Общая теория относительности: распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета

13

определить, движется или покоится данное тело относительно этого 

пространства. Дальнейшее развитие физики привело  к отказу от представления о существовании  такой «абсолютной» системы отсчета; последним ее остатком был эфир. Но как же все-таки быть с законом  инерции? 
  
Опыт показывает, что все тела, освобожденные от действия внешних сил, движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Отсюда вытекает, что существуют системы отсчета, в которых закон инерции допускает ньютоновскую формулировку — свободное тело движется с постоянной скоростью. Такие системы отсчета называются инерциальными. Нетрудно понять, что две инерциальные системы отсчета движутся одна относительно другой равномерно и прямолинейно. Все другие системы отсчета будут неинерциальными характерной их особенностью является кажущееся нарушение закона инерции. Так, например, относительно Земли Солнце движется по окружности; в то же время не существует сил, которые заставляют его отклоняться от прямолинейного движения. Стало быть, в системе отсчета, связанной с Землей, ньютоновская формулировка закона инерции теряет силу. 

Распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета.

Использование неинерциальных систем в ОТО внутренне противоречиво. Действительно, во вращающейся системе  достаточно удаленные объекты будут  двигаться со скоростью, большей  скорости света, а ведь СТО и ОТО  утверждают, что видимые скорости должны быть меньше . Однако, экспериментальный факт: фотография неба с вращающейся Земли

 

14

показывает, что наблюдается  видимое твердотельное вращение

(классическое). Использование  вращающейся системы (например, Земли)  не противоречит классической  физике при любом расстоянии  объекта от центра, в то время  как в ОТО величина компоненты  становится отрицательной, а это  недопустимо в данной теории.

Общепринятое мнение: "Вещество и пустое пространство - наполненное  и пустота - представляют собой два  фундаментально различающихся понятия, на которых построен атомизм Демокрита  и Ньютона. В общей теории относительности  эти два понятия превращаются в одно. Массивное тело не может  существовать, не создавая гравитационного  поля, проявляющего себя в искривлении  окружающего это тело пространства. Не следует, тем не менее, считать, что  поле "наполняет" пространство, и  тем самым искривляет его. Одно не может быть отдельным от другого: поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности  гравитационное поле и структура, или  геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует  одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна  вещество не мыслится вне этого гравитационного  поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные  понятия и даже более того, - как  взаимосвязанные частицы единого  целого".

Пространство и время представляют собой формы, выражающие определенные способы координации материальных объектов и их состояний. Содержанием этих форм является движущаяся материя, материальные процессы, и именно особенности и характер последних определяют их основные свойства. Кроме того, наличие у пространства и времени единого содержания - движущейся материи - указывает и на взаимосвязь между самим пространством и временем, на невозможность их существования

15

абсолютно независимо друг от друга.

Теория относительности включает в себя две генетически связанные  теории: специальную теорию относительности (СТО), основные идеи которой были сформулированы А.Эйнштейном в 1905 г., и общую теорию относительности (ОТО), работу над которой  А. Эйнштейн закончил в 1916 г.

СТО возникла как результат попыток  А. Эйнштейна распространить действие физического принципа относительности, известного еще со времен Галилея, на законы электродинамики, которые рассматривались  как противоречащие последнему. Эйнштейн справился с этой задачей, но цена, которую он был вынужден заплатить  за обобщение принципа физической относительности  и распространение его на все  законы физики, заключалась в пересмотре ньютоновских пространственно-временных  представлений. СТО показала, что  многие пространственно-временные  свойства, считавшиеся до сих пор  неизменными, абсолютными, фактически являются относительными. Так, в СТО  утратили свой абсолютный характер такие  пространственно-временные характеристики, как длина, временной интервал, понятие  одновременности. Все эти характеристики оказались зависящими от взаимного  движения материальных объектов.

Если в СТО принцип относительности  был связан только с инерциальными  системами отсчета, то общая теория относительности явилась результатом  распространения действия принципа относительности и на неинерциальные системы отсчета. Это в свою очередь  привело к установлению тесной зависимости  метрических свойств пространства-времени  от гравитационных взаимодействий между  материальными объектами. В СТО  было установлено, что геометрические свойства пространства-времени зависят  от распределения в них гравитационных масс. Вблизи тяжелых объектов геометрические свойства пространства начинают отклоняться  от эвклидовых, а темп течения времени  замедляется.

 

16

Основное философское значение теории относительности состоит  в следующем:

1. Теория относительности исключала  из науки понятия абсолютного  пространства и абсолютного времени,  обнаружив тем самым несостоятельность  субстанциальной трактовки пространства  и времени как самостоятельных,  независимых от материи форм бытия.  
2. Она показала зависимость пространственно-временных свойств от характера движения и взаимодействия материальных систем, подтвердила правильность трактовки пространства и времени как основных форм существования материи, в качестве содержания которых выступает движущаяся материя.

3. Теория относительности нанесла  удар субъективистским, априористским  трактовкам сущности пространства  и времени, которые противоречили ее выводам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Говоря о  том, что теория относительности  подтвердила понимание пространства и времени как коренных форм существования  материи, нельзя думать, что теория относительности положила конец  философским спорам об истолковании пространства и времени. Решив одни проблемы, теория относительности поставила  другие. Философские споры вокруг теории относительности возникли сразу  же при ее создании и не утихают  по настоящее время. Ряд философски мыслящих ученых попытались развить  субъективистские версии трактовки  пространства и времени, опираясь на теорию относительности. Связь пространства и времени с тяготением была истолкована  как их полная тождественность, что  привело к попыткам геометризации  всех других видов физических полей (основание для такой трактовки  физических полей дал сам А.Эйнштейн). Такой подход к пониманию сущности пространства и времени ведет  к пониманию пространства и врмени как исходной физической реальности, исходной субстанции, которая порождает, обусловливает все физические свойства реального мира.

 

 

 

 

 

 

 

 

• Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности

Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности  лежит принцип эквивалентности  гравитационного и инерционного поля, который обычно формулируют  так:

«Достаточно малая по размерам 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  специальной теории относительности».

Иногда тот же принцип  постулируют как «локальную справедливость специальной теории относительности» или называют «сильным принципом  эквивалентности».

Исторически этот принцип  действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности  и использовался Эйнштейном при  её разработке. Однако в самой окончательной  форме теории он на самом деле не содержится, так как пространство-время  как в ускоренной, так и в  исходной системе отсчёта в специальной  теории относительности является неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление  вызывает гравитационное притяжение тел.

Ещё раз подчеркнём: основным отличием пространства-времени общей  теории относительности от пространства-времени  специальной теории относительности является его искривление, кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени специальной теории относительности этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

Аналогичным образом не совсем корректным является и само название «общая теория относительности». Она  является лишь одной из множества  теорий гравитации, рассматриваемых  физиками сейчас, в то время как  специальная теория относительности  является практически общепринятой научным сообществом и составляет краеугольный камень базиса современной  физики.

• Основные следствия ОТО

Согласно с принципом соответствия в слабых гравитационных полях предсказания общей теории относительности воспроизводят результаты применения Ньютоновского закона всемирного тяготения с небольшими поправками, которые растут по мере увеличения напряжённости поля. Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой проверки:

Дополнительный сдвиг  перигелия орбиты Меркурия по сравнению  с предсказаниями по механике Ньютона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В отличие от любых  неинерциальных систем гравитационное поле обладает уникальным свойством: все  движущиеся объекты отклоняются  в нем к одному центру. Если запустить  два луча между двумя идеальными параллельными зеркалами перпендикулярно  к зеркалам, то в инерциальной системе  они будут бесконечно двигаться  параллельно друг другу. Аналогичная  ситуация будет при ускорении  в неинерциальной системе, если зеркала  ориентированы перпендикулярно  направлению ускорения. Напротив, в  гравитационном поле при аналогичной ориентации зеркал лучи начнут сближаться. И уж если какой-то эффект будет измерен за время наблюдения, то, вследствие большой величины скорости света, наличие именно гравитационного поля (а не неинерциальность) также может быть идентифицировано. Очевидно, что учитывать искривление зеркал не следует, так как кроме гравитационных сил существуют другие силы, которые могут удерживать взаимную конфигурацию зеркал. Отличие сферической симметрии от плоской может быть установлено и для слабых гравитационных полей. Вывод ОТО о возможности исключения гравитационного поля для некоторой инерциальной системы в течение всего времени наблюдения в общем случае неверен.

Принцип эквивалентности  гравитации и ускорения может  иметь отношение только к одной  точке пространства, то есть нереален: это, например, уже приводило к  неверному вычислению отклонения луча света в поле тяготения (только потом  Эйнштейн подправил коэффициент  в два раза). Принцип эквивалентности  инертной и тяжелой масс в ОТО  может быть строго сформулирован  тоже только для одного отдельного тела (так как ОТО включает взаимосвязь  пространства-времени и всех тел, то он нереален в ОТО). Поэтому физически  ОТО не может иметь предельного  перехода ни к одной нерелятивистской теории (а лишь формально математически). Все линейные преобразования СТО  и ОТО относятся к пустому  пространству, так как реальные тела (даже в качестве реперных точек) вносят нелинейности в свойства пространства. Поэтому различие явлений при  переходе в другую систему отсчета  должно изучаться строго в одной  точке пространства и времени. Но как в одну точку поместить  двух разных наблюдателей? Следовательно, все задачи СТО и ОТО могут  носить только приближенный модельный  характер (без глобализма). Когда говорят, что форма уравнений зависит от свойств пространства-времени, то в этом есть некоторая спекуляция. Создается впечатление, что мы как-то можем изменить это самое пространство-время для проверки данной зависимости. На самом деле мы имеем Вселенную в единственном числе. Попытка ОТО усложнить любое частное (локальное) явление добавлением сложности всей Вселенной не является позитивной для науки. Другое дело выбор локальных координат для математического описания локального явления (в этом случае конкретные симметрии явления упрощают описание), и глобализм опять ни при чем. Использование неинерциальных систем в ОТО внутренне противоречиво. Действительно, во вращающейся системе достаточно удаленные объекты будут двигаться со скоростью, большей скорости света, а ведь СТО и ОТО утверждают, что видимые скорости должны быть меньше . Однако, экспериментальный факт: фотография неба с вращающейся Земли показывает, что наблюдается видимое твердотельное вращение (классическое). Использование вращающейся системы (например, Земли) не противоречит классической физике при любом расстоянии объекта от центра, в то время как в ОТО величина компоненты становится отрицательной, а это недопустимо в данной теории.