Общая теория относительности: основные положения

Принцип эквивалентности

Система отсчета, связанная с любым реальным телом, в большей или меньшей степени неинерциальна. Поэтому Эйнштейна, как в свое время Ньютона, беспокоило, что его теория применима лишь к инерциальным системам отсчета. В 1915 г. он предложил ее обобщение, в котором равноправны все системы отсчета и которое получило название общей теории относительности (ОТО).

6 основе ОТО лежит принцип эквивалентности. Подобно постулатам специальной теории относительности, он представляет собой эмпирическое обобщение экспериментальных фактов. Эйнштейн пояснял принцип эквивалентности мысленным экспериментом, известным как «лифт Эйнштейна», современную версию которого можно изложить следующим образом.

Представьте: ваш бизнес развивается настолько успешно, что конкуренты решили вас устранить физически. Нанятые бандиты похищают вас, везут на Байконур, запихивают в грузовой космический корабль, готовый к старту, и заваривают люк. Через некоторое время сознание к вам возвращается, и возникает вопрос, что делать. Среди оборудования на корабле есть автоген, но не окажется ли, что, прорезав отверстие в обшивке, вы попадете в космический вакуум? Требуется, не выходя наружу, определить, стоит ли ракета все еще на Земле или уже запущена в космос.

На первый взгляд проблема очень проста: ведь на летящем в космосе корабле должна ощущаться невесомость. Однако это справедливо лишь в том случае, если двигатели выключены. Если же они работают и разгоняют корабль (т. е. создают ускорение), невесомости нет. Так, при старте ракеты, когда ее скорость быстро растет, космонавты испытывают перегрузки — ощущение возросшего веса.

Попытаемся, подобно пассажиру «корабля Галилея», придумать какой-нибудь эксперимент, который давал бы разные результаты на Земле и в ракете, летящей с ускорением в космосе. Выпустим из рук камешек. В ракете, стоящей на Земле, он упадет на пол с ускорением свободного падения g * 9,8 м/с². А на ракете, летящей в космосе? Пока мы держим его в руке, он имеет ту же скорость, что и мы вместе с ракетой. Если ракета разгоняется, разгоняется и камешек вместе с рукой. Но как только мы разжимаем пальцы и перестаем действовать на камешек, он начинает двигаться по инерции с постоянной скоростью. Ракета же, благодаря двигателям, ускоряется дальше. В конце концов пол кабины догонит летящий по инерции камешек. Выглядеть это будет в точности так же, как если бы камешек просто упал на пол с ускорением, равным по величине ускорению ракеты.

Эйнштейн проанализировал не только механические, но и другие возможные эксперименты, и пришел к выводу, что все они дадут совершенно одинаковые результаты как в ракете (он, правда, говорил о лифте), покоящейся в земном поле тяготения, так и в ракете, ускоренно движущейся вдали от всех небесных тел. Эти рассуждения иллюстрируют принцип эквивалентности:

f ускоренное движение физически полностью эквивалентно покою в гравитационном поле (т. е. они неразличимы никакими измерениями).

Пользуясь принципом эквивалентности, можно заменить любую неинерциальную (ускоренную) систему отсчета эквивалентной ей инерциальной системой, в которой имеется гравитационное поле. Почему, например, молоко в автоцистерне, тормозящей перед светофором, приливает к передней стенке цистерны? Можно говорить о том, что цистерна тормозит, а молоко продолжает двигаться по инерции вперед. Но можно с тем же успехом сказать, что при торможении цистерны возникает гравитационное поле, притягивающее молоко к передней стенке.