Общая теория относительности

Общая теория относительности, принцип относительности

Общая теория относительности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. Принцип относительности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

В общей теории относительности или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. Расширение принципа относительности на неинерциальные системы, казалось бы, противоречит нашему обыденному опыту. Находясь внутри инерциальной системы, никаким экспериментом нельзя определить, движется она или покоится. Те, кто летал в самолете, знают, что в нем, как и на Земле, можно делать все: пить чай, играть в мячик и т.п. Даже если посмотреть в иллюминатор, то увидишь, что самолет как бы висит неподвижно над облаками. Однако когда самолет начинает сбавлять скорость и идет на посадку, пассажиры сразу же это замечают.

Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности

Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить какая сила действует на данное тело — гравитационная или сила инерции. Принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля называют «сильным принципом эквивалентности».

Принцип эквивалентности справедлив только при строго локальных наблюдениях. Принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме теории он, на самом деле, не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Сформулировав основные законы механики, Ньютон заложил фундамент физической теории. Решающую роль для становления классической механики имело использование дифференциального и интегрального исчислений, аппарата математического анализа.

Понятия времени и пространства являются фундаментальными. Их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное следствие этого изменения в ТО – осознание того, что масса – одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е = мс², в котором с – скорость света.

Согласно теории относительности Эйнштейна, гравитация, как свойство материи, способна “искривлять” пространство-время. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы.

Пространство вокруг таких тел как планеты, звезды и т.п. искривлено, и степень кривизны зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время (материальные процессы) течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени. Сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, а понятие “пустого пространства” теряет смысл.

Если точку рассматривать как разрез линии, линию – как разрез плоскости, поверхность – как разрез тела, то по аналогии с этим трехмерное тело можно рассматривать как разрез тела четырех измерений, а все трехмерное пространство – как разрез четырехмерного. Следовательно, многие не связанные для нас трехмерные тела могут существует семь невидимых пространственных измерений. Геометрия семи дополнительных измерений, недоступных чувственному восприятию, отражает симметрии, присущие четырем фундаментальным взаимодействиям.

Итог

Общая теория относительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета

Принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле

Взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени, которая определяет характер движения материальных тел

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

Эмпирические доказательства ОТО:

- отклонение световых лучей вблизи Солнца

- замедление времени в гравитационном поле

- смещение перигелиев планетных орбит