Эйнштейн. Общая теории относительности

Общая теория относительности (ОТО) — это теория гравитации, разработанная Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Она объясняет гравитацию как проявление искривления пространства-времени под воздействием массы и энергии. Это радикально изменило представления о природе гравитации, заменив ньютоновскую концепцию силы на геометрическое описание.

Основные принципы ОТО

1. Эквивалентность гравитации и ускорения. Невозможно отличить действие гравитации от ускоренного движения. Например, если вы находитесь в лифте без окон и чувствуете силу тяжести, то не можете сказать, тянет ли вас вниз гравитация или лифт просто ускоряется относительно инерциальной системы отсчёта, находящейся вне гравитационного поля.

2. Искривление пространства-времени. Масса и энергия деформируют пространство и время. Массивные объекты, такие как планеты, звёзды или чёрные дыры, искривляют пространство-время вокруг себя. Гравитация в ОТО — это не сила, а следствие этой деформации. Небесные тела не «притягиваются» друг к другу, а следуют по «изгибам» пространства-времени.

3. Геодезические линии. Тела в гравитационном поле движутся по геодезическим линиям — аналогам прямых линий в искривлённом пространстве-времени. Для свободно падающего тела его мировая линия — геодезическая, то есть оно движется без внешних сил.

4. Уравнения Эйнштейна. ОТО использует тензорные уравнения, которые связывают кривизну пространства-времени с распределением материи и энергии. Эти уравнения описывают, как масса и энергия влияют на геометрию пространства-времени.

История создания

Эйнштейн работал над ОТО с 1907 по 1915 год. Исходным пунктом для разработки теории стало стремление обобщить специальную теорию относительности (СТО) для систем отсчёта, движущихся с ускорением, и найти связь между инерцией и силой тяжести. Ключевым моментом стало понимание принципа эквивалентности гравитационной и инертной масс.

В 1912 году Эйнштейн выдвинул идею использования римановой геометрии вместо евклидовой для описания пространства-времени. С помощью математика Марселя Гроссмана и теории инвариантов в 1915 году он исправил ошибки предыдущих работ и получил окончательные уравнения ОТО.

Экспериментальные подтверждения

• Аномальная прецессия перигелия Меркурия. ОТО объяснила смещение орбиты Меркурия, которое не укладывалось в ньютоновскую механику.

• Отклонение света вблизи Солнца. В 1919 году Артур Эддингтон наблюдал искривление световых лучей звёзд во время полного солнечного затмения, что подтвердило предсказания ОТО.

• Гравитационное замедление времени. Часы идут медленнее вблизи массивных объектов. Например, рядом с чёрной дырой время почти останавливается.

• Гравитационное красное смещение. Свет, испускаемый в гравитационном поле, смещается в красную область спектра.

• Задержка сигнала в гравитационном поле. Сигналы, проходя через гравитационное поле, испытывают временную задержку.

• Гравитационные волны. Их обнаружение в 2015 году (LIGO) подтвердило ещё одно предсказание ОТО — излучение энергии в виде ряби пространства-времени при слиянии массивных объектов, например чёрных дыр.

• Чёрные дыры. Наблюдения за поглощением материи и другими процессами вокруг этих объектов интерпретируются как подтверждение их существования, предсказанного ОТО.

Значение ОТО

• Космология. ОТО легла в основу моделей расширяющейся Вселенной Александра Фридмана. Открытие Эдвином Хабблом красного смещения галактик подтвердило расширение Вселенной, что привело к теории Большого взрыва.

• Астрофизика. Теория используется для изучения нейтронных звёзд, пульсаров, квазаров и других экзотических объектов. Гравитационное линзирование, вызванное искривлением света массивными объектами, стало важным методом в астрофизике.

• Технологии. ОТО учитывается в системах спутниковой навигации (GPS), так как гравитационное замедление времени влияет на ход часов спутников.

Несмотря на успех, ОТО не совместима с квантовой механикой, что побуждает учёных искать теории, объединяющие эти подходы, например, теорию квантовой гравитации. Также теория указывает на свои границы применимости, предсказывая сингулярности (например, в чёрных дырах), где её описания теряют смысл.