Има надежда да пътуваме извън Слънчевата система

Общата теория на относителността е единствената надежда на човечеството да пътува до далечни звезди, да излезе извън Слънчевата система. Това заяви в интервю за Факти.бг проф. Стойчо Язаджиев, преподавател във Физическия факултет на СУ „Свети Климент Охридски”, който коментира 100-годишнината на теорията.

В Общата теория на относителността има решения – т. нар. „пространствени тунели”, които позволяват, ако човек в космически кораб се движи по тях, да достигне до съседна звезда или съседна галактика за много кратко време... Съвсем като по филмите...

Какво означава една теория, била тя и на относителността, да издържи сто години. Последните десетилетия виждаме теории, които пет години след създаването си са забравени.

Това означава, че всички експерименти, на които е била подложена тази теория, са преминати успешно. До момента, разбира се, но тези експерименти са вече хиляди.

Общата теория на относителността е формулирана през 1915 г. от Алберт Айнщайн...

Не точно от Айнщайн. Няколко души извършват синтеза на Общата теория на относителността. Това са Херман Минковски, Марсел Гросман, Давид Хилберт – и тримата немски математици, и Алберт Айнщайн. Тези четирима души са изиграли ключова роля при създаването на теорията. Всъщност, благодарение на математиците е направен големия пробив. Айнщайн не е бил толкова добре подготвен по математика, по това време не е знаел за диференциална геометрия и тензорен анализ и човекът, който съществено му е помагал, е Марсел Гросман – негов състудент. По-късно се включва Давид Хилберт – един от най-великите математици на всички времена.

Формално се смята, че Общата теория на относителността е създадена през 1915 г. , но разбира се, това е бил един дълъг процес.

От 4 до 25 ноември 1915 г. Айнщайн изнася поредица от семинари в Берлин, пред Пруската академия на науките, като всеки следващ семинар отрича предишния. Благодарение на кореспонденция с Хилберт, той успява да изведе уравненията. Фактически Хилберт първи ги извежда – на 20 ноември в Гьотинген, а на 25 ноември Айнщайн докладва верните уравнения на гравитационното поле.

Ако с няколко думи се опитаме да изразим какъв е физическия смисъл на Общата теория на относителността, можем съвсем грубо да кажем, че съгласно нейните постулати нямаме отделно пространство и отделно време, а имаме един общ континиум, наречен пространство-време. Присъствието на материя изкривява пространство-времето. Всъщност това изкривяване е гравитацията. Т.е. , гравитацията не е сила, както в класическата Нютонова физика, по-скоро може да се разглежда като свойство на пространство-времето.

Разбира се, говорим на популярен език в момента, но можем да кажем, че гравитацията е проява на кривината на пространство-времето.

Колкото е по-тежко едно тяло, толкова времето около него се забавя, нали правилно съм разбрал?

Точно така. Какво означава изкривяване на пространство-времето? Има няколко ефекта, които могат интуитивно да дадат тази картина на изкривяване. Първо, близо до масивни обекти времето започва да тече по-бавно. Другите ефекти са свързани с това, че самото изкривено пространство влияе върху разпространението на светлинните лъчи. Има закривяване на светлинните лъчи около масивни тела. В някакъв смисъл тези тела играят ролята на лещи. Появява се т.нар. ефект на гравитационната леща.

В Общата теория на относителността става въпрос и за разширяващата се Вселена?

Да, като следствие на теорията. Историята тук е също доста интересна и комична. Айнщайн е повлиян от религиозните постулати, че Вселената, създадена от Бог, остава статична и непроменена вовеки веков. За да получи такова решение на Общата теория на относителността, той въвежда т.нар. „ламбда член”, за да осигури статичност на Вселената и непроменяемост във времето. Смятан първоначално за грешка, по-късно се оказва, че този „ламбда член” най-вероятно присъства в природата и Айнщайн е бил прав.

Малко по-късно, през 1922 г. руският физик и математик Александър Фридман намира решение на уравненията на Айнщайн, които описват динамична Вселена. Така, чисто математически, Фридман предсказва разширяващата се Вселена. За съжаление, той не доживява да види триумфа на идеите си. След още седем години Едуин Хъбъл и други учени доказват, че Вселената наистна се разширява, което е и триумф на Общата теория на относителността.

Казвате, че екпериментите потвърждават теорията. Разкажете за някой от тези експерименти.

Последният голям и доста скъп екперимент беше проведен от НАСА – Gravity Probe B. Той струваше около 800 милиона долара. Спътник, изведен на орбита около Земята, трябваше да измери т.нар. „ефект на Лензи-Тиринг”, който е следствие на Общата теория на относителността. Теорията предсказва увличане на инерционната отправна система поради въртенето на земята и изкривяване на пространство-времето. Ефектът се изразява в това, че жироскоп в спътника трябва да прецесира по определен начин. Спътникът на НАСА успя да измери това прецесиране с голяма точност. Това потвърди за пореден път уравненията на Общата теория на относителността.

А някой от първите експерименти?

Един от първите експерименти е този на Артър Едингтън през 1919 г. Той пътува до Африка, за да измери изкривяването на светлинните лъчи около Слънцето по време на пълното слънчево затъмнение на 29 май 1919 г. Това е първото потвърждение на Общата теория на относителността. При тази експедиция е засечен ефектът на гравитационната леща, което пък води до бума на Общата теория на относителността.

Как съжителстват класическата Нютонова физика и физиката на Общата теория на относителността?

Нютоновата теория е граничен случай на Общата теория на относителността. Когато полетата са слаби, когато кривината на пространство-времето е много малка, тогава Нютоновата физика е добро приближение на Общата теория на относителността. Това е светът на нашето ежедневие. Ние не можем директно да усетим ефектите на Общата теория на относителността, но има системи, които ги усещат. Например GPS-ите имат корекции от Общата теория на относителността. Това позволява позициониране на земната повърхност с много голяма точност.

Т.е., имаме чисто практическо приложение на теорията?

Разбира се. Нещо повече, ако говорим за чисто практическо приложение, освен тези които вече се правят и използват, Общата теория на относителността е единствената надежда на човечеството да пътува до далечни звезди, да излезе извън Слънчевата система.

Имаме максимална скорост (скоростта на светлината) и тя не може да бъде надвишена. Представете си колко време и колко гориво ще ни е необходимо за да стигнем до друга звезда... Невъзможно пътешествие.

В Общата теория на относителността обаче има решения – т. нар. „пространствени тунели”, които позволяват, ако човек в космически кораб се движи по тях, да достигне до съседна звезда или съседна галактика за много кратко време.

Нещата, които гледаме във фантастичните филми, преминаването през хиперпространството, не е съвсем фантастика?

Да, това го има в Общата теория на относителността. Разбира се, човечеството не е достигнало до технологичното ниво, което да му позволи да осъществи подобни пътувания, но теоретично, те са възможни.

Съществуването на тези тунели е забелязано веднага след оповестяването на Общата теория на относителността. През 30-те години самият Айнщайн, заедно със свой сътрудник, работи по този въпрос.

Ако обобщим, това е теоретична възможност за напускане на Слънчевата система.

Не мога да не Ви задам въпрос и за „черните дупки”. Какво представляват те?

Според Общата теория на относителността, ако една масивна звезда с достатъчно голяма маса изчерпи своето ядрено гориво, вече нищо не може да се противопостави на гравитационните сили. Звездата започва да се свива под тяхното въздействие и когато премине определен радиус на свиване – „радиуса на Шварцшилд”, тя губи връзка с околния космос и се превръща в „черна дупка”. А сферата, която чисто комуникационно разделя материята вътре в звездата от външната материя, се нарича „хоризонт на събитията”.

Има ли доказателства за съществуването на „черни дупки”?

Формално има доказателство. По този въпрос се работи много сериозно. Например от Институтът за експериментална физика „Макс Планк” през 2002 г. дадоха сериозно доказатество за съществуването на „черни дупки”. Освен това, еспериментатори и наблюдатели астрономи издигнаха хипотезата, че в центъра на всяка галактика има свръхмасивна черна дупка. За това има сериозни аргументи и сериозни наблюдателни данни. Но, не е 100% сигурно, експериментите в тази посока продължават. Тази област е в непрестанно развитие и всички с интерес чакаме новите данни.

Да попитам и за „тъмната енергия”. Какво представлява тя?

Засега никой не знае. Тя е загадка. Това, което се откри след 1999 г. е фактът, че Вселената не само се разширява, но се разширрява ускорено. И трябва да има материя, която да предизвиква това ускорение. Материята, която предизвиква това ускорение се нарича „тъмна енергия”. Като използваме уравненията на Айнщайн и като знаем експерименталния факт, че Вселената се разширява ускорително, може да се направи заключението, че съществува материя наречена „тъмна енергия”, която ускорява Вселената. Всъщност това което наричаме „светла материя” представлява само няколко процента от общата маса на Вселената.

Ако това е вярно, а данните показват, че е вярно, това означава, че всъщност нищо на знаем за Вселената. Което е и добре, и зле. Добре – защото е ново предизвикателство пред науката и зле – защото не знаем.

Но науката е такава – тя винаги изненадва и никога не върви по пътища, които са очаквани.