Элементы общей теории относительности - Зельманов А.Л.
ISBN 5-02-014064-3
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, ньютонову гравитационную теорию можно рассматривать как расширение, распространение или обобщение ньютоновой механики на область гравитационных явлений. Уравнения ньютоновой гравитационной теории содержат мировую постоянную - ньютонову постоянную тяготения у. Этим уравнениям можно придать такую форму, что, положив в них 7 = 0, мы исключим из рассмотрения гравитационное взаимодействие и вернемся к уравнениям ньютоновой механики.
Итак, мы имеем два чрезвычайно обширных круга физических явлений, охватываемых соответственно ньютоновой механикой и ньютоновой гравитационной теорией, к которым применимы ньютонианские представления: ньютонова механика охватывает негравитационные явления, ньютонова гравитационная теория - явления гравитационные или хотя бы протекающие при участии гравитационного взаимодействия. В рамках этих представлений были первоначально построены, кроме статистической физики, основанной на законах ньютоновой механики, и такие теории, как термодинамика и электродинамика, включающая электромагнитную теорию света.
В начале XX века было понято, что существующие физические теории приближенны, не обладают всеобщей применимостью и не охватывают всего многообразия физических условий и явлений в мире. Для круга негравитационных явлений было установлено, что при распространении света и при движении частиц со скоростями, не малыми по сравнению со скоростью распространения света в вакууме, обнаруживается неточность основных представлений ньютоновой механики и оказывается необходимой более точная теория пространства и времени, получившая название частной, или специальной, теории относительности.
6 3. Специальная теория относительности. СТО можно рассматривать как обобщение основных представлений ньютоновой механики на область больших скоростей. Формулы СТО также содержат мировую постоянную -так называемую фундаментальную скорость с, или, лучше сказать, обратную ей величину 1 /с. Скорость с есть предельная скорость взаимодействия и одинакова для всех систем отсчета. Скорость света в вакууме совпадает с фундаментальной скоростью. Уравнениям механики СТО можно придать такую форму, что, переходя в них к пределу 1 /с 0, мы получим уравнения ньютоновой механики. Этот переход означает переход к рассмотрению только таких явлений, в которых скорость движения частиц v намного меньше фундаментальной скорости с (v/c<\, случай медленных движений частиц).
Переход к специальной теории относительности влечет за собой не просто количественное уточнение ньютоновой теории и ее уравнений, но также -и прежде всего — качественное их усложнение, связанное с введением новых представлений и понятий.
В основе СТО лежат два экспериментально установленных факта:
а) невозможно обнаружить равномерное поступательное движение системы в свободном пространстве, т.е. утверждается физическая равноправность всех инерциальных систем отсчета;
б) существует конечная инвариантная (т.е. одинаковая во всех системах отсчета) предельная скорость распространения взаимодействия (фундаментальная скорость).
Из этих фактов вытекают представления о том, что:
не существует абсолютной системы отсчета и абсолютной одновременности;
существует относительность одновременности (два события, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в другой системе отсчета) , а также относительность промежутков времени и длины.
На основании этих утверждений специальная теория относительности неизбежным образом вводит понятия четырехмерного пространственно-временного континуума (пространства-времени), обладающего исевдо-евклидовой метрикой, и пространственно-временного интервала, не зависящего от выбора системы отсчета, т.е. представление об абсолютном характере некоторых пространственно-временных величин (при относительном характере величин чисто пространственных и чисто временных).
Электродинамика, получившая соответствующие уточнения, естественным образом вошла в рамки представлений специальной теории относительности. Механика привела к новым представлениям, в частности к установлению зависимости массы тела от скорости его движения, пропорциональности энергии тела его массе и понятию энергии покоя. Впоследствии в рамки СТО была включена и термодинамика, претерпевшая при этом соответствующие изменения.
СТО непосредственно не охватывает гравитационных явлений, а ньютонова гравитационная теория недостаточна в применении к быстрым движениям, а потому и к сильным полям тяготения, так как они могут приводить за короткое время к значительному увеличению скорости движения тел. Более того, специальная теория относительности и ньютонова теория тяготения логически противоречат друг другу, так как первая не до-
7 пускает распространения взаимодействия со скоростью, превышающей фундаментальную, а вторая включает в себя идею мгновенного, т.е. осуществляющегося с бесконечной скоростью, распространения гравитационного взаимодействия.
Теорией, устраняющей это противоречие и применимой при сочетании быстрых движений с гравитационными явлениями, явилась так называемая общая теория относительности (ОТО), точнее, теория тяготения Эйнштейна. (Общая теория относительности в обычном понимании включает в себя теорию тяготения Эйнштейна и теорию неинерциальных систем отсчета без полей тяготения. Однако мы под общей теорией относительности будем понимать лишь эйнштейнову гравитационную теорию, поскольку теорию неинерциальных систем отсчета мы включаем в специальную теорию относительности.)
