1. Увод

Докладът, който прави Алберт Айнщайн световно известен учен е публикуван през 1905 г. и със заглавието "Към електродинамиката на движещите се тела", където в същност е изложена „частната” теория на относителността. Точно тази теория извежда популярното уравнение E0 = mc2, където E0 е енергията на покой, m - масата, а c - скоростта на предвижване на светлината във вакуум.

В тази теория Айнщайн предполага, че скоростта на светлината във вакуум е константна величина. От специалната теория ученият стига до заключението, че масата на тялото е мярка на съдържащата се в него енергия, съгласно горепосоченото уравнение.

През 1916 г. Алберт Айнщайн публикува „Обща теория на относителността”, която разширява специалната му теория от 1905 г. Общата теория обяснява гравитационните взаимодействия чрез изкривяването на пространство - времето.  В следващите няколко страници е направен опит за анализ върху проблемите на този парадокс.

2. Обща теория на относителността – принципни положения

Съгласно общата теория на относителността геометричните свойства на пространство-времето са неразривно свързани с разпределнието на материята в него. Те в известен смисъл "предопределят" движението на телата и това именно се разглежда като действие на гравитационните сили. По такъв начин гравитацията се свежда до геометрия и разбирането на гравитационните взаимодействия се свързват с изучаването на геометричните свойства на пространство-времето.

Едно от най-удивителните следствия на общата теория на относителността е, че ако плътността на материята е достатъчно голяма, изкривяването на пространството може да стане толкова значително, че то да се затвори в себе си. По такъв начин Вселената би могла да представлява едно безгранично, но все пак крайно пространство, извън което не съществува нищи друго.

Теорията на относителността и създадената от нея представа за гравитационните взаимодействия са основата за разбирането на структурата и еволюцията на Вселената като цяло, тъй като връзката между геометричните свойства на пространство-времето и на разпределението на веществото във Вселената се установява именно чрез уравненията на тази теория. Първоначално теоретиците- в това число и Айнщайн, търсели статичните (независими от времето) решения на уравненията на общата теория на относителността, тъй като ако Вселената се подчинява на подобни решения, би могла да има особени пространствено-временни свойства, но би останала неизменна във времето.

Оказва се, че статичните решения на уравненията на общата теория на относителността не съществуват. Това е доказано от теоретика Фридман (1923), който намерил така наречените нестационарни уравнения на общата теория на относителността, от които следва, че Вселената трябва да се разширява или да се свива, но не и да остава неизменна във времето. При това става въпрос не само за увеличаване или намаляване на разстоянията между космическите обекти, а за разширяване и свиване на "деформираното" пространство.

Съществуват два типа нестационарни решения на уравненията на общата теория на относителността в зависимост от средната плътност на веществото във Вселената. В първия вид уравнения, получени от Фридман, плътността на веществото е по-малка от една критична стойност (равна приблизително на три протона на кубичен метър), пространтво-времето на Вселената е "закривено, но нейният обем е безкраен". При това Вселената трябва непрекъснато да се разширява.

Във втория случай, когато плътността на веществото е над критичната, закривяването на пространство-времето става толкова голямо, че Вселената се "затваря" в себе си, образувайки едно безгранично пространство с краен обем. Образно казано, един светлинен лъч, изпратен в определена посока, би трябвало след достатъчно дълго време да се върне в същата точка, но идвайки вече от обратна посока. В този случай гравитационните сили рано или късно ще спрат разширението на Вселената и то трябва са се замени със свиване.

Математиците използват термина „кривина“ за да обозначат всяка повърхност, чиято геометрия е не - Евклидова. Обикновено, пространствената кривина се представя чрез изображение на повърхнина, изкривена от тежък предмет, овален предмет, който „потъва” в нея. Това е т. нар  „двуизмерно” представяне на време-пространственото изкривяване. В него време-пространството е плоска повърхност, която е „огъната“ от „тежък“ предмет. Предметът представлява тяло с много голяма маса (планета), което е източник на гравитация и е способно да изменя траекториите на преминаващи в близост тела. В случая можем да си представим, че по тази повърхнина се търкаля много по малък обект, който ако попадне в кривината около масивното тяло ще промени траекторията си. Ако скоростта му не е достатъчно голяма - по-малкото тяло ще се завърти спираловидно надолу в кривината около масивния обект и в крайна сметка ще се удари в него. Ако скоростта му е достатъчно голяма - то по-малкият предмет ще влезе в кривината и ще излезе от другата страна с леко променена траектория. По подобен начин може да се илюстрира и действието на гравитацията създадена от масивни тела (планети, слънца) на преминаващите в близост обекти.

Все пак, трябва да се знае че подобно представяне е изключително опростено, като време-пространството се изкривява от големи струпвания на маса, а не самото пространство. Също така пространството е триизмерно, а не двуизмерно.

За целите на опростеното обяснение на специалната теория на относителността бихме могли да проведем следният мисловен експеримент: Нека си представим, че се намираме на перона на железопътна гара, когато някакъв влак навлиза отляво надясно. Точно в момента, когато пред нас преминава някакво лице от влака, в средата на един от вагоните светва лампа. От наша гледна точка - наблюдател от перона, вагонът вече се е придвижил напред в момента, в който светлинният лъч достига края на въпросния вагон. С други думи, за нас светлината е изминала по-късо разстояние от половината дължина на вагона. Но за наблюдателя във вагона не е така - той ще види, че светлината достига задната страна на вагона в същия момент, в който достига и предната част на вагона. С други думи - за наблюдателя във вагона светлината изминава равни разстояния и в двете посоки - разстояния равни на половината дължина на вагона.

По този начин, времето необходимо на светлината да достигне задната част на вагона е различно за двамата наблюдатели. Но и в двата случая става дума за един и същ лъч светлина, който пътува с една и съща скорост. Според Айнщайн това несъответствие може да бъде обяснено, само ако приемем, че възприятието зависи от самия наблюдаващ - или с други думи то е относително, а тъй като скоростта на светлината е константа, то следва, че ходът на времето е относителен.

Биографите на Айнщайн Майкъл Уайт и Джон Грибин предлагат втори мисловен експеримент. Представяме си един молив и източник на светлина над него, която хвърля сянка върху повърхността на масата. Моливът, който съществува в три измерения, хвърля сянка, която съществува в две. Ако завъртим молива под светлината или ако завъртим източника около молива, то сянката или се уголемява или се свива. Айнщайн твърди, че предметите всъщност съществуват в четири измерения, а не само в трите с които всички сме запознати - те заемат пространство-времето, в смисъл, че този предмет продължава да съществува във времето. Следователно, ако манипулираме по подходящ начин триизмерната материя, както постъпихме с молива, то може да скъсяваме или разтегляме времето по същия начин, по който сянката на молива се свива или удължава. В теорията на Айнщайн обаче, споменатите времеви ефекти биха могли да се наблюдават само и ако материята се движи със скорости близки или равни на скоростта на светлината.

3. Заключение

Повече от 90 години Общата теория на относителността издържа всякакви експериментални проверки. Новооткритата двойна система пулсари, например, се дължи на допускания  съгласно предвижданията, направени в Общата теория на относителността, като някои от тях са излъчването на гравитационни вълни и страничните ефекти, свързани със забавянето на времето около масивни обекти.

Общата теория на относителността предполага, че две звезди, толкова близко една до друга, трябва да излъчват мощни гравитационни вълни. Излъчвайки ги, те трябва да губят енергия, и трябва да се приближават една към друга. Радио наблюдения от Австралия, Великобритания и Съединените щати показват, че това се случва в съответствие с Общата теория на относителността.

Екипът, провеждащ наблюденията, е отчел и друг ефект - следствие от Общата теория на относителността - часовниците там би трябвало да вървят по-бавно. Когато единият пулсар се доближи до другия, периодът му на околоосно въртене намалява с 0.38 милисекунди.

Според Айнщайн масивните обекти изкривяват време-пространството. Когато единият пулсар премине зад другия, и сигналът от задната звезда трябва да премине през изкривеното време - пространство, той пристига със закъснение от 90 микросекунди.

Използвана литература

Айнщайн А., ”Специална и обща теория на относителността. Популярно изложение”, Прометей, С., 2005

Захариев Б., Маринова Н., „История на жизнената среда”, НБУ-ЦДО, С., 2006 г.