Загальна теорія відносності

Якби ми спробували в такий спосіб побудувати опис природи, то, створюючи свою механіку у кабіні, яка перебуває в стані вільного падіння, ми прийшли б до висновку, що простір має дивні властивості. Припустимо, наприклад, що наша кабіна з великою швидкістю прилітає з далеких відстаней (із глибини Всесвіту) і швидкість її настільки велика, що притягання Землі недостатньо, щоб змусити кабіну зіштовхнутися із Землею, і вона лише відхиляється на незначний кут.

На малюнку лінія В відповідає шляху нашої кабіни. Припустимо також, що поблизу, паралельно нам і з такою ж швидкістю рухається друга кабіна С з іншим спостерігачем. Доти, доки ми не наблизимося до Землі, С буде знаходитися від нас на постійній відстані, але, проходячи ближче до Землі, вона, як це показано на малюнку, відхилиться сильніше й далі буде рухатися в іншому напрямку, віддаляючись від нас. Як спостерігач, що знаходиться в кабіні С, так і ми перебуваємо у вільному русі й тому не помічаємо відчуття прискорення. Відповідно до теорії відносності, ми перебуваємо у стані спокою. Але незабаром ми виявимо, що відстань між нами починає раптово збільшуватися, хоч ніхто, з нас не починав рухатися.

Іншими словами, усунувшись від вирішення питання про спокій або рух і вибираючи за орієнтири будь-які предмети, що можуть рухатися вільно, ми можемо виявити існування гравітаційного поля, а звідси — наявність масивних тіл де-небудь по сусідству, що випливає з поведінки відстаней між нашими орієнтирами. На цьому базується опис гравітаційного поля в термінах властивостей простору й часу. Щоб мати більш докладний опис, потрібно було б занадто багато математики, але ми згадаємо про два висновки, що випливають із вищесказаного.

Один полягає в тому, що світло в гравітаційному полі не поширюється прямолінійно, а зазнає відхилення. Справді, це можна вивести вже з того доведеного в спеціальній теорії відносності факту, що маса та енергія еквівалентні. Промінь світла несе енергію і, отже, масу, а оскільки будь-яка маса притягається важким тілом, подібним, наприклад, до Сонця, то це справджуватиметься і щодо світлового променя. Величина відхилення, однак, не випливає однозначно із цього простого аргументна, тому що сила притягання об'єкта, що рухається, залежить від його швидкості. Це несуттєво для малих швидкостей, з якими, звичайно, ми маємо справу на практиці, але приводить до деякої відмінності, коли швидкість дорівнює швидкості світла. Проходячи поблизу Сонця, світло повинно відхилитися на величину, яку можна обчислити, і тому зірка, яку ми бачимо поблизу краю Сонця, насправді буде здаватися трохи зміщеною від свого нормального положення* Звичайно, як правило, неможливо побачити зірку, коли вона знаходиться поблизу від Сонця, але така можливість з'являється під час повного сонячного затемнення, коли диск Сонця закриває Місяць і зірки стають видимими. Навіть у цьому випадку необхідні дуже точні спостереження зміщення, оскільки очікувана величина становить менше двох дугових секунд, що відповідає куту, під яким видно копійку, якщо спостерігати її з відстані три кілометри. Проте точні астрономічні спостереження дозволяють визначити подібне зміщення, і хоч астрономи все ще використовують кожне зручне сонячне затемнення, щоб підвищити точність своїх результатів, доведено вже, що таке зміщення існує і його величина приблизно узгоджується із загальною теорією відносності.

Інший важливий висновок полягає в тому, що поле тяжіння повинно впливати на масштаб часу, чи, точніше, нам повинно здаватися, що годинник, який знаходиться поблизу дуже масивної зірки, відстає. Це також можна перевірити, оскільки світло від гарячих зірок містить випромінювання тільки певних кольорів, тобто деяких певних частот, що, як ми знаємо, пов'язано з електричними коливаннями атомів певної частоти, що схоже на дію мініатюрних радіопередавачів. Ці атоми можна розглядати як стандартний годинник, тому що їхній період коливань є внутрішньою характеристикою атома й не залежить від зовнішніх обставин. Тепер відомо, що ці специфічні промені від деяких дуже масивних зірок мають не той самий колір, як такі ж промені від більш легких зірок; їх колір визначається червоним зміщенням.

Це узгоджується із твердженнями загальної теорії відносності. Ми повинні припустити, що, з погляду спостерігача, на поверхні зірки атомний "годинник" показуватиме правильний час, але через залежність масштабу часу від гравітаційного потенціалу для тих, хто спостерігає з великої відстані, буде здаватися, що годинник відстає, частота світла менша й наявне червоне зміщення.

Такий вплив гравітаційного потенціалу на хід годинника цікавий також завдяки його зв'язку з парадоксом, який ілюструє тісний зв'язок між ідеями загальної і спеціальної теорій відносності.

Іноді заперечують, що спеціальна теорія відносності неспроможна передбачити уповільнення ходу часу. Припустимо, що ми та інший спостерігач рухаємося один відносно одного з великою швидкістю і виявляємо, що при зустрічі наші годинники показують один і той же час. Тепер, якщо вважати, що ми перебуваємо у стані спокою, можна стверджувати, що годинник іншого спостерігача повинен відставати. У свою чергу, він сказав би, що повинен відставати наш годинник, тому що ми рухаємося з великою швидкістю. Очевидно, цього не можна спростувати, якщо ми перебуваємо один від одного на великій відстані, оскільки не можемо однозначно порівнювати час настання подій, які відбуваються у віддалених місцях. Однак, припустивши, що пізніше ми знову зустрінемо іншого спостерігача, можна сподіватися, що, порівнявши годинники, вдасться з'ясувати, який з них відставав відносно іншого, і хто насправді рухався.

У рамках спеціальної теорії відносності правильна відповідь на це заперечення полягає в тому, що, так як обидва спостерігачі рухаються один відносно одного рівномірно й прямолінійно, вони ніколи не зустрінуться знову. Якщо ж вони знову зустрінуться, то, принаймні, один з них повинен або повернути назад, або змінити напрямок свого руху і зазнати дії прискорення, так що він уже не може припускати, що весь час перебував у стані спокою.

Загальна теорія відносності дає більш повну відповідь. Для простоти міркувань припустимо, що ми рухалися без прискорення, у той час як інший спостерігач, пройшовши деяку відстань, зупинився й повернув назад. Відповідно до загальної теорії відносності, він може припускати, що увесь час перебував у стані спокою, але в присутності гравітаційного поля. Це пояснить походження сил, що діють на нього (які ми приписуємо його прискоренню). Як ми побачили, гравітаційні потенціали впливають на хід годинника, і якщо це послідовно застосувати до розглянутої ситуації, відповідь полягає в тому, що знову, з обох точок зору, показання обох годинників повинні порівнюватися в такий же спосіб.

Після цього дуже неповного обговорення ми облишимо цей цікавий розділ загальної теорії відносності. Подальше її вивчення, безумовно, сприяє повному розумінню законів природи. Загальна теорія відносності дає важливі висновки, що стосуються проблем великого масштабу, включаючи структуру Всесвіту. Можливо, що в майбутньому з'явиться яке-небудь співвідношення, що пов'язує ці ідеї і з характеристиками процесів малого масштабу, тобто з атомними проблемами, але поки що це співвідношення невідоме.