3. Теория относительности Эйнштейна

Общая теория относительности (ОТО; англ. general theory of relativity) – геометрическая теория, развивающая Специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

Уравнения Эйнштейна также именуемые уравнениями Эйнштейна-Гильберта (термин применяется также, а в современной физике и главным образом, в единственном числе: уравнение Эйнштейна , поскольку, как видно из записи ниже, это на самом деле одно тензорное уравнение, хотя в компонентах представляет собой систему уравнений) — основные уравнения общей теории относительности, связывающие между собой свойства материи, заполняющей искривлённое пространство-время, с его кривизной. Выглядят они следующим образом:

где Rab — тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени Rabcd посредством свёртки его по паре индексов, R — скалярная кривизна, то есть свёрнутый тензор Риччи, gab — метрический тензор, Λ — космологическая постоянная, а Tab представляет собой тензор энергии-импульса материи, (π — число пи, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная Ньютона). Так как все входящие в уравнения тензоры симметричны, то в четырёхмерном пространстве-времени эти уравнения равносильны 4·(4+1)/2=10 скалярным уравнениям.

Одним из существенных свойств уравнений Эйнштейна является их нелинейность, приводящая к невозможности использования при их решении принципа суперпозиции.

Специальная теория относительности Эйнштейна:

– Постулат принципа относительности: никакие опыты, проведенные внутри данной ИСО, не дают возможности обнаружить покоится эта система, либо движется равномерно и прямолинейно;

– Принцип инвариантности: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех ИСО.

Согласно второму постулату все ИСО равноправны, т.е. все явления (механические, оптические) во всех ИСО протекают одинаково.

Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. Детальный вид наблюдаемой траектории и гравитационные эффекты линзирования зависят, тем не менее, от кривизны пространства-времени. Эйнштейн узнал об этом эффекте в 1911 году, и, когда он эвристическим путём вычислил величину кривизны траекторий, она оказалась такой же, какая предсказывалась классической механикой для частиц, движущихся со скоростью света. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что угловой сдвиг направления распространения света в ОТО в два раза больше, чем в ньютоновской теории. Таким образом, это предсказание стало ещё одним способом проверки ОТО.

Невозможность достижения скоростей, превышающих скорости света, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.