«Это только теория»

Ровно 100 лет назад, 25 ноября 1915 года, Альберт Эйнштейн представил доклад на заседании Королевской академии наук Пруссии под названием «Die Feldgleichungen der Gravitation» (уравнение гравитационного поля) — вывод нового закона всемирного тяготения — что позволяет назвать именно эту дату днем рождения общей теории относительности (ОТО).

Эйнштейн работал над ней на протяжении более чем десяти лет — с 1907 по 1917 год. На разных этапах ему помогали математики Марсель Гроссман и Давид Гильберт, астроном Эрвин Финлей-Фройндлих, а также физик Пауль Эренфест и другие. Результатом стала новая теория, полностью перевернувшая научные представления о том, что такое гравитация. Первая статья, затрагивающая вопросы, которые в дальнейшем будут решены с помощью ОТО, появилась в печати еще в 1907 году, но основное уравнение теории было получено только к концу ноября 1915 года.

Несмотря на кажущуюся простоту (по виду не сложнее закона сохранения энергии), уравнение тяготения записано на языке тензорного анализа, а значит объяснить его и его происхождение «на пальцах» практически невозможно. Но, конечно, за последние 100 лет множество талантливых людей все-таки пытались это сделать. По случаю юбилея мы решили собрать здесь самые удачные попытки объяснить основы теории относительности (в т.ч. и специальной), предпринятые как профессиональными физиками, так и фантастами.

Альберт Эйнштейн, Леопольд Инфельд «Эволюция физики»

Издательство Кембриджского университета, 1938. Русский перевод — С.Г. Суворова, издательство «Амфора» и другие
«Теория относительности развивается двумя этапами. Первый этап приводит к так называемой специальной теории относительности, применяемой только к инерциальным системам координат, то есть к системам, в которых справедлив закон инерции, как он был сформулирован Ньютоном. Специальная теория относительности основывается на двух фундаментальных положениях: физические законы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга; скорость света всегда имеет одно и то же значение. Из этих положений, полностью подтвержденных экспериментом, выведены свойства движущихся масштабов и часов, изменения их длины и ритма, зависящие от скорости. Теория относительности изменяет законы механики. Старые законы несправедливы, если скорость движущейся частицы приближается к скорости света. Новые законы движения тела, сформулированные теорией относительности, блестяще подтверждаются экспериментом. Дальнейшее следствие теории относительности (специальной) есть связь между массой и энергией. Масса — это энергия, а энергия имеет массу. Оба закона сохранения — закон сохранения массы и закон сохранения энергии — объединяются теорией относительности в один закон, в закон сохранения массы-энергии.

Общая теория относительности дает еще более глубокий анализ пространственно-временного континуума. Справедливость теории относительности больше не ограничивается инерциальными системами отсчета. Теория берется за проблему тяготения и формулирует новые структурные законы для поля тяготения. Она заставляет нас проанализировать роль, которую играет геометрия в описании физического мира».

Кип Торн, «Интерстеллар. Наука за кадром»

W.W. Norton & Company, November 7, 2014. Русский переводчик - Станислава Ломакина, издательство «Манн, Иванов и Фербер»

«Эйнштейн бился над загадками гравитации с 1907 года. Наконец в 1912 году его посетило гениальное озарение. Он понял, что массивные тела вроде Земли или черных дыр могут искривлять время и это искривление является причиной гравитации. Он выразил эту идею в виде «эйнштейновского закона искривления времени» (как я его называю) – точной математической формулы, суть которой можно описать фразой: Все стремится существовать там, где оно медленнее всего стареет, и гравитационное притяжение направлено именно туда. Чем больше замедление времени, тем сильнее гравитационное притяжение. На Земле замедление времени составляет лишь несколько микросекунд в день, поэтому силы гравитации здесь умеренные. На поверхности нейтронной звезды, где замедление времени составляет несколько часов в день, гравитация сильна чрезвычайно. А у поверхности черной дыры, где время почти не движется, гравитация настолько огромна, что даже свет не может ее преодолеть».

Научно-популярный фильм о СТО «Что такое теория относительности»

Реж. Семён Райтбурт, киностудия «Моснаучфильм», 1964

Айзек Азимов, из рассказа «Бильярдный шар»

Журнал If, март 1967. Русский вариант впервые опубликован в журнале «Вокруг Света», № 3, 1969

«Для наглядности, — сказал он, — представим себе вселенную в виде абсолютно плоского, не имеющего толщины листа сверхгибкой и сверхпрочной резины. Если определить массу как нечто взаимосвязанное с весом — подобно тому, как это имеет место на поверхности Земли, то тогда нужно ожидать, что любая масса, оказавшаяся на листе резины, продавит в нем лунку. Чем больше масса, тем больше будет такая лунка. 

В реальной вселенной, — продолжал он, — бесконечное множество всевозможных масс, и наш резиновый лист, соответственно, должен быть весь испещрен лунками разной глубины. Любой объект, катящийся по нашему листу, на своем пути будет постоянно проваливаться в эти лунки и, выскакивая из них, менять скорость и направление движения. Эти изменения мы можем интерпретировать как демонстрацию существования гравитационных сил. Если путь движущегося объекта проходит достаточно близко от центра лунки, то при достаточно малой скорости объект как бы окажется в ловушке и начнет вращаться в лунке по эллипсу. При отсутствии трения он будет там вращаться вечно. Другими словами, то, что Исаак Ньютон считал силой, Альберт Эйнштейн определил как геометрическое искривление пространства».

Отрывок из учебного фильма «Гравитационное поле»

Реж. Ю. Бадьянов, автор сценария А. Катков, киностудия «КиевНаучФильм», 1987

Стивен Хокинг «Мир в ореховой скорлупке»

Издательство Bantam Spectra, 2001. Русский перевод - А. Сергеевна, издательство «Амфора», 2007
«В 1913 году Эйнштейн и Гроссман совместно написали статью, в которой выдвинули идею, что сила, о которой мы думаем как о гравитации, — это лишь проявление того, что пространство-время искривлено. Однако из-за ошибки Эйнштейна (и ему, как всем нам, свойственно было ошибаться), им не удалось найти уравнения, которые связывают кривизну пространства-времени с находящимися в нем массой и энергией. Эйнштейн продолжил работать над проблемой в Берлине, где его не беспокоили домашние дела и практически не затронула война, и в итоге нашел правильные уравнения в ноябре 1915 года. Во время поездки в Гёттингенский университет летом 1915 года он обсудил свои идеи с математиком Давидом Гильбертом, и тот независимо вывел те же самые уравнения на несколько дней раньше Эйнштейна. Тем не менее сам Гильберт признавал, что честь создания новой теории принадлежит Эйнштейну. Это была идея последнего — связать гравитацию с искривлением пространства-времени. И надо отдать должное цивилизованности тогдашнего германского государства, за то что научные дискуссии и обмен идеями могли без помех продолжаться даже в военное время. Какой контраст с эпохой нацизма, которая наступила двадцатью годами позже! Новая теория искривленного пространства-времени получила название общей теории относительности, чтобы отличать ее от первоначальной теории, которая не включала гравитацию и ныне известна как специальная теория относительности. Она получила очень эффектное подтверждение в 1919 году, когда британская экспедиция наблюдала в Западной Африке незначительное изгибание света звезды, проходящего вблизи Солнца во время затмения. Это было прямым доказательством того, что пространство и время искривляются, и стимулировало самый глубокий пересмотр представлений о Вселенной, в которой мы живем, с тех пор как Евклид написал свои «Начала» около 300 года нашей эры.
[...]

Уравнения Эйнштейна делают пространство и время динамичными, описывая, как те искривляются и искажаются под действием материи и энергии во Вселенной. В общей теории относительности чье угодно персональное время, измеряемое по наручным часам, всегда будет увеличиваться, так же как и в теории Ньютона или в плоском пространстве-времени специальной теории относительности. Но быть может, пространство-время окажется настолько закрученным, что вам удастся улететь на звездолете и вернуться раньше своего отправления».

Учебный фильм 1923 года «Теория относительности Эйнштейна»

Реж. Max and Dave Fleischer, киностудия Fleischer Studios, 1923

Л.Д. Ландау, Ю.Б. Румер «Что такое теория относительности»

Издательство «Советская Россия», 1975
«Соотношение между физикой, учитывающей теорию относительности, именуемой иначе релятивистской, и старой физикой, которую называют классической, примерно такое же, как между высшей геодезией, учитывающей шарообразность Земли, и низшей геодезией, пренебрегающей этой шарообразностью. Высшая геодезия должна исходить из относительности понятия вертикали, релятивистская физика должна учитывать относительность размеров тела и промежутков времени между двумя событиями - в противоположность классической физике».

Уолтер Айзексон «Общая теория относительности за три минуты»

Американский журналист, автор биографии Эйнштейна «Einstein: His Life and Universe», Simon & Schuster, 2007