14.2. Общая теория относительности

В том же 1907 г. Эйнштейн исследовал вопрос о законах природы в неинерциальных системах отсчета. Равенство тяжелой и инертной масс было установлено эмпирически еще Ньютоном в опытах с маятниками, а до него Галилеем в опытах с падающими телами. При падении тел ускорение пропорционально тяжелой массе и обратно пропорционально инертной, которые таким образом оказываются равными, ибо все тела падают с одинаковым ускорением.

Эйнштейн в 1907 г. показал, что равенство тяжелой и инертной масс - факт не случайный. Это он показал в мысленном эксперименте с падающим лифтом. Эйнштейн пришел к выводу, что природа инертной и гравитационной масс одинакова. “В поле тяготения малой пространственной протяженности все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо инерциальной системы ввести систему, ускоренную относительно нее”. Это принцип эквивалентности, который можно сформулировать и иначе: наблюдатель никакими опытами в своей системе не может различить, находится ли он в гравитационном поле или ускоренно движется. Для случая мысленного эксперимента со свободно падающим лифтом принцип эквивалентности справедлив в небольшой части пространства, т.е. имеет локальный характер.

Принцип эквивалентности стал отправной точкой для разработки ОТО. В 1915 г. новая теория была изложена Эйнштейном в работе “Основы общей теории относительности”. Основной постулат ОТО - не существует привилегированной системы координат. “Законы физики должны быть таковы по природе, что они должны быть применимы к произвольно движущимся системам отсчета”. Поскольку кинематика - это геометрия, к которой добавлена еще одна координата - время, то Эйнштейн интерпретирует явление гравитации как геометрию пространства-времени. Отсюда следует, что наш мир не является евклидовым, его геометрические свойства определяются распределением масс и их скоростями. В ОТО уравнения гравитации имеют тот же смысл, что и уравнения Максвелла: из них вытекают геометрические свойства пространства (неевклидова).

Экспериментальные подтверждения ОТО. Поскольку энергия обладает массой, тяготение действует и на энергию. Поэтому луч света в гравитационном поле отклоняется. Такое отклонение следует также и из корпускулярной теории Ньютона, но отклонение получается вдвое меньшее, чем в ОТО. Опыты, выполненные во время солнечного затмения в 1919 и 1922 гг., количественно подтвердили выводы ОТО. Эти выводы не следуют из СТО, которая т.о., по отношению к ОТО, является частным случаем, как и ньютонова механика по отношению к самой СТО.

2-ым экспериментальным подтверждением ОТО является медленное вращение перигелия наиболее быстрой планеты солнечной системы Меркурия. Полный оборот - 3 млн. лет. 3-е подтверждение - эффект Эйнштейна : красное смещение спектров звезд из-за тяготения. Этот эффект подобен эффекту отставания часов. В настоящее время интерпретация такого эффекта осложняется учетом "красного смещения" из-за так называемого "разбегания галактик" (см. ниже).

Теория относительности, встречавшая сначала большие возражения как со стороны специалистов, так и с точки зрения “здравого смысла”, все более превращается в часть классической физики, которая соединила представления о пространстве, времени, материи и энергии.

А.Эйнштейн добился успеха и в других областях физики. Так, он постулировал понятие индуцированного излучения, которое легло в основу теории оптических квантовых генераторов (лазеров) в начале 2-ой половины 20-го века, заложив фундамент квантовой электроники. Об объяснении внешнего фотоэффекта, которое послужило поводом для присуждения ему Нобелевской премии, мы уже упоминали.