Общая теория относительности

В том же 1907 г. Эйнштейн исследовал вопрос о законах природы в неинерциальных системах отсчета. Равенство тяжелой и инертной масс было установлено эмпирически еще Ньютоном в опытах с маятниками, а до него Галилеем в опытах с падающими телами. При падении тел ускорение пропорционально тяжелой массе и обратно пропорционально инертной, которые таким образом оказываются равными, ибо все тела падают с одинаковым ускорением.

Эйнштейн в 1907 г. показал, что равенство тяжелой и инертной масс - факт не случайный. Это он показал в мысленном эксперименте с падающим лифтом. Эйнштейн пришел к выводу, что природа инертной и гравитационной масс одинакова. “В поле тяготения малой пространственной протяженности все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо инерциальной системы ввести систему, ускоренную относительно нее”. Это принцип эквивалентности, который можно сформулировать и иначе: наблюдатель никакими опытами в своей системе не может различить, находится ли он в гравитационном поле или ускоренно движется. Для случая мысленного эксперимента со свободно падающим лифтом принцип эквивалентности справедлив в небольшой части пространства, т.е. имеет локальный характер.

Принцип эквивалентности стал отправной точкой для разработки ОТО. В 1915 г. новая теория была изложена Эйнштейном в работе “Основы общей теории относительности”. Основной постулат ОТО - не существует привилегированной системы координат. “Законы физики должны быть таковы по природе, что они должны быть применимы к произвольно движущимся системам отсчета”. Поскольку кинематика - это геометрия, к которой добавлена еще одна координата - время, то Эйнштейн интерпретирует явление гравитации как геометрию пространства-времени. Отсюда следует, что наш мир не является евклидовым, его геометрические свойства определяются распределением масс и их скоростями. В ОТО уравнения гравитации имеют тот же смысл, что и уравнения Максвелла: из них вытекают геометрические свойства пространства (неевклидова).

Экспериментальные подтверждения ОТО. Поскольку энергия обладает массой, тяготение действует и на энергию. Поэтому луч света в гравитационном поле отклоняется. Такое отклонение следует также и из корпускулярной теории Ньютона, но отклонение получается вдвое меньшее, чем в ОТО. Опыты, выполненные во время солнечного затмения в 1919 и 1922 гг., количественно подтвердили выводы ОТО. Эти выводы не следуют из СТО, которая т.о., по отношению к ОТО, является частным случаем, как и ньютонова механика по отношению к самой СТО.

2-ым экспериментальным подтверждением ОТО является медленное вращение перигелия наиболее быстрой планеты солнечной системы Меркурия. Полный оборот - 3 млн. лет. 3-е подтверждение - эффект Эйнштейна: красное смещение спектров звезд из-за тяготения. Этот эффект подобен эффекту отставания часов. В настоящее время интерпретация такого эффекта осложняется учетом "красного смещения" из-за так называемого "разбегания галактик" (см. ниже).

Теория относительности, встречавшая сначала большие возражения как со стороны специалистов, так и с точки зрения “здравого смысла”, все более превращается в часть классической физики, которая соединила представления о пространстве, времени, материи и энергии.

А.Эйнштейн добился успеха и в других областях физики. Так, он постулировал понятие индуцированного излучения, которое легло в основу теории оптических квантовых генераторов (лазеров) в начале 2-ой половины 20-го века, заложив фундамент квантовой электроники. Об объяснении внешнего фотоэффекта, которое послужило поводом для присуждения ему Нобелевской премии, мы уже упоминали.

О предшественниках ТО

Признание высокого теоретико-познавательного и методологического значения ТО ставят в повестку дня вопрос о внимательном исследовании предпосылок этой теории и вопрос о предшественниках Эйнштейна, ибо вопрос о приоритете время от времени продолжает дискутироваться на страницах научной и научно-популярной печати. Известно, что к специальной теории относительности очень близко подошли Г.А.Лоренц и Анри Пуанкаре. Так, Лоренц доказал, что не существует опыта, с помощью которого можно было бы определить движение тел относительно эфира, т.е. установил “практический принцип относительности”, поскольку это означало невозможность найти движение относительно пространства (абсолютного), т.е., что все движения относительны.

Французский математик и физик Анри Пуанкаре (1834-1912) продолжал исследование вопроса, поднятого Лоренцем, а на международном конгрессе в Сент-Луисе в 1904 г. назвал принцип относительности в числе основных принципов физики. Но теория Лоренца-Пуанкаре еще не была, строго говоря, ТО, хотя Пуанкаре в разработке математического аппарата был даже впереди Эйнштейна. Вдобавок к этому, Пуанкаре считал, что определение одновременности событий в удаленных точках требует принятия постулата о постоянстве скорости света во всех направлениях. Это именно постулат, поскольку экспериментально он не доказуем и не опровергаем (эквивалент “физического бога”?-А.Р.). Ведь скорость света мы измеряем по его прохождению “туда и обратно”. Сам наблюдатель не имеет никакого способа узнать, находится ли он в покое или в абсолютном движении. Мы видим, как близко подошел Пуанкаре к ТО.

В сентябре 1905 г., спустя год после появления статей Лоренца, а также Пуанкаре, появилась статья Эйнштейна “К электродинамике движущихся тел”, которая приводила к тем же результатам в электромагнетизме, но содержала новый (физический, философский) взгляд на пространство и время. Как известно, свойствами пространства исстари занималась геометрия.

Безуспешность ряда ученых доказать пятый постулат Евклида привела к идее о его недоказуемости и о возможности построения геометрии, основанной на других постулатах. Одним из первых к этой идее пришел Карл Фридрих Гаусс (1777-1855). Он считал, в отличие от Канта, что представления о пространстве не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Однако, не желая дискуссий, Гаусс не публиковал свои работы.

В 1826 г. Николай Иванович Лобачевский (1795-1856) сделал сообщение на заседании физико-математического факультета Казанского университета об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал в “Казанском вестнике” работу “Начала геометрии”. Он считал, что свойства пространства неотделимы от движения (материи).

В 1854 г. Георг Риман (1826-1866) прочел лекцию “О гипотезах, лежащих в основании геометрии”. У него свойства пространства тоже зависели от материальных процессов. Первоначально появление неевклидовой геометрии не затронуло физику. Зато потом....

Английский математик Уильям Клиффорд (1845-1879) в 70-х гг. 19 в. считал, что многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии.

Он предложил нечто вроде полевой теории материи, в которой материальные частицы представляют собой сильно искривленные области пространства, подобные холмам на ровной местности. Он считал, что “в физике нет ничего, кроме изменений кривизны пространства”. А это уже предчувствие Эйнштейна с его полевой теорией материи.

Эрнст Мах, роль которого в инициировании теории относительности признана самим Эйнштейном, считал движение относительным, а системы Птолемея и Коперника равноправными, хотя последнюю проще и практичнее. “Пространство и время суть упорядоченные системы рядов ощущений” - писал он. Некоторые идеи Маха оказались плодотворными и для ОТО, ведь абсолютное пространство Ньютона оказалось не наблюдаемым.