Специальная теория ограничивается рассмотрением инерциальных систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Произвольные системы отсчета, которые могут двигаться с ускорением, изучаются общей теорией относительности. По сути, она является теорией гравитации. Широкий круг явлений, предсказанный специальной теорией, прошел экспериментальную проверку и получил подтверждение. Экспериментальная проверка общей теории продвинулась гораздо меньше, к настоящему времени ни один из предсказываемых ею нескольких эффектов окончательно не подтвержден. И все же эта теория поднимает столь глубокие вопросы, что безусловно заслуживает серьезного внимания.
Общая теория относительности разработана Эйнштейном в 1911 –1916 гг. В ее основе лежат два положения. Первое распространяет принцип относительности Эйнштейна на любые системы отсчета, т.е. и на неинерциальные (движущиеся ускоренно). Оно гласит: все физические законы можно сформулировать так, что они окажутся справедливыми для любого наблюдателя, сколь сложное движение он ни совершает. Математическое выражение законов может усложниться. Но смысл останется без изменения.
|
|
Второе положение называется принципом эквивалентности. Гравитация (всемирное тяготение) обусловливает ускоренное движение тел, причем все тела в данной точке гравитационного поля имеют одинаковое ускорение. В неинерциальной системе отсчета, движущейся вне поля тяготения с ускорением относительно инерциальной, все тела тоже будут иметь одинаковое ускорение (относительно инерциальной системы отсчета), противоположное ускорению системы, т.е. силу тяготения можно «создать» или «уничтожить» переходом в неинерциальную систему отсчета (движущуюся с ускорением). Принцип эквивалентности гласит: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить действие гравитационного поля в сравнительно малом объеме пространства от действия ускоренного движения по отношению к «неподвижным» звездам (инерциальной системе отсчета). Принцип эквивалентности требует равенства двух масс тела: инертной и гравитационной. Эксперименты доказывают справедливость этого равенства с точностью до 10-11.
Наличие гравитации связано с распределением массы в пространстве. Следствиями этого является «искривление» пространства-времени в гравитационном поле. В отсутствии гравитации, т.е. в инерциальных системах отсчета, пространство-время однородно и эвклидово т.е. геометрические свойства пространства описываются геометрией Евклида (кратчайшее расстояние между двумя точками – отрезок прямой линии). В условиях гравитации (распределения массы с некоторой плотностью) пространство-время приобретает «кривизну», которая изменяет его свойства по сравнению со свойствами евклидового пространства: искривляются «прямолинейные» траектории, лучи света. В таком пространстве в принципе не существует прямых линий. Самый «прямолинейный» объект – свет - движется по кривой. Линии движения света называются геодезическими. Если геодезические линии замкнуты – пространство «выпуклое», если параболические – пространство «вогнутое». В любом случае геометрия этого пространства – неевклидовая. Геометрия искривленных пространств была разработана Бойьяи (1802 – 1860), Гауссом (1777 – 1855), Лобачевским (1792 – 1856), Риманом 1826 – 1866) и другими учеными задолго до появления теории относительности. В общей тории относительности Эйнштейна предполагается, что распределение массы в пространстве – равномерное, т.е. плотность во всех точках одинакова. Тогда ускорение, обусловленное гравитацией, также одинаково во всех точках, следовательно, одинаков радиус кривизны всех геодезических линий (в любой точке), т.е. эти геодезические линии – окружности, и пространство замкнуто. Представить себе беспредельное искривленное трехмерное пространство с конечным радиусом кривизны невозможно. Но можно теоретически доказать вероятность его существования на основе следующей экстраполяции. Рассмотрим окружность - замкнутое одномерное пространство с определенным радиусом кривизны. В таком пространстве существует одна мировая линия. Наблюдатель, движущийся по ней, никогда не достигнет никакого передела, движение беспредельное, хотя радиус кривизны и размер пространства (длина окружности) конечны, при этом радиальные движения невозможны. Теперь перейдем к поверхности сферы определенного радиуса. Это уже двумерное искривленное пространство. Мировые линии здесь - любые окружности на поверхности сферы. Их бесконечное множество, и все они замкнуты и тоже имеют радиусы, не превосходящие максимальный - радиус кривизны сферы. Наблюдатель, способный двигаться только по поверхности, также воспринимает это пространство как беспредельное, но размер его -площадь поверхности сферы - конечен. Аналогично проявляется трехмерное искривленное пространство. Мировые линии в нем - тоже окружности. Их бесконечное множество, но радиус кривизны пространства и объем конечны. Радиальные движения невозможны. Поэтому наше пространство - Вселенная для нас безгранична, хотя, возможно, и имеет конечный размер, что будет обсуждаться ниже. Такая модель требует указания величины радиуса кривизны Вселенной. Он оценен и составляет на сегодняшний день 1026 м.
|
|
Как уже указывалось, экспериментальное обоснование общей теории относительности на сегодняшний день менее надежное по сравнению с обоснованием специальной теории относительности. Однако эффект искривления световых лучей экспериментально наблюдался. Следует ожидать, что с совершенствованием экспериментальных методик появится возможность получения других достоверных данных.