В общей теории относительности энергия и масса влияют на кривизну четырёх измерений Вселенной (= пространства-времени). Эта кривизна порождает гравитационную силу.
А везде пишут, что гравитация искривляет пространство.
В этом заключается одна из самых глубоких идей Общей теории относительности (ОТО). Давайте разберем это кажущееся противоречие.
Короткий ответ: Оба утверждения верны, но второе ("гравитация искривляет пространство") — это сильное упрощение первого, более точного. Правильнее говорить, что масса и энергия искривляют пространство-время, и это искривление проявляется для нас как сила гравитации.
Теперь подробнее:
1. Что говорит ОТО? (Точная формулировка)
Вы сформулировали это абсолютно точно:
· Источник: Масса, энергия, импульс, давление (обобщенно — тензор энергии-импульса) являются источником искривления.
· Что искривляется: Искривляется не трехмерное пространство и не время по отдельности, а единое четырехмерное пространство-время.
· Результат: Это искривление определяет геодезические линии — траектории, по которым движутся свободно падающие тела (например, планеты вокруг звезды или яблоко, падающее на Землю).
Таким образом, гравитация — это не сила в ньютоновском понимании (притяжение на расстоянии), а проявление геометрии искривленного пространства-времени. Тело движется по прямой линии (геодезической) в искривленном пространстве-времени, и для нас эта "прямая" выглядит как криволинейная орбита или ускоренное падение.
2. Почему же тогда "упрощают" и говорят про "искривление пространства"?
Есть несколько причин, почему в популярной литературе и даже в речи физиков часто используется эта упрощенная формулировка:
1. Наглядность (визуализация): Человеческому мозгу чрезвычайно сложно представить себе искривление 4-мерного континуума (3 пространства + 1 время). Гораздо проще и нагляднее изобразить двумерный лист (например, резиновый батут), прогнутый под тяжестью шара, и покатить по нему маленький шарик, имитируя "притяжение".
o Эта знаменитая картинка — лишь аналог, иллюстрирующий принцип, но не точное описание. Она показывает, как геометрия поверхности диктует движение объектов.
2. Пространственные эффекты доминируют: Во многих ситуациях (например, орбиты планет) именно искривление пространственной компоненты является наиболее заметным и важным для расчета траекторий. Искривление временно́й компоненты отвечает за гравитационное замедление времени.
3. Историческая инерция: Мы привыкли мыслить категориями пространства и сил. Фраза "искривление пространства" — это мостик между старым (ньютоновским) и новым (эйнштейновским) пониманием гравитации.
3. Почему важно учитывать искривление времени?
Игнорирование временной компоненты приводит к ошибкам. Именно ее искривление отвечает за эффекты, которые необъяснимы с точки зрения чисто пространственного искривления:
· Гравитационное замедление времени: Часы в гравитационном поле (у поверхности Земли) идут медленнее, чем часы в космосе. Это прямое следствие искривления временной компоненты метрики. Этот эффект критически важен для работы GPS-спутников.
· Движение света: Фотон, не имеющий массы, всё равно отклоняется гравитационным полем (например, от звезды). Он движется по своей геодезической в искривленном пространстве-времени. Если бы гравитация была лишь искривлением пространства, у безмассовой частицы не было бы причин отклоняться.
Итог: как правильно говорить?
Уровень точности
Формулировка
Строго и точно (как в ОТО)
Масса и энергия искривляют пространство-время. Движение под действием гравитации — это движение по геодезическим линиям в этом искривленном пространстве-времени.
Популярное упрощение (менее точно, но наглядно)
Масса искривляет пространство. Гравитация — это проявление этого искривления.
Гравитация — это геометрия 4-мерного пространства-времени, а не просто сила или искривление только пространства. Упрощение полезно для первого знакомства, но для глубокого понимания нужно всегда помнить о полной картине.