4.2.1. Постулаты ото

Основной постулат ОТО даже более решителен, чем такой же постулат СТО:

• все физические закону можно сформулировать так, что они кажутся справедливыми для любого наблюдателя, сколь сложное движение он ни совершает.

ОТО использует сложный математический аппарат, но мы ос­тановимся лишь на ее физической сущности. Эйнштейн сфор­мулировал так называемый принцип эквивалентности:

• не существует эксперимента, с помощью которого можно бы­ло бы отличить действие гравитационного поля от действия уско­ренного движения по отношению к «неподвижным» звездам.

Действительно, если мы рассмотрим объект, летящий на ра­кете в космос, где гравитация уже не действует, и ускорение ра­кеты а равно ускорению свободного падения g на Земле, то при наблюдении движения предмета относительно поля ракеты ус­коренное движение будет одинаковым. Другими словами, если ракета лишена иллюминаторов, то наблюдатель никогда не смо­жет отличить ускорения, обусловленного силой тяжести, от ус­корения, создаваемого двигателем ракеты.

Экспериментальным подтверждением этого является тот факт, что не обнаружено различие между гравитационной и инертной массой. В противном случае наблюдатель мог бы вы­яснить, находится он в поле силы тяжести Земли или же ускоря­ется в космическом пространстве. Таким образом, принцип эк­вивалентности требует, чтобы:

"hp = ^тин-

Равенство масс означает, что действие тяготения и изменение энергии описывают одно и то же явление.

4.2.2. Экспериментальная проверка ото

А. Эйнштейн предложил два способа экспериментальной проверки ОТО:

• аномалии в движении планет Солнечной системы, в част­ности Меркурия;

• поведение электромагнитных волн вблизи таких массивных тел, как Солнце.

Прецессия перигелия орбиты Меркурия. В ньютоновской теории тяготения силы, действующие в поле гравитации, изменяются с расстоянием \/г². Оказалось, что эту зависимость можно с большой точностью проверить, наблюдая за движением планет. Если грави­тационная сила меняется с расстоянием 1/г², то эллиптические ор­биты планет не должны изменяться во времени. В частности, бли­жайшая к Солнцу точка эллипса (она называется перигелием) не должна менять своего положения по отношению к «неподвижным» звездам. Существуют, конечно, небольшие отклонения от точно эл­

липтических орбит, называемые возмущениями и обусловленные тем, что на данную планету действуют другие планеты. Но эти от­клонения очень малы по сравнению с гравитационной силой Солн­ца. Кроме того, разработаны надежные математические методы рас­чета таких возмущений. Поэтому, если бы наблюдалось перемеще­ние перигелия, то это свидетельствовало бы, что показатель степени в законе всемирного тяготения не равен в точности 2.

Около 100 лет назад было обнаружено малое перемещение пе­ригелия Меркурия, которое с учетом возмущений других планет объяснить не удалось. В частности, было предположено даже нали­чие какой-то ранее не наблюдавшейся планеты между Меркурием и Солнцем, которую заранее назвали Вулканом. Ее безуспешно ис­кали в течение многих лет. Перигелий Меркурия прецессировал с очень малой скоростью, и его орбита напоминала медленно пово­рачивающийся эллипс. После учета влияния на его движение со стороны всех реальных прочих планет оказалось, что прецессия со­ставляет 43,11 с за столетие, после чего был сделан вывод, что за­кон всемирного тяготения не точен. Если же для вычисления эф­фектов, связанных с замедлением течения времени и зависимостью массы от скорости, использовать теорию относительности, то рас­чет, проведенный А. Эйнштейном, показывает значение 43,03 с. Естественно, это потрясающее совпадение результатов.

Рис. 4.7. Отклонение световых лучей от звезды S при прохож­дении около Солнца от прямо­линейной траектории. Искрив­ление лучей обусловлено дейст­вием массы Солнца и вызывает смещение кажущегося положе­ния звезды в точку S.

Искривление световых лучей вблизи Солнца. Общая теория относительности предсказывает, что, когда луч проходит вблизи массивного тела, его путь должен немного искривляться. Такой результат можно качественно понять, если учесть, что элек­тромагнитное излучение, в том числе свет, обладает энергией, и этой энергии соответствует масса. Поэтому гравитационное поле, через которое проходит свет, действует на него и искрив­ляет его траекторию так же, как массивное тело действует на про­летающую мимо него частицу. Так как свет распространяется с огромной скоростью, это воздей­ствие проявляется лишь в течение короткого времени. Отклонение света от прямолинейной траекто­рии мало даже при прохождении около такого массивного тела, как Солнце, но тем не менее оно есть (рис. 4.7); 5— истинное положе­

ние звезды, S* — кажущееся, угол ф — угол между истинным и кажущимся положениями, О — наблюдатель). Это было прове­рено экспериментально в момент полного солнечного затмения*⁹ 29 мая 1919 г. Измерения дали отклонение ~2", а ОТО дает результат 1,75". Эйнштейн отреагировал на это сообщение комментарием, что он был бы очень удивлен, если бы результат был иным.

Гравитационное красное смещение. Если выпустить из рук ка- кой-либо предмет, то при движении в поле тяготения Земли его скорость и кинетическая энергия будут увеличиваться. Анало­гично «при падении» света в гравитационном поле энергия света будет увеличиваться благодаря наличию у света массы, связан­ной с энергией излучения. Увеличение кинетической энергии падающего тела или частицы обусловлено возрастанием скорос­ти (Е = mv²/2). Однако, поскольку свет всегда распространяется с постоянной скоростью, увеличение его энергии связано с воз­растанием частоты световой волны. Было установлено также, что если направление распространения света противоположно вектору напряженности гравитационного поля, то свет будет те­рять энергию, а его частота будет уменьшаться. Действительно, оказалось, что частота видимого света, испускаемого Солнцем в гравитационном поле Земли, уменьшается, а длина волны увели­чивается. А это означает смещение света в гравитационном поле к красному концу спектра. Величина этого смещения мала, но измерима (Av/v = 2,5 • Ю^-15) и с точностью до 10% совпадает со значением, предсказанным ОТО. Это очень малое изменение частоты удалось измерить с помощью эффекта Р. Мёссбауэра (р. 1929). Эффект красного смещения был предсказан А. Эйнш­тейном в 1907 г. и проведен не только для фотонов, но и для часов.*¹⁰

В 1972 г. сотрудниками Вашингтонского университета и воен­но-морской лаборатории США Хефеле и Китингом были прове­дены эксперименты по проверке теории относительности Эйнш­тейна, связанные с изучением течения времени на разной высоте от Земли в самолетах Боинг (10 км) и Конкорд (20 км), летящих по направлению вращения Земли и против ее вращения, по срав­нению с часами, находящимися на поверхности Земли. Как и предсказывается теорией относительности, при полете на восток часы, находившиеся на борту самолетов, отставали, а при полете на Запад уходили вперед относительно часов, оставшихся на Зем­ле. Фактический ход времени меняется в зависимости от относи­тельного движения наблюдателей. И это удалось измерить.

Поскольку самолет находился на большой высоте над поверх­ностью Земли и гравитация там меньше в \/г² раз и учитывая изменение скорости перемещения часов на самолетах в одну и другую сторону, было установлено, что гравитация изменяет ход часов. Это подтверждается также и тем, что одни и те же часы на Луне идут быстрее, чем на Земле, поскольку гравитационное поле на Луне в 6 раз слабее земного.*¹¹

Американский физик Д. Шредер на основании этого предла­гает считать, что выводы теории относительности уже не явля­ются чисто теоретическими, а могут считаться эмпирически под­твержденным законом. Теория относительности превратилась в закон относительности. Отсюда же можно сделать вывод, что при рассмотрении физики Вселенной (гл. 6) нужно учитывать различия в движении и гравитационных силах различных галак­тик или даже звезд в одной галактике, и это превращает абсо­лютное время в сугубо локальный феномен [27]. В разных частях Вселенной время может протекать по-разному. Поэтому каждая звезда имеет свои собственные гравитацию, скорость движения и пространственно-временную систему отсчета. В ранней Все­ленной кривизна пространства и времени была другая. Отсюда можно сделать фантастический для нас вывод — со времени Большого Взрыва время текло неравномерно!