Материал: Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Рассмотренные три мысленных эксперимент показывают, что при учете силы тяжести трудно различить инерциальную и неинерциальную системы отсчета, а запертый в ящике наблюдатель не в состоянии отличить влияние ускоренного движения ящика от действия на ящик внешнего гравитационного поля. Следовательно, в рамках СТО физика явлений в поле тяжести, действующем в инерциальной системе тождественна физике явлений в неинерциальной системе отсчет, в которой отсутствует поле тяжести. Это значит, при учете силы тяжести надо обязательно ввести в рассмотрение неинерциальные системы отсчета, то есть выйти за пределы СТО. Таким образом, неудивительно, что с нею никак не удавалось согласовать закон всемирного тяготения.

Результаты этих трех мысленных экспериментов Эйнштейн подытожил в виде двух утверждений, принятых им в качестве принципов. Первый из них гласит: В любой системе отсчета, независимо от того, является она инерциальной или неинерциальной, все звоны природы имеют одинаковый вид. Это утверждение называют общим принципом относительности. Второй принцип: Силу тяжести можно создать или уничтожить переходом в систему отсчета, движущуюся с ускорением.

Важно подчеркнуть, что сила инерции, которая в ньютоновой механике считалась ненастоящей, кажущейся силой, эйнштейновским принципом повышена в ранге до настоящей природной физической силы. Более того, она рассматривается как настоящая сила не только для механических, но и вообще для всех физических явлений. Это - крайне важная интерпретация, которой не было в ньютоновой механике. Поэтому второй свой принцип Эйнштейн назвал принципом эквивалентности. В отсутствие же силы тяжести верна СТО.

Общую теорию относительности иногда понимают как простое обобщение специальной или частной. Но с самых первых шагов эта теория имела связь с проблемой тяготения. Она, можно сказать, и задумана была для прямого рассмотрения гравитации, которую не удавалось описать в рамках частной теории, то есть, мыслилась Эйнштейном как релятивистская теория гравитации, призванная заменить ньютоновскую теорию всемирного тяготения. Иначе говоря, общую теорию относительности можно трактовать как грандиозную эпопею о совершенно новых идеях по поводу природы тяготения. Эйнштейн пришел к этим идеям, рассматривая ставший знаменитым мысленный эксперимент с лифтом.

Обсудим вопрос о том, искривляет ли свой путь свет под действием силы тяжести. Свет - это разновидность электромагнитных волн, иначе говоря, распространение переменной напряженности электрического и магнитного полей. Свет - это не тяжелое вещество. А по закону всемирного тяготения источниками силы тяжести являются только физические тела, и сама сила тяжести действует только лишь на тяжелые тела. Поэтому можно подумать, что сила тяжести не влияет на электромагнитные волны. Но последние несут энергию, а по частной теории относительности энергия пропорциональна инертной массе, которая, в свою очередь, пропорциональна тяжести. Таким образом, вроде бы оказывается, что свет также имеет тяжесть. Но тогда распространяющийся в пространстве свет должен искривлять свой путь под действием притяжения Земли. Вспомним, что в свое время имела распространение корпускулярная теория света. Поскольку сообщаемое силой тяжести ускорение не зависит от массы тела, то как бы ни были легки образующие свет корпускулы, они должны, подобно камням, описывать в поле земного тяготения параболы. Наконец, обсудим вопрос с позиций эфирной теории. Сила тяжести, действуя на вещество эфира, создает в нем неоднородное распределение плотности. Мы знаем, что неоднородность плотности воздуха вблизи Земли приводит к неоднородности показателя преломления и как следствие - к искривлению пути светового луча. К аналогичному искривлению привела бы неоднородность плотности вещества эфира, возникающая в поле тяжести. Но поскольку эфир, как вещество, в действительности не существует, такое искривление лучей, по-видимому, не должно возникать. Таким образом, разные подходы к проблеме не дают определенного ответа и остается неясным, влияет ли сила тяжести на движение свет.

Для решения рассматриваемого вопроса Эйнштейн предлагает рассмотреть мысленный эксперимент с лифтом.

В левой стенке лифта (см. рис.) на расстоянии  от пола проделано отверстие . Сначала лифт подвешен на веревке и покоится в положении . Точно напротив отверстия расположен погашенный фонарь.

В некоторый момент времени фонарь вспыхивает и снова гаснет. В этот же самый момент перерезается веревка. И лифт начинает свободно падать в поле тяжести Земли. Прошедший в отверстие  свет в первый момент движется горизонтально в направлении противоположной стены . Как поведет себя этот луч света в дальнейшем? Ответ зависит от того, движется наблюдатель, или нет.

Для наблюдателя , находящегося в лифте, полностью исчезает гравитационное поле во время свободного падения лифта. Особенно важно подчеркнуть, что исчезновение тяжести не просто формально-механическое преобразование, а физический факт: поле тяжести исчезает также и для света. Следовательно, наблюдатель  не может сомневаться в справедливости частной теории относительности. Проникший в отверстие  горизонтальный луч света будет, не меняя направления, распространяться со скоростью  к противоположной стене. Обозначая через  ширину лифта, получим, что через  секунд после вспышки луч света достигнет точки , находящейся как раз напротив точки .

Теперь послушаем наблюдателя . По его мнению, всюду - внутри и вне лифта - действует притяжение Земли. В момент вспышки света лифт имел нулевую начальную скорость, а в течение всего времени распространения света от точки  до точки  лифт свободно падал в земном поле тяжести со все возрастающей скоростью. Положение лифта в момент, когда свет достиг противоположной стенки - . Точка, освещенная на противоположной стене лифта, занимает положение . Следовательно, свет на пути от  до  описал параболу. Итак, в земном поле тяжести свет движется подобно камню: его лучи искривляются по параболе. Тем самым мы ответили на поставленный вопрос. На первый взгляд ответ очень прост, но в действительности он поразителен и дает информацию для глубоких размышлений.

Рассмотрим увеличенное изображение луча света в лифте (трубка  на рис. ). Сечение трубки  дает положение конца светового луча в некоторый промежуточный момент времени, а сечение  - положение конца светового луча в некоторый последующий момент времени. За разделяющий эти сечения незначительный промежуток времени свет проходит от точки  к  и от  к . Для нашего рассуждения важно заметить, что луч света в целом изогнут в виде дуги. Значит, расстояние  меньше . Иначе говоря, лучи , идущие по нижней стороне световой трубки распространяются медленнее лучей, идущих по ее верхней стороне. Это сам по себе удивительный вывод.

Скорость света в областях, близких к источнику гравитационного поля (в нашем случае Земля), меньше скорости света в областях, удаленных от источника поля тяжести. Или, иначе, чем сильнее гравитационное поле на пути света, тем медленнее свет распространяется.

Этот вывод первоначально получен в общей теории относительности чисто теоретическим путем. Согласно ему скорость свет максимальна в отсутствие гравитационного поля, когда по частной теории относительности она равна . Экспериментальная проверка предсказаний Эйнштейна впервые была произведена во время солнечного затмения в 1919 году группой английских исследователей, которые полностью подтвердили выводы общей теории относительности. В опыте во время солнечного затмения измерялось, насколько отклонится световой луч удаленной звезды, проходящий точно по краю солнечного диска. Притяжение на краю солнечного диска примерно в 30 раз больше притяжения на поверхности Земли. И столь огромная сила тяжести отклонила световой луч всего на 1,75 угловой секунды. Поэтому в нашем повседневном опыте можно смело считать, что свет распространяется прямолинейно.

Вернемся еще раз к мысленному эксперименту с лифтом. Поскольку для находящегося в лифте наблюдателя  верна частная теория относительности, он видит, что в соответствии с законами оптики свет распространяется по кратчайшему пути, связывающему точки  и  ( в данном случае по прямой ). Но из общего принципа относительности мы знаем, что физические законы одинаковы для любого наблюдателя. Значит, законы, верные для наблюдателя , должны быть верны и для наблюдателя . Иначе говоря, видимый наблюдателем  путь луча света тоже проходит вдоль кратчайшей линии, связывающей точки  и . В евклидовой геометрии кратчайший путь между двумя точками - прямая линия. Поэтому, искривленность кратчайшего пути означает, что для наблюдателя  пространство вблизи земной поверхности не описывается евклидовой геометрией. Иначе говоря, пространство вблизи Земли не является евклидовым пространством. Но наблюдатель  видит, что луч света между точками  и  идет по прямой линии, значит, для наблюдателя  пространство, по крайней мере, внутри лифта, евклидово. С утверждением, что природа пространства (факт его евклидовости или неевклидовости) зависит от состояния движения наблюдателя, очень трудно было согласиться.

Для завершения исследования этой проблемы Эйнштейн предлагает еще один мысленный эксперимент. Пусть наблюдатель  находится в очень широком свободно падающем лифте. Земля со все возрастающей скоростью приближается к днищу лифта. Маленькие черные кружки на рисунке - пробные тела. Сила земного притяжения, действующая на эти тела, изображена сплошными стрелками, направленными к центру Земли: направления этих стрелок для разных тел, естественно, разные. Пунктирными стрелками показана действующая на тела сила тяжести «нового типа», введенная Эйнштейном. Это сила, возникающая при свободном падении лифта и направленная против направления свободного падения. Сила тяжести отсутствует для тела А: действующие на него вверх и вниз силы взаимно компенсируются, и тяжесть исчезает. Но для других тел такой компенсации не происходит, особенно хорошо это видно на примере тел  и Е. Относительно тела  о компенсации и говорить нечего, наоборот, обе силы, действующие на , направлены в одну сторону, и эффективная тяжесть тела  удваивается.

Ранее мы утверждали, что в свободно падающем лифте сила тяжести равна нулю. Но из рисунка ясно видно, что такое утверждение верно лишь для точек, находящихся вблизи тела А. Чем дальше от А, тем сильнее сказывается нескомпенсированность притяжения Земли. Причина этого - в неоднородности земного поля тяжести. Сплошные стрелки на рисунке показывают, что в разных точках сила тяжести имеет разное направление, кроме того, она быстро ослабевает при увеличении расстояния от центра Земли. Таким образом, наблюдатель  обнаруживает, что евклидова геометрия, справедливая при нулевой силе тяжести, верна только вблизи точки А. Это напоминает ситуацию с кривыми линиями: очень малый участок кривой линии легко спутать с отрезком прямой. Теперь ясно, что если в очень широком свободно падающем лифте пустить свет слева направо, то, поскольку вблизи боковых стенок лифта сила тяжести остается нескомпенсированной, наблюдатель  тоже заметит, что луч света искривился. Таким образом, окружающее Землю пространство не является евклидовым. Иначе говоря, сила тяжести эквивалентна искривлению пространства, то есть область, в которой с физической точки зрения присутствует гравитационное поле, с геометрической точки зрения является областью искривленного неевклидова пространства.

Гравитационное поле оказывает так же влияние и на ход времени. Применение двух принципов Эйнштейна приводит к выводу, что по мере приближения к источнику гравитационного поля ход времени замедляется, или, чем сильнее гравитационное поле, в которое помещены часы, тем медленнее они идут. Влияние гравитационного поля на ход времени и искривление пространства тесно взаимосвязаны. Анализ показывает, что истинная природа гравитационного поля заключается в искривлении четырехмерного пространства-времени.

До появления общей теории относительности природа пространства и времени считалась заданной от бога; она не могла быть предметом человеческой деятельности, а являлась объектом метафизики. Общая теория относительности сделала ее объектом физики, низвела до физического уровня. Это поистине революционное открытие. Для прежней физики вопрос о геометрической природе космоса представлял неразрешимую задачу. По общей теории относительности, с одной стороны, свойства космоса определяют распределение в нем небесных тел, а с другой стороны, распределение небесных тел определяет геометрические свойства космоса. Таким образом, в виде общей теории относительности человечество впервые получило инструмент исследования структуры всего космоса в целом. Именно этим объясняется оживление космологии и космофизики, последовавшее за рождением общей теории относительности.

Литература

1.  Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., Центр, 2007 - 208 с.

2.      Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2007. - 383 с.

.        Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебн. пособие для вузов.-М.:Аспект Пресс, 2007. -256 с.

.        Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие.-М. «Маркетинг», 2007. - 160 с.

.        Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник.-М. Высшая школа. 2007. - 334 с.

.        Конспект лекций по КСЕ. - Сост. Ревская Н.В.- СПб: Альфа. 2008.-160 с.

.        Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н. Лавриненко.: М.ЮНИТИ, 2008.- 303 с.

.        Концепции современного естествознания.: учебник для вузов под ред.С.И. Самыгина.- Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003.-576 с.

.        Липовко П.О. Практикум по естествознанию - Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008.- 320 с.

.        Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. - 192 с.

.        Масленникова И.С., Дыбов А.М., Шапошникова Т.А. Концепции современного естествознания. - СПб, СПбГИЭУ. 2008.-283 с.

.        Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.

.        Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ,2009.-287 с.

.        Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.- 208 с.