27. Эквивалентность гравитационных сил
и сил инерции
Принцип эквивалентности гравитационных сил и сил инерции установлен Эйнштейном.
Все физические явления в гравитационном поле происходят совершенно так же, как и в поле сил инерции, если напряженности обоих полей совпадают в соответствующих точках пространства, а начальные условия одинаковы для всех тел изолированной системы.
Если тело свободно падает в гравитационном поле напряженности g, то это поле будет полностью компенсировано полем поступательных сил инерции.
Однако принцип эквивалентности гравитационных сил и сил инерции не утверждает, что всякое гравитационное поле может быть заменено полем сил инерции, а гравитационные силы – силами инерции.
Это связано с тем, что силы тяготения направлены к центру тяготеющей массы, например, Земли, т. е. являются центральными (рис. 31).
Рис.
31
Рис.
32
Ни какими ускоренными движениями системы отсчета нельзя этого получить.
Так как силы инерции будут всегда направлены параллельно друг другу (рис. 32).
Из принципа эквивалентности следует, что свойства пространства и времени в полях тяготения должны быть такими же, как и в неинерциональных системах отсчета.
Следовательно, в гравитационных полях, как и в неинерциальных системах отсчета, время неоднородно, а пространство является неевклидовым, неоднородным и неизотропным.
Тем самым подтверждено гениальное предвидение Н. И. Лобачевского, Римана и др., что геометрия реального мира может быть и неевклидовой.
По некоторым данным пространство не только искривлено, но и скручено.
28. Гравитационное смещение спектральных линий
Примером эквивалентности гравитационных сил и сил инерции является гравитационное смещение спектральных линий (гравитационное «красное» смещение), теоретически предсказанное Эйнштейном.
Гравитационное «красное» смещение возникает, если наблюдатель в инерциальной системе отсчета неподвижен, но в ней имеется гравитационное поле напряженности g.
При распространении света по направлению гравитационного поля частота световой волны будет возрастать, а при распространении в противоположном направлении – убывать.
Величина
смещения
,
где – частота определенной спектральной линии; 0 – частота, воспринимаемая наблюдателем, покоящимся в инерциальной системе отсчета; d – расстояние, проходимое светом в поле тяготения.
В этом случае гравитационное «красное» смещение является следствием замедления времени вблизи массивного тела (Земли, Солнца и т. д.) и уменьшения частоты квантов света. Наблюдается в однородных и неоднородных гравитационных полях.
Замечание:
Причиной «красного» смещения может быть и оптический эффект Доплера при распространении светового сигнала из-за изменения расстояния между источником света и наблюдателем. Космологическое «красное» смещение наблюдается у далеких галактик и квазаров. Наличие космологического «красное» смещения согласно теории объясняется как взаимное разбегание галактик (квазаров) друг от друга. Кроме того, причиной «красного» смещения может служить смещение линий в спектре излучения сверхплотных звезд (белые карлики).
В 1959 г., используя эффект Мессбауэра, удалось наблюдать гравитационное «красное» смещение при распространении света в поле тяготения Земли. Проходимый светом путь сверху вниз составил всего 20 м (у Парсела – 22 м). Ожидаемое смещение
( – 0) / 0 2 10 14.
Измерения дали близкий результат.
Это непосредственно является подтверждением принципа эквивалентности гравитационных сил и сил инерции.
Замечание 2: Кроме гравитационного «красного» смещения спектральных линий наблюдается гравитационное «фиолетовое» смещение спектральных линий, что вызвано взаимным сближением космических объектов.