Теория Относительности в понятном изложении. Часть 2

[evalinger]

И снова проблема

Разработав СТО и превосходно описав в её рамках базовую механику и электродинамику, Эйнштейн, однако, снова столкнулся с вопросом: «что за фигня?». И фигня эта была в гравитации. Уж и ёж опять показали свой звериный оскал: СТО решительно отказывалась скрещиваться с гравитационными силами. Принудить зверьков к спариванию малой кровью не удалось. Чтобы побороть проблему, Эйнштейну пришлось на протяжении семи лет насиловать свой мозг и разработать чудовищно сложную теорию гравитации, называемую Общей Теорией Относительности.

Суть проблемы

По старичку Ньютону гравитация описывалась как полевое силовое взаимодействие: каждый объект, имеющий массу, порождает вокруг себя силовое гравитационное поле, которое действует силой притяжения на прочие тела, обладающие массой. Важный момент тут в том, что гравитация - это сила. И тут свет снова начал выпендриваться: он опять не укладывался в картинку (за что боролись, на то и напоролись). Свет же был электромагнитной волной, то есть полевой структурой, не обладающей массой, то есть сила тяжести по Ньютону просто не могла на него действовать: нет массы - нет и силы, которая могла бы на массу действовать. А если бы сила тяжести не действовала на свет, то лесом пошли бы законы сохранения.
«Да когда же хрень, наконец, исчезнет?!» - возопил про себя Эйнштейн и опять принялся думать.

«А ведь гравитация - довольно странная штука», - додумался в какой-то момент Эйнштейн. И были все причины так полагать. С давнего времени учёных сильно интересовал один вопрос: «почему гравитационная масса совпадает с инертной?». Ещё Галилей (по легенде) измерял время падения двух тел разных масс с верхнего этажа Пизанской башни до уровня земли; однако точно известно, что он измерял время качения двух шаров по наклонной плоскости, и в пределах погрешностей эксперимента эти два тела одновременно касались земли. Получается, что тела, обладающие разной массой, падают в гравитационном поле ровно с одним и тем же ускорением. Ньютон зафиксировал этот факт в своих уравнениях так, что масса тел входит в формулу силы тяжести, и, когда речь заходит об определении пути, пройденного телом в поле гравитации, его масса просто сокращается в числителе и знаменателе и не участвует в расчётах. То есть, неважно, какие массы у падающих в поле тяжести тел - при одинаковых начальных условиях они будут двигаться абсолютно идентично.
«А ведь это очень не похоже на действие обычной силы, - подумал снова Эйнштейн. - Ведь сила тем меньше действует на тело, чем больше его масса. Ну по самому определению. Что-то тут явно не так!». Воспалённый гениальностью мозг сделал ещё один головоломный кульбит и задал самому себе эпичный вопрос, из которого всё и выросло: «а есть ли сила?»

Мысленный эксперимент с лифтом

Как мы узнаём, что на нас действует сила? Это довольно легко обнаружить: например, сидя в разгоняющейся машине, мы явственно чувствуем, как нас вжимает в кресло. Когда мы уже разогнались и едем равномерно и прямолинейно - ничего нас в кресло не вжимает. Проезжая по идеально гладкой дороге, мы чувствуем себя ровно так же, как если бы машина стояла неподвижно (разве что с работающим двигателем) - никаких отличий нет. То, что нет никаких отличий, находит своё выражение в равноправии инерциальных систем отсчёта: при равномерном прямолинейном движении все процессы и законы протекают абсолютно одинаково, невозможно поставить физический эксперимент, который смог бы отличить одну ИСО от другой. Что мы будем чувствовать, если нас поместят в ИСО? А чувствовать мы будем невесомость - нас не будет тянуть ни в какую сторону ни с каким ускорением: висим себе неподвижно на месте и висим.
«Как странно, - заметил Эйнштейн. - Ведь если поместить человека в свободно падающий лифт, он как раз будет чувствовать невесомость. То есть не сможет, не выглядывая из лифта, определить, падает он свободно в гравитационном поле или висит неподвижно (двигается равномерно и прямолинейно) глубоко в космосе вдали от всяких гравитирующих масс». Странным выходило и другое: если лифт в гравиполе зафиксировать, застопорить на этаже, то человек в нём будет чувствовать себя так, как будто на него действует ускорение. То есть, проводя физические эксперименты внутри лифта, он находил бы их результаты в точности такими же, как если бы он двигался под действием ускорения в далёком космосе вдали от гравитирующих масс: его будет вдавливать в пол кабинки некая сила, подобно тому как вдавливает нас в кресло ускоряющегося автомобиля.
«Но если свободно падающую в гравиполе систему отсчёта невозможно физическими экспериментами отличить от движущейся равномерно и прямолинейно (инерциальной), то может быть она и движется равномерно и прямолинейно (является инерциальной)?» - задал себе вопрос Эйнштейн и был, как всегда, чертовски сообразителен.
Искривление пространства-времени

«Стоп, стоп, стоп! - возразит на этом месте здравомыслящий обыватель. - Как это? Тело, свободно падающее в гравиполе, никак не может двигаться равномерно и прямолинейно! Это легко доказать, кинув камень под углом к горизонту: траектория его полёта будет далека от прямолинейной, а движение - от равномерного, это же очевидно!». Эйнштейну было до «пятой точки», что там видно, и начхать на обывательское здравомыслие. Раз никакие приборы в теле не могут отличить свободное падение от равномерного прямолинейного движения, значит, оно и есть равномерное прямолинейное! Но почему же тогда в итоге мы наблюдаем кривую линию полёта?
Неизвестно, была ли сама концепция целиком стырена Эйнштейном у Римана, который творчески развил Лобачевского, или он допёр до основ самостоятельно, а проработкой математики просто воспользовался, но однозначно то, что математику подобного вопроса разработали именно Риман-Лобачевский ещё задолго до Эйнштейна. Такое расчудесное чудо может иметь место, если искривлена не траектория полёта камня, а искривлено само пространство-время, в котором камень движется. Такое пространство называется уже пространством Римана и представляет собой намного более жёсткую вещь, чем пространство Минковского. Тут следует напомнить, что когда к Эйнштейну начали присматриваться санитары из ближайшего дурдома, он смог снять с себя все подозрения в психозе, сославшись на математику Лобачевского, чем объяснил психиатру, что у математиков уже давно принято пороть такую вот муть, и стационарного лечения ему не требуется.

Что значит искривлено?


Туманная аналогия.
По поверхности яблока ползут два муравья. Каждый из них равномерно перебирает лапками, целеустремленно двигаясь вперёд и никуда не поворачивая. Муравьи начали движение из одной точки яблока в разные стороны. Через какое-то время они могут с удивлением обнаружить, что их пути пересеклись, хотя они и начинали ползти в разные стороны равномерно и прямолинейно.
Примерно подобным образом выглядит путь камня, брошенного под углом к горизонту: несмотря на то, что он разошёлся с поверхностью Земли в начале полёта, несмотря на то, что он весь полёт двигался равномерно и прямолинейно, как и Земля, их пути в какой-то момент снова пересекаются в искривлённом четырёхмерном пространстве-времени: камень падает на Землю.
Другая туманная аналогия.
Берём резиновую бабу мембрану (идеально - очень тонкий презервативный латекс), натягиваем параллельно земле (сорри за рекурсию, зато эксперимент сможет повторить кто угодно). Кладём в центр что-нибудь тяжёлое, например, апельсин. Мембрана прогнётся вниз. Собственно, мы и видим то самое искривление пространства, правда, двухмерного, но суть от этого не меняется. Если теперь равномерно и прямолинейно запустить по мембране шарик (желательно вымазав в краске, чтоб траектория отпечаталась), то его траектория будет на мембране нифига не прямолинейной, а искривлённой. Можно даже добиться эффекта спутника, когда шарик будет кататься вокруг апельсина в центре и в итоге на него «упадёт» (силу трения никто не отменял). А если катнуть шарик из центра (от апельсина) под небольшим углом к касательной, то получим как раз нашу любимую баллистическую кривую из предыдущего примера.
Данный пример до кучи иллюстрирует и искривление пространства самим мелким шариком (под его весом мембрана тоже прогнется, но намного меньше).
А двойную звезду легко себе представить, запустив два больших шарика (апельсин слишком плохо катается) навстречу друг другу параллельными курсами. При правильном подборе начальных скоростей они начнут вращаться вокруг одного «центра тяжести». Таким образом, этот пример является плоской иллюстрацией искривления пространства гравитационным полем.
Чтобы представить это искривление в объёме, достаточно мысленно представить не прогнувшуюся мембрану, а некое поле, которое имеет бо́льшую плотность у шарика и рассеивается во все стороны (то есть следует оперировать не глубиной, а плотностью).
И так далее, у кого на что фантазии хватит.
Стоит заметить, что аналогии действительно туманные. В примере с презервативной мембраной на тела, которые по ней катятся, всё-таки действуют реальные физические силы (реакция опоры). В примере с яблоком двумерная поверхность плода вложена в привычное трёхмерное пространство, и можно тоже сделать ложные выводы. Искривлённое пространство же никуда не вложено и не действует никакими силами. Просто в нём кратчайшее расстояние между двумя точками может отличаться от прямой линии, а параллельный перенос отрезка по замкнутому контуру легко может не совпасть с исходным отрезком.
Что же искривляет пространство и время? Согласно ОТО, его искривляет наличие в нём массы (более точно - энергии-импульса). Наличие массы делает с пространством такую вещь, что расстояние между двумя точками меняется со временем (тоже туманная аналогия, ибо пространство и время ещё и взаимосвязаны, как в СТО, и довольно трудно говорить: «пространство меняется со временем», для этого надо вводить систему координат и строить изохронные сечения.
Таким образом, лучик света, пролетая мимо массивного тела:

1.Не испытывает действия никаких сил и летит равномерно и прямолинейно.

2.Но расстояние между ним и массой меняется из-за наличия искривляющей пространство-время массы, что приводит к тому, что путь света отклоняется от прямой линии.

Такая пертурбация элегантно расправилась с проблемой света в гравиполе и с вопросом «почему все тела падают в нём с одинаковым ускорением, независимо от массы». А именно: никакого падения нет, просто пространство искривлено - двигаясь в нём равномерно и прямолинейно, при одинаковых начальных условиях, тела полетят одинаково. Действительно, никакой зависимости от массы равномерное прямолинейное движение не имеет, а то, что пространство-время искривлено.

Роль СТО в рамках ОТО

Являясь предельным случаем Общей теории относительности, СТО довольно неплохо описывает процессы, если силами гравитации можно пренебречь. Другими словами, при отсутствии значимо гравитирующих масс искривленное пространство-время Римана вырождается в плоское пространство-время Минковского.

Наезды на СТО


СТО не была принята «на ура» сразу же, как только была опубликована. Даже Лоренц, хотя в своих лекциях читал про матан СТО, который сам же и придумал, но интерпретацию Эйнштейна не разделял и до конца жизни верил в эфир. Так называемые парадоксы СТО тоже были придуманы в десятых-двадцатых годах прошлого века для троллинга новой теории, впрочем примерно в это же время и были разрешены. Отрицали-критиковали СТО немало винрарных для своего времени учёных: Тесла, Жуковский, Ленард, Штарк, Дж.-Дж Томсон.
Отдельного внимания заслуживает критика в среде советских учёных. Ввиду того, что некоторые особо одарённые представители дорелятивистской физики и советской философии увидели в ТО чертовщину и якобы противоречие с ньютоновской механистической определённостью мира и материализмом (хотя никаких предпосылок для подрыва материализма сам Эйнштейн или его труды не давали), труЪ-материалисты и поддержавшие их за компанию партийные коммунисты стали опасаться этого и принялись на всякий случай поносить ТО или отдельные её аспекты на чём свет стоит. Особо выделился в этом некто Тимирязев, отрицавший также и квантовую механику; самоучка из Калуги отвергал релятивистскую космологию и ограничение на скорость движения, подрывавшее его планы по заселению космоса [3];
Немалое количество философов сделали академическую карьеру на критике современной физики: так, «специалист» по философским проблемам естествознания Омельяновский написал аж несколько монографий по поводу и стал-таки академиком АН УССР и член-корреспондентом АН СССР. Некто, А. А. Максимов, член-корреспондент АН СССР и профессор философского факультета МГУ, выступил против реакционных измышлений Эйнштейна аж в 1952 году в газете «Красный космический флот», в связи с чем попавшие под раздачу физики деликатно обратились к Лаврентию Павловичу… Который, кроме того что был начальником кровавой гэбни, по совместительству являлся руководителем атомного проекта. Более подробно об истории взаимоуважительных отношений физиков и философов, физиков и партии и физиков между собой можно почитать в книге А. С. Сонина «Физический идеализм: история одной идеологической кампании».

Значимость

Вне зависимости от научных заслуг Эйнштейна, его заслуги в области пиара неоспоримы. Именно после Эйнштейна учёным стал считаться тот, у кого сумасшедшие глаза и дико нестриженная причёска. На стене личной комнаты почти любого американского тинейджера красуется два портрета - Эйнштейн с высунутым языком и Памела Андерсон с голыми сиськами. Причём, вместо Памелы могут висеть другие дамы, но вот Эйнштейн в данном случае - величина постоянная. Однако к середине-концу 1980-х Эйнштейн стал непопулярен, сдал позиции и был заменён (не дополнен, а именно выпилен и заменён) сначала на разных Пугачёвых и рекламы совковых тачек в окружении камвхор.
Под влиянием ли ZOG, по собственной ли глупости, пиндосы так распиарили Эйнштейна, что для рядового американца он стал вообще чуть ли не единственным учёным, и его знает даже Ворд. Не верите? Проверьте.
В 2010 году в Пиндостане появилась реклама GMC Terrain с фоткой качка с головой Эйнштейна и татуировкой E=mc² на плече. Реклама стала сенсацией, а популярность Алика стала ещё выше (хотя куда уж выше - непонятно). Однако даже привыкшие немного соблюдать чужие права и много бороться за свои юристы из GM нехило удивились, когда… им предъявил счёт иерусалимский Еврейский университет, которому, как выяснилось, хитрый Эйнштейн завещал все права на свои работы и даже на собственный образ. Внезапно выяснилось даже, что использование его образа ежегодно приносит ЕРЖ порядка $18 млн, что ставит Эйнштейна на четвёртое место в списке самых прибыльных умерших знаменитостей.

Источник:Интернет