Общая теория относительности

Если бы мы попытались таким образом построить описание природы, то, создавая свою механику в кабине, находится в состоянии свободного падения, мы пришли бы к выводу, что пространство обладает удивительными свойствами. Предположим, например, что наша кабина с большой скоростью прилетает с дальних расстояний (с глубины Вселенной) и скорость ее настолько велика, что притяжение Земли недостаточно, чтобы заставить кабину столкнуться с Землей, и она только отклоняется на незначительный угол.

На рисунке линия В соответствует пути нашей кабины. Предположим также, что вблизи, параллельно нам и с такой же скоростью движется вторая кабина С с другим наблюдателем. До тех пор, пока мы не приблизимся к Земле, С будет находиться от нас на постоянном расстоянии, но, проходя ближе к Земле, она, как это показано на рисунке, отклонится сильнее и дальше будет двигаться в другом направлении, удаляясь от нас. Как наблюдатель, находящийся в кабине С, так и мы находимся в свободном движении и поэтому не замечаем ощущение ускорения. Согласно теории относительности, мы находимся в состоянии покоя. Но вскоре мы обнаружим, что расстояние между нами начинает внезапно увеличиваться, хотя никто, из нас не начинал двигаться.

Иными словами, отстранившись от решения вопроса о покое или движении и выбирая по ориентиры любые предметы, которые могут двигаться свободно, мы можем обнаружить существование гравитационного поля, а отсюда - наличие массивных тел где-нибудь по соседству, что следует из поведения расстояний между нашими ориентирами. На этом базируется описание гравитационного поля в терминах свойств пространства и времени. Чтобы иметь более подробное описание, нужно было бы слишком много математики, но мы вспомним о двух выводы, вытекающие из вышесказанного.

Один заключается в том, что свет в гравитационном поле не распространяется прямолинейно, а испытывает отклонения. Действительно, это можно вывести уже с того доведенного в специальной теории относительности факта, что масса и энергия эквивалентны. Луч света несет энергию и, следовательно, массу, а поскольку любая масса притягивается тяжелым телом, подобным, например, к Солнцу, то это справджуватиметься и по светового луча. Величина отклонения, однако, не следует однозначно по этому простого аргументную, потому что сила притяжения движущегося, зависит от его скорости. Это несущественно для малых скоростей, с которыми, конечно, мы имеем дело на практике, но приводит к некоторой различия, когда скорость равна скорости света. Проходя вблизи Солнца, свет должен отклониться на величину, которую можно вычислить, и поэтому звезда, которую мы видим вблизи края Солнца, на самом деле будет казаться немного смещенной от своего нормального положения. Конечно, как правило, невозможно увидеть звезду, когда она находится вблизи от Солнца, но такая возможность появляется во время полного солнечного затмения, когда диск Солнца закрывает Луну и звезды становятся видимыми. Даже в этом случае необходимы очень точные наблюдения смещения, поскольку ожидаемая величина составляет менее двух дуговых секунд, что соответствует углу, под которым видно копейку, если наблюдать ее с расстояния три километра. Однако точные астрономические наблюдения позволяют определить подобное смещение, и хотя астрономы все еще используют каждое удобное солнечное затмение, чтобы повысить точность своих результатов, доказано уже, что такое смещение существует и его величина примерно согласуется с общей теорией относительности.

Другой важный вывод заключается в том, что поле тяготения должно влиять на масштаб времени, или, точнее, нам должно казаться, что часы, который находится вблизи очень массивной звезды, отстает. Это можно проверить, поскольку свет от горячих звезд содержит излучения только определенных цветов, то есть некоторых определенных частот, как мы знаем, связано с электрическими колебаниями атомов определенной частоты, похоже на действие миниатюрных радиопередатчиков. Эти атомы можно рассматривать как стандартные часы, потому что их период колебаний является внутренней характеристикой атома и не зависит от внешних обстоятельств. Теперь известно, что эти специфические лучи от некоторых очень массивных звезд имеют не тот цвет, как такие же лучи от более легких звезд; их цвет определяется красным смещением.

Это согласуется с утверждениями общей теории относительности. Мы должны предположить, что, с точки зрения наблюдателя на поверхности звезды атомный "часы" будет показывать правильное время, но из-за зависимости масштаба времени от гравитационного потенциала для тех, кто наблюдает с большого расстояния, будет казаться, что часы отстают, частота света меньше и имеющееся красное смещение.

Такое воздействие гравитационного потенциала на ход часов интересен также благодаря его связи с парадоксом, который иллюстрирует тесную связь между идеями общей и специальной теорий относительности.

Иногда возражают, что специальная теория относительности не может предусмотреть замедление хода времени. Предположим, что мы и другой наблюдатель движемся друг друга с большой скоростью и обнаруживаем, что при встрече наши часы показывают одно и то же время. Теперь, если считать, что мы находимся в состоянии покоя, можно утверждать, что часы другого наблюдателя должен отставать. В свою очередь, он сказал, что должен отставать наши часы, потому что мы движемся с большой скоростью. Очевидно, этого нельзя опровергнуть, если мы находимся друг от друга на большом расстоянии, так как не можем однозначно сравнивать время наступления событий, которые происходят в отдаленных местах. Однако, предположив, что позже мы снова встретим другого наблюдателя, можно надеяться, что, сравнив часы, удастся выяснить, какой из них отставал относительно другого, и кто на самом деле двигался.

В рамках специальной теории относительности правильный ответ на это возражение заключается в том, что, так как оба наблюдатели движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, они никогда не встретятся снова. Если же они снова встретятся, то, по крайней мере, один из них должен или вернуть назад, или изменить направление своего движения и подвергнуться воздействию ускорения, так что он уже не может предполагать, что все время находился в состоянии покоя.

Общая теория относительности дает более полный ответ. Для простоты рассуждений предположим, что мы двигались без ускорения, в то время как другой наблюдатель, пройдя некоторое расстояние, остановился и повернул назад. Согласно общей теории относительности, он может предполагать, что все время находился в состоянии покоя, но в присутствии гравитационного поля. Это объяснит происхождение сил, действующих на него (которые мы приписываем его ускорению). Как мы увидели, гравитационные потенциалы влияют на ход часов, и если это последовательно применить к рассматриваемой ситуации, ответ состоит в том, что снова, с обеих точек зрения, показания обоих часов должны сравниваться таким же образом.

После этого очень неполного обсуждения мы оставим этот интересный раздел общей теории относительности. Дальнейшее ее изучения, безусловно, способствует полному пониманию законов природы. Общая теория относительности дает важные выводы, касающиеся проблем большого масштаба, включая структуру Вселенной. Возможно, что в будущем появится какое-нибудь соотношение, связывающее эти идеи и с характеристиками процессов малого масштаба, то есть с атомными проблемами, но пока это соотношение неизвестно.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >