Общая теория относительности: зависимость свойств пространства-времени от распределения материи

Мотивы создания общей теории относительности. Несмотря на революционность специальной теории относительности, приведшей к коренному изменению наших представлений о пространстве и времени, возникает чувство некоторой незавершенности теории. И связано это с тем, что специальная теория относительности, так же как и классическая механика, сохраняет привилегированное положение наблюдателей, находящихся в инерциальных системах отсчета. А как быть с наблюдателями, находящимися в системах отсчета, движущихся по отношению к первым с ускорением (в неинерциальных системах отсчета)? Ведь подавляющее большинство реальных систем не инерциальны уже потому, что находится под действием силы всемирного тяготения. Эту проблему Эйнштейну удалось решить, создав общую теорию относительности.

Общая теория относительности (ОТО) – релятивистская теория тяготения. ОТО была создана Эйнштейном в 1916 г. Оказалось, что тяготение укладывается в рамки специальной теории относительности только в том случае, если потенциал гравитационного поля постоянен. Как выяснил Эйнштейн, причина этого состоит в том, что не только инертная масса зависит от энергии, но и гравитационная. Эйнштейн приходит к выводу о том,что гравитационное поле (в котором проявляется гравитационная масса) эквивалентно ускоренному движению (в котором проявляется масса инертная).

Эйнштейн приходит к выводу о том, что главная задача состоит не в том, как включить тяготение в СТО, а в том, как использовать тяготение для обобщениятребования инвариантности к любым типам движения, в том числе и ускоренным. Оказалось, что тяготение не может быть полностью заменено ускорением (гравитационные силы–силами инерции) в больших областях с неоднородным гравитационным полем. Сведение гравитационного поля к ускоренным системам отсчета требует ограничения принципа эквивалентности бесконечно малыми масштабами. Иными словами,принцип эквивалентности имеет локальное значение.Придав принципу эквивалентности систем отсчета локальный характер, Эйнштейн распространил его на неинерциальные системы.

Локальный характер принципа эквивалентности приводит к представлениям о мире, отличном от плоского евклидова пространства, для которого сумма углов треугольника всегда равно 180°. Это мир с кривизной пространственно-временного континуума. Случилось так, что в математике уже были развиты теории неевклидовой дифференциальной геометрии–теория Лобачевского и теория Римана. В общей теории относительности инвариантность физических законов в системах отсчета, в которых действуют гравитационные силы (или которые являются неинерциальными), достигается относительно локальных преобразований в римановом четырехмерном пространстве-времени положительной кривизны.

Другими словами, под действием тяготеющих масс пространство искривляется, а время замедляет ход. В природе существует гравитационное искривление пространства и гравитационное замедление времени, создаваемые массивными объектами. Согласно ОТО, гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривления пространства-времени под действием тяготеющих масс. Можно сказать, что масса тел искривляет пространство-время, а искривление пространства-времени приводит тела в ускоренное движение.

Таким образом, в общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства-времени определяется распределением масс. Когда корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна, в чем суть теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезло бы и пространство, и время». Следовательно, пространство-время – это всеобщая форма существования материи.

ОТО позволила объяснить открытую еще в 1859 г. дополнительную скорость движения перигелия Меркурия под влиянием гравитационного поля Солнца: это явление обусловлено искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца.

Большое значение для широкого признания ОТО имели опыты по измерению отклонения лучей света, проходящих около Солнца. Эти результаты впервые были получены во время солнечного затмения 1919 г., когда в поле наблюдения оказалось большое количество ярких звезд. Лучи света от этих звезд отклонялись вблизи солнца на величину, соответствующую требованиям ОТО.

Другое явление, предсказанное ОТО, – наличие красного смещения в спектрах небесных тел–было подтверждено в 1923–1926 гг.

В начале XXIв. появились сообщения об обнаружении астрономамичерных дыр– не испускающих свет объектов огромной массы, также предсказанных ОТО.

Международным научным сообществом предпринимаются попытки зафиксировать распространение гравитационных волн– волн кривизны пространства. Их обнаружение сыграло бы для ОТО Эйнштейна роль, подобную обнаружению электромагнитных волн для электродинамики Максвелла.

Можно заключить, что теория относительности полностью перевернула классические представления о пространстве, времени и материи, показав их неразрывную связь и взаимное влияние.