kse_lect_2010_zao
.pdf
Постулаты Эйнштейна находятся в противоречии с формулами преобразования Галилея. В СТО используются другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую – преобразования Лоренца.
Вследствие этого пришлось пересмотреть представления об абсолютных свойствах пространства и времени:
1. промежутки времени между двумя событиями одинаковы во всех системах отсчета На самом деле, собственное время всегда меньше, чем промежуток
времени между этими же событиями, измеренный в любой другой системе отсчета. Этот эффект называют релятивистским замедлением времени.
2. размеры тел (и вообще расстояния между точками) одинаковы во всех системах отсчета Размеры тел являются относительной величиной, т.к. движущиеся
относительно наблюдателя тела сокращаются в направлении своего движения. Этот эффект носит название релятивистского сокращения длины.
Вместо длин отрезков и интервалов времени преобразования Лоренца сохраняют интервал между событиями:
s2 = c 2 Δt 2 – (Δx2 + Δy2 + Δz2)
Эта величина отражает абсолютный характер взаимосвязи пространства и времени. Если в классической механике было трехмерное пространство и абсолютное время, то в СТО время стало равноправной координатой четырехмерного пространственновременного континуума.
Общая форма уравнений движения в СТО не изменилась в сравнении с классической механикой.
Общая теория относительности
Специальная теория относительности позволила объяснить постоянство скорости света для всех наблюдателей (установленное в опыте Майкельсона и Морли) и правильно описывала, что происходит при движении со скоростями, близкими к скорости света. Однако новая теория противоречила ньютоновской теории гравитации, согласно которой объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними:
F = G m1m2 / r 2
Последнее означает, что, если сдвинуть один из объектов, сила, действующая на другой, изменится мгновенно. Иначе говоря, скорость распространения гравитационных эффектов должна быть бесконечной, а не равной (или меньшей) скорости света, как того требовала теория относительности. С 1908 по 1914 г. Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со специальной теорией относительности. Наконец в 1915 г. он опубликовал теорию, которая сейчас называется общей теорией относительности.
Опыт показывает, что любое тело, на которое не действуют никакие другие силы кроме тяготения, либо покоится, либо движется равномерно относительно другого тела, на которое также действует только тяготение. Следовательно, в системе отсчета, связанной со свободно падающим в гравитационном поле телом, все явления протекают так же как и в инерциальной системе отсчета. Это утверждение носит название принцип эквивалентности.
Гравитация - это не обычная сила, а следствие того, что
пространство-время не является плоским. Находящаяся в нем материя искривляет его подобно тому, как тело, положенное на ровную упругую поверхность, продавливает ее.
Если пространство искривлено распределенной в нем материей, то тела не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой, они движутся по особым линиям (геодезическим), которые в искривленном пространстве соответствуют прямым в смысле наикратчайшего пути между двумя точками. Лучи света тоже должны следовать геодезическим в пространстве-времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно – согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях (впервые доказано при наблюдениях солнечного затмения в 1919 году).
Гравитационные
линзы
Гравитационная линза - массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза.
Крест Эйнштейна.
Четыре изображения далёкого квазара обрамляют близкую галактику, служащую в данном случае гравитационной линзой
Первым зарегистрированным примером гравитационного линзирования было получение в 1979 году двух близких изображений одного и того же квазара QSO 0957+16 A, B. Оказалось, что оба «квазара» изменяют свой блеск синхронно и имеют сходные спектры. На основе этих данных был сделан вывод, что в действительности это два изображения одного квазара, обязанные эффекту гравитационной линзы. Вскоре нашли и саму линзу — галактику, лежащую между Землей и квазаром.
Черные дыры
Чёрная дыра - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом.
Черные дыры могут быть окружены падающим на них газообразным веществом, которое, закручиваясь при падении в гравитационном поле, приобретает форму диска (аккреционного диска). Аккрецирующий газ захватывается из межзвездной среды, из звёздного ветра, из выбросов материи при взрывах звёзд или их приливного разрушения во время пролетов мимо сверхмассивной чёрной дыры. Т.к. газ в диске имеет высокую температуру и движется с релятивистскими скоростями, он проявляет себя мощным рентгеновским излучением, а также характерным раздвоением спектральных линий.
В настоящее время есть основания считать, что в центре практически каждой галактики (в том числе и нашей) есть
сверхмассивная черная дыра - с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца.
Активная галактика M87.
В ядре галактики, предположительно, находится сверхмассивная чёрная дыра. На снимке видна релятивистская струя газа (джет) длиной около 5 тысяч световых лет.
Галактика NGC 1097, в ярком центре которой черная дыра, окруженная кольцом звезд. Масса этой черной дыры по подсчетам астрономов может достигать 400 миллионов масс Солнца.
В 1992 году астрономы, использующие 3.5-метровый телескоп Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, начали наблюдения за ядром нашей Галактики. С 2002 года в этой программе участвует и 8.2-метровый телескоп VLT. Отслеживая отдельные звезды, движущиеся по орбите вокруг общей точки (предполагаемого положения ЧД), исследователи получили наилучшее эмпирическое доказательство существования черной дыры с массой, равной 4 миллионам солнечных масс, которое когда-либо было получено. Все звезды движутся по орбите с очень большой скоростью, одна звезда даже успела совершить полный виток за эти 16 лет.