Время и относительность

4. Проблема пространства и времени в общей теории относительности А. Эйнштейна

Одной из причин создания общей теории относительности было намерение Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальных систем, как основополагающих систем отсчета.

Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и в специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который оставался ранее незатронутым.

Речь идет о следующем положении специальной теории относительности, согласно которому двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определённой длины, независимо как от положения и ориентации тела. так и от времени, а двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определённой величины, независимо от места и времени.

Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн уже  непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.

Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжёлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности: " физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением" (В.М. Найдыш. Концепции современного естествознания. – М., 2000. С. 262.).

Принцип эквивалентности носит локальный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности, но он помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория. Появились  гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.

Кроме них Эйнштейн выдвинул еще ряд математических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения: пространство четырехмерно, его структура определяется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат.

Главный смысл общей теории относительности, следовательно,  состоит в том, что пространство и время существуют не как особые отдельные от материи сущности, а как формы существования самой  материи.

Что касается Эйнштейна, то он об этом сказал так: "Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время" (А.Эйнштейн. Работы по теории относительности. – М., 1965. Т. 1. С. 370.).

Теория относительности предсказала и объяснила три общерелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перигелия Меркурия, было предсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Здесь необходимо отметить, что собственно экспериментальных подтверждений общей теории относительности, конечно, чрезвычайно мало. Это объясняется тем, что, несмотря на то, что согласие теории с опытом достаточно хорошее, однако чистота экспериментов в большинстве случаев нарушается множеством  различных сложных побочных влияний.

На основе ОТО были развиты два фундаментальных направления современной физики: геометризация гравитации и релятивистская космология, так как именно с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.

Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля предпринял Г.Вейль, но она была осуществлена за рамками римановской геометрии. В силу этого обстоятельства данное направление не привело к успеху.

Были также попытки ввести пространства более высокой размерности, нежели чем четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана: пятимерное, шестимерное и бесконечномерное пространственно-временные многообразия. Однако таким путём решить проблему также не удавалось.

На путях пересмотра евклидовой топологии пространства-времени была предложена и еще одна современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уиллера. В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики. При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порождаются данные геометрии и "расслаиваются" соответствующие пространства.

Основные постулаты релятивистской космологии можно представить в сравнении с доэйнштейновскими представлениями. Доэйнштейновские представления о Вселенной охарактеризуются так: Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени. Они были заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций не привели к естественным выводам.

Уже классическая космология потребовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть имевшиеся к тому времени противоречия в теории. Таких положений в классической космологии  было четыре: стационарность Вселенной, её однородность, ее изотропность и евклидность пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удавалось.

Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства-времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной.

Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к признанию ее однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, однако в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос, конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, так как евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала ее бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности. Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новую математическую величину, с помощью которой во Вселенной фиксировались новые силы, пропорциональные расстоянию, и их можно было представить как силы притяжения и отталкивания.

Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А.А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает, причем, этот процесс продолжается и в настоящее время.

В связи с этим  перед наукой встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема  существования начала времени. Сформировалась гипотеза,  согласно которой так называние "разбегание галактик" есть определенное обозначение  именно нестационарности пространственной метрики. Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство.

Вторая из обозначенных здесь проблем связана с представлением о начале времени. Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени (t = 0), когда произошёл так называемый "Большой взрыв". Согласно этой точке зрения, Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла.

В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях о "чёрных дырах". Речь идет об одном из наиболее проблемных явлений современной космологии – так называемом гравитационном коллапсе.

Как "начало" Вселенной, так и процессы в "чёрных дырах" связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда (условная сфера с радиусом r = 2GM/c, где G - гравитационная постоянная, М - масса). Независимо от того, в каком состоянии тело находится, далее оно стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе указанного гравитационного коллапса. После этого, например, от звезды невозможно получить никакой информации, так как ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время: звезда "потухает" для удалённого наблюдателя, и в пространстве образуется "чёрная дыра".

Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, так как такая звезда находится за бесконечностью во времени. Таким образом, оказалось, что пространство-время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно – временного континуума как некоего дифференцируемого "гладкого" многообразия.

Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку (r→0), когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д.

Но именно эти обстоятельства не могут не вызывать обоснованных сомнений. Так, Дж. Уиллер считает, что в заключительной стадии гравитационного коллапса вообще не существует пространства - времени.  А С. Хокинг полагает, что сингулярность есть такое  место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени (С. Хокинг. От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени. – М., 1990. С. 79.). Именно таких представлений  и придерживается  в настоящее время большинство современных космологов.

Заключение

Итак, исходя из вышесказанного, во времена Ньютона считалось, что свойства пространства и времени абсолютны, т.е. не зависят от наличия материальных тел, протекающих процессов и наблюдателей. Современная физика показала ограниченность таких представлений: геометрические свойства пространства и времени тесно связаны с наличием и расположением массивных тел, зависят от характера протекающих процессов и даже от состояния наблюдателя. В связи с этим сейчас принято говорить, что свойства пространства и времени относительны.

Связанные с этим проблемы разрабатываются многими естествоиспытателями. Уже получены перспективные научные результаты и ведутся дальнейшие плодотворные поиски. Еще не раз нам придется ломать свои устоявшиеся представления о пространстве и времени, но одно всегда останется неизменным: пространство и время объективны, они представляют собой всеобщие формы существования материи и так же, как материя, качественно бесконечны.

Список литературы

1.Аскин Я.Ф. Проблема времени: Её физическое истолкование. М., ред. 2010.

2. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании. М., ред. 2008. 3.Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2002.

4. Потемкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуре мира. Новосибирск, 1990.

5.Скопин А.Ю. Концепции современного естествознания. М., 2003.

6.Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания. М., 2002.

7. Хокинг С. От большого взрыва до чёрных дыр: Краткая история времени. М., 1990.

8. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I. Работы по теории относительности 1905-1920, М., 1965.

9.Концепции современного естествознания / Под ред. С.И. Самыгина. Ростов на - Дону, 2001.

10.Лучшие рефераты. Концепции современного естествознания. Ростов на - Дону, 2002.

24