Общая теория относительности

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Общая теория относительности (ОТО) — это теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО) и опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках ОТО, как и в других теориях тяготения, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

Классическая теория тяготения Ньютона («сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы, разделёнными расстоянием, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними») несовместима с фундаментальным принципом СТО  — инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта.

Поэтому Эйнштейн начал поиск теории тяготения, которая была бы совместима с данным принципом. Результатом этого поиска явилась ОТО, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

В механике существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Эти две массы измеряются в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными, а тем более — пропорциональными друг другу. Однако их экспериментально установленная строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу. Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности.

Часто неправильно считают, что в основе ОТО лежит сильный принцип эквивалентности (принцип равенства гравитационного и инерционного поля): «достаточно малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время СТО».

Исторически этот принцип эквивалентности сыграл большую роль в становлении ОТО и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в окончательной форме теории он не содержится, так как пространство-время в СТО является неискривлённым — плоским, а в ОТО оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Важно отметить, что основным отличием пространства-времени ОТО от пространства-времени СТО является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени СТО этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

Кривизну пространства-времени по ОТО можно объяснить следующим образом: если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий или расхождением траекторий тел. Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение обусловлено кривизной мембраны. Аналогично, в пространстве-времени девиация геодезических линий связана с его кривизной.

ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая многими наблюдениями и экспериментами, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение.

Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний ОТО — существования чёрных дыр.

Таким образом, до сих пор надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. На сегодняшний день построено много теорий, альтернативных ОТО, но они либо не закончены, либо имеют внутри себя неразрешённые парадоксы. Также подавляющее большинство из них обладает огромным недостатком, который вообще не даёт возможности говорить о них как о «физических теориях», — они не фальсифицируемы, то есть не могут быть проверены экспериментально.

Литература

1.      Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания. − М.: Высшая школа, 1998. – 383 с.

2.      Кузнецов Б.Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие — 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1980. – с.

3.      Меллер К. Теория относительности. - М.: Атомиздат, 1975. -  400 с.