Уравнения Эйнштейна  наиболее просты в том смысле, что  кривизна и энергия-импульс в  них входит лишь линейно, кроме того, в левой части стоят все тензорные величины валентности 2, которые могут характеризовать пространство-время. Их можно вывести из принципа наименьшего действия для действия Эйнштейна — Гильберта, которое также выглядит просто

где обозначения  расшифрованы выше, представляет собой лагранжеву плотность материальных полей, а даёт инвариантный элемент 4-объёма пространства-времени. Здесь — определитель, составленный из элементов матрицы дважды ковариантного метрического тензора. Знак минус введён для того, чтобы показать, что определитель всегда отрицателен (для метрики Минковского он равен −1).

С математической точки зрения, уравнения Эйнштейна  являются системой нелинейных дифференциальных уравнений относительно метрического тензора пространства-времени, поэтому сумма их решений не является новым решением. Приближённо линейность существует лишь для слабых гравитационных полей, когда отклонения метрических коэффициентов от их значений для плоского пространства-времени малы, и так же мала кривизна.

Дополнительным  обстоятельством, затрудняющим решение  этих уравнений, является то, что источник (тензор энергии-импульса) подчиняется собственному набору уравнений — уравнениям движения той среды, что заполняет рассматриваемую область. Интерес представляет то обстоятельство, что уравнения движения, если их меньше четырёх, вытекают из уравнений Эйнштейна в силу локального закона сохранения энергии-импульса. Впервые это было показано Д. Гильбертом в его знаменитой работе «Основания физики» Это свойство известно как самосогласованность уравнений Эйнштейна. Если же уравнений движения больше четырёх, то решать приходится систему из уравнений Эйнштейна и уравнений среды, что ещё более сложно. Именно поэтому такое значение придаётся известным точным решениям этих уравнений.

Важнейшие точные решения уравнений Эйнштейна  включают: решение Шварцшильда (для пространства-времени, окружающего сферически симметричный незаряженный и невращающийся массивный объект), решение Райсснера — Нордстрёма (для заряженного сферически симметричного массивного объекта), решение Керра (для вращающегося массивного объекта), решение Керра — Ньюмена (для заряженного вращающегося массивного объекта), а также космологическое решение Фридмана (для Вселенной в целом) и точные гравитационно-волновые решения.

 
Уравнения Эйнштейна без космологической  постоянной были практически одновременно выведены в ноябре 1915 года Давидом Гильбертом (20 ноября, вывод из принципа наименьшего действия) и Альбертом Эйнштейном (25 ноября, вывод из принципа общей ковариантности уравнений гравитационного поля^[). Работа Гильберта была опубликована позднее, чем эйнштейновская (1916). По вопросам приоритета существуют разные мнения, освещённые в Вопросы приоритета в теории относительности (англ.), однако сам Гильберт никогда на приоритет не претендовал и считал ОТО созданием Эйнштейна.

Основные следствия ОТО

Орбита Ньютона (красная) и Эйнштейна (голубые) одной планеты вращающейся вокруг звезды

Согласно принципу соответствия, в слабых гравитационных полях предсказания общей теории относительности совпадают с  результатами применения ньютоновского  закона всемирного тяготения с небольшими поправками, которые растут по мере увеличения напряжённости поля.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности  стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом  порядке их первой проверки:

1. Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона.
2. Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца.
3. Гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле.

Существует ряд  других эффектов, поддающихся экспериментальной  проверке. Среди них можно упомянуть  отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе — Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселенной.

До сих пор  надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. Отклонения измеренных величин эффектов от предсказываемых ОТО не превышают 0,01 % (для указанных выше трёх классических явлений). Несмотря на это, в связи с различными причинами теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к ОТО результаты при соответствующих значениях входящих в теорию параметров.

3 ОТО и квантовая физика

Главной проблемой  ОТО с современной точки зрения является невозможность построения для неё квантово-полевой модели каноническим образом.

Каноническое  квантование любой физической модели состоит в том, что в неквантовой  модели строится уравнения Эйлера —  Лагранжа и определяется лагранжиан системы, из которого выделяется гамильтониан H. Затем гамильтониан переводят из обычной функции динамических переменных системы в операторную функцию соответствующих динамическим переменным операторов — квантуют. При этом физический смысл оператора Гамильтона состоит в том, что его собственные значения представляют собой уровни энергии системы. Ключевая особенность описанной процедуры состоит в том, что она предполагает выделение параметра — времени, по которому и составляется в дальнейшем уравнение типа Шрёдингера

здесь H — уже квантовый гамильтониан, которое далее решается для отыскания волновой функции Φ.

Сложности в  реализации такой программы для  ОТО троякие: во-первых, переход от классического гамильтониана к квантовому неоднозначен, так как операторы динамических переменных не коммутируют между собой; во-вторых, гравитационное поле относится к типу полей со связями, для которых структура уже классического фазового пространства достаточно сложна, а квантование их наиболее прямым методом невозможно; в-третьих, в ОТО нет выраженного направления времени, что составляет трудность при его необходимом выделении и порождает проблему интерпретации полученного решения.

Тем не менее, программа  квантования гравитационного поля была успешно решена к 50-м годам XX столетия усилиями М. П. Бронштейна, П. А. М. Дирака, Брайса Де Витта и других физиков. Оказалось, что (по крайней мере слабое) гравитационное поле можно рассматривать как квантовое безмассовое поле спина 2.

Дополнительные  сложности возникли при попытке  вторичного квантования системы  гравитационного поля, проведённой  Р. Фейнманом, Брайсом Де Виттом и другими физиками в 1960-х годах после разработки квантовой электродинамики. Оказалось, что поле такого высокого спина в трёхмерном пространстве не перенормируемо никакими традиционными (и даже нетрадиционными) способами. Более того, не существует никакого разумного определения его энергии, такого, чтобы выполнялся закон сохранения энергии, она была бы локализуема и неотрицательна в любой точке.

Полученный тогда  результат остаётся незыблемым до настоящего времени. Расходимости в квантовой  гравитации, появляющиеся в каждом новом порядке по количеству петель, невозможно сократить введением  в гамильтониан никакого конечного количества перенормировочных контрчленов. Невозможно и свести перенормировку к конечному числу постоянных величин (как это удалось сделать в квантовой электродинамике по отношению к элементарному электрическому заряду и массе заряженной частицы).

На сегодняшний  день построено много теорий, альтернативных ОТО (теория струн, теория маджетик, теория бран, модель квантования в 2-мерном пространстве и другие), которые  позволяют квантовать гравитацию, но все они либо не закончены, либо имеют  внутри себя неразрешённые парадоксы. Также подавляющее большинство из них обладает огромным недостатком, который вообще не даёт возможности говорить о них, как о «физических теориях» — они не могут быть проверены экспериментально. 

Теория  относительности  позволила сделать громадный шаг вперед в описании окружающего нас мира, объединив бывшие обособленными понятия материи, движения, пространства и времени. Она дала ответы на множество вопросов остававшихся неразрешенными в течение веков, сделала ряд предсказаний подтвердившихся впоследствии, одним из таких предсказаний было предположение сделанное Эйнштейном об искривлении траектории светового луча вблизи Солнца. Но вместе с этим перед учеными возникли новые проблемы. Что стоит за явлением сингулярности, что происходит со звездами-гигантами, когда они «умирают», что есть на самом деле гравитационный коллапс, как зарождалась вселенная - решить эти и многие другие вопросы станет возможным, лишь поднявшись еще на одну ступень вверх по бесконечной лестнице познания.

             Федеральное  агентство  по  образованию

филиал

Государственного  образовательного  учреждения

высшего  профессионального  образования-

Всероссийского  заочного финансово-экономического института

 в  г.Туле 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

       по  дисциплине  «Концепция современного естествознания»

       на  тему: «Пространство и время в свете теорий 

                            относительности А. Эйнштейна.»

                                                                   Выполнил: студент  1 курса

                                                                              факультета  МиМ

                                                                               специальности  МО

                                                                                группы вечерней

                                                                                Евдокимова Ю. С

                                                                                № л.д.09ммд11540

                                                                     Проверил: Журавлев М.С 

                                            Тула 2009 г.