ядерная бомба, в энергию было превращено около 1 % от 900 граммов урана.

Комментарии к СТО

•Несмотря на то, что многие предсказания СТО на уровне интуиции кажутся невероятными, СТО – верна на строго математическом уровне и верна при любых скоростях перемещения тела в инерциальной системе отсчета!

•В большинстве случаев практики поправки в расчеты движения тел потребны при скоростях v~(0,1 − 0,2)c, что соответствует 30 000 − 60 000 км/с!

Тем не менее, у СТО есть и крупный недостаток, состоящий в предпочтении исключительно инерциальным системам отсчета, которые в природе не встречаются. В течение целого ряда лет (начиная

с1907 г.), Эйнштейн безуспешно пытался построить модель тяготения в рамках СТО.

5.2 Общая теория относительности

Согласно СТО, существует абсолютный барьер для скорости – скорость света в вакууме. Это ограничение противоречит теории тяготения Ньютона. Гравитационное притяжение (по Ньютону) распространяется мгновенно на любом расстоянии (теория дальнодействия). С позиции современных полевых воззрений никакая информация не может распространяться быстрее скорости света в вакууме. Например, вспышка света от Солнца идет до Земли около 8 минут.

Все это свидетельствовало в пользу необходимости создания такой теории, которая отвечала бы принципу инвариантности всех законов природы в любых системах отсчета. Такой теорией стала релятивистская теория гравитации – общая теория относительности (ОТО). И вновь Эйнштейн совершил революцию в понимании свойств пространства и времени, показав, что они искривляются и деформируются, передавая действие силы тяжести.

Ранее нас интересовал вопрос о том, как выглядит мир для двух наблюдателей, двигающихся с постоянной скоростью. Тщательно сравнив точки зрения этих двух наблюдателей, мы получили ряд удивительных выводов о сущности пространства и времени. А что можно сказать о наблюдателях, двигающихся с ускорением? Точки зрения этих наблюдателей труднее поддаются анализу, чем в случае наблюдателей, двигающихся равномерно с постоянной скоростью.

69

Поэтому мы будем вынуждены сделать несколько упрощений, дабы более наглядно проиллюстрировать получающиеся результаты.

Вернемся к Эйнштейну, который к 1907 г. пришел к замечательной идее: гравитационная и инертная массы эквивалентны. Это так называемый принцип эквивалентности, составляющий основу ОТО. Эйнштейн показал: оставаясь в некоем закрытом пространстве (закрытое купе поезда), невозможно определить, когда на тело будет воздействовать ускорение, а когда − сила тяготения.

Факт. Представим, что вы путешествуете в космосе на ракете. Как известно, на Земле действует сила тяготения, благодаря которой вы можем ходить по земле, в частности, по полу вашей ракеты. В космосе же наблюдается невесомость, и вы как бы парите в ракете. Но стоит только включить двигатели, и вас прижмет к полу ракеты, и вы вновь сможете ходить. Получается, что, если ваша ракета неподвижно стоит на поверхности Земли, вы чувствуете привычную силу, действующую на ваши ноги со стороны пола, но точно такими же будут ощущения, если вы ускоренно движетесь вверх.

Эта догадка позволила Эйнштейну прийти к пониманию того, что гравитация представляет собой искривление пространства-времени. Чтобы понять суть нового представления о гравитации, рассмотрим следующий пример: вращение Земли вокруг Солнца. Согласно ньютоновской теории тяготения, Солнце удерживает Землю на некой «привязи», которая каким-то образом мгновенно преодолевает огромные расстояния в пространстве и захватывает Землю. Эйнштейн же предложил новую концепцию того, что происходит. Он предположил, что в отсутствие материи пространство будет как бы плоским (рисунок 5.5). Но, если в пространстве присутствует массивное тело, то структура пространства вокруг этого тела искривляется (рисунок 5.6). Это аналогично той ситуации, когда мы прыгаем на батуте. Когда мы находимся в воздухе – батут выглядит гладким и плоским, но как только мы встаем на него, он проминается под нашим весом.

Рисунок 5.5 – Схематическое представление плоского пространства

70

Рисунок 5.6 – Схема искривления пространства в присутствии массивного тела

Итак, согласно Эйнштейну, пространство не является просто пассивной ареной событий во Вселенной, форма самого пространства изменяется под влиянием присутствующих в нем тел. И Земля остается на орбите вокруг Солнца потому, что катится по ложбине в искривленной структуре пространства. Земля движется не по искривленным гравитацией орбитам, она движется по линии, которая в искривленном пространстве более всего соответствует прямой в обычном пространстве и называется геодезической. Геодезическая линия – это самый короткий путь между двумя точками. Например, для жука, ползающего по глобусу, самым коротким путем из Америки в Россию будет именно по геодезической линии, хотя по прямой линии сквозь глобус было бы короче. Но дело в том, что жук может ползать только по поверхности глобуса и никак через него, при этом ему кажется, что он ползет по прямой линии. Именно этот принцип используют диспетчеры аэропортов, направляя самолеты по геодезическим линиям, поскольку это самый короткий путь между двумя аэропортами.

Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям. (Понаблюдайте за самолетом над холмистой местностью. Сам он летит по прямой в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности Земли).

Но и лучи света тоже должны следовать геодезическим линиям в пространстве-времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Скорость света в областях, близких к источнику гравитационного поля, меньше скорости света в областях, удаленных от источника тяготения (рисунок 5.7). Чем сильнее гравитационное поле на пути света, тем медленнее распространяется свет (например, вблизи черных дыр).

71

Рисунок 5.7 – Схема распространения световой волны вблизи источника гравитационного поля

До 1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее на ней никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны.

В общей же теории относительности ситуация совершенно иная. Пространство и время рассматривается как динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что проис ходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

В заключение хочется отметить, что на сегодняшний день никакие эксперименты на современном оборудовании не выявили отклонений от общей теории относительности.

Эмпирические доказательства ОТО:

-отклонение световых лучей вблизи Солнца;

-замедление времени в гравитационном поле;

-смещение перигелиев планетных орбит.

Факт. Первые эксперименты по измерению отклонения луча света вблизи Солнца были проведены во время солнечного затмения в 1919 г. и подтвердили предсказание А. Эйнштейна, сделанное четырьмя годами ранее.

В 1976 г. на высоту 104 км на ракете были подняты водородные часы, точность хода которых составляет 10-15 с. На Земле оставили точно такие же часы, предварительно синхронизировав с улетевшими часами. Через два

72

года часы вернули и сравнили показания, разность 4,5·10-10 с совпала с расчетной по ОТО, с точностью 0,02 %.

Наблюдения также показывают, что за 100 лет перигелий Меркурия поворачивается на 5600" (угловых секунд), где 5025" это поворот самой системы отсчета, а 575" это динамическое смещение, обусловленное влиянием объектов Солнечной системы.

73