Постулаты общей теории относительности

Введение

Теория относительности Альберта Эйнштейна была создана в начале ХХ века. Этот период в истории естественных наук знаменует начало формирования неклассической физики, которая в настоящее время во многом определяет характер современного естествознания. Как известно, в конце XIX – начале ХХ века в физике сложилась критическая ситуация, поскольку классические теории не могли объяснить целый ряд фактов, описанных к этому времени. Выходом из этой ситуации стало формирование ряда неклассических теорий, в основе которых лежал отказ от некоторых классических представлений.
Теория относительности, являющаяся наглядным примером неклассической теории, подразделяется на две основные части – специальную (частную) и общую теорию относительности. В первой части (специальной теории относительности) пересматриваются сложившиеся в классической науке представления об абсолютности пространства и времени. В основе теории относительности лежат представления о единстве пространства и времени, а также об их относительности, что проявляется в существовании так называемых релятивистских эффектов. Общая теория относительности – это геометрическая теория тяготения, в которой идеи специальной теории относительности распространяется на более широкий круг объектов.
Научное значение теории относительности А. Эйнштейна оказалось настолько велико, что ее уравнения и принципы используются не только в физических построениях, а играют принципиальную роль в современных космологических построениях, а также активно обсуждаются специалистами в области философии. Таким образом, спустя сто лет после опубликования теория относительности сохраняет свою актуальность и продолжает оставаться в центре внимания научного сообщества.
В связи с этим целью настоящей работы является краткая характеристика основных постулатов общей теории относительности.
Основные постулаты общей теории относительности

Общая теория относительности А. Эйнштейна, основные положения которой были опубликованы в 1916 г., известна также под названием «теория гравитации». В этом разделе теории относительности А. Эйнштейн распространил законы физики с инерциальных систем на неинерциальные.
Общая теория относительности основывается на трех постулатах.
Согласно первому постулату общей теории относительности, принципу относительности, инвариантность (то есть неизменность) законов природы в любых системах отсчета, распространяется на все виды систем отсчета (не только инерциальные, но и неинерциальные, то есть движущиеся с ускорением).
Согласно второму постулату общей теории относительности (известному также как принцип инвариантности скорости света), скорость света в вакууме одинакова для всех систем отсчета, иначе говоря скорость движения источника света или его приемника не влияет на скорость света в вакууме [3].
Согласно третьему постулату, кинематические эффекты, которые возникают при действии гравитационных сил, эквивалентны эффектам, которые возникают при действии ускорения. Этот постулат также известен как принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс.
Другими словами, возможности современной физики не позволяют в закрытой лаборатории отличить эффекты гравитации от эффектов ускорения. К примеру, в ракете, которая взлетает с ускорением 3g, экипаж будет испытывать ощущения, соответствующие действию утроенного поля тяжести Земли

. Аналогичным образом, наблюдатель в закрытом лифте не в состоянии определить действуют внутри лифта силы тяготения или же лифт движется с ускорением.
Из основных постулатов общей теории относительности можно сделать несколько важных выводов:
- зависимость свойств пространства-времени от материальных объектов;
- искривление лучей света при их прохождении вблизи тел со значительной массой;
- изменение от точки к точке в пространстве частоты света, исходящего из некого источника (например, звезды) [4].

Экспериментальные доказательства общей теории относительности

Теория относительности Альберта Эйнштейна была создана в начале ХХ века как теоретический труд и только спустя десятилетия после ее первого опубликования стали появляться экспериментальные доказательства справедливости ее основных положений. Сам А. Эйнштейн в 1916 году предложил три варианта экспериментальной проверки своей общей теории относительности, которые сейчас известны как классические тесты общей теории относительности.
Как уже отмечалось, согласно общей теории относительности, изменение пространственных (то есть геометрических) и временных характеристик тел может происходить не только в случае их движения с большими скоростями, как это было показано в специальной теории относительности, но также при нахождении в гравитационных полях. Иными словами, согласно общей теории относительности, реальное пространство имеет искривленный характер и должно соответствовать постулатам геометрии Римана [1].
В связи с этим, важным экспериментальным доказательством справедливости общей теории относительности являлось уточнение форм орбит планет солнечной системы, которые являются не эллипсами согласно 1-му закону Кеплера, а более сложными кривыми. Это явление получило название прецессии перигелия планет и должно быть наиболее заметным у Меркурия. Первоначально данный эффект был обнаружен ещё в 1859 году, однако его не могли объяснить до появления общей теории относительности. К настоящему времени этот эффект с высокой степенью достоверности описан астрономами, хотя даже у Меркурия угловое смещение эллипса составляет всего 43 угловые секунды за сто лет. Прецессии орбит других планет и астероида Икарус также находятся в согласии с предсказаниями А. Эйнштейна, хотя точность при определении этих эффектов на 1—1, 5 порядка хуже, чем в случае Меркурия [2].
Еще одним важным выводом общей теории относительности является регистрация замедления протекания времени в сильных гравитационных полях. Даже гравитационное поле Солнца, которое является относительно небольшой звездой, замедляет темп протекания времени, например, для радиосигнала на 0,0002 с. Подобные эксперименты проводили с 1966 г.
Еще один эффект, предсказанный общей теорией относительности, - гравитационное красное смещение, был экспериментально зарегистрирован в 1960 г. американскими физиками Р. Паундом и Дж. Ребки, которые измеряли сдвига частоты гамма-излучения и излучения лазера. В их опыте этот сдвиг с точностью до 1 % совпал с предсказанием Эйнштейна [4].

Значение общей теории относительности для развития космологии

Научную значимость общей теории относительности увеличивает также тот факт, что ее выводы легли в основу современных космологических моделей Вселенной