|
МЕНЮ
+ ОТО
+ СТО
+ История
+ Эйнштейн
+ Философия
+ Явления
+ Контакты
|
Явления, Связянные с Теорией Относительности
Смещение перигелия
Из школьного курса физики известно, что планеты двигаются вокруг Солнца по замкнутой эллиптической орбите (если не учитывать влияние других тел -- например, Юпитер сильно влияет на своих соседей). Движение по замкнутой орбите является следствием того, что гравитационное взаимодействие устроено таким образом, что потенциальная энергия определяется по формуле:
U=-GMm/r.
Существует лишь два типа центральных полей, в которых все траектории финитных (тело не уходит на бесконечность) движений замкнуты. Это поля, в которых потенциальная энергия частицы пропорциональна r или r2.
Есть несколько причин смещения перигелия (точка максимального сближения тел), но их суммарный вклад недает совпадения теории с экспериментом. ОТО дает недостающую поправку.
Из-за того, что Солнце массивный объект, пространство искривлено, а так как планеты двигаются по эллипсам (то приближаются, то удаляются), то зависимость потенциальной энергии от радиуса нарушается (она переходит в зависимость ) и орбита планеты перестает быть замкнутой.
Самый удобный объект для исследований -- Меркурий -- он ближе всех к Солнцу.
Законы электродинамики и принцип относительности
После создания электродинамики возникли сомнения в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям.
Принцип относительности в механике и электродинамике. После того как во второй половине XIX века Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос, распространяется ли принцип относительности, и на электромагнитные явления. Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т.д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, может быть, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой или же подобно законам Ньютона они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.
Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи - нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна: c = 3 · 108 м/с. Но, с другой стороны, в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может равняться c только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе со скоростью v, скорость света должна уже равняться c - v. Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже равнялась не с, а c - v.
Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.
Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитными явлениям.
Эту позицию отстаивал великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполнявшей все пространство, - "мировом эфире". Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это согласно Лоренцу особая преимущественная система. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и имеют наиболее простую форму. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности справедлив.
Гравитационное линзирование
Так как лучи света искривляются в поле Солнца, то, вероятно, массивные объекты можно использовать как линзы. Наблюдатель находится в точке O, в точке A находится источник света (например, галактика). Если в точке C находится массивный гравитационный объект (туманность, галактика или другое массивное тело), то из-за искривления хода луча, нам будет казаться, что наблюдаемый удаленный объект находится в точке B, то есть мы его как бы увеличиваем. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Он наблюдаем только в том случае, если масса гравитационной линзы порядка масс Солнца и больше.
Конечно, гравитационная линза своим поведением сильно отличается от оптической в силу того, что теория гравитации принципиально нелинейна. Если бы удаленный объект находился на линии наблюдатель -- линза, то наблюдатель увидел бы кольцо (на рис. 3 справа выделено пунктиром) -- кольцо Эйнштейна. Вероятность подобного совпадения мала (мы не имеем возможностей изменять какую либо из базовых точек), точечный источник будет виден как две дуги (на рис. 3 справа) внутри и снаружи относительно кольца Эйнштейна. Впервые подобный объект был обнаружен в 1979 году. Он выглядел как две туманности с абсолютно одинаковым спектром излучения. Сейчас ведется поиск подобных объектов. Серьезно изучается вопрос о наблюдении структуры галактик с помощью этого эффекта.
С помощью подобного эффекта (гравитационного микролинзрования -- масса гравитационной линзы очень мала) были обнаружены коричневые карлики. Коричневые карлики -- это невидимые объекты не очень большой (по звездным меркам) массы. Если какой-либо коричневый карлик встанет на линию наблюдатель -- яркий объект, то наблюдается изменение яркости объекта. Коричневый карлик играет роль линзы. По изменению яркости и расстоянию до наблюдаемого объекта можно грубо оценить массу гравитационной линзы. Эти оценки показывают, что наблюдаемые таким образом объекты являются коричневыми карликами.
На данный момент не существует других способов зарегистрировать темный объект, кроме как использовать эффект гравитационной линзы.
Тензоры
Так вот, если явления, описываемые специальной теорией относительности, имеют причиной различия в движении (а также и в расположении) тел Вселенной относительно наблюдателей, между которыми со временем изменяется расстояние, то преобразования Лоренца, применяемые к волновым функциям квантовых объектов (для начала - просто к волновому 4-вектору какой-нибудь элементарной частицы, которая, как мы, образованные люди, знаем, есть и корпускула, и волна одновременно), можно интерпретировать как калибровочные в эквипотенциальной гравитационной обстановке:
k'i - ki = (aij - Deltaij) kj,
где ki = dphi /dxi, k'i = dphi' / dx'i - волновые 4-векторы, - фаза волны;
aij - коэффициенты преобразования Лоренца, играющие роль компонент потенциала, в котором с точки зрения штрихованной системы отсчета (система, связанная с поездом) находится не штрихованная (связанная с перроном и столбами);
4-вектор kj в правой части представляет гравитационный заряд, находящийся в этом потенциале, поскольку из квантовой механики мы знаем, что волновой вектор частицы пропорционален ее импульсу, а ее импульс пропорционален ее гравитационному заряду;
Deltaij - единичный симметричный тензор (символ Кронекера), играющий роль потенциала, выбираемого в каждой из систем отсчета (на перроне и в поезде) в качестве калибра.
А о том, что явления, происходящие в разных лабораториях, мы будем наблюдать по-разному, если тела Вселенной будут по-разному расположены или по-разному двигаться относительно этих лабораторий. Или в одно и той же лаборатории события будут происходить при ретроградном Юпитере иначе, нежели при директном. Вот как. А если учесть, что потенциал, создаваемый на какой-нибудь точке поверхности Земли Плутоном, во много раз превышает потенциал, создаваемый движущимся авианосцем в непосредственной близости от корабля, да и действует на происходящее много дольше (авианосец уплыл - и все), то появятся серьезные подозрения, что этот Плутон на что-то на Земле влияет...
|
|
|
МЕНЮ II
|
