ЗАГАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ ЕЙНШТЕЙНА

Річ, вміщеній будучи, як в Аш-два-О, в простір, зневажаючи ризик, простір жадає витіснити; але ваш очей на підлозі не помічає бризок простору ...

І. Бродський

Згідно з уявленнями Ейнштейна, взаємне тяжіння речових тіл один до одного обумовлено тим дією, яке присутність речовини надає на чотиривимірний просторово тимчасової континуум (далі в тексті ПВК).

У класичному природознавстві апріорі визнається, що матеріальні тіла можуть рухатися в просторі і в часі, не надаючи будь-якого впливу на них. Є сцена - простір і час, і є актори - речовини у всіх формах і проявах процесів перетворень. Фон або сцена залишаються байдужими до розвитку дії.

Революційна ідея Ейнштейна полягала в своєрідному поєднанні акторів і сцени, у впливі речовини на геометричні характеристики чотиривимірного континууму. Всі ми - істоти тривимірні, і нам важко (навіть на інтуїтивному рівні) уявити собі континуум чотирьох вимірів. Знову в якійсь мірі може допомогти аналогія з плоскатікамі, або тінями на поверхні.

Ми легко будемо бачити всі процеси як двомірного світу, гак і тривимірного. А для плоскатіков буде дуже важко уявити собі тривимірний світ, так як їх понятійний апарат вироблений для простору з двома тільки вимірами. Після такого необхідного вступу розберемо один з парадоксів світу плоскатіков.

Нехай два масивних, але плоских об'єкта рухаються строго на північ по поверхні сфери (рис. 51). Очевидно, що відстань 5 між ними буде безперервно скорочуватись.

Схема руху двох плоских об'єктів по меридіанах

Мал. 51. Схема руху двох плоских об'єктів по меридіанах

При русі кожного об'єкта за своїм меридіану плоскагікі помічають взаємне зближення в напрямку, який перпендикулярно напрямку їх переміщення. 1 В кінцевому рахунку щоб нс зіткнутися, їм доведеться використовувати якусь силу, наприклад силу тяги плоскомобілей, в яких вони подорожують. Плоскатікі будуть переконані, що об'єктивно існує сила їх взаємного тяжіння. Нам же очевидна інша причина зближення - кривизна поверхні сфери. Ми бачимо це тому, що перебуваємо в просторі з більшою розмірністю.

Таким чином, якщо вважати силою будь-яку причину зміни стану руху об'єктів, кривизна простору грає роль, еквівалентну силі. Загальна теорія відносності стверджує, що причиною гравітаційного тяжіння всіх тіл є кривизна чотиривимірного простору-часу. Математичний опис ОТО дається на мові тензорного обчислення, досить складного для того, щоб приводити конкретні формули.

Спотворення виникають внаслідок самого факту присутності маси.

За образним висловом одного з американських вчених Дж. Уиллера, «речовина диктує простору, як йому викривлятися, а викривлений простір вказує речовини, як йому рухатися в ньому».

Якщо величезна маса речовини знаходиться в обертальному русі, то навколишній простір нс тільки «розтягується», а й закручується. Таке комплексне спотворення простору-часу особливо помітно навколо надмасивних чорних дір, які знаходяться в центрах багатьох галактик. Але і обертання Землі позначається на геометричних характеристиках простору навколо неї. У 2007 р група вчених з НАСА (США) виявила закручування простору по слабких ефектів в русі супутника Землі (див. Рис. 52).

Деформація простору Землею

Мал. 52. Деформація простору Землею

Загальна теорія відносності (ЗТВ) Ейнштейна постулює неможливість відрізнити рух тіла в полі гравітації від руху по інерції. Це означає еквівалентність інерційної і гравітаційної мас, що неявно передбачалося і в динаміці Ньютона. Слід зазначити, що не всі згодні з точкою зору Ейнштейна на природу тяжіння. Так, академік А. Логунов вважає, що чотиривимірний простір завжди залишається плоским, а сили тяжіння виникають як наслідок релятивістських ефектів. Причини сумнівів, що наводяться А. Логунова, поважні.

Справа в тому, що поняття енергії та імпульсу важливі в зв'язку з законами їх збереження. У класичному природознавстві, відповідно до теореми Нетер, для плоского ПВК збереження енергії визначається однорідністю часу, збереження імпульсу визначається однорідністю простору, збереження моменту імпульсу визначається ізотропності простору. Очевидно, що для викривленого простору-часу немає більше изотропности і однорідності, так як кривизна може змінюватися від точки до точки. Звідси виникають сумніви: чи існують взагалі в ОТО закони збереження енергії-імпульсу?

Сам А. Ейнштейн допускав незбереження енергії локально, але так щоб в макропределах закони збереження відновлювалися. Полеміка з цього приводу не привела до однозначності, питання залишається дискусійним для сучасного природознавства.

Емпіричні докази правильності висновків ОТО:

  • • відхилення променя світла в поле тяжіння Сонця;
  • • зміщення перигелію орбіти Меркурія;
  • • зміна частоти електромагнітної хвилі в поле тяжіння.

Перше з прямих свідчень на користь ОТО було отримано при

спостереженні Едінгтон одного з чергових повних затемнень Сонця в 1919 року (див. рис. 53). Пізніше була встановлена прецесія, додаткове обертання орбіти Меркурія при зверненні планети навколо Сонця, параметри якої узгоджувалися з передбаченнями ОТО. Нарешті, вже в наші роки були виконані експерименти по вимірюванню малих змін частоти електромагнітних випромінювань при їх поширенні вгору, в порівнянні з випадком їх руху вниз, в гравітаційному полі Землі.

Зсув променя світла і прецесія орбіти Меркурія

Мал. 53. Зсув променя світла і прецесія орбіти Меркурія

Ще один приклад. Внаслідок швидкого руху супутників глобальної системи GPS бортові годинник повинні відставати від земних на 7 мкс на добу. Але менша сила земного тяжіння на орбіті змушує їх йти вперед на 45 мкс / добу. В результаті для отримання точних GPS'- даних необхідно вводити в показання бортового годинника поправку на 38 мкс / добу.

Загальна теорія відносності залишила слід і в гуманітарній культурі. Так, у фільмі 3. Рибчинський «Четвертий вимір» в динаміці показано, як людина могла б сприймати спотворення простору масивними тілами (кадр зліва) і бачити Непрямолінійність рух тіл, включаючи саму людину (рис. 54). В такому просторово спотвореному світі всі предмети і частини тіл рухалися б по криволінійних шляхах.

Кадри з фільму «Четвертий вимір»

Мал. 54. Кадри з фільму «Четвертий вимір»

Якщо просторовий розподіл маси речовини змінюється з плином часу, то повинно виникати динамічне гравітаційне поле. Як і для поля електромагнітного, більш просте математичне опис виходить для граничного випадку, коли точка спостереження знаходиться на далекій відстані від джерела хвиль. Гравітаційні хвилі - поперечні. Будучи передбаченими А. Ейнштейном у загальній теорії відносності, вони до сих пір безпосередньо нс виявлені. Однак непрямим чином вони були ідентифіковані в русі подвійних зірок. Протягом більше десяти років спостерігали відставання фази затемнення одного з пульсарів (швидко обертається нейтронної зірки) зіркою-супутником.

Відставання виникає через втрати енергії системи двох зірок на гравітаційне випромінювання. Спостережувані дані, наведені у вигляді точок на графіку, добре узгоджуються з розрахунками втрат енергії по теорії Ейнштейна (суцільна крива лінія на рис. 56).

Результати спостережень зсуву фази

Мал. 56. Результати спостережень зсуву фази

Тому існування динамічних гравітаційних полів особливих сумнівів у фізиків не викликає, вони довіряють надійним непрямими даними. Тепер необхідно пряме експериментальне спостереження динамічних полів гравітації.

Перша антена гравітаційних хвиль у вигляді двох алюмінієвих циліндрів була побудована на початку 60-х рр. Дж. Вебером в США. Чутливість їх, як і пізніших сапфірових антен, зроблених в Росії колективом фізиків МДУ під керівництвом В.Б. Брагінського, виявилася недостатньою. В даний час розроблені інженерні проекти лазерно-інтерференційних гравітаційних обсерваторій (проекти LIGO, VIRGO, LISA). Абревіатура LIGO означає в перекладі на російську мову «лазерна інтерферометрична гравітаціонно- хвильова обсерваторія». Призначення LIGO - спостереження гравітаційних хвиль космічного походження. LIGO буде шукати гравітаційні хвилі, породжені процесами вибухів наднових зірок, на місці яких утворюються нейтронні зірки і чорні діри.

На пошуки гравітаційного випромінювання націлений і супутниковий проект LISA (лазерно-інтерферометрична супутникова антена). Космічна антена буде розташована на тій же орбіті навколо Сонця, що і Земля. У ній, як і в антенах LIGO і VIRGO, будуть використані дзеркала (центральний елемент в супутниках) і лазерний інтерферометр для вимірювання їх малих відносних коливань (амплітуда 10 " 9 см при відстані між дзеркалами в 5 млн км).

На завершення глави 4 відзначимо кілька важливих для сучасного природознавства моментів.

  • 1. В еволюції природознавства простежується співіснування двох концепцій простору, часу і руху - субстанціональної та реляційної. Класичне природознавство засноване на першій з названих. У ньому первинні тривимірний простір і одномірне час, як незалежні компоненти. Речовина не впливає на ці однорідні і високосімметрічние середовища (субстанції). Маса тіла є мірою речовини, інертності і гравітаційної взаємодії.
  • 2. Розвитком ідеї незалежності всіх процесів руху від вибору системи відліку стала спеціальна теорія відносності. У пий показано, що класичний поділ спільного простору-часу при великих швидкостях руху не допустимо. Світ виявляється чотиривимірним континуумом, в якому час є рівноправна складова, симетрична просторовим координатам. У цьому чотиривимірному світі виконуються закони збереження енергії-імпульсу, збільшення інтервалів часу між причинно-пов'язаними подіями і зменшення поздовжніх розмірів тіл.
  • 3. Загальна теорія відносності вносить ще більш значущі концептуальні зміни в розуміння зв'язку простору-часу з рухом масивних тіл. Можна знайти єдність і самосо- гласованіе процесу руху тіл і змін геометричних характеристик (метрик) просторово-часового континууму. Оскільки спотворення ПВК надають дію еквівалентну силі класичної фізики, то можна говорити про геометризації природи гравітаційних сил. Біля об'єктів всесвіту з величезною масою (Черних дір) простір в максимальному ступені спотворюється і закручується, а протягом часу сповільнюється.
  • 4. Очевидно, що загальна теорія відносності ближче до реляційної концепції, що зв'язує протягом (і вимір) часу із загальним рухом матеріального світу. Вона виявляється співзвучною уявленням античних натурфілософів. Зокрема, нагадаємо про роль «місця» простору у Аристотеля (див. П. 4.1). Він вважав, що воно може надавати силову дію на тіло. Як і у Платона, в ОТО простір «матеріалізується», оскільки на матеріальні тіла дію надають тільки матеріальні субстрати.
  • 5. Квантові аспекти теорії простору-часу виражаються в можливості прояву в нашому тривимірному світі деяких ефектів, пов'язаних з більш високими просторовими вимірами.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

  • 1. Наведіть в робочому зошиті приклад ситуації з Вашого життя, в якій час «пролетів» непомітно для Вас, і протилежний приклад.
  • 2. Наведіть приклад процесу, який може бути описаний і як рух об'єкта, і як зміна стану системи з його участю.
  • 3. Перевірте виконання общеметодического принципу науки про відповідність двох теорій (більш загальної і приватної), отримавши формулу уповільнення часу (23) для випадку малих швидкостей руху ( U «c).
  • 4. При малій швидкості руху час життя пі-плюс-мсзона від народження до розпаду становить 26 нс. Розрахуйте за формулою (23), яким буде час життя цього мезона в складі космічних променів, де швидкість мезона складає U = 0,9с.
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >