9.6. Понятие об общей теории относительности

Общая теория относительности (ОТО), разработанная Эйнштейном в 1916г., представляет собой релятивистскую теорию гравитации. Классическая теория гравитации была создана Ньютоном, ее фундаментом является общеизвестный закон всемирного тяготения

. (9.26)

Этот закон имеет исключительное и непреходящее значение в развитии физической науки. Однако классическая теория не объясняла причины тяготения, и, кроме того, было замечено, что расчеты по закону всемирного тяготения не согласуются с результатами наблюдений за вращением перигелия Меркурия.

В основу ОТО Эйнштейн положил принцип эквивалентности сил инерции и сил тяготения. Равенство инертной и гравитационной масс означает, что тяготение и инерция – одно и то же явление.

Причина тяготения заключается в свойствах пространства и времени. Наличие и движение больших масс материи приводит к изменению свойства пространства. Вблизи больших гравитирующих масс пространство искривляется и становится неэвклидовым. Описание тяготения принципиально меняется. По Ньютону, это движение под действием силы тяготения, по Эйнштейну, это свободное движение в искривленном пространстве-времени. Таким образом, тяготение есть свойство самого пространства-времени.

Эйнштейн вывел общие уравнения тяготения в криволинейном пространстве-времени, связывающие геометрические свойства пространства с распределением в нем энергии и импульса материи. Эти уравнения сложны, представляя собой систему из десяти нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка.

Общая теория относительности дала объяснение ряду эффектов, наблюдаемых экспериментально.

Решая уравнения, Эйнштейн получил значение смещения перигелия Меркурия, точно соответствующее астрономическим наблюдениям. Наиболее убедительным доказательством справедливости теории явилось экспериментальное подтверждение предсказанного Эйнштейном искривления световых лучей в сильном поле тяготения Солнца.

Теория тяготения Эйнштейна предсказала также существование черных дыр. В ОТО сила притяжения двух тел определяется выражением

. (9.27)

В соответствии с этой формулой при некотором значении сила тяготения становится равной бесконечности. Величину называют гравитационным радиусом. При ни один сигнал не может выбраться из данной области пространства-времени. Даже свет не может преодолеть этого чудовищного притяжения. Такие объекты и получили название черных дыр. Наличие этих объектов во Вселенной в настоящее время подтверждено астрономическими наблюдениями.

Наконец, непреходящее значение теории тяготения Эйнштейна состоит в том, что она впервые поставила вопрос о динамике Вселенной. Когда Эйнштейн попытался найти решение уравнений ОТО для статической Вселенной, то оказалось, что решений не существует. Советский физик Фридман получил в 1922г. решение этих уравнений для нестационарной Вселенной, исходя только из одного предположения, что она однородна. Из этого решения следовало, что Вселенная возникла десятки миллиардов лет назад и в настоящее время находится в состоянии расширения (теория Большого Взрыва). Первоначально выводы Фридмана были восприняты с недоверием. Однако, спустя семь лет американский астроном Хаббл на основе наблюдений сделал два важнейших открытия, подтвердивших, как однородность и изотропность Вселенной, так и ее расширение. В настоящее время модель Фридмана является фундаментом современной космологии, исследующей возникновение и развитие Вселенной.

Подводя итог, рассмотрению проблемы тяготения отметим, что в настоящее время усилия ученых направлены на разработку квантовой теории гравитации, получившей название супергравитации. Эта теория позволит объединить все фундаментальные взаимодействия.