Четырехмерное пространство-время

 в общей теории относительности  

В настоящее время общепринятым   является представление о скорости света в вакууме как о максимальной скорости движения материальных объектов и распространения взаимодействий в Природе. Этому представлению не соответствует закон всемирного тяготения Ньютона, который предполагает мгновенное распространение гравитационного возмущения в пространстве. Пытаясь обобщить этот закон с учетом постулатов СТО, А.Эйнштейн в 1915 – 1916 гг. разработал релятивистскую теорию тяготения, которую назвал общей теорией относительности (ОТО).

В построении ОТО Эйнштейн исходил из известного факта эквивалентности инертной и гравитационной масс. Равенство инертной и гравитационной масс было обобщено Эйнштейном в принципе эквивалентности: физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и «поля», порожденного равноускоренным движением.

Эйнштейн в общей теории относительности отказался от плоского псевдоевклидова пространства и перешел к более общей концепции – искривленному четырехмерному пространству Римана. При этом он фактически свел гравитацию к геометрии пространства. В соответствии с таким подходом пустое пространство, т.е. пространство, в котором отсутствует гравитационное поле, просто не существует. Пространство-время проявляется лишь как структурное свойство гравитационного поля; последнее равносильно искривлению пространства-времени. В свою очередь это искривление определяет законы движения материи. Таким образом, согласно ОТО, гравитация – это искривление пространства-времени. Уравнения гравитационного поля Эйнштейна связывают характеристики пространства-времени с распределением и движением материи. (Отметим, что в соответствии с принципом Маха все законы физики определяются распределением материи во Вселенной).

По форме уравнения ОТО не похожи на уравнения динамики Ньютона. В частности, эйнштейновский закон гравитации фактически сводится к математическому описанию движения свободного тела в искривленном четырехмерном пространстве-времени, заданном с помощью криволинейной системы координат. Параметры, характеризующие кривизну такого пространства, определяются гравитационным полем, а траекторией движения свободного тела (в том числе и светового луча) является не евклидова прямая, а искривленная линия (геодезическая). В то же время уравнения ОТО переходят в уравнения Ньютона в предельном случае малых скоростей и слабых квазистатических гравитационных полей. В этом случае четырехмерное пространство-время становится квазиплоским.

В рамках ОТО были предсказаны три эффекта: отклонение светового луча в поле солнечного тяготения, гравитационное красное смещение спектральных линий, медленное аномальное движение перигелия Меркурия. Эти эффекты были подтверждены экспериментально. В настоящее время после открытия квазаров, пульсаров, реликтового излучения, рентгеновских звезд и др. общая теория относительности необходима для изучения и понимания фундаментальных свойств Вселенной.

Тесное переплетение свойств пространства и времени со свойствами гравитации в ОТО привело Эйнштейна к идее, что на более глубоком уровне существует связь пространства-времени и с другими фундаментальными физическими полями, т.е. к программе геометризации физики, которой он посвятил последние 30 лет своей жизни. Однако его попытки создать единую теорию поля не были успешными.