Проблемы пространства и времени на различных этапах естествознания (стр. 4 )

Следует подчеркнуть, что геометрические соотношения, с помощью которых Миньковский изложил теорию относительности, подчиняются Евклидовой геометрии. Мы можем получить соотношения теории относительности, предположив, что четырехмерное «расстояние» выражается таким же образом через четыре разности - три разности пространственных координат и время, прошедшее между событиями, - как и трехмерное расстояние выражается в евклидовой геометрии через разности пространственных координат.

Мы можем назвать теорию относительности учением об инвариантах четырехмерной евклидовой геометрии. Поскольку время измеряется особыми единицами, то говорят о псевдоевклидовой четырехмерной геометрии.

2)  Общая теория относительности

Теория тяготения Ньютона предполагает мгновенное распространение тяготения, и уже поэтому не может быть согласована со специальной теорией относительности, утверждающей, что никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Обобщение теории тяготения на основе специальной теории относительности было так же сделано Эйнштейном. Новая теория была названа им общей теорией относительности.

Самой важной особенностью поля тяготения, известной в ньютоновской теории и положенной Эйнштейном в основу общей теории относительности, является то, что тяготение совершенно одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тел. Так, на поверхности Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением - ускорением свободного падения. Этот факт был установлен опытным путем Галилеем. Он может быть сформулирован как факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения).

Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. Трудно наглядно вообразить себе простое пространство-время, а тем более сложно это сделать, когда оно еще и искривленное.

Тот факт, что четырехмерное пространство может быть искривлено, теоретически был открыт в начале прошлого века русским математиком Н. Лобачевским и в то же время венгерским математиком Я. Больяй. В середине прошлого века немецкий геометр Б. Риман стал рассматривать «искривленные» пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.

Итак, согласно основной идее А. Эйнштейна тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время. Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, «указывая» ему, как искривляться.

После создания своей теории Эйнштейн указал на эффект, касающийся времени. Теория Эйнштейна предсказывает: в сильном поле тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на поверхности Земли, ибо тяготение Солнца больше, чем тяготение Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.

В 1968 году американский физик И. Шапиро измерил замедление времени у поверхности Солнца очень оригинальным методом. Он проводил радиолокацию Меркурия, когда тот, двигаясь вокруг Солнца, находился от него с противоположной стороны по отношению к Земле. Радиолокационный луч проходил вблизи поверхности Солнца, и из-за замедления времени ему требовалось чуть больше на прохождение туда и обратно, чем на покрытие такого же расстояния, когда Меркурий находился вдали от Солнца. Эта задержка (около десятитысячной доли секунды) действительно была зафиксирована и измерена. Масса Солнца своей величиной так изменяет пространство и время, что хотя Земля движется по прямой в четырехмерном пространстве, мы видим, что в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите.

Итак, не может быть никакого сомнения в замедлении течения времени в гравитационном поле. В большинстве исследованных случаев изменение ничтожно мало, но астрономы и физики знают ситуации, когда разница в беге времени колоссальна.

Общая теория относительности предсказывает также наличие гравитационных волн. Подобно тому, как ускоренно движущийся электрический заряд испускает излучение, движущееся в гравитационном поле массивное тело должно испускать гравитационные волны, носителем которых и может быть гравитон.

Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, в котором утверждал, что невозможно физически отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением. Принцип эквивалентности помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

V.  Космология

Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам. Теория предсказала и объяснила три общелелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было предсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Классические представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом: вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени. Они являлись одним из следствий механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру евклидово. Такая модель казалась очень гармоничной и единственной, на уровне бытового сознания данная модель доминирует и в начале нашего 21-го века.

Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений (стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства), чтобы преодолеть противоречия. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.

Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к признанию её однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна ли вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т. к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться. Поэтому теоретическая модель Эйнштейна является лишь частным решением гравитационных уравнений для Вселенной в целом, а в общем случае решения зависят от времени.

Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита . Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Встретив решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности и изотропии, называются фридмановскими космологическими моделями.

Из телескопических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик и выяснилось, что Вселенная расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. В связи с этим встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема начала времени.

Если в классических пространственно-временных представлениях разбегание галактик интерпретируется как их движение в абсолютном ньютоновом пространстве, то в релятивистской космологии это явление оказывается результатом нестационарности метрики пространства: не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Если экстраполировать это расширение "вспять" во времени, то получается, что наша Вселенная была "стянута в точку" прибл. 15 млрд. лет назад.