Золотой век общей теории относительности

Золотой век общей теории относительности — период примерно с 1960 до 1975 года, в течение которого исследования в общей теории относительности, ранее считавшейся интересной, но далёкой от практики областью, вошли в главное русло теоретической физики. Во время этого периода были представлены многие понятия и термины, перевернувшие наше представление о природе Вселенной, в которой мы живем. Среди этих понятий — черные дыры и пространственно-временная сингулярность. В то же самое время в разряд серьёзных физических наук входит космология, и теория Большого взрыва становится общепринятой. Окончанием золотого века принято считать открытие Стивеном Хокингом излучения Хокинга.

Смена парадигмы

Во время золотого века общей теории относительности произошло несколько смен парадигмы научного мировосприятия. Первая и самая главная смена — теория Большого Взрыва становится общепринятой космологической моделью. Другие ключевые парадигмы включают признание следующих понятий:

• Роль кривизны в общей теории относительности;
• Теоретическая важность чёрных дыр;
• Важность применения геометрического аппарата, отличие локальной структуры пространства-времени от глобальной структуры пространственно-временного континуума;
• Признание космологии как физической науки.

Золотой век стал свидетелем появления первой серьёзной теории, бросающей вызов общей теорией относительности — теории Бранса — Дикке, а также серии экспериментальных проверок теорий гравитации. В тот же самый период было сделано множество захватывающих открытий в наблюдательной астрономии:

• Квазары (объекты размером с солнечную систему и светимостью в несколько сотен галактик, настолько далекие, что их свет шел к нам миллиарды лет);
• Пульсары (которые позже были интерпретированы как вращающиеся нейтронные звёзды);
• Первые кандидаты в чёрные дыры, Лебедь X-1;
• Реликтовое излучение, свидетельство Большого Взрыва и последующего расширения Вселенной.

Последовательность событий

Некоторые из основных событий, которые произошли в золотой век теории относительности:

• 1956: Джон Лайтон Синг публикует первый текст по теории относительности, в котором подчёркивается важность пространственно-временных диаграмм Минковского и геометрических методов.
• 1957: Феликс Пирани использует классификацию Петрова-Пирани-Пенроуза гравитационных полей для исследования гравитационного излучения.
• 1957: Ричард Фейнман предлагает аргумент про трость с набалдашником в пользу гравитационных волн.
• 1959: Луис Бел представляет тензор Бела — Робинсона и разложение Бела тензора Римана.
• 1959: Артур Комар вводит понятие массы Кома́ра.
• 1960: Эксперимент Паунда и Ребки, первый точный тест гравитационного красного смещения.
• 1960: Экспериментально подтверждён эффект Шапиро.
• 1960: Томас Мэттьюз и Алан Сандаж отождествляют 3C 48 с точечным изображением в оптическом диапазоне и показывают, что размер источника радиоизлучения не превышает 15 световых минут.
• 1960: Мартин Крускал и Дьёрдь Секереш независимо находят координаты Крускала — Секереша для метрики Шварцшильда.
• 1960: Карл Бранс и Роберт Дикке представляют теорию Бранса — Дикке, первую физически приемлемую альтернативную теорию гравитации с ясной физической мотивацией.
• 1961: Паскаль Иордан и Юргенс Элерс разрабатывают кинематическое разложение пучка времениподобных траекторий.
• 1962: Роджер Пенроуз и Эзра Ньюмен представляют формализм Ньюмена — Пенроуза.
• 1962: Элерс и Вольфганг Кундт классифицируют симметрии пространств Pp-волн.
• 1962: Джошуа Голдберг и Райнер Сакс доказывают теорему Голдберга — Сакса.
• 1962: Элерс предлагает преобразование Элерса, новый метод генерации решений уравнений Эйнштейна.
• 1962: Корнелиус Ланчос вводит потенциал Ланчоса для тензора Вейля.
• 1962: Р. Арновитт, Стенли Дезер и Чарльз Мизнер разрабатывают АДМ-формализм уравнений Эйнштейна и понятие глобальной гиперболичности.
• 1962: Озват и Энглберт Шуклинг заново открывают решение для монохроматических гравитационных волн с круговой поляризацией.
• 1962: Ханс Адольф Бухдаль доказывает теорему Бухдаля.
• 1962: Герман Бонди вводит понятие массы Бонди — Сакса.
• 1963: Рой Керр открывает метрику Керра — решение уравнений Эйнштейна в вакууме, описывающее чёрную дыру с угловым моментом.
• 1963: Красное смещение 3C 273 и других квазаров показывает, что это чрезвычайно далекие объекты, в то же время невероятно мощные.
• 1963: Ньюман, Т. Унти и Л. А. Тамбурино представляют пространство Ньюмана — Унти.
• 1963: Роджер Пенроуз вводит диаграммы Пенроуза и пределы Пенроуза.
• 1964: Р. В. Шарп и Мизнер вводят понятие массы Мизнера — Шарпа.
• 1964: Роджер Пенроуз доказывает первую теорему о сингулярности.
• 1964: М. А. Мелвин открывает электровакуум Мелвина (также называемый магнитная вселенная Мелвина).
• 1965: Ньюман и другие открывают электровакуумное решение Керра — Ньюмана.
• 1965: Пенроуз исследует структуру световых конусов в континууме плоской гравитационной волны.
• 1965: Керр и Альфред Шильд представляют пространство-время Керра — Шильда.
• 1965: Чандрасекар определяет критерий стабильности решений.
• 1965: Арно Пензиас и Роберт Вильсон открывают реликтовое излучение.
• 1966: Сакс и Рональд Кантовски находят пылевое решение Кантовски — Сакса.
• 1967: Джоселин Белл и Энтони Хьюиш открывают пульсары.
• 1967: Роберт, Н. Бойер и Р. Линдквист представляют координаты Бойера — Линдквиста для вакуума Керра.
• 1967: Вернер Израэль доказывает теорему о том, что «у чёрной дыры нет волос».
• 1967: Кеннет Нордтведт разрабатывает параметризованный постньютоновский формализм.
• 1967: Ханс Стефани открывает пылевое решение Стефани.
• 1967: Брайс Девитт публикует первую работу по канонической квантовой гравитации.
• 1968: Ф. Эрнст открывает уравнение Эрнста.
• 1968: Б. Кент Гаррисон открывает преобразования Гаррисона, метод генерации точных решений.
• 1968: Б. Картер решает уравнение геодезических в электровакууме Керра — Ньюмана.
• 1968: Хьюго Д. Вальквист находит решение Вальквиста с идеальной жидкостью.
• 1969: Джозеф Вебер сообщает о наблюдении гравитационных волн (не подтверждённое и, по видимому, ошибочное сообщение).
• 1969: Уильям Боннор представляет световой луч Боннора.
• 1969: Пенроуз выдвигает (слабую) гипотезу космической цензуры и процесс Пенроуза.
• 1969: Стивен Хокинг доказывает теорему о неубывании площади поверхности чёрной дыры.
• 1969: Мизнер представляет космологическую «модель перемешанного мира» (mixmaster universe).
• 1970: Франко Зерилли выводит уравнение Зерилли.
• 1970: Владимир Белинский, Исаак Халатников и Евгений Лифшиц предлагают гипотезу Белинского — Лифшица — Халатникова.
• 1970: Хокинг и Пенроуз доказывают теорему о том, что захваченные поверхности должны порождать чёрные дыры.
• 1970: Фотонная ракета Киннерсли — Уокера.
• 1970: Дьёрдь Секереш представляет сталкивающиеся плоские волны.
• 1971: Появление решения вакуума Хана — Пенроуза, простого континуума сталкивающихся плоских волн.
• 1971: Роберт Гоуди представляет вакуумные решения Гоуди (космологические модели с циркуляцией гравитационных волн).
• 1971: рентгеновский источник Cygnus X-1 после открытия его быстрой переменности (при помощи спутника «Ухуру») стал серьёзным кандидатом на чёрную дыру.
• 1971: Вильям Пресс исследует осцилляции чёрной дыры численными методами.
• 1971: Алгоритм Харрисона — Эстабрука решения систем уравнений в частных производных.
• 1971: Джеймс Йорк предлагает конформный метод генерации начальных данных в АДМ-представлении проблемы начальных данных.
• 1971: Роберт Герох вводит понятие группы Героха и вместе с ней новый метод генерации решений.
• 1972: Джейкоб Бекенштейн выдвигает предложение, что закон неубывания энтропии выполняется и для чёрных дыр, причём роль энтропии играет площадь горизонта.
• 1972: Картер, Хокинг и Джеймс Бардин обосновывают четыре закона термодинамики чёрных дыр.
• 1972: Сакс вводит понятие оптического скаляра и доказывает теорему об отщеплении мультипольных моментов.
• 1972: Райнер Вайсс предлагает идею интерферометрического детектора гравитационных волн.
• 1972: Джозеф Хафеле и Ричард Китинг выполняют эксперимент Хафеле — Китинга с атомными часами для проверки теории относительности.
• 1972: Ричард Прайс изучает гравитационный коллапс при помощи вычислительного эксперимента.
• 1972: Саул А. Тьюколски выводит уравнение Тьюколского.
• 1972: Яков Зельдович предсказывает возможность превращения гравитационного излучения в электромагнитное и наоборот.
• 1973: П. Вайдья и Л. К. Пател представляют решение Керра — Вайдьи для изотропной пыли.
• 1973: Чарльз Мизнер, Кип Торн и Джон Уилер публикуют фундаментальный труд Gravitation (Гравитация, издана на русском языке в 1977), ставшую стандартным учебником по современной теории относительности.
• 1973: Стивен Хокинг и Джордж Эллис публикуют монографию The Large Scale Structure of Space-Time (Крупномасштабная структура пространства-времени, вышла на русском в 1977 году).
• 1973: Герох представляет формализм Героха — Хелда — Пенроуза.
• 1974: Рассел Халсе и Джозеф Тейлор обнаруживают двойной пульсар PSR B1913+16.
• 1974: Джеймс Йорк и Нил О Мурчадха (Niall Ó Murchadha) представляют анализ задачи начальных данных и исследуют стабильность её решений.
• 1974: Р. О. Хансен представляет мультипольные моменты Хансена — Героха.
• 1974: Туллио Редже изобретает исчисление Редже.
• 1974: Хокинг предсказывает излучение Хокинга.
• 1975: Чандрасекар и Стивен Детвайлер вычисляют квазинормальные моды чёрной дыры.
• 1975: Секереш и Д. А. Шафрон (D. A. Szafron) открывают пылевое решение Секереша — Шафрона.
• 1976: Пенроуз вводит пределы Пенроуза (каждая изотропная геодезическая в псевдоримановом многообразии ведет себя как плоская волна).
• 1978: Белинский и Захаров показывают, как можно решить уравнения Эйнштейна при помощи обратной задачи рассеяния; первые гравитационные солитоны.
• 1979: Ричард Шон и Шинг-Тунь Яу доказывают теорему о положительности энергии гравитационного поля.

Литература

• Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900—1915). М.: Наука, 1981. — 352c.
• Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети XX в. М.: Наука, 1985. — 304c.

Ссылки

• Pais, Abraham. Subtle is the lord: the science and life of Albert Einstein. — Oxford : Oxford University Press, 1982. — ISBN 0-19-853907-X.
• Einstein, A.; Grossmann, M. (1913). "Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie und einer Theorie der Gravitation" [Outline of a Generalized Theory of Relativity and of a Theory of Gravitation]. Zeitschrift für Mathematik und Physik. 62: 225—261.
• Schwarzschild, Karl (1916a), "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie", Sitzungsber. Preuss. Akad. D. Wiss.: 189—196, Bibcode:1916SPAW.......189S
• Schwarzschild, Karl (1916b), "Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie", Sitzungsber. Preuss. Akad. D. Wiss.: 424—434, Bibcode:1916skpa.conf..424S