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,

рис.15 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.

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.15). 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 часа. 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 (приложение 11). Бесконечное нарастание гравитации вблизи гравитационного радиуса называется релятивистским коллапсом.

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.

Общая теория относительности была экспериментально подтверждена в 1919 году измерением отклонения световых лучей в гравитационном поле Солнца (рис.16).

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

и оказались объединенными в единый законе, 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.