Общая теория относительности (ОТО)

В рамках общей теории относительности, которая создавалась с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. Основная идея ОТО - материя и пространство-время едины и не могут существовать одно без другого Общая теория относительности основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

1. Р асширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность (неизменность) законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл только по отношению к фактору, его определяющему.

2. принцип постоянства скорости света — остается неизменным.

3. принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Теоретический анализ, который был сделан ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета летит в космосе с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли.

СЛЕДСТВИЯ из ОТО

1. Общая теория относительности рассматривает гравитацию как проявление искривленности пространства-времени. Земля не улетает от Солнца, потому что Солнце своей массой искривляет пространство-время. Таким образом, изменение пространственных и временных характеристик тел происходит и в гравитационных полях  (а не только при движении с большими скоростями, как это было доказано в СТО), т.е. чем сильнее гравитационное поле, тем сильнее искривляется единое пространство-время. Общепризнанная геометрия Евклида для ОТО не годилась. Эйнштейн использовал неевклидову геометрию Б. Римана, которая верна для поверхности сферы, и сделал вывод о кривизне пространства-времени.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики — модели звезд и планет. Шарик будет прогибать лист резины тем больше, чем больше его масса. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела, подтверждает правоту Римана.

2. Под действием полей тяготения происходит также замедление хода времени. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала, отправленного на такое же расстояние, Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие эксперименты проводились, начиная с 1966 г., в качестве отражателя использовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так и оборудование межпланетных станций.

ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ОТО:  В настоящее время известны результаты уже более чем двух десятков проверок справедливости ОТО, в том числе:
1) (НАБЛЮДАТЕЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ) смещение перигелия (ближайшей к Солнцу точки) орбиты Меркурия на 43 угловых секунды за столетие. Астрономы знали о нем с середины XIX века, но не могли объяснить притяжением Солнца и планет Солнечной системы. ОТО же не только объясняет этот эффект, но и очень точно предсказывает его величину;
2) (НАБЛЮДАТЕЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ)отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца, на 1,75 угловых секунды от прямолинейной траектории. В классической механике этот эффект тоже имеет место, но величина его оказывается вдвое меньшей. В 1919 году астрономы впервые провели достаточно точные измерения, чтобы с уверенностью сказать, что отклонение есть и его величина соответствует не классической механике, а общей теории относительности;
3) (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ) разный темп течения времени в разных точках пространства. В 1960-х годах стало возможным очень точно сравнивать ход атомных часов, находящихся в разных местах. Измерения показали, что часы в подвале действительно отстают от часов, находящихся на пятом этаже (где гравитационное поле Земли чуть-чуть слабее), на 1 секунду за 30 миллионов лет – в полном соответствии с предсказаниями ОТО.

Свойства пространства-времени

Общие свойства пространства. Общими свойствами пространства являются:

1) протяженность;

2) трехмерность,, т.е. тела обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением.

Общие свойства времени. Общими свойствами времени являются:

1) длительность - последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний.

2) необратимость времени — общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему.

3) одномерность времени. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.

 

 

Часть 2. СИММЕТРИИ

 

 

Обычно под симметрией (от греч. symmetria — соразмерность) понимают однородность, пропорциональность, гармонию каких-либо материальных объектов. В геометрии шар симметричнее куба, а куб симметричнее любой неправильной фигуры.

Постепенно было осознано, что симметрии могут быть не только наглядными, связанными с геометрическими операциями. Существует целый ряд симметрий, связанных с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов. Эти симметрии не фиксируются в наблюдениях, они становятся заметны лишь в уравнениях, описывающих природные процессы. Поэтому физики, исследуя математическое описание той или иной физической системы, время от времени открывают новые, часто неожиданные симметрии, которые достаточно тонко «запрятаны» в математическом аппарате и совсем не видны тому, кто непосредственно наблюдает физическую систему. Заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно, тем не менее они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику продвигаться к более глубокому пониманию мира.

 В естествознании под симметрией понимается инвариантность (неизменность) относительно тех или иных преобразований.

Пространству присущи симметрии изотропности и однородности, а времени – симметрии однородности и анизотропности.

Изотропность — это все направления пространства одинаковы.

Анизотропность – есть выделенные направления. Например полено анизотропно, потому что его лучше пилисть поперек, и рубить вдоль волокон.

Однородность — это одинаковость свойств пространства во всех точках.

При образовании галактик из газа, равномерно заполнявшего юную Вселенную, симметрия распределения вещества понижалась, потому что в однородной массе стали появляться крупные объекты – звезды, например.

Симметрии в физике тесно связаны с законами сохранения физических величин — утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или определенных классах процессов.  Это открытие сделала нем. математик Эмми Нётер.

• Закон сохранения энергии вытекает из однородности времени. Время симметрично относительно начала отсчета, все момента времени равноправны.

• Закон сохранения импульса следует из однородностипространства. Все точки пространства равноправны, поэтому перенос системы никак не повлияет на ее свойства.

• Закон сохранения момента импульса исходит из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.

[1] В механической картине мира различали один вид материи – вещество.