5.2. Общая теория относительности (ото)
В общей теории относительности, или теории тяготения, А. Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на все неинерциальные системы. ОТО утверждает абсолютность законов природы в любых системах отсчета как инерциальных, так и неинерциальных. В ней ученый исходит из экспериментального факта эквивалентности инерциальных и гравитационных полей: ускоренное движение никакими измерениями неотличимо от покоя в гравитационном поле.
В общей теории относительности А. Эйнштейн доказал, что структура пространства – времени определяется распределением масс материи. Под действием полей тяготения происходит искривление пространства, т.е. наличие любой массы искажает пространство.
Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит ОТО? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики – модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика (рис. 14). Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Н.И. Лобачевского (1792-1856) и Б. Римана (1826-1886).
Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца – достаточно небольшой звезды по космическим меркам – влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет больше времени, чем если бы на пути этого сигнала не было Солнца. Задержка сигнала в этом случае составляет около 0,0002 с. Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности – полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Считается, что в конце своей жизни звезды, масса которых превышает массу Солнца, испытывают катастрофическое сжатие (гравитационный коллапс) под действием собственного тяготения. Это приводит их к состоянию «черной дыры». Для тела, попавшего в поле тяготения «черной дыры», образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн км до гравитационного радиуса занимает около 1 ч. Но по часам, которые покоятся вдали от «черной дыры», свободное падение в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет наблюдателю. Оно будет бесконечно долго приближаться и никогда не достигнет его. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры (прил. 9). Бесконечное нарастание гравитации вблизи гравитационного радиуса называется релятивистским коллапсом.
Рис. 14. Аналогия с резиновым листом
(большой шар в центре представляет массивное тело, например, звезду.
Под действием веса тела лист вблизи него искривляется.
Шарик, катящийся по листу, отклоняется этой кривизной
и двигается вокруг большого шара, подобно тому как планеты
в гравитационном поле звезды обращаются вокруг нее)
Общая теория относительности была экспериментально подтверждена в 1919 г. измерением отклонения световых лучей в гравитационном поле Солнца (рис. 15).
Рис. 16. Искривление света (свет звезды проходит вблизи Солнца
и отклоняется, поскольку Солнце искривляет пространство – время.
Это приводит к небольшому смещению видимого положения звезды
при наблюдении с Земли. Увидеть такое можно во время затмения)
Также эмпирическими доказательствами ОТО является:
- замедление времени в гравитационном поле;
- смещение перигелиев (перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, обращающегося вокруг него) планетных орбит.
Соответствие ОТО и классической механики. В общей теории относительности рассматривается не закон тяготения И. Ньютона, а полевой закон тяготения. Закон И. Ньютона выполняется в слабых гравитационных полях, как предельный случай эйнштейновских уравнений.
Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Они перестали рассматриваться независимо друг от друга, и в результате возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континиууме. В теории относительности два закона – закон сохранения массы и сохранения энергии оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы.
По А. Эйнштейну, суть теории относительности такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время. Таким образом, теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит:
- относительность свойств пространства – времени;
- относительность массы и энергии;
- эквивалентность тяжелой и инертной масс (все тела, независимо от их состава и массы, падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением).
Ньютоновская естественно-научная революция изначально была связана с переходом от геоцентризма к гелиоцентризму. Эйнштейновский переворот означал принципиальный отказ от всякого центризма вообще. «Привилегированных», выделенных систем отсчета в мире нет. Все они равноправны. Любое утверждение имеет смысл, только будучи «привязанным», соотнесенным к какой-либо конкретной системе отсчета. То есть наше представление, в том числе и научная картина мира относительны.