Становление идей современного естествознания



Pdf просмотр
страница34/39
Дата28.01.2019
Размер5.05 Kb.
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   39
альная теория относительности явилась крупнейшим открытием XX в, которое в корне изменило классическую картину мира. Но это было только начало. За ней последовала ещё более сложная – общая теория относительности, также созданная Эйнштейном.

8.3. Геометрические и физические предпосылки
общей теории относительности
Основной геометрической предпосылкой общей теории относительности явилось создание неевклидовых геометрий. До началах гг. XIX в. считалось, что логически возможна только одна геометрия – евклидова – и что именно она является геометрией физического пространства. Создание неевкли- довых геометрий (первая такая геометрия была создана нашим соотечественником НИ. Лобачевским в 1826 г. и носит его имя) привело к мысли, что реальное (физическое) пространство может быть неевклидовым. Эта геометрическая идея и стала ключевой в общей теории относительности Эйнштейна.
Перейдём теперь к рассмотрению физических предпосылок ОТО. Важнейшим физическим принципом, положенным Эйнштейном в основу ОТО, является равенство инертной и гравитационной массы.
Инертная масса тела М определяется из второго закона Ньютона:
MW
F
=
, где F – действующая сила и W – ускорение. Таким образом, прикладывая к телу известную силу и измеряя возникающее при этом ускорение, можно найти его инертную массу.
Гравитационная масса m определяется из силы гравитационного взаимодействия между телами.
Ещё Галилей пришёл к выводу о пропорциональности гравитационной и инертной массы, наблюдая одинаковое ускорение при падении тел разной массы. В настоящее время равенство гравитационной и инертной массы установлено опытным путём с точностью до 10
-16
. Эйнштейн постулировал совпадение гравитационной и инертной массы, приняв этот факт в качестве истинной природы тяготения и положив его в основу ОТО. В книге Эволюция физики, написанной А. Эйнштейном и Л. Инфельдом, авторы отмечают Является ли это равенство обеих масс чисто случайным, или же оно имеет более глубокий смысл Сточки зрения классической физики ответ таков равенство обеих масс случайно, и нет никакого смысла придавать этому факту большое значение. Ответ современной физики совершенно противоположен равенство обеих масс имеет фундаментальный смысли составляет новую, весьма существенную руководящую идею, ведущую к более глубокому познанию мира. Действительно, это была одна из самых важных идей, из которой развивалась так называемая общая теория относительности Для обоснования тезиса о совпадении гравитационной и инертной массы Эйнштейн рассматривает следующий умозрительный эксперимент (лифт Эйн-
104

штейна. Предположим, что наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, перестаёт ощущать свой вес, те. оказывается в состоянии невесомости. Тогда он не сможет определить – что же произошло в действительности исчезновение гравитационного поля Земли или падение лифта вниз с ускорением свободного падения. Иначе говоря, гравитационные силы, проявляющиеся в связанной с Землёй системе отсчёта, исчезают, если перейти в другую систему отсчёта, которая, движется с ускорением свободного падения по направлению действия гравитационных сил. (Этот эффект невесомости возникает, например, в космическом корабле, совершающем полёт вокруг земного шара движение космического корабля складывается из равномерного движения по горизонтали и ускоренного падения по вертикали.)
Но если можно убрать гравитационные силы с помощью равноускоренного движения, то их можно и создать, двигаясь равноускоренно в противоположном направлении. Это и есть ключевая физическая идея, лежащая в основе ОТО. Эйнштейн формулируете в виде следующего принципа.
Принцип эквивалентности: наблюдатель, помещённый в замкнутую
систему отсчёта, никаким физическим опытом не может установить – дви-
жется эта система отсчёта с ускорением в пустом пространстве или по-
коится во внешнем гравитационном поле.
Принцип эквивалентности Эйнштейна фактически означает, что в достаточно малой области пространства-времени (или, как говорят, локально)
сила гравитации эквивалентна силе инерции.
Например, для наблюдателя, находящегося в космосе на огромном расстоянии от источников сил тяготения можно воссоздать иллюзию земного тяготения, если поместить его в ракету, движущуюся с ускорением свободного падения g. И это будет непросто иллюзия наподобие оптического обмана все физические, химические и биологические явления в этой ракете будут протекать точно также, как для неподвижного наблюдателя, находящегося в поле земного тяготения.
Приняв принцип эквивалентности, мы тем самым постулируем, что все явления, происходящие в ускоренно движущихся системах отсчёта в пустом те. лишённом материи) пространстве, будут иметь место в инерциальных системах отсчёта при наличии тяготения (в частности, этим объясняется факт совпадения гравитационной массы, которая определяется тяготением, и инертной массы, которая определяется ускорением. Но тогда геометрия в поле тяготения становится неевклидовой.
8.4.
Гравитация как проявление искривления пространства-вре-
мени
Принцип эквивалентности воплощает в себе одну из самых глубоких идей XX века, исключая из рассмотрения само понятие гравитационного поля
105

и сводя гравитацию не к силе, как это делается в классической физике, а кис- кривлению пространства, тек его геометрии. Действительно, проявление гравитации состоит в том, что она искривляет траектории всех движущихся тела это эквивалентно искривлению самого пространства. В свою очередь, искривление пространства превращает евклидову геометрию пространства в неев- клидову – аналогично тому, как меняется геометрия при изгибании плоского листа бумаги или растяжении резиновой пленки.
В чем же физическая причина такого искривления Общая теория относительности трактует искривление реального физического пространства как результат неравномерного распределения и движения масс. Каждый обладающий массой объект Вселенной как бы оставляет вокруг себя вмятину, искривляющую окружающее его пространство (вблизи больших масс искривление пространства больше, что отражается на движении других тел. Например, поднятый над поверхностью Земли камень падает на нее не потому, что она его притягивает, – он просто скатывается к ней аналогично тому, как скатывается маленький шарик к большому, скажем, на резиновой пленке большой шарик прогибает пленку, и маленький шарик движется к большому поэтому прогибу. В общей теории относительности установлено не только искривление пространства под действием находящихся в нем масс, но и замедление скорости течения времени в сильных полях тяготения. Например, время распространения радиосигнала, проходящего вблизи Солнца, увеличивается (зафиксированное в экспериментах время задержки составляет величину порядка 0,0002 с. Специальные ядерные часы позволяют обнаружить разницу в течении времени даже в масштабах высоты здания на крыше здания время течет чуть быстрее, чему его основания. В любой движущейся системе отсчета время течет своим темпом».
Обобщением закона инерции на случай искривлённых пространств выступает следующий принцип мировыми линиями движения свободных тел (не находящихся под действием внешних сил) являются непрямые как в первом законе Ньютона, – а геодезические, те. линии, для которых собственное время движения между любыми двумя точками минимально. В частности, по геодезическим движутся световые лучи. Таким образом, согласно ОТО, в отсутствие внешних сил (кроме, может быть, тяготения) тела движутся по искривлённым траекториям, являющимся самыми короткими в искривленном про- странстве-времени. Математической моделью физического пространства в ОТО служит так называемое мерное риманово пространство. Метрика риманова пространства (расстояние между двумя бесконечно близкими точками) задаётся в виде
106



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   39


База данных защищена авторским правом ©genderis.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница