Общая теория относительности

Теория тяготения Ньютона построена на принципе дальнодействия, предполагающем мгновенное распространение гравитационных сил. А СТО базируется на представлении, что никакое воздействие не может превышать скорость света в вакууме (нужна бесконечная энергия).

ОТО (1916) явилась результатом распространения СТО на неинерциальные системы отсчета (НСО) - СО, движущиеся с ускорением. СТО, как и классическая физика, формулирует физические закономерности только для инерциальных систем отсчета (ИСО), которые движутся прямолинейно с постоянной скоростью. Именно в них соблюдаются принцип инерции, принцип относительности и законы механики. Принцип инерции, сформулированный Галилеем, утверждает, что в отсутствие внешних воздействий тело покоится или движется прямолинейно и равномерно (принцип Аристотеля: тело движется только под воздействием).

Таким образом, в центре внимания ОТО оказалось понятие НСО. В НСО не выполнялись ни принцип инерции, ни законы механики. Задачей физики стало распространение ее законов на НСО.

Существовали две точки зрения на причины инерциальных сил в ускоренных системах. Ньютон считал, что таким фактором является абсолютное пространство, Э.Мах – действие общей массы Вселенной. Эйнштейн усмотрел такой фактор в эквивалентности сил инерции и сил тяготения (инертной и гравитационной масс). Он пришел к выводу, что гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным системам только в случае, если пространство-время является искривленным. С точки зрения ОТО кривизна пространства-времени определяется полем тяготения. При этом искривление определяется не только массой вещества, но и энергией, которой оно обладает (энергия также обладает массой). Гравитация представляет собой искривление пространства-времени. Поле тяготения является отклонением свойств пространства-времени от идеального (евклидова).

Эйнштейн пришел к выводу, что реальное гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным СО, если пространство-время является искривленным, т.е. неевклидовым.

Описание тяготения принципиально меняется. По Ньютону движение тела есть движение под действием тяготения, по Эйнштейну свободное движение в искривленном пространстве-времени. Геодезической (кратчайшей) линией является движение луча света.

Выводы ОТО дискредитировали понятие абсолютного пространства-времени. ОТО показала зависимость пространственно-временных отношений от распределения материальных масс. Материя влияет на свойства пространства и времени. Например, на Солнце время течет медленнее, чем на Земле.

Существуют два независимых способа определения массы тела – согласно второму закону динамики и закону всемирного тяготения. Они показывают поразительную закономерность – количественное тождество гравитационной и инертной масс (в ХХ веке точность опытов достигла10^-12). Их равенство означает, что тяготение и инерция есть одно и то же явление. Эйнштейн показал, что нельзя отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Силы инерции в ускоренной СО эквивалентны гравитационному полю. Например, наблюдатель в закрытом лифте не сможет определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения.

Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют систему 10 уравнений. Они в классическом приближении переходят в закон Ньютона. ОТО углубляет понятие поля, связывая понятия гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн.

Первый успех ОТО заключался в объяснении открытой в 1859 году (и непонятной с точки зрения классической теории гравитации) дополнительной скорости движения перигелия (ближайшей к Солнцу точки орбиты) Меркурия около 43 секунд за столетие. Оказалось, что прецессия (вращение) орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным полем Солнца.

ОТО предсказала искривление луча света в гравитационном поле (в ньютоновской теории гравитации этого не должно быть, так как свет, согласно классическим представлениям, не обладает массой). Предсказала замедление времени в гравитационном поле или, что то же самое, красное смещение спектральных линий (СТО, например, предсказывает замедление времени только для НСО).

Проблемы ОТО: интерпретация тензора энергии-импульса, существование гравитационной энергии и др. К тому же математический аппарат ОТО настолько сложен, что почти все задачи, кроме простейших, оказываются неразрешимыми.

Согласно ОТО Вселенная может выглядеть как микрочастица. Такие объекты академик М.А.Марков назвал фридмонами.

Кроме того, теория Эйнштейна не отвечает на вопросы: почему пространство трехмерно, время однонаправлено, максимальная скорость физических процессов не должна превышать скорости света?

К концу ХХ века создано более 20 альтернативных теорий гравитации. Некоторые из них, как и ОТО, исходят из геометрического толкования гравитации, другие – из понятия поля в плоском гравитационном пространстве-времени, третьи не учитывают тождества гравитационной и инерционной масс и т.д. Ни одна из этих теорий не предсказывает отличных от ОТО новых экспериментов, не обладает эстетической привлекательностью, простотой и эвристичностью. На основе ОТО создана релятивистская космология, разработана программа единой теории поля.

Поиск по сайту: