Представители классической физики не решались научно исследовать и раскрыть свойства пространства и времени. Эти свойства считали заданными и определяли простейшими аксиомами математики.
И. Ньютон рассматривал пространство как абсолютный, истинный, математический, а время как абсолютную текучесть от прошлого к будущему. После создания теории относительности А. Эйнштейном пространство и время перестали быть «априорными формами» и сами стали объектом физического исследования. Основная идея А. Эйнштейна состоит в том, что свойства пространства и времени имеют не задаваться заранее, а выводиться из опыта. Свойства пространства и времени совсем не обязательно должны быть всегда равнозначными, они меняются от точки к точке и от момента к моменту.
Как отмечалось, ускорения тел в неинерциальных системах отсчета зависит не только от взаимодействия тел. Если ускорение тела, обусловленное неинерциальнистю системы, умножить на массу тела, то получим так называемую силу инерции. Под ее воздействием тела разных масс системы приобретают одинакового ускорения. Например, шары на полке вагона при его остановке, если пренебречь трением, вступят одинакового ускорения. По второму закону Ньютона одинаковые силы (речь идет о силах, является мерой взаимодействия тел) предоставляют телам различной массы разное ускорение. Однако существует сила взаимодействия, также предоставляет телам одинакового ускорения независимо от массы их. Это сила земного притяжения. Впервые это свойство силы тяжести установил Галилей, наблюдая падение тел. Все остальные силы взаимодействия - упругие, электрические, магнитные, силы трения - этим свойством не обладают.
Сходство силы тяжести к силам инерции - независимость ускорений, которых они предоставляют, от масс тел - дает ключ к обобщению ньютоновской механики, известного под названием общей теории относительности Эйнштейна. Общую теорию относительности правильнее было бы назвать теорией гравитации, на что указывал В. 0. Фок.
Рассмотрим такой пример. Пусть совсем закрытый вагон движется горизонтально с постоянным ускорением а Ф 0. Высокая, подвешенный в вагоне, отклоняться от вертикального направления к задней стенке результате действия силы инерции. Аналогичный эффект можно наблюдать и в том случае, когда вагон движется с постоянной скоростью (а = 0) под гору. Поскольку в обоих случаях все тела получают одинаковые ускорения, внутри вагона нельзя установить, что происходит с вагоном самом деле: движется он ускоренно по горизонтальному пути равномерно под гору.
Если, например, ракета при старте вступит ускорение относительно Земли а = 2g, то вес космонавтов и всего груза ракеты увеличится вдвое по сравнению с их нормальным весом. Эта «псевдо-гравитационная» сила пропорциональна инертной массе. Ни один физический эксперимент внутри ракеты не поможет космонавтам установить, внезапно увеличилось тяжести, или просто ракета получила ускорение относительно Земли.
В теории тяготения Ньютона считалось, что сила действует моментально. Это означало, что сигнал может передаваться с бесконечной скоростью. Такое утверждение противоречит одному из основных принципов относительности, который заключается в том, что любое взаимодействие не может распространяться с большей скоростью, чем скорость света. Поэтому А. Эйнштейн столкнулся с проблемой релятивистской теории тяготения. Он считал, что его новая теория должна удовлетворять принцип относительности и одновременно автоматически содержит тождество гравитационной и инертной масс. Это привело А. Эйнштейна к формулировке так называемого принципа эквивалентности. Этот принцип утверждает, что действие поля тяготения эквивалентна действия ускорения системы отсчета, или силы тяжести физически эквивалентны силам инерции.
Законы механики формулируются одинаково, если относить движение тел в инерциальных систем отсчета. В этом заключается принцип относительности Галилея. А. Эйнштейн распространил принцип относительности сначала на электромагнитные явления. Это обобщение привело к созданию специальной теории относительности. Следующие обобщения возникли сходства сил инерции и тяжести в достаточно малых пределах пространства (например, в вагоне или ракете). Законы движения одинаково формулируются в инерциальных и неинерциальных системах отсчета, если силы тяжести и инерции считать тождественными.
Существенно, что для общей теории относительности достаточной является сходство сил инерции и тяжести в сколь угодно малом объеме. Полной сходства между ними нет. Так, на вращающееся тело действует хорошо известна всем центробежная сила инерции, которая растет при удалении точки от оси вращения. Однако такой зависимости силы тяжести от координат нет в пространстве, не заполненном веществом.
Принцип эквивалентности может быть справедливым для таких объемов пространства, в которых поле можно считать однородным. Однако А. Эйнштейн доказал, что этого ограничения можно избежать, если в соответствии с влиянием поля тяготения внести изменения в геометрию системы. Из специальной теории относительности следует, что нельзя установить никакого универсального абсолютного времени для Вселенной. Каждое движущееся тело имеет свое собственное время. Это один из важнейших выводов специальной теории относительности, которое распространило принцип относительности Галилея на электромагнитные явления.
В общей теории относительности пространство и время предстают как физические объекты, свойства которых неотделимы от движущейся материи.
Геометрия мира становится частью физики: нельзя выходить из геометрических постулатов, которые выдвигают абстрактно. Основные положения геометрии следует проверять опытом. Привычные нам постулаты евкли-шего геометрии также является обобщением опытных фактов, но касаются малого размера пространства-времени. Для больших размеров нужно пользоваться точными законами геометрии. Эти законы неразрывно связаны с законами поля тяготения и составляют с ними одно целое. Если нет других полей, кроме поля тяготения, то свободное движение тел зависит исключительно от геометрии мира: зависимость между геометрией мира и движением больших масс (звезд, туманностей) и является Эйнштейна-ским законом тяготения. Чтобы объяснить тяготение изменениями свойств пространства, нужно было сделать ускоренное движение частным случаем криволинейного, а пространственную координату независимой, что и было достигнуто в общей теории относительности. Г. Минковский толковал это как слияние обычного пространства и времени в единый четырехмерный надпростир, или, как его еще называют, пространство-время.
Притяжения проявляется в виде воздействия тел на свойства пространства-времени. Тела изменяют его структуру, искажают его. Пространство-время это уже не «абсолютный, математический» пространство, а полностью конкретный, физический, который описывается неевклидовой геометрии. Зависимости от плотности вещества, то есть от ее массы, геометрия пространства-времени может быть близка как к евклидовой геометрии, так и в геометрии Лобачевского.
Следовательно, искривление четырехмерного пространства-времени полностью объясняет все эффекты тяготения. Отсюда также видно различие между специальной теорией относительности и общей: первая изучает движение тел в плоском пространстве-времени, вторая - в искаженном. В искривленном пространстве кратчайшее расстояние между двумя точками прямая линия, а кривая (геодезическая) линия. В плоском пространстве, по закону инерции, свободное движение должно быть прямолинейным. В искривленном пространстве тот же закон приводит свободное движение по геодезической линии.
Из общей теории относительности следует, что свет, которому свойственна инертная масса, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения тела его излучает. Уменьшение же энергии фотонов, как будет показано позже, означает увеличение его длины волны. Этот эффект называют гравитационным красным смещением. Такое смещение наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд. Итак, атомные часы на поверхности Солнца идет медленнее, чем этот же часы на Земле. Общая теория относительности предсказала также, что все часы в поле тяготения имеют замедлять свой ход. Если два полностью идентичных часы разместить на Земле один над
другом на расстоянии 1 м, то ниже часы ежесекундно отставание - и ?
ваты на 10 с. Впервые эталоны частоты, характеризующиеся такой точностью, были созданы в 1960 г. на основе явления излучения фотонов радиоактивными ядрами в кристалле. Это явление, что позволяет достичь такой точности измерения частоты, получило название эффекта Месбауера. До этого было известно только три экспериментальные результаты, подтверждающие общую теорию относительности несколько десятилетий назад: искривление звездного света около Солнца, красное смещение в спектрах Солнца и тяжелых звезд и смещения перигелия Меркурия. Его перигелий дополнительно возвращается на 43 "за столетие по сравнению с тем, что дает возмущения со стороны других планет за ньютонов-ской механикой. Такое отклонение в движении Меркурия от заранее рассчитанного наблюдалось уже давно, но было объяснено без дополнительных гипотез только теорией относительности.