Легендарний фізик Альберт Ейнштейн був мислителем, який випередив свій час. Народившись 14 березня 1879 року, Ейнштейн прийшов у світ, де карликова планета Плутон ще не була відкрита, а ідея космічних польотів була далекою мрією. Попри технічні обмеження свого часу, Ейнштейн опублікував свою знамениту Теорію загальної відносності в 1915 році, яка зробила передбачення про природу Всесвіту, що підтверджуватимуться знову і знову протягом більш ніж 100 років.
Ось 10 нещодавніх спостережень, які довели, що Ейнштейн мав рацію щодо природи космосу сто років тому – і одне, яке довело, що він помилявся.
Перше зображення чорної діри
Загальна Теорія відносності Ейнштейна описує гравітацію як наслідок викривлення простору-часу, по суті, чим масивніший об’єкт, тим більше він викривляє простір-час і змушує менші об’єкти падати на нього. Теорія також передбачає існування чорних дір – масивних об’єктів, які викривляють простір-час настільки, що навіть світло не може уникнути їх.
Коли дослідники за допомогою телескопа Горизонт подій (EHT) отримали перше в історії зображення чорної діри, вони довели, що Ейнштейн мав рацію щодо деяких дуже конкретних речей, а саме, що кожна чорна діра має точку неповернення, яка називається горизонтом подій, що має бути приблизно круглою і передбачуваного розміру, виходячи з маси чорної діри. Революційне зображення чорної діри, отримане EHT, показало, що це передбачення було абсолютно правильним.
«Відлуння» чорної діри
Астрономи ще раз довели правильність Теорії чорних дір Ейнштейна, коли виявили дивну картину випромінювання рентгенівських променів поблизу чорної діри на відстані 800 млн світлових років від Землі.
Окрім очікуваного рентгенівського випромінювання, що спалахує спереду чорної діри, команда також виявила передбачувані «світні відлуння» рентгенівського світла, які випромінювалися позаду чорної діри, але все ще були видимі з Землі через те, що чорна діра викривляє простір-час навколо себе.
Гравітаційні хвилі
Теорія відносності Ейнштейна також описує величезні пульсації в тканині простору-часу, які називаються гравітаційними хвилями. Ці хвилі виникають внаслідок злиття наймасивніших об’єктів у Всесвіті, таких як чорні діри та нейтронні зірки.
За допомогою спеціального детектора, який називається Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), фізики підтвердили існування гравітаційних хвиль у 2015 році і продовжували виявляти десятки інших прикладів гравітаційних хвиль протягом наступних років, що ще раз доводить правоту Ейнштейна.
Хиткі партнери чорної діри
Вивчення гравітаційних хвиль може розкрити таємниці масивних, далеких об’єктів, які їх випускають.
Вивчаючи гравітаційні хвилі, випромінювані парою бінарних чорних дір, які повільно зіштовхувалися у 2022 році, фізики підтвердили, що масивні об’єкти коливалися – або прецесували – на своїх орбітах, коли вони наближалися одна до одної, як і передбачав Ейнштейн.
«Танцююча» зірка на спірографі
Вчені знову побачили теорію прецесії Ейнштейна в дії, вивчаючи зірку, що обертається навколо надмасивної чорної діри протягом 27 років.
Після завершення двох повних обертів навколо чорної діри орбіта зірки почала «танцювати» вперед у вигляді розетки, а не рухатися по фіксованій еліптичній орбіті. Цей рух підтвердив передбачення Ейнштейна про те, як надзвичайно малий об’єкт повинен обертатися навколо порівняно гігантського.
Нейтронна зірка, що «перетягує рамку»
Не лише чорні діри викривляють простір-час навколо себе, надщільне лушпиння мертвих зірок теж може це робити. У 2020 році фізики вивчали, як нейтронна зоря оберталася навколо білого карлика (два типи колапсованих, мертвих зірок) протягом попередніх 20 років, і виявили довготривалий дрейф у тому, як ці два об’єкти оберталися один навколо одного.
На думку дослідників, цей дрейф, ймовірно, був спричинений ефектом, який називається перетягуванням рамки, по суті, білий карлик досить сильно розтягнув простір-час, щоб з часом трохи змінити орбіту нейтронної зорі. Це знову ж таки підтверджує передбачення теорії відносності Ейнштейна.
Гравітаційна лупа
Згідно з Ейнштейном, якщо об’єкт достатньо масивний, він повинен викривляти простір-час таким чином, що далеке світло, випромінюване позаду об’єкта, здаватиметься збільшеним (так, як його бачать із Землі).
Цей ефект називається гравітаційним лінзуванням і широко використовується для того, щоб підносити лупу до об’єктів у глибокому Всесвіті. Відомо, що перше зображення глибокого поля космічного телескопа Джеймса Вебба використовувало ефект гравітаційного лінзування скупчення галактик на відстані 4,6 млрд світлових років, щоб значно збільшити світло від галактик, віддалених від нас на понад 13 млрд світлових років.
Кільце Ейнштейна JO418.
Одна з форм гравітаційного лінзування настільки яскрава, що фізики не могли не назвати її іменем Ейнштейна. Коли світло від віддаленого об’єкта збільшується в ідеальний ореол навколо масивного об’єкта на передньому плані, вчені називають це «кільцем Ейнштейна».
Ці дивовижні об’єкти існують по всьому космосу, і їх фотографували як астрономи, так і науковці-аматори.
Всесвіт, що зміщується
Коли світло подорожує Всесвітом, його довжина хвилі зміщується і розтягується кількома різними способами, відомими як червоне зміщення. Найвідоміший тип червоного зміщення пов’язаний з розширенням Всесвіту (Ейнштейн запропонував число, назване космологічною сталою, щоб врахувати це видиме розширення в інших своїх рівняннях).
Однак Ейнштейн також передбачив тип “гравітаційного червоного зміщення”, яке виникає, коли світло втрачає енергію на шляху з депресії в просторі-часі, створеної масивними об’єктами, такими як галактики. У 2011 році дослідження світла від сотень тисяч далеких галактик довело, що гравітаційне червоне зміщення дійсно існує, як і передбачав Ейнштейн.
Атоми в русі
Теорії Ейнштейна, схоже, справедливі і у квантовій сфері. Теорія відносності припускає, що швидкість світла у вакуумі постійна, а це означає, що простір має виглядати однаково з усіх боків. У 2015 році дослідники довели, що цей ефект справедливий навіть у найменших масштабах, коли вони виміряли енергію двох електронів, що рухаються в різних напрямках навколо ядра атома.
Різниця енергії між електронами залишалася постійною, незалежно від того, в якому напрямку вони рухалися, що підтверджує цю частину теорії Ейнштейна.
І нарешті… А як щодо “жахливих дій на відстані”?
У явищі, яке називається квантовою заплутаністю, зв’язані частинки, здавалося б, можуть спілкуватися одна з одною на величезних відстанях швидше, ніж швидкість світла, і “обирають” стан для проживання лише після того, як їх виміряють. Ейнштейн ненавидів це явище, називаючи його “жахливою дією на відстані”, і наполягав на тому, що жоден вплив не може поширюватися швидше за світло, і що об’єкти мають стан незалежно від того, вимірюємо ми їх чи ні.
Але в масштабному, глобальному експерименті, в якому були виміряні мільйони заплутаних частинок по всьому світу, дослідники виявили, що частинки, схоже, обирають стан лише в той момент, коли їх вимірюють, і не раніше.
“Ми показали, що світогляд Ейнштейна… в якому речі мають властивості незалежно від того, спостерігаєте ви їх чи ні, і жоден вплив не поширюється швидше за світло, не може бути істинним – принаймні одна з цих речей має бути хибною”, – розповів співавтор дослідження Морган Мітчелл, професор квантової оптики в Інституті фотонних наук в Іспанії, в інтерв’ю журналу Live Science у 2018 році.
Теж цікаво: