Теория относительности Эйнштейна за 1 час - Наталья Сердцева

В невесомости центра масс нет, и приливные силы не наблюдаются.

На этой стадии разработки теории произошел переход физики в геометрию, Эйнштейну пришлось углубиться в изучении анатомии поверхностей. «Когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь искривлен, мне же посчастливилось заметить это», – говорил автор общей теории относительности.

Действительно, исходя из повседневного опыта, нам трудно осознать, что наша планета круглая. Мы не видим ее масштабов. Но при перемещении на значительные расстояния можно обнаружить отклонение прямой линии – благодаря закруглению Земли. Если нарисовать две параллельные линии, перпендикулярные экватору, то на макушке земного шара они пересекутся, нарушая законы евклидовой геометрии.

Две точки, отмеченные на плоской поверхности, соединятся прямым отрезком. Если такие же точки поставить на поверхности сферы, их соединит дуга. Восприятие поверхности зависит от масштаба. Любую рельефную поверхность можно разделить на небольшие плоские участки. Если рассматривать относительно маленький участок нашей планеты, то в соответствии со всеми измерениями он будет плоским, а линия, соединяющая отрезки, – прямой. Если же увеличить масштаб и посмотреть на планету из космоса, то поверхность окажется сферической, а все отрезки – дугообразными.

Эйнштейн предположил, что эта ситуация схожа с разницей между свободным падением и невесомостью, а гравитация и пространство имеют очень тесную связь.

Еще в начале XIX века «король математиков» Карл Фридрих Гаусс опубликовал труд «Общие исследования о кривых поверхностях», в котором отразил итоги своей работы над проблемами геодезической съемки. Он разработал новые вычислительные методы, в которых использовались криволинейные координаты поверхности: при измерении сложной среды каждое изменение рельефа становится новой точкой отсчета.

Проследим путь из точки А до точки В. Если он проходит по ровной плоскости, то это одна величина. Если же на плоскости встречаются углубления или выпуклости, длина отрезка пути изменится. Заслуга Гаусса заключается в создании новой математической функции, которая позволяла рассчитать расстояние между любыми двумя точками на поверхности и определить кривизну (отклонение от евклидовой плоскости).

Преемником Гаусса был немецкий математик Бернхард Риман, он создал новый раздел геометрии, исследующий многомерные пространства и кривизну поверхности. Этот раздел в его честь назвали римановой геометрией. В своих исследованиях Риман вплотную подошел к границе, где геометрия соприкасалась с физикой, пойти дальше он не смог, так как был математиком. Эту границу удалось пересечь универсальному гению Альберту Эйнштейну.

Любую поверхность можно описать по-разному, используя различные системы координат. На геометрические свойства самой поверхности способ описания, естественно, не влияет. Расстояние между двумя точками остается неизменным в любой системе координат (является инвариантом). На языке геометрии этот основополагающий принцип звучит так: «Инварианты, такие как расстояние и кривизна, одинаковы в любой системе координат». Эйнштейну этот математический постулат напомнил схожий принцип из физики: «Любое физическое явление протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета». Подойдя к проблеме с другой стороны, он снова нашел стык геометрии и физики. Развивая мысль дальше, он задумался о том, может ли принцип относительности, действующий в инерциальных системах отсчета (о нем шла речь в специальной теории относительности), действовать в ситуациях с переменной скоростью? Это было переходом от специальной теории относительности к общей.

Как устроено мироздание: общая теория относительности

В создании общей теории относительности не последнюю роль сыграли открытия немецкого математика Германа Минковского. Он предложил геометрическое описание четырехмерной модели пространства-времени, которая была использована Эйнштейном. Эта модель получила название пространства Минковского.

Представить пространство, состоящее из четырех измерений – длина, ширина, глубина и время, довольно сложно. Математики оперируют формулами и изображениями на плоскости, которые являются лишь отображениями этого пространства. Любое действие можно изобразить на оси координат. Например, для изображения перемещения мухи по стеклу логично использовать двухмерную плоскость с двумя осями координат Для графического описания полета птицы удобнее будет взять трехмерную систему координат, с добавлением третьей оси.

Любое перемещение связано со временем, значит, нужно ввести четвертую систему координат. И тогда мы получим четырехмерную гиперповерхность, где каждое событие может быть отмечено, кроме трех привычных, еще и четвертой величиной – временем. Графически это будет выглядеть довольно сложно, так как время – это не просто точка на графике, а динамические изменения, оно превращает линии, изображенные на бумаге, в траектории движения.

Четырехмерный след, оставляемый любым телом в пространстве и времени, Минковский назвал мировой линией. А весь мир, все существование – совокупностью таких линий.

Ученый ввел в расчеты новую величину – собственное время. Он определил ее как расстояние, но не между двумя положениями тела, а между двумя событиями, произошедшими с этим телом. Из специальной теории относительности мы знаем, что такие величины, как время и пространство, не абсолютны, они могут меняться (растягиваться, сжиматься) в зависимости от системы отсчета. Но к собственному времени это не относится. Оно остается одинаковым при любой смене систем координат. Чтобы понять пространственно-временные изменения в разных системах координат, рассмотрим простой пример. Представим, что возле стены в подвешенном состоянии находится стержень, он освещен двумя фонариками: сверху и со стороны, противоположной стене. Тень на полу в этом случае будет представлять собой точку, тень на стене – линию. Если мы начнем наклонять стержень в плоскости, создаваемой двумя источниками света (в сторону стены), то тени начнут меняться – тень на полу будет удлиняться, пока из точки не превратится в линию, тень на стене поведет себя противоположным образом.

Графическое изображения четырехмерного пространства Минковского. Горизонтальная ось координат включает в себя пространство, вертикальная – время

Стержень остался неизменным, изменились его проекции, или интерпретации, относительно наблюдателей со стороны стены и со стороны пола. Этот эксперимент представляет собой геометрическую демонстрацию лоренцева сжатия тел при движении и замедления времени.

В пространстве Минковского тела движутся равномерно и прямолинейно или находятся в состоянии покоя. На оси координат их можно изобразить как точки или прямые линии – в зависимости от положения. Но если добавить в систему отсчета такие величины, как гравитация и ускорение (как это сделал Эйнштейн), прямые начинают искривляться, подобно тому, как это происходит с прямыми, проведенными на поверхности сферы.

Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна, используя пространство Минковского, искривила его. Эти метаморфозы произошли благодаря присутствию массы. Масса, как доказал Эйнштейн, присутствуя в пространстве, искривляет его. Чем больше масса тела, тем сильнее искривление. «Гравитация – это не чуждая физическая сила, действующая в пространстве, а проявление геометрии пространства там, где находится масса», – так это явление объяснил американский ученый Джон Уилер. Основная идея общей теории относительности заключается в том, что силу гравитации, тяготение создает само пространство-время. Из-за присутствия материи, наделенной массой, оно искривляется. Если пространство обладает малой плотностью и в нем действуют лишь постоянные скорости, то его можно изобразить в виде гладкого листа бумаги с нанесенными на него прямыми линиями. Если же появляется ускорение и увеличивается плотность, то этот лист начнет собираться складками и морщинами, прямые линии превратятся в изломанные.

Эйнштейн вывел уравнения, описывающие отношение между присутствием массы и формой четырехмерного пространства. Из них становится ясно, что пространство задает траекторию движения материи, а материя создает искривление пространства. На создание системы уравнений, математически отражающих общую теорию относительности, у ученого ушло восемь лет, ему пришлось изучить сложнейший раздел алгебры – тензорный анализ. Для этого он воспользовался помощью своих коллег Марселя Гроссмана и Давида Гильберта.

Одно из свойств уравнения общей теории относительности заключается в том, что оно справедливо для любого наблюдателя, независимо от системы координат.