"Найбільша помилка" Альберта Ейнштейна: проблема, яку фізики не можуть вирішити вже 110 років

Альберт Ейнштейн представив розширення своєї спеціальної теорії відносності, опублікованої 1905 року, під назвою загальна теорія відносності перед вченими Прусської академії наук у листопаді 1915 року. У травні 1916 року загальна теорія відносності була офіційно опублікована в наукових журналах. За минулі 110 років наша найкраща теорія гравітації пройшла неодноразові перевірки, хоча деякі фізики вважають, що вона зможе бути недосконалою. Але поки явних доказів цьому немає. Однією з головних проблем, над вирішенням якої багато десятиліть працюють фізики, є те, що загальна теорія відносності Ейнштейна не узгоджується з квантовою механікою. Але фізики не полишають спроби створити теорію квантової гравітації або теорію всього, яка змогла б описати Всесвіт як у макроскопічних, так і в мікроскопічних масштабах одночасно, пише Фокус.

Гравітація Ньютона і гравітація Ейнштейна — це різні речі

Загальна теорія відносності є загальноприйнятим описом гравітації в сучасній фізиці. Коли Альберт Ейнштейн представив теорію відносності, розуміння людиною простору, часу та гравітації радикально змінилося.

Згідно з класичною механікою Ісаака Ньютона, гравітація є силою, але Ейнштейн довів, що це не зовсім так. Гравітація - це фундаментальна взаємодія між усіма тілами, що мають масу. Вона змушує об'єкти притягуватися один до одного.

Ейнштейн довів, що гравітація є не просто силою, хоча і вважається однією з чотирьох головних сил природи, які називаються взаємодіями. Згідно з теорією відносності Ейнштейна, гравітація — це прояв викривлення простору-часу. Фізик показав, що об'єкти з масою викривляють тканину простору-часу і гравітація є результатом цих викривлень, створюваних масою та енергією.

Хоча гравітацію вважають найслабшою з фундаментальних взаємодій, серед яких сильна, слабка та електромагнітна, вона домінує в масштабах усього Всесвіту.

Загальна теорія відносності узагальнює спеціальну теорію відносності Ейнштейна й уточнює закон всесвітнього тяжіння Ньютона, надаючи єдиний опис гравітації як геометричної властивості простору і часу, або чотиривимірного простору-часу.

Перше підтвердження загальної теорії відносності Ейнштейна

Хоча стаття з описом загальної теорії відносності з'явилася в 1916 році, тільки в 1919 році було зроблено одне з головних підтверджень того, що Ейнштейн правий. Вчені змогли під час сонячного затемнення побачити, що Сонце, як масивний об'єкт, викривляє світло далеких зірок

Але до цього, за допомогою теорії відносності вчені змогли вирішити 200-річну загадку аномального зсуву орбіти Меркурія під час його максимального зближення із Сонцем. Під час наближення до Сонця Меркурій поводився не так, як передбачала ньютонівська фізика. Поведінка гравітації, описана в загальній теорії відносності, пояснила цю аномалію. Через близькість до Сонця викривлення простору-часу викликає додаткове зміщення орбіти Меркурія, що підтвердило теорію Ейнштейна.

"Найбільша помилка" Ейнштейна

Ейнштейн на момент створення загальної теорії відносності вважав, що Всесвіт є стаціонарним і незмінним об'єктом. Для того, щоб Всесвіт не стиснувся у свій початковий стан під дією гравітації, яка домінує в просторі, Ейнштейн ввів у свої рівняння космологічну постійну. Коли наприкінці 20-х років XX століття було доведено, що Всесвіт насправді постійно розширюється, фізик прибрав космологічну постійну і назвав її введення своєю "найбільшою помилкою". Але наприкінці 90-х років минулого століття вчені повернули космологічну сталу, щоб пояснити темну енергію, яка була виявлена і прискорює розширення космосу. Хоча з 2025 року деякі фізики вважають, що темна енергія не є постійною, а змінюється з часом.

Що передбачив Ейнштейн?

Ці передбачення стосуються перебігу часу, геометрії простору, руху тіл у вільному падінні і поширення світла, і включають гравітаційне уповільнення часу, гравітаційне лінзування, гравітаційний червоний зсув світла, а також існування сингулярності, чорних дір і гравітаційних хвиль. Саме передбачення теорії відносності допомогли з'ясувати, що Всесвіт виник внаслідок Великого вибуху, і досі в космосі можна виявити післясвітіння цієї події, відоме як реліктове випромінювання.

Теорія Ейнштейна передбачила, що чорні діри, області простору, в яких простір і час спотворюються таким чином, що ніщо, навіть світло, не може з них вирватися, існують. Це вчені змогли підтвердити в 70-х роках минулого століття.

Також теорія відносності передбачила існування гравітаційних хвиль, ледве відчутних коливань у тканині простору-часу, викликаних зіткненнями чорних дір. Їх вдалося виявити 2015 року.

Вона також передбачає гравітаційне лінзування, за якого викривлення світла призводить до спотворених і множинних зображень одного і того ж далекого об'єкта. Зараз астрономи використовують цей ефект для спостереження за найдальшими астрономічними об'єктами, використовуючи для цього масивні галактики, розташовані ближче до нас.

Важливо Файли Ейнштейна: що трапилося з дочкою найзнаменитішого фізика і чим він розлютив ФБР

Згідно з теорією Ейнштейна, у просторі існують нескінченно щільні області, відомі як сингулярність. Передбачається, що вони існують усередині чорних дір, але безпосередньо їх ніхто ще не бачив, і вчені сперечаються, чи дивовижно, чи сингулярності є реальними. Хоча, з іншого боку, Великий вибух, виник, як вважається, з точки нескінченної щільності, тобто сингулярності. Але і цей момент викликає суперечки серед фізиків.

Квантова гравітація

Уже кілька десятиліть узгодження загальної теорії відносності із законами квантової фізики залишається проблемою. Річ у тім, що квантова фізика описує Всесвіт у мікроскопічних масштабах, на рівні субатомних частинок. У той час як теорія Ейнштейна — це великомасштабний опис поведінки Всесвіту. Фізики поки що не знають, як гравітація може бути об'єднана з трьома іншими взаємодіями: сильною, слабкою та електромагнітною. Поки що теорія гравітації і квантова фізика не працюють разом. Але вчені намагаються створити теорію квантової гравітації.

Загальна теорія відносності та подорож у часі

Існують рішення рівнянь Ейнштейна, які показують, що у Всесвіті можуть існувати замкнуті часоподібні криві, які допускають петлі часу. Тобто, ці рішення припускають, що подорож у минуле теоретично можлива, але для цього потрібні екстремальні фізичні умови і невідомо, чи можна їх досягти.

Також рішення рівнянь Ейнштейна допускають існування червоточин або кротячих нір. Це своєрідні тунелі в просторі-часі, які теоретичні дають змогу швидко переміщатися не тільки з однієї точки простору в іншу, а й переміщатися в часі.

Але всі рішення рівнянь загальної теорії відносності, пов'язані з подорожами в часі, спричиняють парадокси, які, здається, неможливо вирішити.

Наприклад, людина переміщається в минуле і вбиває свого дідуся до того, як він познайомився з його бабусею. Через це ця людина не зможе з'явитися на світ і, отже, не зможе вбити свого дідуся.

Ще один приклад: людина потрапляє в минуле, має любовний зв'язок зі своєю прабабусею і зачинає свого дідуся. У результаті народжуються нащадки, включно з батьком цієї людини та її самою. Отже, якби вона не подорожувала в минуле, її б узагалі не існувало.

Варто зазначити, що існує кілька альтернативних теорій гравітації, які вказують на неповну теорію Ейнштейна або ж на її помилковість. Але всі ці теорії поки що не знайшли підтвердження на відміну від загальної теорії відносності.