2. Загальна теорія відносності (зтв)

ОТО грунтується на двох принципах або постулатах

Принцип відносності.

Принцип еквівалентності важкої та інертної мас тіла.

Перший принцип стверджує, що закони фізики повинні мати один і той же вид не тільки в інерційних системах, але і в неінерційній системах відліку, тобто інерціальні системи відліку не повинні розглядатися як привілейовані системи відліку, як це робила класична механіка. Аналізуючи неінерційній системи відліку, що рухаються з однаковим прискоренням, Ейнштейн прийшов до несподіваного висновку про те, що в цих системах виникає явище, схоже на явищем тяжіння в однорідному полі гравітації. Однорідне гравітаційне поле - це якась абстракція або ідеалізація. У цьому полі сила гравітації має однакову величину за всіма його напрямками і в кожній його точці. З огляду на це схожість, А. Ейнштейн прийшов до висновку, що силу тяжкості можна створити або знищити переходом в систему відліку, що рухається з прискоренням. Наприклад, якщо людина знаходиться в ліфті без вікон поза дією сили тяжіння, то він буде перебувати в стані невагомості. Усі навколишні його предмети і він сам не будуть притягатися до підлоги ліфта. Якщо подумки тягнути ліфт вгору за допомогою каната зі швидкістю, що дорівнює прискоренню вільного падіння на Землі, то ця людина відчує дії сили гравітації, яка буде аналогічна силі гравітації в однорідному гравітаційному полі, де в кожній його точці прискорення вільного падіння тіл має одну і ту ж величину. Насправді із зовнішньої системи відліку правильно говорити про те, що ліфт, її стать, рухається до що знаходиться в ньому людині і предметів.

Принцип еквівалентності важкої та інертної мас. У цьому принципі міститься відповідь на запитання, яке ставив собі Ейнштейн: від чого залежить дію сили тяжіння, ніж вона визначається? У фізиці Ньютона тяжіння залежить виключно від маси тіл. Із закону вільного падіння тіл, відкритого Галілеєм, випливало, що між важкою та інертною масами тіла існує пропорційна залежність, яка дозволяє припустити, що між цими масами тіла немає суттєвої різниці, коли ми говоримо про дію сили гравітації.

Оскільки всі тепа падають з одним і тим же-прискоренням незалежно від їх ваги, то це говорить про те, що інертна маса тіл пропорційна їх гравітаційної масі. Ставлення M i / M i (Де m i - інертна маса будь-якого тіла, M i - Гравітаційна маса цього ж тіла) при вільному падінні тіл залишається постійним для всіх теп незалежно від їх реальної фізичної природи (зроблені з дерева або металу і т.п.). У 1890 р. угорський фізик Етвеш експериментально довів справедливість припущення фізики Галілея-Ньютона про пропорційну інертної і гравітаційної мас тіла. У Ньютона це відношення було менше 10 -8 (M 1, / m 1 <10 -8). Надалі ця величина виявилася ще менше, що дозволяє говорити про рівність, еквівалентності цих мас тіла.

Аналізуючи фізичний зміст пропорційного відповідності між інертної і важкої масами тіла, а також природу подібності дії сили тяжіння з явищем, що виникають в неінерційній системі відліку, що рухається з постійним прискоренням, Ейнштейн прийшов до висновку, що сила тяжіння не залежить від маси тіл. Природно, виникало питання: від чого вона залежить? На це питання Ейнштейн дав таку відповідь: з теоретичної точки зору є підстави стверджувати, що сила тяжіння еквівалентна викривлення простору і викривлення простору еквівалентно дії сили тяжіння. У цьому рішенні силі інерції, яка у фізиці Ньютона розглядалася як нереальна сила, надається реальний статус. Наприклад, при русі поїзда пасажири спостерігають здається рух предметів поза поїзда в протилежну сторону. У теорії Ейнштейна цій силі надається реальний сенс. Припустимо, що є ліфт, який закріплений на канаті таким чином, що на розташовані в ньому предмети не діє сила тяжіння. Тоді предмети будуть розташовуватися на одній лінії щодо статі ліфта. У момент обрізання каната виникне сила інерції, яка буде прагнути зберегти початкове положення кожного предмета в ліфті. Оскільки сила тяжіння спрямована до центру Землі, то напрямок сили інерції для кожного предмета ліфта не буде однаковим, а буде залежати від його відстані до центру ліфта. Для одних предметів вона буде спрямована вгору, де сила тяжіння буде перпендикулярно спрямована до центру Землі. В інших місцях ліфта напрямок сили інерції буде під певним кутом до напрямку сили гравітації. У результаті простір усередині падаючого ліфта буде викривленим. Для спостерігача поза ліфта предмети будуть розташовуватися не на прямій горизонтальній лінії, паралельній підлозі, а на викривленій лінії. Світло в такому просторі буде поширюватися не по прямій лінії, як цього вимагала СТО, а по кривій лінії.

Наслідки ОТО

Світло у викривленому просторі-часу не може розповсюджуватися з однієї і тієї ж швидкістю, як вимагала СТО. Поблизу джерела сили тяжіння він поширюється повільніше, ніж удалині від нього.

Хід годин сповільнюється при наближенні до джерела гравітації.

У структурі простір - час - енергія (речовина, поле, випромінювання) можливі освіти, структури, де сила гравітації, представлена ​​відповідною величиною тензора кривизни, настільки сильна, що з цієї структури, як своєрідної «чорної діри», не може вирватися енергія у вигляді світла, поля і речовини. У рівняння тяжіння Ейнштейна входить тензор «енергії-імпульсу» з 10 компонентів для опису прискорення тіла в рухомому середовищі. Додавання до цього тензора інформації (компонентів) про сили, що діють в самій рухомому середовищі, де знаходиться тіло, дає систему рівнянь для опису еволюційних процесів у Всесвіті.

Створивши ОТО, А. Ейнштейн вказав на три явища, пояснення яких його теорією і теорією Ньютона давали різні результати: це поворот площини орбіти Меркурія, відхилення світлових променів, що проходять поблизу Сонця, і червоне зміщення спектральних ліній світла, випромінюваного з поверхні масивних тіл. Ефект повороту площини орбіти Меркурія було відкрито ще астрономом Леверрье (1811-1877). Теорія Ньютона не давала пояснення цьому явищу. Мова йде про поворот площини орбіти Меркурія навколо великої осі еліпса, по якому Меркурій рухається навколо Сонця.

Згідно ЗТВ А. Ейнштейна планети, завершуючи повний оборот навколо Сонця, не можуть повертатися до те ж саме місце, а зсуваються трохи вперед і їхні орбіти повертаються повільно в своїй площині. Цей ефект був передбачений А. Ейнштейном. Перевірка обчислень точно збіглася з прогнозами ВМО.

З розвитком теорії ОТО тісно пов'язана ідея створення теорії калібрувальних полів. Німецький математик Г. Вейль (1862-1943) в роботі «Простір, час і речовина» (1918) сформулював принцип, згідно з якою фізичні закони повинні бути інваріантними (мати однаковий вигляд) щодо зміни масштабів вимірювання в системах простір - час - речовина. Перетворення або зміна масштабів вимірювання може бути як однорідним, так і неоднорідним від однієї точки до іншої в просторово-часових структурах.

Неоднорідні перетворення називаються калібрувальними. У ЗТВ масштаби довжин і часу не залежать від місця, часу і стану руху спостерігача. Теорія Г. Вейля допускає якраз зміни масштабів часу в просторово-часових структурах.

Викривлене простір можна уявити наступним чином. Якщо розтягнути тонкий клапоть гуми і помістити в центр його важкий предмет, то гума під ним провисне. Якщо тепер покотити маленьку кульку з цього клаптя, то його буде тягнути до западини. Якщо западина глибока, то кулька буде обертатися навколо предмета, що утворив цю западину.