Общая и специальная теория относительности

С появлением теории относительности из физики навсегда ушли понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Веками эти величины казались извечно заданными и не зависящими от того, кто их измеряет и каким инструментом для этого пользуется. Для Исаака Ньютона эти понятия послужили той основой, на которую опирались сформулированные им законы динамики, описывающие ускорение и силу. Специальная и общая теория относительности, рожденные гением Альберта Эйнштейна, показали, что эти абсолютные понятия не существуют и законы Ньютона справедливы не всегда.

Теория относительности зиждется на простой идее относительности всякого движения. Яхтсмен тянет вымпел вверх вдоль мачты (А). Ему вымпел кажется движущимся вертикально вверх (1). Человек на берегу видит вымпел движущимся вперед и вверх (2). В то же время пассажиру авиалайнера кажется, что вымпел быстро движется прочь от самолета (3). Каждый наблюдатель описывает одно и то же движение по-разному (Б), и ни одного из них нельзя считать истинно «покоящимся», поскольку Земля сама движется. Все это подтверждает факт относительности всякого движения.

Специальная теория относительности. Специальная теория относительности Эйнштейна (1905) основана на том, что все виды равномерного движения относительны. Это значит, что объект может находиться в состоянии равномерного движения только по отношению к фиксированной системе отсчета. Классический опыт, выполненный Майкельсоном и Морли, подтвердил, что скорость света в вакууме всегда одна и та же независимо от скорости источника и наблюдателя, а также длины волны света. Исходя из этих результатов, Эйнштейн вывел удивительный набор следствий. Он показал, что масса и длина объекта, а также временной интервал, связанный с ним, изменяются, если объект движется относительно наблюдателя. Скажем, если бы астроному пришлось наблюдать за очень быстродвижущимся космическим кораблем, то он обнаружил бы, что масса корабля возросла, размеры его в направлении движения уменьшились, а время на борту идет медленнее. Между тем в самом корабле ничто бы не изменилось. Однако если бы пилот понаблюдал за астрономом — который тоже двигался относительно корабля,-то он установил бы, что масса, длина и временные интервалы на Земле изменились аналогичным образом.

Специальная теория относительности базируется на двух принципах: относительности любого равномерного прямолинейного движения и постоянства скорости света в вакууме. Когда два космических корабля встречаются на орбите, двигаясь каждый со скоростью 8 км/с-по данным станции слежения,- космонавты обнаруживают, что они движутся друг относительно друга со скоростью 16 км/с Если же на космическом корабле и станции слежения измерять скорость света, излучаемого Солнцем, то результат получится один и тот же.

Световые «часы» (рис. 4А) показывают, почему и насколько интервалы времени изменяются при движении. Эффекты специальной теории относительности невозможно наблюдать, пока скорость объекта не станет близкой к скорости света. Однако с помощью очень чувствительных атомных «часов» удалось обнаружить «замедление» времени даже в летящем самолете. Все эти эффекты становятся значительными для субатомных частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой. Так, благодаря своей большой скорости очень не стабильные частицы в космических лучах живут дольше, чем можно было бы ожидать. Субатомные частицы можно ускорить искусственным путем до таких скоростей, что их массы возрастут в тысячи раз; для получения этого эффекта конструируются специальные ускорители частиц.

Световые «часы» (А) позволяют продемонстрировать эффект замедления времени при движении. Если «часы», т.е. зеркала, движутся, то световой сигнал проходит между двумя отражениями больший путь, чем в состоянии покоя, и для этого требуется больше времен и - наблюдаемое время замедляется. Эффект замедления времени получил экспериментальное подтверждение (Б). При попадании космических лучей в верхние слои атмосферы рождаются элементарные частицы (фиолетовые линии), которые должны были бы иметь определенное время жизни (красные линии). Однако оказалось, что они достигают поверхности Земли в неожиданно больших количествах (желтые линии)-это связано с замедлением времени их распада.

Знаменитая формула Эйнштейна Е = mс², связывающая энергию Е и массу т движущейся частицы со. скоростью света с, объясняет, почему растет масса частицы, которой сообщают большую энергию. Поскольку величина с² очень велика, большому приращению энергии соответствует весьма малое приращение массы. Колоссальные энергии, получаемые в ядерных реакторах и при ядерных взрывах, а также энергия Солнца и других звезд создаются за счет уменьшения массы субатомных частиц.

По мере приближения скорости частицы к скорости света ее энергия беспредельно возрастает. Но как бы ни возрастала энергия частицы, ее скорость никогда не может превысить скорость света. Световой «барьер» пересечь нельзя, однако в принципе могут существовать частицы, всегда движущиеся быстрее света. Поиски таких частиц, именуемых тахионами, ведутся, но пока обнаружить их не удалось.

Общая теория относительности. Для расчета ускорения и силы тяготения в общей теории относительности Эйнштейна (1915) используется тот факт, что все тела у поверхности Земли падают с одинаковым ускорением. Другими словами, гравитационное поле Земли является свойством самого пространства вокруг нее. Эйнштейн связал это свойство с кривизной пространства: большему искривлению соответствует большая гравитационная сила. Если наряду с искривлением пространства допустить искривление и времени, то для описания движения в гравитационном поле можно привлечь идею относительности движения.

Альберт Эйнштейн, работавший без какой-либо поддержки со стороны университета или иного научного центра, на основе простых и, казалось бы, не связанных между собой идей разработал революционные принципы теории относительности. В 1905 г., когда ему было 26 лет и он трудился чиновником в патентном бюро, им была создана специальная теория относительности. Десять лет спустя он создал общую теорию относительности. Имя Эйнштейна пользовалось всемирной известностью. Однако это не помешало нацистам организовать травлю Эйнштейна в Германии из-за его национального происхождения. С 1933 г. он проживал в США.

Величину искривления пространства- времени, вызванного массивными телами, можно вычислить, и Эйнштейн показал, как кривизна зависит от близости массивных тел.

Наблюдаемые слабые отклонения в движении планет от предсказаний Ньютона полностью объясняются общей теорией относительности; в настоящее время она признана как наиболее удовлетворительная среди подобных теорий. Подтверждением ее является также эффект искривления луча света вблизи массивного тела. Свет имеет энергию, а следовательно, и массу. По этому он движется по искривленной траектории в пространстве, искаженном присутствием тела. Искривление светового луча вблизи Солнца действительно наблюдалось при затмениях.

Орбита Меркурия озадачила астрономов, поскольку ее перигелий непрерывно смещается, причем в большей степени, чем можно было бы ожидать при учете влияния других планет. Общая теория относительности Эйнштейна позволила объяснить это . явление. Массивные тела искривляют окружающее пространство так, что орбиты планет оказываются отличными от предсказываемых механикой Ньютона.

Принцип эквивалентности общей теории относительности утверждает, что тяготение нельзя отличить от ускорения. Астронавт прижат к полу стоящего на поверхности Луны корабля силой тяготения (внизу), при ускорении же корабля пол «подталкивается» к нему (вверху). Если бы астронавт выпустил какой- либо предмет из рук, тот упал бы и в том, и в другом случае.

Для описания положения любого тела время столь же необходимо, как и трехмерное пространство. Эйнштейн понял, что если скорость света всегда одна и та же, то пространство и время должны быть взаимосвязаны. Эта диаграмма показывает движение Солнца, планеты и кометы как во времени, так и в пространстве. Изменяющаяся скорость и значительное изменение траектории кометы демонстрируют влияние на ее движение различных гравитационных полей, которое было правильно предсказано Эйнштейном в его общей теории относительности.

«Дыры» в небесах. Все эти эффекты наблюдаются в слабых гравитационных полях и поэтому не могут рассматриваться как «исчерпывающее испытание» общей теории относительности. Некоторые звезды, полностью растратив свое ядерное горючее, могут сжиматься в предельно плотные тела, создающие сильнейшие гравитационные поля; такие объекты могут служить наиболее ценной экспериментальной базой для проверки общей теории относительности. Из этой теории следует, что очень массивные звезды должны были бы сжиматься настолько, что скорость убегания на их поверхности оказалась бы даже больше скорости света, и тогда ничто уже не могло бы покинуть их поверхность, даже свет. Поэтому такие объекты получили название «черные дыры». Возможными кандидатами на роль черных дыр в нашей Галактике являются переменные рентгеновские звезды типа Лебедя Х-1.

Фотографирование двух звезд в нормальных условиях (А) и в период солнечного затмения (Б) показало, что при прохождении вблизи Солнца лучи света отклоняются его гравитационным полем. В результате звезды кажутся расположенными друг от друга дальше (Г), чем обычно (В).