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.
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.
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.