Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 14 СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА. ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

14.11. Физика пространства и времени. Принцип эквивалентности

Представители классической физики решались научно исследовать и раскрыть свойства пространства и времени. Эти свойства считали заданными и определяли простыми аксиомами математики. И. Ньютон рассматривал пространство как абсолютный, истинный, математический, а время как абсолютную текучесть от прошлого к будущему. После создания теории относительности А. Эйнштейна пространство и время перестали быть «априорными формами» и сами стали объектом физического исследования. Основная идея А. Эйнштейна заключается в том, что свойства пространства и времени не задаваться заранее, а выводиться из опыта. Свойства пространства и времени совсем не обязательно должны быть всегда равнозначными, они меняются от точки к точке и от момента к моменту.

Как отмечалось, ускорения тел в неінерціальних системах отсчета зависит не только от взаимодействия тел. Если ускорение тела, вызванное неінерціальністю системы, умножить на массу тела, то получим так называемую силу инерции. Под ее влиянием тела разных масс системы приобретают одинакового ускорения. Например, шары на полке вагона при его остановке, если пренебречь трением, вступят одинакового ускорения. За вторым законом Ньютона одинаковые силы (речь идет о силах, что является мерой взаимодействия тел) придают телам разной массы разное ускорение. Однако существует сила взаимодействия, которая также предоставляет телам одинакового ускорения независимо от их массы. Это сила земного притяжения. Впервые это свойство силы тяжести установил Галилей, наблюдая падение тел. Все другие силы взаимодействия - упругие, электрические, магнитные, силы трения - этого свойства не имеют.

Подобие силы тяжести к силам инерции - независимость ускорений, которые они предоставляют, от масс тел - дает ключ к обобщение ньютоновской механики, известного под названием общей теории относительности Эйнштейна. Общую теорию относительности точнее было бы назвать теорией гравитации, на что указывал В. О. Фок.

Рассмотрим такой пример. Пусть совсем закрытый вагон движется горизонтально с постоянным ускорением а ≠ 0. Отвес, подвешенный в вагоне, отклоняться от вертикального направления к задней стенки вследствие действия силы инерции. Аналогичный эффект можно наблюдать и в том случае, когда вагон движется с постоянной скоростью (а = 0) под гору. Поскольку в обоих случаях все тела получают одинаковые ускорения, внутри вагона можно установить, что происходит с вагоном на самом деле: он движется ускоренно по горизонтальному пути равномерно под гору.

Если, например, ракета во время старта приобретет ускорение относительно Земли а = 2g, то вес космонавтов и всего груза ракеты увеличится вдвое по сравнению с их нормальным весом. Эта «псевдогравітаційна» сила пропорциональна инертной массе. Ни один физический эксперимент внутри ракеты не поможет космонавтам установить, внезапно увеличилось притяжение, или просто ракета приобрела ускорение относительно Земли.

В теории тяготения Ньютона считалось, что сила действует моментально. Это означало, что сигнал может передаваться с бесконечной скоростью. Такое утверждение противоречит одному из основных принципов относительности, который заключается в том, что любое взаимодействие не может распространяться с большей скоростью, чем скорость света. Поэтому А. Эйнштейн столкнулся с проблемой релятивистской теории тяготения. Он считал, что его новая теория должна удовлетворять принцип относительности и одновременно автоматически содержит тождество гравитационной и инертной масс. Это привело А. Эйнштейна к формулировке так называемого принципа эквивалентности. Этот принцип утверждает, что действие поля тяготения эквивалентная действия ускорения системы отсчета, или силы притяжения физически эквивалентны силам инерции.

Законы механики формулируются все равно, если относить движение тел в инерциальных систем отсчета. В этом заключается принцип относительности Галилея. А. Эйнштейн распространил принцип относительности сначала на электромагнитные явления. Это обобщение привело к созданию специальной теории относительности. Следующие обобщения возникли из подобия сил инерции и тяготения в достаточно малых пределах пространства (например, в вагоне или ракете). Законы движения одинаково формулируются в инерциальных и неінерціальних системах отсчета, если силы притяжения и инерции считать тождественными.

Существенно, что для общей теории относительности достаточным является сходство сил инерции и тяжести в сколь угодно малом объеме. Полного сходства между ними нет. Так, на вращающееся тело действует хорошо известная всем центробежная сила инерции, которая возрастает при удалении точки от оси вращения. Однако такой зависимости силы тяжести от координат нет в пространстве, не заполненном веществом.

Принцип эквивалентности может быть справедливым для таких объемов пространства, в которых поле можно считать однородным. Однако А. Эйнштейн доказал, что этого ограничения можно избежать, если в соответствии с влияния поля тяготения внести изменения в геометрию системы. Из специальной теории относительности следует, что нельзя установить никакого универсального абсолютного времени для Вселенной. Каждое подвижное тело имеет свое собственное время. Это один из важнейших выводов специальной теории относительности, которая распространила принцип относительности Галилея на электромагнитные явления.

В общей теории относительности пространство и время предстают как физические объекты, свойства которых неотделимы от движущейся материи.

Геометрия мира становится частью физики: нельзя выходить из геометрических постулатов, которые выдвигают абстрактно. Основные положения геометрии следует проверять опытом. Привычные нам постулаты евклидовой геометрии также является обобщением опытных фактов, но касаются малого размера пространства-времени. Для больших размеров нужно пользоваться точнее законам геометрии. Эти законы неразрывно связаны с законами поля притяжения и составляют с ними одно целое. Если нет других полей, кроме поля притяжения, то свободное движение тел зависит исключительно от геометрии мира: зависимость между геометрией мира и движением больших масс (звезд, туманностей) и есть ейнштейнівським законом притяжения. Чтобы объяснить тяготение изменениями свойств пространства, нужно было сделать ускоренное движение отдельным случаем криволинейного, а пространственную координату независимой, что и было достигнуто в общей теории относительности. Г. Минковский истолковал это как слияние обычного пространства и времени в единый четырехмерный надпростір, или, как его еще называют, пространство-время.

Притяжение проявляется в виде воздействия тел на свойства пространства-времени. Тела меняют его структуру, искажают его. Пространство - время это уже не «абсолютный, математическое» пространство, а полностью конкретный, физический, который описывается неевклидовой геометрией. В зависимости от плотности вещества, то есть от ее массы, геометрия пространства-времени может быть близкой как к евклидовой геометрии, так и в геометрии Лобачевского.

Следовательно, искривление четырехмерного пространства-времени полностью объясняет все эффекты притяжения. Отсюда также видно различие между специальной теорией относительности и общей: первая изучает движение тел в плоском пространстве-времени, вторая - в искривленном. В искривленном пространстве кратчайшее расстояние между двумя точками не прямая линия, а кривая (геодезическая) линия. В плоском пространстве, по закону инерции, свободное движение должно быть прямолинейным. В искривленном пространстве тот самый закон предопределяет свободное движение по геодезической линии.

Из общей теории относительности следует, что свет, которому свойственна инертная масса, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения тела, что его излучает. Уменьшение же энергии фотонов, как будет показано позже, означает увеличение его длины волны. Этот эффект называют гравитационным красным смещением. Такое смещение наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд. Следовательно, атомные часы на поверхности Солнца идет медленнее, чем этот же часы на Земле. Общая теория относительности предсказала также, что все часы в поле тяготения должны замедлять свой ход. Если два полностью идентичных часы разместить на Земле друг над одним на расстоянии 1 м, то ниже часы будет ежесекундно отставать на 10^-16 с. Впервые эталоны частоты, что характеризуются такой точностью, были созданы в 1960 г. на основе явления излучение фотонов радиоактивными ядрами в кристалле. Это явление, что дает возможность добиться такой точности измерения частоты, получило название эффекта Месбауера. К этого было известно только три экспериментальные результаты, подтверждающие общую теорию относительности несколько десятилетий назад: искривление звездного света возле Солнца, красное смещение в спектрах Солнца и тяжелых звезд и смещение перигелия Меркурия. Его перигелий дополнительно поворачивается на 43" за столетия по сравнению с тем, что дает возмущения со стороны других планет по ньютоновской механикой. Такое отклонение в движении Меркурия от заранее просчитанным наблюдалось уже давно, но было объяснено без дополнительных гипотез только теорией относительности.