ЗАГАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ ПРО ПРОСТІР І ЧАС

Був цей світ глибокою пітьмою оповитий.

Да буде світло!

І ось з'явився Ньютон.

Але сатана недовго чекав реваншу.

Прийшов Ейнштейн - і стало все, як раніше.

А. Еддінгтон

В історії науки відомі дві концепції простору: простір незмінне як вмістилище матерії (погляд Ньютона) і простір властивості якого пов'язані з властивостями тіл, що знаходяться в ньому (взгля Лейбніца). Відповідно до теорії відносності будь-яке тіло визначає геометрію простору.

Виникає питання, що станеться, якщо замість інерціальних систем взяти інші системи відліку, наприклад рухомі з прискоренням? Відпові на нього дає загальна теорія відносності, яка називається тому що узагальнює приватний, або спеціальний принцип відносності. Ет дивовижна теорія була створена Ейнштейном протягом десяти років послідували за створенням спеціальної теорії відносності (перио з 1905 по 1917 г.). Чому такий фундаментальний принцип, яким є принцип відносності, повинен бути застосовний лише до інерціальним системам? Чи не варто слідом за відмовою від абсолютного часів відмовитися від особливої ролі інерційних систем відліку? З подібні сумнівів і виросла в кінцевому рахунку загальна теорія відносності представляє собою (в порівнянні зі спеціальною теорією відносності) наступний і притому дуже суттєвий крок вперед в понимани фундаментальних проблем, пов'язаних з простором і часом.

Згідно з другим законом Ньютона сила = інертна маса х прискорення, а відповідно до закону всесвітнього тяжіння сила = важка маса х напруженість поля тяжіння.

важка маса

Таким чином, прискорення = -х напруженість нуля

тяжіння. "У інертна маса

Наступ стану невагомості при вільному падінні обумовлено досить важливим фізичним чинником, а саме рівністю інертною і гравітаційної (важкої) маси тіла. Інертна маса характеризує інертні властивості тіла, а гравітаційна маса - силу, з якою тел притягуються за законом Ньютона. Як їх зв'язати? Наприклад, прискорено рух ліфта в нулі тяжіння існує для зовнішнього спостерігача для внутрішнього ж спостерігача в ліфті є спокій. Але їх співвідношення, тобто поле тяжіння, що робить опис в обох системах Координа можливим, ґрунтується на одній дуже важливій опорі, званої принципом еквівалентності. Принцип еквівалентності полягає в твердженні, що в деякій системі відліку важка і інертна маса еквівалентні. Еквівалентність важкої і інертною мас означає, як можна бачити вище, еквівалентність прискорення і поля тяжіння. Такий би шлях Ейнштейна до принципу еквівалентності - центральному стрижні загальної теорії відносності.

У спеціальній теорії відносності властивості простору і часу розглядаються без урахування гравітаційних полів. Вони не є інерційних. Із загальної теорії відносності маси, створюють підлогу тяжіння, викривляють простір і змінюють протягом часу. Мас змінює структуру самого простору - воно ніби викривляє його, справи найкоротшим відстанню вже не пряму, а криву лінію. Підкреслимо, чт тут тяжіння - не причина кривизни простору, це і є сама кривизна. Чим сильніше поле, тим повільніше плине і час в порівнянні з плином часу поза полем. Тяжіння залежить не тільки від розподілу мас в просторі, але і від їх руху, від тиску та натягу, імеющіхс в тілах, від електромагнітного і всіх інших фізичних полів. Изменени гравітаційного поля розподіляються в вакуумі зі швидкістю світла. У теорії Ейнштейна матерія, розташування і рух тяжіють мас впливають на властивості простору і часу. Кривизна простору-часу змінюється в залежності від розподілу важких мас, від величини і фавітаціонних полів. Будь-яке поле можна розглядати як простір в різних точках якого тіла ведуть себе по-різному. Залежно від що відбуваються в просторі фізичних процесів його можна охарактеризувати різними геометричними властивостями. Це робиться ін використанні геометрії простору з різною кривизною.

Протягом тривалого часу здавалося цілком природним і логічним описувати властивості простору за допомогою геометрії, найважливіші елементи якої сформулював ще на початку III ст. до н.е давньогрецький математик Евклід. У його геометрії, зокрема, сум кутів трикутника дорівнює 180 °, а на площині через кожну точку, котора не перебуває на заданій прямій, можна провести тільки одну паралельну їй пряму.

Однак плоска геометрія Евкліда виявилася окремим випадком сферичної геометрії, коли кривизна простору дорівнює нулю. Можливі випадки просторів з позитивною і негативною кривизною. Геометрія простору з позитивною кривизною характерна для сферичної поверхні, найкоротшим відстанню між двома точками якої є дуги великих кіл, пересуваючись по яким ми повернемося до вихідної точки. Такий тип геометрії розроблений в 1854 році німецьким математиком Бернгардом Ріманом. Тут сума кутів в трикутник більше 180 °. Геометрія простору з негативною кривизною имее сферичні лінії з нескінченної протяжністю. Ця геометрія розроблена в 1826 р Н.І. Лобачевским. Сума кутів в сферичному трикутнику Лобачевського менше 180 °. Неевклідової геометрії Лобачевског і Рімана дозволили пов'язати ряд фізичних закономірностей з геометричними властивостями тих чи інших областей простору.

При переході до космічних масштабів геометрія простору перестає бути евклідової і змінюється від однієї області до іншої залежно від щільності мас в цих областях і їх руху. Поблизу масивних тіл простір характеризується геометрією Рімана. У масштабах Метагалактики геометрія простору змінюється з часом внаслідок розширення Метагалактики. При швидкостях, що наближаються до швидкості світла, пр сильному полі простір приходить в сингулярне стан, тобто стискається в точку. Через це стиснення мегамир приходить у взаємодію з мікросвітом і багато в чому виявляється аналогічним йому. Класична механік залишається справедливою як граничний випадок при швидкостях, набагато менших швидкості світла, і масах, набагато менших мас в мегамире.

Один з наслідків загальної теорії відносності полягає в тому, що світло, володіючи інертною масою, втрачає енергію на подолання гравітаційного тяжіння випускає його тіла, і в тому, що втрата світло енергії означає збільшення його довжини хвилі. Цей ефект називаетсо гравітаційним червоним зміщенням. Не слід плутати червоне зміщення, яке викликане полем тяжіння, з космологічним червоним зміщенням, обумовленим розширенням Всесвіту. Гравітаційне червоне зміщення є прямим наслідком уповільнення течії часів в гравітаційних полях. Таке зміщення спостерігається в спектральних лініях Сонця і важких зірок, наприклад Сіріуса.

Таким чином, атомний годинник на поверхні Сонця йдуть повільніше тих же самих годин на Землі. Як і слід було очікувати, загальна теорія відносності пророкує, що всі годинники в поле сили тяжіння повинні сповільнювати свій хід. Якщо два абсолютно ідентичних екземпляр годинника на Землі помістити один від одного на відстані 1 м по висоті то нижні годинник будуть щомиті відставати на 10 -16 с. Вперше еталон частоти, що володіють такою точністю, були створені в 1960 р на основ явища випускання фотонів радіоактивними ядрами в кристалі. Ет явище, що дозволяє досягти такої точності вимірювання частоти, отримало назву ефекту Мессбауера. За допомогою нових еталонів частот в лабораторних умовах було показано, що сила тяжіння дійсно уповільнює час. Вперше такі експерименти були виконані в 1960 р в Гарвардському університеті.

Всього були ще три експериментальних результату, що підтверджують загальну теорію відносності і отримані кілька десятиліть тому. Це викривлення зоряного світла біля Сонця, червоний зсув в спектрах важких зірок (вище нами зазначалося) і рух перигелію планети Меркурій.

Рівність маси тяжіння і інертної маси є одним з важливих результатів загальної теорії відносності, по якій для опису законів природи вважаються рівноцінними всі системи відліків, а не тільки інерціальні. Загальна теорія відносності поширює закони природи на все, в тому числі на неінерційні системи Якщо в інерційних системах всі процеси і описують їх закон є однаковими за своєю формою, то в неінерційних система вони відбуваються по-іншому. Ми вже знаємо, що в інерціальній системі відліку світло поширюється але прямої лінійно і з постійною швидкістю с. Щодо системи відліку, що має прискорений рух, світловий промінь не буде рухатися прямолінійно, бо в цьому випадку він буде перебувати в полі тяжіння. Отже, в поле тяжіння світлові промені поширюються криволинейно. Цей результат має важливе значення для перевірки і обгрунтування загальної теорії відносності. Дл полів тяжіння, доступних нашим спостереженням, таке викривлення світлових променів занадто мало, щоб перевірити експериментально, але есл такий промінь буде проходити, наприклад, поблизу Сонця, то його відхилення можна виміряти. Вперше такі вимірювання були зроблені під час повного сонячного затемнення в 1919 р, і вони повністю підтвердили передбачення загальної теорії відносності.

Таким чином, теорія відносності показала єдність простору і часу , що виражається в спільному зміну їх характеристик в залежності від концентрації мас і їх руху. Час і просторів перестали розглядатися незалежно один від одного, і виникло уявлення про просторово-часовому чотиривимірному континуумі. Теори відносності зв'язала також масу і енергію співвідношенням Е = тс 2 , гд з - швидкість світла. У теорії відносності два закони - закон збереження маси і збереження енергії - втратили свою незалежну дру від одного справедливість і виявилися об'єднаними в єдиний закон, який можна назвати законом збереження маси або енергії. Явище анігіляції, при якому частка і античастинка взаємно знищують дру одного, і інші явища фізики мікросвіту підтверджують даний висновок.

Отже, теорія відносності грунтується на постулатах сталості швидкості світла і однаковості законів природи у всіх фізичних системах, а основні результати, до яких вона призводить такі: відносність властивостей простору-часу; еквівалентність важкої і інертно маси (відзначене ще Галілеєм наслідок, що всі тіла незалежно від і складу і маси падають в поле тяжіння з одним і тим же прискоренням) З філософської точки зору найбільш значним результатом загально теорії відносності є встановлення залежності просторово-часових властивостей навколишнього світу від розташування і руху тяжіють мас.

До XX в. були відкриті закони функціонування речовини (Ньютон) і поля (Максвелл). У XX ст. неодноразово робилися спроби створити єдину теорію поля, в якій поєдналися б речові і польові уявлення, які, однак, не мали успіху. Обща теорія відносності зв'язала тяжіння з електромагнетизмом і механікою. Вона замінила ньютонів механічний закон всесвітнього тяжіння на нульової закон тяжіння.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >