2.11. Теория гравитационного поля Эйнштейна.

Общая теория относительности

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относитель­ности, совершив еще один переворот в физических представлениях на сей раз о природе гравитационного взаимодействия. "Фундамент" этой теории был "заложен" в 1907 г., когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, Поясним сущность этого принципа.

Термин "масса", относящийся ко второму закону Ньютона, имеет смысл инертной массы - меры сопротивления тела любому изменению состояния его движения. Но понятие "масса" в ньютоновском законе всемирного тяготения имеет другой смысл - это тяготеющая масса или гравитационная масса. Еще Галилей утверждал, что в гравитационном поле все тела, независимо от их массы, приобретают одинаковые ускорения. Отсюда вытекает равенство инертной и гравитационной масс. Сам факт их равенства и то, что все тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением, называют иногда слабым принципом эквивалентности.

Указанное свойство гравитационных полей дает возможность установить существенную аналогию между движением тел в гравитационном поле и движением тел, не находящихся в каком-либо внешнем поле, но рассматриваемых с точки зрения неинерциальной системы отсчета. Свойства движения в неинерциальной системе отсчета такие же, как и в инерциальной системе при наличии гравитационного поля. Движение в неинерциальной системе отсчета эквивалентно некоторому гравитационному полю. Это обстоятельство называют принципом эквивалентности. Так, если вы находитесь в закрытой кабине лифта (пример Эйнштейна), то вы не в состоянии отличить влияние тяготения от эффектов ускоренного движения. В такой закрытой кабине невозможны никакие эксперименты, которые позволили бы вам отличить явления, связанные с тяготением, от явлений, характерных для ускоренного движения. Внутри небольшой замкнутой кабины эффект гравитации и ускоренного движения неразличимы.

Одно из следствий принципа эквивалентности - отклонение лучей света (фотонов) вблизи тяготеющих масс, а свет, испускаемый тяготеющей массой, должен испытывать красное смещение. Это было подтверждено экспериментально.

Другим ключевым моментом в общей теории относительности было понятие кривизны пространства-времени. Эйнштейн предположил, что в присутствии массивных тел должно искривляться все пространство-время, (а не только пространство) и что лучи света и частицы будут двигаться в пространстве-времени самым коротким путем - по геодезическим линиям. (Геодезическая линия на сфере - это дуга). Иными словами, тяготение есть следствие геометрических свойств пространства-времени вблизи массивных тел. Чем массивнее тело и выше его плотность, тем сильнее искривляется пространство около него и сильнее замедляется время. Крайний случай, т.н. «черная дыра», вокруг которой пространство замыкается само на себя, а время останавливается.

А.Уилер, американский физик-теоретик дал меткую характеристику общей теории относительности: "Вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу, как тому двигаться".

Общая теория относительности в корне изменила наши представления о пространстве, времени, о Вселенной. Она привела к отказу от какого бы то ни было центризма вообще. Метагалактика - или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как единое целое - стала описываться однородной и изотропной безграничной релятивистской космологической моделью.