Общая теория относительности.

Описанная выше специальная теория относительности никак не учитывает гравитацию. Эйнштейн предположил, что массы, вложенные в четырехмерное пространство – время, искривляют его и что все объекты – и частицы, и лучи света – будут двигаться не по прямым, а по геодезическим линиям (геодезическая линия на сфере – это дуга). Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство – время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела. Кроме того, массы создающие гравитационное поле, изменяют течение времени : чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время.

Общая теория относительности нашла экспериментальное подтверждение при эксперименте со звездным лучом света, проходящего мимо Солнца и наблюдаемого во время солнечного затмения. Оказалось, что луч проходит не по прямой, а по дуге, поскольку Солнце, являясь огромной гравитационной массой, искривляет пространство вокруг себя.

Добавим еще, что описанное здесь словами упрощенное представление о теории относительности А. Эйнштейн представил, используя сложнейший математический аппарат. Часть этого аппарата, необходимая при работе над общей теорией относительности, была разработана еще в XIX веке русским математиком Н.И. Лобачевским и немецким ученым Б. Риманом. Это была геометрия на сфере.

Может показаться, что все изложенное выше противоречит здравому смыслу. Это происходит потому, что в мегамире (как и в микромире) мы не можем обратиться к спасительной наглядности: мы живем в макромире, и очень трудно представить себе четырехмерное искривленное пространство и замедляющееся время, а также микрочастицу, которая одновременно является волной. Но в древности людям так же сложно было представить себе, что шарообразная Земля несется вокруг Солнца, это тоже

казалось противоречащим здравому смыслу, однако в результате оказалось верным. Классическая физика оказывается справедливой как предельный частный случай, когда скорости намного меньше скорости света, а массы намного меньше масс в мегамире.

Таким образом, создание А. Эйнштейном теории относительности расширило представления человечества об окружающем мире и создало теоретический фундамент современной астрономии.

Контрольные вопросы:

Чей опыт послужил толчком для создания теории относительности ?

В чем суть основной парадигмы А. Эйнштейна ?

__Что такое «парадокс близнецов» ?

Литература:

6, 7, 17, 18, 21

Лекция 9. Строение и эволюция вселенной. (мегамир). Солнечная система

Во-первых, определим, что такое Вселенная. Это место вселения человека. Строго говоря, мы можем делать какие-либо выводы не обо всей Вселенной, а о той ее части, которая доступна для эмпирического наблюдения. Эта часть называется Метагалактикой. Но термин «Вселенная» более привычен, поэтому в дальнейшем мы будем его употреблять, подразумевая Метагалактику.

На основании общей теории относительности А. Эйнштейн вывел космологическое уравнение, предполагая, что Вселенная однородна, изотропна и стационарна, т.е. объем и радиус ее постоянны. Разумеется, при этом возможны различные движения внутри самой системы.

Однако вскоре, в 1922 г. стационарный мир Эйнштейна был подвергнут серьезной критике. Российский математик и геофизик А.А. Фридман проанализировал космологическое уравнение Эйнштейна и показал, что стационарный мир является только частным решением этого уравнения, что искривленное пространство не может быть стационарным, а в более общем случае возможны нестационарные решения, т.е. фридмановские миры должны были либо расширяться, либо сжиматься. Однако какой из вариантов фридмановского решения верен, расширяется ли Вселенная или сжимается? На этот вопрос ответил в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл. Напомним, что согласно эффекту Допплера спектры излучения удаляющихся объектов должны быть сдвинуты в красную сторону (красный сдвиг), а спектры приближающихся – в фиолетовую (фиолетовый сдвиг). Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше ее линейчатый атомный спектр водорода (а это основной составляющий компонент звезд) смещен в красную сторону. Иными словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. А это, в свою очередь, означало, что Вселенная не стационарна, что она непрерывно расширяется, и расстояния между галактиками все время растут.

Открытие красного смещения и на его основании расширения Вселенной было одним из величайших открытий ХХ века. Если использовать метод моделирования и попытаться представить себе расширяющуюся Вселенную, то это будет постоянно раздувающийся шар с нанесенными на него точками. При надувании такого шара расстояние между двумя любыми точками возрастает, но ни одну них нельзя назвать центром расширения. Несмотря на то, что открытие Э. Хаббла блестяще подтвердило предсказания А.А. Фридмана (он умер в 1925 г.), работы последнего долгое время оставались неизвестными научному миру.

Открытие Хаббла, естественно, поставило следующий вопрос: будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент начнется сжатие? Не следует забывать , что расширение осуществляется, несмотря на закон Всемирного тяготения. Именно эти соображения привели американского ученого Г.А. (Дж.) Гамова (русского по происхождению, он учился вместе с А. А. Фридманом, работал под руководством академика А.Ф. Иоффе и покинул СССР в 1933 г) к идеям «горячей Вселенной», сингулярной точки и Большого взрыва. Согласно этой гипотезе, примерно 10 – 18 млрд. лет назад существовала субстанция (ее назвали сингулярной точкой), имеющая бесконечную плотность при бесконечной кривизне пространства. В момент Большого взрыва каждая частица этой субстанции начала удаляться от другой, что сопровождалось очень высокими температурами в миллионы К. В таких условиях могла существовать только смесь кварков и элементарных частиц, т.е. сгусток плазмы. Далее, при снижении температуры могли образоваться ядра, а затем первые атомы, Это были атомы водорода (самого простого - один протон и один электрон - и самого распространенного химического элемента во Вселенной,являющегося основной составляющей звезд).

Г.А. Гамов предсказал, что если гипотеза Большого взрыва верна, то должно сохраниться остаточное тепловое излучение, температура которого соответствует примерно 6 К. Через десять лет, в 1965 г. это излучение, названное «реликтовым», идущее со всех направлений Вселенной с одинаковой интенсивностью, было обнаружено американскими астрономами А. Пензиасом и В. Вильсоном. Гипотеза Большого взрыва была подтверждена экспериментально. А. Эйнштейн приветствовал появление теории Большого взрыва и добавил, что в этот момент родилось не только вещество, но также пространство и время