Раздел 3. Релятивистская физика

6. Теория относительности [29]

Когда жук ползет по кривому сучку, он не замечает, что сучок кривой. Я имел счастье заметить то, чего не замечает жук.

А. Эйнштейн. Из разговора с сыном, 1919

О кривизне пространства

Механика Ньютона была развита, как уже отмечалось, для евклидова пространства, в котором свет распространяется прямолинейно. И на этой основе вводится представление о прямой, как кратчайшем расстоянии между точками. Но свет не всегда распространяется по прямой. На границе сред он испытывает преломление, которое может к тому же управляться электрическим и магнитным полями. Благодаря трудам Эйнштейна астрономы организовали наблюдение и заметили, что световой луч искривляется и в поле тяготения.

Необходимо учитывать отклонения от евклидовой геометрии. Первым это сделал в самой геометрии Николай Иванович Лобачевский (1792-1856). В 1926 г. он построил геометрию, отличающуюся от евклидовой только постулатом о параллельных прямых. Он предположил, в отличие от Евклида, что через точку, расположенную в плоскости вне прямой, можно провести не одну, как у Евклида, а несколько прямых, не пересекающих данную. Необычный подход не был признан коллегами Лобачевского, поскольку сильно опережал время. Лишь в начале XX в. было показано, что он удовлетворяет преобразованиям Лоренца и действует при скоростях близких к скорости света. Геометрия Лобачевского описывает ситуацию на поверхностях отрицательной кривизны, например, на псевдосфере. Последняя важна для астрономии и астрофизики. В современной физике соответствующие процессы описываются в общей теории относительности. Мысли подобные тем, что высказал Н.И. Лобачевский, появились несколько лет спустя у Больяи (в 1832 г.). К неевклидовой геометрии пришел и Гаусс (1777-1855), но не решался публиковать свои исследования. Риман (1826 - 1866) создал другой тип неевклидовой геометрии, справедливый на сфере. В зависимости от того, какой тип поверхностей мы берем за основу, может измениться и число . В конце 60-х – начале 70-х гг. XX столетия астрономы Пулковской обсерватории имели проект для связи с внеземными цивилизациями. Он заключался в сканировании мирового пространства двумя лучами мощных лазеров, частоты которых отличались в «пи» раз. Таким образом, «визитная карточка» земной цивилизации должна была содержать в себе это число. Поскольку 5-й постулат Евклида опирается на плоскость, то именно плоскость в евклидовой геометрии является поверхностью с нулевой кривизной. Поэтому можно сказать, обобщая на трехмерный случай, что механика Ньютона была создана для пространства с нулевой кривизной. И, если современная физика работает с пространствами ненулевой кривизны, а это происходит как в микро-, так и в мегамире, появляется и необходимость в новой механике. По-видимому, раньше других это понял А. Эйнштейн.

Относительность в физике

Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А. Эйнштейном, частная – в 1905, общая – в 1915 гг.

В современной физике частная теория относительности (ТО) вместе с квантовой механикой играет такую же роль, какую раньше играла механика Ньютона. Ньютоновская механика хорошо описывала поведение объектов средних размеров, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света, но не могла описать движение очень малых объектов, таких, как атомы и входящие в состав атомов частицы или же частицы, из которых состоят космические лучи. Эти несоответствия стали проявляться в начале 20 в., и средства их преодоления оказались поистине революционными: квантовая механика, рассматривающая поведение очень малых частиц, отвергла ньютоновский детерминизм, а частная теория относительности, применимая к быстро движущимся телам, отвергла ньютоновское представление об абсолютном времени.

Ньютоновская механика по-прежнему применяется в практических расчетах и в тех разделах астрономии, где рассматриваемые объекты – планеты, самолеты, автомобили – достаточно велики и движутся со скоростью, намного меньшей скорости света. Но как частная ТО, так и квантовая механика очень важны для теоретического мышления физика, тем более что их правильность подтверждается многочисленными экспериментами. На этих теориях основывается почти вся современная ядерная физика.

В то же время общая теория относительности (ОТО), несмотря на ее огромное теоретическое значение, имеет пока довольно узкую область практического применения. Это в основном теория тяготения и инерции, заменяющая ньютоновскую теорию тяготения в точных расчетах очень больших систем (планетарного масштаба и более). Она позволяет в рамках физики и астрономии рассматривать структуру Вселенной как целого. ОТО включает в себя частную ТО как частный случай и потому пригодна для описания всех явлений, которые правильно описываются как теорией Ньютона, так и частной ТО. При этом все практические отличия ОТО связаны только с гравитационным полем.

Истоки возникновения теории относительности коренятся в противоречии между ньютоновской механикой и электромагнитной теорией Дж. Максвелла, выявившемся в конце 19 в. Созданию частной ТО, разрешающей это противоречие, мы обязаны не только Эйнштейну, но также Г. Лоренцу и А. Пуанкаре. Именно Лоренц и Пуанкаре создали математический аппарат частной ТО. Благодаря Эйнштейну, глубоко постигшему ее физический смысл, частная ТО получила быстрое и всеобщее признание. Среди более поздних исследователей, внесших существенный вклад в развитие частной ТО, следует упомянуть Германа Минковского (1864–1909). Минковский развил концепцию четырехмерного пространственно-временно го континуума, в котором временн я координата рассматривается как равноправная с пространственными координатами; он предложил также удобную геометрическую интерпретацию уравнений частной ТО.

Заслуга создания ОТО принадлежит исключительно Эйнштейну. Он ввел в физику новый математический аппарат – тензорное исчисление, разработанное Г Риччи и Т. Леви-Чивитой. В математическом отношении теория оказалась весьма сложной, практических выводов из нее было мало, а проверить их путем наблюдений было трудно. В отличие от частной ТО, которая теперь почти полностью исследована, ОТО еще далека от этого. ОТО стала популярной не только среди физиков, но и в широких слоях образованных людей, когда наблюдения за затмением Солнца в 1919 подтвердили ее предсказание, согласно которому свет от далеких звезд, проходящий вблизи Солнца, должен испытывать отклонение.

На ОТО базировались многочисленные попытки создания единых теорий поля, охватывавших не только гравитационные, но также электромагнитные и прочие физические явления. Такие попытки, однако, имели мало успеха, а после смерти Эйнштейна, который и сам предпринял ряд таких попыток, активность в этом направлении снизилась. Физики, уверенные в возможности создания единых теорий, объясняющих все физические явления, полагают, что более перспективен синтез ОТО с квантовой теорией. Релятивистская квантовая теория, в некоторой мере объединившая частную ТО и квантовую теорию, добилась заметного успеха в подтверждении теории электрона П. Дирака (1928). И хотя разработка общей релятивистской квантовой теории еще далека от завершения, есть основание надеяться, что именно с ее развитием будут связаны дальнейшие успехи теоретической физики в целом.