Ученые вывели замену для теории относительности. В чем суть теории всего?
Елизавета Приставка
28 декабря 2020

Два исследователя из Университета штата Северная Каролина создали теорию пространства-времени на основе современных математических построений. По их словам, она объясняет устройство мира лучше, чем проверенная сотней лет экспериментов и возражений теория относительности. Рассказываем подробнее, что это значит.
Общая теория относительности и специальная теория относительности
Теория относительности» — это обобщенный термин, используемый для двух разных классов теорий, данных Альбертом Эйнштейном, а именно специальной относительности и общей относительности.
Общая теория относительности была первоначально опубликована Альбертом Эйнштейном в 1915 году. До общей теории относительности считалось, что гравитация — это «сила», которая действует между объектами, имеющими массу.
Однако общая теория относительности Эйнштейна изменила этот взгляд на гравитацию. Согласно общей теории относительности наша Вселенная состоит из 3 пространственных измерений + 1 временное измерение.
Вместе эти измерения образуют четырехмерный континуум, известный как ткань пространства-времени. Объекты, имеющие массу, производят искривление в ткани пространства-времени. Эта кривизна пространства-времени ответственна за гравитацию.
Общая теория относительности (ОТО)
Общая теория относительности описывает гравитацию как кривизну пространства-времени. Общая теория относительности предсказывала существование черных дыр и их свойства еще до того, как они были открыты.
Общая теория относительности основана на полевых уравнениях Эйнштейна, которые являются нелинейными и очень трудными для решения. Согласно общей теории относительности, объекты, имеющие массу, изгибают ткань пространства-времени. Чем больше масса, тем больше изгиб. Общая теория относительности приводит к ряду последствий, которые обсуждаются ниже.

Самая известная ранняя проверка ОТО стала возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 года. Артур Эддингтон показал, что видимые положения звёзд изменяются вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО
Основные принципы общей теории относительности:
Необходимость модификации ньютоновской теории гравитации
Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории относительности никакое взаимодействие не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.
Принцип равенства гравитационной и инертной масс
В нерелятивистской механике существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения.
Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения.
Эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными, а тем более — пропорциональными друг другу. Однако их экспериментально установленная строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.
Принцип движения по геодезическим линиям
Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого пространства в этой точке.
Кривизна пространства-времени
Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий.
Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.
Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности
Основным отличием пространства-времени ОТО от пространства-времени СТО является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени СТО этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.
По этой причине не совсем корректным является название «общая теория относительности». Данная теория является лишь одной из ряда теорий гравитации, рассматриваемых физиками в настоящее время, в то время как специальная теория относительности (точнее, её принцип метричности пространства-времени) является общепринятой научным сообществом и составляет краеугольный камень базиса современной физики.
Ни одна из прочих развитых теорий гравитации, кроме ОТО, не выдержала проверки временем и экспериментом, то есть все они, за исключением ОТО, остались только гипотезами.
Специальная теория относительности (СТО)
Прежде чем идти дальше, нужно сначала понять, что движение относительно. Например, представьте, что вы стоите на пешеходной дорожке и видите проезжающий по дороге автобус с некоторой постоянной скоростью «v».
Теперь для людей в автобусе каждый из них отдыхает по отношению друг к другу. Но для вас все они движутся вместе с автобусом с некоторой скоростью «v». Человек, который кажется наблюдателю неподвижным в одной системе отсчета, не обязательно может показаться неподвижным другому наблюдателю в другой системе отсчета — следовательно, движение не абсолютное, а относительное.
Синхронизация времени
В СТО постулируется возможность определения единого времени в рамках данной инерциальной системы отсчёта процедурой синхронизации двух часов, находящихся в произвольных точках ИСО (инерциальной системы отчета).
Согласование единиц измерения
Чтобы измерения, выполненные в различных ИСО, можно было между собой сравнивать, необходимо провести согласование единиц измерения между системами отсчёта. Так, единицы длины могут быть согласованы при помощи сравнения эталонов длины в перпендикулярном направлении к относительному движению инерциальных систем отсчёта.
Например, это может быть кратчайшее расстояние между траекториями двух частиц, движущихся параллельно осям x и x’ и имеющих различные, но постоянные координаты (y, z) и (y’,z’). Для согласования единиц измерения времени можно использовать идентично устроенные часы, например, атомные.
Пространство и время однородны
Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга. Это означает, что форма зависимости физических законов от пространственно-временных координат должна быть одинаковой во всех ИСО, то есть законы инвариантны относительно переходов между ИСО. Принцип относительности устанавливает равноправие всех ИСО.
Учитывая второй закон Ньютона, можно утверждать, что если скорость некоторого тела в данной ИСО постоянна (ускорение равно нулю), то она должна быть постоянна и во всех остальных ИСО. Иногда это и принимают за определение инерциальных систем отсчёта.
Принцип постоянства скорости света
Принцип постоянства скорости света противоречит классической механике, а конкретно — закону сложения скоростей. При выводе последнего используется только принцип относительности Галилея и неявное допущение одинаковости времени во всех ИСО.
Таким образом, из справедливости второго постулата следует, что время должно быть относительным — неодинаковым в разных ИСО. Необходимым образом отсюда следует и то, что «расстояния» также должны быть относительны. В самом деле, если свет проходит расстояние между двумя точками за некоторое время, а в другой системе — за другое время и притом с той же скоростью, то отсюда следует, что и расстояние в этой системе должно отличаться.
В чем суть новой «теории всего»?
Сформулировали новую теорию два профессора машиностроения из NC State University: Ларри Сильверберг (Larry M. Silverberg) и Джеффри Айшен (Jeffrey W. Eischen). Результаты работы и созданный ими математический аппарат они опубликовали в журнале Physics Essays.
Для описания взаимодействия материи, пространства и времени американские ученые ввели понятие «фрагмент энергии». По их представлению, это основная и неделимая структура, из которой состоит вся известная нам Вселенная — от субатомных частиц до звезд и галактик.
Сильверберг и Айшен предлагают сделать следующий шаг в познании мира человечеством. По их словам, на нынешнем уровне в физике существует дихотомия волны и частицы. Последняя — элемент материи — существует в конкретной точке пространства. Тогда как волна существует везде, кроме точки, из которой была испущена.
«Фрагменты энергии» объединяют эти две сущности. По мнению авторов статьи, энергия всегда «протекает» через области пространства и времени. Эти потоки нигде не начинаются и не заканчиваются, а также никогда не пересекаются.

Идея потоков, которые получили название «фрагменты энергии», возникла при попытке математического описания бесконечно перетекающей энергии. В основу теории легла наиболее эффективная модель. Потоки в ней определяются простым уравнением A=-⍺/r, где ⍺ — интенсивность, а r — функция расстояния.
В качестве доказательства Джеффри и Ларри применили свои построения к двум наиболее известным подтверждениями теории Эйнштейна. Речь идет о вычислении аномальной прецессии перигелия Меркурия и гравитационном отклонении света.
Аномальное смещение перигелия Меркурия — обнаруженная в 1859 году особенность движения планеты Меркурий, сыгравшая исключительную роль в истории физики. Это смещение оказалось первым движением небесного тела, которое не подчинялось ньютоновскому закону всемирного тяготения. Физики были поставлены перед необходимостью искать пути модифицировать или обобщить теорию тяготения.
Поиски увенчались успехом в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности (ОТО); из уравнений ОТО вытекало именно такое значение смещения, которое фактически наблюдалось. Позже были измерены аналогичные смещения орбит нескольких других небесных тел, значения которых также совпали с предсказанными ОТО.

Гравитационное отклонение света — изменение направления распространения света в гравитационном поле. Является следствием принципа эквивалентности. Впервые было вычислено А. Эйнштейном в 1916 году. Важным следствием гравитационного отклонения света является эффект гравитационного линзирования в астрономии.
Новая теория проще и удобнее?
Полученные с учетом «фрагментов энергии» результаты совпали с таковыми в рамках теории относительности. Были ли они проще, не уточняется.
Оценка мирового научного сообщества
Поскольку в открытом доступе есть только краткое изложение теории, трудно судить, насколько теория Сильверберга и Айшена выдерживает критику. Эссе за авторством Ларри размещено на портале The Conversation, и в нем приведены лишь два наглядных доказательства.
Если работа американских ученых привлечет достаточное внимание научного сообщества, возможно, возникнет дискуссия. В ходе нее станет понятно, насколько новая теория полезна для науки, не избыточна ли она либо не содержатся ли в ней фундаментальные недостатки.