Становление идей современного естествознания



Pdf просмотр
страница35/39
Дата28.01.2019
Размер5.05 Kb.
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   39


=
β
α
β
α
α β
=
4 1
,
2
)
(
dx
dx
x
g
ds
,
где коэффициенты
α β
g (компоненты метрического тензора) являются функциями от координат точки. С физической точки зрения величины
)
(x
g
α β
определяются распределением и движением материи.
В математических терминах искривление пространства означает наличие у него ненулевой кривизны. Понятие кривизны играет в общей теории относительности фундаментальную роль именно кривизна пространства определяет его основные физические свойства. Хотя представить наглядно искривлённое мерное пространство мы не в состоянии, хорошим аналогом здесь служат ис- кривлённые поверхности в мерном евклидовом пространстве, являющиеся важнейшим примером мерных римановых пространств.
Формально наличие кривизны пространства проявляется в том, что коэффициенты не являются постоянными. В случае, когда величины
α β
g постоянны, получается так называемое плоское (т.е. неискривлённое) пространство таким является мерное пространство-время в СТО.

В 1916 г. Эйнштейном были получены основные уравнения общей теории относительности, которые выражают связь между геометрическими свойствами про- странства-времени и распределением и движением материи. Уравнение Эйнштейна имеет тензорный характер и, помимо метрического тензора
α β
g
, содержит определяемый физическими соображениями тензор энергии-импульса
α β
T
, характеризующий распределение и плотность материи, а также скалярную величину кривизну пространства. Основная идея уравнений Эйнштейна состоит в том, что распределение материи определяет геометрию пространства-времени, и, следовательно, гравитацию, а последняя обуславливает характер движения мате- рии.
К настоящему времени получено достаточно большое число опытных данных, подтверждающих ОТО (например, искривление лучей света вблизи массивных тел эффект абсолютного замедления времени в гравитационном поле или при ускоренном движении, зарегистрированный повремени распада нестабильных ядер. ОТО является базовой теорией в космологии, а также при исследовании свойств микромира, где эффекты теории относительности становятся заметными.
8.5. Значение ОТО для современной физической картины мира
Если СТО связывает воедино пространство и время, то ОТО устанавливает триединую связь пространство-время-материя. Суть этой связи была пояснена самим Эйнштейном следующими словами. Раньше полагали, что если
107

бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы и пространство, и время».
Существующая в ОТО связь между свойствами пространства и движением в нём масс может быть выражена в нестрогой форме следующим правилом, сформулированным американским физиком Джоном Уилером: пространство
«говорит» веществу – как ему двигаться, а вещество говорит про-
странству – как ему искривляться. Таким образом, согласно ОТО, пространство непросто вместилище материи, как это представлялось до начала ХХ века, оно играет активную роль для движения в нём материальных тел.
Теория относительности полностью отказалась от существовавших в классической физике представлений о пространстве, времени и материи. Относительны не только все измерения в пространстве и времени (так как они зависят от движения наблюдателя, но и сама структура пространства-времени, которая определяется распределением вещества во Вселенной. Атак как вещество распределено во Вселенной неравномерно, то пространство искривлено, и время в разных частях Вселенной течёт с разной скоростью.
Тесное переплетение свойств пространства и времени со свойствами гравитации навело Эйнштейна на мысль о существовании связи пространства-вре- мени с другими физическими полями, что привело к программе геометризации физики. Этой программе Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни. Хотя его подходы к построению единой теории поляне привели к успеху, сама программа оказалась исключительно плодотворной. В частности, к этой программе можно отнести теорию мерного пространства-времени (Калуца и
Клейн, 1921 г, в которой электромагнетизм включался в геометрическую структуру пятимерного пространства, а также современные теории калибровочных полей и суперсимметрий. В этих теориях в структуру пространства- времени включаются также другие фундаментальные взаимодействия. Таким образом, предпринимается попытка объяснить все силы природы как проявление кривизны пространства более высокой размерности.
Теория относительности не только подтвердилась развитием современной физики, но стала, в конечном счете, основой многих ее важных прикладных разделов, таких, как атомная энергетика, лазерная техника, изучение атомного ядра, астрофизические исследования, создание ускорителей.
Тема 9: Космологические модели Вселенной
9.1. Космологические постулаты. Вселенная Эйнштейна.
9.2. Открытие А.А. Фридманом нестационарности Вселенной.
Разбегание галактик.
108


9.3. Зависимость типа эволюции Вселенной от плотности
материи. Жизнь во Вселенной.
9.4. Конечна или бесконечна Вселенная?
9.1. Космологические постулаты. Вселенная Эйнштейна
Целостное представление о Вселенной формируется на основе изучения её космологических моделей. Все современные космологические модели базируются на космологическом уравнении Эйнштейна, полученном им в рамках ОТО в 1916 г. Космологическое уравнение Эйнштейна описывает про- странственно-временную геометрию Вселенной.
При построении любой модели всегда делаются упрощающие предположения (принцип идеализации Галилея, см. тему 3, вопрос 2). Основные упрощающие предположения, сделанные Эйнштейном при выводе им космологического уравнения – это так называемые космологические постулаты. Рассмотрим эти постулаты.
Постулат однородности Вселенной означает равномерность в среднем распределения в ней вещества (или одинаковость в среднем плотности материи. Поскольку основная масса вещества Вселенной сосредоточена в галактиках, то постулат однородности может быть переформулирован следующим образом в каждом достаточно большом объёме Вселенной содержится приблизительно одинаковое число галактик (под достаточно большим объёмом понимается куб с ребром не менее 300 млн световых лет. Действительно, при переходе ко всё большим объёмам Вселенной наблюдается всё более однородная картина распределения в ней вещества.
Постулат изотропности состоит в том, что во Вселенной не существует выделенных направлений, те. все физические свойства пространства одинаковы по всем направлениям. До настоящего времени не отмечалось никаких нарушений этого условия, таким образом, постулат изотропности также, как и постулат однородности вполне правдоподобен.
Стационарность Вселенной означает неизменность в среднем её основных характеристик массы, плотности и объёма. Такое предположение соответствовало общепринятым взглядам на Вселенную вначале века.
При решении космологического уравнения Эйнштейн ввёл в него так называемый космологический член λ, физический смысл которого состоит во введении сил отталкивания, компенсирующих силы тяготения, что обеспечивает стационарность Вселенной. Таким образом, постулат стационарности математически эквивалентен наличию в космологическом уравнении космологического члена λ. Найдя решение космологического уравнения (с космологическим членом, Эйнштейн получил все основные характеристики
109



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