Теория относительности

Относительности теория

Физическая  теория пространства и времени - теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном - устранила противоречия, возникшие в физике в начале ХХ века и уже десятки лет вместе с квантовой теорией чрезвычайно способствует нашему познанию процессов во Вселенной.

общая

Общая теория относительности объясняет явление гравитации (см. Поле физическое, гравитационное) проявлением геометрических свойств пространства и времени. Согласно этой теории “пустого” пространства не существует, в нем всегда присутствуют вещество, излучение и различные физические поля. Распределение массы и энергии определяют геометрические свойства пространства-времени, в котором происходит движение материи. 

Надобность создания общей теории относительности была обусловлена необходимостью устранения противоречия между основным принципом  специальной (см. здесь) теории относительности - ограничением скоростей распространения любых сигналов величиной скорости света - и подразумеваемым классической физикой мгновенным действием гравитационных сил.

Кроме того, требовалось  сопоставить между собой две  величины, именуемые массами: гравитационную массу, определяющую меру гравитационного  взаимодействия тел в законе Всемирного тяготения, и инерционную массу, определяющую меру ускорения тела под воздействием силы во втором законе Ньютона. Эта проблема возникла одновременно с созданием Ньютоном его теорий, но он так и не ответил на вопрос: как эти проявляющие себя в разных процессах свойства физического тела, и в том, и в другом случае именуемые массами, соотносятся. 

Основной постулат общей теории относительности заключается  в том, что поле тяготения эквивалентно ускоряющейся - неинерциальной - системе  отсчета. Иными словами, величины гравитационной и инерционной масс одного и того же тела эквивалентны. Это означает, что для любого наблюдателя, находящегося в закрытой кабине, нет никаких  экспериментальных возможностей определить, движется ли она с ускорением или  находится в гравитационном поле. 

Суть теории состоит в том, что все события  во Вселенной происходят в четырехмерной системе координат. Три из них пространственные, а четвертая - время. Тела своими массами вызывают искривления метрики этого эйнштейновского четырехмерного пространства. Они заставляют друг друга двигаться по искривленным траекториям, т.е. испытывать ускорения, что эквивалентно тяготению. Описание этих явлений дается с применением неевклидовой, римановой геометрии, что весьма затрудняет их наглядное представление. 

Из общей теории относительности следуют очень  важные для понимания протекающих  во Вселенной процессов выводы.

Из-за наличия  у светового фотона массы он теряет энергию на преодоление потенциала гравитационного поля. При этом из-за уменьшения именно энергий фотонов, но не их скоростей, сопряженные с  ними по принципу дуализма световые волны  приобретают большие длины. Наблюдается  “гравитационное красное смещение”.

В гравитационном поле происходит замедление хода времени, и при этом величина замедления тем  больше, чем выше напряженность этого  поля. В окружающих нас условиях этот эффект очень слаб, но все же присутствует. Например, в поле тяготения Земли часы, расположенные на один метр ниже, чем другие, каждую секунду должны отставать от верхних часов на 1*10^-16 секунды.

Общая теория относительности  имеет достаточно подтверждений. К  ним в первую очередь относятся: измерения отклонений направлений распространения света звезд в поле тяготения Солнца и векового смещения перигелия орбиты Меркурия - 43 угловые секунды за сто лет; регистрация “покраснения” фотонов электромагнитного излучения в очень интенсивных полях тяготения звезд, обладающих большой плотностью; установление пропорциональности (т.к. эквивалентность - равенство - экспериментальной проверке не поддается) гравитационной и инерционной масс с точностью, лучшей чем 10^-12; полное и строгое описание природы черных дыр, существование которых уже не подвергается сомнению.    

специальная

Специальная теория относительности устанавливает связь между временем и пространством, что проявляется в сокращении длин и длительностей при движении тела, а также предсказывает эффект возрастания массы тела при увеличении его скорости. Она постулирует отсутствие мгновенной связи между любыми событиями, происходящими в разных точках пространства, т.к. максимальная скорость распространения сигнала и воздействия равна скорости света в вакууме. 

Основная идея, лежащая в основе специальной  теории относительности, состоит в  том, что масса покоя светового  фотона равна нулю, т.е. наблюдатель  не может со сверхсветовой скоростью  догнать фотон и потом двигаться  вместе с ним со скоростью света. Из нее вытекают все утверждения  этой теории. 

Недостижимость  для материального тела скорости света требует предположения  о возрастании его массы с  ростом скорости и стремлении массы  к бесконечности с приближением скорости тела к скорости света. Прирост  массы тел происходит за счет энергии, истраченной на его ускорение, и, более того, масса тела - это мера содержащейся в нем энергии. 

Количественно эта зависимость выражается знаменитым эйнштейновским соотношением: “полная  энергия любого тела равна произведению его массы на величину скорости света, возведенную во вторую степень”.

Однако возрастание  массы со скоростью в повседневной жизни неощутимо. Например, космический аппарат, достигший скорости 11,2 километра в секунду (см. Космическая, скорость вторая) и имеющий массу покоя 1,5 тонны, получает прирост своей массы, за счет энергии ракетного топлива, в один миллиграмм. Протоны удваивают свою массу за счет энергии электрического поля ускорителей при скорости 260000 км/с. Этот факт экспериментально зарегистрирован при работах на ускорителях элементарных частиц

Для выполнения того условия, что наблюдатель не может догнать фотон и двигаться  со скоростью света, необходимо также  принять, что скорость света одинакова  вне зависимости от того, испускается  ли свет покоящимся или движущимся источником. Она не складывается со скоростью источника света, как  должно происходить, если исходить из законов классической физики. В связи  с этим в системе координат  движущегося тела, с точки зрения стороннего, т.е. не находящегося в этой движущейся системе координат наблюдателя, время замедляется, а размеры  в направлении движения сокращаются. 

В повседневной жизни и при характерных для  нее скоростях величины сокращения размеров и замедления времени очень  малы. Например, диаметр Земли, двигающейся по своей орбите со скоростью 29,765 км/с, на шесть сантиметров меньше в направлении ее движения, чем в поперечном направлении, с точки зрения неподвижного по отношению к Солнцу наблюдателя.

Таким образом, для достижения обладающим массой покоя  физическим телом скорости света  имеются сразу три запрета: возрастание  величины его массы до бесконечности, сокращение его размера в направлении  движения до нуля и остановка времени  в связанной с ним системе  координат. 

Все сказанное  справедливо с точки зрения, например, земного наблюдателя, следящего  за полетом “звездолета”, стремящегося достичь скорости света. Казалось бы, что то же самое можно отнести и к члену экипажа “звездолета”, наблюдающего Землю. Ведь на первый взгляд условия в системах координат, связанных с Землей и “звездолетом”, равноправны. Противоречие можно устранить, приняв во внимание следующее обстоятельство. Для достижения какой-либо скорости одного тела относительно другого тела одно из них должно какое-то время испытывать ускорение. Системы координат, связанные с этими телами, оказываются неравноправными, а система координат, связанная с телом, испытывающим ускорение, оказывается неинерциальной. Замедление времени происходит именно в неинерциальной - подверженной ускорению - системе, и исследование этого эффекта производится в рамках общей (см. здесь) теории относительности.

Из специальной  теории относительности следует  и то, что фотон не может служить  основой для создания системы  координат, потому что в такой  системе время остановлено, а  протяженность в направлении  движения фотона равна нулю. 
 

Мы привыкли, что  если поезд движется с скоростью 50 км/ч, а человек идет по вагону в сторону головы со скоростью 5 км/ч, то относительно земли его скорость будет 55 км/ч. Такая модель хорошо согласуется с повседневным опытом, когда мы имеем дело с небольшими скоростями. В данном случае с небольшими в сравнении со скоростью света 300 000 км/с, при этом даже скорость самолета-истребителя 9000 км/ч составляет лишь 0.0003% от скорости света, поэтому и она будет считаться небольшой. Однако, для очень больших скоростей обычное правило сложения скоростей не действует, в частности очень важным положением теории относительности является то, что скорость самого света во всех системах координат одинакова: свет пущенный с поезда и с платформы будет, как относительно земли, так и относительно поезда двигаться с одинаковой скоростью. Положение о единстве скорости света во всех системах координат приводит к множеству интересных и непривычных последствий (но тем не менее согласующихся с физическими опытами). Например, понятие одновременности уже перестает быть абсолютными: события одновременные в одной системе координат в другой произойдут в разные моменты времени. В системе, движущейся с большой скоростью время будет течь медленнее, чем в неподвижной системе. И действительно различие течения времени было обнаружено, при измерении времени точнейшими часами, установленными на первом и последнем этажах небоскреба: «верхние» часы вращаются вокруг Земли по бόльшему радиусу, поэтому они идут медленнее «нижних». 
Итак самые важные положения теории относительности: единство скорости света, относительность времени и относительность одновременности