Einšteinas spėjo, kad Saulė ir Žemė keičia šią geometriją. Esant materijos ir energijos, ji gali kisti, temptis, raukšlėtis, formuoti kalvagūbrius, kalnus ir slėnius, verčiančius objektus judėti zigzagais ir kreivėmis. Tad, nors atrodo, kad Žemę prie Saulės traukia gravitacija, tokios jėgos nėra. Tiesiog erdvėlaikio geometrija aplink Saulę nurodo Žemei, kaip judėti.

Bendroji reliatyvumo teorija turi toli siekiančių pasekmių. Ji paaiškina ne tik planetų judėjimą – taip pat gali aprašyti visatos istoriją ir plėtimąsi, juodųjų bedugnių fiziką ir tolimų žvaigždžių ir galaktikų šviesos išlinkimą.

1905-aisiais, būdamas 26 metų amžiaus, Einšteinas pasiūlė savo specialiąją reliatyvumo teoriją. Ši teorija apjungė judančių kūnų fiziką, išvystytą Galileo Galilėjaus ir Niutono, su elektromagnetinio spinduliavimo dėsniais. Jame tariama, kad šviesos greitis visada yra toks pats, nepriklausomas nuo jį matuojančio stebėtojo judėjimo. Specialiojoje reliatyvumo teorijoje erdvė ir laikas yra susiviję taip, kaip niekas anksčiau neįsivaizdavo.

Nuo 1907-ųjų Einšteinas stengėsi praplėsti specialiąją reliatyvumo teoriją, kad ji apimtų ir gravitaciją. Pirmasis proveržis įvyko, jam bedirbant patentų biure Berne, Šveicarijoje. „Staiga man nušvito mintis,“ prisiminė jis. „Jei žmogus krenta laisvai, jis nejus savo svorio… Šis paprastas mintinis eksperimentas… nuvedė mane prie gravitacijos teorijos.“ Jis suvokė esant gilų ryšį tarp gravitacijos veikiamų ir greitėjančių sistemų.

Siekdamas užfiksuoti Hiadžių poziciją danguje, Eddingtonas pirmiausia nufotografavo jas naktį Oksforde. Tada, gegužės 29 dieną, nufotografavo Hiades Principėje, kai jos buvo beveik tiesiai už Saulės, vykstant visiškas jos užtemimui. Lygindamas du matavimus, Eddingtonas įrodė, kad poslinkis buvo toks, kokį numatė Einšteinas ir per didelis, kad jį būtų galima paaiškinti Niutono teorija.

Po užtemimo ekspedicijos kilo šiokia tokia kontroversija, kad Eddingtono analizė galėjo būti šališka. Galutinis taškas padėtas aštuntajame dešimtmetyje, kai fotografijų plokštelės buvo išanalizuotos iš naujo ir pasirodė, kad Eddingtono analizė buvo teisinga.

Eddingtono rezultatai pavertė Einšteiną tarptautine žvaigžde: „Einšteino teorija triumfuoja“ skelbė Londono „The Times“ antraštė. Nuo tada, atrandant vis daugiau šios teorijos pasekmių, bendrasis reliatyvumas įsitvirtino populiariojoje vaizduotėje su besiplečiančių visatų ir juodųjų skylių apibūdinimais.

1959-aisiais, amerikiečių fizikai Robertas Poundas ir Glenas Rebka'a savo laboratorijoje Harvardo universitete išmatavo gravitacinį šviesos raudonąjį poslinkį, taip patvirtindami paskutinįjį iš trijų klasikinių bendrojo reliatyvumo teorijos bandymų.

Einšteino bendroji reliatyvumo teorija atskleidė, kad visata yra ekstremali. Dabar žinome, ji buvo karšta ir tanki ir plečiasi pastaruosius 13,7 milijardus metų. Joje yra ir neįtikėtinai iškreivintų erdvėlaikio regionų, vadinamųjų juodųjų bedugnių, susiurbiančių bet ką, kas pakliūna į jos nagus.

Kas nutinka, kai ekstremali gravitacija sudrasko erdvėlaikio audinį? Tokio monstro pavyzdžiai glūdi kiekvienos galaktikos širdyje.

Netrukus po to, kai Einšteinas paskelbė savo bendrąją reliatyvumo teoriją, vokiečių fizikas Karlas Schwarzschildas rado vieną iš pirmųjų ir svarbiausių Einšteino lauko lygčių sprendinių. Vadinamasis Schwarzschildo sprendinys apibūdina erdvėlaikio geometriją apie itin tankias žvaigždes – ir turi keletą labai keistų savybių.

Pradžiai, tiesiai tokių kūnų centre erdvėlaikio kreivumas tampa begalinis – susiformuoja vadinamasis singuliarumas. Dar keistesnis nematomas sferinis paviršius, vadinamasis įvykių horizontas, gaubiantis singuliarumą. Niekas, netgi šviesa,negali ištrūkti iš už įvykių horizonto. Schwarzschildo singuliarumą galima laikyti savotiška bedugne erdvėlaikio audinyje.

Septintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje matematikas Roy'us Kerras iš Naujosios Zelandijos atrado bendresnę Einšteino lauko lygčių sprendinių klasę. Joje apibūdinami tankūs besisukantys objektai, ir dar keistesni, nei Schwarzschildo sprendinys.

Schwarzschildo ir Kerro sprendiniais aprašomi objektai yra juodosios bedugnės. Nors tiesiogiai juodųjų bedugnių pamatyti nepavyko, yra daugybė įrodymų, kad jos egzistuoja. Paprastai jos aptinkamos pagal poveikį artimiems astrofiziniams kūnams, pavyzdžiui, žvaigždėms ar dujoms.

Mažiausia juodoji bedugnė gali būti randama poroje su įprasta žvaigžde. Sukdamasi apie juodąją bedugnę, žvaigždė pamažu praranda savo medžiagą, kuri, krisdama į juodąją bedugnę, skleidžia rentgeno spindulius. Pirmoji tokia stebėta juodoji bedugnė buvo Cygnus X-1, ir dabar jau žinoma nemažai rentgeno spindulius skleidžiančių dvinarių sistemų su maždaug 10 Saulės masių juodosiomis bedugnėmis.

Daug didesnių juodųjų bedugnių įrodymai pasirodė septintajame dešimtmetyje, kai danguje buvo stebimi labai tolimi ir šviesūs objektai. Vadinamieji kvazarai kyla iš galaktikų centruose įsikūrusių juodųjų bedugnių. Dėl galaktikos centro juodosios bedugnės traukos susiformuoja besisukantis dujų diskas. Juodųjų bedugnių gravitacija tokia stipri, kad besisukantis dujų diskas skleidžia milžiniškus kiekius energijos, kurią galima stebėti už daugybės milijardų šviesmečių. Dabartiniais vertinimais, šių juodųjų bedugnių masė yra nuo milijono iki milijardo Saulės masių. Dėl to jos vadinamos supermasyviomis juodosiomis bedugnėmis.

Remiantis įrodymais, manoma, kad supermasyvi juodoji bedugnė (o kartais ir ne viena. – red past.) yra kiekvienos galaktikos centre, taip pat ir mūsiškės. Išties, stebėjimai rodo, kad žvaigždžių, skriejančių šalia Paukščių Tako galaktikos centro, orbitos yra itin mažos. Tai gali būti paaiškinta supermasyvios, (daugiau, nei 4 milijonų Saulės masių) juodosios bedugnės sukeliamu stipriu erdvėlaikio iškraipymu.

Nepaisant jų pavadinimo, britų fizikas Stephenas Hawkingas nurodė, kad juodosios bedugnės negali būti visiškai juodos. Jis teigia, kad šalia įvykių horizonto, kvantinis dalelių ir antidalelių kūrimas gali sukurti labai blyškų švytėjimą. Šis švytėjimas, vadinamasis Hawkingo spinduliavimas, dar nėra užfiksuotas, nes jis labai blyškus. Tačiau Hawkingo spinduliavimo pakanka juodųjų bedugnių energijos ir masės garavimui, tad jos galiausiai išnyks.

Einšteinui Didžiojo Sprogimo idėja nepatiko – kol astronomas Edwinas Hubble'as neįrodė, kad galaktikos skrieja viena nuo kitos.

Viena iš netikėčiausių reliatyvumo prognozių kyla mąstant, kas vyksta su visata, kaip tokia.

Netrukus po to, kai Einšteinas paskelbė savo teoriją, rusų meteorologas ir matematikas A. Friedmannas ir belgų kunigas G. Lemaître'as parodė, kad ji numato visatos plėtimąsi dėl turimos energijos. Jie teigė, kad visata iš pradžių turėjo būti maža ir tanki, o laikui bėgant plėtėsi ir retėjo. Dėl to galaktikos turėtų tolti viena nuo kitos.

Einšteinas iš pradžių Friedmanno ir Lemaître'o išvadas priėmė skeptiškai, pirmenybę teikdamas statiškam visatos modeliui. Bet amerikiečių astronomo Edwino Hubble'o atradimas pakeitė jo nuomonę.

Hubble'as analizavo galaktikų tolìmą nuo Paukščių Tako. Jis atrado, kad tolimos galaktikos tolsta greičiau, nei esančios santykinai arti. Hubble'o stebėjimai parodė, kad visata išties plečiasi. Šis kosmoso modelis vėliau pavadintas Didžiojo Sprogimo modeliu.

Per pastaruosius 20 metų daugybė stebėjimų palydovais ir galingais teleskopais pateikė dar daugiau besiplečiančios ir besivystančios visatos įrodymų. Tiksliai išmatavome visatos plėtimosi spartą ir „reliktinio spinduliavimo“, likusio nuo Didžiojo Sprogimo, temperatūrą, sugebėjome užfiksuoti jaunas galaktikas iš visatos kūdikystės. Dabar sutariama, kad visatos amžius yra maždaug 13,7 milijardų metų.

Bendrasis reliatyvumas numato egzotiškus visatos reiškinius. Erdvėlaikis gali virpėti, kaip tvenkinio vandens paviršius ir atrodo esąs kupinas paslaptingos energijos, stumiančios ją į šalis. Erdvėlaikis netgi gali taip išsilenkti, kad pasidaro įmanomos kelionės atgal laiku.

Remiantis bendruoju realiatyvumu, netgi tuščias erdvėlaikis, be žvaigždžių ir galaktikų, gali gyventi savo gyvenimą. Jo raibuliai, – gravitacijos bangos, gali sklisti erdve panašiai, kaip bangelės sklinda tvenkinio paviršiumi.

Vienas iš likusių bendrojo reliatyvumo patikrinimų būtų tiesioginis gravitacijos bangų išmatavimas. Kol kas fizikai pastatė Lazerinio interferometro gravitacijos bangų observatoriją (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) Hanforde, Vašingtone ir Livingstone, Luizianoje. Kiekviename eksperimente naudojamas lazerio spinduliai, atspindimi nuo veidrodžių, esančių už 4 km vienas nuo kito. Gravitacijos bangos, pereidamos tarp jų, turėtų šiek tiek iškreipti erdvėlaikį, tuo pačiu paslinkdami lazerio spindulius. Stebint lazerio spindulių variacijas, įmanoma ieškoti gravitacijos bangų poveikio.

Kol kas niekas gravitacijos bangų tiesiogiai neužfiksavo, bet turime netiesioginius jų egzistavimo įrodymus. Pulsarams sukantis apie labai tankią žvaigždę, tikimasi, kad jie spinduliuoja nuolatinį gravitacijos bangų srautą, taip prarasdami energiją ir jų orbita vis mažėja. Dvinarių pulsarų orbitų tyrimai patvirtino, kad jie išties netenka energijos ir geriausias to paaiškinimas – šie pulsarai energijos netenka gravitacijos bangų pavidalu.

Pulsarai nėra vieninteliai tikėtini gravitacijos bangų šaltiniai. Didysis Sprogimas turėjo sukurti gravitacijos bangas, tebesklindančias per kosmosą, kaip nedideli erdvėlaikio raibuliai. Šios pirmykštės gravitacijos bangos pernelyg silpnos, kad būtų galima užfiksuoti tiesiogiai, tačiau turėtų būti įmanoma matyti jų paliktus pėdsakus reliktinėje Didžiojo Sprogimo spinduliuotėje – kosminiame mikrobangų spinduliavime.

Gravitacijos bangas turėtų sklisti ir susiduriant dviems juodosioms bedugnėms. Sukantis vienai apie kitą, jos turėtų skleisti specifines gravitacijos bangas. Jei susidūrimas pakankamai artimas ir pakankamai stiprus, turėtų būti įmanoma tai stebėti Žemėje esančiais instrumentais.

Ambicingesnis projektas yra Lazerinio interferometro kosminė antena (Laser Interferometer Space Antenna – LISA), sudaryta iš palydovų trijulės, seksiančios Žemę jos orbita aplink Saulę. Palydovai skleis preciziškai sukalibruotus lazerio spindulius vienas į kitą, maždaug taip pat, kaip ir LIGO. Bet kokia praeinanti gravitacijos banga vos vos sujudins erdvėlaikį ir sukels aptinkamą lazerio spindulių poslinkį. NASA ir Europos Kosmoso agentūra (European Space Agency – ESA) tikisi paleisti LISA kitame dešimtmetyje.

©NASA

Lazerinio interferometro kosminė antena (Laser Interferometer Space Antenna – LISA) yra jungtinis NASA ir ESA projektas, skirtas kosminio gravitacijos bangų jutiklio, jautraus dažniams nuo 0,03 mHz iki 0,1 Hz sukūrimui ir naudojimui. LISA aptiks gravitacijos bangų sukeltus erdvėlaikio netolygumus, matuodamas atstumo pokyčius tarp atraminių masės taškų trijuose palydovuose, nutolusiuose vienas nuo kito už 5 milijonų kilometrų.

turinys

kelionės laiku

Einšteino teorija pateikia intriguojančią kelionių laiku galimybę. Vienas būdas tai atlikti, būtų sukonstruoti vadinamųjų erdvėlaikio tunelių – kirmgraužų – sistemą, jungiančią skirtingas erdvės vietas skirtingu laiku. Teoriškai kirmgraužas sukurti įmanoma. Bet, deja, reikėtų materijos su neigiama energija ir kitų nenatūralių fizinių aplinkybių ne tik jų atvėrimui, bet ir tam, kad per jas būtų įmanoma keliauti. Dar galima sukurti didelius besisukančios erdvės regionus arba naudoti hipotetinius objektus, vadinamąsias kosmines stygas.

Laiko kelionių galimybė gali sukelti fizikinius paradoksus, tokius, kaip senelio paradoksas, kuriame keliautojas laiku grįžta į praeitį ir nužudo savo senelį dar prieš jam sutinkant senelę. Dėl to vienas keliautojo tėvų nebūtų gimęs, kaip ir pats keliautojas. Tačiau teigiama, kad tokių fizinių paradoksų sukūrimas neįmanomas.

turinys

tamsioji visata

Visata nesielgia taip, kaip turėtų – štai todėl astronomai ir kosmologai mano, kad joje dominuoja nematoma tamsioji materija ir tamsioji energija.

Bendrojo reliatyvumo numatytą besiplečiančios visatos modelį užtikrintai remia dabartinis mokslas. Tolimų galaktikų stebėjimo ir matavimo metodams tobulėjant, visatos paveiksle atskleidžiamos kai kurios dar egzotiškesnės savybės.

Pavyzdžiui, astronomai išmatavus tolimų spiralinių galaktikų sukimąsi, pasirodė, kad jų pakraščiai sukasi daug greičiau, nei galėtų, jei tai lemtų vien centre esančių žvaigždžių ir dujų masė. Galaktikoms reikia daugiau masės, kad jos neiširtų.