Общая теория относительности о пространстве и времени

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да, будет свет!

И вот явился Ньютон.

Но сатана недолго ждал реванша.

Пришел Эйнштейн — и стало все, как раньше.

А. Эддингтон

В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и пространство свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгля Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Возникает вопрос, что произойдет, если вместо инерциальных систем взять другие системы отсчета, например движущиеся с ускорением? Отве на него дает общая теория относительности, которая называется потому что обобщает частный, или специальный принцип относительности. Эт удивительная теория была создана Эйнштейном в течение десяти лет последовавших за созданием специальной теории относительности (перио с 1905 по 1917 г.). Почему такой фундаментальный принцип, каким является принцип относительности, должен быть применим лишь к инерциальным системам? Не следует ли вслед за отказом от абсолютного времен отказаться от особой роли инерциальных систем отсчета? Из подобны сомнений и выросла в конечном счете общая теория относительности представляющая собой (по сравнению со специальной теорией относительности) следующий и притом очень существенный шаг вперед в понимани фундаментальных проблем, связанных с пространством и временем.

Согласно второму закону Ньютона сила = инертная масса х ускорение, а согласно закону всемирного тяготения сила = тяжелая масса х напряженность поля тяготения.

тяжелая масса Таким образом, ускорение =-х напряженность ноля тяготения. «В инертная масса Наступление состояния невесомости при свободном падении обусловлено весьма важным физическим фактором, а именно равенством инертной и гравитационной (тяжелой) массы тела. Инертная масса характеризуе инертные свойства тела, а гравитационная масса — силу, с которой тел притягиваются по закону Ньютона. Как их связать? Например, ускоренно движение лифта в ноле тяготения существует для внешнего наблюдателя для внутреннего же наблюдателя в лифте имеется покой. Но их соотношение, т. е. поле тяготения, делающее описание в обеих системах координа возможным, основывается на одной очень важной опоре, называемой принципом эквивалентности. Принцип эквивалентности заключается в утверждении, что в некоторой системе отсчета тяжелая и инертная масса эквивалентны. Эквивалентность тяжелой и инертной масс означает, как можно видеть выше, эквивалентность ускорения и поля тяготения. Таков бы путь Эйнштейна к принципу эквивалентности — центральному стержн общей теории относительности.

В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей. Они не являются инерциальными. По общей теории относительности массы, создающие пол тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Масс изменяет структуру самого пространства — оно как бы искривляет его, дела кратчайшим расстоянием уже не прямую, а кривую линию. Подчеркнем, чт здесь тяготение — не причина кривизны пространства, это и есть сама кривизна. Чем сильнее поле, тем медленнее течет и время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения мас в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжения, имеющихс в телах, от электромагнитного и всех других физических полей. Изменени гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя, расположение и движение тяготеющих масс влияют на свойства пространства и времени. Кривизна пространства-времен меняется в зависимости от распределения тяжелых масс, от величины и фавитационных полей. Любое поле можно рассматривать как пространство в различных точках которого тела ведут себя по-разному. В зависимост от происходящих в пространстве физических процессов его можно охарактеризовать различными геометрическими свойствами. Это делается пр использовании геометрии пространства с различной кривизной.

В течение продолжительного времени казалось совершенно естественным и логичным описывать свойства пространства с помощью геометрии, важнейшие элементы которой сформулировал еще в начале III в. до н. э древнегреческий математик Евклид. В его геометрии, в частности, сумм углов треугольника равна 180°, а на плоскости через каждую точку, котора не находится на заданной прямой, можно провести только одну параллельную ей прямую.

Однако плоская геометрия Евклида оказалась частным случаем сферической геометрии, когда кривизна пространства равна нулю. Возможны случаи пространств с положительной и отрицательной кривизной. Геометрия пространства с положительной кривизной характерна для сферической поверхности, кратчайшим расстоянием между двумя точкам которой являются дуги больших кругов, передвигаясь по которым мы вернемся к исходной точке. Такой тип геометрии разработан в 1854 г. немецким математиком Бернгардом Риманом. Здесь сумма углов в треугольник больше 180°. Геометрия пространства с отрицательной кривизной имее сферические линии с бесконечной протяженностью. Эта геометрия разработана в 1826 г. Н. И. Лобачевским. Сумма углов в сферическом треугольнике Лобачевского меньше 180°. Неэвклидовы геометрии Лобачевског и Римана позволили связать ряд физических закономерностей с геометрическими свойствами тех или иных областей пространства.

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. Вблизи массивных тел пространство характеризуется геометрией Римана. В масштабах Метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения Метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, пр сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механик остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

Одно из следствий общей теории относительности состоит в том, что свет, обладая инертной массой, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения испускающего его тела, и в том, что потеря свето энергии означает увеличение его длины волны. Этот эффект называетс гравитационным красным смещением. Не следует путать красное смещение, которое вызвано полем тяготения, с космологическим красным смещением, обусловленным расширением Вселенной. Гравитационное красное смещение является прямым следствием замедления течения времен в гравитационных полях. Такое смещение наблюдается в спектральны линиях Солнца и тяжелых звезд, например Сириуса.

Таким образом, атомные часы на поверхности Солнца идут медленнее тех же самых часов на Земле. Как и следовало ожидать, общая теория относительности предсказывает, что все часы в иоле силы тяжести должны замедлять свой ход. Если два совершенно идентичных экземпляр часов на Земле поместить друг от друга на расстоянии 1 м по высоте то нижние часы будут ежесекундно отставать на 10^-16с. Впервые эталон частоты, обладающие такой точностью, были созданы в 1960 г. на основ явления испускания фотонов радиоактивными ядрами в кристалле. Эт явление, позволяющее достичь такой точности измерения частоты, получило название эффекта Мессбауэра. С помощью новых эталонов частот в лабораторных условиях было показано, что сила тяжести действительн замедляет время. Впервые такие эксперименты были выполнены в 1960 г в Гарвардском университете.

Всего имелись еще три экспериментальных результата, подтверждающие общую теорию относительности и полученные несколько десятилетий назад. Это искривление звездного света около Солнца, красное смещени в спектрах тяжелых звезд (выше нами отмечалось) и движение перигели планеты Меркурий.

Равенство массы тяготения и инертной массы является одним из важных результатов общей теории относительности, по которой для описания законов природы считаются равноценными все системы отсчетов, а не только инерциальные. Общая теория относительности распространяет законы природы на все, в том числе на неинерциальные системы Если в инерциальных системах все процессы и описывающие их закон являются одинаковыми по своей форме, то в неинерциальных система они происходят по-другому. Мы уже знаем, что в инерциальной системе отсчета свет распространяется, но прямой линейно и с постоянной скоростью с. Относительно системы отсчета, имеющей ускоренное движение, световой луч не будет двигаться прямолинейно, ибо в этом случае он буде находиться в поле тяготения. Следовательно, в поле тяготения световы лучи распространяются криволинейно. Этот результат имеет важнейше значение для проверки и обоснования общей теории относительности. Дл полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить экспериментально, но есл такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, то его отклонени можно измерить. Впервые такие измерения были сделаны во время полного солнечного затмения в 1919 г., и они полностью подтвердили предсказания общей теории относительности.

Таким образом, теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространств перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме. Теори относительности связала также массу и энергию соотношением Е = тс², гд с — скорость света. В теории относительности два закона — закон сохранения массы и сохранения энергии — потеряли свою независимую дру от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения массы или энергии. Явление аннигиляции, при котором частица и античастица взаимно уничтожают дру друга, и другие явления физики микромира подтверждают данный вывод.

Итак, теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приводит таковы: относительность свойств пространства-времени; эквивалентность тяжелой и инертно массы (отмеченное еще Галилеем следствие, что все тела независимо от и состава и массы падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением) С философской точки зрения наиболее значительным результатом обще теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс.

До XX в. были открыты законы функционирования вещества (Ньютон) и поля (Максвелл). В XX в. неоднократно предпринимались попытки создать единую теорию поля, в которой соединились бы вещественные и полевые представления, которые, однако, оказались безуспешными. Обща теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механический закон всемирного тяготени на нолевой закон тяготения.