ФИЗИКА

1.5.4. Общая теория относительности

Рассмотрим очень коротко вопрос об общей теории относительности. Она представляет собой современную релятивистскую теорию гравитации.

В теории тяготения Ньютона сила F = G ⋅ m1 ⋅ m2 / r2 действует мгновенно. Но если сила действует мгновенно, то это означает, что сигнал, или энергия, мгновенно передаются от массы m1 массе m2. Тем самым нарушается одно из основных положений теории относительности: ни один сигнал, так же как и ни один из видов энергии, не может распространиться со скоростью, превышающей скорость света. Таким образом, Эйнштейн столкнулся с проблемой формулировки релятивистской теории тяготения. Он считал, что его новая теория должна удовлетворять принципу относительности и автоматически приводить к эквивалентности гравитационной и инертной массе. Это убеждение позволило Эйнштейну постулировать так называемый принцип эквивалентности. Этот принцип гласит, что действие гравитационного поля эквивалентно ускорению движущейся системе отсчёта. Например, в самолёте, набирающем высоту с ускорением, пассажир испытывает ощущение, что внезапно увеличилась сила тяжести. В ракете, стартующей с поверхности Земли с ускорением α = 2g, на пассажира и все предметы действует сила тяжести, втрое превышающая обычное значение. Эта сила «псевдогравитации» в точности пропорциональна инертной массе. Ни один физический эксперимент на ракете не может ответить на вопрос, возросла ли втрое сила тяжести за счёт внезапного увеличения земного притяжения или же ракета стала ускоренно двигаться относительно Земли.

В общей теории относительности любая масса «возмущает» пространство вокруг себя, в результате чего все тела будут двигаться по траекториям, искривлённым в окрестности возмущающей массы, таким образом, что они приближаются к ней. Уравнения Эйнштейна связывают величину кривизны траекторий с интенсивностью (или массой) источника гравитации.

На классическом языке мы должны были бы сказать, что любое тело, движущееся по искривлённой траектории, будет ускоряться и, следовательно, испытывать действие некоторой силы. В общей же теории относительности это ускорение – свойство пространства, которым объясняется явление гравитации. Поскольку «возмущено» само пространство, все инертные массы будут подвержены одному и тому же воздействию, и принцип эквивалентности удовлетворится автоматически.

Из общей теории относительности следует ряд предсказаний. Одно из них связано с увеличением длины волны при излучении света массивным телом. Этот эффект называется гравитационным красным смещением. Он наблюдается в спектральных линиях Солнца и массивных звёзд.

Как и следовало ожидать, общая теория относительности предсказывает замедление любых часов в гравитационном поле. Например, если пара одинаковых часов на Земле расположена на различной высоте на расстоянии друг от друга по вертикали, скажем 1 м, то нижние часы будут идти медленнее, причём это различие составляет 10-16. Впервые стандарты частоты такой точности были созданы в 60-х годах ХХ века на основе эффекта Мёссбауэра; в них используются фотоны, излучаемые радиоактивными ядрами железа 26Fe57, внедрёнными в кристалл. С их помощью в Гарвардском университете на 20-метровой башне удалось продемонстрировать замедление времени, обусловленное гравитацией.

Ещё один эффект, предсказываемый общей теорией относительности – искривление в направлении центра Солнца светового луча, проходящего вблизи его поверхности. Теория позволяет вычислить гравитационную силу, действующую между Солнцем и фотоном, движущимся со скоростью света. Лишь во время солнечных затмений можно видеть звёзды, чьё кажущееся расположение на небосводе близко к краю Солнца. Наблюдаемые положения этих звёзд действительно сдвинуты на величину, предсказываемую теорией Эйнштейна.

Наконец, общая теория относительности предсказывает рождение во Вселенной «чёрных дыр». Под таким объектом понимается такой звёздный объект, поверхность которого не может покинуть ни свет, ни какой-либо другой сигнал. Такая звезда должна внезапно полностью и навсегда исчезнуть из поля зрения. Тем не менее окружающие её объекты будут по-прежнему испытывать на себе влияние гравитационного поля такой звезды, и приблизившееся к ней извне облако газа, начнёт сжимать и нагреваться, а, следовательно, согласно общей теории относительности, будет излучать гравитационные волны. В настоящее время созданы детекторы гравитационных волн, достаточно чувствительные для обнаружения эффекта, связанного со сверхновыми.

Общая теория относительности играет центральную роль в разделе астрофизики, называемой космологией. Космология изучает вопросы, связанные с происхождением, размерами и строением Вселенной. К этим вопросам относятся следующие: конечны или бесконечны размеры Вселенной? Увеличиваются ли они? Как и когда сформировалась наша Солнечная система и Галактика? Много ли имеется Галактик и как они распределены во Вселенной? Откуда они взялись, и что представляла собой Вселенная, до того как эти галактики образовались? Для того, чтобы изучать космологию, нужно познакомиться помимо теории относительности также и с ядерной физикой…

к к к