Общая теория относительности (ОТО)

В рамках общей теории относительности, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. В ней были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы отсчета.

Одним из основных принципов ОТО является принцип эквивалентности:

- масса инертная и масса гравитационная равны между собой

- равенство инертной и гравитационной масс позволило Эйнштейну сформулировать основные положения принципа эквивалентности: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить действие на пробное тело, ускоренного движения тела отсчета по отношению к «неподвижным» звездам, от состояния покоя пробного тела в гравитационном поле.

Далее Эйнштейн постулирует, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел (как в механике Ньютона) и полей, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, а деформацией («искривлением») упругой ткани пространства- времени под воздействием массы и энергии, присутствующей в ней материи (расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением.

Поскольку искривление пространства-времени тем сильнее, чем больше, вызывающие его, масса-энергия, то свойства пространства и времени должны рассматриваться в тесной связи с материей. В понимании ОТО, четырехмерное пространство-время – это атрибут материи, обусловленный взаимосвязью, расположенных в нем тел. Это обоснованно и потому, что «пустого» пространства не существует, в нем всегда присутствуют вещества, излучение и различные физические поля.

Итак, ОТО основывается на трех постулатах:

Первый постулат, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением.

Второй постулат — принцип постоянства скорости света.

Третий постулат — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс.

В ОТО установлено также, что гравитационное поле, через которое проходит свет, действует на него и искривляет его траекторию. Это объясняется тем, что фотоны (частицы света) в движении обладают массой и на них притяжение действует также, как на любую, обладающую массой, частицу. Этот факт был подтвержден экспериментально.

На основании всего вышесказанного можно привести некоторые следствия общей теории относительности:

- искривление луча света в гравитационном поле (т.е. отклонение светового луча от прямолинейной траектории)

- замедление хода времени в гравитационном поле (т.е. в поле силы тяжести время замедляет свой ход)

- массы, создающие поле тяготения, искривляют четырехмерное пространство-время вблизи этих массивных тел, и оно описывается неевклидовой геометрией

- частота света в поле тяготения должна смещаться в сторону более низких значений

- пространство-время есть атрибут материи, обусловленный взаимосвязями, расположенных в нем тел.

Эмпирическими подтверждениями ОТО явились:

- отклонение траектории луча света от звезды, находящейся в непосредственной близости от поверхности Солнца (подтвердилось при жизни Эйнштейна при наблюдении во время солнечного затмения смещения положения звезд вблизи солнечного диска в 1919 г.)

- обнаружение красного смещения в спектрах звезд в поле тяготения;

- смещение перигелия Меркурия (перигелием орбиты называется точка, в которой небесное тело оказывается ближе всего к Солнцу), т.е. Меркурий движется не просто по эллипсу, а по эллипсу, который сам медленно поворачивается. Смещение перигелия Меркурия – прецессия, вычисленная Эйнштейном на основании ОТО в 1916 г, полностью совпала с, наблюдаемой в течение столетий, аномальной прецессией перигелия Меркурия;

- замедление времени в гравитационном поле.

Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях.

Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (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.