2014-04-11

Теорія відносності Ейнштейна

4.75 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.75 (2 голосів)

А. Ейнштейн

Як тільки мова заходить про походження довколишнього світу, згадують не тільки Біблію, а й цю фізичну теорію, створену великим вченим XX ст. Альбертом Ейнштейном і отримала назву Загальної теорії відносності.

Значення цієї теорії виросло після відкриття «свідка» того, що сталося близько 15 мільярдів років назад - так званого Великого вибуху, за яким відбулося розширення Всесвіту.

У даній невеличкій статті ми сподіваємося зацікавити читача і вказати йому доступну наукову і науково-популярну літературу, в якій він знайде ще багато дивного, пов'язаного з вмістом і наслідками загальної теорії відносності Ейнштейна. Почнемо з загального визначення: що таке загальна теорія відносності Ейнштейна? Спочатку її розглядали як фізичне вчення про властивості простору, часу і природу тяжіння.

Ще в 1687 р. основоположником класичної фізики І. Ньютоном було встановлено закон всесвітнього тяжіння: два точкових тіла притягають одне одного з силою прямо пропорційно добутку мас цих тіл і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Цьому закону взаємодії підпорядковуються всі тіла Всесвіту, саме тому закон і отримав назву закону всесвітнього тяжіння. Проте ні сам І. Ньютон, ні інші фізики не могли пояснити природу тяжіння. Неможливість вирішення для нього цього завдання І. Ньютон висловив наступною фразою: «Гіпотез я не висуваю».

Завдяки ньютонівському закону вдалося пояснити рух планет сонячної системи, Місяця навколо Землі, падання тіл на поверхні Землі і рух комет в міжзоряному просторі, визначити масу Землі, Місяця та інших небесних тіл. Вершиною торжества закону всесвітнього тяжіння було відкриття «на кінчику пера» (за письмовим столом) вченим Левер'є (1846 р.) нової не відомої до того планети сонячної системи – Нептуна, яка відразу ж була виявлена на небосхилі в зазначеному місці.

І все ж природа тяжіння не піддавалася поясненню. Було виявлено нове явище: поворот осі орбіти найближчої до Сонця планети - Меркурія. За 100 років спостережень вісь еліпса орбіти повернулась на кут 43" (сорок три кутових секунди, кутова секунда - це кут, під яким 1 см «видно» з відстані в 2 км). Із закону тяжіння такий поворот орбіти не виходив. Всі спроби уточнити закон не приводили до усунення загадки. А в науці є правило: якщо хоча б один дослід суперечить теорії, її потрібно змінювати.

У представленому вище невеликому історичному нарисі ми показали необхідність побудови нової теорії тяжіння. І хоча сам А. Ейнштейн підходив до вирішення цього завдання дещо інакше, але його теорія змогла не тільки пояснити все те, що пояснювала теорія І. Ньютона, але і вирішити загадку повороту орбіти Меркурія (взагалі виявилося, що орбіти всіх планет повертаються, але чим далі вони від Сонця, тим менший кут повороту за ті ж 100 років). Крім того, теорія відносності Ейнштейна передбачила нові явища, наприклад, відхилення світлового променя від прямолінійності при проходженні поблизу великого важкого тіла. Це передбачення було переконливо підтверджено вже через три роки після створення загальної теорії відносності Ейнштейна (1919 р.) при спостереженні повного сонячного затемнення: на фотографіях закритого Місяцем світила поблизу краю вчені виявили зображення тих зірок, які повинні були знаходитися в області геометричної «тіні» за Сонцем. Теорія А. Ейнштейна пророкувала і інші явища, наприклад зменшення частоти світла, випромінюваного зіркою. Подібне явище було відоме в оптиці (ефект Доплера), але там зміна частоти була пов'язана з рухом джерела або спостерігача. У разі ж явища, що розглядається в загальній теорії відносності Енштейна, воно не було пов'язано з рухом джерела (приймача), а було зумовлене виключно зміною властивостей простору в міру віддалення від зірки. Нижче ми зупинимося й на інших висновках загальної теорії відносності Ейнштейна, завдяки яким загальної теорії відносності виявилася пов'язаною з космологією, наукою, що пояснює походження і розвиток Всесвіту.

На побудову загальної теорії відносності А. Ейнштейну треба було близько 10 років. У 1916р. вийшла остання стаття, в якій був завершений науковий подвиг ученого.

В основу своїх міркувань А. Ейнштейн поклав співпадання двох мас, з якими зустрічаються фізики, вирішуючи різні завдання. З одного боку, маса характеризує інертні властивості тіл, здатність їх протидіяти силам, які намагаються змінити стан тіл. З другого боку, як говорилося вище, маса визначає гравітаційні властивості тіл, їх здатність притягувати інші тіла. До А. Ейнштейна ці маси не розрізняли, їх співпадання вважалось само собою очевидним. Ейнштейн же надав цьому співпадінню характер закону, його часто називають принципом еквівалентності інертної і гравітаційної мас.

Ще Галілей в XVI ст. встановив, що всі тіла, падаючи вільно в полі тяжіння Землі, набувають одного і того ж прискорення. У цьому виявляє себе гравітаційна маса падаючих тіл. При різкій зупинці транспорту пасажири подаються вперед, при прискореному ж русі того ж транспорту пасажири притискаються до сидіння. В обох випадках виникає ефект, який можна пояснити появою сил інерції. При цьому всі тіла, що знаходяться в транспорті, незалежно від їх маси, набувають однакового прискорення. У цьому прикладі проявляє себе інерційна маса. З розглянутих прикладів, у яких окремо проявляють себе або гравітаційна або інертна маси, і виходячи з еквівалентності цих мас, Ейнштейн робить наступний висновок, який зазвичай і називають принципом еквівалентності: вільний рух в полі тяжіння і прискорений рух у відсутності цього поля відбуваються абсолютно однаково, іншими словами, явище тяжіння і прискорений рух мають одну і ту ж фізичну сутність, це два прояви одного і того ж фізичного процесу. Це головне твердження загальної теорії відносності Ейнштейна і на перший погляд воно здається неймовірним. Але саме в цьому твердженні проявилася геніальність А. Ейнштейна, що дозволила йому нетрадиційно підійти до повсякденних явищ і створити дивовижну за красою і наслідками фізичну теорію – загальну теорію відносності.

Тепер подивимося, до яких наслідків призводить сформульований вище принцип еквівалентності. При зльоті космічного корабля з прискоренням космонавти відчувають перевантаження. Це еквівалентно тому, що космонавти ніби виявляються у більш сильному гравітаційному полі, ніж поле Землі. Прискорений рух приводить до тих же наслідків, що й гравітаційне поле. З іншої сторони, при вільному русі ракети (двигуни відключені) навколо Землі всі тіла в кабіні стають невагомими. Їх вільне падіння (разом з космічним кораблем), перебуваючи всередині корабля, неможливо відрізнити від вільного руху (руху за інерцією, коли на тіло не діє зовнішня сила) у відсутності поля тяжіння (у малому об’ємі корабля - це дуже важлива умова - ніби усувається поле тяжіння). Все, про що розказано вище, ми неодноразово бачили при телевізійних передачах з борту космічних кораблів. Таким чином, не існує можливості відрізнити стан вільного руху від стану вільного падіння. Вільне падіння і вільний рух - стверджує Ейнштейн своїм принципом еквівалентності – це одне і те ж!

Ми знаємо, що вільний рух (рух за інерцією) відбувається прямолінійно. Але пряма - це найпростіше поняття геометрії. Тим самим ми природним чином встановлюємо зв'язок між фізикою і геометрією. У нашому світі справедлива так звана геометрія Евкліда, в якій простір тривимірний (вправо-вліво, верх-низ, вперед-назад), існує тільки одна пряма, що сполучає дві точки, сума кутів трикутника завжди дорівнює 180 градусів і т. д. По прямій, яка є найкоротшою відстанню між двома точками, розповсюджується світловий промінь (в цьому ми знову виявляємо зв'язок фізики та геометрії).

Але крім евклідової геометрії існують і інші, неевклідові геометрії. Як наочний приклад «світу», де геометрія неевклідова, можна навести кривий світ поверхні кулі. Двомірні істоти у цьому світі (у них не було б висоти) під «прямою» (найкоротшою) лінією між двома точками розуміли б дугу великого кола, сума кутів трикутника, який лежав би на поверхні кулі, вже не дорівнювала б 180 градусам і т.д. Ці уявлення про геометрію на поверхні кулі можна узагальнити на більш складні поверхні. Але головним у наших міркуваннях є те, що геометрія Евкліда - це лише одна з можливих геометрій. А так як геометрія пов'язана з фізикою, то отже, можуть існувати інші світи, де діють більш складні фізичні закони.

Першим, хто намагався з'ясувати, якій геометрії підпорядковується наш світ, був М. Лобачевський. Неточність вивимірювань не дозволила йому знайти правильну відповідь. Основну ідею М. Лобачевського (зв'язок геометрії світу і фізики) трансформував у своїй теорії А. Ейнштейн. Неоднорідність гравітаційного поля, зміну його від точки до точки Ейнштейн пояснив парадоксально: геометрія фізичного світу не евклідова і такого фізичного об'єкта - гравітаційного поля - не існує, немає і ніяких сил тяжіння. А рух, який ми досі називаємо вільним падінням, фактично є вільним рухом за найкоротшою (геодезичною) лінією в цьому неевклідовому світі.

У цьому місці наших міркувань слід сказати, що для опису будь-якого фізичного процесу, в тому числі і вільного руху, потрібно задавати не тільки просторові координати, а й час. З цієї точки зору наш світ є не три-, а чотиривимірним. Правда, час, на відміну від просторових координат, може змінюватися тільки від минулого до майбутнього. Зв'язок фізики з геометрією проявляється і в тому, що не тільки просторовий світ може бути неевклідовим, а й хід часу в різних точках простору може бути різним.

Тепер встановимо, від чого залежить геометрія світу. Для цього здійснимо коротку подорож з фізичними уявленнями про простору і часу. У тому, що ці поняття важкі для лбдської свідомості, ми переконуємося на численних прикладах, наприклад, плутанина з поняттями «учора» і «завтра» у дитячому віці, труднощі орієнтування в просторі, яких не позбавлені і багато дорослих. Опускаючи «сторінку» наївних уявлень про простір і час в стародавні часи, почнемо подорож з наукових уявлень І. Ньютона. Простір, за Ньютоном, - це «ящик», вмістилище всього буття, він існує незалежно від тіл і явищ, що відбуваються у «ящику». Час - це тривалість процесів (явищ), в усьому світі існує єдиний (світовий) час, його хід не залежить ні від місця знаходження годинника, ні від характеру процесів. Простір і час не пов'язані один з одним, не впливають один на одного, вони - самостійні сутності.

Не торкаючись причини еволюції наших уявлень про простір і час, сформулюємо коротко те нове, що вніс до даної проблеми А. Ейнштейн у своїй спеціальній теорії відносності. Виявляється, що не можна відривати просторовий опис явища від тимчасового моменту, саме тоді фактично у фізику було введене уявлення про те, що наш світ має чотири виміри (три просторових і один часовий). А так як в основу спеціальної теорії відносності був покладений постулат про сталість швидкості світла в однорідному і ізотропному середовищі (однакова у всіх точках і у всіх напрямках), його максимальності (граничності) у вакуумі та незалежності від швидкості руху джерел світла і спостерігача, то звідси безпосередньо слідувало, що в різних точках простору час тече по-різному (за визначенням, швидкість чисельно дорівнює відношенню пройденої відстані до проміжку часу проходження цієї відстані, якщо змінюється відстань між подіями для різних спостерігачів, то і проміжки часу також повинні змінюватися, тільки в цьому випадку швидкість світла у вакуумі може бути завжди однієї і тієї ж величиною). У спеціальній теорії відносності, як і в теорії Ньютона, простір однорідний і ізотропний, і час рівномірно тече від минулого до майбутнього. При цьому Ейнштейн не враховує, що насправді поблизу важких мас властивості простору (і часу) не володіють зазначеними властивостями. Напрямки в горизонтальній площині і по вертикалі не рівноцінні (згадайте ходьбу по рівному місцю і в гору!). У розглянутому питанні можна говорити, що спеціальна теорія відносності, створена Ейнштейном за 10 років до загальної теорії відносності - в 1905 році, -є наближеною теорією. Але це не применшує її значення у пізнанні природи і в житті людського суспільства.

Отже, щоб врахувати вплив на властивості простору і часу гравитуючих мас, Ейнштейн і побудував загальну теорію відносності. Ось ми і прийшли до відповіді на поставлене вище питання: від чого залежить геометрія світу. Геометрія світу, і отже, властивості простору та часу, залежать від наявності та руху в просторі і часі матерії. Саме там, де є «згусток» матерії, геометрія світу відрізняється від тієї геометрії, яку ми спостерігаємо в межах малої ділянки земної поверхні і яку зазвичай називаємо плоскою геометрією, або геометрією Евкліда. Поблизу ж масивних зірок (густина їх речовини сягає багатьох млн. тонн на 1 куб. см, середня густина Землі - 5,5 г/куб. см) властивості простору і часу істотно відрізняються від того, що ми бачимо навколо нас на Землі. Кажуть, що поблизу масивних тіл геометрія не евклідова, «крива». Останнім словом хочуть відзначити відмінність спостережуваної геометрії від евклідової. У такому просторі (по суті треба говорити про єдиний простір - час) найкоротшою відстанню між двома точками буде не Евклідова пряма, а крива, подібно до того, як у двовимірному «кривому» світі поверхні кулі найкоротшою відстанню між двома точками буде дуга великого кола. Саме за цією «кривою» буде розповсюджуватись світловий промінь, за такою геодезичною лінією буде відбуватися вільний рух тіла.

Все викладене вище випливає з найскладніших рівнянь, які Ейнштейн отримав у своїй теорії. Складність математичних розрахунків обмежує коло вчених, які займаються розробкою проблем загальної теорії відносності Ейнштейна. Із сотень тисяч фізиків і математиків на земній кулі тільки кілька сотень учених присвятили себе цій теорії.

У 1922 році ленінградський математик А. А. Фрідман рішив ці рівняння і отримав вражаючий результат: наш осяжний світ не може перебувати в статичному рівноважному стані, він повинен або розширюватися, або стискатися. Все залежить від середньої густини речовини у Всесвіті: якщо ця густина менша ніж 10-29 г/куб. см, то світ буде вічно розширюватися: якщо ж ця густина перевищує 10-29 г/куб. см, то Всесвіт повинен стискатися. В даний час немає достовірних даних про середню густину речовини у світі. Але от у 1929 році американський астроном Хаббл виявив, що далекі зірки від нас «тікають», світ розширюється, про що говорило одне з рішень Фрідмана. Що буде зі Всесвітом потім (через багато млрд. років), чи буде він і далі розширюватися, чи наступить кінець розширенню і почнеться стискання (це інший варіант рішення Фрідмана) залежить від середньої густини речовини в світі.

Однак якщо світ зараз розширюється, то можна розрахувати, скільки часу назад почалося це розширення, коли матерія була сконцентрована у відносно малому об’ємі, коли сталося те, що отримало назву «Великий вибух». Вчені виявили і вісточку від цього «вибуху», так зване «реліктове» (залишкове від давнини) випромінювання, яке супроводжувало «вибух» і потім, розширючись, заповнило весь світовий простір. Якщо вчені встановлять, що середня густина матерії у Всесвіті більше 10-29 г/куб. см, то розширення, яке ми зараз спостерігаємо, повинно зупинитися і почнеться стиснення. Всі етапи життя Всесвіту продовжуються десятки млрд. років. Тому достовірно говорити про «Великий вибух» як про акт творіння світу не варто. Існують і інші моделі розвитку Всесвіту. Наприклад, Всесвіт подібний до маятника і періоди розширювання змінюються періодами стиснення, і ці процеси повторюються нескінченне число разів. Звичайно, світ безперервно оновлюється, одні зірки згоряють, інші утворюються. Але для такої моделі розвитку не потрібно якогось первісного поштовху. У цій моделі розвитку Всесвіту «Великий вибух» - це той момент, коли гравітаційне тяжіння всіх тіл Всесвіту виявилося слабше від протидіючого світлового тиску, яке створюють мільярди зірок при своєму зближенні.

Рівняння Ейнштейна пророкують існування «гравітаційних хвиль», які поширюються в просторі-часі з трансформаційних змін властивостей простору-часу, що виникають через потужні нестаціонарні процеси у Всесвіті. Досі експериментально гравітаційні хвилі не виявлені. У загальній теорії відносності були передбачені так звані нейтронні зірки, в яких через потужні гравітаційні взаємодії атоми були «роздавлені», електрони «всунуті» в ядра, які, з'єднуючись з позитивно зарядженими протонами, що входять до складу ядер, перетворювали їх у нейтральні частинки-нейтрони (звідси і назва цих зірок).

Подальше стиснення зірки може привести її до «колапсу» - катастрофічного зменшення розмірів і перетворення в так звану «чорну діру». Така назва виникла тому, що навколо «чорної діри» простір-час набули таких властивостей, такої «кривизни», що жоден сигнал не може покинути таку зірку, вона дійсно стає невидимою - «чорною дірою» у Всесвіті. І все ж «чорну діру» можна виявити за її потужним впливом на рух інших небесних тіл. У «чорної діри» є й інші екзотичні властивості...

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus