Н. П. Французова.
Релятивистская астрофизика
Релятиви'стская астрофи'зика, раздел астрофизики, в котором изучаются астрономические явления и небесные тела в условиях, для которых неприменимы классическая механика и закон тяготения Ньютона. К таким условиям относятся: скорость движения, близкая к скорости света, чрезвычайно высокие значения давления и плотности энергии (достигающие или превышающие плотность массы покоя, умноженную на квадрат скорости света), а также гравитационного потенциала (близкие к квадрату скорости света). В основе Р. а. лежат специальная и общая теории относительности (см. Относительности теория, Тяготение).
Первая работа, относящаяся по своему содержанию к Р. а., появилась в 1916, когда К. Шварцшильд теоретически исследовал гравитационное поле вокруг сильно сжатой массы. Он ввёл понятие гравитационного радиуса rg, соответствующего массе М : rg = 2GM/c2, где G — гравитационная постоянная, с — скорость света (для Солнца rg равен 3 км, для Земли — 1 см). Это понятие сыграло большую роль в дальнейшем развитии Р. а.
Сверхплотные звёзды, у которых масса сосредоточена внутри сферы с радиусом, меньшим, чем rg, обладают рядом необычных свойств. Так, падающая к звезде частица при приближении к гравитационному радиусу приобретает скорость, приближающуюся к скорости света.
Релятивистское замедление времени становится бесконечным вблизи гравитационного радиуса. Далёкий наблюдатель (обладающий необходимыми инструментами) увидел бы, что частица асимптотически (при t ® ¥ ) приближается к сфере с радиусом, равным rg, но не может увидеть, как частица пересекает сферу. Изнутри этой сферы энергия выйти не может. Так была заложена основа современной теории «чёрных дыр».
В 1930—40-х гг. было объяснено (американские астрономы У. Бааде и Ф. Цвикки, советский физик Л. Д. Ландау и американские физики Р. Оппенгеймер и Дж. М. Волков) превращение обычных звёзд достаточно большой массы в конце эволюции в нейтронные звёзды, в которых плотность вещества достигает 1014—1015г/см3. В результате звёзды с массой, близкой к массе Солнца, превращаются в нейтронные звёзды с радиусом около 10 км и гравитационным потенциалом, достигающим 0,3 с2 на поверхности. Позже были изучены пути превращения в «чёрную дыру» обычных звёзд с массой, в 2—3 раза превышающей массу Солнца.
Быстрое развитие Р. а. в 60-е гг. привело к целеустремлённым поискам возможных проявлений релятивистских состояний звёзд. Было отмечено, что звёзды в таком состоянии могут играть роль невидимых спутников в двойных системах, где второй компонент — нормальная звезда. Струи газа, захваченного из окружающего пространства, ускоренные до скорости, близкой к скорости света, могут быть источником рентгеновского излучения при ударе о поверхность нейтронной звезды или при столкновении струй между собой. Однако широкое признание Р. а. получила после открытия (1967) пульсаров, представляющих собой быстро вращающиеся нейтронные звёзды.
С помощью приборов, поднятых за пределы атмосферы, были открыты источники рентгеновского излучения в составе двойных звёзд. Некоторые из этих источников оказались нейтронными звёздами с сильным магнитным полем, испускающими направленные потоки рентгеновского излучения. Излучение при этом является следствием перетекания газа с поверхности нормальной звезды (входящей в состав двойной звезды) на поверхность нейтронной звезды. В двух случаях с большой вероятностью можно считать, что одним из компонентов является «чёрная дыра», в гравитационном поле которой разогревается и испускает рентгеновские лучи газ, истекающий с поверхности другого компонента — нормальной звезды. При исследовании процесса сжатия нормальной звезды в нейтронную было обнаружено, что магнитное поле при этом усиливается обратно пропорционально площади поверхности звезды, т. е. в миллиарды раз.
Менее разработана теория квазаров. Однако не подлежит сомнению, что и в этих объектах большую роль играют магнитное поле, внутренние движения газа, релятивистские частицы. Возможно и наличие «чёрной дыры» в центре квазара.
Значительное место в Р. а. уделяется изучению космических лучей, а также гамма-излучения, являющегося результатом взаимодействия протонов и более тяжёлых ядер космических лучей с межзвёздным веществом.
Взрывы сверхновых звёзд, сопровождающиеся образованием нейтронных звёзд и «чёрных дыр» и приводящие, по-видимому, к выбрасыванию быстрых частиц, т. е. космических лучей, также являются предметом исследований Р. а.
Одно из направлений Р. а. — исследование гравитационных волн (см. Гравитационное излучение).
Р. а. в своих выводах тесно соприкасается с космологией.
Вопросы Р. а. наиболее глубоко исследуются в СССР, США и Великобритании.
Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Релятивистская астрофизика, М., 1967; их же, Теория тяготения и эволюция звёзд, М., 1971; их же, Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Пиблс П., Физическая космология, пер. с англ., М., 1975.
Я. Б. Зельдович.
Релятивистская инвариантность
Релятиви'стская инвариа'нтность, лоренцинвариантность, инвариантность (неизменность) законов природы относительно Лоренца преобразований, вытекающая из относительности теории. Р. и. выражает равноправие всех инерциальных систем отсчёта; в силу Р. и. уравнения, описывающие любые физические процессы, имеют во всех таких системах одинаковый вид. Р. и. жестко ограничивает класс допустимых физических уравнений и поэтому играет фундаментальную роль при поисках новых физических закономерностей.
Релятивистская квантовая механика
Релятиви'стская ква'нтовая меха'ника, раздел теоретической физики, в котором рассматриваются релятивистские (удовлетворяющие требованиям относительности теории) квантовые законы движения микрочастиц (электронов и др.) в т. н. одночастичном приближении. Релятивистские эффекты велики при энергиях частицы, сравнимых с её энергией покоя. При таких энергиях может происходить рождение частиц (реальных или виртуальных), поэтому рассмотрение одной частицы в общем случае неправомерно. Последовательное описание свойств релятивистских квантовых частиц возможно только в рамках квантовой теории поля. Однако в некоторых задачах, в которых релятивистские эффекты существенны, образование частиц можно не учитывать и использовать волновые уравнения, описывающие движение одной частицы (одночастичное приближение). Так находят, например, релятивистские поправки к атомным уровням энергии (тонкая структура). Такой подход является логически незамкнутым, поэтому Р. к. м., в которой рассматриваются задачи этого типа, в отличие от релятивистской квантовой теории поля и нерелятивистской квантовой механики, не существует как последовательная теория. Основой расчётов в Р. к. м. служат релятивистские обобщения Шрёдингера уравнения: Дирака уравнение для электронов и др. частиц со спином /2 (где — постоянная Планка) и Клейна — Гордона уравнение для частиц со спином 0.
И. Ю. Кобзарев.
Релятивистская механика
Релятиви'стская меха'ника, раздел теоретической физики, рассматривающий классические законы движения тел (частиц) при скоростях движения v, сравнимых со скоростью света. Р. м. основана на теории относительности. Основные уравнения Р. м. — релятивистское обобщение второго закона Ньютона и релятивистский закон сохранения энергии-импульса — удовлетворяют требованиям принципа относительности Эйнштейна. Из них, в частности, следует, что скорость материальных объектов не может превышать скорости света в вакууме с. При v << с Р. м. переходит в классическую механику Ньютона. См. Относительности теория.
Релятивистские эффекты
Релятиви'стские эффе'кты, явления, наблюдаемые при скоростях тел (частиц), сравнимых со скоростью света. К ним относятся: Лоренца — Фицджеральда сокращение, релятивистское замедление времени, увеличение массы тела с ростом его энергии и т. п., рассматриваемые в частной (специальной) относительности теории. Релятивистскими называются также эффекты общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), например эффект замедления течения времени в сильном поле тяготения (см. Тяготение).
