Общая теория относительности

Пространство-время  ОТО и сильный  принцип эквивалентности

Часто неправильно  считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип  эквивалентности гравитационного  и инерционного поля, который может  быть сформулирован так:

Достаточно  малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой  же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы  отсчёта) системе отсчёта, погружённой  в плоское пространство-время  специальной теории относительности.

Иногда тот  же принцип постулируют как «локальную справедливость специальной теории относительности» или называют «сильным принципом эквивалентности».

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей  теории относительности и использовался  Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме  теории он, на самом деле, не содержится, так как пространство-время как  в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной  теории относительности является неискривленным -- плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Важно отметить, что основным отличием пространства-времени  общей теории относительности от пространства-времени специальной  теории относительности является его  кривизна, которая выражается тензорной  величиной -- тензором кривизны. В пространстве-времени специальной теории относительности этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

По этой причине не совсем корректным является название «общая теория относительности». Данная теория является лишь одной  из ряда теорий гравитации, рассматриваемых  физиками в настоящее время, в  то время как специальная теория относительности (точнее, её принцип  метричности пространства-времени) является общепринятой научным сообществом  и составляет краеугольный камень базиса современной физики. Следует, тем  не менее, отметить, что ни одна из прочих развитых теорий гравитации, кроме  ОТО, не выдержала проверки временем и экспериментом.

Основные  следствия ОТО

Орбита Ньютона (красная) и Эйнштейна (голубые) одной  планеты вращающейся вокруг звезды

Согласно  принципу соответствия, в слабых гравитационных полях предсказания общей теории относительности совпадают с  результатами применения ньютоновского  закона всемирного тяготения с небольшими поправками, которые растут по мере увеличения напряжённости поля.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности  стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом  порядке их первой проверки:

1. Дополнительный  сдвиг перигелия орбиты Меркурия  по сравнению с предсказаниями  механики Ньютона.

2. Отклонение  светового луча в гравитационном  поле Солнца.

3. Гравитационное  красное смещение, или замедление  времени в гравитационном поле.

Существует  ряд других эффектов, поддающихся  экспериментальной проверке. Среди  них можно упомянуть отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе -- Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселенной.

До сих  пор надёжных экспериментальных  свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. Отклонения измеренных величин  эффектов от предсказываемых ОТО  не превышают 0,01 % (для указанных выше трёх классических явлений). Несмотря на это, в связи с различными причинами теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к ОТО результаты при соответствующих значениях входящих в теорию 
 
 
 
 
 
 

Заключение

Общая теория относительности, в настоящее время -- самая успешная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности -- существования чёрных дыр

Так же, как  и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности  противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности, то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас  мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок.

О том, что  СТО действительно описывает  наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия  этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки «опровергнуть  СТО» обречены на провал потому, что  сама теория опирается на три постулата  Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена ньютонова  механика, а также на дополнительный постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета. Все  четыре не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных  измерений: лучше 10 ^{? 12}, а в некоторых аспектах -- до 10 ^{? 15}. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра -- единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически.