 году Эйнштейн активно искал теорию, в которой гравитация объяснялась бы как геометрическое явление. По настоянию Туллио Леви-Чивиты, Эйнштейн начал с изучения возможности использования общей ковариантности (которая по сути представляет собой использование тензоров кривизны) для создания гравитационной теории. Однако в 1913 году Эйнштейн отказался от этого подхода, полагая, что он противоречив из-за "аргумента о дыре". В 1914 и большую часть 1915 года Эйнштейн пытался создать уравнения поля, основываясь на другом подходе. Когда этот подход был признан несостоятельным, Эйнштейн вернулся к концепции общей ковариантности и обнаружил, что аргумент о дыре был ошибочным.
Эйнштейн и Гильберт
В последний год работы Эйнштейна над общей теорией относительности он встретился и переписывался с немецким математиком Давидом Гильбертом. Гильберт работал над единой теорией поля, основанной на идеях Густава Ми, и вывел теорию общей относительности из элегантного вариационного принципа почти одновременно с тем, как Эйнштейн открыл эту теорию. Время переписки и публикаций послужило поводом для ряда глубоких исторических исследований.
Сэр Артур Эддингтон
В первые годы после публикации теории Эйнштейна сэр Артур Эддингтон использовал свой значительный авторитет в британском научном сообществе, чтобы поддержать работу этого немецкого ученого. Поскольку теория была настолько сложной и трудной для понимания (даже сегодня её часто считают вершиной научного мышления; в первые годы она была ещё более сложной), ходили слухи, что её понимают только три человека в мире. Существует одна поучительная, хотя, вероятно, апокрифическая история на этот счет. Как рассказал Людвик Сильберштейн, во время одной из лекций Эддингтона он спросил: "Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один из трех людей в мире, понимающих общую теорию относительности". Эддингтон замялся, не сумев ответить. Сильберштейн продолжил: "Не скромничайте, Эддингтон!" Наконец, Эддингтон ответил: "Напротив, я пытаюсь вспомнить, кто же третий".
Решение Шварцшильда
Поскольку уравнения поля нелинейны, Эйнштейн полагал, что они не имеют решений. Однако Карл Шварцшильд обнаружил в 1915 году и опубликовал в 1916 году точное решение для случая сферически симметричного пространства-времени вокруг массивного объекта, заданного в сферических координатах. Это решение теперь известно как решение Шварцшильда. С тех пор было найдено множество других точных решений.
Расширяющаяся Вселенная и космологическая константа
В 1922 году Александр Фридман нашел решение, в котором Вселенная могла расширяться или сжиматься, а позже Жорж Леметр вывел решение для расширяющейся Вселенной. Однако Эйнштейн полагал, что Вселенная статична, и поскольку статическая космология не подтверждалась общими релятивистскими уравнениями поля, он добавил космологическую постоянную Λ в уравнения поля, которая стала…
Это позволило создать стационарные решения, но они были неустойчивы: малейшее отклонение от статического состояния приводило бы к расширению или сжатию Вселенной. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил свидетельства расширения Вселенной. В результате Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав её «величайшей ошибкой в моей жизни». В то время добавление космологической постоянной было искусственным приёмом, поскольку она предназначалась лишь для обоснования одного результата – статической Вселенной.
Более точные решения
Прогресс в решении уравнений поля и понимании решений продолжался. Решение для сферически симметричного заряженного объекта было найдено Райсснером, а затем независимо открыто Нордстрёмом и называется решением Райсснера — Нордстрёма. Аспект чёрной дыры в решении Шварцшильда вызывал большие споры, и Эйнштейн не верил в реальность сингулярностей. Однако в 1957 году (через два года после смерти Эйнштейна) Мартин Крускал опубликовал доказательство того, что решение Шварцшильда предсказывает существование чёрных дыр. Кроме того, решение для вращающегося массивного объекта было получено Роем Керром в 1960-х годах и называется решением Керра. Решение Керра — Ньюмана для вращающегося заряженного массивного объекта было опубликовано спустя несколько лет.
Тест теории
Первым подтверждением общей теории относительности стало верное предсказание аномальной скорости прецессии орбиты Меркурия. Впоследствии экспедиция Артура Стэнли Эддингтона в 1919 году подтвердила предсказание Эйнштейна об отклонении света в гравитационном поле Солнца во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года, что способствовало утверждению общей теории относительности как состоятельной теории. С тех пор многочисленные наблюдения продемонстрировали соответствие предсказаниям общей теории относительности. К ним относятся исследования двойных пульсаров, наблюдения за радиосигналами, проходящими вблизи лимба Солнца, и даже глобальная система позиционирования. Теория предсказывает существование гравитационных волн – ряби в искривлении пространства-времени, распространяющихся как волны от источника. Первое зарегистрированное наблюдение гравитационных волн, возникших в результате слияния двух чёрных дыр, было осуществлено 14 сентября 2015 года коллаборацией Advanced LIGO, подтвердив ещё одно предсказание теории спустя 100 лет после её публикации. 10 апреля 2019 года коллаборацией Event Horizon Telescope было опубликовано первое изображение чёрной дыры – сверхмассивной, находящейся в центре галактики Messier 87.
Альтернативные теории
Были предприняты различные попытки найти модификации общей теории относительности. Наиболее известными из них являются теория Бранса — Дикке (также известная как скалярно-тензорная теория) и биметрическая теория Розена. Обе эти теории предлагали изменения уравнений поля общей теории относительности, и обе страдают от того, что эти изменения допускают существование биполярного гравитационного излучения. В результате первоначальная теория Розена была опровергнута наблюдениями двойных пульсаров. Что касается теории Бранса — Дикке (которая имеет настраиваемый параметр ω, при котором ω = ∞ эквивалентна общей теории относительности), то величина, на которую она может отличаться от общей теории относительности, была существенно ограничена этими наблюдениями. Многие другие альтернативы общей теории относительности также были исключены анализом слияния нейтронных звезд GW170817. Кроме того, общая теория относительности несовместима с квантовой механикой, физической теорией, описывающей корпускулярно-волновой дуализм материи, а квантовая механика в настоящее время не описывает гравитационное притяжение в соответствующих (микроскопических) масштабах. В физическом сообществе существует множество спекуляций относительно модификаций, которые могут потребоваться как для общей теории относительности, так и для квантовой механики, чтобы последовательно их объединить. Спекулятивная теория, объединяющая общую теорию относительности и квантовую механику, обычно называется квантовой гравитацией, яркими примерами которой являются теория струн и петлевая квантовая гравитация.
Золотой век
Кип Торн определяет "золотой век общей теории относительности" как период примерно с 1960 по 1975 год, в течение которого изучение общей теории относительности, ранее считавшееся скорее курьёзом, вошло в основное русло теоретической физики. В этот период были введены многие концепции и термины, которые продолжают вдохновлять воображение исследователей гравитации и широкой публики, включая чёрные дыры и гравитационные сингулярности. Одновременно с этим, в тесно связанной области, изучение физической космологии вошло в основное русло, и теория Большого взрыва получила широкое признание. Фулвио Мелия часто упоминает "золотой век относительности" в своей книге "Взлом кода Эйнштейна". Анджей Траутман организовал конференцию по теории относительности в Варшаве в 1962 году, на которую ссылается Мелия: Общая теория относительности очень успешно развивалась после этой встречи в Варшаве, сразу после эксперимента Паунда — Ребки, и вступила в свой золотой век открытий, продолжавшийся до середины 1970-х годов. Рой Керр, один из главных героев книги, написал послесловие, в котором отметил: "Это замечательная работа, прекрасно передающая атмосферу периода, который мы теперь называем золотым веком теории относительности".
General relativity moved very successfully from that meeting in Warsaw, hot on the heels of the Pound–Rebka experiment, and entered its golden age of discovery that lasted into the mid 1970s. Roy Kerr, protagonist of the book, contributed an Afterword, saying of the book: "It is a remarkable piece of writing capturing beautifully the period we now refer to as the golden age of relativity."