Найденное Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна. Понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.
В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не инерциальны. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила механистический закон всемирного тяготения И. Ньютона на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некоторой степени аналогичен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла»[57]. И здесь физика перешла от вещественной теории к полевой.
Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов»[58]. Представление о поле как еще одном, наряду с веществом, виде материи победило механицизм, имевший дело лишь с веществом.
Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протекший»[59]. Это существенно новый момент естественнонаучной картины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве и аналогичным образом действует гравитационное поле. «Сила тяготения распространяется со скоростью света, и только частицы, не имеющие массы, могут двигаться с этой максимальной скоростью»[60].
Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.
При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В евклидовой геометрии, созданной древнегреческим математиком Евклидом (ок. 330–275 до н. э.), поверхности представляют собой плоскости, и основывается эта геометрия на пяти основных аксиомах. В неевклидовой геометрии, первую из которых создал русский ученый Н.И. Лобачевский (1792–1856), поверхности вогнутые или выпуклые. В них не действует пятая аксиома о непересечении параллельных линий и, соответственно, меняются все основные соотношения. Так, например, сумма углов треугольника становится меньше или больше 180°. Графически это изображено на рис. 4.
Рис. 4. Углы треугольника в евклидовой (а) и неевклидовой (б, в) геометрии, где S — сумма углов треугольника.
До создания теории относительности считалось само собой разумеющимся, что пространство Вселенной может быть представлено тремя плоскостями (измерениями): длина, ширина, высота и геометрия пространства подчиняются соотношениям Евклида. Теория относительности, связавшая свойства пространства со свойствами находящейся в нем материи, ввела понятие кривизны пространства. Коэффициент кривизны зависит от силы тяготения в данной точке пространства. Суть гравитации, по Эйнштейну, в искривлении пространства и времени. Структура пространства и времени деформируется, как резинка, на которую положен шар, и более легкое тело будет двигаться вокруг этого шара, как бы в ложбинке, следуя линии наименьшего сопротивления. Искривление времени означает, что скорость его хода изменяется от одной точки к другой. Таким образом, гравитационное взаимодействие передается кривизной пространства и времени. Экспериментальным подтверждением общей теории относительности послужило обнаружение отклонения света, идущего от дальних звезд в поле тяготения Солнца (1919).
60