Теория относительности

Можно ли, находясь в поезде, определить, идет он или стоит на месте? На первый взгляд вопрос странный: достаточно взглянуть в окно. Ну а если оно занавешено шторами или за окном полная темнота? Тогда о нашем движении скажет стук колес и покачивание вагона. Однако представим себе идеальный поезд: вагон движется беззвучно и мягко. В этом случае нет никакого ощущения движения, если оно равномерно и прямолинейно.

Но, может быть, убедиться в том, что вагон все-таки движется, позволит нам следующий опыт? Будем зажигать в одном конце вагона лампочку, а в другом конце регистрировать световой сигнал. По законам классической физики, если вагон движется навстречу направлению, в котором распространяется световой сигнал, то свет будет идти от одного конца до другого быстрее, чем в данном случае, когда вагон неподвижен. Значит, скорость света в первом случае будет большей.

В начале XX в. был проведен подобный опыт (естественно, более сложный). Результат оказался неожиданным: независимо от того, движется вагон или нет, скорость света оказалась постоянной. Этот факт противоречил представлениям классической физики. Была предложена новая физическая теория - специальная теория относительности, которая объясняла это явление. Эта теория органически соединяла принцип постоянства скорости света и принцип независимости физических законов от состояния прямолинейного и равномерного движения.

Согласно теории относительности (ее также называют релятивистской теорией), скорость тела не может быть произвольно большой: никакое тело нельзя разогнать до скорости, равной скорости света. Причем с приближением к скорости света все более важную роль начинают играть специфические релятивистские эффекты. Один из них - замедление относительно неподвижного наблюдателя хода всех процессов в движущейся ракете. Этот эффект имеет заметную величину лишь при скоростях, близких к скорости света. При этом для наблюдателя, находящегося в ракете, все выглядит наоборот: относительно него будут замедленно идти все процессы на Земле.

Эффекты специальной теории относительности подтверждены многочисленными экспериментами. Целое направление современной физики - физика частиц, разогнанных на гигантских ускорителях до скоростей, приближающихся к скорости света, полностью основана на представлениях этой теории.

Вернемся к нашему примеру с вагоном. Мы рассмотрели идеальный случай: поезд движется прямо с постоянной скоростью. Но ведь на самом деле поезд идет с остановками. Всем знакомо ощущение резкого торможения: на нас действует сила инерции, которая тянет нас вперед, причем всем предметам в вагоне эта сила сообщает одинаковое ускорение. Именно таким свойством обладают силы гравитационного притяжения: все тела падают в пустоте с одинаковым ускорением (см. Гравитация). Сходство сил инерции и сил тяготения - независимость сообщаемых ими ускорений от массы тел - и дало немецкому ученому Альберту Эйнштейну (1879-1955) ключ к построению новой теории, являющейся обобщением закона всемирного тяготения И. Ньютона. Называется она общей теорией относительности. При этом закон тяготения Ньютона следует из общей теории относительности как приближение, справедливое в случае слабых гравитационных полей.

Таким образом, согласно общей теории относительности, движение в поле тяжести равносильно свободному движению по инерции. Иначе говоря, камень падает на Землю и планеты движутся вокруг Солнца, повинуясь только инерции. Но ведь в классической механике движение по инерции прямолинейно и равномерно, между тем планеты движутся по эллипсам, камень падает ускоренно. В чем же дело? А дело в том, что классическое понятие свободного движения относится к пространству, в котором нет никакой материи, к пустому пространству. Чем дальше от Солнца, тем действительно меньше его влияние, тем больше радиус орбит и меньше их кривизна. Чем дальше от Земли, тем меньше ускорение падающего на нее тела.

Но пространства, полностью лишенного материи, не существует. Нет оснований утверждать, что реальные свойства пространства и времени вблизи материальных тел совершенно такие же, как вдали от них. Эти свойства различны в разных точках пространства и могут изменяться со временем. Таким образом закон тяготения Эйнштейна устанавливает связь между геометрией мира и находящейся в нем материей. Следствием этого закона является искривление пространства и изменение хода часов вблизи тяготеющих масс.

Изменение хода часов (под "часами" мы понимаем любой периодический процесс), помещенных в поле тяжести, заключается в том, что они будут идти несколько медленнее, чем вдали от гравитирующего тела. Возьмем в качестве часов естественные эталоны времени - частоты колебаний световых волн в атомах. Согласно общей теории относительности, атом в поле тяжести звезды испускает свет меньшей частоты, чем та, которая соответствует спектральной линии этого атома на Земле. Вследствие этого все линии в спектре звезды в очень сильном гравитационном поле сместятся к красному концу - наблюдается так называемое гравитационное красное смещение. Такой эффект действительно обнаружен.

Следующие из общей теории относительности эффекты: вековое смещение перигелия Меркурия и отклонение световых лучей вблизи Солнца - подтверждаются наблюдениями, при этом обычно эффекты общей теории относительности представляют собой малые поправки к предсказаниям ньютоновской теории.

Однако существуют условия, в которых общая теория относительности играет решающую роль. Такие условия осуществляются при гравитационном коллапсе; современная космология также основана на представлениях общей теории относительности.