Спросите Итана: на самом ли деле пространство-время похоже на ткань?


В Ньютоновской картине гравитации пространство и время – абсолютные, фиксированные значения, а в Эйнштейновской картине, пространство-время – единая, объединённая структура, в которой неразрывно переплелись три пространственных и одно временное измерение

Гравитация, возможно, была первым фундаментальным взаимодействием из открытых, но, во многих отношениях остаётся в наименьшей степени понятой. Мы знаем, что она всегда притягивает, и что две любых массы во Вселенной, вне зависимости от их расположения, будут испытывать её воздействие. Когда Эйнштейн придумал свою Общую теорию относительности, одним из её прорывов было признание того, что пространство и время комбинируются в одну сущность: пространство-время. Другим было то, что присутствие материи и энергии искривляет саму ткань пространства-времени, и что искривлённое пространство-время, в свою очередь, диктует, как двигаться материи. Но точна ли эта картина? Наш читатель настроен скептически:

Мне бы хотелось, чтобы кто-нибудь, наконец, признал и согласился, что демонстрация шаров на простыне не даёт достоверного объяснения реальности.

Я спокойно признаю и соглашаюсь с этим. Сколько бы ни было изображений изогнутых простыней или координатных систем, они не совсем точно отражают населяемую нами реальность.


Кривизна пространства-времени вокруг любого массивного объекта определяется комбинацией массы и расстояния от центра масс. Однако такое изображение пространства-времени в виде двумерной сетки не обязательно является наилучшим способом восприятия данной картины

Вы наверняка видели изображение изогнутой двумерной сетки, изображающей пространство, на которой расположены массы, и знаете, что подобных изображений довольно много. Они вроде бы изображают ткань пространства, искривляемую присутствующей в нём массой, и, следовательно, путь любой другой частицы, идущий по этой ткани, будет искривлён по направлению к источнику гравитации. Чем крупнее масса, чем ближе вы к ней подбираетесь, тем больше кривизна, и, следовательно, больше искривление.

Интуитивно это вроде бы совпадает с экспериментами и наблюдениями, предпринятыми за последние 100 лет в целях проверки и подтверждения ОТО. Такая картина вроде бы соответствует и искривлению звёздного света, видимому во время полного солнечного затмения, и эффекту гравитационного линзирования – по крайней мере, качественно.


Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года определённо показали, что ОТО правильно описывает искривление света звёзд, проходящего мимо массивных объектов, что опровергло Ньютоновскую картину. Это стало первым наблюдением, подтверждающим ОТО Эйнштейна, и согласующимся с визуализацией “искривления ткани пространства”.

Но что на самом деле подразумевает такая картина? Если пространство похоже на ткань, как масса искривляет её?

Кажется, что масса на ткани каким-то образом притягивается “вниз”, а потом другие частицы, движущиеся через это пространство, тоже притягиваются вниз некоей невидимой загадочной силой. Это, очевидно, не может быть правильным – ведь в этом не участвует никакая дополнительная внешняя гравитация! Кроме того, линии сетки искривляются от, а не по направлению к массе, что тоже не может быть верным, особенно, если гравитация притягивает тела.

Гравитация просто есть, а уравнения, описывающие ОТО, просто геометрические по своей природе. Идея об искривлении пространства массой и энергией может быть верной, даже если подобная наивная визуализация может быть неверной.


Идея о ткани пространства имеет свои ограничения. Совершенно ясно, что крупная масса не может притягивать эту ткань “вниз” и заставлять другие объекты, движущиеся по ней, искривлять свой путь. Пространство-время может подчиняться геометрическим уравнениям и искажаться, но не так.

Можно сделать лучше, просто используя более корректное количество измерений – 3.

Сначала представим, что у нас есть абсолютно пустое пространство. Рядом нет никаких масс; никакого излучения; никакой тёмной материи, тёмной энергии, нейтрино, или всего остального, что может заставить пространство искривляться. Нет у него и собственной кривизны.

Просто представим себе плоское, статичное и пустое пространство. Если мы будем настаивать на том, чтобы рисовать сетку в роли математического слоя поверх пространства, то она должна выглядеть вот так.


Мы часто представляем себе пространство в виде трёхмерной сетки, хотя, если учитывать концепцию пространства-времени, такое представление будет чрезмерно упрощённым и зависящим от системы отсчёта. Если поместить на эту сетку частицу и позволить Вселенной расширяться, то вам будет казаться, что частица улетает от вас.

Теперь поместим в это пространство-время массу. Масса должна искажать пространство-время, но на самом деле, это не ткань: это просто ничто, составляющее пустую Вселенную. Уравнения ОТО сообщают нам, как эта кривизна работает геометрически, но не сообщают, как нам её визуализировать.

Однако есть один прекрасный способ это сделать – нарисовать линии сетки, обозначающие воздействие, испытываемое частицей пренебрежимо малой массы, не ощущающей давления, находящейся в покое относительно новой массы. Чем больше воздействие, которое испытывала бы частица, тем больше кривизна пространства-времени. Если бы мы это нарисовали, то получилась бы другая, в принципе более полезная картина.


Появление массы заставляет “прямые линии” пустой, чистой, трёхмерной сетки искривляться на определённую величину. При этом они направлены по направлению к массе, а не от неё.

Самая большая проблема такой картины – её очень сложно нарисовать!

К счастью, с появлением компьютерной анимации можно визуализировать искривление пространства даже для движущихся объектов. Помните, что мы имеем дело не с тканью, а со всей Вселенной целиком. Пространство-время просто существует: это то, что остаётся, когда мы убираем из Вселенной всё, что можно убрать. Когда мы размещаем во Вселенной массивные объекты, пространство-время остаётся на месте, но его свойства изменяются тем, что находится внутри него. Чем больше масса помещённого внутрь объекта, тем больше искривляется пространство-время.

Оплатите подписку, и реклама отключится

И это будет верно даже для одной массы, которую мы будем двигать в пространстве. Она может двигаться по прямой или вдоль искривлённого пути; она может двигаться естественно (из-за движения других масс) или искусственно (из-за воздействия внешней силы). В любом случае, это не имеет особого значения. Реальная проблема в том, что при движении массивных объектов в пространстве меняется геометрия, описывающая пространство-время.

В результате, объекты, расположенные в этом пространстве, будь они массивными или безмассовыми, меняют своё движение в соответствии с наличием и свойствами материи и энергии, находящимися в нём. Объяснение Джона Уилера, согласно которому масса сообщает пространству, как ему искривиться, а пространство сообщает массе, как ей двигаться, остаётся верным.


Анимация того, как пространство-время реагирует на движение сквозь него массы, помогает визуализировать, как именно не просто полотно ткани, а всё пространство целиком искривляется из-за наличия и свойств массы и энергии во Вселенной.

Можно рассуждать о пространстве, как о ткани, но в таком случае нужно учесть, что вы подразумеваете уменьшение перспективы до двумерной аналогии. Пространство Вселенной трёхмерное, и, комбинируя его со временем, мы получаем четыре измерения. Именно это и имеет в виду ОТО, описывая понятие искривления пространства-времени.

Но ни при каких обстоятельствах не стоит представлять себе пространство в виде материального физического объекта; оно не является таковым. Это лишь математическая структура, которую мы можем описывать при помощи уравнений ОТО. То, что материя и излучение реагируют на эту кривизну точно так, как предсказывают уравнения, подтверждает эту теорию, но не означает, что пространство реально представляет собой ткань.


Иллюстрация гравитационного линзирования демонстрирует, как видимые фоновые галактики – или путь любого света – искажаются при вмешательстве массы, например, находящегося на переднем плане галактического скопления. Аналогия с “тканью пространства” – всего лишь аналогия, не имеющая физического значения.

Мы также рассуждаем о расширении Вселенной в контексте “растяжения ткани пространства”, хотя в ней нет никакой ткани, и она на самом деле не растягивается, и вообще не изменяется как-либо. На самом деле просто расстояние между двумя любыми точками во Вселенной изменяется по определённому набору правил в контексте ОТО. Галактики, будто изюминки в тесте пекущегося хлеба, удаляются друг от друга. Длина волн излучения также растягивается, будто бы гребни и провалы волн отдаляются друг от друга.

Но на самом деле нет никакой ткани, приводящей к расширению. В аналогии с изюмом в хлебе изюминки (галактики) физически существуют, а хлеб (ткань пространства) – лишь визуализация.


Модель расширения Вселенной “хлеб с изюмом”, в которой относительные расстояния увеличиваются с расширением пространства (теста)

Одна из наиболее парадоксальных идей физики, которую надо принять – то, что уравнения, описывающие Вселенную, представляют собой только лишь уравнения: правила, описывающие те вещи, которые мы можем наблюдать физически. Мы можем наблюдать “ткань пространства” не больше, чем пустоту незаполненного пространства-времени; оно просто существует. Любая визуализация, которую мы попытаемся ей назначить, будь то двумерная ткань, трёхмерная сетка или запекающийся шар теста, остаётся лишь визуализацией, созданной человеком. Теории она не требуется.


На большой картинке слева доминирует массивное скопление галактик MACS J1149+2223. Гравитационное линзирование от этого кластера увеличивает яркость света недавно обнаруженной галактики MACS 1149-JD примерно в 15 раз. Справа вверху частичное увеличение показывает MACS 1149-JD более детально, а внизу – ещё больше увеличено. Это совпадает с ОТО и не зависит от того, как мы визуализируем пространство (и будем ли мы его визуализировать).

Что мы можем наблюдать, так это физические объекты – материю и излучение – находящиеся в пространстве. Эти сущности мы можем измерить, и именно предсказания поведения этих объектов помогают нам проверять такие теории, как ОТО. У нас не очень хорошо получается принимать математику такой, какая она есть, поэтому мы любим приводить аналогии, помогающие нам представить, что происходит со Вселенной. Успехи ОТО идут рука об руку с наблюдениями и измерениями. Мы можем наблюдать за измеримыми последствиями этой теории, но не за самой структурой пространства-времени, даже если её поведение предсказывается этой теорией.

В этом смысле, у всех аналогий есть свои ограничения и недостатки. Мы, возможно, можем выбрать не такую некорректную визуализацию, как двумерное изображение изогнутой ткани, но правильного ответа в данном случае не существует. ОТО сообщает нам, что произойдёт во Вселенной при наличии определённых материи и энергии, распределённых определённым способом, и наши наблюдения с ней сходятся. Мы можем выбирать, как визуализировать происходящее, в соответствии с тем, что имеет для нас наибольший смысл, но все визуализации по своей сути ложны. Лучше всего делать это, пытаясь понять Вселенную, какой бы загадочной она ни была, такой, какая она есть.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1,141 просмотров всего, 5 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

10 физических фактов, которые вы должны были узнать в школе, но, возможно, не узнали... 1. Энтропия измеряет не беспорядок, а вероятность Идея о том, что энтропия – это мера беспорядка, совсем не помогает разобраться в вопросе. Допустим, я делаю тесто, для чего я разбиваю яйцо и выл...
Закрытая лазейка подтверждает нереальность квантового мира... После открытия лазейки в знаменитом эксперименте, доказывавшем отсутствие внутренних свойств у квантовых объектов, три группы экспериментаторов быстро её закрыли. Этот эпизод закрывает вопрос по теори...
Конец знакомой нам теоретической физики Компьютерные симуляции и сделанные на заказ квантовые аналогии меняют способы поиска законов природы У теоретической физики есть репутация сложной науки. Я бы с этим не согласилась. То, что мы во...
Учёные смущённо признают, что до сих пор не знают точной величины гравитационного взаимодействия... По легенде, первый эксперимент, показавший, что все объекты падают с одной скоростью, вне зависимости от массы, провёл Галилео Галилей, стоя на вершине Пизанской башни. Два любых объекта, брошенных ...