В СТО было выяснено, что происходит с Пространством и Временем в инерциально движущейся системе. Появление нового неожиданного "персонажа" - Массы - в повествовании о Пространстве и Времени озадачивает. Если Движение вызывает изменение не только Пространства и Времени, но и массы, то можно заподозрить, что и масса может действовать на Пространство и Время. То, что масса - источник силы, вызывающей Движение, хорошо известно. Эта сила называется силой Тяготения – Гравитацией. В ОТО выявляется действие Гравитации на Пространство и Время.
Наш обыденный опыт позволяет легко различать инерциальные и неинерциальные системы (НС). Так, даже с закрытыми глазами, на качелях чувствуется, неподвижны ли они или качаются. При взгляде на фотографию стоящих в трамвае людей, по их наклону можно понять, тормозит, трогается или едет равномерно вагон. Неравномерное движение “корабля” ощущается по действию некой силы (инерции), которой нет при равномерном движении.
Пространство и Время при равномерном движении зависят от его скорости. Что же происходит с ними при неравномерном движении? Кажется, что нечто сложное, но вряд ли что-нибудь еще неожиданное добавляется к и так невероятным сокращениям масштабов Пространства-Времени, которые происходят в ИС.
Конечно, ожидаемые усложнения происходят. Но более важной оказалась связь Движения с Тяготением. Эта связь известна в простой форме многим и называется “эффектом лифта”. Если лифт возносится, то это ощущается в кабине как увеличение силы тяжести. При движении лифта вниз - наоборот. Когда лифт свободно падает (но только умозрительно!), то и находящиеся в нём свободно падают, не чувствуя собственного давления на пол кабины. Сейчас много людей испытало чувство невесомости в космических аппаратах. Невесомость получается потому, что аппарат свободно падает на Землю и постоянно пролетает мимо неё.
Гравитация вызывает у людей особое отношение. С одной стороны, она понятная из повседневного опыта сила. С другой стороны, это некая таинственная сила, которой нельзя управлять. Это неизбежная и всепроникающая сила. Несмотря на очевидность того, что “тянет к себе Земля”, еще в средние века считалось, что Земля не может быть шарообразной, т.к. на противоположной нам стороне Земли с нее все “свалится”.
Простая похожесть силы инерции на силу тяжести была возведёна в принцип эквивалентности: в ускоренно двигающейся системе ничего не изменится, если в ней силу инерции заменить силой тяжести. Если принять этот принцип, то получается, что неинерциальные движения – это свободные движения в полях тяготения. До подобной мысли могли бы дойти многие. Но следом встают вопросы колоссальной трудности. Первый из них: с какой скоростью распространяется сила тяжести?
Поясним вопрос. Известно, что источником силы тяжести является масса. Выше было отмечено, что масса может исчезать (аннигиляция вещества). Если масса исчезла в одном месте, то когда исчезнет сила её тяготения в другом, удаленном от этого, месте? Ведь считается, что ничто не может двигаться с бесконечной скоростью.
Второй вопрос: если истинная сила тяготения неоднородная, как, например, у Земли или Солнца (чем дальше от них, тем тяготение слабее), то для замены этой силы на силу инерции в разных местах нужно двигаться с разными ускорениями. А это значит, что нет никакой единой эквивалентности, т.е. нет единого Пространства-Времени для протяженного тела, находящегося около массы, создающей вокруг себя тяготение.
Чтобы преодолеть эти и подобные затруднения, было сделано допущение, подобное по духу сделанному в СТО. Там удалось совместить требования предельной скорости Движения и эквивалентности всех ИС ценой допущения изменений масштабов Пространства и Времени. При этом и то и другое считались однородными (везде и всегда одинаковыми). В ОТО считается, что Пространство и Время могут быть неоднородными там, где есть силы Тяготения. Так в ОТО возродилась математическая фантазия о “кривых” неевклидовых Пространствах.
Итак, основной вывод ОТО - силы Тяготения искривляют Пространство и меняют ход Времени. Действие этих сил тем сильнее, чем больше плотность вещества, создающего Тяготение. ОТО предсказывает замедление хода Времени там, где Тяготение сильнее. Например, часы будут идти по-разному на Земле и на Луне, где мы весили бы в 6 раз меньше. На Земле часы отстанут примерно на 0.02 секунды за год (теперь это просто измерить) по сравнению с идентичными часами на Луне. При этом заметим, что такое различие не связано с относительным Движением Луны и Земли.
А как же обнаружить искривление Тяготением Пространства? Казалось бы, так, как это предлагалось выше: построить большой треугольник и обнаружить отличие суммы его углов от 180%. Построение большого треугольника возможно световыми лучами, но как распространяются лучи света там, где есть силы Тяготения?
На эти и подобные вопросы ОТО дает ответ. Во-первых, предсказывается замедление скорости распространения света там, где действует Тяготение. Во-вторых, лучи света искривляются (притягиваются) вблизи массивных тел. И, наконец, Тяготение меняет частоту (цвет) света. Все эти эффекты были обнаружены в согласии с ОТО.
Равенство mин = mТЯЖ было обобщено Эйнштейном в его принципе эквивалентности: физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и «поля», порожденного равноускоренным движением. При интерпретации этого принципа Эйнштейн широко пользовался мысленными экспериментами с лифтом. Допустим, что закрытая кабина лифта первоначально покоится на Земле. Тогда все тела (которые мы, находясь в лифте, выпустим из рук) в этой кабине будут равноускоренно (с ускорением g) падать на пол. Мысленно перенесем кабину лифта в глубины космического пространства (где нет гравитационного поля) и сообщим ей ускоренное движение вверх с ускорением g. В этом случае поведение всех тел в лифте будет таким же, как и в первом случае - тела, выпущенные из рук, будут падать на пол с ускорением g. Таким образом, однородное и постоянное гравитационное поле полностью эквивалентно равноускоренному движению системы отсчета (в данном случае кабины лифта).
Если же «разрешить» кабине лифта свободно падать в однородном поле силы тяжести, то поведение всех предметов, находящихся в кабине лифта, будет таким как если бы на них вообще не действовали какие-либо силы. (Это и есть состояние невесомости, хорошо известное космонавтам, находящимся в свободно падающем на Землю космическом аппарате).
Теперь несколько видоизменим наш мысленный опыт. Пусть через боковое отверстие в стенке лифта, равноускоренно двигающегося вверх, проникает луч света. Очевидно, этот луч будет распространяться по искривленной траектории относительно стенок лифта и попадет на противоположную стенку, несколько сместившись вниз относительно точки, расположенной строго напротив входного отверстия. Тогда в силу принципа эквивалентности, точно так же - по искривленной линии -должен распространяться луч в неподвижном лифте, находящемся в однородном гравитационном поле.
Еще А. Пуанкаре, рассматривая аналогичный мысленный эксперимент, указывал на два возможных подхода к его интерпретации:
традиционный - луч света искривляется какой-то силой, но он по-
прежнему распространяется в обычном евклидовом пространстве;
нетрадиционный - искривлено само пространство, а луч света по-
прежнему служит воплощением «прямой линии».
Пуанкаре отдавал предпочтение традиционному подходу, так как, будучи сторонником конвенционализма, считал, что «не природа навязывает нам трактовку пространства и времени, а мы налагает их на природу, потому что находим их удобными».
Эйнштейн пошел нетрадиционным путем и создал ОТО, отказавшись от псевдоевклидова плоского пространства и перейдя к более общей концепции - искривленному четырехмерному пространству Римана. При этом он фактически свел гравитацию к геометрии пространства-времени.
В соответствии с таким подходом пустое пространство, т.е. пространство, в котором отсутствует гравитационное поле, просто не существует (при этом Эйнштейн фактически возрождает континуалистскую концепцию пространства Аристотеля). Пространство-время проявляется лишь как структурное свойство гравитационного поля; последнее равносильно искривлению пространства-времени. В свою очередь это искривление определяет законы движения материи.
По форме уравнения ОТО совершенно непохожи на уравнения динамики Ньютона. В частности, эйнштейновский закон гравитации фактически сводится к математическому описанию движения свободного тела в искривленном четырехмерном пространстве-времени, заданном с помощью криволинейной системы координат. Параметры, характеризующие кривизну такого пространства, определяются гравитационным полем, а траекторией движения свободного тела (в том числе и светового луча) является не евклидова прямая, а искривленная линия (геодезическая). В то же время уравнения ОТО переходят в уравнения Ньютона в предельном случае малых скоростей и слабых квазистатических гравитационных полей. В этом случае четырехмерное пространство-время становится квазиплоским.
В свое время крупнейший знаток ОТО английский ученый А.С. Эддингтон сравнил релятивистскую теорию гравитации с «красивым, но бесплодным цветком». Во времена Эддингтона (начало XX века) это сравнение было совершенно справедливым. Действительно, если СТО буквально за несколько лет завоевала физику, а в течение последних десятилетий и технику (например, электронику), то совсем по-другому сложилась судьба ОТО. Похоже было, что она создана гением Эйнштейна явно преждевременно. В сущности говоря, все величественное здание ОТО опиралось тогда на три предсказанные ею эффекта, которые были настолько малы, что регистрировались на пределе возможности измерительной техники. Речь идет, во-первых, об отклонении светового луча в поле солнечного тяготения, во-вторых, о гравитационном красном смещении спектральных линий и, в третьих, об очень медленном аномальном движении перигелия Меркурия. Диспропорция между величием теоретических построений и ничтожностью конкретных приложений была поразительной. Ситуация резко изменилась с 1963 года, когда были открыты квазары (активные ядра далеких галактик с очень мощным излучением) с их огромным красным смещением. Последующие открытия наблюдательной астрономии (реликтовое излучение – 1965 год, пульсары – 1967 год, рентгеновские звезды – 1971 год) сделали ОТО необходимой для изучения и понимания фундаментальных свойств вселенной.
Казалось бы, в ОТО выяснены все свойства Пространства, Времени и Тяготения. Однако, это не так по сравнению с СТО, в которой все бесспорно. Дело в том, что предсказания ОТО сейчас возможно подтвердить экспериментально только для так называемых слабых эффектов Тяготения. Но слабые эффекты можно истолковывать без кардинального пересмотра свойств Пространства и Времени. Поэтому сейчас есть несколько разных вариантов ОТО.
Одно из явлений, которое предсказывает ОТО,- это гравитационные волны. Волновым образом сила Тяготения распространяется со скоростью света, если при этом Пространство-Время искривляются мало. Нам доступны только такие возможности. История попытки обнаружить гравитационные волны, приходящие на Землю из Космоса, полна драматизма. После больших затрат сил и заявлений об успехах обнаружились непреодолимые трудности, и многолетние труды оказались безрезультатными. Пока гравитационные волны не обнаружены (см. также стр. 77-79).
Несмотря на недостаточную проверку правильности ОТО, она - основа наших представлений о Пространстве и Времени во Вселенной - доступной наблюдению области Мира. Во Вселенной Тяготение играет решающую роль, и его эффекты не могут считаться слабыми. Поэтому для рассмотрения Пространства и Времени в масштабе Вселенной надо выяснить, каковы сильные эффекты Тяготения.
Чтобы получился сильный эффект тяготения, например, сильное искривление Пространства, совсем не нужно очень больших масс. Как уже отмечалось, сильное искривление вызывают большие плотности масс. Поэтому в окрестности произвольной массы очень малых - точечных - размеров будут сильные эффекты Тяготения. Почему мы не наблюдаем их, например, около ядер атомов? Потому что плотность массы ядер недостаточна велика. Нужны такие плотности вещества, которых нет на Земле. Что будет с Пространством и Временем около точечной массы, можно сказать только на основании расчетов.
А будет нечто неожиданное: Пространство и Время "разорвутся" около такой "точечной" массы на две области – внутреннюю и внешнюю. Эти области будут разделены т.н. сферой Шварцшильда (по фамилии ученого) с центром в месте нахождения массы. Радиус сферы Шварцшильда, называемый гравитационным, пропорционален массе "точки". Для массы Земли, сжатой в "точку", этот радиус равен 0.9 см, а соответствующий радиус для массы Солнца составляет З км. До таких размеров ни Земля, ни Солнце сжаться не могут. Но во Вселенной возможно сжатие тел до размеров, меньших гравитационного радиуса.
Из под СФЕРы ШВАРЦШИЛЬДА во внешнюю область не могут выйти никакие "сигналы" о событиях во внутренней области. Другими словами, внутренний мир скрыт для внешнего, и из внутреннего мира нельзя выбраться во внешний. Снаружи будет видно, что на СФЕРе ШВАРЦШИЛЬДА Время остановилось. При стремлении изнутри к СФЕРе ШВАРЦШИЛЬДА она будет недостижима, т.к. любые движения замедляются по мере приближения к СФЕРе ШВАРЦШИЛЬДА.
Другой важный сильный эффект Тяготения получается, когда при произвольной начальной плотности объекта его масса велика. Если масса объекта больше, чем 3.2 массы Солнца, то он может безудержно сжиматься силами собственного Тяготения. Это сжатие видно со стороны до тех пор, пока объект не сожмётся до размера СФЕРы ШВАРЦШИЛЬДА. После этого вещество объекта скроется навсегда из поля зрения внешнего наблюдателя, и что будет с веществом потом – неизвестно, да и рассуждать об этом не имеет смысла, так как никакой информации из-под СФЕРы ШВАРЦШИЛЬДА получить принципиально невозможно. Это описанное явление имеет специальное название - коллапс, а образовавшийся при этом объект называют Черной дырой. Коллапс, как и ряд других предсказанных в ОТО явлений, пока не наблюдался, но сомнений в существовании объектов, испытавших коллапс, нет. Чёрные дыры были прежде громадными звёздами и даже скоплениями галактик. Поиском Чёрных дыр во Вселенной активно занимаются астрономы.
Для наблюдателя, оказавшегося внутри коллапсирующего объекта, внешний мир скроется за горизонтом, который появится в момент ухода объекта под сферу Шварцшильда. Затем наблюдатель “увидит”, что этот горизонт будет удаляться от него со скоростью света. И наконец наблюдатель упадёт за конечное время (по своим часам) в сжавшийся в точку центр. Всё.
ОТО предсказывает ещё более фантастические эффекты Гравитации в Пространстве и Времени. Так, при вращении Чёрной дыры и при ещё некоторых условиях предсказывается образование в ней туннелей или “кротовых нор”. Попав во вход норы, подобный ведущему в Чёрную дыру, и выйдя из неё с другой стороны, можно оказаться очень далеко от начального положения. Последнее означает, что для прохождения из начального положения в конечное “обычным нетуннельным путём” потребуется значительно больше времени, чем через туннель. Разумеется, такую нору искать во Вселенной пока рановато. Но выход из норы может проявить себя обратным по отношению к Чёрной дыре образом. Именно, Чёрная дыра поглощает всё упавшее на неё, а из выхода норы, называемого Белой дырой, вещество постоянно выбрасывается. Правда, теория показывает, что во Вселенной всякие такие чудеса, в отличие от Черных дыр, нестабильны: туннели должны пульсировать, у образовавшейся норы быстро захлопывается выход и т.п.
Наконец, следует сказать, насколько сама ОТО имеет экспериментальное подтверждение. Пока наблюдались только два эффекта слабой Гравитации: 1) отклонение луча света тяготеющей массой (Солнцем) и 2) замедление хода часов в поле сил Тяготения. Конечно, этого недостаточно для признания ОТО верной настолько, насколько верна СТО. Но благодаря ОТО удалось значительно продвинуться в познании нашей Вселенной, в которой основную роль играют эффекты Гравитации.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему