4.3. Эмпирические доказательства общей теории относительности.

Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуется в общей теории относительности (ОТО).

Принцип эквивалентности гравитационного поля и сил инерции

Принцип эквивалентности – утверждение, согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени (в которой его можно считать однородным и постоянным во времени) по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета. Таким образом, все тела независимо от их состава и массы, все виды материи падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением.

Эмпирические доказательства ОТО:

1. Отклонение луча в поле тяготения Солнца

Теория относительности предсказывает искривление луча света при прохождении вблизи массивных тел. Многочисленные наблюдения этого эффекта при прохождении света от звезд вблизи Солнца (во время солнечных затмений) подтвердили предсказания ОТО.

1. Изменение частоты электромагнитной волны в поле тяготения

Эффект красного смещения спектральных линий излучения звезд под действием тяготения. Предсказанные ОТО гравитационных волн в прямых экспериментах еще не открыты, но последствия их излучения системами небесных тел обнаружены. Согласно ОТО, период (соответственно и частота) орбитального движения в двойной звездной системе должен уменьшаться из-за излучения гравитационных волн. Это уменьшение открыто в системе, одним из компонентов которой является пульсар PSR 193+16. По расчетам ОТО относительное уменьшение периода в этой системе за 1 оборот должно составлять - , а наблюдения (1982) дают значения .

2. Смещение перигелия орбиты Меркурия

Еще одним эффектом является предсказанный ОТО медленный дополнительный (не объясняемый гравитационными возмущениями со стороны других планет, движущихся вокруг Солнечной системы) поворот в эллиптической орбите планет, движущихся вокруг Солнца. Наибольшую величину этот эффект имеет для орбиты Меркурия в столетие.

3. Понятие гравитационного радиуса. Гравитационный коллапс. Черные дыры.

ОТО позволяет интерпретировать гравитацию как поле искривления пространства. В пустоте, т.е. при отсутствии материальных тел, пространство-время Эйнштейна совпадает с обычным евклидовым пространством и подчиняется всем законам геометрии Евклида. Но в присутствии материальных тел пространство-время искривляется, причем, чем ближе к телу и чем больше его масса, тем искривление больше.

Гравитационное поле точечной массы обладает в ОТО так называемой ловушечной поверхностью. Это такая поверхность, охватывающая притягивающие массы, достигнув которой любое тело, обладающее массой, притягивается в центральной массе с такой силой, что неизбежно падает на нее. Радиус такой поверхности называется гравитационным радиусом. Если гравитационный радиус больше размеров тела, то ни одна материальная частица не может покинуть это тело. Таким образом, если размеры какой-либо звезды по тем или иным причинам становится меньше гравитационного радиуса, ничто, в том числе и излучение, не может покинуть звезду. Такие звезды называются черными дырами.

Гравитационным коллапсом называется быстрый процесс сжатия вещества под действием собственного притяжения. Иногда под гравитационным коллапсом понимают неограниченное сжатие вещества в черную дыру, описываемое ОТО (релятивистский коллапс). Сам коллапс происходит как свободное падение к центру образующейся черной дыры, но в соответствии с законами ОТО удаленный наблюдатель будет видеть это падение как при все более замедленной киносъемке: для него процесс коллапса будет продолжаться бесконечно долго. При коллапсе в черную дыру меняются геометрические свойства пространства и времени. Искривление световых лучей оказывается столь сильным, что никакой сигнал не может покинуть поверхность коллапсирующего тела. Вещество, ушедшее под радиус черной дыры, полностью обособляется от остального мира, продолжая, однако, влиять на окружение своим гравитационным полем.