Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Гравитация (основные принципы общей теории относительности Эйнштейна)

К 1911 г. Эйнштейн сформулировал релятивистскую теорию гравитации — так называемую общую теорию относительности (ОТО). В теории тяготения Ньютона силы между массами тх и т2, расположенными на расстоянии г, действуют мгновенно. Это противоречит

СТО, согласно которой не существует скорости распространения сигнала, превышающей скорость света в вакууме. Действительно, если силы могут действовать на расстоянии мгновенно, то это означает, что сигнал или энергия мгновенно передается от массы т к массе mj. Тем самым нарушается основное положение специальной теории относительности, по которому ни один сигнал и ни один вид энергии не может распространяться в пространстве со скоростью, большей скорости света в вакууме. Из рассмотрения этого и других противоречий двух теорий возникла задача создания релятивистской теории тяготения. Эта теория, по мнению Эйнштейна, должна была удовлетворять принципу относительности и автоматически приводить к эквивалентности гравитационной и релятивистской масс. Поэтому он постулировал так называемый принцип эквивалентности: действие гравитационного тля эквивалентно действию ускоренно движущейся системы отсчета.

Например, при наборе высоты с ускорением пассажир ощущает, что его вес растет или увеличивается сила тяжести. Также, если ракета имеет ускорение 3g, то на космонавтов и на все предметы действует сила, вчетверо (сила притяжения и «инерционная» сила складываются) превышающая обычное значение силы веса (при этом нагрузки на сердце и на сосудистую систему человека также возрастают). Эта дополнительная сила «псевдогравитации» в точности пропорциональна инертной массе. Ни один физический эксперимент, проведенный на ракете, не может дать ответ на вопрос, возросла ли вчетверо сила тяжести за счет внезапного увеличения земного притяжения или же ракета стала ускоренно двигаться относительно Земли.

В общей теории относительности принцип эквивалентности потребовал описания процессов с помощью довольно сложного математического аппарата. Полученные математические выражения могли быть интерпретированы так, что любая масса «возмущает» вокруг себя пространство (лежащее на плоской упругой поверхности тело своим весом прогибает плоскость), в результате чего все другие тела, находящиеся рядом, будут двигаться по траекториям, искривленным в окрестности возмущающей массы, и приближаться к ней. Уравнения общей теории относительности связывают величину кривизны этих траекторий с массой источника гравитации. С точки зрения классической физики это означало бы, что любое тело, движущееся по искривленной траектории, должно ускоряться, а следовательно, испытывать действие некоторой дополнительной силы. В общей теории относительности ускорение обусловлено свойствами самого пространства, проявлением которых и объясняется явление гравитации. Поскольку «возмущено» само пространство, все инертные массы подвержены одному и тому же его воздействию, и принцип эквивалентности удовлетворяется автоматически. Эффект искривления пространства, а следовательно, большие скорости и ускорения проявляются особенно сильно около массивных космических тел.

В соответствии с этим сверхточные атомные часы на поверхности Солнца должны идти медленнее, чем на поверхности Земли. Общая теория относительности предсказывает замедление любых часов в гравитационном поле. Это приводит к одному из главных выводов (следствий) общей теории относительности: гравитационному «красному смещению» — увеличению длины световой волны при излучении света массивным космическим телом. Этот эффект называется гравитационным «красным смещением» (см. также подраздел 9.9.3). Например, если одинаковые часы на Земле расположены на разной высоте на расстоянии 10 м друг от друга, то нижние часы будут идти медленнее, причем это различие составит приблизительно 10~15 от интервала измеряемого времени. Чтобы измерить эту величину с достаточной точностью, необходимо иметь часы, работающие с относительной точностью не хуже 10~16. Впервые часы с такой точностью работы были созданы в 60-х гг. XX в. В них используются фотоны, излучаемые радиоактивными атомами железа, внедренными в кристалл. Столь высокую точность часов обеспечивает уже упомянутый эффект Мёссбауэра (см. подраздел 9.7.6). Благодаря появлению новых стандартов частоты удалось в лабораторных условиях продемонстрировать замедление времени, обусловленное гравитацией. Первые такие эксперименты были проведены в 1960 г. в Гарвардском университете на 20 метровой башне (упомянутый ранее опыт Паунда и Ребки).

Другой эффект, предсказываемый ОТО, — искривление траектории при распространении светового луча вблизи поверхности Солнца. Теория позволяет вычислить гравитационную силу, действующую между Солнцем и фотоном, движущимся со скоростью света. Оказалось, что при наблюдениях за звездами во время солнечных затмений, когда световой луч от звезды проходит вблизи солнечного диска, видимые расположения звезд сдвинуты на расстояние, предсказываемое теорией Эйнштейна, по отношению к их положениям, когда световой луч проходит вдали от Солнца.

Еще одно явление, предсказываемое ОТО и вызывавшее до 1970 г. изумление с недоверием, — это то, что при весьма обычных условиях звезда, израсходовавшая свой запас внутренней энергии (обычно ее представляют как термоядерную энергию), должна испытывать коллапс, превращаясь в конечном счете в «черную дыру» — звездный объект, поверхность которого не может покинуть ни свет, ни какой-либо другой материальный объект или сигнал. Такая звезда должна полностью и навсегда исчезнуть из поля зрения любых наблюдателей. Коллапсирующие звезды удалось наблюдать в процессе их сжатия. Согласно ОТО ускоряющаяся масса (например, коллапсирующая звезда или объект, образовавшийся после столкновения звезд) должна излучать гравитационные волны подобно тому, как ускоряющийся электрический заряд испускает электромагнитное излучение. Теория «черных дыр» и экспериментальное их наблюдение составляют задачу современной астрофизики.

Общая теория относительности играет очень важную роль в разделе астрофизики, называемой космологией, занимающейся вопросами, связанными с происхождением, размерами, строением и эволюцией Вселенной (см. подраздел 9.9.3). Основной перечень стандартных вопросов, на которые должна дать ответ космология: конечны или бесконечны размеры Вселенной? Увеличиваются ли они (расширяется ли Вселенная)? Как и когда сформировалась наша Солнечная система и Галактика? Много ли имеется галактик и как они распределены во Вселенной? Как они сформировались, и что представляла собой Вселенная, до того как галактики возникли? Чтобы попытаться ответить на эти и другие вопросы, стоящие перед космологией, нужно кроме общей теории относительности познакомиться с атомной и ядер- ной физикой (см. главы 8 и 9).

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы