Специалната теория на относителността на Айнщайн: накратко и с прости думи. Общата теория на относителността последователна ли е? Отговаря ли на физическата реалност? Теорията на относителността накратко най-важното

Революционният физик използва въображението си, а не сложната математика, за да измисли своето най-известно и елегантно уравнение. Айнщайн е известен с това, че предсказва странни, но верни явления, като например астронавтите в космоса, които остаряват по-бавно от хората на Земята и формите на твърдите обекти се променят с висока скорост.

Но това, което е интересно е, че ако вземете копие от оригиналната статия на Айнщайн от 1905 г. за относителността, тя е сравнително лесна за дешифриране. Текстът е прост и ясен, а уравненията са предимно алгебрични - всеки гимназист може да ги разбере.

Това е така, защото сложната математика никога не е била силната страна на Айнщайн. Той обичаше да мисли визуално, да прави експерименти във въображението си и да ги обмисля, докато физическите идеи и принципи станат кристално ясни.

Това е мястото, където започнаха мисловните експерименти на Айнщайн, когато той беше само на 16 години, и как в крайна сметка те го доведоха до най-революционното уравнение в съвременната физика.

До този момент от живота на Айнщайн неговото зле прикрито презрение към немските му корени и авторитарните методи на преподаване в Германия вече са взели своето и той е бил изгонен от гимназията, така че се премества в Цюрих с надеждата да посещава Швейцарския федерален институт на технологиите (ETH).

Но първо Айнщайн решава да прекара една година подготовка в училище в съседния град Арау. В този момент той скоро откри, че се чуди какво би било да тичаш до лъч светлина.

Айнщайн вече беше научил в часовете по физика какво е лъч светлина: набор от осцилиращи електрически и магнитни полета, движещи се с 300 000 километра в секунда, измерената скорост на светлината. Ако тичаше наблизо със същата скорост, осъзна Айнщайн, той можеше да види много осцилиращи електрически и магнитни полета до себе си, сякаш замръзнали в космоса.

Но това беше невъзможно. Първо, стационарните полета биха нарушили уравненията на Максуел, математическите закони, които са в основата на всичко, което физиците са знаели за електричеството, магнетизма и светлината. Тези закони бяха (и все още са) доста строги: всички вълни в тези полета трябва да се движат със скоростта на светлината и не могат да стоят неподвижни, без изключения.

Още по-лошо, стационарните полета не се вписват в принципа на относителността, който е бил известен на физиците от времето на Галилей и Нютон през 17 век. По същество принципът на относителността гласи, че законите на физиката не могат да зависят от това колко бързо се движите: можете да измервате само скоростта на един обект спрямо друг.

Но когато Айнщайн приложи този принцип към своя мисловен експеримент, възникна противоречие: теорията на относителността диктува, че всичко, което може да види, когато се движи близо до лъч светлина, включително стационарни полета, трябва да е нещо светско, което физиците могат да създадат в лабораторията. Но никой никога не е наблюдавал това.

Този проблем ще преследва Айнщайн още 10 години, докато учи и работи в ETH и се премества в швейцарската столица Берн, където ще стане експерт в швейцарското патентно ведомство. Именно там той ще разреши парадокса веднъж завинаги.

1904: Измерване на светлина от движещ се влак

Не беше лесно. Айнщайн опита всяко решение, за което можеше да се сети, но нищо не проработи. Почти отчаян, той започна да мисли за просто, но радикално решение. Може би уравненията на Максуел работят за всичко, помисли си той, но скоростта на светлината винаги е била постоянна.

С други думи, когато видите лъч светлина да лети покрай вас, няма значение дали източникът му се движи към вас, далеч от вас, далеч от вас или някъде другаде и няма значение колко бърз е източникът му движещ се. Скоростта на светлината, която измервате, винаги ще бъде 300 000 километра в секунда. Освен всичко друго, това означава, че Айнщайн никога няма да види стационарни осцилиращи полета, тъй като никога няма да може да улови лъч светлина.

Това беше единственият начин, по който Айнщайн виждаше да съгласува уравненията на Максуел с принципа на относителността. На пръв поглед обаче това решение имаше своя фатален недостатък. По-късно той го обясни с друг мисловен експеримент: представете си лъч, който е изстрелян по протежение на железопътен насип, докато влак минава в същата посока с, да речем, 3000 километра в секунда.

Някой, който стои близо до насипа, ще трябва да измери скоростта на светлинния лъч и да получи стандартното число от 300 000 километра в секунда. Но някой във влак ще види светлина, движеща се с 297 000 километра в секунда. Ако скоростта на светлината не е постоянна, уравнението на Максуел вътре в каретата трябва да изглежда различно, заключава Айнщайн, и тогава принципът на относителността ще бъде нарушен.

Това очевидно противоречие накара Айнщайн да спре почти година. Но тогава, една хубава сутрин през май 1905 г., той отива на работа с най-добрия си приятел Мишел Бесо, инженер, когото познава от студентските си години в Цюрих. Двамата мъже разговаряха за дилемата на Айнщайн, както винаги. И изведнъж Айнщайн видя решението. Той работи върху него цяла нощ и когато се срещнаха на следващата сутрин, Айнщайн каза на Бесо: „Благодаря ви. Напълно реших проблема."

Май 1905: Мълния удря движещ се влак

Откровението на Айнщайн е, че наблюдателите в относително движение възприемат времето по различен начин: напълно възможно е две събития да се случат едновременно от гледна точка на един наблюдател, но в различно време от гледна точка на друг. И двамата наблюдатели ще бъдат прави.

По-късно Айнщайн илюстрира своята теза с друг мисловен експеримент. Представете си, че наблюдател отново стои до железопътната линия и покрай него профучава влак. В момента, когато централната точка на влака преминава през наблюдателя, мълния удря всеки край на влака. Тъй като светкавиците падат на едно и също разстояние от наблюдателя, тяхната светлина навлиза в очите му едновременно. Би било честно да се каже, че мълнията удря едновременно.

Междувременно друг наблюдател седи точно в центъра на влака. От негова гледна точка светлината от две мълнии изминава едно и също разстояние и скоростта на светлината ще бъде еднаква във всяка посока. Но тъй като влакът се движи, светлината, идваща от задната светкавица, трябва да измине по-голямо разстояние, така че пристига при наблюдателя няколко мига по-късно от светлината от началото. Тъй като светлинните импулси пристигат по различно време, можем да заключим, че мълниите не са едновременни - едната се случва по-бързо.

Айнщайн осъзнава, че именно тази едновременност е относителна. И след като приемете това, странните ефекти, които сега свързваме с теорията на относителността, се разрешават чрез проста алгебра.

Айнщайн трескаво записва мислите си и изпраща работата си за публикуване. Заглавието беше „За електродинамиката на движещите се тела“ и отразяваше опита на Айнщайн да свърже уравненията на Максуел с принципа на относителността. Бесо получи специални благодарности.

Септември 1905: маса и енергия

Тази първа работа обаче не беше последната. Айнщайн е бил обсебен от теорията на относителността до лятото на 1905 г. и през септември той изпраща втора статия за публикуване, този път в ретроспекция.

Тя се основава на друг мисловен експеримент. Представете си обект в покой, каза той. Сега си представете, че той едновременно излъчва два еднакви импулса светлина в противоположни посоки. Обектът ще остане на мястото си, но тъй като всеки импулс отнася определено количество енергия, енергията, съдържаща се в обекта, ще намалее.

Сега, пише Айнщайн, как би изглеждал този процес за движещ се наблюдател? От негова гледна точка обектът просто ще продължи да се движи по права линия, докато двата импулса отлитат. Но дори ако скоростта на двата импулса остане същата – скоростта на светлината – техните енергии ще бъдат различни. Импулс, който се движи напред в посоката на движение, ще има по-висока енергия от този, който се движи в обратната посока.

Добавяйки малко алгебра, Айнщайн показа, че за да бъде това последователно, обектът трябва не само да губи енергия, когато изпраща светлинни импулси, но и маса. Или масата и енергията трябва да са взаимозаменяеми. Айнщайн е написал уравнение, което ги свързва. И стана най-известното уравнение в историята на науката: E = mc 2.

Общата теория на относителността, заедно със специалната теория на относителността, е брилянтното дело на Алберт Айнщайн, който в началото на 20-ти век промени начина, по който физиците гледат на света. Сто години по-късно общата теория на относителността е фундаменталната и най-важна теория на физиката в света и заедно с квантовата механика претендира да бъде един от двата крайъгълни камъка на „теорията на всичко“. Общата теория на относителността описва гравитацията като следствие от кривината на пространство-времето (обединено в общата теория на относителността в едно цяло) под въздействието на масата. Благодарение на общата теория на относителността учените са извели много константи, тествали са куп необясними явления и са стигнали до неща като черни дупки, тъмна материя и тъмна енергия, разширяването на Вселената, Големия взрив и много други. GTR също наложи вето над превишаването на скоростта на светлината, като по този начин буквално ни хвана в капан в заобикалящата ни среда (Слънчевата система), но остави вратичка под формата на червееви дупки - къси възможни пътища през пространство-времето.

Още в края на 19-ти век повечето учени са били склонни към гледната точка, че физическата картина на света е изградена в основата си и ще остане непоклатима в бъдеще - остават само подробностите за изясняване. Но през първите десетилетия на двадесети век физическите възгледи се променят радикално. Това беше следствие от „каскада” от научни открития, направени през изключително кратък исторически период, обхващащ последните години на 19-ти век и първите десетилетия на 20-ти, много от които бяха напълно несъвместими с разбирането на обикновения човешки опит. Ярък пример е теорията на относителността, създадена от Алберт Айнщайн (1879-1955).

Теория на относителността- физическа теория на пространство-времето, т.е. теория, която описва универсалните пространствено-времеви свойства на физическите процеси. Терминът е въведен през 1906 г. от Макс Планк, за да подчертае ролята на принципа на относителността
в специалната теория на относителността (и по-късно общата теория на относителността).

В тесен смисъл теорията на относителността включва специална и обща теория на относителността. Специална теория на относителността(по-нататък - SRT) се отнася до процеси, при изследването на които гравитационните полета могат да бъдат пренебрегнати; обща теория на относителността(наричана по-нататък GTR) е теория на гравитацията, която обобщава тази на Нютон.

Специален, или специалната теория на относителността е теория за структурата на пространство-времето. За първи път е въведен през 1905 г. от Алберт Айнщайн в неговия труд „За електродинамиката на движещите се тела“. Теорията описва движението, законите на механиката, както и пространствено-времевите отношения, които ги определят, при всяка скорост на движение,
включително такива, близки до скоростта на светлината. Класическа нютонова механика
в рамките на SRT, това е приближение за ниски скорости.

Една от причините за успеха на Алберт Айнщайн е, че той цени експерименталните данни пред теоретичните. Когато редица експерименти разкриха резултати, които противоречат на общоприетата теория, много физици решиха, че тези експерименти са грешни.

Алберт Айнщайн е един от първите, които решават да изградят нова теория, базирана на нови експериментални данни.

В края на 19-ти век физиците са в търсене на мистериозния етер - среда, в която според общоприетите предположения трябва да се разпространяват светлинни вълни, подобно на акустичните вълни, за чието разпространение е необходим въздух или друга среда - твърдо вещество, течни или газообразни. Вярата в съществуването на етера доведе до убеждението, че скоростта на светлината трябва да варира в зависимост от скоростта на наблюдателя по отношение на етера. Алберт Айнщайн изоставя концепцията за етера и приема, че всички физически закони, включително скоростта на светлината, остават непроменени независимо от скоростта на наблюдателя - както показват експериментите.

SRT обясни как да интерпретира движенията между различни инерционни референтни рамки - просто казано, обекти, които се движат с постоянна скорост един спрямо друг. Айнщайн обясни, че когато два обекта се движат с постоянна скорост, трябва да се вземе предвид тяхното движение един спрямо друг, вместо да се приема един от тях като абсолютна референтна система. Така че, ако двама астронавти летят на два космически кораба и искат да сравнят своите наблюдения, единственото нещо, което трябва да знаят, е скоростта един спрямо друг.

Специалната теория на относителността разглежда само един частен случай (откъдето и името), когато движението е праволинейно и равномерно.

Въз основа на невъзможността да се открие абсолютното движение, Алберт Айнщайн заключава, че всички инерциални отправни системи са равни. Той формулира два най-важни постулата, които формират основата на нова теория за пространството и времето, наречена Специална теория на относителността (STR):

1. Принципът на относителността на Айнщайн - този принцип беше обобщение на принципа на относителността на Галилей (твърди същото, но не за всички закони на природата, а само за законите на класическата механика, оставяйки отворен въпроса за приложимостта на принципа на относителността към оптиката и електродинамиката) към всякакви физически. Той гласи: всички физически процеси при едни и същи условия в инерциалните отправни системи (IRS) протичат по един и същи начин. Това означава, че никакви физически експерименти, проведени в затворена ISO, не могат да установят дали тя е в покой или се движи равномерно и праволинейно. По този начин всички IFR са напълно равни и физическите закони са инвариантни по отношение на избора на IFR (т.е. уравненията, изразяващи тези закони, имат една и съща форма във всички инерциални референтни системи).

2. Принципът на постоянството на скоростта на светлината- скоростта на светлината във вакуум е постоянна и не зависи от движението на източника и приемника на светлина. То е еднакво във всички посоки и във всички инерциални отправни системи. Скоростта на светлината във вакуум е пределната скорост в природата -това е една от най-важните физически константи, така наречените световни константи.

Най-важната последица от SRT беше известната Формулата на Айнщайн за връзката между маса и енергия E=mc 2 (където С е скоростта на светлината), което показва единството на пространството и времето, изразено в съвместна промяна на техните характеристики в зависимост от концентрацията на масите и тяхното движение и потвърдено от данните на съвременната физика. Времето и пространството престанаха да се разглеждат независимо едно от друго и възникна идеята за пространствено-времевия четириизмерен континуум.

Според теорията на великия физик, когато скоростта на едно материално тяло се увеличава, доближавайки скоростта на светлината, се увеличава и неговата маса. Тези. Колкото по-бързо се движи един обект, толкова по-тежък става. При достигане на скоростта на светлината масата на тялото, както и енергията му стават безкрайни. Колкото по-тежко е тялото, толкова по-трудно е да се увеличи скоростта му; Ускоряването на тяло с безкрайна маса изисква безкрайно количество енергия, така че е невъзможно материалните обекти да достигнат скоростта на светлината.

В теорията на относителността "два закона - законът за запазване на масата и запазването на енергията - загубиха своята независима валидност и се оказаха обединени в един закон, който може да се нарече закон за запазване на енергията или масата." Благодарение на фундаменталната връзка между тези две понятия, материята може да се превърне в енергия и обратно – енергията в материя.

Обща теория на относителността- теория за гравитацията, публикувана от Айнщайн през 1916 г., върху която той работи 10 години. Това е по-нататъшно развитие на специалната теория на относителността. Ако материално тяло се ускори или се завърти настрани, законите на STR вече не важат. Тогава влиза в сила ОТО, което обяснява движенията на материалните тела в общия случай.

Общата теория на относителността постулира, че гравитационните ефекти са причинени не от силовото взаимодействие на телата и полетата, а от деформацията на самото пространство-време, в което те се намират. Тази деформация е свързана отчасти с наличието на маса-енергия.

Общата теория на относителността в момента е най-успешната теория на гравитацията, добре подкрепена от наблюдения. GR обобщи SR до ускорени, т.е. неинерционни системи. Основните принципи на общата теория на относителността се свеждат до следното:

- ограничаване на приложимостта на принципа за постоянство на скоростта на светлината в региони, където гравитационните сили могат да бъдат пренебрегнати(където гравитацията е висока, скоростта на светлината се забавя);

- разширяване на принципа на относителността към всички движещи се системи(и не само инерционни).

В общата теория на относителността или теорията на гравитацията тя също изхожда от експерименталния факт за еквивалентността на инерционните и гравитационните маси или еквивалентността на инерционните и гравитационните полета.

Принципът на еквивалентността играе важна роля в науката. Винаги можем директно да изчислим ефекта на инерционните сили върху всяка физическа система и това ни дава възможност да разберем ефекта на гравитационното поле, абстрахирайки се от неговата хетерогенност, която често е много незначителна.

Бяха получени редица важни заключения от общата теория на относителността:

1. Свойствата на пространство-времето зависят от движещата се материя.

2. Светлинен лъч, който има инертна и следователно гравитационна маса, трябва да бъде огънат в гравитационното поле.

3. Честотата на светлината под въздействието на гравитационното поле трябва да се измести към по-ниски стойности.

Дълго време имаше малко експериментални доказателства за общата теория на относителността. Съгласието между теория и експеримент е доста добро, но чистотата на експериментите е нарушена от различни сложни странични ефекти. Ефектите от кривината на пространство-времето обаче могат да бъдат открити дори в умерени гравитационни полета. Много чувствителни часовници, например, могат да открият забавяне на времето на повърхността на Земята. За да се разшири експерименталната база на общата теория на относителността, през втората половина на 20-ти век бяха проведени нови експерименти: еквивалентността на инерционните и гравитационните маси беше тествана (включително чрез лазерно измерване на Луната);
с помощта на радар е изяснено движението на перихелия на Меркурий; измерено е гравитационното отклонение на радиовълните от Слънцето и е извършен радар на планетите от Слънчевата система; беше оценено влиянието на гравитационното поле на Слънцето върху радиовръзките с космически кораби, изпратени до далечните планети на Слънчевата система и др. Всички те по един или друг начин потвърдиха прогнозите, получени на базата на общата теория на относителността.

И така, специалната теория на относителността се основава на постулатите за постоянството на скоростта на светлината и едни и същи закони на природата във всички физически системи, а основните резултати, до които тя достига, са следните: относителността на свойствата на пространството - време; относителност на масата и енергията; еквивалентност на тежки и инертни маси.

Най-значимият резултат от общата теория на относителността от философска гледна точка е установяването на зависимостта на пространствено-времевите свойства на околния свят от местоположението и движението на гравитиращите маси. Това е благодарение на влиянието на телата
При големи маси пътищата на светлинните лъчи се огъват. Следователно гравитационното поле, създадено от такива тела, в крайна сметка определя пространствено-времевите свойства на света.

Специалната теория на относителността се абстрахира от действието на гравитационните полета и затова нейните заключения са приложими само за малки области от пространство-времето. Основната разлика между общата теория на относителността и предшестващите я фундаментални физични теории е отхвърлянето на редица стари концепции и формулирането на нови. Заслужава да се каже, че общата теория на относителността направи истинска революция в космологията. На негова основа се появиха различни модели на Вселената.

Теорията на относителността на Айнщайнсе основава на твърдението, че определянето на движението на първото тяло е възможно единствено поради движението на друго тяло. Това заключение стана фундаментално в четириизмерния пространствено-времеви континуум и неговото осъзнаване. Които, когато разглеждаме времето и трите измерения, имат една и съща основа.

Специална теория на относителността, открит през 1905 г. и изучаван в по-голяма степен в училище, има рамка, която завършва само с описание на случващото се от страна на наблюдението, което е в равномерно относително движение. Което доведе до няколко важни последици:

1 За всеки наблюдател скоростта на светлината е постоянна.

2 Колкото по-голяма е скоростта, толкова по-голяма е масата на тялото, това се усеща по-силно при скоростта на светлината.

3 Енергия-E и маса-m са равни и еквивалентни една на друга, от което следва формулата, в която c- ще бъде скоростта на светлината.
E = mс2
От тази формула следва, че масата става енергия, по-малко маса води до повече енергия.

4 При по-високи скорости се получава компресия на тялото (компресия по Лоренц-Фицджералд).

5 Имайки предвид наблюдател в покой и движещ се обект, за втория път ще върви по-бавно. Тази теория, завършена през 1915 г., е подходяща за наблюдател, който е в ускоряващо се движение. Както показаха гравитацията и пространството. Следвайки това, може да се предположи, че пространството е извито поради наличието на материя в него, като по този начин се образуват гравитационни полета. Оказва се, че свойство на пространството е гравитацията. Интересното е, че гравитационното поле огъва светлината, което е мястото, където се появяват черните дупки.

Забележка: Ако се интересувате от археология (http://arheologija.ru/), тогава просто следвайте връзката към интересен сайт, който ще ви разкаже не само за разкопки, артефакти и т.н., но и ще сподели последните новини.

Фигурата показва примери от теорията на Айнщайн.

Под Аизобразява наблюдател, който гледа автомобили, движещи се с различна скорост. Но червената кола се движи по-бързо от синята кола, което означава, че скоростта на светлината спрямо нея ще бъде абсолютна.

Под INсе има предвид светлината, излъчвана от фаровете, която въпреки очевидната разлика в скоростите на автомобилите ще бъде една и съща.

Под СЪСпоказана е ядрена експлозия, която доказва, че Е енергия = Т маса. Или E = mс2.

Под дОт фигурата се вижда, че по-малката маса дава повече енергия, докато тялото е компресирано.

Под дпромяна на времето в пространството поради Mu мезони. Времето тече по-бавно в космоса, отколкото на земята.

Яжте теория на относителността за манекеникоето е показано накратко във видеото:

Много интересен факт за теорията на относителността, открит от съвременните учени през 2014 г., но остава загадка.

Казват, че Алберт Айнщайн е имал прозрение в един миг. Твърди се, че ученият карал трамвай в Берн (Швейцария), погледнал уличния часовник и внезапно разбрал, че ако сега трамваят се ускори до скоростта на светлината, тогава според неговото възприятие този часовник ще спре - и няма да има време. Това го кара да формулира един от централните постулати на относителността - че различните наблюдатели възприемат реалността по различен начин, включително такива фундаментални величини като разстояние и време.

Научно казано, на този ден Айнщайн осъзнава, че описанието на всяко физическо събитие или явление зависи от референтни системи, в който се намира наблюдателят. Ако пътник в трамвая, например, изпусне очилата си, тогава за нея те ще паднат вертикално надолу, а за пешеходец, който стои на улицата, очилата ще паднат по парабола, тъй като трамваят се движи, докато очилата падат. Всеки има своя собствена референтна рамка.

Но въпреки че описанията на събитията се променят при преминаване от една референтна система към друга, има и универсални неща, които остават непроменени. Ако вместо да описваме падането на чаши, зададем въпрос за закона на природата, който ги кара да падат, тогава отговорът на него ще бъде един и същ за наблюдател в неподвижна координатна система и за наблюдател в движеща се координата система. Законът за разпределеното движение важи еднакво както на улицата, така и в трамвая. С други думи, докато описанието на събитията зависи от наблюдателя, законите на природата не зависят от него, тоест, както обикновено се казва на научен език, те са инвариант.Ето за какво става дума принцип на относителността.

Като всяка хипотеза, принципът на относителността трябваше да бъде тестван чрез свързването му с реални природни явления. От принципа на относителността Айнщайн извежда две отделни (макар и свързани) теории. Специална или частна теория на относителносттаидва от позицията, че законите на природата са еднакви за всички отправни системи, движещи се с постоянна скорост. Обща теория на относителносттаразширява този принцип към всяка отправна система, включително тези, които се движат с ускорение. Специалната теория на относителността е публикувана през 1905 г., а по-сложната математически обща теория на относителността е завършена от Айнщайн до 1916 г.

Специална теория на относителността

Повечето от парадоксалните и контраинтуитивни ефекти, които възникват при движение със скорости, близки до скоростта на светлината, са предвидени от специалната теория на относителността. Най-известният от тях е ефектът на забавяне на часовника или ефект на забавяне на времето.Часовник, който се движи спрямо наблюдател, върви по-бавно за него от абсолютно същия часовник в ръцете му.

Времето в координатна система, движеща се със скорости, близки до скоростта на светлината спрямо наблюдателя, се разтяга, а пространственият обхват (дължина) на обектите по оста на посоката на движение, напротив, се компресира. Този ефект, известен като Контракция на Лоренц-Фицджералд, е описано през 1889 г. от ирландския физик Джордж Фицджералд (1851-1901) и разширено през 1892 г. от холандеца Хендрик Лоренц (1853-1928). Редукцията на Лоренц-Фицджералд обяснява защо експериментът на Майкелсън-Морли за определяне на скоростта на движение на Земята в космическото пространство чрез измерване на „етерния вятър“ даде отрицателен резултат. По-късно Айнщайн включва тези уравнения в специалната теория на относителността и ги допълва с подобна формула за преобразуване на масата, според която масата на тялото също нараства, когато скоростта на тялото се доближава до скоростта на светлината. Така при скорост от 260 000 km/s (87% от скоростта на светлината) масата на обекта от гледна точка на наблюдател, намиращ се в покойна отправна система, ще се удвои.

От времето на Айнщайн всички тези предсказания, колкото и противоречащи на здравия разум да изглеждат, намират пълно и пряко експериментално потвърждение. В един от най-показателните експерименти учените от Мичиганския университет поставиха свръхпрецизни атомни часовници на борда на самолет, извършващ редовни трансатлантически полети, и след всяко завръщане на родното си летище сравняваха показанията им с контролния часовник. Оказа се, че часовникът на самолета постепенно изостава от контролния часовник все повече (така да се каже, когато говорим за части от секундата). През последния половин век учените изучават елементарни частици, използвайки огромни хардуерни комплекси, наречени ускорители. В тях лъчи от заредени субатомни частици (като протони и електрони) се ускоряват до скорости, близки до скоростта на светлината, след което се изстрелват към различни ядрени цели. При такива експерименти на ускорители е необходимо да се вземе предвид увеличаването на масата на ускорените частици - в противен случай резултатите от експеримента просто няма да се поддадат на разумна интерпретация. И в този смисъл специалната теория на относителността отдавна се е преместила от категорията на хипотетичните теории в областта на приложните инженерни инструменти, където се използва наравно със законите на механиката на Нютон.

Връщайки се към законите на Нютон, бих искал специално да отбележа, че специалната теория на относителността, въпреки че външно противоречи на законите на класическата Нютонова механика, всъщност почти точно възпроизвежда всички обичайни уравнения на законите на Нютон, ако се прилага за описание на движещи се тела със скорости значително по-малки от скоростта на светлината. Тоест специалната теория на относителността не отменя Нютоновата физика, а я разширява и допълва.

Принципът на относителността също така помага да се разбере защо скоростта на светлината, а не която и да е друга, играе толкова важна роля в този модел на устройството на света - това е въпрос, задаван от много от онези, които за първи път са се сблъскали с теория на относителността. Скоростта на светлината се откроява и играе особена роля като универсална константа, тъй като се определя от естествен научен закон. Поради принципа на относителността, скоростта на светлината във вакуум ° Се едно и също във всяка референтна система. Това изглежда противоречи на здравия разум, тъй като се оказва, че светлината от движещ се източник (без значение колко бързо се движи) и от неподвижен източник достига до наблюдателя едновременно. Това обаче е вярно.

Поради специалната си роля в законите на природата скоростта на светлината заема централно място в общата теория на относителността.

Обща теория на относителността

Общата теория на относителността се прилага за всички референтни системи (а не само за тези, които се движат с постоянна скорост една спрямо друга) и изглежда математически много по-сложна от специалната (което обяснява единадесетгодишната разлика между тяхното публикуване). Тя включва като специален случай специалната теория на относителността (и следователно законите на Нютон). В същото време общата теория на относителността отива много по-далеч от всички свои предшественици. По-специално, той дава нова интерпретация на гравитацията.

Общата теория на относителността прави света четириизмерен: времето се добавя към трите пространствени измерения. И четирите измерения са неделими, така че вече не говорим за пространственото разстояние между два обекта, както е в триизмерния свят, а за пространствено-времевите интервали между събитията, които съчетават тяхното разстояние едно от друго – и двете във времето и в пространството. Това означава, че пространството и времето се разглеждат като четириизмерен пространствено-времеви континуум или, просто, космическо време. В този континуум наблюдателите, движещи се един спрямо друг, може дори да не са съгласни относно това дали две събития са се случили едновременно или дали едното е предшествало другото. За щастие на бедния ни ум, не се стига до нарушаване на причинно-следствените връзки – тоест дори общата теория на относителността не допуска съществуването на координатни системи, в които две събития да не се случват едновременно и в различни последователности.

Законът за всемирното привличане на Нютон ни казва, че между всеки две тела във Вселената съществува сила на взаимно привличане. От тази гледна точка Земята се върти около Слънцето, тъй като между тях действат взаимни сили на привличане. Общата теория на относителността обаче ни принуждава да погледнем на това явление по различен начин. Според тази теория гравитацията е следствие от деформацията ("кривината") на еластичната тъкан на пространство-времето под въздействието на масата (колкото по-тежко е тялото, например Слънцето, толкова повече пространство-времето се "огъва" под то и съответно по-силното му гравитационно силово поле). Представете си плътно опънато платно (нещо като батут), върху което е поставена масивна топка. Платното се деформира под тежестта на топката и около него се образува фуниевидна вдлъбнатина. Според общата теория на относителността Земята се върти около Слънцето като малка топка, пусната да се търкаля около конуса на фуния, образувана в резултат на „избутване“ на пространство-времето от тежка топка - Слънцето. И това, което ни изглежда като сила на гравитацията, всъщност е чисто външно проявление на кривината на пространство-времето и изобщо не е сила в разбирането на Нютон. Към днешна дата няма по-добро обяснение за природата на гравитацията от общата теория на относителността.

Тестването на общата теория на относителността е трудно, защото при нормални лабораторни условия нейните резултати са почти същите като това, което предсказва законът на гравитацията на Нютон. Въпреки това бяха проведени няколко важни експеримента и техните резултати ни позволяват да считаме теорията за потвърдена. В допълнение, общата теория на относителността помага да се обяснят явления, които наблюдаваме в космоса, като незначителни отклонения на Меркурий от стационарната му орбита, които са необясними от гледна точка на класическата Нютонова механика, или огъването на електромагнитното излъчване от далечни звезди, когато преминава в непосредствена близост до Слънцето.

Всъщност резултатите, предсказани от общата теория на относителността, се различават значително от тези, предсказани от законите на Нютон, само при наличието на свръхсилни гравитационни полета. Това означава, че за да тестваме напълно общата теория на относителността, се нуждаем или от ултрапрецизни измервания на много масивни обекти, или от черни дупки, към които никоя от обичайните ни интуитивни идеи не е приложима. Така че разработването на нови експериментални методи за проверка на теорията на относителността остава една от най-важните задачи на експерименталната физика.

GTO и RTG: някои акценти

1. В безброй книги - монографии, учебници и научно-популярни публикации, както и в различни видове статии - читателите са свикнали да виждат препратки към общата теория на относителността (ОТО) като едно от най-големите постижения на нашия век, прекрасно теория, незаменим инструмент на съвременната физика и астрономия. Междувременно от статията на А. А. Логунов научават, че според него GTR трябва да бъде изоставен, че е лош, непоследователен и противоречив. Следователно GTR изисква замяна с друга теория и по-специално с релативистката теория на гравитацията (RTG), конструирана от А. А. Логунов и неговите сътрудници.

Възможна ли е такава ситуация, когато много хора грешат в оценката си за GTR, който съществува и се изучава повече от 70 години, и само няколко души, начело с А. А. Логунов, наистина разбраха, че GTR трябва да се изхвърли? Повечето читатели вероятно очакват отговора: това е невъзможно. Всъщност мога да отговоря само точно обратното: „това” по принцип е възможно, защото не говорим за религия, а за наука.

Основателите и пророците на различни религии и вероизповедания са създали и създават свои собствени „свещени книги“, чието съдържание е обявено за истина от последна инстанция. Ако някой се съмнява, толкова по-зле за него, той се превръща в еретик с произтичащите от това последствия, често дори кървави. По-добре изобщо да не мислим, а да вярваме, следвайки известната формула на един от църковните водачи: „Вярвам, защото е абсурдно“. Научният светоглед е коренно противоположен: той изисква нищо да не се приема за даденост, позволява да се съмняваме във всичко и не признава догми. Под влияние на нови факти и съображения е не само възможно, но и необходимо, ако е оправдано, да промените своята гледна точка, да замените несъвършена теория с по-съвършена или, да речем, по някакъв начин да обобщите стара теория. Подобно е положението и по отношение на физическите лица. Основателите на религиозните доктрини се считат за непогрешими и, например, сред католиците дори жив човек - „управляващият“ папа - е обявен за непогрешим. Науката не познава непогрешими хора. Голямото, понякога дори изключително уважение, което физиците (ще говоря за физици за по-голяма яснота) изпитват към великите представители на своята професия, особено към такива титани като Исак Нютон и Алберт Айнщайн, няма нищо общо с канонизирането на светци, с обожествяване. И великите физици са хора и всички хора имат своите слабости. Ако говорим за наука, която тук само ни интересува, тогава най-великите физици не винаги са били прави във всичко; уважението към тях и признаването на техните заслуги се основава не на непогрешимост, а на факта, че са успели да обогатят науката със забележителни постижения , да виждат по-далече и по-дълбоко от своите съвременници.

2. Сега е необходимо да се спрем на изискванията към фундаменталните физични теории. Първо, такава теория трябва да бъде пълна в областта на своята приложимост или, както ще кажа за краткост, тя трябва да бъде последователна. Второ, физическата теория трябва да бъде адекватна на физическата реалност, или по-просто казано, в съответствие с експерименти и наблюдения. Могат да се споменат и други изисквания, преди всичко спазването на законите и правилата на математиката, но всичко това се подразбира.

Нека обясним казаното на примера на класическата, нерелативистка механика - механиката на Нютон, приложена към най-простия по принцип проблем за движението на някаква "точкова" частица. Както е известно, ролята на такава частица в проблемите на небесната механика може да играе цяла планета или неин спътник. Нека в момента t 0частицата е в точка Ас координати xiA(t 0) и има скорост v iA(t 0) (Тук аз= l, 2, 3, тъй като позицията на точка в пространството се характеризира с три координати, а скоростта е вектор). Тогава, ако са известни всички сили, действащи върху частицата, законите на механиката ни позволяват да определим позицията би скорост на частиците v азвъв всеки следващ момент T, тоест намиране на добре дефинирани стойности xiB(T) и v iB(T). Какво би станало, ако използваните закони на механиката не дават недвусмислен отговор и, да речем, в нашия пример прогнозират, че частицата в момента Tможе да се намира или в точката б, или в съвсем друга точка ° С? Ясно е, че такава класическа (неквантова) теория би била непълна или, според споменатата терминология, непоследователна. Ще трябва или да се допълни, за да стане недвусмислен, или да се отхвърли напълно. Механиката на Нютон, както беше посочено, е последователна – тя дава недвусмислени и добре дефинирани отговори на въпроси от своята област на компетентност и приложимост. Нютоновата механика отговаря и на второто споменато изискване - резултатите, получени на нейната основа (и по-специално стойностите на координатите x i(T) и скорост v аз (T)) са в съответствие с наблюдения и експерименти. Ето защо цялата небесна механика - описанието на движението на планетите и техните спътници - засега се основаваше изцяло и с пълен успех на Нютоновата механика.

3. Но през 1859 г. Льо Верие открива, че движението на най-близката до Слънцето планета, Меркурий, е малко по-различно от това, предсказано от Нютоновата механика. По-конкретно, оказа се, че перихелият - точката на елиптичната орбита на планетата, която е най-близо до Слънцето - се върти с ъглова скорост от 43 дъгови секунди на век, различна от това, което би се очаквало, като се вземат предвид всички известни смущения от други планети и техните сателити. Дори по-рано Льо Верие и Адамс се натъкнаха на по същество подобна ситуация, когато анализираха движението на Уран, най-отдалечената планета от Слънцето, известна по това време. И те намериха обяснение за несъответствието между изчисленията и наблюденията, което предполага, че движението на Уран се влияе от още по-далечна планета, наречена Нептун. През 1846 г. Нептун всъщност е открит на предвиденото си място и това събитие с право се смята за триумф на Нютоновата механика. Съвсем естествено Льо Верие се опитва да обясни споменатата аномалия в движението на Меркурий със съществуването на все още неизвестна планета - в случая определена планета Вулкан, която се приближава още повече до Слънцето. Но вторият път „трикът се провали“ - Вулкан не съществува. Тогава те започнаха да се опитват да променят закона на Нютон за всеобщото привличане, според който гравитационната сила, когато се прилага към системата Слънце-планета, се променя според закона

където ε е някаква малка стойност. Между другото, подобна техника се използва (макар и безуспешно) в наши дни, за да се обяснят някои неясни въпроси на астрономията (говорим за проблема със скритата маса; вижте например цитираната книга на автора „За физиката и астрофизиката“ по-долу, стр. 148). Но за да се развие една хипотеза в теория, е необходимо да се изхожда от някои принципи, да се посочи стойността на параметъра ε и да се изгради последователна теоретична схема. Никой не успя и въпросът за въртенето на перихелия на Меркурий остава отворен до 1915 г. Именно тогава, в разгара на Първата световна война, когато толкова малко хора се интересуват от абстрактните проблеми на физиката и астрономията, Айнщайн завършва (след около 8 години интензивни усилия) създаването на общата теория на относителността. Този последен етап в изграждането на основата на GTR беше обхванат в три кратки статии, докладвани и написани през ноември 1915 г. Във втория от тях, съобщен на 11 ноември, Айнщайн на базата на общата теория на относителността изчислява допълнителното въртене на перихелия на Меркурий спрямо нютоновия, което се оказва равно (в радиани за оборот на планетата около слънцето)

И ° С= 3·10 10 cm s –1 – скорост на светлината. При преминаване към последния израз (1) е използван третият закон на Кеплер

Където T– период на революция на планетата. Ако заместим най-добрите известни в момента стойности на всички количества във формула (1) и също така направим елементарно преобразуване от радиани на оборот към въртене в дъгови секунди (знак ″) на век, тогава достигаме до стойността Ψ = 42 ″.98 / век. Наблюденията са съгласни с този резултат с понастоящем постигнатата точност от около ± 0″.1 / век (Айнщайн в първата си работа е използвал по-малко точни данни, но в границите на грешката той е получил пълно съответствие между теорията и наблюденията). Формула (1) е дадена по-горе, първо, за да изясни нейната простота, която толкова често отсъства в математически сложните физически теории, включително в много случаи в общата теория на относителността. Второ, и това е основното, от (1) става ясно, че въртенето на перихелия следва от общата теория на относителността, без да е необходимо да се включват нови неизвестни константи или параметри. Следователно резултатът, получен от Айнщайн, се превърна в истински триумф на общата теория на относителността.

В най-добрата биография на Айнщайн, която познавам, е изразено и обосновано мнението, че обяснението на въртенето на перихелия на Меркурий е „най-мощното емоционално събитие в целия научен живот на Айнщайн, а може би и в целия му живот“. Да, това беше най-добрият час на Айнщайн. Но само за себе си. Поради редица причини (достатъчно е да споменем войната) за самата GR, за да излезе както тази теория, така и нейният създател на световната сцена, „най-добрият час” беше друго събитие, което се случи 4 години по-късно - през 1919 г. Факт е, че че в същата работа, в която е получена формула (1), Айнщайн прави важна прогноза: светлинните лъчи, преминаващи близо до Слънцето, трябва да се огъват и тяхното отклонение трябва да бъде

Където rе най-близкото разстояние между лъча и центъра на Слънцето, и r☼ = 6,96·10 10 cm – радиус на Слънцето (по-точно радиусът на слънчевата фотосфера); следователно максималното отклонение, което може да се наблюдава, е 1,75 дъгови секунди. Колкото и малък да е такъв ъгъл (приблизително под този ъгъл възрастен човек се вижда от разстояние 200 км), той вече можеше да бъде измерен по оптичен метод чрез фотографиране на звезди в небето в близост до Слънцето. Именно тези наблюдения са направени от две английски експедиции по време на пълното слънчево затъмнение на 29 май 1919 г. Ефектът от отклонението на лъчите в полето на Слънцето е установен със сигурност и е в съответствие с формула (2), въпреки че точността на измерванията поради малката стойност на ефекта е ниска. Въпреки това отклонение, наполовина по-голямо от това съгласно (2), т.е. 0″.87, беше изключено. Последното е много важно, тъй като отклонението е 0″.87 (с r = r☼) вече може да се получи от теорията на Нютон (самата възможност за отклонение на светлината в гравитационно поле е отбелязана от Нютон и изразът за ъгъла на отклонение, наполовина по-малък според формула (2), е получен през 1801 г.; друго нещо е че това предсказание е забравено и Айнщайн не е знаел за него). На 6 ноември 1919 г. резултатите от експедициите са докладвани в Лондон на съвместна среща на Кралското общество и Кралското астрономическо дружество. Какво впечатление са направили е ясно от това, което председателят J. J. Thomson каза на тази среща: „Това е най-важният резултат, получен във връзка с теорията на гравитацията след Нютон ... Той представлява едно от най-големите постижения на човешката мисъл .”

Ефектите от общата теория на относителността в Слънчевата система, както видяхме, са много малки. Това се обяснява с факта, че гравитационното поле на Слънцето (да не говорим за планетите) е слабо. Последното означава, че нютоновият гравитационен потенциал на Слънцето

Нека сега си припомним резултата, известен от училищния курс по физика: за кръгови орбити на планетите |φ ☼ | = v 2, където v е скоростта на планетата. Следователно слабостта на гравитационното поле може да се характеризира с по-визуален параметър v 2 / ° С 2, което за Слънчевата система, както видяхме, не надвишава стойността от 2,12·10 – 6. В околоземна орбита v = 3 10 6 cm s – 1 и v 2 / ° С 2 = 10 – 8, за близки спътници на Земята v ~ 8 10 5 cm s – 1 и v 2 / ° С 2 ~ 7 ·10 – 10 . Следователно, тествайки споменатите ефекти на общата теория на относителността дори с постигнатата в момента точност от 0,1%, тоест с грешка, която не надвишава 10 – 3 от измерената стойност (да речем отклонението на светлинните лъчи в полето на Слънцето), все още не ни позволява да тестваме изчерпателно общата теория на относителността с точност на условията на реда

Можем само да мечтаем да измерим, да речем, отклонението на лъчите в Слънчевата система с необходимата точност. Но вече се обсъждат проекти за съответни експерименти. Във връзка с горното физиците казват, че общата теория на относителността е тествана главно само за слабо гравитационно поле. Но ние (аз във всеки случай) някак си дори не забелязахме едно важно обстоятелство доста дълго време. Именно след изстрелването на първия спътник на Земята на 4 октомври 1957 г. космическата навигация започва да се развива бързо. За апарати за кацане на Марс и Венера, при полет близо до Фобос и др. са необходими изчисления с точност до метри (на разстояния от Земята от порядъка на сто милиарда метра), когато ефектите от общата теория на относителността са доста значителни. Следователно изчисленията сега се извършват въз основа на изчислителни схеми, които органично отчитат общата теория на относителността. Спомням си как преди няколко години един говорител - специалист по космическа навигация - дори не разбра въпросите ми за точността на теста на общата теория на относителността. Той отговори: ние вземаме предвид общата теория на относителността в нашите инженерни изчисления, не можем да работим по друг начин, всичко се оказва правилно, какво повече можете да искате? Разбира се, можете да желаете много, но не трябва да забравяте, че GTR вече не е абстрактна теория, а се използва в "инженерни изчисления".

4. В светлината на всичко казано по-горе, критиката на А. А. Логунов към GTR изглежда особено изненадваща. Но в съответствие с това, което беше казано в началото на тази статия, е невъзможно да се отхвърли тази критика без анализ. В още по-голяма степен е невъзможно без подробен анализ да се направи преценка за RTG, предложен от А. А. Логунов - релативистката теория на гравитацията.

За съжаление е напълно невъзможно да се извърши подобен анализ на страниците на научнопопулярните издания. В статията си А. А. Логунов всъщност само декларира и коментира своята позиция. Тук също не мога да направя нищо друго.

И така, ние вярваме, че GTR е последователна физическа теория - на всички правилно и ясно поставени въпроси, които са допустими в областта на неговата приложимост, GTR дава недвусмислен отговор (последното се отнася по-специално за времето на забавяне на сигналите при локализиране на планети). Той не страда от обща теория на относителността или каквито и да било дефекти от математическо или логическо естество. Необходимо е обаче да се изясни какво се има предвид по-горе, когато се използва местоимението „ние“. „Ние“, разбира се, съм аз, но и всички съветски и чуждестранни физици, с които трябваше да обсъждам общата теория на относителността, а в някои случаи и нейната критика от А. А. Логунов. Великият Галилей е казал преди четири века: по въпросите на науката мнението на един е по-ценно от мнението на хиляда. С други думи, научните спорове не се решават с мнозинство. Но, от друга страна, съвсем очевидно е, че мнението на много физици, най-общо казано, е много по-убедително, или по-добре казано, по-надеждно и значимо, отколкото мнението на един физик. Следователно преходът от „аз“ към „ние“ е важен тук.

Ще бъде полезно и уместно, надявам се, да направя още няколко коментара.

Защо А. А. Логунов не харесва GTR толкова много? Основната причина е, че в общата теория на относителността няма концепция за енергия и импулс във формата, позната ни от електродинамиката и, по думите му, има отказ „да се представи гравитационното поле като класическо поле от типа на Фарадей-Максуел , който има добре дефинирана плътност на енергията и импулса". Да, последното е вярно в известен смисъл, но се обяснява с факта, че „в риманова геометрия в общия случай няма необходима симетрия по отношение на отместванията и ротациите, тоест няма... група на движението на пространство-времето.” Геометрията на пространство-времето според общата теория на относителността е риманова геометрия. Ето защо по-специално светлинните лъчи се отклоняват от права линия, когато преминават близо до Слънцето.

Едно от най-големите постижения на математиката на миналия век е създаването и развитието на неевклидовата геометрия от Лобачевски, Болай, Гаус, Риман и техните последователи. Тогава възникна въпросът: каква всъщност е геометрията на физическото пространство-време, в което живеем? Както беше посочено, според GTR тази геометрия е неевклидова, риманова, а не псевдоевклидова геометрия на Минковски (тази геометрия е описана по-подробно в статията на А. А. Логунов). Може да се каже, че тази геометрия на Минковски е продукт на специалната теория на относителността (STR) и заменя абсолютното време и абсолютното пространство на Нютон. Непосредствено преди създаването на SRT през 1905 г. те се опитаха да идентифицират последния с неподвижния етер на Лоренц. Но лоренцовият етер, като абсолютно неподвижна механична среда, беше изоставен, тъй като всички опити да се забележи наличието на тази среда бяха неуспешни (имам предвид експеримента на Майкелсън и някои други експерименти). Хипотезата, че физическото пространство-време непременно е точно пространството на Минковски, което А. А. Логунов приема за фундаментално, е много широкообхватно. Тя е в известен смисъл подобна на хипотезите за абсолютното пространство и механичния етер и, както ни се струва, остава и ще остане напълно необоснована, докато не се посочат аргументи, основани на наблюдения и експерименти, в нейна полза. А такива аргументи, поне в момента, напълно липсват. Препратките към аналогията с електродинамиката и идеалите на забележителните физици от миналия век Фарадей и Максуел не са убедителни в това отношение.

5. Ако говорим за разликата между електромагнитното поле и следователно електродинамиката и гравитационното поле (GR е точно теорията на такова поле), тогава трябва да се отбележи следното. Чрез избора на референтна система е невъзможно да се унищожи (сведе до нула) дори локално (на малка площ) цялото електромагнитно поле. Следователно, ако енергийната плътност на електромагнитното поле

(дИ з– силата съответно на електрическото и магнитното поле) е различна от нула в дадена отправна система, тогава тя ще бъде различна от нула във всяка друга отправна система. Гравитационното поле, грубо казано, зависи много по-силно от избора на референтна система. По този начин еднородно и постоянно гравитационно поле (т.е. гравитационно поле, причиняващо ускорение жчастици, поставени в него, независимо от координати и време), могат да бъдат напълно „унищожени“ (намалени до нула) чрез преход към равномерно ускорена отправна система. Това обстоятелство, което съставлява основното физическо съдържание на „принципа на еквивалентността“, е отбелязано за първи път от Айнщайн в статия, публикувана през 1907 г., и е първата по пътя към създаването на Общата теория на относителността.

Ако няма гравитационно поле (по-специално ускорението, което причинява же равна на нула), тогава плътността на енергията, съответстваща на нея, също е равна на нула. Оттук става ясно, че по въпроса за плътността на енергията (и импулса) теорията на гравитационното поле трябва да се различава коренно от теорията на електромагнитното поле. Това твърдение не се променя поради факта, че в общия случай гравитационното поле не може да бъде „унищожено“ чрез избора на отправна система.

Айнщайн разбира това още преди 1915 г., когато завършва създаването на Общата теория на относителността. Така през 1911 г. той пише: „Разбира се, невъзможно е да се замени всяко гравитационно поле със състоянието на движение на система без гравитационно поле, точно както е невъзможно да се трансформират всички точки на произволно движеща се среда в покой през релативистична трансформация.” А ето и откъс от статия от 1914 г.: „Първо, нека направим още една забележка, за да премахнем възникващото недоразумение. Привърженик на обикновената съвременна теория на относителността (става дума за SRT - V.L.G.) с известно право нарича скоростта на материалната точка "видима". А именно, той може да избере отправна система, така че материалната точка в момента да има скорост, равна на нула. Ако има система от материални точки, които имат различни скорости, тогава той вече не може да въведе такава референтна система, така че скоростите на всички материални точки спрямо тази система да станат нула. По подобен начин физик, който приема нашата гледна точка, може да нарече гравитационното поле „привидно“, тъй като чрез подходящ избор на ускорение на отправната система той може да постигне, че в определен момент от пространство-времето гравитационното поле стане нула. Заслужава обаче да се отбележи, че изчезването на гравитационното поле чрез трансформация в общия случай не може да бъде постигнато за разширени гравитационни полета. Например, гравитационното поле на Земята не може да се направи равно на нула чрез избор на подходяща отправна система." И накрая, още през 1916 г., в отговор на критиките на общата теория на относителността, Айнщайн отново подчертава същото: „По никакъв начин не е възможно да се твърди, че гравитационното поле е обяснено до някаква степен чисто кинематично: „кинематично, нединамично разбиране на гравитацията” е невъзможно. Не можем да получим никакво гравитационно поле чрез просто ускоряване на една Галилеева координатна система спрямо друга, тъй като по този начин е възможно да се получат полета само с определена структура, която обаче трябва да се подчинява на същите закони като всички други гравитационни полета. Това е друга формулировка на принципа на еквивалентността (специално за прилагането на този принцип към гравитацията)."

Невъзможността за „кинематично разбиране“ на гравитацията, съчетана с принципа на еквивалентността, определя прехода в общата теория на относителността от псевдоевклидовата геометрия на Минковски към риманова геометрия (в тази геометрия пространство-времето има, най-общо казано, ненулево кривина; наличието на такава кривина е това, което отличава „истинското“ гравитационно поле от „кинематичното“). Физическите характеристики на гравитационното поле определят, нека повторим това, радикална промяна в ролята на енергията и импулса в общата теория на относителността в сравнение с електродинамиката. В същото време както използването на риманова геометрия, така и невъзможността да се прилагат енергийни концепции, познати от електродинамиката, не пречат, както вече беше подчертано по-горе, факта, че от GTR следва и може да се изчисли доста недвусмислени стойности за всички наблюдаеми величини (ъгълът на отклонение на светлинните лъчи, промените в орбиталните елементи на планетите и двойните пулсари и т.н. и т.н.).

Вероятно би било полезно да се отбележи фактът, че общата теория на относителността може да бъде формулирана и във формата, позната от електродинамиката, използвайки концепцията за плътност на енергията-импулс (за това вижте цитираната статия на Я. Б. Зелдович и Л. П. Гришчук. Въпреки това, какво се въвежда в В този случай пространството на Минковски е чисто фиктивно (ненаблюдаемо) и говорим само за същата обща теория на относителността, написана в нестандартна форма , Междувременно, нека повторим това, А. А. Логунов счита използваното пространство на Минковски от него в релативистката теория на гравитацията (RTG) да бъде реално физическо и следователно наблюдаемо пространство.

6. В тази връзка особено важен е вторият от въпросите, фигуриращи в заглавието на тази статия: отговаря ли ОТО на физическата реалност? С други думи, какво казва опитът – върховният съдник при решаването на съдбата на всяка физическа теория? Многобройни статии и книги са посветени на този проблем - експерименталната проверка на общата теория на относителността. Изводът е съвсем категоричен - всички налични експериментални или наблюдателни данни или потвърждават общата теория на относителността, или не й противоречат. Въпреки това, както вече посочихме, проверката на общата теория на относителността е извършена и се случва главно само в слабо гравитационно поле. Освен това всеки експеримент има ограничена точност. В силни гравитационни полета (грубо казано, в случая, когато съотношението |φ| / ° С 2 не е достатъчно; виж по-горе) Общата теория на относителността все още не е достатъчно потвърдена. За тази цел вече е възможно практически да се използват само астрономически методи, свързани с много далечния космос: изследването на неутронни звезди, двойни пулсари, „черни дупки“, разширяването и структурата на Вселената, както се казва, „в големия ” - в огромни пространства, измерени в милиони и милиарди светлинни години години. Много вече е направено и се прави в тази посока. Достатъчно е да споменем изследванията на двойния пулсар PSR 1913+16, за който (както по принцип за неутронните звезди) параметърът |φ| / ° С 2 вече е около 0,1. В допълнение, в този случай беше възможно да се идентифицира ефектът на поръчката (v / ° С) 5, свързани с излъчването на гравитационни вълни. През следващите десетилетия ще се отворят още повече възможности за изучаване на процесите в силни гравитационни полета.

Пътеводната звезда в това спиращо дъха изследване е преди всичко общата теория на относителността. В същото време, естествено, се обсъждат и някои други възможности - други, както понякога се казва, алтернативни теории за гравитацията. Например в общата теория на относителността, както в теорията на Нютон за универсалната гравитация, гравитационната константа Жнаистина се счита за постоянна стойност. Една от най-известните теории за гравитацията, обобщаваща (или по-точно разширяваща) общата теория на относителността, е теория, в която гравитационната „константа“ се счита за нова скаларна функция - величина, зависеща от координати и време. Наблюденията и измерванията обаче показват, че са възможни относителни промени Жс течение на времето, много малки - очевидно възлизащи на не повече от сто милиарда годишно, т.е. | dG / дт| / Ж < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения Жможе да играе роля. Имайте предвид, че дори независимо от въпроса за непостоянството Жпредположение за съществуване в реално пространство-време, в допълнение към гравитационното поле g ik, също и някакво скаларно поле ψ е основното направление в съвременната физика и космология. В други алтернативни теории за гравитацията (за тях вижте книгата на К. Уил, спомената по-горе в бележка 8), GTR се променя или обобщава по различен начин. Разбира се, не може да се възрази срещу съответния анализ, тъй като ОТО не е догма, а физическа теория. Освен това знаем, че Общата теория на относителността, която е неквантова теория, очевидно трябва да бъде обобщена за квантовата област, която все още не е достъпна за известните гравитационни експерименти. Естествено, не можете да ни кажете повече за всичко това тук.

7. А. А. Логунов, изхождайки от критиката на ОТО, повече от 10 години изгражда някаква алтернативна теория на гравитацията, различна от ОТО. В същото време много се промени в хода на работата и сега приетата версия на теорията (това е RTG) е представена особено подробно в статия, която заема около 150 страници и съдържа само около 700 номерирани формули. Очевидно подробен анализ на RTG е възможен само на страниците на научни списания. Само след такъв анализ ще може да се каже дали RTG е последователен, дали не съдържа математически противоречия и т.н. Доколкото разбрах, RTG се различава от GTR по избора само на част от решенията на GTR - всички решенията на диференциалните уравнения на RTG отговарят на уравненията на GTR, но както казват авторите на RTG, не е обратното. В същото време се прави изводът, че по отношение на глобалните въпроси (решения за цялото пространство-време или неговите големи региони, топология и др.), разликите между RTG и GTR са, най-общо казано, радикални. Що се отнася до всички експерименти и наблюдения, извършвани в Слънчевата система, доколкото разбирам, RTG не може да противоречи на Общата теория на относителността. Ако това е така, тогава е невъзможно да се предпочете RTG (в сравнение с GTR) на базата на известни експерименти в Слънчевата система. Що се отнася до „черните дупки“ и Вселената, авторите на RTG твърдят, че техните изводи се различават значително от заключенията на Общата теория на относителността, но не сме запознати с конкретни данни от наблюдения, които да свидетелстват в полза на RTG. В такава ситуация RTG от А. А. Логунов (ако RTG наистина се различава от GTR по същество, а не само по начина на представяне и избора на един от възможните класове координатни условия; виж статията на Я. Б. Зелдович и L. P. Grishchuk) може да се разглежда само като една от приемливите по принцип алтернативни теории за гравитацията.

Някои читатели може да се притесняват от клаузи като: „ако това е така“, „ако RTG наистина се различава от GTR“. Опитвам ли се да се предпазя от грешки по този начин? Не, не се страхувам да не сгреша само поради убеждението, че има само една гаранция за безпогрешност - изобщо да не работиш и в случая да не обсъждаш научни въпроси. Друго нещо е, че уважението към науката, познаването на нейния характер и история насърчават предпазливостта. Категоричните твърдения не винаги показват наличието на истинска яснота и като цяло не допринасят за установяване на истината. RTG на А. А. Логунов в съвременния му вид е формулиран съвсем наскоро и все още не е обсъден подробно в научната литература. Затова, естествено, нямам окончателно мнение по въпроса. Освен това е невъзможно и дори неуместно да се обсъждат редица нововъзникващи проблеми в едно научно-популярно списание. В същото време, разбира се, поради големия интерес на читателите към теорията на гравитацията, отразяването на достъпно ниво на този кръг от въпроси, включително спорни, на страниците на Science and Life изглежда оправдано.

И така, воден от мъдрия „принцип на най-облагодетелстваната нация“, RTG сега трябва да се счита за алтернативна теория за гравитацията, която се нуждае от подходящ анализ и обсъждане. За тези, които харесват тази теория (RTG), които се интересуват от нея, никой не се притеснява (и, разбира се, не трябва да се намесва) да я развива, като предлага възможни начини за експериментална проверка.

В същото време няма причина да се каже, че GTR в момента е разклатен по някакъв начин. Освен това обхватът на приложимост на общата теория на относителността изглежда много широк и нейната точност е много висока. Това според нас е обективна оценка на сегашното състояние на нещата. Ако говорим за вкусове и интуитивни нагласи, а вкусовете и интуицията играят значителна роля в науката, въпреки че не могат да бъдат представени като доказателство, тогава тук ще трябва да преминем от „ние“ към „аз“. И така, колкото повече имах и все още трябва да се занимавам с общата теория на относителността и нейната критика, толкова повече се засилва впечатлението ми за нейната изключителна дълбочина и красота.

Наистина, както е посочено в отпечатъка, тиражът на списание „Наука и живот” № 4, 1987 г. е 3 милиона 475 хиляди екземпляра. През последните години тиражът беше само няколко десетки хиляди копия, като само през 2002 г. надхвърли 40 хиляди. (бел. – А. М. Крайнев).

Между другото, през 1987 г. се навършват 300 години от първото публикуване на великата книга на Нютон „Математическите принципи на естествената философия“. Запознаването с историята на създаването на това произведение, да не говорим за самото произведение, е много поучително. Но същото важи и за всички дейности на Нютон, с които не е толкова лесно да се запознаят неспециалисти. Мога да препоръчам за тази цел много добрата книга на С. И. Вавилов „Исак Нютон“, трябва да бъде преиздадена. Позволете ми да спомена и моята статия, написана по случай юбилея на Нютон, публикувана в сп. „Успехи физических наук”, т. 151, № 1, 1987 г., с. 119.

Големината на завоя е дадена според съвременните измервания (Le Verrier имаше завой от 38 секунди). Нека припомним за яснота, че Слънцето и Луната се виждат от Земята под ъгъл от около 0,5 дъгови градуса - 1800 дъгови секунди.

А. Палс „Изтънчен е Господ...” Науката и животът на Алберт Айнщайн. Оксфордски университет Press, 1982. Би било препоръчително да се публикува руски превод на тази книга.

Последното е възможно по време на пълно слънчево затъмнение; Като снимаме същата част от небето, да речем, шест месеца по-късно, когато Слънцето се движи по небесната сфера, получаваме за сравнение картина, която не е изкривена в резултат на отклонението на лъчите под въздействието на гравитационното поле. на Слънцето.

За подробности трябва да се позова на статията на Я. Б. Зелдович и Л. П. Гришчук, наскоро публикувана в Успехи физических наук (том 149, стр. 695, 1986), както и на цитираната там литература, по-специално на статия на Л. Д. Фаддеев (“Напредък във физическите науки”, том 136, стр. 435, 1982).

Вижте бележка под линия 5.

Вижте К. Уил. "Теория и експеримент в гравитационната физика." М., Енергоедат, 1985; виж също V.L. Ginzburg. За физиката и астрофизиката. М., Наука, 1985 г. и посочената там литература.

А. А. Логунов и М. А. Мествиришвили. "Основи на релативистката теория на гравитацията." сп. "Физика на елементарните частици и атомното ядро", том 17, брой 1, 1986 г.

В трудовете на А. А. Логунов има и други твърдения и по-специално се смята, че за времето на забавяне на сигнала при локализиране, да речем, на Меркурий от Земята, стойността, получена от RTG, е различна от следната от GTR. По-точно, твърди се, че общата теория на относителността изобщо не дава недвусмислена прогноза за времената на забавяне на сигнала, т.е. общата теория на относителността е непоследователна (виж по-горе). Но подобно заключение, както ни се струва, е плод на недоразумение (това е посочено например в цитираната статия на Я. Б. Зелдович и Л. П. Гришчук, виж бележка под линия 5): различни резултати в общата теория на относителността при използване на различни координатни системи се получават само защото , което сравнява разположените планети, разположени на различни орбити и следователно с различни периоди на революция около Слънцето. Времената на забавяне на сигналите, наблюдавани от Земята при локализиране на определена планета, според общата теория на относителността и RTG съвпадат.

Вижте бележка под линия 5.

Подробности за любопитните

Отклонение на светлината и радиовълните в гравитационното поле на Слънцето. Обикновено статична сферично симетрична топка с радиус се приема като идеализиран модел на Слънцето Р☼ ~ 6,96·10 10 cm, слънчева маса М☼ ~ 1,99·10 30 kg (332958 пъти масата на Земята). Отклонението на светлината е максимално за лъчи, които едва докосват Слънцето, т.е Р ~ Р☼ и равно на: φ ≈ 1″.75 (ъгови секунди). Този ъгъл е много малък - приблизително под този ъгъл възрастен човек се вижда от разстояние 200 км и следователно точността на измерване на гравитационната кривина на лъчите доскоро беше ниска. Последните оптични измервания, направени по време на слънчевото затъмнение на 30 юни 1973 г., имат грешка от приблизително 10%. Днес, благодарение на появата на радиоинтерферометри „с ултра-дълга база“ (повече от 1000 km), точността на измерване на ъгли се е увеличила рязко. Радиоинтерферометрите позволяват надеждно измерване на ъглови разстояния и промени в ъглите от порядъка на 10 – 4 дъгови секунди (~ 1 нанорадиан).

Фигурата показва отклонението само на един от лъчите, идващи от далечен източник. В действителност и двата лъча са огънати.

ГРАВИТАЦИОНЕН ПОТЕНЦИАЛ

През 1687 г. се появява фундаменталната работа на Нютон „Математически принципи на естествената философия“ (виж „Наука и живот“ № 1, 1987 г.), в която е формулиран законът за всемирното привличане. Този закон гласи, че силата на привличане между всеки две материални частици е право пропорционална на техните маси МИ ми обратно пропорционална на квадрата на разстоянието rмежду тях:

Фактор на пропорционалност Жзапочва да се нарича гравитационна константа, е необходимо да се съгласуват размерите от дясната и лявата страна на Нютоновата формула. Самият Нютон показва с много висока за времето си точност, че Ж– количеството е постоянно и следователно откритият от него закон за гравитацията е универсален.

Две привличащи се точкови маси МИ мсе появяват еднакво във формулата на Нютон. С други думи, можем да считаме, че и двете служат като източници на гравитационното поле. Въпреки това, при специфични проблеми, по-специално в небесната механика, едната от двете маси често е много малка в сравнение с другата. Например масата на Земята М 3 ≈ 6 · 10 24 kg е много по-малко от масата на Слънцето М☼ ≈ 2 · 10 30 kg или, да речем, масата на спътника м≈ 10 3 kg не може да се сравни с масата на Земята и следователно няма практически никакъв ефект върху движението на Земята. Такава маса, която сама по себе си не нарушава гравитационното поле, а служи като сонда, върху която това поле действа, се нарича тестова маса. (По същия начин в електродинамиката съществува понятието „пробен заряд“, т.е. такъв, който помага за откриване на електромагнитно поле.) Тъй като тестовата маса (или тестовият заряд) има пренебрежимо малък принос към полето, за такава маса полето става „външно“ и може да се характеризира с количество, наречено напрежение. По същество ускорението поради гравитацията же интензитетът на земното гравитационно поле. След това вторият закон на Нютоновата механика дава уравненията на движението на точкова тестова маса м. Например, така се решават задачи по балистика и небесна механика. Имайте предвид, че за повечето от тези проблеми теорията на гравитацията на Нютон дори и днес има достатъчна точност.

Напрежението, подобно на силата, е векторно количество, тоест в триизмерното пространство се определя от три числа - компоненти по взаимно перпендикулярни декартови оси х, при, z. При промяна на координатната система - а такива операции не са необичайни във физически и астрономически задачи - декартовите координати на вектора се трансформират по някакъв, макар и не сложен, но често тромав начин. Следователно вместо векторната напрегнатост на полето би било удобно да се използва съответната скаларна величина, от която да се получи силовата характеристика на полето - силата - по някаква проста рецепта. И такава скаларна величина съществува - нарича се потенциал, а преходът към напрежение се осъществява чрез просто диференциране. От това следва, че Нютоновият гравитационен потенциал, създаден от масата М, е равно

следователно равенството |φ| = v 2 .

В математиката теорията на Нютон за гравитацията понякога се нарича "потенциална теория". Някога теорията на Нютоновия потенциал служи като модел за теорията на електричеството, а след това идеите за физическото поле, формирани в електродинамиката на Максуел, на свой ред стимулират появата на общата теория на относителността на Айнщайн. Преходът от релативистката теория на гравитацията на Айнщайн към частния случай на теорията на гравитацията на Нютон точно съответства на областта на малки стойности на безразмерния параметър |φ| / ° С 2 .