5. Общая теория относительности

Общая теория относительностипредставляет собой новую теорию тяготения, более общую и глубокую, чем ньютоновская теория. В общей теории относительности установлено, что метрические свойства пространства определяются распределением и взаимодействием тяготеющих масс, а силы тяготения зависят от свойств пространства. В общей теории относительности поставлены фундаментальные проблемы: конечности – бесконечности пространства и времени, соотношения материи, движения, пространства и времени.

1. Принцип эквивалентности

В тот период, когда начала развертываться дискуссия по поводу специальной теории относительности, Эйнштейн продолжал работать над вопросами этой теории и в 1907 г. сформулировал так называемый принцип эквивалентности, утверждающий эквивалентность сил инерции и тяготения. Это привело его в дальнейшем к построению в 1916 г.общей теории относительности– физического учения о пространстве, времени и тяготении.

Общая теория относительности решила проблему формулирования физических законов в произвольной системе отсчета.

В специальной теории относительности, как мы видели, все системы отсчета предполагаются инерциальными, т.е. движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Это название отражает тот факт, что для подобных систем отсчета выполняется закон инерции. Относительно всех инерциальных систем отсчета законы движения тел описываются одинаково, т.е. имеют ту же математическую форму и выражаются теми же уравнениями. До сих пор мы рассматривали движение тел по отношению к инерциальным системам отсчета.

Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что, находясь в равномерно движущемся вагоне, нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если принять теперь за систему отсчета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной.

Общая же теория относительности утверждает одинаковость законов природы не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета.

До Эйнштейна было хорошо известно, что действие сил инерции, обусловленных ускоренным движением тел, аналогично действию сил однородного поля тяготения. В результате этого с точки зрения классической механики все механические процессы в неинерциальной равноускоренной системе отсчета происходят так же, как и процессы в инерциальной системе, в которой действует соответствующее однородное поле тяготения. Например, в падающем лифте ускорение вниз полностью ликвидирует влияние тяжести внутри кабины, создавая состояние g = 0.

Эйнштейн обобщил этот факт, предположив эквивалентность указанных систем отсчета не только для механических, но и для электромагнитных процессов. Это означает, что независимо от того, как движется наблюдатель, он может описать все законы природы одинаковыми математическими уравнениями.

Общая теория относительности объединила теорию пространства и времени с теорией тяготения, что означало глубокий переворот в представлениях о геометрии пространства, течении времени и о строении мира в целом.

Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время искривлено распределенными массами и энергией.

Общая теория относительности базируется на гравитационных уравнениях, описывающих изменение гравитационного поля, и объясняет существование гравитационных взаимодействий искривлением четырехмерного пространства-времени.

В общей теории относительности используется уже не привычная нам геометрия Евклида, а другие геометрии, связанные с понятиями искривления пространства под действием полей тяготения, замедления хода времени в сильных гравитационных полях.