2.5. Основы классической механики и их связь со свойствами пространства и времени.

В основе классической механики лежат три закона динамики Ньютона, являющиеся обобщением опытных фактов и представляющих систему взаимосвязанных законов.

Первый закон Ньютона, открытый еще Г. Галилеем, - закон инерции, указывал на наличие особых инерциальных систем отсчета, в которых одинаковые явления происходят по одному и тому же сценарию. Он гласит: тело (материальная точка), не подверженное внешним воздействиям, либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Такое тело называется свободным, а его движение – свободным, или движением по инерции.

Второй закон Ньютона устанавливал связь между ускорением тела, его массой и действующей на него силой. Он гласит: ускорение движущегося тела прямо пропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела и направлено по прямой, по которой эта сила действует.

Третий закон Ньютона связывал между собой прямое действие и реакцию на него. Он гласит: силы взаимодействия двух тел равны по величине, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Выдающейся заслугой Ньютона было открытие закона всемирного тяготения: два точечных тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной вдоль соединяющей их прямой.

2.6. Пространство и время в специальной (сто) и общей (ото) теории относительности.

СТО создана А. Эйнштейном в 1905 г., ОТО – в 1916 г.

В основе специальной теории относительности (СТО), представляющей собой фактически физическую теорию пространства и времени, лежат два постулата (два принципа):

• принцип относительности;

• принцип постоянства скорости света.

Принцип относительности утверждает, что все тождественные физические явления в любых инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных и граничных условиях протекают одинаково. Другими словами, все законы природы инвариантны (неизменны) по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой, то есть уравнения, выражающие законы природы, имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип постоянства скорости света гласит, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Скорость света равна 300 000 км/с. Это самая большая скорость в нашей Вселенной.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум «пространство-время», причем она, как и классическая ньютоновская механика, предполагает, что время однородно, а пространство однородно и изотропно.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени было сделано Эйнштейном в 1916 году в общей теории относительности, называемой иногда теорией тяготения. В ней Эйнштейн расширил принцип относительности, распространив его на неинерциальные системы отсчета, и использовал принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс (отношение инертной массы к гравитационной одинаково для всех тел), который непосредственно следует из установленного еще Галилеем факта ускорения различных тел при их свободном падении.

Общая теория относительности объяснила сущность тяготения, состоящую в изменении геометрических свойств (положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях, а не только при движении с большими скоростями), искривлении четырехмерного пространства-времени вокруг тел, которые образуют поле тяготения.

Для проверки своей теории Эйнштейн предложил три эффекта:

• искривление светового луча в поле тяготения Солнца (гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света; луч света отклоняется в поле Солнца);

• смещение перигелия Меркурия (перигелий – это ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, которое движется вокруг Солнца по эллипсу);

• гравитационное красное смещение. На основе ОТО в 1918 г. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны. Последние должны распространяться с той же скоростью, что электромагнитные, то есть со скоростью света.

Решение уравнений ОТО указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она непрерывно расширяется. А. Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселенной. В зависимости от плотности материи Вселенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет сжиматься. В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл экспериментально установил закон, который определяет скорость разлета галактик в зависимости от расстояния до нашей галактики. Чем дальше разбегающаяся галактика, тем больше скорость ее разбегания. Хаббл использовал эффект Доплера, в соответствии с которым у источника света, удаляющегося от наблюдателя, длина волны увеличивается, то есть смещается к красному концу спектра (краснеет).

Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительно существуют и количественно правильно предсказывались ОТО (с приемлемой на тот исторический момент времени погрешности).

В настоящее время рядом ученых подвергается сомнению истинность специальной и общей теорий относительности.

Так, в работах российского физика А.А. Логунова с соавторами (Логунов, Мествиришвили, 1989) показано, что в общей теории относительности отсутствуют фундаментальные законы сохранения энергии-импульса и момента импульса вещества и гравитационного поля, вместе взятых, а поэтому инертная масса, определенная в ней, не равна гравитационной массе. В ОТО отсутствует понятие гравитационного поля как физического поля, обладающего плотностью энергии-импульса.

Кроме того, ОТО не имеет классического ньютоновского предела, а следовательно, она не удовлетворяет одному из наиболее фундаментальных принципов физики – принципу соответствия.

Все это свидетельствует о том, что ОТО нельзя считать удовлетворительной теорией. Российскому ученому А.А. Логунову, основываясь на представлении о гравитационном поле как о физическом поле типа поля Фарадея-Максвелла, используя принцип относительности и другие положения, удалось создать так называемую релятивистскую теорию гравитации (РТГ), свободную от рассмотренных выше недостатков общей теории относительности. В РТГ физическая геометрия пространства-времени определяется не на основе изучения движения света и пробных тел, а на основе общих динамических свойств материи – ее законов сохранения, которые не только имеют фундаментальное значение, но и экспериментальные проверки.