ЛЕКЦИЯ 3. Гелиоцентрическая система Н.Коперника и ее дальнейшее развитие в трудах Дж. Бруно, Г.Галилея и И.Кеплера

Революционная идея Коперника состояла в том, что в центре мира находится Солнце, вокруг которого движутся планеты, - и среди них Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от солнечной системы находится сфера звезд. Земля, таким образом, была низведена до ранга рядовой планеты, а видимые движения планет и звезд объяснялись суточным и годичным обращением Земли вокруг Солнца. Однако, как и у античных ученых, движения небесных тел оставались у Коперникаравномерными и круговыми. Принять гелиоцентризм Копернику помогло представление об относительном характере движения, известное еще в античности.

В основе системы Коперника лежали два принципа:

- допущение подвижности Земли

С помощью основных движений Земли – годичного и суточного - впервые получила объяснение смена времен года и смена дня и ночи.

Преимущество теории Коперника по сравнению с теорией Птолемея состояло в логической простоте, стройности и практической применимости. Коперник считал, что «природа не терпит лишнего» и стремится возможно меньшим числом причин обеспечить возможно большее число следствий.

Для того, чтобы как-то смягчить впечатление от своего нововведения, Коперник указывал на то, что размеры сферы звезд и удаленность ее от солнечной системы столь колоссальны, что вся солнечная система, вместе с подвижной теперь уже Землей, может практически рассматриваться как центр Вселенной, как единая точка.

Благодаря системе Коперника движение стало рассматриваться как естественное свойство небесных объектов, в том числе Земли. Движение всей Вселенной подчинялось общим закономерностям, единой механике.

Благодаря Копернику Земля более не противопоставлялась «божественным» планетам и звездам и приобрела равный с ними статус.

Дело, начатое Коперником, было продолжено монахом одного из неаполитанских монастырей, итальянским ученым Джордано Бруно (1548 – 1600). На развитие его взглядов большое влияние оказала натурфилософия Николая Кузанского, в которой отрицалась возможность для любого тела быть центром Вселенной, поскольку Вселенная бесконечна, а бесконечность центра не имеет. Объединив философско-космологические взгляды Николая Кузанского и гелиоцентрические выводы Коперника, Бруно создает собственную естественно-философскую картину бесконечной Вселенной. Концепция Бруно изложена в его трудах «О причине, начале и едином», «О бесконечности, вселенной и мирах» и др.

Вслед за Кузанцем Бруно отрицал существование какого бы то ни было центра Вселенной. Он утверждал бесконечность Вселенной во времени и пространстве. Бруно писал о колоссальных различиях расстояний до разных звезд и сделал вывод, что соотношение их видимого блеска может быть обманчивым. Ученый утверждал изменяемость (эволюцию) небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними космическим веществом. Идею изменяемости он распространял и на Землю, утверждая, что поверхность нашей Земли изменяется за большие промежутки времени, в течение которых моря превращаются в континенты, а континенты - в моря.

Интересным и перспективным было и утверждение ученого об общности элементов, составляющих и Землю, и все другие небесные тела. В основе всех вещей лежит единая, неизменная, первичная материальная субстанция. Исходя из этого единства, Бруно предположил, что в бесконечно развивающейся Вселенной должно существовать и бесконечное число очагов разума, множество обитаемых миров.

За высказанные еретические идеи, противоречащие церковным догматам, Дж. Бруно был приговорен инквизицией к сожжению на костре, что и было приведено в исполнение в Риме в 1600 году.

Коперниканская революция повлекла за собой и революцию в механике, зачинателем которой был Галилео Галилей (1564 – 1642).

Механические процессы интересовали Галилея на протяжении всей его жизни. Он первый построил экспериментально-математическую науку о движении – динамику, законы которой вывел в результате обобщения поставленных им научных опытов.

Галилей предложил новую идею – движение по инерции. Ранее господствовало аристотелевское понимание движения, согласно которому тело движется благодаря внешнему на него воздействию, а когда последнее прекращается, тело останавливается. Галилей же предложил принцип инерции, согласно которому если на тело не производится внешнего воздействия, то оно либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения сколь угодно долго.

Галилей открыл законы свободного падения тел: независимость скорости такого падения от массы тела, определил, что путь, пройденный падающим телом, пропорционален квадрату времени падения.

Галилей построил теорию равномерно-ускоренного движения, открыл законы колебания маятника.

Он показал также, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и силы тяготения, есть парабола.

Кроме открытия законов движения Галилей сделал и ряд астрономических открытий с помощью сконструированного им телескопа (на основе изобретенной в Голландии подзорной трубы). С него началась новая эра в наблюдательной астрономии. Он открыл существование огромного количества новых звезд на Млечном пути, установил, что звезды удалены от нас неизмеримо дальше планет, так как планеты в телескоп увеличивались и имели вид кружков, в то время как звезды при любом увеличении оставались точками; он увидел реальную поверхность Луны, которая оказалась не гладкой идеальной сферой, но была покрыта неровностями, горами, пропастями и обрывами (Галилей даже оценил высоту лунной горы в 7 км); он обнаружил на диске Солнца темные образования («пятна»), которые перемещались, что позволило Галилею утверждать, что и Солнце вращается вокруг своей оси; он открыл четыре спутника Юпитера, благодаря чему Земля перестала быть единственной планетой, имеющий спутник.

Всеми своими открытиями Галилей доказывал правоту гелиоцентрической системы Коперника. Симпатии Галилея гелиоцентризму нашли свое отражение в его работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевой и Коперниковой», которая привлекла внимание инквизиции. В 1633 году Галилей был вызван в Рим, где под угрозой применения пыток 69-летнего ученого заставили отречься от коперниканских «заблуждений». Лишь спустя 350 лет после смерти, в октябре 1992 года он был реабилитирован католической церковью: осуждение было признано ошибочным, а учение – правильным.

Поиски точных законов движения планет стали главным делом жизни немецкого астронома Иоганна Кеплера (1571 – 1630). Его основные труды были связаны с пифагорейской идеей мировой гармонии и с поиском простых числовых отношений, ее выражающих. Природа создана Богом в соответствии с математическими законами, и обязанность ученого – понять их. Кеплер использовал античную теорию пяти правильных многогранников, которые должны соотноситься с общей структурой Вселенной. Если вокруг орбиты Земли описать додекаэдр, то сфера, которая опишет его, будет сферой Марса; если далее вокруг сферы Марса описать тетраэдр, то объемлющая его сфера будет сфера Юпитера; если вокруг сферы Юпитера описать куб, то заключающая его сфера будет сферой Сатурна;если в орбиту Земли вписать икосаэдр, то вписанная в него сфера будет сферой Венеры; если, наконец, в сферу Венеры вписать октаэдр, то в него будет вписана сфера Меркурия. Так можно объяснить и причину числа планет.

Идея связи между планетами и многогранниками вскоре обнаружила свою несостоятельность, но в ней была намечена программа будущих исследований.

Ни Птолемей, ни Коперник, ни Тихо Браге не смогли объяснить нерегулярности в движении Марса. Эту задачу решил Кеплер. Он пришел к выводу, что теоретические расчеты движения планет совпадут с наблюдениями, если предположить, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, с изменяющейся скоростью. Введя эллиптическую гипотезу вместо многовековой догмы о круговом характере и единообразии планетарных движений, Кеплер осуществил переворот внутри коперниканской революции.

Поиски мировой гармонии привели Кеплера к открытию трёх законов движения планет:

- каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (так рухнул принцип круговых движений);

- каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем линия, соединяющая Солнце с планетой, за равные промежутки времени описывает равные площади (так рухнул принцип равномерности небесных движений – чем дальше от Солнца, тем меньше скорость движения планеты);

- квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.

На основании этих законов Кеплер развил представление о механизме действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной среде от вращения магнитного поля Солнца и увлекающем окрестные тела.

Проблема устройства планетного мира благодаря Кеплеру перешла из области мифологических и гипотетических построений в область научных знаний и стала предметом точных наук. Небесная механика Кеплера явилась следствием теории Коперника и в то же время она подготовила почву для формирования механистической картины мира.

С именем Ньютона связано создание (независимо от Лейбница), дифференциального и интегрального исчислений. Но он все же наиболее известен как создатель теории движения (классической динамики) на основе идеи «инерции» Галилея. Ньютон сформулировал три основных закона движения тел.

Вершиной научного творчества И.Ньютона все же стала теория тяготения и провозглашение первого универсального закона природы – закона всемирного тяготения. Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу, трактовавшегося даже как проявление любви между ними, освободилась от антропоморфности и мистицизма. В теории Ньютона тяготение стало эмпирически обоснованным постулатом, утверждавшим, что сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных качеств и состава; она всегда прямо пропорциональна массам тяготеющих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Fт = G _

Где Fт. – сила тяготения, G – гравитационная постоянная, равная _ Ньютон _ Это сила взаимногопритяжения двух тел, массой в 1 кг каждое на расстоянии 1 м.

Каждая частица во Вселенной притягивает все остальные частицы и сама притягивается ими.

Из закона всемирного тяготения Ньютон математически вывел и уточнил кеплеровы законы эллиптического движения планет; сделал вывод о единстве законов движения всех космических тел.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, Ньютон рассмотрел возможную структуру гравитирующей Вселенной в целом при двух противоположных допущениях – конечности и бесконечности Вселенной. Он пришел к выводу, что лишь во втором случае материя можеи существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же Вселенной все центры гравитации рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Таким образом, уже само наблюдение бесчисленных звезд подсказывало мысль о бесконечности мирового пространства. Поэтому фундаментальной моделью Вселенной стало представление о бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные материальные космические объекты, связанные друг с другом силой всемирного тяготения, определяющей характер их движения.

Итак, вселенная бесконечна в пространстве, но вечна ли она во времени? Если предположить бесконечность и вечность Вселенной, заполненной бесконечным множеством звёзд, то возникает проблема, известная как «парадокс Ольберса» - небо должно днём и ночью светиться с яркостью Солнца, поскольку любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Этот парадокс неразрешим в модели бесконечной, вечной, стационарной Вселенной.

Ньютон задумывался над проблемой происхождения упорядоченной Вселенной. Здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Однако Ньютон понял, что одних только механических свойств материи для объяснения происхождения наблюдаемого строения Вселенной недостаточно. Он критиковал атомистов и механицистов (например, чисто механическую космогонию Декарта), утверждая, что из одних только механических движений частиц не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство живых существ на Земле. Оставалось прибегнуть лишь к некой более могучей, чем тяготение, организующей силе, каковой в эпоху Ньютона мыслился только Бог. Тайной для ученого оставалось и начало орбитального движения планет (тангенциальную составляющую их скорости). Из одного лишь притяжения тел друг к другу не может возникнуть обращение одного тела вокруг другого. Поэтому он допустил некий божественный “первотолчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение. Гипотеза «вихрей» Декарта, согласно которой вихри материи являются источником движения планет, отвергалась Ньютоном как произвольно вымышленная и недоказуемая.

Благодаря Ньютону утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства. Сам Ньютон, правда, обдумывал идею крайне разряженной мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Рассматривал он и гипотезу некоторой среды, передающей гравитационное взаимодействие. Однако в борьбе со взглядами Декарта и его чисто механистической школы утвердился принцип дальнодействия – как передачи действия тяготения от одного тела к другому мгновенно, на любое расстояние и через пустоту.

С именем Ньютона связано также введение в науку понятий об абсолютном пространстве и абсолютном времени.

Пространство Ньютон отождествлял с пустотой, рассматриваемой как «вместилище» тел. Пространство абсолютно в том смысле, что существует везде и всегда, и все, что существует, имеет свое место в этом едином всеобъемлющем пространстве. Пространство обладает следующими характеристиками: оно трехмерно, однородно (все его точки одинаковы), изотропно (все направления в нем равноправны), непрерывно, его свойства описываются геометрией Евклида. Абсолютность пространства состоит и в том, что оно существует независимо от времени и от расположенных в нем материальных объектов, и его свойства не зависят от того, что в нем существует и происходит.

Существовали во времена Ньютона и другие точки зрения на пространство и время (например, реляционная теория Лейбница), однако взгляды Ньютона доминировали в физике вплоть до начала ХХ века.

Трудно переоценить значение творческого наследия Ньютона. Дальнейшее развитие естествознания подтвердило закон всемирного тяготения в масштабах не только планетной и звездной, но и внегалактической Вселенной. Понятие гравитации получило дальнейшее развитие в общей теории относительности А.Эйнштейна.
Лекция 5. Электромагнитная картина мира
В ХIХ веке физики разработали новый подход к ньютоновской теории тяготения. Они перенесли внимание с тел, обусловливающих гравитационное взаимодействие, на пространство между взаимодействующими телами. Это произошло тогда, когда физики занялись изучением электромагнетизма. Начало этому изучению положили Майкл Фарадей (1791 – 1867) и Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879). Они искали суть физических явлений во взаимодействии тел с окружающей их средой.

Теория тяготения Ньютона представляла собой теорию частиц и их взаимодействий. При новом подходе и частицы, и создаваемые ими гравитационные поля играли одинаково важную и взаимодополняющую роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою очередь воздействуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с другом непосредственно на расстоянии, но каждая частица испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного поля в той точке, где она находится. Теория поля отвергает непосредственное действие на расстоянии, т. е. принцип дальнодействия Ньютона, и пустоту заменяет материальной средой.

Таким образом, на место принципа дальнодействия Ньютона был поставлен принцип близкодействия, согласно которому, физическое действие может передаваться только от точки к точке и только с ограниченной скоростью. Пределом скорости распространения физического действия выступает скорость света в вакууме (с).

Ранее ученые считали, что электричество и магнетизм не связаны между собой. Но однажды датский физик Х.К.Эрстед (1777-1851), показывая опыт с электрическим током, заметил, что каждый раз, когда по проволочному контуру проходил электрический ток, стрелка лежащего рядом компаса вздрагивала. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле. Изменяющееся (переменное) электрическое поле создавало магнитное поле.

Фарадей показал, что при прохождении магнита через виток провода, в нем возникает электрический ток. Это означало, что изменение магнитного поля (переменное магнитное поле) создает электрическое поле. Была доказана единая природа электрического и магнитного полей.

Фарадей ввел в науку понятие электромагнитного поля как особой среды физических взаимодействия.

Математическую обработку теории электромагнетизма создал Максвелл. Он начал с рассмотрения четырех основных фактов об электричестве и магнетизме:

1. Электрические заряды отталкиваются или притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

2. Движущийся электрический заряд или ток создает магнитное поле.

3. Движущийся магнит создает ток, т. е. электрическое поле.

4. Электрический ток в одной цепи может порождать (индуцировать) ток в соседней цепи.

Создавая теорию электромагнетизма, Максвелл использовал аналогию между «силовыми линиями» поля и «потоком» в гидродинамике. Так, скорость течения «электрической жидкости» соответствовала силе тока, а разница давлений жидкостей – разности электрических потенциалов.

Самым неожиданным для Максвелла оказалось то, что электромагнитное поле может существовать самостоятельно: оно отрывается от колеблющегося заряда и распространяется в пространстве. Электрическое и магнитное поле в ходе своего изменения взаимно возбуждают друг друга, в результате чего возникают электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью света в вакууме.Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн, определив, что они распространяются со скоростью света. Он открыл, что свет – это электромагнитная волна.

Через 10 лет после смерти Максвелла, в 1889 году, немецкий физик Генрих Герц (1857 – 1894) обнаружил электромагнитные волны неоптического диапазона – радиоволны. Сегодня физикам известен целый спектр электромагнитных волн: радиоволны, свет (оптический диапазон), рентгеновское излучение, гамма-излучение и др.

Законы Ньютона, и особенно его теория тяготения, а также последовавшая за ней теория электромагнетизма заложили фундамент для дальнейшего развития научного представления об устройстве мира.

Следующим этапом развития принципа относительности движения было представление об инерциальной системе, выдвинутое Галилеем и Ньютоном. Процессы движения в классической механике происходят в особых, привилегированных системах отсчета. Инерциальная система – та, в которой тело, на которое не действуют внешние силы, покоится или движется равномерно и прямолинейно. Принцип относительности движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два наблюдателя, находящиеся в разных инерциальных системах, не заметят никаких изменений.

В первой четверти XX века произошла вторая в истории естествознания научная революция, приведшая к полному преобразованию классической механистической картины мира.

В науке конца XIX – начала XX вв. господствовали идеи электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о независимом существовании таких фундаментальных сущностей, как пространство, время, материя. Пространство рассматривалось как плоское, евклидово, бесконечное. Материя – как составленная из нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. Абсолютной системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет рассматривался как колебания (волна) эфира. Законы, открытые для макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов – от космологических до атомных.

Однако уже в конце XIX века возникли сомнения в существовании мирового эфира. В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли предположили, что если мировой эфир существует, то при движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать «эфирный ветер», и если свет – волна в эфире, то скорость луча света должна зависеть от скорости движения Земли сквозь эфир и складываться из собственной скорости света в неподвижном эфире и скорости движения Земли в случае встречного движения Земли и луча света. Однако в опытах Майкельсона – Морли скорость света оставалась величиной постоянной, «эфирный ветер» обнаружен не был.

Из опыта Майкельсона-Морли можно было сделать следующие выводы:

1. Мирового эфира не существует.

2. Скорость света - предельно большая величина скорости любого движения, и к движению света не применим кажущийся очевидным принцип сложения скоростей, используемый в классической механике.

Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной теории. Эту проблему удалось решить Альберту Эйнштейну (1879 – 1955), создателю теории относительности, которая состоит из двух частей: специальной (частной) теории относительности (1905 г.) и общей теории относительности (1916 г.)

Специальная теория относительности начинается с двух постулатов:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2. Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Специальная теория относительности описывает законы движения при любых скоростях, но без учета силы тяготения. Обнаружить релятивистские эффекты экспериментально, однако, можно лишь при скоростях, близких к скорости света. При небольших скоростях специальная теория относительности сводится к классической механике Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.

Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из системы отсчета, движущейся относительно данной, размеры тел сокращаются в направлении движения системы отсчета, сравнительно с их размерами в данной системе, согласно формуле:

Дело не в том, что тело «на самом деле» сокращается, изменяет «свою величину». «Истинного размера» не существует. «Размер» тела, его пространственные характеристики – величина относительная.

В движущейся системе, относительно наблюдателя из неподвижной системы отсчета, время замедляет свой ход, течет медленнее, согласно формуле:

Точнее говоря, временные промежутки между событиями, одновременность и даже в известной мере последовательность событий во времени – относительны к системе отсчета (наблюдения). За один год, прошедший внутри космического корабля, движущегося относительно Земли со скоростью 0,99 от скорости света, пройдет 50 «земных» лет.

Относительной к системе отсчета величиной оказывается и масса тела, которая для Ньютона была величиной абсолютной. Масса тела зависит от его скорости, и с приближением скорости тела к скорости света масса тела стремится к бесконечности. Со скоростью света могут двигаться лишь тела с нулевой массой покоя. Для наблюдателя из другой системы отсчета масса тела в движущейся системе возрастает согласно формуле:

Таким образом, относительными к системе отсчета стали такие понятия как «длина», «промежуток времени», «одновременность», «масса».

Существуют, однако, величины, не зависящие от системы отсчета, так называемые инварианты:

- скорость света в вакууме (с);

- пространственно-временной интервал (S);

- само «событие».

Пространственно-временной интервал ∆S²=∆x²+∆y²+∆z²-∆(c²t²) был выведен не Эйнштейном, а Х.Лоренцом для обозначения метрики пространственно-временного континуума. Этот интервал выражает разницу между двумя событиями в пространстве-времени. x,y,z – пространственные координаты, а t – временная координата; с – скорость света = const. Специальная теория относительности устанавливает инвариантность (неизменность) значения самого этого интервала, т.к. релятивистское сокращение длины и релятивистское замедление времени компенсируют друг друга и поэтому значение самого интервала остается тем же.

Эйнштейн нашел также связь массы и энергии тела: Е =^. mc². В соответствии с этой формулой кусок раскаленного железа, например, весит больше, чем кусок холодного железа той же массы.

В 1916 году Эйнштейн завершил создание теории относительности, дополнив специальную теорию относительности общей теорией относительности. Она представляет собой дальнейшее развитие и обобщение ньютоновской теории тяготения. Общая теория относительности Эйнштейна вскрыла глубокую связь между пространством, временем, материей и тяготением. Геометрические свойства пространства-времени были поставлены в зависимость от распределения и движением материи. Поскольку пространство немыслимо без материи, оно оказывается не «плоским» (евклидовым), а «искривленным», и с повышением плотности материи «кривизна» пространства возрастает.

Такое пространство нельзя описать геометрией Евклида. В его описании нашла свое применение и обрела физический смысл неевклидова геометрия, возникшая еще в первой половине XIX века в трудах Карла Гаусса (1777-1855), Яноша Бойаи (1802-1860), Николая Ивановича Лобачевского (1793-1856), Бернхарда Римана (1826-1866). Геометрические свойства неевклидова пространства удовлетворяют всем аксиомам Евклида, за исключением аксиомы параллельности: если на евклидовой плоскости через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную (не пересекающую) данной, то в неевклидовой геометрии таких прямых можно провести бесконечное множество. В «плоском» пространстве Евклида кратчайшим расстоянием между двумя точками является прямая, сумма углов треугольника равна 180 градусам, кривизна пространства равна 0, используется декартова система координат. В сферическом пространстве Римана кривизна пространства больше нуля, кратчайшим расстоянием является «дуга» (геодезическая кривая), сумма углов треугольника больше 180 градусов, используется гауссова система координат. В псевдосферическом пространстве Лобачевского кратчайшим расстоянием является «вогнутая дуга», кривизна пространства меньше нуля, сумма углов треугольника меньше 180 градусов, используется гауссова система координат. В общей теории относительности используется геометрия Римана.

Общая теория относительности была шагом вперед в развитии теории всемирного тяготения. Тяготение стало рассматриваться как результат движения в искривленном вблизи другого тела пространстве-времени. Это искривление пространства-времени изменяет траектории движения всех тел, включая даже частицы света - фотоны, которые, как нам представляется, всегда движутся по прямой (луч света). Гравитационное поле стало, по сути, отождествляться с искривленным пространством-временем. Это позволило Эйнштейну отказаться от инерциальных систем отсчета и признать их не существующими в природе. Система не может двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго, т. к. она всегда находится в поле тяготения.

В поле гравитации имеют место релятивистские эффекты (сокращение длины тел, замедление течения времени и увеличение массы тел), рассмотренные в специальной теории относительности. Так, в конусе действия «черной дыры» масса тела относительно наблюдателя из другой системы отсчета возрастает до бесконечности, размер превратится в точку, а время остановится.

В основу общей теории относительности Эйнштейн положил известный еще со времен Галилея факт равенства инертной и гравитационной масс_. Галилей не придавал большого значения этому факту. Эйнштейн же увидел в нем глубинный закон природы, на основании которого он сформулировал принцип эквивалентности. Этот принцип устанавливает физическую идентичность поля тяготения и сил инерции (ускоренного движения).

И, наконец, Эйнштейн сформулировал общий принцип относительности, согласно которому физические законы являются инвариантными не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах, то есть во всех системах отсчета.

Общая теория относительности нашла и экспериментальные подтверждения своей истинности. Так, 29 мая 1919 года Эддингтоном и Дайсоном было подтверждено предсказание общей теории относительности об отклонении луча света от прямолинейной траектории вблизи Солнца. Было подтверждено также рассчитанное Эйнштейном смещение перигелия Меркурия, которое невозможно объяснить другими теориями.