Ну, не в двух словах. А в двух очерках. И все равно коротко. Разумеется, обойдемся по-дилетантски без формул.
Излишне напоминать, что общая теория относительности (сокращенно ОТО) это теория гравитации, которую разработали А. Эйнштейн и Д. Гильберт.
В этом, вступительном очерке разберемся с тем, почему для гравитации потребовалась разработка особой новой теории.
А как же Ньютон?
В самом деле, ведь имеется же закон всемирного тяготения. С его помощью веками велись расчеты в астрономии, а потом и в космонавтике – с феноменальным успехом. Все слышали о нахождении новых планет по анализу возмущений орбит известных небесных тел, и прочем подобном.
Тем не менее, некоторые факты не укладывались в закон Ньютона:
- движение перигелия орбиты Меркурия (теоретически такого быть не должно);
- искривление лучей при прохождении вблизи Солнца. С ним вообще непонятно, как быть; и даже если принять свет за простой поток частиц вещества, все равно реальный эффект не сходился с расчетным.
Еще один сюжет, о котором не забывали физики со времен Ньютона: загадка равенства инертной и гравитационной масс. Оно проверено экспериментально с огромной точностью, но причина непонятна. Инертная масса это коэффициент пропорциональности между силой и ускорением; и какая тут связь с тяготением – явлением совершенно другой природы? Почему все тела падают в поле тяготения совершенно одинаково?
Правда, Галилей «объяснил» логически причину одинакового ускорения падающих тел. Доказательство Галилея ущербно, хотя найти дефект непросто.
Ошибка Галилея
Со времен Аристотеля считалось очевидным: чем больше масса, тем быстрее тело падает. Если так, то прилепим к тяжелому телу второе, легкое – какого результата ожидать?
- Суммарное тело увеличило массу, значит, должно падать быстрее.
- К телу присоединили другое тело, падающее медленнее, оно будет тормозить первое.
Пришли к противоречию, значит, Аристотель не прав.
Логика Галилея кажется безупречной. Но интуитивно понятно, что умозрительно такие вопросы не решаются. В чем ошибка?
В рассуждении используется неявное предположение, что движение определяется только одним параметром тела – массой. Конечно, Галилей знал о влиянии аэродинамики, но, видимо, сознательно от нее абстрагировался.
Однако достаточно ввести второй параметр (пример: движение зарядов в электрическом поле), как логика рассыпается.
В примере с падением тоже участвуют два параметра: инертная и гравитационная масса. По случайности это одно и то же, но об этом Галилей априори знать-то не мог...
Проблема с ускорением
Как ни странно, ситуация обострилась с появлением (и триумфом) специальной теории относительности (СТО). В рамки этой теории сила гравитации просто не лезла! Почему – сейчас разберемся.
Начнем с простейшего. По Ньютону напряженность гравитационного поля имеет чисто кинематическую природу: это ускорение свободного падения.
Возьмем тело, падающее в однородном поле тяготения. Его ускорение не может быть константой (иначе скорость со временем должна превзойти световую, что противоречит СТО). Получается, однородное поле неоднородно? Нонсенс.
И, кстати, неподвижное тело, помещенное туда, где первое снизило ускорение, начнет ведь ускоряться нормально!
Проблема с потенциальным полем
Изложенное выше не столь уж и фатально, можно выкрутиться. Настоящая проблема в другом – в специфике релятивистской динамики. Дело в том, что СТО вообще не допускает существования потенциальных силовых полей!
Заявление кажется странным. Все знают, что электрическое (статическое) поле потенциально: сила, действующая на заряд, зависит только от его координат. Но так обстоит дело лишь в одной определенной системе отсчета! При смене системы отсчета – сила будет уже зависеть и от скорости тоже. Появляется добавочная сила, пропорциональная скорости, направленная перпендикулярно к ней… узнаете? Ну да, электрическое поле приобретает магнитную составляющую. Не зря говорят, что магнитное поле есть релятивистский эффект.
Итак, никакое силовое поле в четырехмерном псевдоевклидовом пространстве СТО не может быть векторным… ну а каким же тогда? Ответ: тензорным, как и электромагнитное поле. Вдаваться в математику не будем, но если тяготение – поле сил, то для гравитационного поля должно действовать все то же, что и для электромагнитного. А значит, и уравнения типа электродинамических (уравнений Максвелла), только вместо плотности заряда явится теперь плотность «гравитационного заряда», то есть массы.
Нормально? Нет, опять выходит неувязка. В отличие от электрического, «гравитационный заряд» всегда положителен. Следовательно, напряженность поля (гравитационного) направлена от заряда. Одноименные заряды должны расталкиваться; в электродинамике так оно и есть. А ведь гравитирующие массы, наоборот, притягиваются!
Таким образом, гравитация никак не может являться силовым полем. Над данной проблемой физики ломали головы, пока Эйнштейн не предложил свою общую теорию относительности как теорию гравитации. К ней далее и перейдем.
(Продолжение впредь)
