Для того чтобы обнаружить движение Земли относительно непо­движного эфира, Майкельсон решил измерить время прохожде­ния светового луча по горизонтальному направлению движения Земли и направлению, перпендикулярному к этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым; но никакой разницы Майкельсон не обна­ружил. Тогда для спасения гипотезы об эфире Лоренц предполо­жил, что в горизонтальном направлении происходит сокращение тела в направлении движения.

Полностью отрицательный результат опыта Майкельсона стал для Эйнштейна 18 лет позже решающим экспериментом для до­казательства того, что никакого эфира как абсолютной систе­мы отсчета не существует.

4. Общая теория относительности.

В специальной теории относительности все сис­темы отсчета предполагаются инерциальными, то есть покоя­щимися или движущимися друг относительно друга равномер­но и прямолинейно. Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что в равно­мерно движущемся вагоне нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу же исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если принять теперь за систему от­счета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной.

Чтобы лучше понять сущность общей теории относительности, рассмотрим пример с падением тела на поверхность Земли. Как мы объясняем обычно такие явления? Мы говорим, что Земля притягивает к себе тело согласно закону всемирного тяготения. Ньютон считал, что силы тяготения действуют мгновенно на расстоянии, и величина их убывает пропорцио­нально квадрату расстояния. Такое предположение оказалось, однако, необоснованным, ибо мгновенные взаимодействия отсутствуют в природе. Всякое взаимодействие передается с определенной конечной скоростью в некотором поле.

Понятие о поле возникло в связи с изучением элек­тромагнитных процессов и было введено в физику М. Фарадеем в виде силовых линий, передающих воздействие электрических или магнитных зарядов. Мы говорим, например, что магнит при­тягивает к себе железные опилки, движение которых происхо­дит по направлению силовых линий. Аналогичным образом вво­дится понятие поля тяготения, которое существенно отличает­ся от других физических полей тем, что его действие не зависит от природы и других свойств тел, кроме их массы.

До сих пор мы рассматривали движение тел по отношению к та­ким системам отсчета, которые находятся в покое или движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Такие системы мы назвали инерциальными, или галилеевыми, систе­мами отсчета. Первое название отражает тот факт, что для по­добных систем отсчета выполняется закон инерции, второе — свидетельствует, что этот закон был открыт впервые Галилеем и сформулирован в качестве первого закона механики Ньютоном. Теперь мы уже знаем, что относительно всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета законы движения тел описываются одинаково, то есть имеют ту же математическую форму и выра­жаются теми же уравнениями.

Возникает вопрос: а что произойдет, если вместо инерциальных систем взять другие системы отсчета, например, движущиеся с ускорением? Ответ на него дает общая теория относительно­сти, которая называется так потому, что она обобщает частный, или специальный, принцип относительности, который мы рас­сматривали выше. Соответственно этому мы должны различать специальную и общую теории относительности.

В специальной теории относительности законы природы считают­ся верными относительно инерциальных систем отсчета, то есть систем неподвижных или движущихся прямолинейно и равно­мерно. Но где можно обнаружить такие системы в природе? Пер­вая мысль, которая возникает, попытаться связать такую систему с Землей, но она не совсем подходит для этой цели, ибо находит­ся во вращательном, а не прямолинейном движении. Если поме­стить такую систему на Солнце, то она будет лучше подходить для этого, но и оно, хотя и медленно, но тоже движется. В конце концов, оказывается, что абсолютную инерциальную систему отсчета обнаружить не удается. Поэтому в теории относитель­ности отказываются от понятия абсолютного движения и при­знают, что все движения совершаются относительно какой-либо определенной системы отсчета.

Как и при построении классической механики, в создании общей теории относительности помог мысленный эксперимент. А. Эйнштейн в своих работах обращается к воображаемому случаю с падением лифта. Представим себе, что лифт отрывается от троса и приходит в свободное падение. Это падение по-разному описы­вают внешний и внутренний наблюдатели. Поскольку падение происходит с постоянным ускорением, постольку наблюдатель, находящийся внутри лифта, будет рассматривать свою систему как инерциальную. Поэтому, если он, например, выпустит из сво­ей руки часы и платок, то они не упадут на пол и останутся в по­кое. Если же он приведет в движение какое-либо тело, то оно бу­дет двигаться равномерно и прямолинейно до тех пор, пока не столкнется со стенками лифта. Ведь лифт находится в инерциальном движении. С другой стороны, внешний наблюдатель замечает, что лифт падает и, значит, находится в ускоренном движении под влиянием силы тяжести. Оба наблюдателя рассуж­дают вполне последовательно, и каждый вправе отстаивать свою точку зрения. Но различие заключается в том, что они описыва­ют явления и законы, которые управляют этими явлениями, в разных системах отсчета, или координат. Внутренний наблю­датель рассматривает их в инерциальной системе отсчета, а внешний — в неинерциальной, ускоренной, системе.

Если описание явлений и законы природы не должно зависеть от системы координат, то необходимо найти то связывающее зве­но, которое существует между инерциальными и неинерциальными системами отсчета. Таким звеном как раз и служит сила тяжести, которая с точки зрения внешнего наблюдателя застав­ляет двигаться лифт ускоренно. Эта сила образует поле тяготе­ния, сходное с электромагнитным полем, но в то же время, отли­чающееся от него тем, что его действие не зависит от любых свойств и структуры тел, кроме их массы.

Слабые поля тяготения не оказывают существенного влияния на свойства окружающего пространства. Поэтому в них можно пользоваться евклидовой геометрией и специальной теорией от­носительности. В сильных полях тяготения, как, например, в по­пе тяготения Солнца, приходится учитывать искривление свето­вых лучей его полем, и поэтому применять новую, неевклидову геометрию и общую теорию относительности. Поскольку в этой теории решающую роль играет именно тяготение, ее называют новой теорией тяготения, чтобы подчеркнуть отличие от старой теории тяготения Ньютона.