ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, СИММЕТРИЯ 5 часть

Из принципа эквивалентности сразу следует важнейший вывод о том,что

не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличи­ть действие однородного гравитационного поля и «поля», порожденного равноускоренным движением.

10.2.Создавая в 1915 г. общую теорию относительности (ОТО), А. Эйнштейн отказался от описания движений в плоском евклидовом пространстве и перешел к более общей концепции искривленного четырехмерного пространства Римана. При этом он фактически свел гравитацию к геометрии пространства-времени.

10.3.В свое время крупнейший знаток ОТО А. Эддингтон сравнил реляти- вистскую теорию гравитации с «красивым, но бесплодным цветком». Во времена Эддингтона (начало XX в.) это сравнение было совершенно справедливым. Действительно, если СТО буквально за несколько лет завоевало физику, а в течение последних десятилетий и технику, то совсем по-другому сложилась судьба ОТО. Похоже было, что она была создана гением Эйнштейна преждевременно. В сущности, все величественное здание ОТО опи­ралось тогда на три предсказанные ею эффекта, которые были настолько 1лы, что регистрировались на пределе возможностей измерительной техники. Речь идет, во-первых, об отклонении светового луча в поле солнечного тяготения, во-вторых, о гравитационном красном смещении спектральных линий излучения и, в-третьих, об очень медленном аномальном движении перигелия планеты Меркурий. Ситуация резко изменилась, начиная с 1963 года, когда были открыты квазары с их огромным красным смеще- нием. Последующие открытия наблюдательной астрономии — реликтовое излучение (1965), пульсары (1967), рентгеновские звезды (1971) — сделали ОТО необходимым инструментом для изучения и понимания фундаментальных свойств Вселенной.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 10.1 (выберите один вариант ответа).

Варианты ответа:

Эффект гравитационного красного смещения следует из ...

1.Специальной теории относительности.

2.Теории гравитации.

3.Общей теории относительности.

4.Теории электромагнитного поля.

Обоснование ответа. Обычно приводят три экспериментальных факта, которые послужили первичными аргументами в пользу ОТО: аномальная прецессия орбиты Меркурия, гравитационное красное смещение и искрив­ление солнечных лучей вблизи массивных тел.

Правильным является вариант ответа: 3) общей теории относительности.

Задание 10.2 (выберите один вариант ответа).

Экспериментальной основой общей теории относительности (ОТО) слу­жит факт ...

Варианты ответа:

1.Равенства абсолютных значений электрических зарядов электрона и протона.

2.Независимости скорости света в вакууме от движения источника света.

3.Независимости скорости света в вакууме от движения приемника света.

4.Равенства инертной массы, входящей во второй закон Ньютона, и гра­витационной массы, входящей в закон всемирного тяготения, для любого тела в природе.

Обоснование ответа. Экспериментальной основой ОТО является прин­цип равенства инертной и гравитационной массы (так называемый принцип эквивалентности). Этот экспериментальный факт был известен еще со вре­мен Галилея и Ньютона, но в те времена никто не обращал внимания, что массы, входящие в закон всемирного тяготения и во второй закон Ньюто­на, — это разные по смыслу физические величины. Эйнштейн первым поду­мал над этим и создал общую теорию относительности.

Правильным является вариант ответа: 4) равенства инертной массы, вхо­дящей во второй закон Ньютона, и гравитационной массы, входящей в за­кон всемирного тяготения, для любого тела в природе.

Задание 10.3 (выберите один вариант ответа).

Мир с кривизной пространственно-временного континуума описывает ...

Варианты ответа:

1.Релятивистская механика.

2.Специальная теория относительности.

3.Общая теория относительности.

4.Классическая механика Ньютона.

Обоснование ответа. Совершенно не подходит в качестве ответа четвертый вариант: в классической механике Ньютона пространство и время существуют независимо друг от друга и от того, что происходит при этом с материальными точками. В специальной теории относительности и в релятивистской механике, являющейся ее разделом, пространство и время образуют единый континуум, однако геометрия этого континуума является евклидовой вне зависимости от происходящих динамических процессов. А вот в общ­ей теории относительности геометрические характеристики пространственно-временного континуума, в частности его кривизна, определяются рас­селением масс.

Правильным является вариант ответа: 3) общая теория относительности.

Задание 10.4 (выберите один вариант ответа).

Уникальность общей теории относительности заключается в том, что ...

Варианты ответа:

1.Она привела к открытию релятивистских эффектов.

2.В ней воплощен идеал геометризации физического взаимодействия.

3.В ней впервые сформулирован принцип относительности взаимодействия.

4.В ней впервые утверждена абсолютность скорости света.

Обоснование ответа. Уникальность ОТО состоит в том, что она стала

первой научной теорией, в которой физические взаимодействия, в частности гравитационное взаимодействие, являются следствием определенных (не- евклидовых) геометрических свойств пространства-времени. В дальнейшем эта идея Эйнштейна получила развитие сначала в работах Калуцы и Клейна, где аналогичная геометризация пространства (пятимерное пространство-время) позволила включить электромагнитные взаимодействия. В настоящее время попытки описать все известные фундаментальные взаимодействия привели к тому, что для теоретического анализа используется физическое пространство еще более высокой размерности. Что касается открытия релятивистских эффектов, утверждения об абсолютности скорости света, формулировки принципа относительности, то все это относится к специальной теории относительности.

Правильным является вариант ответа: 2) в ней воплощен идеал геометризации физического взаимодействия.

Задание 10.5 (выберите один вариант ответа).

Согласно общей теории относительности (ОТО) пространство искривляется под действием ...

Варианты ответа:

1.Гравитации.

2. Скорости.

3.Времени.

4. Эфира.

Обоснование ответа. Согласно теории А. Эйнштейна, гравитационное поле приводит к локальному деформированию пространства-времени.

Правильным является вариант ответа: 1) гравитации.

Задание 10.6 (выберите один вариант ответа).

Следствием общей теории относительности (ОТО) является ...

Варианты ответа:

1.Замедление времени.

2.Гравитационное искривление пространства-времени.

3.Увеличение массы.

4.Сокращение длины.

Обоснование ответа. Общая теория относительности предсказывает влия­ние гравитации на искривление четырехмерного пространства-времени.

Правильным является вариант ответа: 2) гравитационное искривление пространства.

Задание 10.7 (выберите один вариант ответа).

Принцип эквивалентности, на котором строится общая теория относи­тельности, означает эквивалентность ...

Варианты ответа:

1.Массы и движения.

2.Пространства и движения.

3.Ускоренного движения и покоя в поле тяготения.

4.Ускорения и времени.

Обоснование ответа. В большинстве учебников по физике написано, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности (равен­ства) инертной и гравитационной массы. В вариантах ответа нет упоминания об этих массах. Однако следствием эквивалентности инертной и гравитационной массы является эквивалентность гравитации и ускоренного движения: невоз­можно отличить силу, обусловливающую ускоренное движение, от силы, обу­словленной гравитационным полем. Например, при вращательном движении какого-либо тела на веревке на это тело действует центростремительная сила, направленная к центру со стороны веревки. Точно такая же сила действовала бы на это тело со стороны массивного объекта, находящегося в центре.

Правильным является вариант ответа: 3) ускоренного движения и покоя в поле тяготения.

Задание 10.8 (выберите один вариант ответа).

В общей теории относительности устанавливается связь ...

Варианты ответа:

1.Пространства-движения-размеров тела.

2.Формытела-времени-движения.

3.Пространства-времени-причинности.

4.Пространства-времени-материи.

Обоснование ответа. В общей теории относительности события проис­ходят в искривленном четырехмерном пространстве-времени, причем сте­пень искривления (кривизна пространства-времени) зависит от распределе­ния масс. Поэтому правильным является четвертый вариант ответа.

Правильным является вариант ответа: 4) пространства—времени—материи.