Читать книгу Есть ли жизнь внутри черных дыр? - В. А. Березин - Страница 7

Большую роль в создании Общей теории относительности сыграл принцип эквивалентности, согласно которому однородное гравитационное поле эквивалентно ускорению. Расскажем подробнее, что это значит.

Понятие скорости, наверняка, вам хорошо известно. Это расстояние, пройденное за единицу времени. Например, число километров, проходимое автомобилем за один час, показывает его среднюю скорость в «километрах в час». На промежуточных участках пути движение может происходить равномерно с постоянной скоростью, когда за одинаковые интервалы времени тело проходит равные расстояния. Но прежде, чем двигаться равномерно, автомобиль разгоняется, его скорость возрастает. Если скорость изменяется, то говорят, что тело ускоряется или замедляется. Разгоняющееся ускоренное тело перемещается не равномерно, а все быстрее и быстрее. За каждый следующий интервал времени оно проходит больший путь, чем за предыдущий. Например, за первую секунду оно проходит один метр, за вторую – четыре метра, и затем все больше и больше. Либо, наоборот, тело замедляется, то есть имеет отрицательное ускорение. Также ускоренным может быть движение с постоянной по величине скоростью, но по искривленной траектории. Например, при движении тела с постоянной скоростью по окружности, тело имеет ускорение по направлению к центру окружности.

Ускорение эквивалентно гравитации. Поле тяготения в ускоряющемся лифте неотличимо от поля тяготения Земли.

Классическая иллюстрация принципа эквивалентности – это лифт. Рассмотрим две ситуации. В первом случае вы находитесь в неподвижном лифте в поле тяготения Земли. Во втором случае вы далеко от Земли и других массивных тел – в далеком космосе. Но при этом вы стоите в равномерно ускоряющемся лифте или в разгоняющейся ракете. Если ускорение плавное без тряски и вибрации, то в закрытом лифте вы не сможете различить эти два случая. Пол лифта будет одинаковым образом давить снизу на ваши ноги. Таким образом, ускорение может имитировать гравитационное поле. Эйнштейн же сделал вывод, что это не просто имитация, а что гравитационное поле и ускорение – это одно ито же!

Как же так, спросите вы, ведь вдоль поверхности Земли нет никаких ускоряющихся лифтов. Как же поле Земли и лифт могут быть одним и тем же? Не будь поверхности Земли, мы падали бы к центру Земли с ускорением. Это было бы свободное падение, и мы испытывали бы невесомость. Но поверхность давит нам на ноги, создавая ускорение в обратном направлении. В результате мы стоим неподвижно относительно поверхности Земли. Вот это ускорение, которое мы получаем от поверхности, и является эквивалентом гравитационного поля. Если вспомнить про искривленное пространство – время, то можно сделать вывод, что поверхность все время сталкивает нас с траектории свободного движения, мы движемся не по геодезической пространства – времени. Хотя относительно поверхности Земли мы неподвижны, относительно свободно падающей системы отсчета мы движемся ускоренно, словно в непрерывно ускоряющемся лифте.

Ускорение может не только создать, но и уничтожить или скомпенсировать гравитационное поле массивного тела. Свободно падая в гравитационном поле, мы будем ощущать невесомость, отсутствие веса. При этом мы движемся ускоренно по отношению к неподвижно расположенным на поверхности Земли телам. Это значит, что в закрытом лифте или в ракете без иллюминаторов мы не имеем возможности определить, падаем ли мы в гравитационном поле или просто свободно парим в пространстве вдали от источников тяготения.

Окружающие нас тела падают в гравитационном поле с одним и тем же ускорением, из-за чего при падении и возникает ощущение невесомости. Например, голова и рука падают одинаково, поэтому никакая часть тела не давит на другую, а это и есть невесомость. Независимость ускорения свободного падения от массы и химического состава тела установил Галилео Галилей, сбрасывая, по легенде, разные предметы с наклонной Пизанской башни. Сейчас принцип эквивалентности проверен в эксперименте с высочайшей точностью. С точки зрения ньютоновской теории, принцип эквивалентности формулируется как равенство инертной и гравитационной масс. Масса, входящая во 2—й закон Ньютона, и масса, входящая в силу тяготения, – это одна и та же масса. Поэтому все тела падают с одинаковыми ускорениями. Эквивалентность гравитации и ускорения относится не только к механическим движениями тел, но и вообще ко всем физическим явлениям. Это более сильная формулировка принципа эквивалентности, и пока на опыте не было замечено никаких его нарушений.

В свободно падающей системе отсчета выполняются хорошо известные законы Специальной теории относительности. Поэтому существует простой способ узнать, как то или иное явление протекает в гравитационном поле. Нужно сначала перейти мысленно от исходной к свободно падающей системе отсчета, а это можно сделать в любой точке пространства – времени, за исключением сингулярностей (о них мы расскажем позже). После перехода можно легко на основании Специальной теории относительности описать физическое явление или процесс и затем выразить его найденные характеристики через искривленные координаты исходной системы отсчета. Таким путем Специальная теория относительности связана с Общей теорией относительности. Специальная теория относительности действует локально в свободно падающих системах отсчета.

Следует отметить, что ускорение эквивалентно гравитации, как правило, лишь локально, в малых участках пространства. Нельзя, например, с помощью ускорения одного лифта скомпенсировать все гравитационное поле Земли, так как сила притяжения Земли направлена к ее центру, силы в разных точках вдоль поверхности Земли не параллельны, и поэтому ускорение в одном направлении не может скомпенсировать их все. Кроме того, существуют явления, такие как угловой момент или спин элементарной частицы, которые могут чувствовать кривизну пространства – времени даже в одной точке. Поэтому необходимо уточнить, что не всякое гравитационное поле эквивалентно ускорению.

Принцип эквивалентности сыграл важную роль при создании Общей теории относительности. Он послужил Эйнштейну прекрасной подсказкой и путеводной нитью. Но сейчас принцип эквивалентности уже не кладется в основу Общей теории относительности при ее формулировке. В более строгом подходе утверждается, что наше пространство – время описывается римановой геометрией, и в некоторых частных случаях выполняется принцип эквивалентности. Выполняется он либо точно, но только для однородного поля, либо приближенно в малом масштабе.