Глава 3. Основы небесной механики

3.1. Движение в гравитационном поле

3.1.1.1. Основы теории относительности

Важнейшими постулатами классической механики, основы которой были заложены Галилеем и Ньютоном, являются принцип изотропности и однородности пространства и времени, три закона Ньютона, а также закон сложения скоростей Галилея. В конце XIX века некоторые выводы классической механики, прежде всего, применяемые к электромагнитному излучению, пришли в резкое противоречие с практикой. Законы Максвелла противоречили закону сложения скоростей Галилея. Чтобы спасти положение, была введена особая среда – эфир – заполняющая собой все пространство, и было объявлено, что законы Максвелла справедливы именно в ней. Однако ряд опытов (в том числе знаменитые опыты Майкельсона (1881) и Морли) показали несостоятельность этой гипотезы.

Положение спас Альберт Эйнштейн, в 1905 году опубликовавший специальную теорию относительности. В качестве основных постулатов своей теории он выбрал принцип изотропности и однородности пространства и времени, а также принцип постоянства скорости света. Второй принцип немедленно привел к изменению закона сложения скоростей и изменения координат при переходе в другую систему отсчета. Кроме того, внимательное рассмотрение этих постулатов привело к открытию относительности одновременности событий, а также зависимости скорости течения времени, массы тела и его поперечной длины от скорости тела в этой системе отсчета. Упомянутые формулы выглядят так:


где .

Модель 3.2. Относительность времени

Все выводы специальной теории относительности в настоящее время подтверждены опытом.

1

Рисунок 3.1.1.1.1. Отклонение световых лучей от прямой вблизи Солнца

Но Эйнштейн на этом не остановился и в 1916 году закончил общую теорию относительности. В ней он исследовал другой случай отступления опыта от законов классической механики, а именно, поведение тел в сильных гравитационных полях. Выяснилось, что пространство искривляется, а время замедляется вблизи больших масс. При приближении к массивным телам сила тяжести растет немного быстрее, чем это предсказывается законом Ньютона; в частности, из общей теории относительности следует существование гравитационного радиуса, на котором сила тяжести обращается в бесконечность. Тела, размеры которых меньше их гравитационного радиуса, называются черными дырами. Полагают, что черные дыры являются финалом эволюции массивных объектов.

Правильность общей теории относительности уже подтверждена наблюдениями за орбитой Меркурия, испытывающей возмущения из-за близости к Солнцу, и обнаружением эффекта гравитационной линзы, т.е. искривления световых лучей вблизи массивных тел.