Эйнштейн и современные представления

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879—1955) предложил совершенно новую тео­рию пространства и времени — так называемую специальную теорию относительности (СТО).

СТО — это фундаментальная физическая теория, рассматривающая свойства и закономерные взаимо­связи пространства, времени и движения материи в приближении, когда полями тяготения можно прене­бречь или когда они не слишком сильны.

Один из создателей современной космологии и астрофизики Стивен Хокинг определяет ее так: это «теория Эйнштейна, отправная точка которой состо­ит в том, что законы науки должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей, неза­висимо от их скоростей» Предпосылками создания А. Эйн­штейном (в 1905 г.) СТО были многие разрозненные теоретические и экспериментальные факты: это ра­боты Ремера, Физо, Максвелла, Майкельсона, Лорентца, Пуанкаре, Лармора, Кауфмана и других вели­ких физиков, но честь теоретического их осмысле­ния и гипотетико-дедуктивной систематизации в рамках одной общенаучной теории принадлежит именно А. Эйнштейну.

Основу СТО составляют два постула­та: 1 — скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движе­ния наблюдателя или источника света; 2 — все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Принятие этих принципов означало изменение длин и времен в соответствии с преобразованиями Лоренца для тел, движу­щихся со скоростями, близкими к скорости света. Это было уже кар­динальное преобразование наглядных представлений. "Отныне про­странство и время, взятые по отдельности, обречены влачить при­зрачное существование, и только единство их обоих сохранит реаль­ность и самостоятельность" (Г. Минковский). Время и пространство объединяются в 4-мерное пространство-время.

В 1916 г. Эйнштейн включил СТО в свою общую теорию относи­тельности (ОТО), или обобщенную теорию тяготения.

В ОТО суще­ствование гравитационного взаимодействия объяс­няется искривлением четырехмерного пространства-времени. Как видим, Эйнштейна поддер­живала здесь вера в общность, универсальность законов Природы и науки.

Главные выводы общей теории относительности

(ОТО)

Общая теория относительности рассматривает неинерциальные системы отсчета и утверждает воз­можность их отождествления с инерциальными (при наличии поля тяготения). А. Эйнштейн формулирует суть главного принципа этой теории следующим об­разом: все системы отсчета равноценны для описа­ния природы (формулировки общих ее законов), в ка­ком бы состоянии движения они не находились. Заме­тим, что здесь речь идет о локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции. Точнее, общий прин­цип относительности говорит о том, что каждый из законов физики одинаково истинен и применим и в неинерциальных системах отсчета при наличии поля тяготения, и в инерциальных системах отсчета, но при его отсутствии.

Исходное положение и следствия ОТО

1. Равенство инертной и гравитационной массы для всех тел во Вселенной (см. выше вывод формулы закона тяготения Ньютона) — один из важных ре­зультатов ОТО, которая считает равноценными, рав­ноправными все системы отсчета, а не только инерциальные.

2.Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной, а изменяется по направле­нию от одного места к другому. Отклонение световых лучей в поле Солнца (оно, согласно ОТО, достигает 1,75" при прохождении луча вблизи диска Солнца) измерено лишь с погрешностью порядка 10%, хотя в этих пределах и согласуется с ОТО.

3.Поворот эллиптической орбиты планет, движу­щихся вокруг Солнца (например, у Меркурия — 43" в столетие). Смещение перигелия Меркурия, делаю­щее его орбиту незамкнутой, «ромашкообразной», известно с погрешностью менее 1%.

4.Замедление времени в поле тяготения массив­ных или сверхплотных тел. ОТО Эйнштейна описы­вает тяготение как воздействие структурной мате­рии на геометрические свойства пространства-вре­мени; в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы [9, с. 413].

5.Изменение частоты света при его движении в гравитационном поле: как следствие удлинения ин­тервалов (периодов — Т) времени — так на­зываемое гравитационное красное смещение линий спектров.

Наиболее значительным результатом ОТО явля­ется установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и плотности тяготеющих масс. Образно выражаясь, материя «шепчет» прост­ранству-времени, каким ему быть (как искривлять­ся), а пространство-время «говорит» материи, как ей двигаться.

Свойства пространства и времени в его теории определяются распределением и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тя­готеющих масс, а следовательно, и поля тяготения, пространство ис­кривляется, становится неевклидовым.

Хотя соотношение между количеством материи и степенью кри­визны простое, но сложны расчеты — для описания кривизны в каж­дой точке нужно знать значения двадцати функций пространствен­но-временных координат. Десять функций соответствуют той части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, т. е. в виде "ряби" кривизны, остальные десять — определяются рас­пределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутрен­них напряжений в веществе и значения универсальной гравитацион­ной постоянной С. Из-за малости величины G нужно много масс, чтобы существенно "изогнуть" пространство-время. Поэтому 1/G подчас рассматривают как меру жесткости пространства-време­ни. С точки зрения нашего повседневного опыта пространство-время очень жесткое. Вся масса Земли создает кривизну, составляющую по­рядка одной миллиардной кривизны своей поверхности. Чтобы пред­ставить кривизну пространства-времени вблизи Земли, подбросим мяч в воздух. Если он будет находиться в полете 2 с и опишет дугу в 5 м, то свет за эти 2 с пройдет расстояние 600 ООО км. Если предста­вить дугу высотой 5 м, вытянутую по горизонтали до 600 ООО км, то ее кривизна и будет соответствовать кривизне пространства-времени. В отличие от теории гравитации Ньютона, теория Эйнштейна пре­тендует на теорию пространства-времени, т. е. на теорию Вселенной в целом.

Многих интересовал вопрос, почему мы способны воспринять только пространство трех измерений. П. Эренфест в 1917 г. исследо­вал этот вопрос специально и указал, что "закон обратных квадра­тов", по которому действуют друг на друга точечные гравитацион­ные массы или электрические заряды, обусловлен трехмерностью пространства. В пространстве п измерений точечные частицы взаимо­действовали бы по закону обратной степени (п -1). Поэтому для п = 3 справедлив закон обратных квадратов, т. к. 3-1=2. Он показал, что при п = 4, что соответствует закону обратных кубов, планеты двига­лись бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трех, также не существовало бы устойчи­вых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трехмерности пространства с законом тяготения указывал еще и Кант.

Кроме того, можно показать, что распространение волн "в чис­том виде" невозможно в пространстве с четным числом измерений. Появляются искажения, нарушающие переносимую волной структу­ру (информацию). Пример тому — распространение волны по рези­новому покрытию (по поверхности размерности 2). В 1955 г. матема­тик Г. Дж. Уитроу заключил, что поскольку живым организмам не­обходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространствах четной размерности. Этот вывод относится к известным нам формам жизни и законам природы и не исключает существования иных миров, иной приро­ды.

Пространство обладает свойствами непрерывно­сти, трехмерности, однородности и изотропности, а время — непрерывности, одномерности и однород­ности (время неизотропно, необратимо). Подчеркну­тые свойства пространства и времени связаны с главными законами физики — зако­нами сохранения.

Важным для понимания природы является прин­цип инвариантности относительно сдвигов в прост­ранстве и во времени: смещение во времени и в про­странстве не влияет на протекание физических про­цессов.

Инвариантность непосредственно связана с сим­метрией (о которой мы говорили выше).

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замк­нутой системы тел как целого ее физические свойст­ва и их законы движения не изменяются.

Из свойств симметрии пространства (его одно­родности) следует закон сохранения импульса: им­пульс замкнутой системы не меняется с течением времени.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала от­счета времени. Из однородности времени следует за­кон сохранения энергии: в консервативных систе­мах полная энергия сохраняется. Как для консерва­тивных, так и для диссипативных систем справедлив закон сохранения и превращения энергии: энергия не исчезает и не появляется вновь, она лишь превра­щается из одного вида в другой. Энергия выступает как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Изотропность пространства, равноправие на­правлений в нем означает инвариантность физичес­ких законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета.

Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы не изменяется с течением вре­мени.

Связь между симметрией пространства и закона­ми сохранения установила немецкий математик Эм­ми Неттер (1882—1935). Теорема Неттер гласит: каж­дому симметричному преобразованию физической системы соответствует свой закон сохранения.