ІІ.2. Простір і час у загальній теорії відносності та в релятивістській космології
Однією з причин створення загальної теорії відносності було бажання Ейнштейна позбавити фізику від необхідності введення інерціальної системи відліку. Ейнштейн акцентував увагу на одному важливому пункті, який залишився незачепленим. Мова йде про наступне положення спеціальної теорії відносності: "... двом обраним матеріальним точкам нерухомого тіла завжди відповідає певний відрізок певної довжини, незалежно як від положення та орієнтації тіла, так і від часу. Двом зазначеним показам годинника, що не рухається відносно деякої системи координат, завжди відповідає інтервал часу певної величини, незалежно від місця і часу ".
В загальній теорії відносності знаходить найбільш повне втілення уявлення про простір і час як форму існування матерії. Спеціальна теорія відносності не зачіпала проблему впливу матерії на структуру простору-часу, а в загальній теорії Ейнштейн безпосередньо звернувся до органічного взаємозв'язку матерії, руху, простору і часу.
Ейнштейн виходив з відомого факту про рівність інертної і гравітаційної мас. Він побачив у цій рівності вихідний пункт, на базі якого можна пояснити загадку гравітації. Проаналізувавши досліди Етвеша, Ейнштейн узагальнив його результат у принцип еквівалентності: "фізично неможливо відрізнити дію однорідного гравітаційного поля і поля, породженого рівноприскореним рухом ". Принцип еквівалентності, взагалі кажучи, не входить в структуру загальної теорії відносності. Він допоміг сформулювати основні принципи, на котрих базується нова теорія: гіпотези про геометричну природу гравітації та про взаємозв'язок геометрії простору-часу і матерії. Крім них Ейнштейн висунув ряд математичних гіпотез, без яких неможливо було б вивести гравітаційні рівняння: світ чотиривимірний, його структура визначається симетричним метричним тензором, рівняння повинні бути інваріантними відносно групи перетворень координат.
|
|
|
У роботі "Відносність і проблема простору" Ейнштейн спеціально розглядає питання про специфіку поняття простору в загальній теорії відносності. Відповідно до цієї теорії простір не існує окремо, як щось
протилежне "тому, що заповнює простір" і що залежить від координат. "Порожній простір, тобто простір без поля не існує. Простір-час існує не сам по собі, а тільки як структурна властивість поля ".
Для загальної теорії відносності досі актуальною є проблема переходу від теоретично до фізично спостережуваних величин. Теорія передбачила і пояснила три релятивіські ефекти: були передбачені і обчислені конкретні значення зміщення перигелію Меркурія, було передбачено і виявлено відхилення світлових променів зірок при їх проходженні поблизу Сонця, був передбачений і виявлений ефект червоного гравітаційного зсуву частоти спектральних ліній.
|
|
|
Доейнштейнівске уявлення про Всесвіт можна охарактеризувати наступним чином: Всесвіт нескінченний і однорідний в просторі і стаціонарний у часі. Вони були запозичені з механіки Ньютона - це абсолютні простір і час. Така модель здавалася дуже гармонійною і єдиною. Однак перші спроби додати до цієї моделі фізичних законів та концепцій призвели до неприродних висновків.
Вже класична космологія вимагала перегляду деяких фундаментальних положень, щоб подолати протиріччя. Таких положень в класичній космології чотири: стаціонарність Всесвіту, його однорідність і ізотропність, евклідовий характер простору. Проте в рамках класичної космології подолати протиріччя не вдалося. Модель Всесвіту, яка слідувала з загальної теорії відносності, пов'язана з ревізією всіх фундаментальних положень класичної космології. Загальна теорія відносності ототожнила гравітацію з викривленням чотиривимірного простору - часу.
Щоб побудувати працюючу нескладну модель, вчені змушені обмежити загальний перегляд фундаментальних положень класичної космології: загальна теорія відносності доповнюється космологічним постулатом однорідності та ізотропності Всесвіту. Суворе виконання принципу ізотропності Всесвіту веде до визнання його однорідності. На основі цього постулату в релятивістську космологію вводиться поняття світового простору і часу. Але це не абсолютні простір і час Ньютона, які хоча теж були однорідними і ізотропними, але в силу евклідового простору мали нульову кривизну. У застосуванні до неевклідового простору умови однорідності та ізотропності тягнуть сталість кривизни, і тут можливі три модифікації такого простору: з нульовою, негативною і позитивною кривизною. Можливість для простору і часу мати різні значення постійної кривизни підняли в космології питання скінченний Всесвіт чи нескінченний. У класичній космології подібного питання не виникало, тому що евклідовий характер простору і часу однозначно обумовлювали його нескінченність. Однак у релятивістській космології можливий і варіант скінченого Всесвіту - це відповідає простору позитивної кривизни.
|
|
|
Всесвіт Ейнштейна являє собою тривимірну сферу - замкнутий у собі неевклідовий тривимірний простір. Всесвіт Ейнштейна скінчений у просторі, але нескінченний у часі. Однак стаціонарність вступала у протиріччя із загальною теорією відносності, Всесвіт виявився нестійким і прагнув або розширитися, або стиснутися. Щоб усунути це протиріччя Ейнштейн ввів у рівняння теорії новий член за допомогою якого у Всесвіт вводилися нові сили, пропорційні відстані, їх можна представити як сили
|
|
|
тяжіння і відштовхування.
Подальший розвиток космології виявився пов'язаним не з статичною моделлю Всесвіту. Вперше нестаціонарна модель була розвинена А. А. Фрідманом. Метричні властивості простору виявилися змінними в часі. З'ясувалося, що Всесвіт розширюється. Підтвердження цього було виявлено в 1929 році Е. Хабблом, який спостерігав червоне зміщення спектру. Виявилося, що швидкість розбігання галактик зростає з відстанню і підпорядковується закону Хаббла V = H L, де Н - постійна Хаббла, L - відстань. Цей процес продовжується і в даний час. У зв'язку з цим постають дві важливі проблеми: проблема розширення простору і проблема початку часу. Існує гіпотеза, що так називання "розбігання галактик" – наочне позначення розкритої космологією нестаціонарності
просторової метрики. Таким чином, не галактики розлітаються в незмінному просторі, а розширюється саме простір.
Друга проблема пов'язана з початком часу. Витоки історії Всесвіту відносяться до моменту часу t = 0, коли відбувся так званий Великий вибух. В.Л. Гінзбург вважає, що "... Всесвіт у минулому перебував в особливому стані, який відповідає початку часу, поняття часу до цього
моменту позбавлено як фізичного, так і будь-якого іншого сенсу ".
У релятивістської космології була показана відносність скінченності і нескінченності часу в різних системах відліку. Це положення особливо чітко відбилося в уявленнях про "чорні діри".
С. Хокінс і Дж. Елліс зазначають: "Розширення Всесвіту в багатьох відносинах подібно колапсу зірки, якщо не рахувати того, що напрямок часу при розширенні зворотній ". Як "початок" Всесвіту, так і процеси в "чорних дірах" пов'язані з надщільним станом матерії. Незалежно від того, в якому стані космічний об'єкт перетнув відповідну сферу Шварцшильда,
далі він стрімко переходить до надщільного стану в процесі гравітаційного колапсу. Після цього від зірки неможливо отримати ніякої інформації, тому що ніщо не може вирватися з цієї сфери в навколишній простір - час:
зірка згасає для віддаленого спостерігача, і в просторі утворюється "чорна діра".
Між колапсуючою зіркою і спостерігачем у звичайному світі пролягає нескінченність, тому що така зірка знаходиться за нескінченністю у часі. Таким чином, виявилося, що простір - час в загальній теорії відносності містить сингулярності, наявність яких змушує переглянути концепцію просторово - часового континууму як якогось диференційованого різноманіття. Виникає проблема, пов'язана з поняттям про кінцеву стадію гравітаційного колапсу, коли вся маса зірки спресовується в точку (r = 0), коли нескінченна щільність матерії, нескінченна кривизна простору і т.д. Це викликає обґрунтований сумнів. Дж. Уітлер вважає, що в заключній стадії гравітаційного колапсу взагалі не існує простору - часу. С. Хокінг пише: "Сингулярність – це місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору – часу ”.
Цих уявлень дотримуються більшість сучасних космологів. На заключних стадіях гравітаційного колапсу поблизу сингулярності необхідно враховувати квантові ефекти. Вони повинні грати на цьому рівні домінуючу роль і можуть взагалі не допускати сингулярності. Передбачається, що в цій області відбуваються субмікроскопічні флуктуації матерії, які й складають основу глибокого мікросвіту. Все це свідчить про те, що зрозуміти мегасвіт неможливо без розуміння мікросвіту.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 574; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!