Общая теория относительности – все о космосе

Все о космосе

Общая теория относительности - все о космосе

Во времена Ньютона физики представляли себе ми­ровое пространство как огромное «вместилище», запол­ненное различными небесными телами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Таким образом, теория тяготения Ньютона касалась только чисто внеш­ней стороны явлений, связанных с гравитацией, и была лишь первым приближением к истине.

С точки зрения классической физики, как принято теперь называть физику Ньютона, пространство обладает лишь чисто геометрическими свойствами, например, про­тяженностью, объемом и т. п. Взаимодействие же тел, силы, действующие между ними, не имеют к свойствам самого пространства никакого отношения.

«Причину… свойств силы тяготения, — писал сам Нью­тон в одном из своих трудов, — я до сих пор не мог вы­вести из явления, гипотез же я не измышляю».

Первый шаг к более глубокому пониманию пробле­мы был сделан великим русским математиком Н. И. Ло­бачевским, который показал, что геометрия окружаю­щего пас мира может быть совсем не такой простой и очевидной, как это представлялось раньше.

Как известно, наука о геометрических отношениях возникла еще в глубокой древности в связи с практи­ческими потребностями людей в области строительства и землемерия. На рубеже III и IV вв. до н. э.

знамени­тый древнегреческий математик Евклид систематизиро­вал и изложил накопленные к тому времени геометри­ческие знания. Геометрия Евклида — это геометрия того мира, в котором мы живем.

Она описывает геометриче­ские отношения между предметами, с которыми мы встречаемся па каждом шагу. Евклидова геометрия яв­ляется основой механики, техники, геодезии, без нее немыслимо решение многих астрономических вопросов.

На протяжении длительного времени не было известно пи одного факта, который хотя бы в какой-то степени ей противоречил. Поэтому многие столетия геометрия Евк­лида представлялась незыблемой и единственно воз­можной.

В основе евклидовой геометрии лежат так назы­ваемые «аксиомы»: некоторое число исходных поло­жений, которые заранее принимаются истинными и из которых логическим путем выводятся все остальные заключения. Среди этих аксиом есть одна, так называе­мый пятый постулат, которая посвящена вопросу о параллельности и которая хорошо известна каждому школьнику.

Пятый постулат утверждает, что через точку, расположенную вне прямой линии, можно провести лишь един­ственную прямую, параллельную данной.

Это утверж­дение, согласующееся с нашим повседневным опытом, в течение длительного времени считалось вполне оче­видным и не вызывало никаких сомнений.

Правда, не­однократно делались попытки доказать пятый постулат, вывести его из других аксиом; однако эти попытки не приносили успеха, хотя подобными исследованиями за­нимались такие выдающиеся математики, как Лагранж, Лаплас, Даламбер, Фурье, Гаусс и многие другие.

Лобачевский также заинтересовался пятым постула­том и подобно другим ученым решил проверить его спра­ведливость. Однако, в отличие от своих предшествен­ников, Лобачевский пошел несколько иным путем. Он воспользовался способом, напоминающим хорошо из­вестный в элементарной математике метод доказатель­ства «от противного».

Другими словами, Лобачевский задался целью построить такую геометрию, исходные по­ложения которой были бы во всем тождественны обыч­ным, но в которой утверждение Евклида о параллельных прямых не имело бы места. Ничего не меняя в «обыч­ной», евклидовой геометрии, ученый взял за исходное все ее основные аксиомы, но присоединил к ним новый пятый постулат.

Он предположил, что через точку, ле­жащую вне прямой, можно провести сколько угодно ли­ний, ей параллельных.

Лобачевский рассуждал так: если подобное предпо­ложение неверно, оно неизбежно приведет к противоре­чию, и утверждение Евклида о параллельных прямых будет тем самым доказано.

Ученый начал строить но­вую геометрию, смело вступив в мир неизведанных гео­метрических отношений. Он углублялся в него все даль­ше и дальше, на каждом шагу ожидая встретить иско­мое противоречие.

Но оно почему-то не возникало.

В конце концов, Лобачевский пришел к удивитель­ному выводу. Он понял, что никакого противоречия и не будет, что молено построить вполне непротиворечивую геометрию и без утверждения Евклида о параллельных линиях.

Это была поистине гениальная идея.

Если учесть, что Лобачевский высказал ее в эпоху безраздельного гос­подства евклидовой геометрии, станет ясно, какими широкими взглядами, какой научной смелостью надо было обладать, чтобы прийти к подобному заключению. Этот подвиг в какой-то степени можно сравнить с подвигом Коперника, построившего гелиоцентрическую систему мира в эпоху господства геоцентрической системы Пто­лемея.

Открытие Лобачевского совершило подлинный пере­ворот в математических представлениях. Оно не только указало принципиально новые пути для развития самой математики, но и дало чрезвычайно важный толчок к новому пониманию роли математических и, в частности, геометрических методов в изучении окружающего нас мира.

Если евклидова геометрия не единственная возмож­ная геометрическая система, то вполне вероятно, что и геометрические свойства Вселенной могут выходить за рамки этой системы…

Интересно также отметить, что геометрия Лобачев­ского отражает определенные физические отношения, су­ществующие в реальном мире. Более того, как показал советский ученый, академик В. А. Фок, геометрия Лоба­чевского может быть успешно применена при изучении свойств атома водорода.

Следующий шаг к более глубокому пониманию строе­ния Вселенной и внутренней природы тяготения был сделан в начале текущего столетия Альбертом Эйн­штейном в его, так называемой общей теории относи­тельности.

Основная идея этой теории состояла в том, что свой­ства пространства объявлялись неразрывно связанными со свойствами материи.

Однажды какой-то предприимчивый газетный репор­тер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть его теории в одной фразе и так, чтобы это было понятно широкой публике.

«Раньше полагали, — ответил на это Эйнштейн, — что если бы из Вселенной исчезла вся ма­терия, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей ис­чезли бы также пространство и время».

Эйнштейн пришел к выводу, что силы тяготения непо­средственно связаны с физическими свойствами самого пространства. Оказалось, что любое тело не просто су­ществует в пространстве само по себе, но изменяет

«вокруг себя» его геометрию. Пространство искривляется и световой луч в нем будет распространяться уже не по прямой, а по изогнутой линии.

Попробуем пояснить это с помощью хотя и несколько грубой, но зато на­глядной аналогии. Представьте себе резиновую плен­ку, натянутую на обруч, и лежащий на ней маленький металлический шарик.

Если толкнуть шарик, он пока­тится по поверхности пленки и «прочертит» прямую линию.

Поместим теперь в центре пленки большой металли­ческий шар. Под его тяжестью пленка прогнется, по­верхность ее искривится. Если теперь снова пустить по пленке маленький шарик, то па этот раз, благодаря на­личию углубления, он опишет линию, искривленную в направлении большого шара. Так и любое небесное тело, искривляя пространство вокруг себя, должно как бы притягивать к себе световые дуги.

Таковы выводы общей теории относительности. Но как проверить их на опыте? Само собой разумеется, что осуществить подобный эксперимент в лабораторных усло­виях практически невозможно. Ведь для того, чтобы от­клонение светового луча оказалось достаточно замет­ным, на него необходимо воздействовать чрезвычайно большой тяготеющей массой.

К счастью, подобный эксперимент «ставит» сама при­рода. Благодаря обращению Земли вокруг Солнца, земной наблюдатель видит, что наше дневное светило пере­мещается на фоне более далеких звезд.

Вследствие это­го то одна, то другая звезда оказывается на небе вблизи края солнечного диска и ее световые лучи по дороге к Земле проходят рядом с Солнцем. Если искривление про­странства вблизи Солнца действительно имеет место, то световой луч должен отклониться от прямой линии.

Тог­да для земного наблюдателя звезда несколько сместится относительно своего обычного положения на небе.

Принципиальная идея подобного эксперимента весь­ма проста. Однако его практическое осуществление на­талкивается на весьма серьезные технические трудности.

Поэтому получить точную количественную оценку яв­ления до сих пор не удалось. Однако сам факт отклоне­ния световых лучей в результате искривления простран­ства полностью подтвержден наблюдениями.

Подобный же результат не так давно был получен группой советских ученых Астрофизического института Академии наук Казахской ССР и для мира галактик.

В основу этого исследования была положена идея, ана­логичная идее только что описанного эксперимента с отклонением солнечным притяжением световых лучей далеких звезд.

Только на этот раз и в роли космиче­ского объекта, посылающего лучи, и в роли отклоняю­щего «тела» должны были выступать целые галактики.

Представьте себе, что две галактики расположились приблизительно вдоль луча зрения. Если общая теория относительности верна и в галактических масштабах, то световые лучи более далекой галактики, проходя «ря­дом» с ближней, должны испытывать определенное ис­кривление. В результате мы будем видеть дальнюю га­лактику в несколько искаженном виде.

Расчеты показали, что если дальняя галактика имеет, например, правильную сферическую форму, то после ис­кажения ее лучей «линзой» тяготения она будет пред­ставляться нам несколько вытянутой. Но, как показы­вает астрономическая статистика, вытянутые галактики чрезвычайно редки, так как они, видимо, являются не­устойчивыми.

Исходя из этих теоретических предпосылок, ученые тщательно проанализировали имеющиеся в распоря­жении современной науки фотографические изобра­жения  галактик.  В  результате этой работы  удалось

обнаружить шестнадцать галактик, расположенных на одном луче зрения с другими, более близкими галакти­ками, и имеющих предсказанную форму.

Однако надо было еще доказать, что это не является просто случайным совпадением. С этой целью был про­веден дополнительный проверочный подсчет. По степени искажения форм сферических галактик можно вычис­лить массы «искажающих» более близких галактик, ко­торые в свое время были определены независимым ме­тодом. Проведенное подобным способом сравнение об­наружило хорошее совпадение.

Таким образом, основной вывод общей теории отно­сительности об искривлении пространства в области больших масс можно считать доказанным и для метагалактических масштабов.

Итак, пространство Вселенной, т. е. пространство, в котором мы живем, искривлено. В повседневной жизни мы этого практически не ощущаем, поскольку нам обыч­но приходится иметь дело со сравнительно небольшими расстояниями.

Однако при переходе к космическим мас­штабам искривленность пространства приобретает суще­ственное значение. С кривизной тесно связаны многие геометрические свойства пространства и, в частности, его конечность и бесконечность.

Источник: http://www.allkosmos.ru/teoriya-otnositelnosti/

Теория относительности для чайников

Пространство и время едины, существует связь между массой и энергией – специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно.

Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.

2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных .

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная.

Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.

ОДНОРОДНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Читайте также:  Космонавт сураев максим викторович - все о космосе

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею.

Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует.

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным.

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее.

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

ОБЪЕДИНЕНИЕ МАССЫ И ЭНЕРГИИ

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc2.

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными.

Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Источник: http://cosmoss1.blogspot.com/2015/09/blog-post_43.html

Темная сторона Вселенной. Сколько проживет теория Эйнштейна – Tagesspiegel

Корреспондент.net, 27 ноября 2015, 17:40

На протяжении почти целого века общая теория относительности не дает покоя науке. Чтобы ее проверить, строятся обсерватории, отправляются спутники в космос, пишет Der Tagesspiegel.

Например, в следующем году при помощи французского мини-спутника Microscope с большой долей точности будет проведен анализ свободного падения двух тел, выполненных из различных металлов.

Будут ли оба металлических цилиндра двигаться одинаково в поле земного притяжения?

Или же теорию Эйнштейна нужно пересмотреть?

На эти вопросы отвечает автор научно-публицистических материалов Томас де Падова, изучавший физику и астрономию в Бонне и Болонье.

До сих пор она подтверждалась при всех проводимых когда-либо экспериментах. С другой стороны, она является “солитером” среди физических теорий.

В отличие от прочих описаний физических сил, общая теория относительности является одновременно теорией пространства и времени.

От гравитации не уйти

Пространство и время не являются жестко закрепленной сценой происходящего. Масштабы пространства и времени меняются рядом с массивными небесными телами. Только гравитационное поле определяет “метрические свойства четырехмерного измерительного пространства”, отмечал Эйнштейн.

Поскольку гравитация воздействует в равной степени на разные материи и, в отличие от электрических и магнитных сил, не может быть исключена, ее можно в целом интерпретировать как искажение пространства и времени.

Ученые определили скорость умирания Вселенной

Эйнштейн сравнил это искаженное временное пространство с натянутым платком, в котором каждое небесное тело создает углубление, которое движется вместе с ним, в то время как он впадает в сферу воздействия других углублений.

Его абсолютно новое понимание гравитации внесло свой вклад в развитие современной космологии. Важнейшие вопросы физики, о которых постоянно идут профессиональные дискуссии, неразрывно с ней связаны.

Что происходит на подступах к черным дырам? Как возникла Вселенная? Откуда происходит темная энергия, которая все быстрее разгоняет галактики? Из чего состоит темная материя, которую, хотя и нельзя увидеть, но которая заметна из-за ее гравитационного эффекта в космосе?

Теория Эйнштейна и ее недостатки

Эйнштейн ничего не знал о темной материи, темной энергии или черных дырах. Когда он закончил свой эпохальный труд и представил его 25 ноября 1915 года Прусской академии наук в Берлине, он даже не знал о существовании других галактик по ту сторону Млечного пути, не говоря уже о расширении Вселенной.

Крупные астрономические открытия ХХ века были еще впереди. Тем удивительнее то, как он открыл для космологии, исходя из немногих, скорее интуитивных физических предположений, абсолютно новые перспективы.

Общей теории относительности исполнился ровно один год, когда он сам обнаружил ее недостатки. Эйнштейн пытался описать Вселенную как целое. Кроме того, он модифицировал свою теорию и добавил дополнительный член к уравнениям поля – “космологическую константу”.

Она должна была определить, что Вселенная не расширяется и не коллабрирует.

Равномерно распределенные звезды

Представления Эйнштейна о построении космоса основывались на простой мысли – Вселенная выглядит в любом направлении одинаково. Типичная для него позиция. С данными астрономов она совпадала лишь частично.

Поскольку тот, кто посмотрит ясной ночью на небо, увидит в одном месте лишь несколько звезд, в другом – целое море звезд, но прежде всего Млечный путь. Можно подумать, будто все звезды сконцентрированы на Млечном пути, а за его пределами находится пустое пространство.

Эйнштейн провел анализ. По его мнению, теория тяготения Ньютона говорила о том, что у мира есть середина, где сосредоточены звезды, в то время как за ее пределами плотность звезд снижается и кончается бесконечной пустотой.

Но это придавало бы пустому пространству значение, что противоречило теории Эйнштейна. Кроме того, такая расстановка не могла бы продолжаться длительное время. Звезды покинули бы остров и исчезли бы в бесконечности, не возвращаясь назад.

Одна звезда за другой в гравитационной игре небесных тел покинула бы центр, а Мировой остров постепенно опустел бы.

У космоса нет середины

Астрономические наблюдения не давали указаний на это. Эйнштейн предполагал, что звезды могут быть равномерно распределены в пространстве. “Сколько ни путешествуй по космосу, повсюду найдется скопление звезд схожего вида и одинаковой плотности”. Другими словами, человек не находится в центре космоса, потому что такого центра вообще нет.

Такова основная идея современной космологии. Чтобы соединить его представления с моделью мира, Эйнштейн предположил, что имеющаяся материя временного пространства так сильно искажается, что образует шар. Такая Вселенная замыкается на себе и является бесконечной.

В феврале 1917 года Эйнштейн представил Берлинской академии свои “Космологические наблюдения”, в которых он описал Вселенную, в том числе как неизменяемую во временном отношении. Но к собственному недоумению он вынужден был констатировать, что его представленные в ноябре 1915 года исследования не допускали статичную Вселенную.

Эйнштейн решился доработать свои исследования, над которыми он работал восемь лет, добавив в них космологическую константу.

Величайшая ошибка Эйнштейна

Дополнительная составляющая имеет большое значение.

“Она показывает, что Эйнштейн в 1915 году, в отличие от того, что он писал, нашел еще не все соотношения, сопоставимые с его требованиями”, – отмечает эксперт Юрген Ренн, директор Института Макса Планка в Берлине.

С математической точки зрения введение космологической константы было оправдано. Но Эйнштейн поставил ее на чашу весов, чтобы уравновесить космический баланс таким образом, чтобы Вселенная не расширялась и не сжималась. Но он упустил из вида тот факт, что подобный баланс был нестабилен.

Хотя он назвал позднее введение константы величайшей ошибкой, она все же вновь появляется в современной космологии. Она переживает ренессанс – после того, как было доказано, что Вселенная не только расширяется, но это расширение проходит еще и с ускорением.

С начала 21 века стали появляться указания на то, что более двух третей плотности энергии Вселенной производится загадочной силой давления, космологической константой. Но какая неизвестная темная энергия приводит в движение расширение космоса? Некоторые исследователи полагают, что за ней скрывается энергия вакуума, которая происходит из постоянных квантово-физических процессов.
 

Спустя пять лет доказано отклонение света

Общая теория относительности выводит на поверхность ряд вопросов. Вместе с тем, она помогает ученым прийти к неожиданным выводам относительно структуры космоса. Примером может служить прежнее предсказание Эйнштейна о том, что свет от далеких звезд искривляется вокруг солнца.

Оно сделало его известным во всем мире в ноябре 1919 года, после того как британские астрономы доказали это отклонение света в полном солнечном затмении. “Весь свет в небе – искривленный”, с таким заголовком вышел выпуск New York Times, в котором речь шла о революции в науке.

Галактики и скопления галактик объединяют свет еще более эффективно, чем солнце. Они действуют схожим образом, как линзы телескопа. Первое указание на это гравитационный линзовый эффект есть еще в записях Эйнштейна. Он в 1912 году изучал этот оптический феномен в геометрических набросках.

Его расчеты убедили его в том, что линзовый эффект средствами того времени увидеть нельзя. Но в 1936 году он представил свои изыскания. К публикации его подтолкнул инженер Руди В. Мандль.

Обрадовались этому прежде всего британские астрономы, которые в 1979 году обратили внимание на странную пару “близнецов” в созвездии Большой Медведицы. Два практически одинаковых источника света рядом друг с другом.

Вокруг одного и того же объекта, квазара, активного ядра галактики. Вскоре после этого стало понятно, с чем был связана эта пара. Между квазаром и Землей находилась галактика с малым количеством света, которая было ранее незаметна. Она направляла исходящие от квазара лучи различными путями в глаза земного наблюдателя.

Когда свет достигает Земли различными путями, астрономы видят один и тот же объект как удвоенный, утроенный или – в зависимости от продолжительности света, в разное время. Так, группа астрономов во главе с Патриком Келли из Калифорнийского университета в Беркли год назад при помощи телескопа Hubble сначала увидела четыре изображения редкого взрыва звезд в далекой галактике.

Изображения этой сверхновой звезды были отброшены гравитационной линзой в созвездие Льва на ночное небо.
 

Линза показывает взрыв звезды, словно в замедленной съемке

Линза дает астрономам, вероятно, больше изображений взрыва звезды. Согласно подсчетам, начало сверхновой звезды под определенным углом можно будет увидеть только в начале 2016 года. Исследователи тогда смогут детально ее изучить. Подобные взгляды в космические события весьма эффектны.

Не менее завораживают сами гравитационные линзы. Способ и вид отклонения света многое говорит о сконцентрированной в линзах материи.

Астрономы таким образом могут доказать и наличие темной материи в космосе, которая также соответствует законам теории гравитации Эйнштейна и отводит лучи света от курса.

Пример тому – кластер в созвездии Карина. Он возник в результате столкновения двух скоплений галактик. Между ними светится сжатый газ. Несмотря на это, оба скопления галактик при столкновении практически без повреждений проникли друг в друга. Это особенно касается темной материи.

В кластере, по всей видимости, больше массы в форме темной материи, чем объединяют в себе видимые звезды и газовые облака. По состоянию на сегодняшний день, темная материя дает в пять раз больше энергетической плотности, чем все известные нам формы материи.
 

Объединение общей теории относительности с квантовой физикой только предстоит

Из чего она состоит? Исследователи гадают до сегодняшнего дня о ее составе.

Удастся ли физикам при помощи Большого адронного коллайдера доказать наличие гипотетических элементарных частиц темной материи? Пока исследователи в своих лабораториях не нашли доказательств того, что же представляет собой темная сторона Вселенной.

Что скрывается за темной энергией? Существует ли физический процесс, который сможет однажды остановить коллапс звезд в черных дырах? Пока такие вопросы остаются без ответа, объединение общей теории относительности с квантовой физикой остается делом будущего. Хотя поиск всемирной формулы продолжается.

Если речь идет только об аспектах гравитации, теория Эйнштейна, как и прежде, предоставляет собой надежные рамки для современной космологии. Спустя 100 лет после открытия гения она остается одной из лучших подтвержденных теорий. И все еще представляет собой основу для многих неожиданных открытий.

Источник: https://korrespondent.net/tech/science/3595852-temnaia-storona-vselennoi-skolko-prozhyvet-teoryia-einshteina-Tagesspiegel

Общая теория относительности: уже сто лет

В 1913 году Альберт Эйнштейн застопорился в своих усилиях построить общую теорию относительности. Он обратился к своему другу Марселю Гроссману за математической поддержкой: «Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума».

Спустя четыре года, когда Эйнштейн заканчивал статью о космических последствиях своей (наконец) завершенной теории, у него разболелась язва желудка, он страдал от расстройства печени. Измученный своими психическими усилиями, Эйнштейн думал, что умирает.

Он писал физику Арнольду Зоммерфельду: «В последний месяц у меня было самое стимулирующее, исчерпывающее время в моей жизни, а также одно из самых успешных». Но это чувство ускользало от большинства его коллег в те времена и до сих пор продолжает.

Они изучают величайшее прозрение Эйнштейна, не принимая во внимание то, как он достиг его, или что оно для него значило; они просто «не чувствовали относительность в своих косточках», как говорит физик-теоретик Колумбийского университета Брайан Грин.

Это отсутствие понимания проистекает из прилипчивого заблуждения о том, чем на самом деле является общая относительность, даже среди тех, кто потратил карьеру на ее изучение. Она широко описывает, как теория гравитации, но это не только теория. Она расписана в виде серии уравнений, описывающих движение объектов, но это не просто уравнения.

Общая теория относительности лучше всего воспринимается как пейзаж, буквально и фигурально. Это пространство понятий, которые описывают все возможные конфигурации пространства и времени, и все пути их изменения в присутствии материи. Это система, в которой все части реальности связаны. Первые походы Эйнштейна в этот пейзаж воодушевили и осушили его. Всякий раз, когда другие ученые пытались пройти по его стопам, они находили много новых областей. Именно поэтому, спустя сто лет после первой своей публикации, общая теория относительности все еще приносит удивительные открытия.

Читайте также:  Тепловая смерть вселенной - все о космосе

* * *

Нет лучше способа охватить идею относительности-как-пейзажа, чем взглянуть на самый большой пейзаж вообще: Вселенную. Эйнштейн понял, что пространство не является фиксированным фоном (неким невидимым полотном, относительно которого вы можете измерить движение), а является гибкой, динамичной вещью, которая искривляется и вытягивается в ответ на массу.

Это искривление мы ощущаем как гравитационную тягу: она удерживает ваши ноги на земле и Землю на орбите. Ли Смолин — теоретик Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, штат Онтарио, и один из ярых учеников Эйнштейна — приветствует способность общей теории относительности обеспечивать единое, единственное описание всего пространства, определенного всей массой.

«Это первая теория, которую можно применить ко Вселенной как к единому целому в замкнутой системе», — говорит он. Вы наверняка слышали, что ученые говорят, что Вселенная расширяется, но что это означает на самом деле? В 1929 году Эдвин Хаббл наблюдал, что галактики, кажется, движутся прочь во всех направлениях.

Заманчиво было бы предположить, что эти галактики летят через космос, подталкиваемые гигантским изначальным взрывом. В 1930-х годах британский астроном Э. Милн попытался описать открытие Хаббла именно в таких терминах. Но его анализ мрачно провалился.

Единственный способ внести смысл в астрономические наблюдения, как показал Эйнштейн, это подумать о космосе как о чем-то огромном. Галактики не летят через пространство; это само пространство расширяется между ними. Это понятие глубоко странное, но как только вы с ним примиритесь, все другие идеи встанут на свои места.

Во-первых, есть Большой Взрыв, который был не взрывом в пространстве, а взрывом пространства. Все пространство было стянуто в единую точку в момент Большого Взрыва, и все пространство вытянулось из нее за последующие 13,7 миллиарда лет. Поскольку пространство расширяется во всех направлениях, любую точку можно считать центром Вселенной.

Вы, здесь и сейчас, находитесь в центре Вселенной. (Чувствуете, как эго наливается соком?). Смоделировать происхождение элементов, образование галактик, прямой эволюционной путь от Большого Взрыва к современной Земле космологам помогло не что иное, как общая теория относительности.

И они до сих пор изучают новые уголки пейзажа относительности.

Поскольку пространство динамично, оно может деформироваться самым немыслимым образом. Притяжение гравитации сжимает пространство; это сжатие вы чувствуете как свой вес. Уравнения Эйнштейна также допускают антигравитацию, энергию, которая толкает пространство прочь. На протяжении десятилетий эту возможность считали теоретическим любопытством.

Но в 1998 году группа из двух астрономов обнаружила, что расширение Вселенной ускоряется. Это имеет смысл только в контексте относительности. Элемент антигравитации, подталкивающий ускорение, сейчас называется «темной энергией», и он настолько хорошо принят, что Нобелевскую премию по физике 2011 года присудили за его открытие.

Истинная природа темной энергии, впрочем, остается загадкой. Чтобы ее понять, международная группа астрономов запустила Dark Energy Survey, в настоящее время реализуемый в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. В течение пяти лет ученые будут фотографировать 300 миллионов галактик и записывать их распределение.

Гравитация приводит к тому, что галактики собираются со временем, тогда как темная энергия их рассеивает. Паттерн, полученный в ходе исследования, покажет, работает ли темная энергия одинаково во всех местах и менялась ли ее интенсивность в течение космической истории.

Темная энергия перевешивает все видимые галактики в соотношении 15 к 1, поэтому ее влияние может стать решающим для судьбы Вселенной. Так же, как пространство может расширяться, оно может и покрываться рябью, взволнованное гравитацией движущегося объекта, подобно тому, как поверхность пруда покрывает рябью после падения камешка.

Это еще одна пустыня относительности, которую ученые только сейчас начинают изучать. Поскольку гравитационные волны обтекают Землю на скорости света, они тонко хлюпают и растягивают все, что встречают на пути, в том числе и вас. Этот эффект невероятно слабый.

Чтобы найти эти волны, ученые модернизируют пару 4-километровых детекторов — один в Вашингтоне, другой в Луизиане, США, — под названием Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), наряду с комплексным экспериментом под названием Virgo, расположенным в Италии.

К концу десятилетия они надеются наблюдать гравитационные сигналы, излучаемые значительными, но по своей сути невидимыми событиями космоса, вроде столкновений черных дыр. И, да, черные дыры — пожалуй, самая известная из всех странных особенностей, вытекающих из пейзажа уравнений Эйнштейна.

Черные дыры — это места, где пространство искривляется само в себя; нигде больше топография относительности так не искажается и не интригует. На горизонте событий — границе черной дыры — время останавливается, а явления на атомных масштабах, описываемые квантовой механикой, растягиваются до размеров городов… или так кажется.

Общая теория относительности также утверждает, что все части Вселенной должны быть продолжительными, то есть не должно быть никаких физических помех между внутренней и наружной частью черной дыры. Это кажущееся противоречие вдохновило целую бурю новых теорий, которые пытаются выйти за рамки современного понимания законов физики.

Даже в закрученном случае черных дыр, концепции, которые, похоже, проживают в отдаленных краях пейзажа относительности, могут быть доступными для наблюдения.

Инструмент под названием Event Horizon Telescope, состоящий из девяти радиообсерваторий, разбросанных по миру, прямо сейчас собирает информацию для создания первых прямых снимков сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Эта черная дыра сама по себе никак не выглядит (она ведь черная), но измерения ее размеров и окружающих структур могут напрямую указать, как масса искажает структуру пространства. Любые отклонения от эйнштейновских ожиданий укажут путь в направлении совершенно новых физических понятий. Первые осмысленные изображения Event Horizon Telescope появятся скоро, возможно, уже в течение десяти лет.

* * *

Все эти идеи о расширяющейся Вселенной, гравитационных волнах и черных дырах потребовали мучительно много времени на разработку, поскольку скрывались глубоко внутри пейзажа относительности.

Сам Эйнштейн медленно принял первые две и никто не примирился с черными дырами, называя аргументы в пользу их существования «неубедительными» и предполагая, что природные процессы не позволили бы им сформироваться.

Многие писатели, в том числе знаменитый физик Георгий Гамов, представили сопротивление Эйнштейна этим идеям как «промахи» — места, где его великий ум сошел с пути. В реальности же Эйнштейн открыл настолько огромный пейзаж, что даже ему не хватило целой жизни, чтобы изучить его.

Даже современные физики недалеко ушли от Эйнштейна и считают, что общая теория относительности — это далеко не конец. Относительность расходится с квантовой механикой — набором правил, описывающих мир в атомных масштабах — в своем описании гравитации и экстремальных объектов вроде черных дыр.

Вынужденные выбирать, многие современные теоретики называют квантовую механику более основательным описанием реальности, называя относительность крупномасштабным явлением, сотканным из маломасштабных квантовых эффектов.

Физики очень хорошо проработали нижнюю часть (в которой свет представлен фотонами, а материя скоплениями атомов), но столетний опыт предполагает, что неразумно недооценивать силу эйнштейновской перспективы сверху вниз.

Как сказал Ли Смолин, квантовая механика – это теория «подсистем», которая имеет смысл только в контексте своего окружения, в противоположность космическим масштабам относительности.

Целостный подход Эйнштейна делает общую теорию относительности уникальной в своем потенциале для объяснения и исследования. Безусловно, будут физики, которые зайдут еще дальше, чем он. Они могут отлично принять множество инструментов и техник из квантовой теории. Но точно так же этим гениям придется действовать на манер Эйнштейна — отступать от уравнений, чтобы увидеть пейзаж целиком — если они захотят достичь истинного просветления. Им придется почувствовать относительность своими косточками.

Источник: http://wi-fi.ru/desktop/news/1/331112

Общая теория относительности

В начале гл. 2 мы указывали, что есть два пути обнаружить абсолютное движение: измерять движение по отношению к пучку света и использовать явление инерции, возникающее при ускорении предмета. Опыт Майкельсона — Морли показал, что первый путь непригоден. И специальная теория относительности Эйнштейна объяснила причину этого.

В этой главе мы возвращаемся ко второму методу: использованию явлений инерции как ключа к абсолютному движению.

Когда ускоряется космический корабль, космонавт внутри корабля гигантской силой прижимается к спинке своего кресла. Это обычное явление инерции, вызванное ускорением ракеты.

Доказывает ли это явление, что ракета движется? Для доказательства относительности всех движений, включая и ускоренное движение, необходимо, чтобы и ракету можно было принять за неподвижную систему отсчета. В этом случае Земля и все космическое пространство должны будут казаться движущимися назад, прочь от ракеты.

Но, посмотрев на создавшееся положение с этой точки зрения, можно ли объяснить силы, действующие на космонавта? Сила, которая прижимает его к креслу, показывает, без всякого сомнения, что движется ракета, а не космос.

Другой подходящий пример представляет вращающаяся Земля. Центробежная сила, инерционное явление, сопровождающее вращение, вызывает растяжение земного экватора, так что Земля сплющивается.

Если всякое движение относительно, то нельзя ли принять Землю за неподвижную систему отсчета и считать космос вращающимся вокруг нее? Конечно, это можно вообразить, но что же тогда растягивает земной экватор? Это растяжение показывает, что вращается сама Земля, а не Вселенная.

Кстати, астрономы не договорились еще, растягивают центробежные силы и сейчас экватор Земли или растяжение возникло в прошедшие геологические эпохи, когда вещество Земли было более пластичным, а теперь стало характерной чертой твердой Земли, чертой, которая сохранится, даже если прекратится вращение Земли. Все согласны, однако, что центробежная сила ответственна за это растяжение.

Цепь размышлений, приведших Ньютона к мысли о том, что движение не относительно, точно такая же.

Он ссылался как на доказательство на тот факт, что во вращающемся вокруг вертикальной оси ведре центробежная сила искривляет поверхность воды и даже может привести к выплескиванию воды через край.

Невозможно представить себе, что вращающаяся Вселенная может так влиять на воду, следовательно, утверждает Ньютон, необходимо признать, что вращение ведра абсолютно.

В течение десяти лет, последовавших за опубликованием специальной теории относительности, Эйнштейн размышлял над этой задачей. Большинство физиков не рассматривало ее как задачу вообще.

Почему бы, говорили они, равномерному движению не быть относительным (как это утверждает специальная теория относительности), а ускоренному — абсолютным? Такое положение дел Эйнштейна не удовлетворяло.

Он чувствовал, что если равномерное, прямолинейное движение относительно, то таким же должно быть и ускоренное движение. Наконец, в 1916 г., через 11 лет после создания специальной теории относительности, он опубликовал свою общую теорию относительности.

Эта теория названа общей, так как она является обобщением, расширением специальной теории. Она включает в себя специальную теорию как частный случай.

Общая теория является значительно более крупным научным достижением, чем специальная теория.

Если бы не Эйнштейн впервые сформулировал специальную теорию, то нет сомнения, что эта теория вскоре была бы создана другими физиками. Пуанкаре был одним из тех, кто почти вплотную подошел к ней. В своей замечательной речи, произнесенной в 1904 г.

, Пуанкаре предсказал возникновение «совершенно новой механики», в которой никакая скорость не может достигать скорости света, подобно тому, как никакая температура не может опуститься ниже абсолютного нуля.

Будет установлен, говорил он, «принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковы, независимо от того, покоится наблюдатель или находится в равномерном и прямолинейном движении; у нас не будет способа различать, находимся мы в состоянии покоя или в таком движении».

Пуанкаре не видел того решающего шага, который необходимо было сделать для выполнения этой программы, но интуитивно он понял сущность специальной теории. В то время Эйнштейн еще не сознавал, насколько мысли Пуанкаре, Лоренца и других были близки его собственным. Несколькими годами позже он чрезвычайно высоко оценил выдающийся вклад этих людей.

С общей теорией относительности положение совершенно отличное.

Читайте также:  Космонавт поляков валерий владимирович - все о космосе

Она была, по выражению Теллера, «прекрасной неожиданностью»; работой такой изумительной оригинальности, такой необычности, что она вызвала в научном мире нечто похожее на то, что произошло в танцевальных залах США, когда в 1962 г. в них вторгся новый танец, крик моды, твист.

Эйнштейн изменил[3]древние ритмы танцев времени и пространства. В удивительно короткое время каждый физик или танцевал новый твист, не скрывая охватившего его ужаса перед ним, или жаловался на старость, мешающую научиться новому танцу.

Если бы не родился Эйнштейн, то нет сомнения, что другие ученые дали бы физике такой же твист, но могло бы пройти столетие или больше, прежде чем это бы произошло. В истории науки немного основополагающих теорий, в такой степени являющихся делом рук одного человека.

«Ньютон, прости меня», — писал Эйнштейн в конце жизни. «В твое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы». Это трогательная дань уважения гениальнейшего ученого нашего времени своему гениальному предшественнику.

Центральным стержнем общей теории Эйнштейна является то, что получило название принципа эквивалентности.

Принцип эквивалентности не что иное, как ошеломляющее утверждение (Ньютон счел бы Эйнштейна безумцем), что тяжесть и инерция одно и то же. Это не просто похожие явления. Тяжесть и инерция — два различных слова для одного и того же явления.

Эйнштейн был не первый ученый, которого поразило странное сходство между гравитационным и инерционными явлениями. Представим себе, что пушечное ядро и маленький деревянный шарик падают с одной и той же высоты. Допустим, что вес ядра в сто раз больше, чем вес деревянного шарика.

Это означает, что на ядро действует сила тяжести, в сто раз большая, чем сила, действующая на деревянный шарик. Легко понять причину, по которой враги Галилея не могли поверить, что эти шарики достигнут Земли одновременно.

Мы теперь, конечно, знаем, что если пренебречь сопротивлением воздуха, то шары будут падать бок о бок. Чтобы объяснить это явление, Ньютон должен был предположить нечто очень удивительное. В той же степени, с какой тяжесть тянет вниз ядро, инерция ядра, сопротивляемость силе, его сдерживает.

Действительно, на ядро действует сила тяжести в сто раз большая, чем на деревянный шарик, но инерция сдерживает ядро ровно в сто раз сильнее!

Физики часто выражают это другими словами.

Сила тяжести, действующая на предмет, всегда пропорциональна инерционной массе этого предмета.

Бели предмет А вдвое тяжелее предмета Б, его инерция также вдвое больше. Вдвое большая сила необходима для ускорения предмета А до той же конечной скорости, что и у предмета Б. Если бы это было не так, то предметы разного веса падали бы с разными ускорениями.

Очень легко вообразить себе мир, в котором нет пропорциональности между этими силами (инерции и тяготения). И действительно, во времена от Аристотеля до Галилея ученые представляли себе мир именно таким! Мы очень хорошо чувствовали бы себя в таком мире. Изменились бы условия в падающем лифте, но ведь мы не часто в нем оказываемся.

Как бы там ни было, мы имеем счастье жить в мире, где эти две силы пропорциональны. Впервые это показал Галилей. Удивительно точные опыты, подтвердившие открытие Галилея, были выполнены около 1900 г.

венгерским физиком бароном Роландом фон Этвешем. Наиболее точная всесторонняя проверка была сделана несколько лет назад группой ученых Принстонского университета.

С той точностью, которой они могли достигнуть, гравитационная масса (вес) всегда оказывалась пропорциональной инертной массе.

Ньютон, конечно, знал об этой удивительной связи между тяжестью и инерцией, связи, которая заставляет все предметы падать с одинаковым ускорением, но он никак не мог это объяснить. Для него эта связь казалась необычайным совпадением.

За счет такого совпадения можно использовать инерцию таким образом, что гравитационное поле будет возникать и исчезать.

В первой главе было рассказа но об искусственном поле тяжести, которое может быть создано в космическом корабле тороидальной формы (в виде бублика) простым вращением корабля как колеса. Центробежная сила будет прижимать предметы к внешнему краю.

Вращая корабль с определенной постоянной скоростью, можно получить внутри корабля поле сил инерции с таким же действием, как и поле тяжести Земли. Прогуливающийся космонавт будет чувствовать себя как бы на кривом полу. Брошенные предметы будут падать на этот пол.

Дым будет подниматься к потолку. Все явления будут такими же, как и в обычном поле тяжести. Для иллюстрации этого положения Эйнштейн предложил следующий мысленный эксперимент.

Вообразите в космосе лифт, двигающийся вверх с постоянно нарастающей скоростью. Если ускорение постоянно и в точности равно ускорению падающего на землю предмета, то человек внутри лифта будет чувствовать себя так же, как и в гравитационном поле, в точности равном земному.

Этим способом можно не только промоделировать тяжесть, но и нейтрализовать ее. В падающем лифте, например, ускорение вниз полностью ликвидирует влияние тяжести внутри кабины.

Состояние с g = 0 (отсутствие тяготения) существует внутри космического корабля все то время, пока он находится в состоянии свободного падения, т. е. когда он движется только под действием сил тяжести.

Невесомость, которую ощущали советские и американские космонавты в полетах вокруг Земли, объясняется тем, что их корабли находились в состоянии свободного падения, обращаясь вокруг Земли. Все время, пока ракетные двигатели космического корабля выключены, внутри корабля будет состояние с g = 0.

Замечательное соответствие между тяжестью и инерцией оставалось иеобъясненным до тех пор, пока Эйнштейн не создал общую теорию относительности.

Как и в специальной теории относительности, он предложил наипростейшую, наиболее смелую гипотезу.

Вспомните, в специальной теории относительности Эйнштейн предположил, что причина, по которой мы не замечаем эфирного ветра, состоит в том, что нет никакого эфирного ветра.

В общей теории относительности он сказал: тяжесть и инерция кажутся одним и тем же потому, что они являются одним и тем же.

Неправильно говорить, что внутри свободно падающего лифта притяжение Земли нейтрализуется.

Тяготение не нейтрализуется, оно ликвидируется.

Тяготение действительно исчезает. Аналогично этому неправильно говорить, что тяготение во вращающемся космическом корабле или в поднимающемся с ускорением лифте моделируется.

И в этом случае тяготение не моделируется, оно создается.

Гравитационное поле, созданное этим способом, имеет иную математическую форму, чем гравитационные поля, окружающие большие небесные тела, например Землю, но тем не менее это обычное гравитационное поле.

Как и в специальной теории, математическое описание природы усложняется в общей теории, но окончательный результат оправдывает это усложнение.

Вместо двух различных сил оставлена только одна.

Более того, теория приводит к новым предсказаниям, которые могут быть проверены на опыте.

Принцип эквивалентности Эйнштейна — эквивалентности тяготения и инерции — дает возможность рассматривать все движения, в том числе и ускоренные, как относительные. Когда воображаемый лифт Эйнштейна с нарастающей скоростью движется в космосе, внутри него можно наблюдать явления инерции. Но теоретически лифт можно рассматривать как неподвижную, фиксированную систему отсчета.

Тогда вся Вселенная со всеми ее галактиками окажется движущейся вниз мимо лифта с нарастающей скоростью. Это ускоренное движение Вселенной создает гравитационное поле, которое заставляет все предметы в лифте прижиматься к полу. Можно сказать, что эти явления не инерционные, а гравитационные.

Но что же происходит в действительности? Движется лифт, и его движение создает инерционные явления, или движется Вселенная, создавая гравитационное поле? Это неправильный вопрос. Нет никакого «действительного», абсолютного движения. Существует лишь относительное движение лифта и Вселенной. Это относительное движение создает силовое поле, описываемое уравнениями поля общей теории.

Силовое поле может называться гравитационным или инерционным в зависимости от выбора системы отсчета. Если системой отсчета служит лифт, то поле называется гравитационным. Если же системой отсчета является космос, то поле называется инерционным.

Инерция и тяготение — всего лишь два различных слова, примененных к одному и тому же явлению. Естественно, много проще и более удобно рассматривать Вселенную покоящейся. В этом случае никто не попытается назвать поле внутри лифта гравитационным.

Общая теория относительности говорит, однако, что это поле может быть названо гравитационным, если выбрана подходящая система отсчета.

Ни один эксперимент, выполненный внутри этого лифта, не сможет доказать «ложность» такого представления.

Когда говорят, что наблюдатель внутри лифта не может сказать, является поле, прижимающее его к полу, инерционным или гравитационным, то это не означает, что он не может найти разницу между этим полем и гравитационным полем, окружающим большие количества вещества, скажем планету.

Гравитационное поле вокруг Земли, например, обладает сферической симметрией и такое поле нельзя точно воспроизвести ускорением лифта в пространстве.

Если два яблока разнести на метр, а затем сбросить с большой высоты на Землю, то, падая, они будут сближаться, так как каждое яблоко падает по прямой линии, направленной к центру Земли. В движущемся лифте, однако, все предметы падают по параллельным линиям.

Это различие между двумя полями может быть найдено опытами внутри лифта, но этими опытами нельзя найти различия между инерцией и тяготением. В опытах можно различить только поля различной математической структуры.

Подобное положение возникает и на вращающейся Земле. Древний спор о том, вращается Земля или небеса вокруг нее (так думал Аристотель), оказывается не более чем спором о выборе самой простой системы отсчета. Конечно, наиболее удобно выбрать систему отсчета, связанную со Вселенной. Мы говорим, что относительно Вселенной Земля вращается и инерция сплющивает Землю, растягивая ее экватор.

Ничто, кроме неудобства, не мешает нам выбрать Землю в качестве фиксированной системы отсчета.

В последнем случае мы скажем, что космос вращается вокруг Земли, создавая гравитационное поле, воздействующее на ее экватор. И снова это поле будет иметь математически иную структуру, чем гравитационное поле вокруг планеты, и тем не менее оно справедливо может быть названо гравитационным.

Если мы выберем Землю за неподвижную систему отсчета, нам даже не придется изменять нашу повседневную речь.

Мы говорим, что Солнце всходит по утрам и заходит вечером, что Большая Медведица вращается вокруг Полярной Звезды. Какая же точка зрения «правильна»? Вращаются небеса или вращается Земля? Этот вопрос лишен смысла.

С тем же основанием официантка могла бы спросить клиента, желает он мороженое на пироге или пирог под мороженым.

Вообразите себе космос вскруженным некими «захватами» для каждого предмета в нем. (В гл. 7 рассматривается вопрос о происхождении этих захватов.) Необычайность этих захватов состоит в том, что, пока предмет движется по Вселенной прямолинейно и равномерно, Вселенная не препятствует его движению.

Но стоит только попытаться заставить предмет двигаться неравномерно (ускоренно), захват сожмется. Если за неподвижную систему отсчета принята Вселенная, то захват называется инерцией предмета, его сопротивляемостью изменению движения.

Если за неподвижную систему отсчета принят предмет, захват называется тяготением, попыткой Вселенной сдержать неравномерное движение предмета относительно нее.

Часто общую теорию относительности резюмируют следующим образом. Ньютон разъяснил, что если наблюдатель находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения, то нет ни одного механического опыта, с помощью которого он мог бы отличить свое состояние от покоя.

Специальная теория относительности распространила это заключение и на оптические опыты. Общая теория является следующим по порядку сообщением — обобщением специальной теории на неравномерное движение.

Ни один эксперимент, говорит общая теория, какого бы вида он ни был, не поможет наблюдателю, в каком бы движении тот ни находился, равномерном или неравномерном, отличить свое состояние от состояния покоя.

Сущность общей теории относительности иногда формулируется и так: все законы природы инвариантны (одинаковы) для любого наблюдателя. Это означает, что независимо от того, как движется наблюдатель, он может описать все законы природы (как они ему представляются) одинаковыми математическими уравнениями.

Он может быть ученым, работающим в земной лаборатории, или на Луне, или в огромном космическом корабле, медленно ускоряющемся на пути к далекой звезде. Общая теория относительности дает ему ряд уравнений, с помощью которых можно выразить все законы природы, прояв- ляющиеся в любом выполнимом эксперименте.

Эти уравнения будут точными независимо от того, находится наблюдатель в покое или в равномерном либо ускоренном движении по отношению к любому другому предмету.

В следующей главе мы подробнее рассмотрим теорию тяготения Эйнштейна и ее связь с новым важным понятием, известным под названием пространства — времени.

Источник: http://stydopedia.ru/4xe9cd.html

Ссылка на основную публикацию