Сторінка
2

Теорія відносності: основні ідеї та філософські підвалини

За допомогою загального принципу відносності, відповідно до якого всі системи відліку, враховуючи й неінерційні, еквівалентні в описі природи, Ейнштейн підходить до вивчення ще одного виду польової матерії – гравітації. Вплив гравітаційного поля на рух тіл був відомий і раніше. Однак пов'язаний із загальною теорією відносності фундаментально новий результат полягає в тому, що гравітація діє на електромагнітне випромінювання. "У гравітаційних полях, – стверджує Ейнштейн, – світлові промені поширюються криволінійним шляхом". Цей теоретичний висновок становить інтерес для Эйнштейна в двох відношеннях.

По-перше, його можна перевірити експериментальним шляхом. Викривлення світлових променів у полі тяжіння, за підрахунками Ейнштейна, складає 1,75 кутові секунди. Це явище можна спостерігати під час повного сонячного затемнення. Нам буде здаватися, що зірки поблизу Сонця змістяться на дану величину стосовно свого дійсного положення. "Перевірка правильності цього висновку, – звертає увагу Ейнштейн, – являє собою завдання надзвичайної важливості й ми сподіваємося на швидке рішення її астрономами".

25 лютого 1952 року завдяки сонячному затемненню знову виникла можливість перевірити теорію Ейнштейна. Кілька груп учених вирушили до міста Хартум (Судан), щоб установити явище викривлення променів світла в гравітаційному полі за допомогою удосконаленої апаратури та більш точних методів виміру. У результаті вимірів американські вчені отримали величину 1,70 секунди. За Ейнштейном, основна цінність загальної теорії відносності полягає не в тому, що вона підтверджується малими ефектами, а в величезному спрощенні теоретичної основи, на якій виростає вся фізика. Однак не всі зуміли правильно оцінити ці обставини.

По-друге, факт викривлення світлового променя в полі тяжіння свідчить про те, що закон сталості швидкості світла в вакуумі складає одну з підвалин спеціальної теорії відносності, має відносний характер. Він порушує питання про межі застосування спеціальної теорії відносності.

Далеко не усі погоджувалися з ідеєю викривлення простору навколо Сонця при проходженні променів світла. Деякі слухачі залишали лекції Ейнштейна, невдоволено хитаючи головою.

Ейнштейнівська теорія гравітації дає задовільну інтерпретацію викривлення світлових променів у гравітаційному полі Сонця з позиції закону рівності важкої й інертної мас. З її допомогою вдається пояснити “дивне” поводження планети Меркурій. Був помічений повільний круговий рух його орбіти, що намагалися пояснити впливом на Меркурій важких планет, у першу чергу, Юпітера. Однак відповідні обчислення, засновані на ньютонівській теорії гравітації, не узгоджувалися з ефектом, що спостерігається. Класична теорія гравітації дане відхилення пояснити не могла. “Відповідно до загальної теорії відносності виходить, – пише Ейнштейн, – що еліпс орбіти кожної планети повинен обертатися навколо Сонця вищезазначеним методом і що це обертання для всіх планет, крім Меркурія, занадто мале, щоб його можна було помітити при сучасній точності спостережень".

У 1916 році Ейнштейн пророкує існування гравітаційних хвиль, досліджує їх властивості, механізм виникнення. Доводить, що гравітаційні поля (хвилі) поширюються зі швидкістю світла. Першу експериментальну спробу знайти гравітаційні хвилі здійснює американський фізик Джозеф Вебер за допомогою побудованих ним перших детекторів гравітаційних хвиль від неземних джерел (1968). Його досліди успіху не мали.

Невловимі, гіпотетичні гравітаційні хвилі стають фізично вимірною реальністю в найтонших експериментах доктора філософії по фізиці, співробітника лабораторії фізики плазми Прінстонського університету (США) Рассела Халсе (р. 1950) і професора фізичного факультету Прінстонського університету Джозефа Тейлора (р. 1941). Відкриття гравітаційного випромінювання (хвиль) відзначено Нобелівською премією (1993).

Але існує й інша проблема – прийом гравітаційних хвиль, що приходять з космосу. Ця задача технічно дуже складна. Для її вирішення необхідно мати гігантські фізико-технічні пристрої.

Загальна теорія відносності вносить істотний вклад у фізичне вчення про час і простір. З неї, наприклад, витікає, що “гравітаційне поле впливає і навіть визначає метричні закони просторово-часового континуума”. У загальній теорії відносності метрика і гравітація виявляються у певному розумінні тотожними, тому що вони, у кінцевому рахунку, визначаються розподілом мас.

Шістдесяті роки ХХ століття внесли новий імпульс у розвиток загальної теорії відносності. У 1963 році відкриті квазари. Властивості цих космічних об'єктів не укладалися в рамки існуючих уявлень. Квазари віддаляються від нас з дуже великою швидкістю і при цьому виділяють колосальну енергію, еквівалентну енергії, яка виділяється декількома звичайними галактиками. Сучасна наука поки що не в змозі дати однозначну відповідь на питання про природу і поводження подібних астрофізичних об'єктів.

У 1967 році англійські вчені Е. Хьюіш і Д. Белл із Кембриджу знайшли космічні утворення, які мають назву пульсари. Ці екзотичні об'єкти випромінюють електромагнітні хвилі великої інтенсивності через строго визначені інтервали часу. Передбачається, що пульсар – це нейтронна зірка. Відкриття пульсарів свідчить про те, що зірки, як і Всесвіт у цілому, еволюціонують. Їхній якісний стан змінюється під впливом гравітації.

Проблема існування світу – Всесвіту, його еволюція, виявлення таких властивостей як безкінечність і скінченність, необмеженість і обмеженість завжди знаходилися в центрі уваги філософів, математиків, фізиків. Космологічні проблеми з особливою гостротою постали перед дослідниками в зв'язку зі створенням загальної теорії відносності.

Ейнштейн розглядає світ у його просторовій протяжності як замкнутий. Методологічна ідея, а точніше гіпотеза про замкнутий Всесвіт складає суть теорії тяжіння, це одне з найбільш радикальних припущень у науковому пізнанні взагалі. Виходячи з астрономічних вимірів, висувається положення про те, що така характеристика матерії як густина, є величиною сталою у всьому Всесвіті.

Творчо розвиваючи ідеї Ейнштейна, геніальний радянський фізик і математик Олександр Олександрович Фрідман (1888-1925) приходить до нестаціонарної, динамічної моделі Всесвіту: до гіпотези замкнутого в собі світового простору, радіус кривизни якого змінюється в часі (1922). Це означало новий етап у розвитку космологічних аспектів загальної теорії відносності.