ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА (ОТО)

Стр 1 из 6Следующая ⇒

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА (ОТО)

. История создания ОТО

. Принцип эквивалентности и геометризация тяготения

. Черные дыры

. Пульсар psr 1913+16 и гравитационные волны

. Гравитационные линзы и коричневые карлики

. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

. Теория Эйнштейна - Картана

. Релятивистская теория гравитации

. Калибровочная теория гравитации

. Модифицированная ньютоновская динамика

. Несимметричная теория гравитации

. Теория струн

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Название “теория относительности” возникло из наименования основного принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном в основу из всех теоретических построений новой теории пространства и времени.

Содержанием теории относительности является физическая теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического характера.

Название же “принцип относительности” или “постулат относительности”, возникло как отрицание представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром, вводившимся для объяснения оптических и электродинамических явлений.

Дело в том, что к началу двадцатого века у физиков, строивших теорию оптических и электромагнитных явлений по аналогии с теорией упругости, сложилось ложное представление о необходимости существования абсолютной неподвижной системы отсчета, связанной с электромагнитным эфиром. Зародилось, таким образом, представление об абсолютном движении относительно системы, связанной с эфиром, представление, противоречащее более ранним воззрениям классической механики (принцип относительности Галилея). Опыты Майкельсона и других физиков опровергли эту теорию “неподвижного эфира” и дали основание для формулировки противоположного утверждения, которое и получило название “принципа относительности”. Так это название вводится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и Эйнштейна.

Но крупнейший советский теоретик Л. И. Мандельштам в своих лекциях по теории относительности разъяснял: “Название “принцип относительности” - одно из самых неудачных. Утверждается независимость явлений от неускоренного движения замкнутой системы. Это вводит в заблуждение многие умы”. На неудачность названия указывал и один из творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной геометрической форме, - Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: “... термин “постулат относительности” для требования инвариантности по отношению к группе , кажется мне слишком бедным. Так как смысл постулата сводится к тому, что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат абсолютного мира”.

Таким образом, мы видим, что названия “принцип относительности” и “теория относительности” не отражают истинного содержания теории.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА (ОТО)

История создания ОТО

Общая теория относительности (ОТО) - современная теория тяготения, связывающая его с кривизной четырехмерного пространства-времени.своем классическом варианте теория тяготения была создана Исааком Ньютоном еще в XVII веке и до сих пор верно служит человечеству. Она вполне достаточна для многих, если не для большинства задач современной астрономии, астрофизики, космонавтики. Между тем ее принципиальный внутренний недостаток был ясен еще самому Ньютону. Это теория с дальнодействием: в ней гравитационное действие одного тела на другое передается мгновенно, без запаздывания. Ньютоновская гравитация так же соотносится с общей теорией относительности, как закон Кулона с максвелловской электродинамикой. Дж.К. Максвеллу удалось изгнать дальнодействие из электродинамики. В гравитации это сделал Альберт Эйнштейн. В 1905 году А. Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, которая завершила в идейном отношении развитие классической электродинамики. В статьях предшественников Эйнштейна Х.А. Лоренца и Ж.А. Пуанкаре содержались многие элементы специальной теории относительности, однако цельная картина физики больших скоростей появилась лишь в работе Эйнштейна.

Создание современной теории тяготения было немыслимо без специальной теории относительности, без глубокого понимания структуры классической электродинамики, без осознания единства пространства-времени. Очень велико для ОТО значение математики. Ее аппарат, тензорный анализ, или абсолютное дифференциальное исчисление, был развит Г. Риччи и Т. Леви-Чивита.

Черные дыры

Роль ОТО отнюдь не сводится к исследованию малых поправок к обычной ньютоновской гравитации. Существуют объекты, называемые черными дырами, в которых эффекты ОТО играют ключевую роль. Это компактные звезды.

Еще в XVIII веке Дж. Митчел и П.С. Лаплас независимо заметили, что могут существовать звезды, обладающие необычным свойством: свет не может покинуть их поверхность. Рассуждение выглядело примерно так. Тело, обладающее радиальной скоростью V, может покинуть поверхность звезды радиуса R и массы M при условии, что кинетическая энергия этого тела mV²/2 превышает энергию притяжения GMm/R, то есть при V²> 2GM/R. Применение последнего неравенства к свету (что совершенно необоснованно) приводит к выводу: если радиус звезды массы M меньше чем r_g,

(6)

то свет не может покинуть ее поверхность: такая звезда не светит! Последовательное применение ОТО приводит к такому же выводу, причем, что поразительно, правильный критерий количественно совпадает с наивным, необоснованным. Черная дыра - вполне естественное название для такого объекта. Свойства его весьма необычны. Черная дыра возникает, когда звезда сжимается настолько сильно, что усиливающееся гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство ничего, даже свет. Поэтому из черной дыры не выходит никакая информация.

При падении пробного тела на черную дыру по часам бесконечно удаленного наблюдателя оно будет достигать гравитационного радиуса бесконечно долго. Однако по часам, установленным на самом пробном теле, время этого путешествия вполне конечно.

Многочисленные результаты астрономических наблюдений дают серьезные основания полагать, что черные дыры - это не просто игра ума физиков-теоретиков, а реальные объекты, существующие, по крайней мере, в ядрах галактик. Подробнее о проблемах, связанных с черными дырами, можно узнать из статей А.М. Черепащука " Черные дыры в двойных звездных системах" и Д.А. Киржница " Горячие черные дыры" в этом томе.

. Пульсар psr 1913+16 и гравитационные волны

Нобелевская премия по физике за 1993 год была присуждена Р.А. Халсу и Дж.Г. Тейлору за исследование пульсара PSR 1913+16 (PSR означает пульсар, а цифры относятся к координатам на небесной сфере: прямое восхождение 19h13m, склонение 16°). Исследование свойств излучения этого пульсара показало, что он является компонентой двойной звезды, иными словами, у него есть компаньон и обе звезды вращаются вокруг общего центра масс. Расстояние между пульсаром и его компаньоном составляет всего 1, 8·10⁹ м. Если бы невидимый компаньон был обычной звездой с характерным радиусом ~10⁹ м, то наблюдались бы, очевидно, затмения пульсара. Однако ничего подобного не происходит. Подробный анализ наблюдений показал, что невидимая компонента - это не что иное, как нейтронная звезда. Иными словами, система PSR 1913+16 состоит из двух нейтронных звезд, одна из которых имеет сильное ( ~10¹² Гс) магнитное поле, то есть является пульсаром.

Существование нейтронных звезд было предсказано теоретически еще в 30-е годы. Они образуются в результате бурного гравитационного сжатия массивных звезд, сопровождающегося взрывом сверхновых. После взрыва давление в оставшемся ядре массивной звезды продолжает нарастать, электроны с протонами сливаются (с испусканием нейтрино) в нейтроны. Образуется очень плотная звезда с массой, несколько большей массы Солнца, но очень малого размера, порядка 10-15 километров, не превышающего размер астероида. Наблюдение нейтронных звезд уже само по себе является выдающимся открытием. Кроме того, тщательное исследование движения двойной звезды PSR 1913+16 дало новое подтверждение предсказания ОТО, касающегося незамкнутости эллиптических орбит. Поскольку гравитационные поля в данной системе очень велики, периастр орбиты вращается несравненно быстрее, чем перигелий орбиты Меркурия, он поворачивается на 4°, 2 в год. Изучение этого и других эффектов позволило также определить с высокой точностью массу пульсара и нейтронной звезды. Они равны соответственно 1, 442 и 1, 386Mʘ.

В 1918 году Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационного излучения. Хорошо известно, что электрически заряженные частицы, будучи ускоренными, излучают электромагнитные волны. Аналогично, массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны - рябь геометрии пространства, распространяющуюся тоже со скоростью света. Аналогия эта неполна (впрочем, как практически и всякая иная). Одно из отличий между электромагнитными и гравитационными волнами, имеющее довольно существенный характер, состоит в следующем. В отличие от случая электромагнитного поля плотность энергии гравитационного поля, гравитационной волны локальна: в данной точке ее всегда можно обратить в нуль выбором соответствующей системы координат. Лет 60-70 назад это обстоятельство рассматривалось как серьезная трудность теории. Затем, однако, смысл его был прояснен и проблема снята. В последние годы вновь появились утверждения о том, что возможность обращения в нуль локальной плотности энергии гравитационного поля является коренным, принципиальным дефектом ОТО.

На самом же деле ничего страшного в этом нет. Данный вывод является прямым следствием принципа эквивалентности. Действительно, при переходе в систему, связанную со свободно падающим лифтом, обращается в нуль напряженность гравитационного поля. Естественно, что в этой системе равна нулю и плотность энергии гравитационного поля. (Это соображение принадлежит С.И. Литерату, учителю средней школы 130 г. Новосибирска.)

Отсюда, однако, отнюдь не следует, что гравитационные волны - всего лишь игра ума, математическая абстракция. Это в принципе наблюдаемое физическое явление. Так, например, стержень, находящийся в поле гравитационной волны, испытывает деформации, меняющиеся с ее частотой. Оговорка " в принципе" отнюдь не случайна: масса любого объекта на Земле настолько мала, а движение его столь медленно, что генерация гравитационного излучения в земных условиях совершенно ничтожна, не видно сколько-нибудь реального способа зарегистрировать такое излучение. Существует ряд проектов создания детекторов гравитационного излучения от космических объектов. Однако и здесь реальных результатов до сих пор нет.

Хотя плотность энергии гравитационного поля в любой точке можно по своему желанию обратить в нуль выбором подходящей системы координат, полная энергия этого поля во всем объеме, полный его импульс имеют реальный физический смысл (конечно, если поле достаточно быстро убывает на бесконечности). Столь же наблюдаемой, хорошо определенной величиной является и потеря энергии системой за счет гравитационного излучения.

Все это имеет прямое отношение к пульсару PSR 1913+16. Эта система также должна излучать гравитационные волны. Их энергия в данном случае огромна, она сравнима с полной энергией излучения Солнца. Но даже этого недостаточно, чтобы непосредственно зарегистрировать эти волны на Земле. Энергия гравитационных волн может черпаться здесь только из энергии орбитального движения звезд. Ее уменьшение приводит к уменьшению расстояния между звездами. Тщательные измерения импульсов радиоизлучения от пульсара PSR 1913+16 показали, что расстояние между компонентами этой двойной звезды уменьшается на несколько метров в год в полном согласии с предсказанием ОТО. Потеря энергии двойной звездой за счет гравитационного излучения была впервые рассчитана советскими физиками-теоретиками Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем.

относительность эйнштейн тяготение гравитационный

Теория Эйнштейна - Картана

Теория Эйнштейна - Картана (ЭК) была разработана как расширение общей теории относительности, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина материальных полей. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана - Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен общей теории относительности, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к общей теории относительности в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.

Теория Картана стоит особняком среди альтернативных теорий гравитации как потому, что она неметрическая, так и потому, что она очень старая. Состояние теории Картана неясно. Уилл (1986) утверждает, что все неметрические теории противоречат Эйнштейновскому принципу эквивалентности (ЭПЭ), и поэтому должны быть отброшены. В одной из последующих работ Уилл (2001) смягчает это утверждение, разъясняя экспериментальные критерии тестирования неметрических теорий на удовлетворение ЭПЭ. Мизнер, Торн и Уилер (1973) утверждают, что теория Картана является единственной неметрической теорией, проходящей все экспериментальные тесты, а Турышев (2007) приводит эту теорию в списке удовлетворяющих всем текущим экспериментальным ограничениям.

Картан (1922, 1923) предложил простое обобщение теории гравитации Эйнштейна, введя модель пространства-времени с метрическим тензором и линейной связностью, ассоциированной с метрикой, но не обязательно симметричной. Антисимметричная часть связности - тензор кручения - связывается в этой теории с плотностью внутреннего момента импульса (спина) материи. Независимо от Картана, похожие идеи развивали Скиама, Киббл и Хейл в промежутке от 1958 до 1966 года.

Исходно теория была развита в формализме дифференциальных форм, но здесь она будет изложена на тензорном языке. Лагранжева плотность гравитации в этой теории формально совпадает с таковой ОТО и равняется скаляру кривизны:

однако введение кручения модифицирует связность, которая теперь не равняется символам Кристоффеля, а равна их сумме с тензором конторсии

где - антисимметричная часть линейной связности - кручение. Предполагается, что линейная связность является метрической, что снижает количество степеней свободы, присущих неметрическим теориям. Уравнения движения этой теории включают 10 уравнений для тензора энергии-импульса, 24 уравнения для канонического тензора спина и уравнения движения материальных негравитационных полей:

Где

- метрический тензор энергии-импульса материи, - канонический тензор спина,

, а - след тензора кручения.

Кривизна пространства-времени при этом - не риманова, но на римановом пространстве-времени лагранжиан сводится к лагранжиану ОТО. Эффекты неметричности в данной теории являются настолько малыми, что ими можно пренебречь даже в нейтронных звёздах. Единственной областью сильных расхождений оказывается, возможно, очень ранняя Вселенная. Привлекательной чертой этой теории (и её модификаций) является возможность получения несингулярных решений типа «отскока» для Большого Взрыва.

Теория струн

Теория струн - направление математической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.

Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10− 35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.

Рис. 4. Взаимодействие в микромире: диаграмма Фейнмана в стандартной модели и её аналог в теории струн.

Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано, связанных со струнными моделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовались бурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основе теории струн будет сформулирована так называемая «единая теория», или «теория всего», поискам которой Эйнштейн безуспешно посвятил десятилетия. Но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби - Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби - Яу. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием «проблема ландшафта», в связи с чем некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной.

Несмотря на эти трудности, разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном, алгебраической и дифференциальной геометрии, топологии, а также позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий и сущность материи и квантовой гравитации. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда, что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОТО - завершенная физическая теория. Она завершена в том же смысле, что и классическая механика, классическая электродинамика, квантовая механика. Подобно им, она дает однозначные ответы на физически осмысленные вопросы, дает четкие предсказания для реально осуществимых наблюдений и экспериментов. Однако, как и всякая иная физическая теория, ОТО имеет свою область применимости. Так, вне этой области лежат сверхсильные гравитационные поля, где важны квантовые эффекты. Законченной квантовой теории гравитации не существует.

ОТО - удивительная физическая теория. Она удивительна тем, что в ее основе лежит, по существу, всего один экспериментальный факт, к тому же известный задолго до создания ОТО (все тела падают в поле тяжести с одним и тем же ускорением). Удивительна тем, что она создана в большой степени одним человеком. Но прежде всего ОТО удивительна своей необычайной внутренней стройностью, красотой. Не случайно Ландау говорил, что истинного физика-теоретика можно распознать по тому, испытал ли человек восхищение при первом же знакомстве с ОТО.

Примерно до середины 60-х годов ОТО находилась в значительной мере вне основной линии развития физики. Да и развитие самой ОТО отнюдь не было весьма активным, оно сводилось в большой степени к выяснению определенных тонких мест, деталей теории, к решению пусть важных, но достаточно частных задач.

Вероятно, одна из причин такой ситуации состоит в том, что ОТО возникла в некотором смысле слишком рано, Эйнштейн обогнал время. С другой стороны, уже в его работе 1915 года теория была сформулирована в достаточно завершенном виде. Не менее важно и то обстоятельство, что наблюдательная база ОТО оставалась очень узкой. Соответствующие эксперименты чрезвычайно трудны. Достаточно напомнить, что красное смещение удалось измерить лишь спустя почти 40 лет после того, как было обнаружено отклонение света в поле Солнца. На протяжении более 80 лет теория Эйнштейна демонстрирует свою необычайную стройность, экономность построения и красоту. На данный момент существует множество экспериментов и наблюдений, подтверждающих правильность общей теории относительности Эйнштейна и не наблюдается физических явлений, противоречащих ей. Следовательно, ОТО скорее верна чем нет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берков А.В., Кобзарев И.Ю. Теория тяготения Эйнштейна. Общие принципы и экспериментальные следствия. М.: МИФИ, 1989.

. Берков А.В., Кобзарев И.Ю. Приложения теории тяготения Эйнштейна к астрофизике и космологии. М.: МИФИ, 1990.

. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1988.

. Новиков И.Д. Энергетика черных дыр. М.: Знание, 1986.

1. < http: //ru.wikipedia.org/wiki/Альтернативные_теории_гравитации>

. < http: //www.astronet.ru/db/msg/1210272>