Пространство и время в общей теории относительности

Возникновение общей теории относительности

Возникновение общей теории относительности связано с острыми противоречиями между основными положениями классической науки и новым экспериментальным материалом.

Проблемами, над которыми работал Эйнштейн, занимались и другие крупные физики, такие как Лоренц, Пуанкаре и другие.

Процесс перехода к общей теории относительности от классической механики выглядит следующим образом:

• на теоретическом уровне – переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству и времени
• на эмпирическом уровне – это переход от относительных пространства и времени, предложенных Ньютоном, к реляционному пространству и времени.

Однако при попытке Эйнштейна расширения концепции относительности на класс явлений, которые происходят в инерциальных системах отсчета, возникла новая теория гравитации, стала развиваться реляционная космология и т.д.

Поэтому Эйнштейну пришлось использовать другой метод построения физических теорий, в которых теоретический аспект выступает в качестве первичного. Новая теория, получившая название общей теории относительности, формировалась путем построения обобщенного времени и пространства.

Одной из причин, побудившей к созданию общей теории относительности, является желание избежать необходимости введения в физику инерциальной системы отсчета. Процесс создания новой теории начался с пересмотра существовавшей концепции пространства и времени в доктрине Максвелла-Фарадея и специальной теории относительности.

Эйнштейн опирался на факт о равенстве тяжелой и инертной масс. Этот пункт он рассматривал в качестве исходного, на основе которого можно объяснить гравитацию. После анализа опыта Этвеша, Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности. Согласно этому принципу, невозможно отличить физически действие однородного гравитационного поля и поля, которое порождено равноускоренным движением.

Принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности имеет локальный характер и не входит в общую теорию относительности. Благодаря этому принципу были сформулированы основные принципы, которые являются фундаментом новой теории – предположения о геометрической природе гравитации, о связи пространства, времени и материи. Кроме того, Эйнштейном были выдвинуты несколько математических гипотез, без которых было бы невозможно выведение гравитационных уравнений. Согласно этим гипотезам, пространство является четырехмерным, структура пространства определяется симметричным метрическим тензором, уравнения относительно группы преобразований координат должны быть инвариантными.

Эйнштейн в своей работе под названием «Относительность и проблема пространства» уделяет внимание вопросу о специфике понятия пространства в общей теории относительности. Исходя из этой теории, пространство не существует отдельно. Не существует и пустого пространства. Существование пространства и времени происходит не само по себе, а в качестве структурного свойства поля.

Актуальной проблемой для общей теории относительности и в настоящее время является проблема перехода от теоретических предположений к величинам, которые можно наблюдать физически.

Общая теория относительности предсказала и дала объяснение трем общерелятивистским эффектам:

• вычислены конкретные значения смещения перигелия Меркурия
• обнаружено отклонение световых лучей звезд во время прохождения их вблизи Солнца
• обнаружен эффект красного смещения линий спектра.

Представления о пространстве и времени в современной науке

Из общей теории относительности вытекает два направления:

• геометризация гравитации
• релятивистская космология.

С этими направлениями связано последующее развитие представлений о пространстве и времени в современной физической науке.

Представления о Вселенной до Эйнштейна выглядели следующим образом. Вселенная представлялась бесконечной и однородной в пространстве и являлась стационарной во времени. эти представления появились из механики Ньютона. Пространство и время представлялись абсолютными. Эта модель представлялась единственной и гармонично. Однако при попытке приложить к этой модели законов и концепций физики привели к противоречивым выводам. Классическая космология, для того, чтобы преодолеть противоречия, требовала пересмотра ряда фундаментальных положений:

• стационарность Вселенной
• однородность пространства
• изотропность пространства
• евклидовость пространства.

Однако преодоление противоречия в рамках классической космологии не удалось.

Модель Вселенной, следовавшая из общей теории относительности, была связана с пересмотром всех фундаментальных положений, на которых основывалась классическая космология.

В общей теории относительности была отождествлена гравитация и искривление четырехмерного пространства и времени. Для построения работающей модели пришлось ограничить всеобщую ревизию положений классической космологии. Общая теория относительности была дополнена постулатом однородности и изотропности Вселенной из классической космологии.

Строгое следование принципу изотропности Вселенной приводит к признанию однородности. На основании этого принципа в релятивистскую космологию было введено понятие мирового времени и пространства. Однако, это пространство и время не абсолютные пространство и время Ньютона, которые, несмотря на однородность и изотропность, имели нулевую кривизну. Применяя условия однородности и изотропности к неевклидову пространству, возникает постоянство кривизны, и в этом случае становятся возможными три модификации этого пространства: с положительной кривизной, отрицательной кривизной и нулевой кривизной. Вывод о возможности времени и пространства иметь различные значения кривизны привели к возникновению вопроса о конечности и бесконечности Вселенной. Такого вопроса в классической космологии не существовало, так как бесконечность пространства и времени обусловливалась евклидовым пространством.