Можно ли, находясь в поезде, определить, идет он или стоит на месте? На первый взгляд вопрос странный: достаточно взглянуть в окно. Ну а если оно занавешено шторами или за окном полная темнота? Тогда о нашем движении скажет стук колес и покачивание вагона. Однако представим себе идеальный поезд: вагон движется беззвучно и мягко. В этом случае нет никакого ощущения движения, если оно равномерно и прямолинейно.
Но, может быть, убедиться в том, что вагон все-таки движется, позволит нам следующий опыт? Будем зажигать в одном конце вагона лампочку, а в другом конце регистрировать световой сигнал. По законам классической физики, если вагон движется навстречу направлению, в котором распространяется световой сигнал, то свет будет идти от одного конца до другого быстрее, чем в том случае, когда вагон неподвижен. Значит, скорость света в первом случае будет большей.
В начале XX в. был проведен подобный опыт
(естественно, более сложный). Результат оказался неожиданным: независимо
от того, движется вагон или нет, скорость света оказалась постоянной. Этот
факт противоречил представлениям классической физики. Немецкий ученый
Альберт Эйнштейн
Согласно теории относительности (ее также называют релятивистской теорией), скорость тела не может быть произвольно большой: никакое тело нельзя разогнать до скорости, равной скорости света. Причем с приближением к скорости света все более важную роль начинают играть специфические релятивистские эффекты. Один из них — замедление относительно неподвижного наблюдателя хода всех процессов в движущейся ракете. Этот эффект имеет заметную величину лишь при скоростях, близких к скорости света. При этом для наблюдателя, находящегося в ракете, все выглядит наоборот: относительно него будут замедленно идти все процессы на Земле.
Эффекты специальной теории относительности подтверждены многочисленными экспериментами. Целое направление современной физики — физика частиц, разогнанных на гигантских ускорителях до скоростей, приближающихся к скорости света, полностью основана на представлениях этой теории.
Вернемся к нашему примеру с вагоном. Мы рассмотрели идеальный случай: поезд движется прямо с постоянной скоростью. Но ведь на самом деле поезд идет с остановками. Всем знакомо ощущение резкого торможения: на нас действует сила инерции, которая тянет нас вперед, причем всем предметам в вагоне эта сила сообщает одинаковое ускорение. Именно таким свойством обладают силы гравитационного протяжения: все тела падают в пустоте с одинаковым ускорением (см. Гравитация). Сходство сил инерции и сил тяготения — независимость сообщаемых ими ускорений от массы тел — и дало Эйнштейну ключ к построению новой теории, являющейся обобщением закона всемирного тяготения И. Ньютона. Называется она общей теорией относительности. При этом закон тяготения Ньютона следует из общей теории относительности как приближение, справедливое в случае слабых гравитационных полей.
Таким образом, согласно общей теории относительности, движение в поле тяжести равносильно свободному движению по инерции. Иначе говоря, камень падает на Землю и планеты движутся вокруг Солнца, повинуясь только инерции. Но ведь в классической механике движение по инерции прямолинейно и равномерно, между тем планеты движутся по эллипсам, камень падает ускоренно. В чем же дело? А дело в том, что классическое понятие свободного движения относится к пространству, в котором нет никакой материи, к пустому пространству. Чем дальше от Солнца, тем действительно меньше его влияние, тем больше радиус орбит и меньше их кривизна. Чем дальше от Земли, тем меньше ускорение падающего на нее тела.
Но пространства, полностью лишенного материи, не существует. Нет оснований утверждать, что реальные свойства пространства и времени вблизи материальных тел совершенно такие же, как вдали от них. Эти свойства различны в разных точках пространства и могут изменяться со временем. Таким образом, закон тяготения Эйнштейна устанавливает связь между геометрией мира и находящейся в нем материей. Следствием этого закона является искривление пространства и изменение хода часов вблизи тяготеющих масс.
Изменение хода часов (под «часами» мы понимаем любой периодический процесс), помещенных в поле тяжести, заключается в том, что они будут идти несколько медленнее, чем вдали от гравитирующего тела. Возьмем в качестве часов естественные эталоны времени — частоты колебаний световых волн в атомах. Согласно общей теории относительности, атом в поле тяжести звезды испускает свет меньшей частоты, чем та, которая соответствует спектральной линии этого атома на Земле. Вследствие этого все линии в спектре звезды в очень сильном гравитационном поле сместятся к красному концу — наблюдается так называемое гравитационное красное смещение. Такой эффект действительно обнаружен.
Следующие из общей теории относительности эффекты: вековое смещение перигелия Меркурия и отклонение световых лучей вблизи Солнца — подтверждаются наблюдениями, при этом обычно эффекты общей теории относительности представляют собой малые поправки к предсказаниям ньютоновской теории.
Однако существуют условия, в которых общая теория относительности играет решающую роль. Такие условия осуществляются при гравитационном коллапсе; современная космология также основана на представлениях общей теории относительности.
