Общий принцип относительности

Создание общей теории относительности является ве­личайшим достижением человеческой мысли. Если потреб­ность в создании специальной теории относительности бы­ла очевидна (новые экспериментальные факты не уклады­вались в старую систему физики), то в общей теории от­носительности не нуждался ни один эксперимент. Необхо­димости в новой теории не чувствовали и физики. Лишь сам Альберт Эйнштейн видел в частной теории относи­тельности пробелы, которые требовалось устранить. После опубликования частной теории относительности Эйнштейн посвящает многие годы созданию еще более общей теории.
Первая работа, в которой были изложены начала новой теории, опубликованная в 1911 г., носила название «Влия­ние силы тяжести на распространение света». В этой ра­боте еще содержались некоторые неточные положения. Основы общей теории относительности были разработаны только к 1916 г.

Создание общей теории относительности является ве­личайшим достижением человеческой мысли. Если потреб­ность в создании специальной теории относительности бы­ла очевидна (новые экспериментальные факты не уклады­вались в старую систему физики), то в общей теории от­носительности не нуждался ни один эксперимент. Необхо­димости в новой теории не чувствовали и физики. Лишь сам Альберт Эйнштейн видел в частной теории относи­тельности пробелы, которые требовалось устранить. После опубликования частной теории относительности Эйнштейн посвящает многие годы созданию еще более общей теории.
Первая работа, в которой были изложены начала новой теории, опубликованная в 1911 г., носила название «Влия­ние силы тяжести на распространение света». В этой ра­боте еще содержались некоторые неточные положения. Основы общей теории относительности были разработаны только к 1916 г.
Из каких же соображений Эйнштейн предпринял обоб­щение специальной теории относительности? Выше мы уже отметили, что ни одно явление природы не требовало этого непосредственно.
Вообразим, что мы заключены в камере, которая пере­мещается в мировом пространстве. Пусть на камеру дей­ствуют только силы притяжения небесных тел, которые суммируются в направленную определенным образом силу тяжести. Допустим, что камера под действием этой силы свободно движется. Но в свободно движущейся камере си­ла тяжести отсутствует (вспомним пример с лифтом). По­этому можно считать, что на камеру вовсе не действует сила тяжести, а она движется в мировом пространстве рав­номерно и прямолинейно 14, т. е. камера будет инерциаль­ным телом. Находясь в такой камере, мы можем наблюдать небесные тела. Однако, если они будут проноситься мимо нас, двигаясь неравномерно и криволинейно, то мы не бу­дем знать, отражает ли их движение неинерциальный ха­рактер движения камеры. Предположим, что в мировом пространстве свободно движется также другая камера. Спутники другой камеры тоже будут считать, что они движутся равномерно и прямолинейно. Мы же будем видеть их движущимися неравномерно. Все наши изме­рения будут показывать, что именно наша камера — инерциальная система. Путешественники в другой каме­ре будут утверждать то же самое относительно своей ка­меры.
На основании чего наблюдатель сможет сделать вывод, что он не движется в инерциальной системе? Может быть, ключом для решения этого вопроса послужит то, что при таком движении возникает дополнительная («искусствен­ная») сила тяжести? Но откуда наблюдатель может уз­нать, что он имеет дело именно с «искусственной» силой тяжести? Вполне возможно, что па него действует грави­тационное притяжение других тел.
Отсюда видно, Что понятия свободного тела и равномер­ного прямолинейного движения имеют искусственный ха­рактер. Естественно было бы строить новое учение о дви­жении без них.
Откажемся от предпочтительного отношения к равно­мерному и прямолинейному движению и вместо этого бу­дем говорить об естественном движении тел, которое про­исходит так, что наблюдатель, движущийся вместе с те­лом, не обнаруживает сил гравитационного притяжения прочих тел. Мы будем говорить, что тело движется естест­венно, когда в его ближайшей окрестности отсутствует гравитационное поле, порождаемое другими телами, и су­ществует лишь гравитационное поле самого тела і5. Закон инерции теперь придется заменить другим законом: тело движется естественно до тех пор, пока взаимодействие с другими телами не воспрепятствует этому естественному движению.
Такой закон инерции естественнее, чем закон, опираю­щийся на равномерное и прямолинейное движение. Равно­мерного и прямолинейного движения никто никогда не ви­дел, а естественное движение — повседневное явление. Естественно движутся небесные тела, искусственные спут­ники Земли, естественно движутся и свободно падающие тела (если не учитывать сопротивления воздуха).
Естественное движение, заменяющее в общей теории относительности понятие инерциального движения, не яв­ляется равномерным и прямолинейным. Отсюда следует, что предпочтение инерциальных систем теперь не имеет под собой никакой основы. Все системы отсчета, как бы они ни двигались, должны быть равноправными. Убедим­ся в сказанном с помощью логического рассуждения.
Представим себе, что во всем мире существует одно-единственное тело, которое мы и выберем за тело отсчета для описания происходящих на нем процессов. С точки зрения специальной теории относительности нам важно знать, будет ли это тело инерциальным или нет. Инер­циальное тело должно двигаться относительно инерциаль­ных систем равномерно и прямолинейно, не вращаясь при этом. Но можем ли мы говорить о вращении или неравно­мерном движении единственного тела? В действительности в случае одного тела бессмысленно пытаться отличать вращение от невращения, а также выделять равномерное и прямолинейное движение из всех возможных для тела движений. Если бы в мире было только одно тело, то все его движения были бы равноправными.
Если же в мире больше тел, чем одно (как это в дейст­вительности и есть), то можно говорить о вращении одно­го тела относительно другого, однако решить, какое имен­но тело вращается, а какое нет, мы все же не можем. В качестве критерия здесь никак нельзя использовать допол­нительную силу, появляющуюся при вращении, так как наблюдая ее в небольшой области пространства в тече­ние малого промежутка времени, согласно принципу эк­вивалентности, невозможно установить, вызвана ли она вращением, либо порождается притяжением других масс.
Таким образом, нет никаких оснований для предпочтения инерциального движения и инерциальных систем. При­веденные выше рассуждения ведут к одному и тому же результату: все системы отсчета должны быть равноцен­ными при описании процессов, происходящих в природе. Общий принцип относительности требует следующего: все законы природы должны быть сформулированы так, чтобы они были одинаково пригодными во всевозможных систе­мах отсчета. Иначе говоря, законы природы нужно сфор­мулировать так, чтобы любой наблюдатель, как бы он ни
двигался, нашел бы эти законы согласующимися с измере­ниями. Если основной принцип специальной теории отно­сительности говорит только о равномерном и прямолиней­ном движении систем, то общий принцип относительности допускает любые движения. В этом и состоит то обобще­ние, которое общая теория относительности дает по срав­нению со специальной теорией относительности.
Общая теория относительности считает равноправными все движения, поэтому ее можно назвать теорией относи­тельности движения в самом общем смысле, иначе — тео­рией относительности ускорения (все движения равно­правны независимо от их ускорения). Специальная тео­рия   относительности   была   теорией   относительности лишь скоростей — ускорение там считалось абсолютным. Следует подчеркнуть существенную разницу этих теорий. Скорость была относительной в специальной теории от­носительности потому, что нам не удалось обнаружить абсолютной скорости движения. Эффекты, обусловленные ускорением, как, например, появление дополнительной силы, мы можем обнаружить, но мы не можем знать, имеем ли дело с силой, вызванной ускорением, или с си­лой притяжения других тел (разумеется, в том случае, когда наблюдения проводятся в малой области простран­ства в течение короткого промежутка времени). Ускоре­ние   относительно   только   на   фоне   гравитационных явлений.  Поэтому общая теория относительности — это теория явлений природы, учитывающая гравитационное притяжение между телами, тогда как специальная теория относительности оставляет его без внимания. Отсюда ясно, что общая теория относительности не противоречит спе­циальной, а дополняет ее. Процессы, в которых сила тяже­сти не оказывает заметного влияния, следует изучать с помощью специальной теории относительности. Учет же силы тяжести всегда приводит к общей теории относитель­ности.