Еще в начале 20-го века была сформулирована теория относительности. Что это такое и кто ее создатель, знает сегодня каждый школьник. Она настолько увлекательна, что ею интересуются даже люди, далекие от науки. В этой статье доступным языком описывается теория относительности: что это такое, каковы ее постулаты и применение.

Говорят, что к Альберту Эйнштейну, ее создателю, прозрение пришло в один миг. Ученый будто бы ехал на трамвае по швейцарскому Берну. Он посмотрел на уличные часы и вдруг осознал, что эти часы остановятся, если трамвай разгонится до скорости света. В этом случае времени бы не стало. Время в теории относительности играет очень важную роль. Один из постулатов, сформулированных Эйнштейном, - разные наблюдатели воспринимают действительность по-разному. Это относится в частности ко времени и расстоянию.

Учет положения наблюдателя

В тот день Альберт понял, что, выражаясь языком науки, описание любого физического явления или события зависит от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель. К примеру, если какая-нибудь пассажирка трамвая уронит очки, они упадут по отношению к ней вертикально вниз. Если же посмотреть с позиции стоящего на улице пешехода, то траектория их падения будет соответствовать параболе, так как трамвай движется и одновременно падают очки. Таким образом, система отсчета у каждого своя. Предлагаем подробнее рассмотреть основные постулаты теории относительности.

Закон распределенного движения и принцип относительности

Несмотря на то что при смене систем отсчета описания событий меняются, существуют и универсальные вещи, которые остаются неизменными. Для того чтобы понять это, нужно задаться вопросом не падения очков, а закона природы, который вызывает это падение. Для любого наблюдателя, независимо от того, в движущейся или неподвижной системе координат он находится, ответ на него остается неизменным. Этот закон называется законом распределенного движения. Он одинаково действует как в трамвае, так и на улице. Иными словами, если описание событий всегда зависит от того, кто их наблюдает, то это не относится к законам природы. Они являются, как принято выражаться на научном языке, инвариантными. Вот в этом и состоит принцип относительности.

Две теории Эйнштейна

Данный принцип, как и любую другую гипотезу, необходимо было сначала проверить, соотнеся его с природными явлениями, действующими в нашей реальности. Эйнштейн вывел 2 теории из принципа относительности. Хотя они и родственные, но считаются отдельными.

Частная, или специальная, теория относительности (СТО) основывается на положении о том, что для всевозможных систем отсчета, скорость движения которых постоянна, законы природы остаются одними и теми же. Общая теория относительности (ОТО) данный принцип распространяет на любые системы отсчета, в том числе и те, которые движутся с ускорением. В 1905 году А. Эйнштейн опубликовал первую теорию. Вторую, более сложную в плане математического аппарата, завершил к 1916 году. Создание теории относительности, как СТО, так и ОТО, стало важным этапом в развитии физики. Остановимся подробнее на каждой из них.

Специальная теория относительности

Что это такое, в чем ее суть? Давайте ответим на этот вопрос. Именно этой теорией предсказывается множество парадоксальных эффектов, противоречащих нашим интуитивным представлениям о том, как устроен мир. Речь идет о тех эффектах, которые наблюдаются тогда, когда скорость движения приближается к скорости света. Наиболее известным среди них является эффект замедления времени (хода часов). Часы, которые движутся относительно наблюдателя, для него идут медленнее, нежели те, которые находятся у него в руках.

В системе координат при движении со скоростью, приближенной к скорости света, время растягивается относительно наблюдателя, а длина объектов (пространственная протяженность), напротив, сжимается вдоль оси направления этого движения. Данный эффект ученые называют сокращением Лоренца-Фицджеральда. Еще в 1889 году его описал Джордж Фицджеральд, итальянский физик. А в 1892 году Хендрик Лоренц, нидерландец, дополнил его. Этот эффект объясняет отрицательный результат, который дает опыт Майкельсона-Морли, в котором скорость движения нашей планеты в космическом пространстве определяется замером "эфирного ветра". Таковы основные постулаты теории относительности (специальной). Эйнштейн дополнил эти преобразования массы, сделанной по аналогии. Согласно ей, по мере того, как скорость тела приближается к скорости света, масса тела увеличивается. Например, если скорость составит 260 тыс. км/с, то есть 87% от скорости света, с точки зрения наблюдателя, который находится в покоящейся системе отсчета, масса объекта удвоится.

Подтверждения СТО

Все эти положения, как бы они ни противоречили здравому смыслу, со времени Эйнштейна находят прямое и полное подтверждение во множестве экспериментов. Один из них провели ученые Мичиганского университета. Этим любопытным опытом подтверждается теория относительности в физике. Исследователи поместили на борт авиалайнера, который регулярно совершал трансатлантические рейсы, сверхточные Каждый раз после возвращения его в аэропорт показания этих часов сверялись с контрольными. Оказалось, что часы на самолете каждый раз все больше отставали от контрольных. Конечно, речь шла лишь о незначительных цифрах, долях секунды, но сам факт весьма показателен.

Последние полвека исследователи изучают элементарные частицы на ускорителях - огромных аппаратных комплексах. В них пучки электронов или протонов, то есть заряженных разгоняются до тех пор, пока их скорости не приближаются к скорости света. После этого ими обстреливаются ядерные мишени. В данных опытах нужно учитывать то, что масса частиц увеличивается, в противном случае результаты эксперимента не поддаются интерпретации. В этом отношении СТО уже давно не просто гипотетическая теория. Она стала одним из инструментов, которые используются в прикладной инженерии, наравне с ньютоновскими законами механики. Принципы теории относительности нашли большое практическое применение в наши дни.

СТО и законы Ньютона

Кстати, говоря о (портрет этого ученого представлен выше), следует сказать, что специальная теория относительности, которая, казалось бы, им противоречит, в действительности воспроизводит уравнения законов Ньютона практически в точности, если ее использовать для описания тел, скорость движения которых намного меньше скорости света. Другими словами, если применяется специальная теория относительности, физика Ньютона вовсе не отменяется. Эта теория, напротив, дополняет и расширяет ее.

Скорость света - универсальная константа

Используя принцип относительности, можно понять, почему в данной модели строения мира очень важную роль играет именно скорость света, а не что-то еще. Этим вопросом задаются те, кто только начинает знакомство с физикой. Скорость света является универсальной константой благодаря тому, что она определена в качестве таковой естественнонаучным законом (подробнее об этом можно узнать, изучив уравнения Максвелла). Скорость света в вакууме, в силу действия принципа относительности, в любой системе отсчета является одинаковой. Можно подумать, что это противоречит здравому смыслу. Выходит, что до наблюдателя одновременно доходит свет как от неподвижного источника, так и от движущегося (независимо от того, с какой скоростью он движется). Однако это не так. Скорости света, благодаря особой ее роли, отводится центральное место не только в специальной, но и в ОТО. Расскажем и о ней.

Общая теория относительности

Она используется, как мы уже говорили, для всех систем отсчета, не обязательно тех, скорость движения которых относительно друг друга является постоянной. Математически эта теория выглядит намного сложнее, нежели специальная. Этим и объясняется то, что между их публикациями прошло 11 лет. ОТО включает в себя специальную в качестве частного случая. Следовательно, законы Ньютона также входят в нее. Однако ОТО идет намного дальше ее предшественниц. К примеру, в ней по-новому объясняется гравитация.

Четвертое измерение

Благодаря ОТО мир становится четырехмерным: время добавляется к трем пространственным измерениям. Все они неразрывны, следовательно, нужно говорить уже не о пространственном расстоянии, существующем в трехмерном мире между двумя объектами. Речь теперь идет о простанственно-временных интервалах между различными событиями, объединяющими как пространственную, так и временную удаленность их друг от друга. Другими словами, время и пространство в теории относительности рассматриваются как некий четырехмерный континуум. Его можно определить как пространство-время. В данном континууме те наблюдатели, которые движутся относительно друг друга, будут иметь разные мнения даже о том, одновременно ли произошли два каких-либо события, или же одно из них предшествовало другому. Однако причинно-следственные связи при этом не нарушаются. Другими словами, существования такой системы координат, где два события происходят в разной последовательности и не одновременно, не допускает даже ОТО.

ОТО и закон всемирного тяготения

Согласно закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном, сила взаимного притяжения существует во Вселенной между любыми двумя телами. Земля с этой позиции вращается вокруг Солнца, так как между ними имеются силы взаимного притяжения. Тем не менее, ОТО заставляет взглянуть с другой стороны на это явление. Гравитация, согласно данной теории, - следствие "искривления" (деформации) пространства-времени, которое наблюдается под воздействием массы. Чем тело тяжелее (в нашем примере, Солнце), тем больше "прогибается" под ним пространство-время. Соответственно, его гравитационное поле тем сильнее.

Для того чтобы лучше понять суть теории относительности, обратимся к сравнению. Земля, согласно ОТО, вращается вокруг Солнца, как маленький шарик, который катится вокруг конуса воронки, созданной в результате "продавливания" Солнцем пространства-времени. А то, что мы привыкли считать силой тяжести, является на самом деле внешним проявлением данного искривления, а не силой, в понимании Ньютона. Лучшего объяснения феномена гравитации, чем предложенное в ОТО, на сегодняшний день не найдено.

Способы проверки ОТО

Отметим, что ОТО проверить непросто, так как ее результаты в лабораторных условиях почти соответствуют закону всемирного тяготения. Однако ученые все-таки провели ряд важных экспериментов. Их результаты позволяют сделать вывод о том, что теория Эйнштейна является подтвержденной. ОТО, кроме того, помогает объяснить различные явления, наблюдаемые в космосе. Это, например, небольшие отклонения Меркурия от своей стационарной орбиты. С точки зрения ньютоновской классической механики их нельзя объяснить. Это также то, почему электромагнитное излучение, исходящее от далеких звезд, искривляется при прохождении его вблизи от Солнца.

Результаты, предсказанные ОТО, на самом деле существенно отличаются от тех, которые дают законы Ньютона (портрет его представлен выше), лишь тогда, когда присутствуют сверхсильные гравитационные поля. Следовательно, для полноценной проверки ОТО необходимы либо очень точные измерения объектов огромной массы, либо черные дыры, поскольку наши привычные представления по отношению к ним неприменимы. Поэтому разработка экспериментальных способов проверки этой теории является одной из главных задач современной экспериментальной физики.

Умы многих ученых, да и далеких от науки людей занимает созданная Эйнштейном теория относительности. Что это такое, мы вкратце рассказали. Эта теория переворачивает наши привычные представления о мире, поэтому интерес к ней до сих пор не угасает.

Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] Пенроуз Роджер

Общая теория относительности Эйнштейна

Напомним великую истину, открытую Галилеем: все тела под действием силы тяжести падают одинаково быстро. (Это было блестящей догадкой, едва ли подсказанной эмпирическими данными, поскольку из-за сопротивления воздуха перья и камни все же падают не одновременно ! Галилей внезапно понял, что, если бы сопротивление воздуха можно было свести к нулю, то перья и камни падали бы на Землю одновременно.) Потребовалось три столетия, прежде чем глубокое значение этого открытия было по достоинству осознано и стало краеугольным камнем великой теории. Я имею в виду общую теорию относительности Эйнштейна - поразительное описание гравитации, для которого, как нам вскоре станет ясно, потребовалось введение понятия искривленного пространства-времени !

Какое отношение имеет интуитивное открытие Галилея к идее «кривизны пространства-времени»? Каким образом могло получиться, что эта концепция, столь явно отличная от схемы Ньютона, согласно которой частицы ускоряются под действием обычных гравитационных сил, оказалась способной не только сравняться в точности описания с ньютоновской теорией, но и превзойти последнюю? И потом, насколько верным будет утверждение, что в открытии Галилея было нечто такое, что не было позднее включено в ньютоновскую теорию?

Позвольте мне начать с последнего вопроса потому, что ответить на него проще всего. Что, согласно теории Ньютона, управляет ускорением тела под действием гравитации? Во-первых, на тело действует гравитационная сила , которая, как гласит открытый Ньютоном закон всемирного тяготения, должна быть пропорциональна массе тела . Во-вторых, величина ускорения, испытываемая телом под действием заданной силы, по второму закону Ньютона, обратно пропорциональна массе тела . Удивительное открытие Галилея зависит от того факта, что «масса», входящая в открытый Ньютоном закон всемирного тяготения, есть, в действительности, та же «масса», которая входит во второй закон Ньютона. (Вместо «та же» можно было бы сказать «пропорциональна».) В результате ускорение тела под действием гравитации не зависит от его массы. В общей схеме Ньютона нет ничего такого, что указывало бы, что оба понятия массы одинаковы. Эту одинаковость Ньютон лишь постулировал . Действительно, электрические силы аналогичны гравитационным в том, что и те, и другие обратно пропорциональны квадрату расстояния, но электрические силы зависят от электрического заряда , который имеет совершенно другую природу, чем масса во втором законе Ньютона. «Интуитивное открытие Галилея» было бы неприменимо к электрическим силам: о телах (заряженных телах) брошенных в электрическом поле, нельзя сказать, что они «падают» с одинаковой скоростью!

На время просто примем интуитивное открытие Галилея относительно движения под действием гравитации и попытаемся выяснить, к каким следствиям оно приводит. Представим себе Галилея, бросающего с Пизанской наклонной башни два камня. Предположим, что с одним из камней жестко скреплена видеокамера, направленная на другой камень. Тогда на пленке окажется запечатленной следующая ситуация: камень парит в пространстве, как бы не испытывая действия гравитации (рис. 5.23)! И так происходит именно потому, что все тела под действием гравитации падают с одной и той же скоростью.

Рис. 5.23. Галилей бросает два камня (и видеокамеру) с Пизанской башни

В описанной выше картине мы пренебрегаем сопротивлением воздуха. В наше время космические полеты открывают перед нами лучшую возможность проверки этих идей, так как в космическом пространстве нет воздуха. Кроме того, «падение» в космическом пространстве означает просто движение по определенной орбите под действием гравитации. Такое «падение» совсем не обязательно должно происходить по прямой вниз - к центру Земли. В нем вполне может быть и некоторая горизонтальная составляющая. Если эта горизонтальная составляющая достаточно велика, то тело может «падать» по круговой орбите вокруг Земли, не приближаясь к ее поверхности! Путешествие по свободной околоземной орбите под действием гравитации - весьма изощренный (и очень дорогой!) способ «падения». Как в описанной выше видеозаписи, астронавт, совершая «прогулку в открытом космосе», видит свой космический корабль парящим перед собой и как бы не испытывающим действия гравитации со стороны огромного шара Земли под ним! (См. рис. 5.24.) Таким образом, переходя в «ускоренную систему отсчета» свободного падения, можно локально исключить действие гравитации.

Рис. 5.24. Астронавт видит, что его космический корабль парит перед ним, как будто неподверженный действию гравитации

Мы видим, что свободное падение позволяет исключить гравитацию потому, что эффект от действия гравитационного поля такой же, как от ускорения Действительно, если вы находитесь в лифте, который движется с ускорением вверх, то вы просто ощущаете, что кажущееся гравитационное поле увеличивается, а если лифт движется с ускорением вниз, то вам кажется, что гравитационное поле убывает. Если бы трос, на котором подвешена кабина, оборвался, то (если пренебречь сопротивлением воздуха и эффектами трения) результирующее ускорение, направленное вниз (к центру Земли), полностью уничтожило бы действие гравитации, и люди, оказавшиеся в кабине лифта, стали бы свободно плавать в пространстве, подобно астронавту во время выхода в открытый космос, до тех пор, пока кабина не стукнулась бы о Землю! Даже в поезде или на борту самолета ускорения могут быть такими, что ощущения пассажира относительно величины и направления гравитации могут не совпадать с тем, где, как показывает обычный опыт, должны быть «верх» и «низ». Объясняется это тем, что действия ускорения и гравитации схожи настолько, что наши ощущения не способны отличить одни от других. Этот факт - то, что локальные проявления гравитации эквивалентны локальным проявлениям ускоренно движущейся системы отсчета, - и есть то, что Эйнштейн назвал принципом эквивалентности .

Приведенные выше соображения «локальны». Но если разрешается производить (не только локальные) измерения с достаточно высокой точностью, то в принципе можно установить различие между «истинным» гравитационным полем и чистым ускорением. На рис. 5 25 я изобразил в немного преувеличенном виде, как первоначально стационарная сферическая конфигурация частиц, свободно падающая под действием гравитации, начинает деформироваться под влиянием неоднородности (ньютоновского) гравитационного поля.

Рис. 5.25. Приливный эффект. Двойные стрелки указывают относительное ускорение (ВЕЙЛЬ)

Это поле неоднородно в двух отношениях. Во-первых, поскольку центр Земли расположен на некотором конечном расстоянии от падающего тела, частицы, расположенные ближе к поверхности Земли, движутся вниз с бо?льшим ускорением, чем частицы, расположенные выше (напомним закон обратной пропорциональности квадрату расстояния Ньютона). Во-вторых, по той же причине существуют небольшие различия в направлении ускорения для частиц, занимающих различные положения на горизонтали. Из-за этой неоднородности сферическая форма начинает слегка деформироваться, превращаясь в «эллипсоид». Первоначальная сфера удлиняется в направлении к центру Земли (а также в противоположном направлении), так как те ее части, которые ближе к центру Земли, движутся с чуть бо?льшим ускорением, чем те части, которые дальше от центра Земли, и сужается по горизонтали, так как ускорения ее частей, находящихся на концах горизонтального диаметра, слегка скошены «внутрь» - в направлении на центр Земли.

Это деформирующее действие известно как приливный эффект гравитации. Если мы заменим центр Земли Луной, а сферу из материальных частиц - поверхностью Земли, то получим в точности описание действия Луны, вызывающей приливы на Земле, причем «горбы» образуются по направлению к Луне и от Луны. Приливный эффект - общая особенность гравитационных полей, которая не может быть «исключена» с помощью свободного падения. Приливный эффект служит мерой неоднородности ньютоновского гравитационного поля. (Величина приливной деформации в действительности убывает обратно пропорционально кубу, а не квадрату расстояния от центра притяжения.)

Закон всемирного тяготения Ньютона, по которому сила обратно пропорциональна квадрату расстояния, допускает, как оказывается, простую интерпретацию в терминах приливного эффекта: объем эллипсоида, в который первоначально деформируется сфера, равен объему исходной сферы - в предположении, что сфера окружает вакуум. Это свойство сохранения объема характерно для закона обратных квадратов; ни для каких других законов оно не выполняется. Предположим далее, что исходная сфера окружает не вакуум, а некоторое количество материи общей массой М . Тогда возникает дополнительная компонента ускорения, направленная внутрь сферы из-за гравитационного притяжения материи внутри сферы. Объем эллипсоида, в который первоначально деформируется наша сфера из материальных частиц, сокращается - на величину, пропорциональную М . С примером эффекта уменьшения объема эллипсоида мы бы столкнулись, если бы выбрали нашу сферу так, чтобы она окружала Землю на постоянной высоте (рис. 5.26). Тогда обычное ускорение, обусловленное земным притяжением и направленное вниз (т. е. внутрь Земли), будет той самой причиной, по которой происходит сокращение объема нашей сферы.

Рис. 5.26. Когда сфера окружает некое вещество (в данном случае - Землю), возникает результирующее ускорение, направленное внутрь (РИЧЧИ)

В этом свойстве сжимания объема заключена оставшаяся часть закона всемирного тяготения Ньютона, а именно - что сила пропорциональна массе притягивающего тела.

Попробуем получить пространственно-временну?ю картину такой ситуации. На рис. 5.27 я изобразил мировые линии частиц нашей сферической поверхности (представленной на рис. 5.25 в виде окружности), причем я использовал для описания ту систему отсчета, в которой центральная точка сферы кажется покоящейся («свободное падение»).

Рис. 5.27. Кривизна пространства-времени: приливный эффект, изображенный в пространстве-времени

Позиция общей теории относительности состоит в том, чтобы считать свободное падение «естественным движением» - аналогичным «равномерному прямолинейному движению», с которыми имеют дело в отсутствие гравитации. Таким образом, мы пытаемся описывать свободное падение «прямыми» мировыми линиями в пространстве-времени! Но если взглянуть на рис. 5.27, то становится понятно, что использование слова «прямые» применительно к этим мировым линиям способно ввести читателя в заблуждение, поэтому мы будем в терминологических целях называть мировые линии свободно падающих частиц в пространстве-времени - геодезическими .

Но насколько хороша такая терминология? Что обычно понимают под «геодезической» линией? Рассмотрим аналогию для двумерной искривленной поверхности. Геодезическими называются такие кривые, которые на данной поверхности (локально) служат «кратчайшими маршрутами». Иначе говоря, если представить себе отрезок нити, натянутый на указанную поверхность (и не слишком длинный, чтобы он не мог соскользнуть), то нить расположится вдоль некоторой геодезической линии на поверхности.

Рис. 5.28. Геодезические линии в искривленном пространстве: линии сходятся в пространстве с положительной кривизной, и расходятся - в пространстве с отрицательной кривизной

На рис. 5.28 я привел два примера поверхностей: первая (слева) - поверхность так называемой «положительной кривизны» (как поверхность сферы), вторая - поверхность «отрицательной кривизны» (седловидная поверхность). На поверхности положительной кривизны две соседние геодезические линии, выходящие из начальных точек параллельно друг другу, начинают впоследствии изгибаться навстречу друг другу; а на поверхности отрицательной кривизны они изгибаются в стороны друг от друга.

Если мы представим себе, что мировые линии свободно падающих частиц в некотором смысле ведут себя как геодезические линии на поверхности, то окажется, что существует тесная аналогия между гравитационным приливным эффектом, о котором шла речь выше, и эффектами кривизны поверхности - причем как положительной кривизны, так и отрицательной. Взгляните на рис. 5.25, 5.27. Мы видим, что в нашем пространстве-времени геодезические линии начинают расходиться в одном направлении (когда они «выстраиваются» в сторону Земли) - как это происходит на поверхности отрицательной кривизны на рис. 5.28 - и сближаться в других направлениях (когда они смещаются горизонтально относительно Земли) - как на поверхности положительной кривизны на рис. 5.28. Таким образом, создается впечатление, что наше пространство-время, как и вышеупомянутые поверхности, тоже обладает «кривизной», только более сложной, поскольку из-за высокой размерности пространства-времени при различных перемещениях она может носить смешанный характер, не будучи ни чисто положительной, ни чисто отрицательной.

Отсюда следует, что понятие «кривизны» пространства-времени может быть использовано для описания действия гравитационных полей. Возможность использования такого описания в конечном счете следует из интуитивного открытия Галилея (принципа эквивалентности) и позволяет нам исключить гравитационную «силу» с помощью свободного падения. Действительно, ничто из сказанного мной до сих пор не выходит за рамки ньютонианской теории. Нарисованная только что картина дает просто переформулировку этой теории. Но когда мы пытаемся скомбинировать новую картину с тем, что дает предложенное Минковским описание специальной теории относительности - геометрии пространства-времени, которая, как мы знаем, применяется в отсутствие гравитации - в игру вступает новая физика. Результат этой комбинации - общая теория относительности Эйнштейна.

Напомним, чему учил нас Минковский. Мы имеем (в отсутствие гравитации) пространство-время, наделенное особого рода мерой «расстояния» между точками: если мы имеем в пространстве-времени мировую линию, описывающую траекторию какой-нибудь частицы, то «расстояние» в смысле Минковского, измеряемое вдоль этой мировой линии, дает время , реально прожитое частицей. (В действительности, в предыдущем разделе мы рассматривали это «расстояние» только для тех мировых линий, которые состоят из прямолинейных отрезков - но приведенное выше утверждение справедливо и по отношению к искривленным мировым линиям, если «расстояние» измеряется вдоль кривой.) Геометрия Минковского считается точной, если нет гравитационного поля, т. е. если у пространства-времени нет кривизны. Но при наличии гравитации мы рассматриваем геометрию Минковского уже лишь как приближенную - аналогично тому, как плоская поверхность лишь приблизительно соответствует геометрии искривленной поверхности. Вообразим, что, изучая искривленную поверхность, мы берем микроскоп, дающий все большее увеличение - так, что геометрия искривленной поверхности кажется все больше растянутой. При этом поверхность будет нам казаться все более плоской. Поэтому мы говорим, что искривленная поверхность имеет локальное строение евклидовой плоскости. Точно так же мы можем сказать, что при наличии гравитации пространство-время локально описывается геометрией Минковского (которая есть геометрия плоского пространства-времени), но мы допускаем некоторую «искривленность» на более крупных масштабах (рис. 5.29).

Рис. 5.29. Картина искривленного пространства-времени

В частности, как и в пространстве Минковского, любая точка пространства-времени является вершиной светового конуса - но в данном случае эти световые конусы расположены уже не одинаково. В главе 7 мы познакомимся с отдельными моделями пространства-времени, в которых явно видна эта неоднородность расположения световых конусов (см. рис. 7.13, 7.14). Мировые линии материальных частиц всегда направлены внутрь световых конусов, а линии фотонов - вдоль световых конусов. Вдоль любой такой кривой мы можем ввести «расстояние» в смысле Минковского, которое служит мерой времени, прожитого частицами так же, как и в пространстве Минковского. Как и в случае искривленной поверхности, эта мера «расстояния» определяет геометрию поверхности, которая может отличаться от геометрии плоскости.

Геодезическим линиям в пространстве-времени теперь можно придать интерпретацию, аналогичную интерпретации геодезических линий на двумерных поверхностях, учитывая при этом различия между геометриями Минковского и Евклида. Таким образом, наши геодезические линии в пространстве-времени представляют собой не (локально) кратчайшие кривые, а наоборот - кривые, которые (локально) максимизируют «расстояние» (т. е. время) вдоль мировой линии. Мировые линии частиц, свободно перемещающиеся под действием гравитации, согласно этому правилу действительно являются геодезическими. В частности, небесные тела, движущиеся в гравитационном поле, хорошо описываются подобными геодезическими линиями. Кроме того, лучи света (мировые линии фотонов) в пустом пространстве так же служат геодезическими линиями, но на этот раз - нулевой «длины». В качестве примера я схематически нарисовал на рис. 5.30 мировые линии Земли и Солнца. Движение Земли вокруг Солнца описывается «штопорообразной» линией, навивающейся вокруг мировой линии Солнца. Там же я изобразил фотон, приходящий на Землю от далекой звезды. Его мировая линия кажется слегка «изогнутой» вследствие того, что свет (по теории Эйнштейна) на самом деле отклоняется гравитационным полем Солнца.

Рис. 5.30. Мировые линии Земли и Солнца. Световой луч от далекой звезды отклоняется Солнцем

Нам необходимо еще выяснить, каким образом ньютоновский закон обратных квадратов может быть включен (после надлежащей модификации) в общую теорию относительности Эйнштейна. Обратимся еще раз к нашей сфере из материальных частиц, падающей в гравитационном поле. Напомним, что если внутри сферы заключен только вакуум, то, согласно теории Ньютона, объем сферы первоначально не изменяется; но если внутри сферы находится материя общей массой М , то происходит сокращение объема, пропорциональное М . В теории Эйнштейна (для малой сферы) правила в точности такие же, за исключением того, что не все изменение объема определяется массой М ; существует (обычно очень малый) вклад от давления , возникающем в окруженном сферой материале.

Полное математическое выражение для кривизны четырехмерного пространства-времени (которая должна описывать приливные эффекты для частиц, движущихся в любой данной точке по всевозможным направлениям) дается так называемым тензором кривизны Римана . Это несколько сложный объект; для его описания необходимо в каждой точке указать двадцать действительных чисел. Эти двадцать чисел называются его компонентами . Различные компоненты соответствуют различным кривизнам в различных направлениях пространства-времени. Тензор кривизны Римана обычно записывают в виде R tjkl , но так как мне не хочется объяснять здесь, что означают эти субиндексы (и, конечно, что такое тензор), то я запишу его просто как:

РИМАН .

Существует способ, позволяющий разбить этот тензор на две части, называемые, соответственно, тензором ВЕЙЛЯ и тензором РИЧЧИ (каждый - с десятью компонентами). Условно я запишу это разбиение так:

РИМАН = ВЕЙЛЬ + РИЧЧИ .

(Подробная запись тензоров Вейля и Риччи для наших целей сейчас совершенно не нужна.) Тензор Вейля ВЕЙЛЬ служит мерой приливной деформации нашей сферы из свободно падающих частиц (т. е. изменения начальной формы, а не размеров); тогда как тензор Риччи РИЧЧИ служит мерой изменения первоначального объема. Напомним, что ньютоновская теория гравитации требует, чтобы масса , содержащаяся внутри нашей падающей сферы, была пропорциональна этому изменению первоначального объема. Это означает, что, грубо говоря, плотность массы материи - или, что эквивалентно, плотность энергии (так как Е = mc 2 ) - следует приравнять тензору Риччи.

По существу, это именно то, что утверждают уравнения поля общей теории относительности, а именно - полевые уравнения Эйнштейна . Правда, здесь имеются некоторые технические тонкости, в которые нам сейчас, впрочем, лучше не вдаваться. Достаточно сказать, что существует объект, называемый тензором энергии-импульса , который объединяет всю существенную информацию об энергии, давлении и импульсе материи и электромагнитных полей. Я буду называть этот тензор ЭНЕРГИЕЙ . Тогда уравнения Эйнштейна весьма схематично можно представить в следующем виде,

РИЧЧИ = ЭНЕРГИЯ .

(Именно наличие «давления» в тензоре ЭНЕРГИЯ вместе с некоторыми требованиями непротиворечивости уравнений в целом приводят с необходимостью к учету давления в описанном выше эффекте сокращения объема.)

Кажется, что вышеприведенное соотношение ничего не говорит о тензоре Вейля. Тем не менее, оно отражает одно важное свойство. Приливный эффект, производимый в пустом пространстве, обусловлен ВЕЙЛЕМ . Действительно, из приведенных выше уравнений Эйнштейна следует, что существуют дифференциальные уравнения, связывающие ВЕЙЛЯ с ЭНЕРГИЕЙ - практически как во встречавшихся нам ранее уравнениях Максвелла. Действительно, точка зрения, согласно которой ВЕЙЛЯ надлежит рассматривать как своего рода гравитационный аналог электромагнитного поля (в действительности, тензора - тензора Максвелла), описываемого парой (Е , В ), оказывается весьма плодотворной. В этом случае ВЕЙЛЬ служит своего рода мерой гравитационного поля. «Источником» для ВЕЙЛЯ является ЭНЕРГИЯ - подобно тому, как источником для электромагнитного поля (Е , В ) является (? , j ) - набор из зарядов и токов в теории Максвелла. Эта точка зрения будет полезна нам в главе 7.

Может показаться весьма удивительным, что при столь существенных различиях в формулировке и основополагающих идеях, оказывается довольно трудно найти наблюдаемые различия между теориями Эйнштейна и теорией, выдвинутой Ньютоном двумя с половиной столетиями раньше. Но если рассматриваемые скорости малы по сравнению со скоростью света с , а гравитационные поля не слишком сильны (так, что скорости убегания гораздо меньше с , см. главу 7, «Динамика Галилея и Ньютона»), то теория Эйнштейна по существу дает те же результаты, что и теория Ньютона. Но в тех ситуациях, когда предсказания этих двух теорий расходятся, прогнозы теории Эйнштейна оказываются точнее. К настоящему времени был проведен целый ряд весьма впечатляющих экспериментальных проверок, которые позволяют считать новую теорию Эйнштейна вполне обоснованной. Часы, согласно Эйнштейну, в гравитационном поле идут чуть медленнее. Ныне этот эффект измерен непосредственно несколькими способами. Световые и радиосигналы действительно изгибаются вблизи Солнца и слегка запаздывают для наблюдателя, движущегося им навстречу. Эти эффекты, предсказанные изначально общей теорией относительности, на сегодняшний день подтверждены опытом. Движение космических зондов и планет требуют небольших поправок к ньютоновским орбитам, как это следует из теории Эйнштейна - эти поправки сегодня также проверены опытным путем. (В частности, аномалия в движении планеты Меркурия, известная как «смещение перигелия», беспокоившая астрономов с 1859 года, была объяснена Эйнштейном в 1915 году.) Возможно, наиболее впечатляющим из всего следует считать серию наблюдений над системой, называемой двойным пульсаром , которая состоит из двух небольших массивных звезд (возможно, двух «нейтронных звезд», см. гл.7 «Черные дыры»). Эта серия наблюдений очень хорошо согласуется с теорией Эйнштейна и служит прямой проверкой эффекта, полностью отсутствующего в теории Ньютона, - испускания гравитационных волн . (Гравитационная волна представляет собой аналог электромагнитной волны и распространяется со скоростью света с .) Не существует проверенных наблюдений, которые противоречили бы общей теории относительности Эйнштейна. При всей своей странности (на первый взгляд), теория Эйнштейна работает и по сей день!

Из книги Современная наука и философия: Пути фундаментальных исследований и перспективы философии автора Кузнецов Б. Г.

Из книги Митьковские пляски автора Шинкарёв Владимир Николаевич

Общая теория митьковской пляски 1. НЕДАЛЕКИЕ ИСТОЛКОВАТЕЛИ Ни для кого уже не секрет, что танцы, а, точнее, пляски являются наиболее широко распространенным видом творчества у митьков; это бесспорно. Спорны истолкования феномена митьковской пляски.Недалекие

Теория относительности, квантовая механика и начало атомного века В 20– 30-е годы нашего столетия часто говорили о более глубоком воздействии квантовых идей, о более радикальном характере выводов из принципа неопределенности и из квантовой механики в целом по сравнению

Из книги Философский словарь разума, материи, морали [фрагменты] автора Рассел Бертран

107. Общая теория относительности Общая теория относительности (ОТО) – опубликованная в 1915 году, через 10 лет после появления специальной теории (СТО) – была прежде всего геометрической теорией гравитации. Эту часть теории можно считать прочно утвердившейся. Однако, она

Из книги Краткая история философии [Нескучная книга] автора Гусев Дмитрий Алексеевич

108. Специальная теория относительности Специальная теория ставит перед собой задачу сделать законы физики одинаковыми по отношению к любым двум системам координат, движущимся друг относительно друга прямолинейно и равномерно. Здесь необходимо было принять во внимание

Из книги Любители мудрости [Что должен знать современный человек об истории философской мысли] автора Гусев Дмитрий Алексеевич

12.1. Со скоростью света… (Теория относительности) Появление второй научной картины мира было связано в первую очередь со сменой геоцентризма гелиоцентризмом. Третья научная картина мира отказалась от какого-либо центризма вообще. По новым представлениям Вселенная стала

Из книги Физика и философия автора Гейзенберг Вернер Карл

Теория относительности. Со скоростью света Появление второй научной картины мира было связано в первую очередь со сменой геоцентризма гелиоцентризмом. Третья научная картина мира отказалась от какого-либо центризма вообще. По новым представлениям Вселенная стала

Из книги Далекое будущее Вселенной [Эсхатология в космической перспективе] автора Эллис Джордж

VII. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Теория относительности всегда играла в современной физике особо важную роль. В ней впервые была показана необходимость периодического изменения основополагающих принципов физики. Поэтому обсуждение тех проблем, которые были подняты и

Из книги Как-то раз Платон зашел в бар… Понимание философии через шутки автора Каткарт Томас

17.2.1. Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) / космология Большого взрыва В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал полевые уравнения ОТО, связывающие кривизну пространства–времени с распределенной в пространстве–времени энергией: R?? - ?Rg?? = 8?Т??. В упрощенном

Из книги Хаос и структура автора Лосев Алексей Федорович

17.5.2.3. Текучее время в физике: специальная теория относительности, общая теория относительности, квантовая механика и термодинамика Беглый обзор четырех областей современной физики: специальной теории относительности (СТО), общей теории относительности (ОТО), квантовой

Из книги Удивительная философия автора Гусев Дмитрий Алексеевич

IX Теория относительности Что тут можно сказать? Каждый человек понимает этот термин по-своему. Димитрий: Мой друг, твоя проблема в том, что ты слишком много думаешь.Тассо: По сравнению с кем?Димитрий: Например, по сравнению с Ахиллесом.Тассо: А по сравнению с

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ЧИСЛА § 10. Вступление.Число является настолько основной и глубокой категорией бытия и сознания, что для его определения и характеристики можно брать только самые первоначальные, самые отвлеченные моменты того и другого. Математика- наука о числе-есть уже

Из книги Возвращение времени [От античной космогонии к космологии будущего] автора Смолин Ли

Со скоростью света. Теория относительности Появление второй научной картины мира было связано в первую очередь со сменой геоцентризма гелиоцентризмом. Третья научная картина мира отказалась от какого-либо центризма вообще. По новым представлениям Вселенная стала

Из книги Язык, онтология и реализм автора Макеева Лолита Брониславовна

Специальная теория относительности Эйнштейна и Пуанкаре Напомним принцип относительности Галилея, который гласит, что физические законы Ньютона и Галилея останутся совершенно неизменными, если от покоящейся системы отсчета мы перейдем в другую, движущуюся равномерно

Из книги автора

Глава 14 Теория относительности и возвращение времени Итак, признание реальности времени открывает новые подходы к пониманию того, как Вселенная выбирает законы, а также способы разрешения затруднений квантовой механики. Однако нам предстоит еще преодолеть серьезное

Из книги автора

2.4. Теория онтологической относительности и реализм Из тезиса о неопределенности перевода и идеи онтологических обязательств вытекает онтологическая относительность, которая прежде всего означает, что референция является непостижимой, что мы не можем знать, к чему

СТО, ТОЭ - под этими аббревиатурами скрывается знакомый практически всем термин "теория относительности". Простым языком можно объяснить все, даже высказывание гения, так что не отчаивайтесь, если не помните школьный курс физики, ведь на самом деле все гораздо проще, чем кажется.

Зарождение теории

Итак, начнем курс "Теория относительности для чайников". Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, и она вызвала резонанс среди ученых. Эта теория практически полностью перекрывала многие пробелы и нестыковки в физике прошлого века, но и, ко всему прочему, перевернула представление о пространстве и времени. Во многие утверждения Эйнштейна современникам было сложно поверить, но эксперименты и исследования только подтверждали слова великого ученого.

Теория относительности Эйнштейна простым языком объясняла то, над чем люди бились столетиями. Ее можно назвать основой всей современной физики. Однако прежде чем продолжить разговор о теории относительности, следует разъяснить вопрос о терминах. Наверняка многие, читая научно-популярные статьи, сталкивались с двумя аббревиатурами: СТО и ОТО. На самом деле они подразумевают несколько разные понятия. Первая - это специальная теория относительности, а вторая расшифровывается как "общая теория относительности".

Просто о сложном

СТО - это более старая теория, которая потом стала частью ОТО. В ней могут быть рассмотрены только физические процессы для объектов, движущихся с равномерной скоростью. Общая же теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют частицы гравитонов и гравитация.

Если нужно описать движение и а также отношения пространства и времени при приближении к скорости света - это сможет сделать специальная теория относительности. Простыми словами можно объяснить так: к примеру, друзья из будущего подарили вам космолет, который может летать на высокой скорости. На носу космического корабля стоит пушка, способная расстрелять фотонами все, что попадется впереди.

Когда производится выстрел, то относительно корабля эти частицы летят со скоростью света, но, по логике, неподвижный наблюдатель должен увидеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит фотоны, движущиеся со скоростью 300000 м/с, будто скорость корабля была нулевой.

Все дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него является неизменной величиной.

Это утверждение является основной поразительных логических выводов вроде замедления и искажения времени, зависящих от массы и скорости объекта. На этом основаны сюжеты многих научно-фантастических фильмов и сериалов.

Общая теория относительности

Простым языком можно объяснить и более объемную ОТО. Для начала следует принять во внимание тот факт, что наше пространство четырехмерное. Время и пространство объединяются в таком "предмете", как "пространственно-временной континуум". В нашем пространстве имеются четыре оси координат: х, у, z и t.

Но люди не могут воспринимать непосредственно четыре измерения, так же, как гипотетический плоский человек, живущих в двухмерном мире, не в состоянии посмотреть вверх. По сути, наш мир является только проекцией четырехмерного пространства в трехмерное.

Интересным фактом является то, что, согласно общей теории относительности, тела не меняются при движении. Объекты четырехмерного мира на самом деле всегда неизменны, и при движении изменяются только их проекции, что мы и воспринимаем как искажение времени, сокращение или увеличение размеров и прочее.

Эксперимент с лифтом

О теории относительности простым языком можно рассказать с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы в лифте. Кабинка пришла в движение, и вы оказались в состоянии невесомости. Что произошло? Причины может быть две: либо лифт находится в космосе, либо пребывает в свободном падении под действием гравитации планеты. Самое интересное состоит в том, что выяснить причину невесомости нельзя, если нет возможности выглянуть из кабинки лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.

Возможно, проведя похожий мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, значит, на самом деле тело под воздействием гравитации не ускоряется, это равномерное движение, которое искривляется под воздействием массивного тела (в данном случае планеты). Таким образом, ускоренное движение - это лишь проекция равномерного движения в трехмерное пространство.

Наглядный пример

Еще один хороший пример на тему "Теория относительности для чайников". Он не совсем корректен, зато очень прост и нагляден. Если на натянутую ткань положить какой-либо объект, он образует под собой "прогиб", "воронку". Все меньшие тела вынуждены будут искажать свою траекторию согласно новому изгибу пространства, а если у тела немного энергии, оно вообще может не преодолеть этой воронки. Однако с точки зрения самого движущегося объекта, траектория остается прямой, они не почувствуют изгиба пространства.

Гравитация "понижена в звании"

С появлением общей теории относительности гравитация перестала быть силой и теперь довольствуется положением простого следствия искривления времени и пространства. ОТО может показаться фантастичной, однако является рабочей версией и подтверждается экспериментами.

Множество, казалось бы, невероятных в нашем мире вещей может объяснить теория относительности. Простым языком такие вещи называют следствиями ОТО. Например, лучи света, пролетающие на близком расстоянии от массивных тел, искривляются. Более того, многие объекты из далекого космоса скрыты друг за другом, но из-за того, что лучи света огибают другие тела, нашему взору (точнее, взору телескопа) доступны, казалось бы, невидимые объекты. Это ведь все равно, что смотреть сквозь стены.

Чем больше гравитация, тем медленнее на поверхности объекта течет время. Это касается не только массивных тел вроде нейтронных звезд или черных дыр. Эффект замедления времени можно наблюдать даже на Земле. К примеру, приборы для спутниковой навигации снабжены точнейшими атомными часами. Они находятся на орбите нашей планеты, и время там тикает чуть быстрее. Сотые доли секунды через сутки сложатся в цифру, которая даст до 10 км погрешности в расчетах маршрута на Земле. Рассчитать эту погрешность позволяет именно теория относительности.

Простым языком можно выразиться так: ОТО лежит в основе многих современных технологий, и благодаря Эйнштейну мы легко можем найти в незнакомом районе пиццерию и библиотеку.

Теория относительности — физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов. Наиболее общая теория пространства-времени называется общей теорией относительности (ОТО), или теорией тяготения. В частной (или специальной) теории относительности (СТО) изучаются свойства пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения. (Физический энциклопедический словарь, 1995)

Время и масса Тело сжимается вдоль оси движения по мере приближения к скорости света

Атомный распад Атомная масса новых атомов и количество образовавшейся энергии движения эквивалентны массе первоначального атома

В конце XIX века законы движения и тяготения, открытые Ньютоном, повсеместно использовались для расчетов и находили все больше экспериментальных подтверждений. Ничто, казалось, не предвещало переворот в этой области. Однако дело уже давно не ограничивалось только механикой: как итог экспериментальной деятельности многих ученых в области электричества и магнетизма появились уравнения Максвелла. Вот тут-то и начались проблемы с законами физики. Уравнения Максвелла сводят воедино электричество, магнетизм и свет. Из них следует, что скорость электромагнитных волн, в том числе и световых, не зависит от движения излучателя и равна в вакууме примерно 300 тыс. км/с. Это никак не согласуется с механикой Ньютона и Галилея. Предположим, воздушный шар летит относительно Земли со скоростью 100 тыс. км/с. Выстрелим вперед из светового ружья световой пулей, скорость которой 300 тыс. км/с. Тогда, по формулам Галилея, скорости следует просто сложить, а значит, пуля полетит относительно Земли со скоростью уже 400 тыс. км/с. Никакого постоянства скорости света не получается!

Было приложено немало усилий, чтобы обнаружить изменение скорости света при движении излучателя, но ни один из хитроумных опытов не удался. Даже самый точный из них, эксперимент Майкельсона — Морли, дал отрицательный результат. Значит, что-то неверно в уравнениях Максвелла? Но ведь они прекрасно описывают все электрические и магнитные явления. И тогда Анри Пуанкаре высказал мысль, что дело все-таки не в уравнениях, а в принципе относительности: все физические законы, не только механические, как у Ньютона, но и электрические, должны быть одинаковы в системах, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. В 1904 году датчанин Хендрик Антон Лоренц специально для уравнений Максвелла получил новые формулы пересчета координат движущейся системы относительно неподвижной и наоборот. Но это помогло лишь отчасти: получалось, что для законов Ньютона нужно использовать одни преобразования, а для уравнений Максвелла другие. Вопрос оставался открытым.

Специальная теория относительности

Преобразования, предложенные Лоренцем, таили в себе два важных следствия. Оказалось, что при переходе от одной системы к другой нужно обязательно подвергать преобразованиям не только координаты, но и время. А кроме того, размер движущегося тела, рассчитанный по формулам Лоренца, изменялся — он становился меньше вдоль направления движения! Поэтому скорости, превышающие скорость света, теряли всякий физический смысл, так как при этом тела сжимались до нулевых размеров. Многие физики, в том числе и сам Лоренц, считали эти выводы просто математическим казусом. Пока за дело не взялся Эйнштейн.

Почему же теория относительности носит имя Эйнштейна, если принцип относительности сформулировал Пуанкаре, постоянство скорости света вывел Максвелл, а правила преобразования координат придумал Лоренц? Прежде всего скажем, что все, о чем мы говорили до сих пор, касается только так называемой «специальной теории относительности» (СТО). Вопреки расхожему мнению, вклад Эйнштейна в эту теорию отнюдь не ограничивается простым обобщением результатов. Во‑первых, ему удалось получить все уравнения, основываясь всего на двух постулатах — принципе относительности и принципе постоянства скорости света. А во-вторых, он понял, какую поправку следует внести в закон Ньютона, чтобы тот не выпадал из новой картины мира и не менялся при преобразованиях Лоренца. Для этого пришлось критически отнестись к двум до того незыблемым основам классической механики — к абсолютности времени и постоянству массы тела.

Ничего абсолютного

В Ньютоновой механике звездное время было молчаливо отождествлено с абсолютным временем, а в теории Эйнштейна каждой системе отсчета соответствует свое собственное, «местное» время и нет таких часов, которые отсчитывали бы время для всей Вселенной. Но выводов об относительности времени оказалось недостаточно, чтобы устранить противоречия между электродинамикой и классической механикой. Эта задача была решена, когда пал другой классический бастион — постоянство массы. Эйнштейн ввел изменения в основной закон Ньютона о пропорциональности силы ускорению и получил, что масса неограниченно возрастает при приближении к скорости света. Действительно, ведь из постулатов СТО следует, что скорость, большая скорости света, не имеет физического смысла, а значит, никакая сила не может больше увеличивать скорость тела, уже летящего со скоростью света, то есть в этих условиях сила уже не вызывает ускорения! Чем больше скорость тела, тем труднее его ускорить.

А поскольку коэффициент пропорциональности и есть масса (или инерция), то отсюда следует, что масса тела возрастает при увеличении скорости.

Замечательно, что этот вывод был сделан еще в ту пору, когда не наблюдалось явных противоречий и несоответствий между результатами опытов и законами Ньютона. В обычных условиях изменение массы незначительно, а обнаружить его экспериментально можно лишь при очень больших скоростях, близких к скорости света. Даже для спутника, летящего со скоростью 8 км/с, поправка к массе составит не более одной двухмиллиардной. Но уже в 1906 году выводы СТО нашли свое подтверждение при исследовании электронов, движущихся с большими скоростями: в опытах Кауфмана было зафиксировано изменение массы этих частиц. А на современных ускорителях разогнать частицы просто не получится, если провести расчеты классическим способом без учета специальной теории относительности.

Но дальше оказалось, что непостоянство массы позволяет сделать еще более фундаментальное заключение. При увеличении скорости растет масса, растет энергия движения… Не одно ли это и то же? Математические выкладки подтвердили догадку об эквивалентности массы и энергии, и в 1907 году Эйнштейн получил свою знаменитую формулу E = mc2. Это и есть главный вывод СТО. Масса и энергия представляют собой одно и то же и преобразуются друг в друга! И если какое-нибудь тело (например, атом урана) вдруг распадается на два, которые в сумме имеют меньшую массу, то остаток массы переходит в энергию движения. Сам Эйнштейн предполагал, что заметить изменение массы можно будет лишь при огромных выделениях энергии, поскольку коэффициент c2 в полученной им формуле очень и очень велик. Но и он, вероятно, не ожидал, что эти теоретические рассуждения заведут человечество так далеко. Создание атомной бомбы подтвердило справедливость специальной теории относительности, только уж слишком дорогой ценой.

Казалось бы, нет оснований сомневаться в правильности теории. Но тут впору вспомнить слова Эйнштейна: «Опыт никогда не скажет теории «да», но говорит в лучшем случае «может быть», большей же частью — просто «нет». Последний, самый точный эксперимент по проверке одного из постулатов СТО, постоянства скорости света, был проведен совсем недавно, в 2001 году, в Университете города Констанц (Германия). Стоячую лазерную волну помещали в «коробочку» из сверхчистого сапфира, охлажденную до температуры жидкого гелия, и в течение полугода следили за изменением частоты света. Если бы скорость света зависела от скорости движения лаборатории, то и частота этой волны менялась бы при движении Земли по орбите. Но никаких изменений заметить пока не удалось.

Общая теория относительности

Опубликовав в 1905 году свою знаменитую работу «К электродинамике движущихся тел», посвященную СТО, Эйнштейн двинулся дальше. Он был убежден, что СТО — это только часть пути. Принцип относительности должен быть справедлив в любых системах отсчета, а не только в тех, которые движутся равномерно и прямолинейно. Это убеждение Эйнштейна было не просто догадкой, в его основе лежал экспериментальный факт, соблюдение принципа эквивалентности. Поясним, что это такое. В законах движения фигурирует так называемая «инертная» масса, которая показывает, насколько тело трудно ускорить, а в законах тяготения — «тяжелая» масса, определяющая силу притяжения между телами. Принцип эквивалентности предполагает, что эти массы в точности равны друг другу, но только опыт может подтвердить, так ли это на самом деле. Из принципа эквивалентности следует, что все тела должны двигаться в поле тяжести с одинаковым ускорением. Еще Галилей проверял это обстоятельство, бросая, согласно легенде, разные тела с Пизанской башни. Тогда точность измерений составила 1%, Ньютон довел ее до 0,1%, а, по последним данным 1995 года, мы можем быть уверены, что принцип эквивалентности выполняется с точностью 5 х 10−13.

Взяв за основу принцип эквивалентности и принцип относительности, через десять лет напряженной работы Эйнштейн создал свою теорию тяготения, или общую теорию относительности (ОТО), которая и по сей день не перестает восхищать теоретиков своей математической красотой. Пространство и время в теории тяготения Эйнштейна оказались подвержены удивительным метаморфозам. Гравитационное поле, которое создают вокруг себя тела, обладающие массой, искривляет окружающее пространство. Представьте себе шарик, лежащий на батуте. Чем тяжелее шарик, тем больше прогнется сетка батута. И время, превращенное в четвертое измерение, не остается в стороне: чем больше гравитационное поле, тем медленнее течет время.

Первое подтвердившееся предсказание ОТО сделал сам Эйнштейн еще в 1915 году. Оно касалось движения Меркурия. Перигелий этой планеты (то есть точка ее максимального приближения к Солнцу) постепенно меняет свое положение. За сто лет наблюдений с Земли смещение составило 43,1 угловой секунды. Только общая теория относительности смогла дать потрясающе точное предсказание этой величины — 43 угловых секунды. Следующим шагом стали наблюдения за отклонением световых лучей в гравитационном поле Солнца во время полного солнечного затмения 1919 года. С тех пор проведено немало таких экспериментов, и все они подтверждают ОТО — при том, что точность постоянно растет. Например, в 1984 году она составила 0,3%, а в 1995 году — уже менее 0,1%.

С появлением атомных часов дело дошло и до самого времени. Достаточно поместить одни часы на вершине горы, другие у ее подножия — и можно уловить разницу хода времени! А с появлением спутниковых систем глобального позиционирования теория относительности перешла наконец из разряда ученых развлечений в сугубо практическую область. Спутники GPS, например, летают на высоте порядка 20 тыс. км со скоростью около 4 км/с. Так как они находятся довольно далеко от Земли, часы на них, согласно ОТО, спешат примерно на 45 микросекунд (мкс) в день, но поскольку они летят с большой скоростью, то вследствие СТО те же часы ежедневно отстают примерно на 7 мкс. Если эти поправки не учесть, то вся система станет никуда не годной в течение нескольких дней! Перед отправкой на орбиту атомные часы на спутниках корректируют так, чтобы они шли медленнее где-то на 38 мкс в день. И то, что после такой корректировки мой простенький приемник GPS изо дня в день правильно показывает мои координаты на необъятной земной поверхности, серьезно укрепляет мое доверие к теории относительности.

Все эти успехи только раззадоривают охотников за относительностью. Сегодня в каждом уважающем себя университете имеется лаборатория по поиску гравитационных волн, которые, согласно теории тяготения Эйнштейна, должны распространяться со скоростью света. Найти их пока не удалось. Еще один камень преткновения — связь ОТО и квантовой механики. Обе они прекрасно согласуются с экспериментом, но совершенно не совместимы друг с другом. Не правда ли, чем-то напоминает классическую механику и электромагнетизм конца XIX века? Пожалуй, стоит ждать перемен.

Общая теория относительности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

ОТО в настоящее время — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности.

С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационом поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории из-за появления неустранимых математических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этой проблемы был предложен ряд альтернативных теорий. Современные экспериментальные данные указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

Основные принципы общей теории относительности

Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с полевой парадигмой современной физики и, в частности, со специальной теорией относительности, созданной в 1905 году Эйнштейном, вдохновлённым работами Пуанкаре и Лоренца. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной энергии тела в гравитационном поле. Потенциал гравитации, соответствующий этой потенциальной энергии, подчиняется уравнению Пуассона, которое не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Причина неинвариантности заключается в том, что энергия в специальной теории относительности не является скалярной величиной, а переходит во временную компоненту 4-вектора. Векторная же теория гравитации оказывается аналогичной теории электромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме. Таким образом, теория гравитации Ньютона несовместима с фундаментальным принципом специальной теории относительности — инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта, а прямое векторное обобщение теории Ньютона, впервые предложенное Пуанкаре в 1905 году в его работе «О динамике электрона», приводит к физически неудовлетворительным результатам.

Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

Принцип равенства гравитационной и инертной масс

В классической механике Ньютона 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 (или, как её иногда называют, тяжёлая) — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их 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. Сам принцип был выдвинут ещё Исааком Ньютоном, а равенство масс было проверено им экспериментально с относительной точностью 10?3. В конце XIX века более тонкие эксперименты провёл Этвёш, доведя точность проверки принципа до 10?9. В течение XX века экспериментальная техника позволила подтвердить равенство масс с относительной точностью 10?12—10?13 (Брагинский, Дикке и т. д.). Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности. Альберт Эйнштейн положил его в основу общей теории относительности.

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.

Таким образом, описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Естественно предположить, как это и сделал Эйнштейн, что тела двигаются по инерции, то есть так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.

Сами геодезические линии можно найти, если задать в пространстве-времени аналог расстояния между двумя событиями, называемый по традиции интервалом или мировой функцией. Интервал в трёхмерном пространстве и одномерном времени (иными словами, в четырёхмерном пространстве-времени) задаётся 10 независимыми компонентами метрического тензора. Эти 10 чисел образуют метрику пространства. Она определяет «расстояние» между двумя бесконечно близкими точками пространства-времени в различных направлениях. Геодезические линии, соответствующие мировым линиям физических тел, скорость которых меньше скорости света, оказываются линиями наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, жёстко скреплёнными с телом, следующим по этой траектории. Современные эксперименты подтверждают движение тел по геодезическим линиям с той же точностью, как и равенство гравитационной и инертной масс.

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. Аналогично, в пространстве-времени девиация геодезических (расхождение траекторий тел) связана с его кривизной. Кривизна пространства-времени однозначно определяется его метрикой — метрическим тензором. Различие между общей теорией относительности и альтернативными теориями гравитации определяется в большинстве случаев именно в способе связи между материей (телами и полями негравитационной природы, создающими гравитационное поле) и метрическими свойствами пространства-времени.

Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности

Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля, который может быть сформулирован так:
Достаточно малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время специальной теории относительности.

Иногда тот же принцип постулируют как «локальную справедливость специальной теории относительности» или называют «сильным принципом эквивалентности».

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме теории он, на самом деле, не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Важно отметить, что основным отличием пространства-времени общей теории относительности от пространства-времени специальной теории относительности является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени специальной теории относительности 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. Следует, тем не менее, отметить, что ни одна из прочих развитых теорий гравитации, кроме ОТО, не выдержала проверки временем и экспериментом.

Основные следствия ОТО

Согласно принципу соответствия, в слабых гравитационных полях предсказания общей теории относительности совпадают с результатами применения ньютоновского закона всемирного тяготения с небольшими поправками, которые растут по мере увеличения напряжённости поля.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой проверки:
1. Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона.
2. Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца.
3. Гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле.

Существует ряд других эффектов, поддающихся экспериментальной проверке. Среди них можно упомянуть отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе-Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселенной.

До сих пор надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. Отклонения измеренных величин эффектов от предсказываемых ОТО не превышают 0,1 % (для указанных выше трёх классических явлений). Несмотря на это, в связи с различными причинами теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к ОТО результаты при соответствующих значениях входящих в теорию параметров.

Интернет