Постулаты и выводы специальной и общей теории относительности

     Зная  массу покоя тела, легко вычислить  запас его внутренней энергии. Подсчет  делается по знаменитой формуле Эйнштейна: Е=mc. Из этого соотношения следует, что полная энергия тела пропорциональна его массе. У всех тел с потерей энергии уменьшается масса и, наоборот, с увеличением энергии увеличивается масса.

     Общая теория относительности

     Прямолинейное и равномерное движение систем отсчета  вне полей тяготения лишь частный  случай. Обычно мировые движения происходят в гравитационных полях и ускоренных системах отсчета.

     Классическая  физика считала тяготение рядовой  силой среди множества природных  сил (электрических, магнитных и  т.д.). Тяготению было предписано «дальнодействие» (проникновение «сквозь пустоту») и удивительная способность придавать  равное ускорение телам разных масс. Оба этих свойства выглядели в  классике очень искусственными.

     По  мнению Эйнштейна, гравитационное поле – не силовое. На самом деле тяжесть  – следствие особенностей мирового пространства-времени. И гравитационное поле правильнее называть метрическим. Логика, приводящая к этому непривычному выводу, такова.

     Вначале обсуждается равенство ускорений  свободного падения для тел разных масс (то, что массивный ключ и  легонькая спичка одинаково быстро падают со стола на пол). Как подметил Эйнштейн, это уникальное свойство делает тяжесть очень похожей  на инерцию. В самом деле, ключ и  спичка ведут себя так, как если бы они двигались в невесомости  по инерции, а пол комнаты с  ускорением придвигался к ним. Достигнув  ключа и спички, пол испытал  бы их удар, а затем давление, т.к. инерция ключа и спички сказалась  бы при дальнейшем ускорении пола. Это давление (космонавты говорят  – «перегрузка») называется силой  инерции. Подобная сила всегда приложена  к телам в ускоренных системах отсчета.

     Если  ракета летит с ускорением, равным ускорению свободного падения на земной поверхности (9,81 м/сек), то сила инерции будет играть роль веса ключа  и спички. Их «искусственная» тяжесть  будет точно такой же, как естественная на поверхности Земли. Значит, ускорение  системы отсчета – это явление, вполне подобное гравитации.

     Наоборот, в свободно падающем лифте естественная тяжесть устраняется ускоренным движением системы отсчета кабины «вдогонку» за ключом и спичкой.

     Разумеется, классическая физика не видит в этих примерах истинного возникновения  и исчезновения тяжести. Тяготение  лишь имитируется или компенсируется ускорением. Но в ОТО сходство инерции  и тяжести признается гораздо  более глубоким.

     Эйнштейн  выдвинул локальный принцип эквивалентности  инерции и тяготения, заявив, что  в достаточно малых масштабах  расстояний и длительностей одно явление невозможно отличить от другого  никаким экспериментом.

     Таким образом, ОТО еще глубже изменила научные представления о мире. Потерял универсальность первый закон ньютоновской динамики – оказалось, что движение по инерции может  быть криволинейным и ускоренным. Отпала надобность в понятии тяжелой  массы. Изменилась геометрия Вселенной: вместо прямого евклидовского пространства и равномерного времени появилось  искривленное пространство-время, искривленный мир. Столь резкой перестройки воззрений  на физические первоосновы мироздания не знала история науки.

     Тем не менее, классическая механика поныне широко и плодотворно служит физике, технике, астрономии и никогда не потеряет своего огромного значения. Объясняется это сравнительной  простотой, удобством классических моделей и формул, их чрезвычайно  высокой точностью, близостью к  реальной природе.

     Только  там, где приходится иметь дело с  очень большими относительными скоростями тел (например, в современных ускорителях), либо с очень высокими концентрациями энергии и массы (ядерные процессы), либо с гигантскими гравитационными  полями (явления, разворачивающиеся  в непосредственной близости от звезд  или в масштабах всей Метагалактики), выходят на сцену эффекты СТО  и ОТО.

     Есть  астрономические события, объяснить  которые удается только с позиций  ОТО. Эти-то явления и доказали справедливость новой теории тяготения.

     Один  из примеров – луч света, проходящий около Солнца. И ньютоновская механика, и ОТО признают, что он должен отклониться к Солнцу (падать). Однако ОТО предсказывает вдвое большее  смещение луча. Наблюдения во время  солнечных затмений доказали правоту  предсказания Эйнштейна.

     Другой  пример. Ближайшая к Солнцу планета  Меркурий обращается вокруг светила  не по точному эллипсу, как предписано ньютоновской небесной механикой. Этот эллипс сам вращается – очень  медленно, на 43 угловые секунды за столетие. Именно такую орбиту дает вычисление по формулам ОТО.

     Замедлением времени в сильном гравитационном поле объясняют уменьшение частоты  световых колебаний в излучении  белых карликов – звезд очень  большой плотности. А в последние  годы этот эффект удалось зарегистрировать и в лабораторных условиях.

     Наконец, очень велика роль ОТО в современной  космологии – науке о строении и истории всей Вселенной. В этой области знания также найдено  много доказательств эйнштейновской теории тяготения.  
 

     Чёрная  дыра

     Чёрная  дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

     Граница этой области называется горизонтом событий, а её радиус (если она сферически симметрична) — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда:

     Существование чёрных дыр следует из точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1916 году.

       Вопрос о реальном существовании чёрных дыр в соответствии с данным выше определением во многом связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует.

     Поэтому наблюдательные данные анализируются  и интерпретируются прежде всего  в её контексте, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих  области пространства-времени в  непосредственной близости от чёрной дыры. Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования  чёрных дыр,  строго говоря, следовало  бы понимать в смысле подтверждения  существования объектов, таких плотных  и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как  чёрные дыры общей теории относительности.

     Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления  этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом в письме, которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов.

     На  протяжении XIX века идея тел, невидимых  вследствие своей массивности, не вызывала большого интереса у учёных. Это  было связано с тем, что в рамках классической физики скорость света  не имеет фундаментального значения.

     Представления о чёрной дыре как об абсолютно  поглощающем объекте были скорректированы С. Хокингом в 1975 году. Изучая поведение квантовых полей вблизи чёрной дыры, он предсказал, что чёрная дыра обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект называется излучением (испарением) Хокинга. Упрощённо говоря, гравитационное поле поляризует вакуум, в результате чего возможно образование не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица. Одна из частиц, оказавшаяся чуть ниже горизонта событий, падает внутрь чёрной дыры, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию (то есть часть массы) чёрной дыры.

     Представим  себе, как должно выглядеть падение  в чёрную дыру. Тело, свободно падающее под действием сил гравитации, находится в состоянии невесомости. В некоторый момент собственного времени тело пересечёт горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделен, однако возврата теперь нет. Тело оказывается в горловине, сжимающейся столь быстро, что улететь из неё до момента окончательного схлопывания уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света.

       Рассмотрим теперь процесс падения тела в чёрную дыру с точки зрения удалённого наблюдателя. Пусть, например, тело будет светящимся и, кроме того, будет посылать сигналы назад с определённой частотой. Вначале удалённый наблюдатель будет видеть, что тело, находясь в процессе свободного падения, постепенно разгоняется под действием сил тяжести по направлению к центру. Цвет тела не изменяется, частота детектируемых сигналов практически постоянна. Однако, когда тело начнёт приближаться к горизонту событий, фотоны, идущие от тела, будут испытывать всё большее и большее гравитационное красное смещение. Кроме того, из-за гравитационного поля как свет, так и все физические процессы с точки зрения удалённого наблюдателя будут идти всё медленнее и медленнее. Будет казаться, что тело — в чрезвычайно сплющенном виде — будет замедляться, приближаясь к горизонту событий и, в конце концов, практически остановится. Частота сигнала будет резко падать. Длина волны испускаемого телом света будет стремительно расти, так что свет быстро превратится в радиоволны и далее в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые уже будет невозможно. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго. Есть, однако, момент, начиная с которого повлиять на падающее тело удалённый наблюдатель уже не сможет. Луч света, посланный вслед этому телу, его либо вообще никогда не догонит, либо догонит уже за горизонтом. Для реального физического наблюдателя масса чёрной дыры увеличится на массу падающего тела, а значит радиус горизонта событий возрастёт и падающее тело окажется «внутри» горизонта событий за конечное время.

     Со  времени теоретического предсказания чёрных дыр оставался открытым вопрос об их существовании, так как наличие  решения типа «чёрная дыра» ещё  не гарантирует, что существуют механизмы  образования подобных объектов во Вселенной. Известны, однако, механизмы, которые могут приводить к тому, что некоторая область пространства-времени будет иметь те же свойства (ту же геометрию), что и соответствующая область у чёрной дыры.

     По  современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

• Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды (более чем 3,6 масс Солнца) на конечном этапе её эволюции.
• Коллапс центральной части галактики.
• Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.
• Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий — квантовые чёрные дыры.