Общая теория относительности: единство пространства, времени, материи и энергии.

В рамках общей теории относительности, которая создавалась на базе СТО в течение девяти лет, с 1906 по 1915 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения или гравитации. Поэтому общую теорию относительности часто называют «теорией тяготения».

С XVIII столетия физики, астрономы и инженеры успешно применяли ньютоновскую механику, но внутренний механизм «черного ящика» гравитации оставался непостижимым. Согласно теории тяготения И. Ньютона одно тело притягивает другое с силой, которая зависит только от массы этих тел и расстояния между ними. Это означает, что если их массы или расстояния между ними изменятся, то тела, согласно классическим представлениям, немедленно отреагируют. К примеру, ньютоновская теория тяготения утверждает, что если Солнце внезапно взорвется, то Земля, расположенная примерно на расстоянии 150 млн. км от него, мгновенно сойдет со своей эллиптической орбиты. Несмотря на то, что вспышка света от взрыва дойдет от Солнца до Земли только через восемь минут, в теории Ньютона сведения о том, что Солнце взорвалось, будут переданы на Землю мгновенно, посредством внезапного изменения силы тяготения, управляющей движением планеты. Этот вывод находится в прямом противоречии со СТО, т.к. последняя констатирует, что никакая информация не может быть передана со скоростью, превышающей скорость света (примерно 300 тыс. км/с). Таким образом, невероятно успешная теория тяготения Ньютона находилась в противоречии с молодой СТО. Уверенный в истинности СТО, Эйнштейн, невзирая на огромное количество экспериментальных данных, подтверждающих классическую механику, начал работать над новой теорией гравитации, совместимой с СТО[382]. Гениальность Эйнштейна состояла и в смелом привлечении новой неевклидовой геометрии искривленных пространств, заложенной трудами математиков К.Ф. Гаусса (Carl Friedrich Gauß; 1777(17770430)-1855), Николая Ивановича Лобачевского (1792-(17921201)1856), Б. Римана (Bernhard Riemann; 1826-1866), Г. Риччи-Курбастро (Gregorio Ricci-Curbastro; 1853-1925)и Т. Леви-Чивита (Tullio Levi-Civita; 1873-1941).

В рамках развития общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн пришел к пониманию искривления пространства-времени в пределах гравитационного поля и на этом основании предложил революционную модель «геометрии» Вселенной. В дорелятивистской ньютоновской физике господствовала модель бесконечной Вселенной с евклидовой геометрией. Эйнштейн пришел к представлению о конечной по объему, но не имеющей границ Вселенной с неевклидовой метрикой пространства.

ОТО основывается на трех постулатах.

1. Расширенный принцип относительности, ут­верждающий инвариантность законов природы в любых системах от­счета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он постулирует невозможность утверждения абсолютного характера не только скорости, но и уско­рения, которое имеет конкретный смысл по отношению к фак­тору, его определяющему.

2. Принцип постоянства скорости света из СТО.

3. Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Кинематические эффекты (от греч. κινειν - двигаться), возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения[383].

Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, согласно которой изменение пространственных и времен­ных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной те­орией относительности, но и в гравитационных полях.

ОТО установила не только искрив­ление пространства под действием полей тяготения, но и замед­ление хода времени (искривление времени) в сильных гравитационных полях. «Массивное тело заставляет структуру пространства-времени деформироваться, подобно тому, как деформируется резиновая пленка, если на нее положить шар для боулинга», - приводит наглядную и в то же время условную (только одна плоскость, состоящая из двух измерений, а не из четырех) аналогию американский физик Б. Грин[384]. Гравитация, распространяющаяся, как выяснилось, не мгновенно, а с конечной скоростью – скоростью света - представляет собой искривление пространства-времени, кривизна пространства-времени и есть тяготение. Согласно И. Барбуру, материю можно назвать «складкой в эластичном пространственно-временном континууме»[385]. «Пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться», - резюмирует американский физик Дж. Уиллер (John Wheeler; 1911-2008)[386].

Одно из самых феноменальных предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Гравитационное замедление времени зна­чительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиу­са сверхплотной черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, полностью останавливается[387].

А. Эйнштейн, как было сказано выше, обосновал взгляд на Вселенную как на конечную, искривленную, не имеющую границ (закрытую). Гипотетически, землянин-астронавт, отправившийся в космос в одном направлении, может, в конце концов, вернуться с другой стороны. Расчеты и предположения Эйнштейна, как мы увидим ниже, в следующих главах, стали революционными и для космологии.

Разумеется, эффекты ОТО, также как и эффекты СТО, имея огромное значение для понимания единства пространства-времени и материи-энергии, в мире малых скоростей и небольших масс, в котором мы продолжаем пользоваться «привычными» законами классической механики и евклидовой геометрии, остаются чрезвычайно малыми, незаметными.

Между тем, СТО и ОТО в ХХ в. прошли серьезную эмпирическую верификацию.

Благодаря расчетам Эйнштейна в рамках ОТО в 1916 г. был объяснен феномен смещения перигелия[388] Меркурия или т.н. «проблема прецессии перигелия Меркурия».

После полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. на фотоснимках, сделанных А. Эддингтоном (sir Arthur Eddington; 1882-1944), на о. Принсипе у западного побережья Африки, был зафиксирован факт отклонения лучей звездного света, проходящих вблизи Солнца вследствие гравитационной деформации пространства.

Эффект замедления времени получает постоянное подтверждение в экспериментах, проводимых в физике высоких энергий. Например, время жизни мюонов в кольцевом ускорителе увеличивается в соответствии с релятивистской формулой. В одном из экспериментов скорость мюонов была равна 0.9994 от скорости света, в результате чего время их жизни увеличилось в 29 раз[389]. Измерение величины замедления времени проводилось также с макроскопическими объектами. Например, в эксперименте Хафеле - Китинга (J.C. Hafele; R.E. Keating, 1971 г.) проводилось сравнение показаний неподвижных атомных часов, и атомных часов, летавших на самолете.

В целом, теория относительности лежит в основе всей современной физики. Вся совокупность экспериментальных данных в физике высоких энергий, ядерной физике, спектроскопии, астрофизике, электродинамике и других областях физики согласуется с теорией относительности в пределах точности эксперимента. Фактически СТО является инженерной наукой. Ее формулы используются при расчете ускорителей элементарных частиц. Обработка огромных массивов данных по столкновению частиц, двигающихся с релятивистскими скоростями в электромагнитных полях, основана на законах релятивистской динамики, отклонения от которых обнаружено не было. Поправки, следующие из СТО и ОТО, используются в системах спутниковой навигации (GPS).

Следует заметить, что между ОТО и квантовой механикой, несмотря на их продуктивность, существует серьезное противоречие, являющееся помехой для объединения. Этот конфликт коренится в свойствах структуры пространства. Плавно искривленная геометрическая структура пространства и времени в ОТО сталкивается с главным положением квантовой механики: на субпланковском уровне расстояний (1,6*10⁻³⁵ м) квантовые флуктуации (случайные возмущения) становятся столь сильными, что приводят к разрушению понятия гладкого пространства, по мере приближения к микроскопическим масштабам жизнь Вселенной становится все более хаотичной, происходит постоянное превращение энергии в материю, и наоборот. Упоминавшаяся в предыдущих главах теория струн достаточно элегантно способна устранить это противоречие. Решение его видится в процедуре т.н. «размазывания» микроскопических характеристик пространства[390].

Модели пространства-времени в физических концепциях микромира имеют свою специфику. Квантовая механика заимствовала представления о пространства и времени из классической механики. Поэтому можно сказать, что континуум-непрерывность проникает в квантовую теорию через известную нам структуру пространства-времени, а также принцип суперпозиции состояний. Фактически, создатели квантовой механики взяли геометрическую и динамическую структуры классической физики, которая в определенных пределах хорошо описывала макромир, и улучшили ее путем квантования, чтобы она могла описывать и чуждый ей микромир. Однако можно идти и другим путем — попытаться определить геометрию пространства-времени только через квантовые представления.

Напомним, что в квантовой теории есть целый ряд величин и понятий, которые имеют неклассический характер. В частности, такой величиной является спин, угловой момент частицы. Поэтому во второй половине ХХ в. были предприняты попытки развить квантовую теорию, исходя только из неклассических величин. Такая теория совсем не использует классическую концепцию непрерывного континуума, в ней вообще нет понятий частицы и поля, ибо они содержат в себе идею потенциальной изолируемости объекта, несовместимую с фундаментальной идеей целостности в квантовой физике. Пространство и время в такой теории представляются на основе порождающих их квантовых элементов. Это пространство-время обладает целым рядом нетрадиционных для макромира свойств, в частности, оно оказывается дискретным (ячеистым), имеет спинорную структуру и т.п. Такое неклассическое пространство-время является элементом квантовой теории, органично входящим в ее структуру, а не привносится «извне», как континуальное.

Идея дискретности пространства-времени широко используется в качестве одного из вариантов преодоления трудностей, связанных с необходимостью введения специальных факторов, помогающих избавиться от бесконечных значений некоторых физических величин в теории поля. Таким образом, в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности (точечности структуры поля и точечности взаимодействия), благодаря пересмотру классической концепции пространственно-временного континуума. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя основными методами. В первом случае исследователи исходят из предположения, что понятие локального взаимодействия лишено смысла - так строятся нелокальные и нелинейные теории поля. Второй метод основан на отрицании понятия точечной координаты пространства-времени, что приводит к теории квантованного пространства-времени [391].

* * *

Часто встречающееся высказывание о том, что теория относительности ниспровергает все абсолютные ценности («все в мире относительно») является совершенно безграмотным. Во-первых, потому что СТО и ОТО как физические теории никакого отношения к морали и нравственности не имеют. Во-вторых, с внутренней точки зрения данные концепции, описывая реальный мир, сами базируются на фундаментальных сущностях, например, абсолютной скорости света[392] и понятии пространственно-временного интервала между событиями. Поэтому никаким обоснованием для мировоззренческого, морального, религиозного релятивизма теория относительности принципиально быть не может.

Дата добавления: 2015-08-18