Într-un discurs din 27 aprilie 1900 la Instituția Regală a Marii Britanii, Lordul Kelvin a spus: „Fizica teoretică este o clădire bine proporționată și terminată. Pe cer senin fizică, există doar doi nori mici - aceasta este constanța vitezei luminii și curba intensității radiației în funcție de lungimea de undă. Cred că aceste două întrebări particulare vor fi rezolvate în curând și fizicienii secolului al XX-lea nu vor avea nimic de făcut.” Lordul Kelvin s-a dovedit a avea absolut dreptate când a subliniat domeniile cheie ale cercetării în fizică, dar a apreciat greșit importanța acestora: teoria relativității și teoria cuantică care s-au născut din ele s-au dovedit a fi întinderi nesfârșite pentru cercetări care au ocupat mintea oamenilor de știință de mai bine de o sută de ani.

Deoarece nu a descris interacțiunea gravitațională, Einstein a început să se dezvolte la scurt timp după finalizarea acesteia versiune generală această teorie, a cărei creație a petrecut-o 1907-1915. Teoria a fost frumoasă prin simplitate și consistență cu fenomene naturale cu exceptia un singur moment: la momentul în care a fost elaborată teoria lui Einstein, nu se știa încă despre expansiunea Universului și nici măcar despre existența altor galaxii, prin urmare, oamenii de știință din acea vreme credeau că Universul exista pe termen nelimitat și era staționar. În același timp, din legea gravitației universale a lui Newton a rezultat că stelele fixe ar trebui la un moment dat să fie pur și simplu trase împreună într-un singur punct.

Negăsind o explicație mai bună pentru acest fenomen, Einstein a introdus în ecuațiile sale, care compensau numeric și permiteau astfel Universului staționar să existe fără a încălca legile fizicii. Ulterior, Einstein a început să considere introducerea constantei cosmologice în ecuațiile sale cea mai mare greșeală a sa, deoarece nu era necesară teoriei și nu era confirmată de nimic altceva decât de Universul aparent staționar de la acea vreme. Și în 1965 a fost descoperit radiații de fond, ceea ce însemna că Universul a avut un început și constanta din ecuațiile lui Einstein s-a dovedit a fi complet inutilă. Cu toate acestea, constanta cosmologică a fost totuși găsită în 1998: conform datelor obținute de telescopul Hubble, galaxii îndepărtate nu le-a încetinit expansiunea ca urmare a atracției gravitaționale, ci chiar a accelerat expansiunea lor.

Bazele teoriei

Pe lângă postulatele de bază ale teoriei speciale a relativității, aici a fost adăugat una nouă: mecanica newtoniană a dat o estimare numerică a interacțiunii gravitaționale a corpurilor materiale, dar nu a explicat fizica acestui proces. Einstein a reușit să descrie acest lucru prin curbura spațiului-timp 4-dimensional de către un corp masiv: corpul creează o perturbare în jurul său, în urma căreia corpurile înconjurătoare încep să se miște de-a lungul liniilor geodezice (exemple de astfel de linii sunt linii de latitudine și longitudine ale Pământului, care pentru un observator intern par a fi linii drepte, dar în realitate sunt ușor curbate). Razele de lumină sunt deviate în același mod, ceea ce distorsionează imaginea vizibilă din spatele unui obiect masiv. Cu o coincidență reușită a pozițiilor și a maselor de obiecte, aceasta duce la (când curbura spațiu-timpului acționează ca o lentilă uriașă care face sursa de lumină îndepărtată mult mai strălucitoare). Dacă parametrii nu se potrivesc perfect, acest lucru poate duce la formarea unei „cruci Einstein” sau a unui „cerc Einstein” în imaginile astronomice ale obiectelor îndepărtate.

Printre predicțiile teoriei a fost și încetinirea gravitațională timp (care, la apropierea unui obiect masiv, a acționat asupra corpului în același mod ca dilatarea timpului ca urmare a accelerației), gravitațional (când un fascicul de lumină emis de un corp masiv intră în partea roșie a spectrului ca un rezultat al pierderii sale de energie pentru funcția de lucru din „puțul gravitațional”), precum și undele gravitaționale (perturbarea spațiu-timpului, care produce orice corp având masă în cursul mișcării sale).

Statutul teoriei

Prima confirmare a teoriei generale a relativității a fost obținută de însuși Einstein în același 1915, când a fost publicată: teoria descria cu o acuratețe absolută deplasarea periheliului lui Mercur, care înainte de aceasta nu putea fi explicată folosind mecanica newtoniană. De atunci, au fost descoperite multe alte fenomene care au fost prezise de teorie, dar la momentul publicării sale erau prea slabe pentru a fi detectate. Cea mai recentă astfel de descoperire până în prezent a fost descoperirea valuri gravitationale 14 septembrie 2015.

material din cartea „Cea mai scurtă istorie a timpului” de Stephen Hawking și Leonard Mlodinov

relativitatea

Postulatul fundamental al lui Einstein, numit principiul relativității, afirmă că toate legile fizicii trebuie să fie aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. Dacă viteza luminii constant, atunci orice observator care se mișcă liber trebuie să fixeze aceeași valoare, indiferent de viteza cu care se apropie de sursa de lumină sau se îndepărtează de aceasta.

Cerința ca toți observatorii să fie de acord cu privire la viteza luminii obligă la o schimbare a conceptului de timp. Conform teoriei relativității, un observator care merge într-un tren și unul care stă pe o platformă nu vor fi de acord cu privire la distanța parcursă de lumină. Și, deoarece viteza este distanța împărțită în timp, singura modalitate prin care observatorii sunt de acord cu privire la viteza luminii este să nu fie de acord și asupra timpului. Cu alte cuvinte, relativitatea a pus capăt ideii de timp absolut! S-a dovedit că fiecare observator trebuie să aibă propria lui măsură a timpului și că ceasurile identice pentru diferiți observatori nu ar arăta neapărat aceeași oră.

Spunând că spațiul are trei dimensiuni, ne referim la faptul că poziția unui punct în el poate fi transmisă folosind trei numere - coordonate. Dacă introducem timpul în descrierea noastră, obținem un spațiu-timp cu patru dimensiuni.

O altă consecință binecunoscută a teoriei relativității este echivalența masei și energiei, exprimată prin celebra ecuație Einstein E = mc 2 (unde E este energia, m este masa corpului, c este viteza luminii). Datorită echivalenței energiei și masei energie kinetică, pe care un obiect material îl are datorită mișcării sale, își mărește masa. Cu alte cuvinte, obiectul devine mai dificil de overclockat.

Acest efect este semnificativ doar pentru corpurile care se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii. De exemplu, la o viteză egală cu 10% din viteza luminii, masa corpului va fi cu doar 0,5% mai mare decât în ​​repaus, dar la o viteză de 90% din viteza luminii, masa va fi deja mai mare. decât de două ori mai mult decât normal. Pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, masa corpului crește din ce în ce mai repede, așa că este necesar totul pentru a o accelera. mai multă energie. Conform teoriei relativității, un obiect nu poate atinge niciodată viteza luminii, deoarece în acest caz masa lui ar deveni infinită, iar datorită echivalenței masei și energiei, aceasta ar necesita energie infinită. De aceea, teoria relativității condamnă pentru totdeauna orice corp obișnuit să se miște cu o viteză mai mică decât viteza luminii. Doar lumina sau alte unde care nu au masă proprie se pot mișca cu viteza luminii.

spațiu curbat

Teoria generală a relativității a lui Einstein se bazează pe presupunerea revoluționară că gravitația nu este o forță obișnuită, ci o consecință a faptului că spațiu-timp nu este plat, așa cum se credea cândva. În relativitatea generală, spațiu-timpul este îndoit sau deformat de masa și energia plasate în el. Corpuri precum Pământul se mișcă pe orbite curbe, nu sub influența unei forțe numite gravitație.

Deoarece linia geodezică este cea mai scurtă linieîntre două aeroporturi, navigatorii zboară cu avioane de-a lungul unor astfel de rute. De exemplu, puteți urma o busolă pentru a zbura 5.966 de kilometri de la New York la Madrid aproape spre est de-a lungul paralelei geografice. Dar trebuie să parcurgeți doar 5802 de kilometri dacă zburați într-un cerc mare, mai întâi spre nord-est și apoi cotind treptat spre est și mai departe spre sud-est. Apariția acestor două rute pe hartă, unde suprafața pământului este distorsionată (reprezentată ca plat), este înșelătoare. Când vă deplasați „drept” spre est de la un punct la altul de pe suprafața globului, de fapt nu vă deplasați în linie dreaptă, sau mai degrabă, nu de-a lungul celei mai scurte linii geodezice.

Dacă traiectoria unei nave spațiale care se mișcă în spațiu în linie dreaptă este proiectată pe suprafața bidimensională a Pământului, se dovedește că este curbată.

Conform relativității generale, câmpurile gravitaționale ar trebui să îndoaie lumina. De exemplu, teoria prezice că lângă Soare, razele de lumină ar trebui să fie ușor îndoite în direcția sa sub influența masei stelei. Aceasta înseamnă că lumina unei stele îndepărtate, dacă se întâmplă să treacă în apropierea Soarelui, se va abate cu un unghi mic, datorită căruia un observator de pe Pământ va vedea steaua nu chiar acolo unde se află de fapt.

Amintiți-vă că, în conformitate cu postulatul de bază al teoriei speciale a relativității, toate legi fizice sunt aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. În linii mari, principiul echivalenței extinde această regulă la acei observatori care nu se mișcă liber, ci sub influența unui câmp gravitațional.

În regiuni suficient de mici ale spațiului, este imposibil să judeci dacă te afli în repaus într-un câmp gravitațional sau dacă te miști cu accelerație constantă în spațiul gol.

Imaginați-vă că vă aflați într-un lift în mijlocul unui spațiu gol. Nu există gravitație, nu există sus și jos. Plutești liber. Apoi liftul începe să se miște cu o accelerație constantă. Simți brusc greutate. Adică ești apăsat de unul dintre pereții liftului, care acum este perceput ca un etaj. Dacă ridici un măr și îi dai drumul, acesta va cădea pe podea. De fapt, acum când te miști cu accelerație, în interiorul liftului totul se va întâmpla exact în același mod ca și cum liftul nu s-ar fi mișcat deloc, ci s-ar fi odihnit într-un câmp gravitațional uniform. Einstein și-a dat seama că, la fel cum nu îți poți da seama când ești într-un vagon de tren dacă este staționar sau se mișcă uniform, la fel și atunci când te afli în interiorul unui lift nu poți spune dacă se mișcă cu o accelerație constantă sau este uniform. mișcare.câmp gravitațional. Rezultatul acestei înțelegeri a fost principiul echivalenței.

Principiul echivalenței și exemplul dat al manifestării sale vor fi valabile numai dacă masa inerțială (inclusă în a doua lege a lui Newton, care determină ce fel de accelerație dă forța aplicată corpului) și masa gravitationala(incluse în legea gravitației lui Newton, care determină mărimea atracției gravitaționale) sunt una și aceeași.

Folosirea de către Einstein a echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale pentru a deriva principiul echivalenței și, în cele din urmă, întreaga teorie a relativității generale este un exemplu de dezvoltare persistentă și consecventă a concluziilor logice, fără precedent în istoria gândirii umane.

Încetinirea timpului

O altă predicție a relativității generale este că în jurul unor corpuri masive precum Pământul, timpul ar trebui să încetinească.

Acum că suntem familiarizați cu principiul echivalenței, putem urma raționamentul lui Einstein făcând un alt experiment de gândire care arată de ce gravitația afectează timpul. Imaginează-ți o rachetă care zboară în spațiu. Pentru comoditate, vom presupune că corpul său este atât de mare încât este nevoie de o secundă întreagă pentru ca lumina să treacă de-a lungul lui de sus în jos. În cele din urmă, să presupunem că în rachetă sunt doi observatori, unul în sus, lângă tavan, celălalt în jos, pe podea, și ambii sunt echipați cu același ceas care numără secundele.

Să presupunem că observatorul superior, după ce a așteptat numărătoarea inversă a ceasului său, trimite imediat un semnal luminos celui de jos. La următoarea numărătoare, trimite un al doilea semnal. Conform condițiilor noastre, va dura o secundă pentru ca fiecare semnal să ajungă la observatorul inferior. Deoarece observatorul superior trimite două semnale luminoase cu un interval de o secundă, observatorul inferior le va înregistra și el cu același interval.

Ce se va schimba dacă, în acest experiment, în loc să plutească liber în spațiu, racheta va sta pe Pământ, experimentând acțiunea gravitației? Conform teoriei lui Newton, gravitația nu va afecta în niciun fel situația: dacă observatorul de deasupra transmite semnale la intervale de o secundă, atunci observatorul de dedesubt le va primi la același interval. Dar principiul echivalenței prezice o dezvoltare diferită a evenimentelor. Pe care, o putem înțelege dacă, în conformitate cu principiul echivalenței, înlocuim mental acțiunea gravitației cu o accelerație constantă. Acesta este un exemplu al modului în care Einstein a folosit principiul echivalenței pentru a-l crea noua teorie gravitatie.

Deci, să presupunem că racheta noastră accelerează. (Vom presupune că accelerează încet, astfel încât viteza sa să nu se apropie de viteza luminii.) Deoarece corpul rachetei se mișcă în sus, primul semnal va trebui să parcurgă o distanță mai mică decât înainte (înainte de a începe accelerația), și va ajunge la observatorul inferior înainte de a-mi da o secundă. Dacă racheta s-ar deplasa cu o viteză constantă, atunci al doilea semnal ar ajunge exact în aceeași cantitate mai devreme, astfel încât intervalul dintre cele două semnale ar rămâne egal cu o secundă. Dar în momentul trimiterii celui de-al doilea semnal, din cauza accelerației, racheta se mișcă mai repede decât în ​​momentul trimiterii primului, astfel încât al doilea semnal va parcurge o distanță mai mică decât primul și va petrece și mai puțin timp. Observatorul de mai jos, verificându-și ceasul, va observa că intervalul dintre semnale este mai mic de o secundă și va fi în dezacord cu observatorul de mai sus, care susține că a trimis semnale exact o secundă mai târziu.

În cazul unei rachete care accelerează, probabil că acest efect nu ar trebui să fie deosebit de surprinzător. La urma urmei, tocmai am explicat-o! Dar amintiți-vă: principiul echivalenței spune că același lucru se întâmplă atunci când racheta este în repaus într-un câmp gravitațional. Prin urmare, chiar dacă racheta nu accelerează, ci, de exemplu, stă pe rampa de lansare de pe suprafața Pământului, semnalele trimise de observatorul superior la intervale de o secundă (în funcție de ceasul său) vor ajunge în partea inferioară. observator la un interval mai scurt (după ceasul său) . Acest lucru este cu adevărat uimitor!

Gravitația schimbă curgerea timpului. Așa cum ne spune relativitatea specială timpul curge diferit pentru observatorii care se deplasează unul față de celălalt, teoria generală a relativității declară că cursul timpului este diferit pentru observatorii aflați în diferite câmpuri gravitaționale. Conform teoriei generale a relativității, observatorul inferior înregistrează un interval mai scurt între semnale, deoarece timpul curge mai lent lângă suprafața Pământului, deoarece gravitația este mai puternică aici. Cu cât câmpul gravitațional este mai puternic, cu atât este mai mare acest efect.

Ceasul nostru biologic răspunde și la schimbările în trecerea timpului. Dacă unul dintre gemeni locuiește pe un vârf de munte, iar celălalt la malul mării, primul va îmbătrâni mai repede decât al doilea. În acest caz, diferența de vârste va fi neglijabilă, dar va crește semnificativ de îndată ce unul dintre gemeni pleacă într-o călătorie lungă într-o navă spațială care accelerează la o viteză apropiată de viteza luminii. Când rătăcitorul se va întoarce, va fi mult mai tânăr decât fratele său, care a rămas pe Pământ. Acest caz este cunoscut sub numele de paradoxul gemenilor, dar este doar un paradox pentru cei care se țin de ideea timpului absolut. În teoria relativității nu există un timp absolut unic - fiecare individ are propria sa măsură de timp, care depinde de locul în care se află și de cum se mișcă.

Odată cu apariția sistemelor de navigație ultra-precise care primesc semnale de la sateliți, diferența de frecvență a ceasului la diferite altitudini a devenit de importanță practică. Dacă echipamentul ar ignora predicțiile relativității generale, eroarea în determinarea poziției ar putea ajunge la câțiva kilometri!

Apariția teoriei generale a relativității a schimbat radical situația. Spațiul și timpul au câștigat statut entitati dinamice. Când corpurile se mișcă sau acționează forțele, ele provoacă curbura spațiului și timpului, iar structura spațiu-timpului, la rândul său, afectează mișcarea corpurilor și acțiunea forțelor. Spațiul și timpul nu afectează doar tot ceea ce se întâmplă în univers, dar ele însele depind de toate acestea.

Imaginați-vă un astronaut îndrăzneț care rămâne pe suprafața unei stele care se prăbușește în timpul unui colaps cataclismic. La un moment dat din ceasul său, să zicem la ora 11:00, steaua se va micșora la o rază critică, dincolo de care câmpul gravitațional devine atât de puternic încât este imposibil să scapi de el. Acum să presupunem că astronautul este instruit să trimită un semnal în fiecare secundă pe ceasul său către o navă spațială care se află pe orbită la o anumită distanță fixă ​​de centrul stelei. Începe să transmită semnale la 10:59:58, adică cu două secunde înainte de 11:00. Ce va înregistra echipajul la bordul navei spațiale?

Mai devreme, după ce am făcut un experiment de gândire cu transmiterea semnalelor luminoase în interiorul unei rachete, am fost convinși că gravitația încetinește timpul și cu cât este mai puternică, cu atât efectul este mai semnificativ. Un astronaut de pe suprafața unei stele se află într-un câmp gravitațional mai puternic decât omologii săi de pe orbită, așa că o secundă pe ceasul său va dura mai mult decât o secundă pe ceasul navei. Pe măsură ce astronautul se mișcă cu suprafața spre centrul stelei, câmpul care acționează asupra lui devine din ce în ce mai puternic, astfel încât intervalele dintre semnalele sale primite la bordul navei se prelungesc constant. Această dilatare a timpului va fi foarte mică până la ora 10:59:59, deci pentru astronauții aflați pe orbită, intervalul dintre semnalele transmise la 10:59:58 și 10:59:59 va fi cu puțin mai mult de o secundă. Dar semnalul trimis la 11:00 nu va fi așteptat pe navă.

Orice se întâmplă pe suprafața unei stele între 10:59:59 și 11:00, conform ceasului astronautului, va fi întins pe o perioadă infinită de timp de ceasul navei spațiale. Pe măsură ce ne apropiem de ora 11:00, intervalele dintre sosirea crestelor și jgheaburilor succesive ale undelor luminoase emise de stea vor deveni din ce în ce mai lungi; la fel se va întâmpla cu intervalele de timp dintre semnalele astronautului. Deoarece frecvența radiației este determinată de numărul de creste (sau jgheaburi) care sosesc pe secundă, din ce în ce mai mult frecventa joasa radiații stelare. Lumina stelei se va înroși și se va estompa în același timp. În cele din urmă, steaua se va estompa atât de mult încât va deveni invizibilă pentru observatorii navelor spațiale; tot ce rămâne este o gaură neagră în spațiu. Cu toate acestea, efectul gravitației stelei asupra navei spațiale va continua și va continua să orbiteze.

Teoria generală a relativității(OTO) - teoria geometrică gravitate, publicat de Albert Einstein în 1915-1916. În cadrul acestei teorii, care este o dezvoltare ulterioară a teoriei relativității speciale, se postulează că efectele gravitaționale sunt cauzate nu de interacțiunea de forță a corpurilor și câmpurilor situate în spațiu-timp, ci de deformarea spațiu-timp. în sine, care este asociat, în special, cu prezența energiei-masă. Astfel, în relativitatea generală, ca și în alte teorii metrice, gravitația nu este o interacțiune de forță. Relativitatea generală diferă de alte teorii metrice ale gravitației prin utilizarea ecuațiilor lui Einstein pentru a raporta curbura spațiu-timpului cu materia prezentă în spațiu.

Relativitatea generală este în prezent cea mai de succes teorie gravitațională, bine susținută de observații. Primul succes al relativității generale a fost de a explica precesia anormală a periheliului lui Mercur. Apoi, în 1919, Arthur Eddington a raportat observarea deviației luminii lângă Soare în acest moment eclipsă totală, care a confirmat predicțiile teoriei generale a relativității.

De atunci, multe alte observații și experimente au confirmat un număr semnificativ de predicții ale teoriei, inclusiv dilatarea timpului gravitațional, deplasarea gravitațională spre roșu, întârzierea semnalului într-un câmp gravitațional și, până acum, doar indirect, radiația gravitațională. În plus, numeroase observații sunt interpretate ca o confirmare a uneia dintre cele mai misterioase și exotice predicții ale teoriei generale a relativității - existența găurilor negre.

În ciuda succesului covârșitor al relativității generale, există disconfort în comunitatea științifică că nu poate fi reformulată ca limită clasică a teoriei cuantice din cauza apariției divergențelor matematice inamovibile atunci când se consideră găurile negre și singularitățile spațiu-timp în general. Pentru a rezolva această problemă, o serie de teorii alternative. Dovezile experimentale actuale indică faptul că orice tip de abatere de la relativitatea generală ar trebui să fie foarte mică, dacă există deloc.

Principiile de bază ale relativității generale

Teoria gravitației a lui Newton se bazează pe conceptul de gravitație, care este o forță cu rază lungă de acțiune: ea acționează instantaneu la orice distanță. Această natură instantanee a acțiunii este incompatibilă cu paradigma de câmp a fizicii moderne și, în special, cu teorie specială relativitatea, creată în 1905 de Einstein, inspirată din opera lui Poincaré și Lorentz. În teoria lui Einstein, nicio informație nu poate călători mai repede decât viteza luminii în vid.

Din punct de vedere matematic, forța gravitațională a lui Newton este derivată din energie potențială corpuri într-un câmp gravitațional. Potențialul gravitațional corespunzător acestei energii potențiale se supune ecuației lui Poisson, care nu este invariabilă sub transformările Lorentz. Motivul pentru non-invarianță este că energia în relativitatea specială nu este valoare scalară, și intră în componenta de timp a vectorului 4. Teoria vectorială a gravitației se dovedește a fi similară cu teoria câmp electromagnetic Maxwell și duce la energie negativă undele gravitaționale, care sunt legate de natura interacțiunii: sarcinile (masele) cu același nume sunt atrase în gravitație și nu respinse, ca în electromagnetism. Astfel, teoria gravitației a lui Newton este incompatibilă cu principiul fundamental al teoriei relativității speciale - invarianța legilor naturii în orice cadru de referință inerțial și generalizarea vectorială directă a teoriei lui Newton, propusă pentru prima oară de Poincaré în 1905 în lucrarea sa. Lucrarea „Despre dinamica electronului” duce la rezultate fizic nesatisfăcătoare.

Einstein a început să caute o teorie a gravitației care să fie compatibilă cu principiul invarianței legilor naturii în raport cu orice cadru de referință. Rezultatul acestei căutări a fost teoria generală a relativității, bazată pe principiul identității masei gravitaționale și inerțiale.

Principiul egalității maselor gravitaționale și inerțiale

În mecanica clasică newtoniană, există două concepte de masă: primul se referă la a doua lege a lui Newton, iar al doilea la legea gravitației universale. Prima masă - inerțială (sau inerțială) - este raportul dintre forța negravitațională care acționează asupra corpului și accelerația acestuia. A doua masă - gravitațională (sau, așa cum se numește uneori, grea) - determină forța de atracție a corpului de către alte corpuri și propria putere atracţie. În general, aceste două mase sunt măsurate, după cum se vede din descriere, în experimente diferite, deci nu trebuie să fie deloc proporționale una cu cealaltă. Proporționalitatea lor strictă ne permite să vorbim despre o singură masă corporală atât în ​​interacțiuni non-gravitaționale, cât și gravitaționale. Printr-o alegere adecvată a unităților, aceste mase pot fi egalate între ele. Principiul în sine a fost propus de Isaac Newton, iar egalitatea maselor a fost verificată de el experimental cu o precizie relativă de 10?3. La sfârșitul secolului al XIX-lea, Eötvös a efectuat experimente mai subtile, ducând la 10?9 acuratețea verificării principiului. Pe parcursul secolului al XX-lea, tehnicile experimentale au făcut posibilă confirmarea egalității maselor cu o precizie relativă de 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke etc.). Uneori, principiul egalității maselor gravitaționale și inerțiale este numit principiul slab al echivalenței. Albert Einstein a pus-o la baza teoriei generale a relativității.

Principiul mișcării de-a lungul liniilor geodezice

Dacă masa gravitațională este exact egală cu masa inerțială, atunci în expresia pentru accelerația unui corp, asupra căruia acționează numai forțele gravitaționale, ambele mase sunt reduse. Prin urmare, accelerația corpului și, în consecință, traiectoria acestuia nu depinde de masă și structura interna corp. Dacă toate corpurile din același punct din spațiu primesc aceeași accelerație, atunci această accelerație poate fi asociată nu cu proprietățile corpurilor, ci cu proprietățile spațiului însuși în acest punct.

Astfel, descrierea interacțiunii gravitaționale dintre corpuri poate fi redusă la o descriere a spațiului-timp în care corpurile se mișcă. Este firesc să presupunem, așa cum a făcut Einstein, că corpurile se mișcă prin inerție, adică în așa fel încât accelerația lor în propriul cadru de referință să fie zero. Traiectoriile corpurilor vor fi apoi linii geodezice, a căror teorie a fost dezvoltată de matematicieni încă din secolul al XIX-lea.

Liniile geodezice în sine pot fi găsite prin specificarea în spațiu-timp a unui analog al distanței dintre două evenimente, numit în mod tradițional interval sau funcție mondială. Interval în spatiu tridimensional iar timpul unidimensional (cu alte cuvinte, în spațiu-timp cu patru dimensiuni) este dat de 10 componente independente ale tensorului metric. Aceste 10 numere formează metrica spațiului. Ea definește „distanța” dintre două puncte de spațiu-timp infinit apropiate în direcții diferite. Liniile geodezice corespunzătoare liniilor lumii corpuri fizice, a căror viteză este mai mică decât viteza luminii, se dovedesc a fi liniile celui mai mare timp propriu, adică timpul măsurat de un ceas fixat rigid de un corp care urmează această traiectorie. Experimentele moderne confirmă mișcarea corpurilor de-a lungul liniilor geodezice cu aceeași precizie ca și egalitatea maselor gravitaționale și inerțiale.

Curbura spațiu-timpului

Dacă două corpuri sunt lansate din două puncte apropiate paralele unul cu celălalt, atunci în câmpul gravitațional ele se vor apropia treptat sau se vor îndepărta unul de celălalt. Acest efect se numește abaterea liniilor geodezice. Un efect similar poate fi observat direct dacă două bile sunt lansate paralele una cu cealaltă peste o membrană de cauciuc, pe care este plasat un obiect masiv în centru. Bilele se vor dispersa: cea care a fost mai aproape de obiectul care împinge prin membrană va tinde spre centru mai puternic decât bila mai îndepărtată. Această discrepanță (abatere) se datorează curburii membranei. În mod similar, în spațiu-timp, deviația geodezicilor (divergența traiectoriilor corpurilor) este asociată cu curbura acesteia. Curbura spațiului-timp este determinată în mod unic de metrica sa - tensorul metric. Diferența dintre teoria generală a relativității și teoriile alternative ale gravitației este determinată în majoritatea cazurilor tocmai de modul de legătură dintre materie (corpuri și câmpuri de natură negravitațională care creează un câmp gravitațional) și proprietățile metrice ale spațiului-timp. .

GR spațiu-timp și principiul echivalenței puternice

Se consideră adesea incorect că baza teoriei generale a relativității este principiul echivalenței câmpurilor gravitaționale și inerțiale, care poate fi formulat după cum urmează:
Local relativ mic sistem fizic, situat într-un câmp gravitațional, nu se poate distinge în comportament de același sistem, care se află într-un accelerat (față de sistem inerțial referință) un sistem de referință scufundat în spațiu-timp plat al relativității speciale.

Uneori, același principiu este postulat ca „validitate locală a relativității speciale” sau numit „principiul echivalenței puternice”.

Din punct de vedere istoric, acest principiu a jucat într-adevăr un rol important în dezvoltarea teoriei generale a relativității și a fost folosit de Einstein în dezvoltarea sa. Cu toate acestea, în cea mai finală formă a teoriei, ea nu este de fapt conținută, deoarece spațiu-timp atât în ​​accelerat, cât și în sistem original referința în teoria relativității speciale nu este curbată - plată, iar în teoria relativității generale este curbată de orice corp și curbura sa este cea care provoacă atracție gravitațională tel.

Este important de remarcat faptul că principala diferență dintre spațiul-timp al teoriei generale a relativității și spațiul-timp al teoriei speciale a relativității este curbura acesteia, care este exprimată printr-o mărime tensorală - tensorul de curbură. În spațiul-timp al relativității speciale, acest tensor este identic egal cu zero, iar spațiul-timp este plat.

Din acest motiv, denumirea de „relativitate generală” nu este în întregime corectă. Această teorie este doar una dintre numeroasele teorii ale gravitației luate în considerare în prezent de către fizicieni, în timp ce teoria relativității speciale (mai precis, principiul ei metricității spațiu-timp) este în general acceptată. comunitate stiintificași constituie piatra de temelie a bazei fizicii moderne. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că niciunul din celălalt teorii dezvoltate gravitația, cu excepția relativității generale, nu a trecut testul timpului și al experimentului.

Principalele consecințe ale relativității generale

Conform principiului corespondenței, în câmpurile gravitaționale slabe, predicțiile relativității generale coincid cu rezultatele aplicării legii lui Newton a gravitației universale cu mici corecții care cresc pe măsură ce intensitatea câmpului crește.

Primele consecințe experimentale prezise și verificate ale relativității generale au fost trei efecte clasice, enumerate mai jos în ordinea cronologică a primei lor verificări:
1. Deplasare suplimentară a periheliului orbitei lui Mercur în comparație cu predicțiile mecanicii newtoniene.
2. Abaterea unui fascicul de lumină în câmpul gravitațional al Soarelui.
3. Deplasarea gravitațională spre roșu sau dilatarea timpului într-un câmp gravitațional.

Există o serie de alte efecte care pot fi verificate experimental. Printre acestea, putem aminti deviația și întârzierea (efectul Shapiro) undelor electromagnetice în câmpul gravitațional al Soarelui și Jupiter, efectul Lense-Thirring (precesia unui giroscop în apropierea unui corp în rotație), dovezi astrofizice pentru existența negrului. găuri, dovezi pentru emisia de unde gravitaționale de către sistemele apropiate stele dubleși extinderea universului.

Până acum, nu au fost găsite dovezi experimentale de încredere care să respingă relativitatea generală. Abaterile valorilor măsurate ale efectelor față de cele prezise de relativitatea generală nu depășesc 0,1% (pentru cele trei fenomene clasice de mai sus). În ciuda acestui fapt, din diverse motive, teoreticienii au dezvoltat cel puțin 30 de teorii alternative ale gravitației, iar unele dintre ele fac posibilă obținerea unor rezultate în mod arbitrar apropiate de relativitatea generală pentru valorile corespunzătoare ale parametrilor incluși în teorie.

„ZS” nr. 7-11 / 1939

Lev Landau

Anul acesta se împlinesc 60 de ani de naștere a celui mai mare fizician al timpului nostru, Albert Einstein. Einstein este renumit pentru teoria sa a relativității, care a provocat o adevărată revoluție în știință. În înțelegerea noastră asupra lumii din jurul nostru, principiul relativității, propus de Einstein încă din 1905, a produs aceeași revoluție extraordinară pe care a făcut-o doctrina copernicană la vremea sa.
Înainte de Copernic, oamenii credeau că trăiesc într-o lume absolut calmă, pe un Pământ nemișcat - centrul universului. Copernic a răsturnat această prejudecată veche, demonstrând că, de fapt, Pământul este doar un mic grăunte de nisip într-o lume imensă, care este în continuă mișcare. Asta a fost acum patru sute de ani. Și acum Einstein a arătat că un lucru atât de familiar și aparent complet clar pentru noi, deoarece timpul are și proprietăți complet diferite decât cele pe care i le atribuim de obicei...

Pentru a înțelege pe deplin această teorie foarte complexă, este nevoie de o mare cunoaștere a matematicii și fizicii. in orice caz ideea generala toată lumea poate și ar trebui să aibă despre asta om de cultură. Vom încerca să dăm o astfel de idee generală despre principiul relativității al lui Einstein în articolul nostru, care va fi publicat în părți în trei numere din Knowledge is Power.

E. Zelikovich, I. Nechaev și O. Pisarzhevsky au luat parte la prelucrarea acestui articol pentru tânărul cititor.

Relativitatea cu care suntem obișnuiți

Are sens fiecare afirmație?

Evident nu. De exemplu, dacă spui „bee-ba-boo”, atunci nimeni nu va găsi niciun sens în această exclamație. Dar chiar și cuvintele destul de semnificative, combinate după toate regulile gramaticale, pot da, de asemenea, un nonsens complet. Astfel, este greu de atribuit vreun sens expresiei „râde liric de brânză”.

Cu toate acestea, nu toate prostiile sunt atât de evidente: de foarte multe ori o afirmație, la prima vedere, destul de rezonabilă, se dovedește a fi în esență absurdă. Spune-mi, de exemplu, pe ce parte a Pieței Pușkin din Moscova se află monumentul lui Pușkin: în dreapta sau în stânga?

Este imposibil să răspunzi la această întrebare. Dacă mergeți din Piața Roșie în Piața Mayakovsky, atunci monumentul va fi pe stânga, iar dacă mergeți în sens opus, va fi pe dreapta. Este clar că fără a indica direcția în raport cu care considerăm „dreapta” și „stânga”, aceste concepte nu au sens.

La fel, este imposibil de spus ce este acum pe glob: zi sau noapte? Răspunsul depinde de locul în care se pune întrebarea. Când e zi la Moscova, e noapte în Chicago. Prin urmare, afirmația „acum este zi sau noapte” nu are sens decât dacă este indicată la ce loc de pe glob se referă. Astfel de concepte vor fi numite „relative”.

Cele două desene prezentate aici prezintă un cioban și o vacă. Într-o poză ciobanul este mai mare decât vaca, iar în cealaltă vaca este mai mare decât ciobanul. Dar este clar pentru toată lumea că nu există nicio contradicție aici. Desenele au fost realizate de observatori care se aflau în locuri diferite: primul era mai aproape de vaca, al doilea era mai aproape de cioban. În picturi, nu dimensiunea obiectelor este importantă, ci unghiul în care am vedea aceste obiecte în realitate.

Este clar că „mărimea unghiulară” a unui obiect este relativă: depinde de distanța dintre ele și obiect. Cu cât obiectul este mai aproape, cu atât este mai mare mărimea sa unghiulară și cu atât arată mai mare, iar cu cât obiectul este mai departe, cu atât este mai mică magnitudinea sa unghiulară și apare mai mic.

Absolutul s-a dovedit a fi relativ

Nu întotdeauna, însă, relativitatea conceptelor noastre este la fel de evidentă ca în exemplele date.

Adesea spunem „de sus” și „dedesubt”. Aceste concepte sunt absolute sau relative? LA vremurile de demult, când încă nu se știa că Pământul este sferic și a fost imaginat sub formă clătită plată, s-a luat de la sine înțeles că direcțiile „sus” și „jos” în întreaga lume sunt aceleași.

Dar apoi s-a dovedit că Pământul este sferic și s-a dovedit că direcțiile verticalei în diferite puncte suprafața pământului diferit.

Toate acestea nu ne lasă acum nicio îndoială. Între timp, istoria arată că nu a fost atât de ușor de înțeles relativitatea „sus” și „jos”. Oamenii sunt foarte predispuși să atribuie un sens absolut conceptelor a căror relativitate nu este clară din experiența de zi cu zi. Amintiți-vă de „obiecția” ridicolă împotriva sfericității Pământului, care a avut mare succes în Evul Mediu: pe „cealaltă parte” a Pământului, spun ei, copacii ar trebui să crească în jos, picăturile de ploaie ar cădea în sus, iar oamenii ar fi merge cu capul în jos.

Într-adevăr, dacă luăm în considerare direcția verticală la Moscova ca fiind absolută, atunci se dovedește că în Chicago oamenii merg cu susul în jos. Și din punctul de vedere absolut al oamenilor care trăiesc în Chicago, moscoviții merg cu susul în jos. Dar, de fapt, direcția verticală nu este absolută, ci relativă. Și peste tot pe Pământ, deși este sferic, oamenii merg doar cu capul în jos.

Și mișcarea este relativă

Să ne imaginăm doi călători care călătoresc cu trenul expres Moscova - Vladivostok. Aceștia sunt de acord să se întâlnească în fiecare zi în același loc în vagonul restaurant și să scrie scrisori către soții lor. Călătorii sunt siguri că îndeplinesc condiția – să se afle în fiecare zi în același loc în care au fost ieri. Cu toate acestea, soții lor nu vor fi de acord cu asta: vor afirma cu fermitate că călătorii se întâlneau în fiecare zi într-un loc nou, la o mie de kilometri distanță de cel anterior.

Cine are dreptate: călătorii sau soții lor?

Nu avem niciun motiv să acordăm preferință unuia sau altuia: conceptul de „unul și același loc” este relativ. În ceea ce privește trenul, călătorii se întâlneau într-adevăr tot timpul „în același loc”, iar față de suprafața pământului, locul întâlnirii lor se schimba constant.

Astfel, poziția în spațiu este un concept relativ. Vorbind despre poziția unui corp, ne referim întotdeauna la poziția sa față de alte corpuri. Prin urmare, dacă ni s-ar cere să indicăm unde se află un astfel de organism, fără a menționa alte organisme în răspuns, ar trebui să considerăm o astfel de cerință ca fiind complet impracticabilă.

De aici rezultă că mișcarea, sau mișcarea, a corpurilor este de asemenea relativă. Și când spunem „un corp se mișcă”, înseamnă doar că își schimbă poziția față de alte corpuri.

Să ne imaginăm că observăm mișcarea unui corp din diferite puncte. Vom fi de acord să numim astfel de puncte „laboratoare”. Laboratoarele noastre imaginare pot fi orice în lume: case, orașe, trenuri, avioane, Pământ, alte planete, Soare și chiar stele.

Ce ne va părea traiectoria, adică calea corpului în mișcare?

Totul depinde de laboratorul din care îl observăm. Să presupunem că pilotul ejectează încărcătura din avion. Din punctul de vedere al pilotului, sarcina zboară în jos vertical în linie dreaptă, iar din punctul de vedere al observatorului de pe sol, sarcina în cădere descrie o linie curbă - o parabolă. Pe ce traiectorie se mișcă de fapt sarcina?

Această întrebare are la fel de puțin sens ca întrebarea care fotografie a unei persoane este „reală”, cea în care este luată din față sau cea în care este luată din spate?

Forma geometrică a curbei de-a lungul căreia se mișcă corpul are același caracter relativ ca și fotografia unei persoane. Când fotografiem o persoană din față și din spate, vom obține fotografii diferite și fiecare dintre ele va fi perfect corectă. În același mod, observând mișcarea oricărui corp din laboratoare diferite, vedem traiectorii diferite, iar toate aceste traiectorii sunt „reale”.

Dar sunt toți egali pentru noi? Este posibil, până la urmă, să găsim un asemenea punct de observație, un astfel de laborator, de unde am putea studia cel mai bine legile care guvernează mișcarea unui corp?

Am comparat doar traiectoriile unui corp în mișcare cu fotografiile unei persoane - ambele pot fi foarte diverse - totul depinde de punctul din care observați mișcarea corpului sau faceți poza. Dar știi că în fotografie nu toate punctele de vedere sunt egale. De exemplu, dacă aveți nevoie de o fotografie pentru actul de identitate, atunci în mod natural doriți să fiți fotografiat din față, nu din spate. În mod similar, în mecanică, adică atunci când studiem legile mișcării corpurilor, trebuie să alegem cel mai potrivit dintre toate punctele de observație posibile.

În căutarea păcii

Știm că mișcarea corpurilor este influențată de influențe externe, pe care le numim forțe. Dar ne putem imagina un corp care este liber de influența oricăror forțe. Să fim de acord odată pentru totdeauna să considerăm că corpul, asupra căruia nu acționează nicio forță, este în repaus. Acum, după ce am introdus conceptul de odihnă, se pare că avem deja un sprijin solid în studiul mișcării corpurilor. De fapt, acest corp, asupra căruia nu acționează forțe și pe care am convenit să-l considerăm ca în repaus, ne poate servi drept ghid, „stea călăuzitoare” în studiul mișcării tuturor celorlalte corpuri.

Imaginați-vă că am îndepărtat un corp atât de departe de toate celelalte, încât nicio forță nu va mai acționa asupra lui. Și apoi vom putea stabili cum ar trebui să se desfășoare fenomenele fizice pe un astfel de corp odihnit. Cu alte cuvinte, putem găsi legile mecanicii care guvernează acest laborator imaginar „de odihnă”. Și comparându-le cu ceea ce observăm în alte laboratoare reale, putem deja judeca adevăratele proprietăți ale mișcării în toate cazurile.

Deci, s-ar părea că totul este în regulă: am găsit un punct forte - „pacea”, deși condiționată, iar acum mișcarea și-a pierdut relativitatea pentru noi.

Cu toate acestea, în realitate, nici această „pace” iluzorie atinsă cu atâta dificultate nu va fi absolută.

Imaginați-vă observatori care trăiesc pe o minge singuratică, pierduți în vastele întinderi ale universului. Ei nu simt influența niciunei forțe străine asupra lor și, prin urmare, trebuie să fie convinși că mingea pe care trăiesc este în deplină imobilitate, într-o liniște absolută, neschimbătoare.

Deodată observă în depărtare o altă minge asemănătoare, pe care se află aceiași observatori. Cu mare viteza, aceasta a doua minge se repezi, dreapta si uniform, catre prima. Observatorii de pe prima minge nu au nicio îndoială că stau pe loc și doar a doua minge se mișcă. Dar locuitorii acestei a doua mingi cred și ei în imobilitatea lor și sunt ferm convinși că această primă minge „străină” se îndreaptă spre ei.

Care dintre ele are dreptate? Nu are rost să argumentăm despre acest lucru, deoarece starea de mișcare rectilinie și uniformă este complet imposibil de distins de starea de repaus.

Pentru a fi convinși de asta, tu și cu mine nici măcar nu trebuie să urcăm în adâncurile infinite ale universului. Urcă-te pe vaporul fluvial de la debarcader, încuie-te în cabină și draperii bine ferestrele. În astfel de condiții, nu vei afla niciodată dacă stai pe loc sau te miști drept și uniform. Toate corpurile din cabină se vor comporta exact în același mod în ambele cazuri: suprafața apei din pahar va rămâne calmă tot timpul; o minge aruncată vertical în sus va cădea și vertical în jos; pendulul ceasului se va balansa la fel ca pe peretele apartamentului tău.

Aparatul tău cu abur poate merge cu orice viteză, dar asupra lui vor prevala aceleași legi de mișcare ca și pe un abur complet staționar. Doar in momentul incetinirii sau accelerarii acestuia ii puteti detecta miscarea; când merge drept și uniform, totul curge pe el la fel ca pe o navă staționară.

Astfel, nu am găsit nicăieri odihnă absolută, dar am descoperit că în lume pot exista infinite „odihuri” care se mișcă uniform și rectiliniu unele față de altele. Prin urmare, atunci când vorbim despre mișcarea unui corp, trebuie să indicăm întotdeauna în funcție de ce „odihnă” anume se mișcă. Această poziție este numită în mecanică „legea relativității mișcării”. A fost propus acum trei sute de ani de Galileo.

Dar dacă mișcarea și repausul sunt relative, atunci viteza, evident, trebuie să fie relativă. Deci chiar este. Să presupunem, de exemplu, că alergi pe puntea unui vapor cu aburi cu o viteză de 5 metri pe secundă. Dacă nava se mișcă în aceeași direcție cu 10 metri pe secundă, atunci viteza ta față de țărm va fi de 15 metri pe secundă.

Prin urmare, afirmația: „un corp se mișcă cu așa sau cutare viteză”, fără a indica cu ce se măsoară viteza, nu are sens. Determinând viteza unui corp în mișcare din diferite puncte, ar trebui să obținem rezultate diferite.

Tot ceea ce am vorbit până acum era cunoscut cu mult înainte de opera lui Einstein. Relativitatea mișcării, repausului și vitezei a fost stabilită de marii creatori ai mecanicii - Galileo și Newton. Legile mișcării descoperite de el au stat la baza fizicii și timp de aproape trei secole au contribuit în mare măsură la dezvoltarea tuturor Stiintele Naturii. Nenumărate fapte și legi noi au fost descoperite de cercetători și toate au confirmat din nou și din nou corectitudinea opiniilor lui Galileo și Newton. Aceste opinii au fost confirmate și în mecanica practică - în proiectarea și operarea tuturor tipurilor de mașini și aparate.

Aceasta a continuat până când sfârşitul XIX-lea secol, când s-au descoperit fenomene noi care se aflau în contradicție decisivă cu legile mecanica clasica.

În 1881, fizicianul american Michaelson a întreprins o serie de experimente pentru a măsura viteza luminii. Rezultatul neașteptat al acestor experimente a adus confuzie în rândurile fizicienilor; a fost atât de izbitor și de misterios încât i-a derutat pe cei mai mari oameni de știință ai lumii.

Proprietăți remarcabile ale luminii

Poate ați observat un fenomen atât de interesant.

Undeva în depărtare, pe un câmp, pe o cale ferată sau pe un șantier, bate un ciocan. Vezi cât de tare cade pe o nicovală sau pe o șină de oțel. Cu toate acestea, sunetul de impact este complet inaudibil. Se pare că ciocanul a aterizat pe ceva foarte moale. Dar acum se ridică din nou. Și în momentul în care este deja destul de sus în aer, auziți o bătaie ascuțită la distanță.

Nu este greu de înțeles de ce se întâmplă asta. În condiții normale, sunetul călătorește prin aer cu o viteză de aproximativ 340 de metri pe secundă, așa că auzim o lovitură de ciocan nu în momentul în care apare, ci numai după ce sunetul de la acesta are timp să ajungă la urechea noastră.

Iată un alt exemplu, mai izbitor. Fulgerele și tunetele au loc în același timp, dar de multe ori se pare că fulgerele fulgeră în tăcere, deoarece zgomotele tunetelor ajung la urechea noastră abia după câteva secunde. Dacă le auzim târziu, de exemplu, 10 secunde, atunci asta înseamnă că fulgerul este la 340 x 10 = 3400 de metri distanță de noi, sau la 3,4 kilometri.

În ambele cazuri, vorbim despre două momente: când s-a întâmplat efectiv un eveniment și momentul în care ecoul acestui eveniment a ajuns la urechea noastră. Dar de unde știm când s-a întâmplat cu adevărat evenimentul?

O vedem: vedem ciocanul coborând, fulgerul fulgerând. În acest caz, presupunem că evenimentul are loc cu adevărat chiar în momentul în care îl vedem. Dar este chiar așa?

Nu, nu așa. La urma urmei, noi nu percepem evenimentele în mod direct. În fenomenele pe care le observăm cu ajutorul vederii este implicată lumina. Și lumina nu se propagă în spațiu instantaneu: ca și sunetul, este nevoie de timp pentru ca razele de lumină să depășească distanța.

În gol, lumina călătorește cu aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă. Aceasta înseamnă că, dacă o lumină clipește la o distanță de 300 de mii de kilometri de tine, poți să-i observi fulgerul nu imediat, ci doar o secundă mai târziu.

Într-o secundă, razele de lumină ar putea trece de șapte ori Pământ de-a lungul ecuatorului. În comparație cu o astfel de viteză colosală, distanțele terestre par nesemnificative, prin urmare, în practică, putem presupune că vedem toate fenomenele care au loc pe Pământ în același moment în care se produc.

de neimaginat viteza extraordinara lumina poate părea surprinzătoare. Mult mai surprinzător este însă altceva: faptul că viteza luminii este remarcabilă prin constanța sa uimitoare. Să vedem care este această constanță.

Se știe că mișcarea corpurilor poate fi încetinită și accelerată artificial. Dacă, de exemplu, o cutie de nisip este plasată în calea unui glonț, atunci glonțul din cutie își va pierde o parte din viteza. Viteza pierdută nu va fi restabilită: după părăsirea cutiei, glonțul va zbura mai departe nu cu aceeași viteză, ci cu viteză redusă.

Razele de lumină se comportă altfel. În aer, se propagă mai încet decât în ​​gol, în apă - mai încet decât în ​​aer și în sticlă - chiar mai încet. Cu toate acestea, lăsând orice substanță (desigur, transparentă) în gol, lumina continuă să se propage la viteza anterioară - 300 de mii de kilometri pe secundă. În același timp, viteza luminii nu depinde de proprietățile sursei sale: este exact aceeași pentru razele Soarelui, și pentru reflector și pentru lumânare. În plus, nu contează dacă sursa de lumină în sine se mișcă sau nu - acest lucru nu afectează în niciun fel viteza luminii.

Pentru a înțelege pe deplin sensul acestui fapt, să comparăm încă o dată propagarea luminii cu mișcarea corpurilor obișnuite. Imaginați-vă că trageți un jet de apă dintr-un furtun cu o viteză de 5 metri pe secundă pe stradă. Aceasta înseamnă că fiecare particulă de apă călătorește cu 5 metri pe secundă față de stradă. Dar dacă plasați un furtun pe o mașină care trece în direcția jetului cu 10 metri pe secundă, atunci viteza jetului în raport cu stradă va fi deja de 15 metri pe secundă: particulele de apă au viteza nu numai de furtunul, dar și de o mașină în mișcare, care poartă furtunul împreună cu jetul înainte.

Comparând sursa de lumină cu un furtun și razele sale - cu un jet de apă, vom vedea o diferență semnificativă. Nu are nicio diferență în ceea ce privește razele de lumină din ce sursă au intrat în vid și ce sa întâmplat cu ei înainte de a intra în vid. Odată ce sunt în el, viteza de propagare a lor este egală cu aceeași valoare - 300 de mii de kilometri pe secundă și indiferent dacă sursa de lumină se mișcă sau nu.

Să vedem cum aceste proprietăți speciale ale luminii sunt în concordanță cu legea relativității mișcării, care a fost discutată în prima parte a articolului. Pentru a face acest lucru, să încercăm să rezolvăm problema adunării și scăderii vitezelor, iar pentru simplitate vom presupune că toate fenomenele pe care ni le imaginăm apar într-un gol, unde viteza luminii este de 300 de mii de kilometri.

Lasă o sursă de lumină să fie plasată pe un abur în mișcare, chiar în mijlocul acestuia, și un observator la fiecare capăt al vaporului. Ambele măsoară viteza de propagare a luminii. Care vor fi rezultatele muncii lor?

Deoarece razele se propagă în toate direcțiile și ambii observatori se mișcă împreună cu vaporul într-o direcție, se va dovedi următoarea imagine: observatorul situat la capătul din spate al vaporului se deplasează spre raze, iar cel din față se îndepărtează constant. de la ei.

Prin urmare, primul observator trebuie să constate că viteza luminii este de 300.000 de kilometri plus viteza vaporului, iar al doilea trebuie să constate că viteza luminii este de 300.000 de kilometri minus viteza vaporului. Și dacă ne imaginăm pentru o clipă că o navă cu aburi parcurge o distanță monstruoasă de 200.000 de kilometri pe secundă, atunci viteza luminii găsită de primul observator va fi de 500.000 de kilometri, iar în al doilea, 100.000 de kilometri pe secundă. Pe un vapor cu aburi staționar, ambii observatori ar obține același rezultat - 300.000 de kilometri pe secundă.

Astfel, din punctul de vedere al observatorilor, pe nava noastră în mișcare, lumina pare să se propagă într-o direcție de 1 2/3 ori mai rapid, iar în cealaltă - de trei ori mai lent decât pe una în repaus. Făcând simplu operatii aritmetice, vor putea seta viteza absolută a aburului.

În același mod, putem stabili viteza absolută a oricărui alt corp în mișcare: pentru a face acest lucru, este suficient să plasați o sursă de lumină pe acesta și să măsurați viteza de propagare a razelor de lumină din diferite puncte ale corpului.

Cu alte cuvinte, ne-am trezit brusc capabili să determinăm viteza și, prin urmare, mișcarea unui corp, indiferent de toate celelalte corpuri. Dar dacă există viteza absolută, atunci există o singură repaus absolută, și anume: orice laborator în care observatorii, care măsoară viteza luminii în orice direcție, obțin aceeași valoare - 300 de mii de kilometri pe secundă, va fi absolut în repaus.

Este ușor de observat că toate acestea sunt în contrast puternic cu concluziile la care am ajuns în numărul precedent al revistei. De fapt: am vorbit despre faptul că pe un corp care se mișcă uniform în linie dreaptă, totul decurge la fel ca pe unul staționar. Prin urmare, fie că, de exemplu, tragem pe o navă în direcția mișcării acesteia sau împotriva mișcării ei, viteza glonțului în raport cu nava va rămâne aceeași și va fi egală cu viteza pe o navă staționară. În același timp, eram convinși că mișcarea, viteza și odihna sunt concepte relative: mișcarea absolută, viteza și odihna nu există. Și acum se dovedește brusc că observațiile asupra proprietăților luminii răstoarnă toate aceste concluzii și contrazic legea naturii descoperită de Galileo - legea relativității mișcării.

Dar aceasta este una dintre legile ei fundamentale: ea domină întreaga lume; dreptatea sa a fost confirmată de experiență de nenumărate ori, este confirmată peste tot și în fiecare minut până acum; dacă ar înceta brusc să fie drept, o frământare de neimaginat ar cuprinde universul. Dar lumina nu numai că nu-i ascultă, ci chiar îl respinge!

Experiența lui Mikaelson

Ce să faci cu această contradicție? Înainte de a exprima anumite considerații pe această temă, să acordăm atenție următoarei împrejurări: că proprietățile luminii contrazic legea relativității mișcării, am stabilit exclusiv prin raționament. Desigur, acestea au fost argumente foarte convingătoare. Dar, limitându-ne doar la raționament, am fi asemenea filosofilor antici care au încercat să descopere legile naturii nu cu ajutorul experienței și al observației, ci doar pe baza unor inferențe. În acest caz, apare inevitabil pericolul ca imaginea lumii creată în acest fel, cu toate meritele ei, se va dovedi a fi foarte puțin asemănătoare cu lumea reală care ne înconjoară.

Judecătorul suprem al oricărei teorii fizice este întotdeauna experiența și, prin urmare, nu se limitează la raționamentul despre modul în care lumina ar trebui să se propagă pe un corp în mișcare, ar trebui să apelăm la experimente care să arate cum se propagă de fapt în aceste condiții.

Totuși, trebuie avut în vedere că înființarea unor astfel de experimente este dificilă dintr-un motiv foarte simplu: este imposibil să găsești în practică un astfel de corp care să se miște cu o viteză proporțională cu viteza colosală a luminii. La urma urmei, o astfel de navă cu aburi pe care am folosit-o în raționamentul nostru, desigur, nu există și nu poate exista.

Pentru a putea determina o ușoară modificare a vitezei luminii pe corpurile care se mișcă relativ lent, accesibile nouă, a fost necesară crearea unor instrumente de măsură cu o precizie excepțional de mare. Și numai atunci când astfel de dispozitive au putut fi realizate, a fost posibil să se înceapă să se clarifice contradicția dintre proprietățile luminii și legea relativității mișcării.

Un astfel de experiment a fost întreprins în 1881 de unul dintre cei mai mari experimentatori ai timpurilor moderne, fizician american Mikaelson.

Ca corp în mișcare, Michaelson a folosit... globul. Într-adevăr, Pământul este un corp care se mișcă evident: se învârte în jurul Soarelui și, în plus, cu o viteză destul de „solidă” pentru condițiile noastre - 30 de kilometri pe secundă. Prin urmare, atunci când studiem propagarea luminii pe Pământ, studiem de fapt propagarea luminii într-un laborator în mișcare.

Mikaelson a măsurat viteza luminii pe Pământ în diverse direcții cu o precizie foarte mare, adică a realizat practic ceea ce am făcut noi mental cu tine pe un abur imaginar în mișcare. Pentru a surprinde mica diferență de 30 de kilometri față de numărul imens de 300.000 de kilometri, Michaelson a trebuit să folosească tehnici experimentale foarte sofisticate și să-și folosească toată ingeniozitatea sa. Precizia experimentului a fost atât de mare încât Mikaelson ar fi fost capabil să detecteze o diferență mult mai mică de viteze decât ar fi vrut să detecteze.

Din tigaie pe foc

Rezultatul experimentului părea să fie evident dinainte. Cunoscând proprietățile luminii, s-ar putea prevedea că viteza luminii măsurată în direcții diferite ar fi diferită. Dar poate credeți că rezultatul experimentului s-a dovedit a fi așa?

Nimic de genul asta! Experimentul lui Mikaelson a dat rezultate complet neașteptate. De-a lungul unui număr de ani, a fost repetat de multe ori în cele mai variate condiții, dar a condus invariabil la aceeași concluzie uimitoare.

Pe un Pământ aflat în mișcare cu bună știință, viteza luminii, măsurată în orice direcție, se dovedește a fi exact aceeași.

Deci lumina nu face excepție. Respectă aceeași lege ca un glonț pe un vapor cu aburi în mișcare, legea relativității a lui Galileo. Nu a fost posibil să se detecteze mișcarea „absolută” a Pământului. Nu există, așa cum ar trebui să fie conform legii relativității.

Contradicția neplăcută cu care se confrunta știința a fost rezolvată. Dar au apărut noi contradicții! Fizicienii au ieșit din foc și au intrat în tigaie.

Pentru a clarifica noile contradicții la care a dus experiența lui Mikaelson, să ne revizuim în ordine investigațiile.

Am stabilit mai întâi că mișcarea absolută și odihna nu există; Aceasta este ceea ce spune legea relativității a lui Galileo. Apoi s-a dovedit că proprietăți speciale lumina este contrară legii relativității. De aici a rezultat că mișcarea și odihna absolută încă există. Pentru a testa acest lucru, Mikaelson a efectuat un experiment. Experimentul a arătat contrariul: nu există nicio contradicție - iar lumina se supune legii relativității. Prin urmare, mișcarea absolută și odihna din nou nu există. Pe de altă parte, implicațiile experienței lui Mikaelson se aplică în mod evident oricărui corp în mișcare, nu doar pământului; prin urmare, viteza luminii este aceeași în toate laboratoarele, indiferent de propria mișcare și, prin urmare, viteza luminii nu este încă o valoare relativă, ci o valoare absolută.

S-a dovedit a fi un cerc vicios. Cei mai mari fizicieni ai lumii și-au bătut mintea peste asta de ani de zile. A oferit diverse teorii, până la cele mai incredibile și fantastice. Dar nimic nu a ajutat: fiecare nouă presupunere a provocat imediat noi contradicții. Lumea științifică s-a confruntat cu unul dintre cele mai mari mistere.

Cel mai misterios și mai ciudat lucru despre toate acestea a fost că știința se ocupa aici de fapte complet clare, bine stabilite: cu legea relativității, proprietăți cunoscute lumina și experiența lui Mikaelson. Și au condus, s-ar părea, la absurdul perfect.

Contradicția adevărurilor... Dar adevărurile nu se pot contrazice, deoarece nu poate exista decât un singur adevăr. Prin urmare, trebuie să existe o eroare în înțelegerea noastră a faptelor. Dar unde? Ce este?

Timp de 24 de ani întregi - din 1881 până în 1905 - nu au găsit un răspuns la aceste întrebări. Dar în 1905, cel mai mare fizician al timpului nostru, Albert Einstein, a dat o explicație strălucitoare ghicitoarei. Apărând dintr-o direcție complet neașteptată, a produs asupra fizicienilor impresia unei bombe care explodează.

Explicația lui Einstein este atât de diferită de toate conceptele cu care omenirea a fost obișnuită de milenii, încât sună excepțional de incredibil. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, s-a dovedit a fi fără îndoială corect: de 34 de ani încoace, experimentele de laborator și observațiile asupra diferitelor fenomene fizice din lume și-au confirmat din ce în ce mai mult validitatea.

Când ușile se deschid

Pentru a înțelege explicația lui Einstein, trebuie mai întâi să fim familiarizați cu o consecință a experimentului lui Mikaelson. Să ne uităm imediat cu un exemplu. Să folosim pentru asta încă o dată un aburi fantastic.

Imaginează-ți o navă cu aburi lungă de 5.400.000 de kilometri. Lasă-l să se miște în linie dreaptă și uniform cu o viteză fabuloasă de 240 de mii de kilometri pe secundă. La un moment dat, se aprinde un bec în mijlocul vaporizatorului. Există uși la prova și pupa navei. Sunt dispuse in asa fel incat in momentul in care lumina de la un bec cade asupra lor sa se deschida automat. Aici lampa este aprinsă. Când se vor deschide exact ușile?

Pentru a răspunde la această întrebare, să ne amintim rezultatele experimentului lui Mikaelson. Experimentul lui Mikaelson a arătat că, în raport cu observatorii de pe un Pământ în mișcare, lumina se propagă în toate direcțiile cu aceeași viteză de 300.000 de kilometri pe secundă. Același lucru se va întâmpla, desigur, pe un vapor în mișcare. Dar distanța de la bec până la fiecare capăt al navei este de 2700.000 de kilometri, iar 2700.000: 300.000 = 9. Aceasta înseamnă că lumina de la bec va ajunge la fiecare ușă în 9 secunde. Astfel, ambele uși se vor deschide în același timp.

Așa va fi prezentat cazul observatorului de pe navă. Și ce vor vedea oamenii pe dig, pe lângă care se mișcă vaporul?

Deoarece viteza luminii nu depinde de mișcarea sursei de lumină, este egală cu aceeași 300.000 de kilometri pe secundă față de dig, în ciuda faptului că sursa de lumină se află pe o navă în mișcare. Dar, din punctul de vedere al observatorului de pe debarcader, ușa de la pupa navei se deplasează spre fasciculul de lumină cu viteza navei. Când se va întâlni ușa cu grinda?

Avem de-a face aici cu o problemă asemănătoare cu problema a doi călători care călătoresc unul spre celălalt. Pentru a găsi ora întâlnirii, trebuie să împărțiți distanța dintre călători la suma vitezelor lor. Hai să facem la fel și aici. Distanța dintre bec și ușă este de 2.700 de mii de kilometri, viteza ușii (adică vaporul) este de 240 de mii de kilometri pe secundă, iar viteza luminii este de 300 de mii de kilometri pe secundă.

Prin urmare, ușa din spate se va deschide

2700.000/(300000 + 240000)=5 secunde

După ce becul este aprins. Dar fata?

Ușa din față, din punctul de vedere al observatorului de pe dig, fasciculul de lumină trebuie să ajungă din urmă, deoarece se mișcă cu nava în aceeași direcție cu fasciculul de lumină. Prin urmare, aici avem problema călătorilor, dintre care unul îl depășește pe celălalt. Vom împărți distanța la diferența de viteze:

2700.000/(300000 - 240000)=45 secunde

Deci, prima ușă se va deschide la 5 secunde după aprinderea becului, iar a doua ușă se va deschide 45 de secunde mai târziu. Prin urmare, ușile nu se vor deschide în același timp. Asta va fi prezentată poza oamenilor de pe debarcader! Poza este cea mai uimitoare dintre tot ce s-a spus până acum.

Se dovedește că aceleași evenimente - deschiderea ușilor din față și din spate - se vor dovedi a fi simultane pentru oamenii de pe navă și non-simultane pentru persoanele de pe dig, dar separate printr-un interval de timp de 40 de secunde.

Nu sună asta ca o prostie totală? Nu pare asta o afirmație absurdă dintr-o glumă - că lungimea unui crocodil de la coadă la cap este de 2 metri, iar de la cap la coadă este de 1 metru?

Și, atenție, oamenii de la debarcader nu vor crede că ușile s-au deschis în același timp: pentru ei chiar se va întâmpla în același timp. La urma urmei, am calculat timpul când fiecare dintre uși s-a deschis. În același timp, am constatat că a doua ușă s-a deschis efectiv cu 40 de secunde mai târziu decât prima.

Totuși, pasagerii vasului cu abur au stabilit corect și că ambele uși s-au deschis în același timp. Și a fost arătat aritmetic. Ce se întâmplă? Aritmetică vs Aritmetică?!

Nu, aritmetica nu este de vină aici. Toate contradicțiile pe care le-am întâlnit aici stau în concepțiile noastre greșite despre timp: timpul s-a dovedit a fi complet diferit de ceea ce omenirea l-a considerat până acum.

Einstein a revizuit aceste concepte vechi, vechi de mii de ani. În același timp, a făcut o mare descoperire, datorită căreia numele său a devenit nemuritor.

Timpul este relativ

În numărul precedent am arătat ce concluzii extraordinare au trebuit să tragă fizicienii din experimentul lui Mikaelson. Am luat în considerare un exemplu de abur imaginar pe care se deschid două uși la semnalul unei lumini și am stabilit un fapt izbitor: din punctul de vedere al observatorilor de pe vaporul, ușile se deschid în același moment, dar din punctul de vedere al observatorilor de pe debarcader, în diferite momente.

Ceea ce o persoană nu este obișnuită i se pare incredibil. Cazul ușilor de pe un vapor cu aburi pare destul de incredibil pentru că nu ne-am mișcat niciodată cu o viteză care să se apropie nici măcar de departe de fabulosul număr de 240.000 de kilometri pe secundă. Dar trebuie luat în considerare faptul că fenomenele care apar la asemenea viteze pot fi foarte diferite de cele cu care suntem obișnuiți în Viata de zi cu zi.

Desigur, de fapt, nu există nave cu aburi care se deplasează cu viteze apropiate de viteza luminii. Și, de fapt, nimeni nu a observat vreodată un astfel de caz cu uși așa cum este descris în exemplul nostru. Dar fenomene similare, datorită tehnologiei experimentale moderne, foarte dezvoltate, pot fi detectate cu siguranță. Amintiți-vă că exemplul cu ușile deschise nu se bazează pe raționament abstract, ci doar pe fapte bine stabilite obținute prin experiență: experimentul Mikaelson și mulți ani de observații asupra proprietăților luminii.

Deci, experiența a fost cea care ne-a condus la concluzia incontestabilă că conceptul de simultaneitate a două evenimente nu este absolut. Anterior, am considerat că dacă două evenimente au avut loc în orice laborator în același timp, atunci pentru orice alt laborator ar fi simultan. Acum am aflat că acest lucru este valabil numai pentru laboratoarele aflate în repaus unul față de celălalt. În caz contrar, evenimentele care sunt simultane pentru un laborator vor avea loc pentru altul în momente diferite.

De aici rezultă că conceptul de simultaneitate este un concept relativ. El capătă sens doar atunci când indici cum se mișcă laboratorul, din care se observă evenimentele.

La începutul articolului, am vorbit despre doi călători care apăreau zilnic în vagonul-restaurant expres. Călătorii erau siguri că se întâlnesc tot timpul în același loc. Soții lor au susținut că se întâlneau în fiecare zi într-un loc nou, la o mie de kilometri distanță de cel anterior.

Aveau dreptate amândoi: în ceea ce privește trenul, călătorii s-au întâlnit efectiv în același loc, dar în ceea ce privește șinele de cale ferată, în locuri diferite. Acest exemplu ne-a arătat că conceptul de spațiu nu este un concept absolut, ci unul relativ.

Ambele exemple - despre întâlnirea cu călători și deschiderea ușilor pe un vapor - sunt similare unul cu celălalt. În ambele cazuri vorbim despre relativitate, și există chiar aceleași cuvinte: „în același” și „în diferit”. Doar în primul exemplu este vorba despre locuri, adică despre spațiu, iar în al doilea - despre momente, adică despre timp. Ce urmează de aici?

Că conceptul de timp este la fel de relativ ca și conceptul de spațiu.

Pentru a verifica în cele din urmă acest lucru, haideți să modificăm puțin exemplul vaporului cu aburi. Să presupunem că mecanismul uneia dintre uși este defect. Lăsați oamenii de pe barcă să observe că ușa din față s-a deschis cu 15 secunde înainte de ușa din spate din cauza acestei defecțiuni. Și ce vor vedea oamenii la debarcader?

Dacă în prima variantă a exemplului ușa din față s-a deschis pentru ei cu 40 de secunde mai târziu decât cea din spate, atunci în a doua variantă se va întâmpla doar cu 40 - 15 = 25 de secunde mai târziu. Se dovedește, așadar, că pentru oamenii de pe navă ușa din față s-a deschis mai devreme decât cea din spate, iar pentru oamenii de pe dig - mai târziu.

Deci, ceea ce s-a întâmplat mai devreme pentru un laborator s-a întâmplat mai târziu în raport cu altul. De aici rezultă clar că conceptul de timp însuși este un concept relativ.

Această descoperire a fost făcută în 1905 de către fizicianul Albert Einstein, în vârstă de douăzeci și șase de ani. Înainte de asta, omul și-a imaginat timpul ca absolut - peste tot în lume la fel, independent de orice laborator. Așa că, odată, oamenii au considerat că direcțiile de sus și de jos sunt aceleași în toată lumea.

Și acum soarta spațiului a căzut timpului. S-a dovedit că expresia „în același timp” are nr mai mult sens decât expresia „în acelaşi loc” dacă nu se precizează la ce laborator se referă.

Poate cineva mai are o întrebare: ei bine, de fapt, indiferent de orice laborator, sunt două evenimente simultane sau nu? Să te gândești la această întrebare este la fel de absurd ca să te gândești la întrebare, dar unde, de fapt, indiferent de laboratoare, se află vârful și cel de jos în lume?

Descoperirea relativității timpului a făcut posibil, așa cum veți vedea mai târziu, rezolvarea tuturor contradicțiilor la care a condus fizica experimentul lui Mikaelson. Această descoperire a fost una dintre cele mai mari victorii ale minții asupra ideilor stagnante care s-au dezvoltat de-a lungul mileniilor. Surprinzător prin neobișnuința sa aici mediul academic, a produs o revoluție profundă în concepțiile omenirii asupra naturii. Ca caracter și semnificație, ea poate fi comparată doar cu răsturnările cauzate de descoperirea sfericității Pământului sau de descoperirea mișcării sale în jurul Soarelui.

Așadar, Einstein, împreună cu Copernic și Newton, au deschis drumuri complet noi pentru știință. Și nu degeaba descoperirea acestui om de știință, pe atunci încă tânăr, a câștigat rapid faimă pentru el. cel mai mare fizician secolul nostru.

Doctrina relativității timpului este de obicei numită „principiul relativității lui Einstein” sau pur și simplu „principiul relativității”. Nu trebuie confundat cu legea sau principiul relativității mișcării, despre care s-a discutat mai devreme, adică cu „principiul clasic al relativității” sau „principiul relativității lui Galileo - Newton”.

Viteza are o limită

Spuneți într-un articol de revistă despre acestea schimbări uriașeși tot ceea ce principiul relativității a introdus în știință este imposibil. În plus, pentru a înțelege toate acestea, trebuie să aveți bune cunoștințe de fizică și matematica superioara.

Scopul articolului nostru este de a explica doar fundamentele principiului lui Einstein și acele consecințe cele mai importante care decurg din relativitatea timpului. Doar aceasta, după cum ați văzut, este departe de a fi o sarcină ușoară. Rețineți că principiul relativității este unul dintre cele mai dificile întrebări științificeși, în general, este imposibil să te uiți suficient de adânc în el fără ajutorul matematicii.

Pentru început, luați în considerare o consecință foarte importantă a relativității timpului, în ceea ce privește viteza.

După cum știți, viteza locomotivelor cu abur, a mașinilor și a avioanelor a crescut continuu de la inventarea lor și până în prezent. În prezent, a atins o valoare care ar fi părut incredibilă cu doar câteva decenii în urmă. Va continua să crească.

Viteze mult mai mari sunt cunoscute și în tehnologie. Aceasta este, în primul rând, viteza gloanțelor și a obuzelor de artilerie. Viteza de zbor a gloanțelor și obuzelor, datorită îmbunătățirilor tehnice continue, a crescut și ea de la an la an și va continua să crească în viitor.

Dar cea mai mare viteză folosită în tehnologie este viteza de transmitere a semnalului folosind raze de lumină, curent electricși unde radio. În toate cele trei cazuri, este aproximativ egală cu aceeași valoare - 300 de mii de kilometri pe secundă.

S-ar putea crede că odată cu dezvoltarea ulterioară a tehnologiei, odată cu descoperirea unor noi raze, chiar și această viteză va fi depășită; Mărind mereu vitezele disponibile, vom putea în cele din urmă să ne apropiem cât ne place de idealul transmiterii instantanee a semnalelor sau eforturilor pe orice distanță.

Experiența lui Mikaelson arată, totuși, că acest ideal este de neatins. Într-adevăr, la o rată de transmisie infinit de mare, semnalele de la două evenimente ar ajunge la noi instantaneu în toate condițiile; iar dacă într-un laborator au avut loc două evenimente simultan, atunci în toate celelalte laboratoare ar fi observate și ele simultan - în același moment în care au avut loc. Și asta ar însemna că „simultaneitatea” a devenit absolută, complet independentă de mișcarea laboratoarelor. Dar caracterul absolut al timpului, după cum am văzut, este infirmat de experimentul lui Mikaelson. Prin urmare, transmiterea semnalelor sau a forțelor nu poate fi instantanee.

Cu alte cuvinte, viteza oricărei transmisii nu poate fi infinit de mare. Există o anumită limită de viteză - o limită de viteză care în niciun caz nu poate fi depășită.

Este ușor de verificat dacă viteza limită coincide cu viteza luminii. La urma urmei, conform principiului relativității lui Galileo - Newton, legile naturii din toate laboratoarele care se mișcă unele față de altele în linie dreaptă și uniform sunt aceleași. Aceasta înseamnă că pentru toate astfel de laboratoare, aceeași viteză ar trebui să fie cea limitativă. Dar ce fel de viteză își păstrează valoarea neschimbată în toate laboratoarele? O astfel de constanță uimitoare, așa cum am văzut, este doar viteza luminii și numai ea! De aici rezultă că viteza luminii nu este doar viteza de propagare a unei acțiuni (deși foarte importantă) în lume: este în același timp viteza limită care există în natură.

Descoperirea existenței unei viteze limitatoare în natură a fost, de asemenea, una dintre cele mai mari victorii ale gândirii umane. Un fizician al secolului trecut nu ar fi putut ghici că există o limită a vitezei. Dacă, totuși, s-ar fi împiedicat de existența vitezei limită în timpul experimentelor, ar fi hotărât că acesta a fost un accident, că de vină era doar limitarea capacităților sale experimentale. Ar fi îndreptățit să creadă că odată cu dezvoltarea tehnologiei, viteza limită ar putea fi depășită.

Opusul ne este clar: ar fi la fel de ridicol să contam pe asta, cât să credem că, odată cu dezvoltarea navigației, se va putea ajunge la un loc de pe suprafața pământului care se află la mai mult de 20 de mii de kilometri de punctul de plecare ( adică mai mult de jumătate din circumferinţa pământului).

Când un minut este egal cu o oră?

Pentru a explica pe deplin relativitatea timpului și consecințele care decurg din aceasta, care par ciudate din obicei, Einstein folosește exemple cu un tren. Vom face la fel. Un tren uriaș care se mișcă cu o viteză fabuloasă imaginară va fi numit „trenul lui Einstein”.

Imaginează-ți o cale ferată foarte lungă. Există două stații la o distanță de 864 de milioane de kilometri una de alta. Pentru a acoperi distanța dintre ele, trenul lui Einstein, care se deplasează cu o viteză de, să zicem, 240 de mii de kilometri pe secundă, va avea nevoie de o oră de timp. Ambele stații au complet ceas precis.

Un călător se urcă în tren la prima stație. În primul rând, își setează cronometrul de buzunar exact la ceasul stației. La sosirea într-o altă stație, îl compară cu ceasul stației și este surprins să observe că cronometrul a rămas în urmă...

De ce s-a întâmplat asta?

Să presupunem că există un bec electric pe podeaua mașinii și o oglindă pe tavan. Un fascicul de lumină de la un bec care lovește o oglindă este reflectat înapoi către bec. Traseul fasciculului, așa cum este văzut de călător în mașină, este prezentat în figura de sus: fasciculul este îndreptat vertical în sus și cade vertical în jos.

O imagine diferită va fi prezentată observatorului de la stație. În timpul în care fasciculul de lumină a trecut de la bec la oglindă, oglinda s-a deplasat împreună cu trenul. Și în timpul căderii fasciculului reflectat, becul în sine s-a deplasat la aceeași distanță. Calea parcursă de rază din punctul de vedere al observatorului de la stație este prezentată în figura de jos: alcătuiește două laturi ale unui triunghi echilateral. Baza triunghiului este formată dintr-un bec transportat înainte de tren.

Vedem că din punctul de vedere al observatorului din stație, fasciculul de lumină a parcurs o distanță mai mare decât din punctul de vedere al observatorului din tren. În același timp, știm că viteza luminii este constantă în toate condițiile: este exact la fel pentru un observator din gară, și pentru un călător într-un tren. Ce urmează de aici?

Este clar că, dacă vitezele sunt aceleași, dar lungimile căilor sunt diferite, atunci se petrece mai puțin timp pentru a trece pe o cale mai mică și se petrece mai mult timp pentru a trece pe o cale mai mare. Este ușor de calculat raportul dintre ambele ori.

Să presupunem că din punctul de vedere al observatorului de la stație au trecut 10 secunde între plecarea fasciculului către oglindă și revenirea lui la bec. În aceste 10 secunde, lumina a trecut:

300.000 x 10 = 3 milioane de kilometri.

În consecință, laturile AB și BC ale triunghiului isoscel ABC sunt egale cu 1,5 milioane de kilometri fiecare. Latura AC 1, baza triunghiului, este egală cu distanța parcursă de tren în 10 secunde și anume:

240.000 x 10 = 2,4 milioane de kilometri.

Jumătate din bază, AD 1 este egal cu 1,2 milioane de kilometri.

De aici este ușor să determinați înălțimea mașinii - înălțimea triunghiului BD. Din triunghi dreptunghic ABD avem:

BD 2 \u003d AB 2 - AD 2 \u003d 1,52 - 1,22

Prin urmare BD = 0,9 milioane de kilometri.

Înălțimea este destul de solidă, ceea ce, totuși, nu este surprinzător având în vedere dimensiunile astronomice ale trenului lui Einstein.

Calea parcursă de rază din punctul de vedere al observatorului din tren este în mod evident egală cu dublul înălțimii triunghiului:

2BD = 2 x 0,9 = 1,8 milioane de kilometri.

Pentru a parcurge această cale, lumina va avea nevoie de:

1.800.000/300.000 = 6 secunde.

Așadar, în timp ce fasciculul de lumină a trecut de la bec la oglindă și înapoi, în gară au trecut 10 secunde, iar în tren doar 6 secunde. Raportul dintre timpul în tren și timpul în stații este de 6/10.

De aici și consecința surprinzătoare: după ora de stație, trenul a petrecut o oră de mers între stații, dar după cronometrul călătorului, doar 6/10 ore, adică 36 de minute. De aceea, în timpul deplasării dintre stații, cronometrul călătorului a rămas în urmă cu ceasul stației și, mai mult, cu 24 de minute.

Este necesar să înțelegem bine acest fapt: cronometrul călător a rămas în urmă nu pentru că; că a fost mai lent sau nu a funcționat corect. Nu, a funcționat la fel ca ceasurile din stații. Dar timpul într-un tren care se deplasa în raport cu gările a decurs diferit decât în ​​gări.

Din diagrama triunghiului se poate observa că mai multa viteza tren, cu atât mai mare ar trebui să fie decalajul cronometrului de la tren la viteza luminii, este posibil să se asigure că orice perioadă mică de timp trece în tren într-o oră de timp de stație. De exemplu, la o viteză a trenului de aproximativ 0,9999 viteza luminii, va trece doar 1 minut pe oră de timp de stație în tren (sau, dimpotrivă, pe minut de timp de stație în tren va trece o oră, dacă un observator dintr-o stație își verifică timpul folosind două cronometre instalate la începutul și la sfârșitul trenului).

Considerând timpul ca fiind absolut, o persoană obișnuia să-l imagineze ca pe ceva care curge uniform și, în plus, peste tot și în toate condițiile din lume cu aceeași viteză. Dar trenul lui Einstein arată că ritmul timpului este diferit în diferite laboratoare. Această relativitate a timpului este una dintre cele mai importante proprietăți ale lumii fizice.

Din tot ce s-a spus, putem concluziona că „mașina timpului” descrisă de Wells într-o poveste fantastică nu este o fantezie atât de goală. Relativitatea timpului le deschide posibilitatea – cel puțin teoretic – de a călători în viitor. Este ușor de observat că trenul lui Einstein este tocmai „mașina timpului”.

Mașina timpului

Într-adevăr, imaginați-vă că trenul lui Einstein nu se mișcă în linie dreaptă, ci de-a lungul unei căi ferate circulare. Apoi, de fiecare dată când călătorul se întoarce la stația de pornire, va descoperi că ceasul lui este în spatele ceasului stației.

Aproximând viteza trenului cu viteza luminii, puteți, după cum știți deja, să vă asigurați că orice perioadă mică de timp trece într-o oră în funcție de ceasul stației din tren. Acest lucru duce la rezultate surprinzătoare: în timp ce în tren trec doar ani, în gară trec sute și mii de ani. Ieșind din „mașina sa a timpului”, călătorul nostru se va găsi într-un viitor separat... Rudele și prietenii lui au murit de mult... Își va găsi în viață doar descendenții lor îndepărtați.

Cu toate acestea, trenul lui Einstein este încă foarte diferit de cel al lui Wells. La urma urmei, potrivit romancierului, ea s-a putut deplasa în timp nu datorită vitezei mari, ci datorită unui dispozitiv tehnic special. Dar, în realitate, nu poate fi creat un astfel de dispozitiv; asta este o prostie totală. Există o singură cale de a intra în viitor: să dai trenului o viteză enormă - aproape de viteza luminii.

O altă proprietate distinge trenul lui Einstein de mașina timpului Wellsian: este incapabil să se miște „înapoi” în timp, adică nu este capabil să meargă în trecut și, prin urmare, să se întoarcă din viitor în prezent.

În general, însăși ideea de a te întoarce în timp este complet lipsită de sens. Putem influența doar ceea ce nu a fost încă, dar nu suntem capabili să schimbăm ceea ce a fost deja. Acest lucru este clar chiar și din acest exemplu: dacă ar fi posibil să ne întoarcem în timp, atunci s-ar putea întâmpla ca o persoană să intre în trecut și să-și ucidă părinții când erau încă bebeluși. Și dacă s-ar întoarce în prezent, s-ar afla în situația ridicolă a unui bărbat ai cărui părinți au murit cu mult înainte de a se naște!

Mișcarea cu o viteză apropiată de viteza luminii deschide teoretic încă o posibilitate: odată cu timpul, să depășești orice distanță. Și pot fi atât de mari în spațiul mondial, încât chiar și la viteza maximă pentru majoritatea călătoriilor, nu ar fi suficient viata umana.

Un exemplu ar fi o stea care se află, să zicem, la două sute de ani lumină distanță de noi. Deoarece viteza luminii este cea mai mare viteză din natură, este imposibil să ajungeți la această stea mai devreme de două sute de ani de la început. Și întrucât durata vieții umane este mai mică de două sute de ani, s-ar părea că se poate spune cu încredere că o persoană este lipsită fundamental de posibilitatea de a ajunge la stele îndepărtate.

Cu toate acestea, acest raționament este eronat. Greșeala este că vorbim despre două sute de ani ca pe ceva absolut. Dar timpul este relativ, adică nu există timp comun pentru toate laboratoarele. Gările aveau un număr de timp, în timp ce trenul lui Einstein avea altul.

Să ne imaginăm un astronaut care a pornit spre spațiul lumii. Până când va ajunge la o stea aflată la două sute de ani lumină de noi, două sute de ani vor fi într-adevăr trecute conform timpului pământesc. Într-o rachetă, în funcție de viteza ei față de Pământ, după cum știm, poate curge orice perioadă mică de timp.

Astfel, astronautul va ajunge la stea în timpul său nu în două sute de ani, ci, să zicem, într-un an. Cu o viteză suficient de mare, teoretic este posibil să „zburați” către o stea și să vă întoarceți conform ceasului rachetei chiar și într-un minut ...

Mai mult: atunci când se deplasează cu viteza maximă din lume - 300 de mii de kilometri pe secundă - și timpul devine extrem de mic, adică egal cu zero. Cu alte cuvinte, dacă racheta s-ar putea mișca cu viteza luminii, timpul pentru observatorul din ea s-ar opri cu totul, iar din punctul de vedere al acestui observator, momentul începerii ar coincide cu momentul sfârșitului.

Repetăm ​​că toate acestea sunt de imaginat doar teoretic. În practică, călătoria în viitor și către stele îndepărtate nu este fezabilă, deoarece mișcarea mașinilor și a oamenilor la viteze apropiate de viteza luminii este imposibilă din motive tehnice.

Iar dimensiunile sunt relative.

raţionamentul şi exemple distractive prezentate în capitolele precedente par fantastice. Dar scopul lor nu este să captiveze cititorul cu fantezie, ci să arate toată profunzimea și seriozitatea consecințelor care decurg din relativitatea timpului.

Este ușor de observat că relativitatea dimensiunilor corpurilor decurge și din relativitatea timpului.

Fie ca lungimea peronului prin care trece trenul lui Einstein să fie de 2,4 milioane de kilometri. Cu o viteză de 240 de mii de kilometri pe secundă, trenul va depăși platforma în 10 secunde. Dar în 10 secunde din timpul stației vor trece doar 6 secunde în tren. Din aceasta, călătorul va concluziona pe bună dreptate că lungimea platformei este de 240.000 x 6 = 1,44 milioane de kilometri, și nu 2,40 milioane de kilometri.

Aceasta înseamnă că un obiect în repaus în raport cu orice laborator este mai lung decât unul în mișcare. Față de tren, peronul era în mișcare, iar față de gară, era în repaus. Prin urmare, pentru observatorul de la stație, a fost mai lung decât pentru călător. Vagoanele trenului, dimpotrivă, erau de 10/6 ori mai scurte pentru observatorul din gară decât pentru călător.

Pe măsură ce viteza crește, lungimea obiectelor scade din ce în ce mai mult. Prin urmare, la cea mai mare viteză, ar fi trebuit să devină cea mai mică, adică egală cu zero.

Deci, fiecare corp în mișcare se contractă în direcția mișcării sale. În acest sens, este necesar să modificăm unul dintre exemplele date de noi în nr. 9 al revistei și anume: în experimentul cu deschiderea ușilor la un vapor, am constatat că pentru un observator de pe dig, a doua ușă s-a deschis. 40 de secunde mai târziu decât primul. Dar, din moment ce lungimea vaporului, care se deplasează cu o viteză de 240 de mii de kilometri pe secundă, a scăzut de 10/6 ori față de debarcader, intervalul de timp real dintre deschiderea ușilor va fi egal cu ceasul de pe dig și nu 40 de secunde. , dar 40: 10/6 = 24 de secunde . Desigur, această corecție numerică nu schimbă concluziile fundamentale trase de noi din experiența cu vaporul.

Relativitatea dimensiunilor corpurilor atrage imediat o nouă consecință, poate cea mai frapantă, a principiului relativității. „Cel mai frapant”, pentru că explică rezultatul neașteptat al experimentului Mikaelson, care la un moment dat a adus confuzie în rândurile fizicienilor. Cazul se referea, după cum vă amintiți, adăugarea vitezelor, care, dintr-un motiv necunoscut, nu „vreau” să se supună aritmeticii obișnuite.

Omul a fost întotdeauna obișnuit să adauge viteze direcționate într-o linie dreaptă și într-o singură direcție, pur aritmetic, adică la fel de simplu ca mesele sau merele. De exemplu, dacă o navă navighează într-o anumită direcție cu o viteză de 20 de kilometri pe oră și un pasager merge de-a lungul punții sale în aceeași direcție cu o viteză de 5 kilometri pe oră, atunci viteza pasagerului în raport cu debarcaderul va fi de 20 + 5 = 25 de kilometri pe oră.ora.

Până de curând, fizicienii erau siguri că această metodă de adăugare este absolut corectă și potrivită pentru a găsi suma oricăror viteze. Dar principiul relativității nu a lăsat neatinsă nici măcar această regulă a mecanicii.

Încercați, de exemplu, să adăugați vitezele de 230 și 270 de mii de kilometri pe secundă. Ce se va intampla? 500 de mii de kilometri pe secundă. Și o astfel de viteză nu poate exista, deoarece 300 de mii de kilometri pe secundă este cea mai mare viteză din lume. Din aceasta, este cel puțin clar că suma oricărui număr de viteze, în orice caz, nu poate depăși 300.000 de kilometri pe secundă.

Dar, poate, este permis să adăugați viteze mai mici din punct de vedere aritmetic, de exemplu, 150 și 130 de mii de kilometri pe secundă? La urma urmei, suma lor, 280 de mii de kilometri pe secundă, nu depășește limita de viteză din lume.

Este ușor de observat că și suma aritmetică este incorectă aici. Să fie, de exemplu, un vas cu aburi să treacă pe lângă dig cu o viteză de 150.000 de kilometri pe secundă și o minge să se rotească de-a lungul punții vaporului cu o viteză de 130.000 de kilometri pe secundă. Suma acestor viteze ar trebui să exprime viteza mingii în raport cu pilonul. Cu toate acestea, știm din capitolul anterior că un corp în mișcare se micșorează în dimensiune. Prin urmare, o distanță de 130.000 de kilometri pe un vapor nu este deloc egală cu 130.000 de kilometri pentru un observator pe dig, iar 150.000 de kilometri de-a lungul coastei nu este deloc egală cu 150.000 de kilometri pentru un pasager pe un vapor.

În plus, pentru a determina viteza mingii în raport cu dig, observatorul folosește ceasul de pe dig. Dar viteza unei mingi pe un vapor cu aburi este determinată de timpul navei cu aburi. Și timpul pe un vapor în mișcare și pe un debarcader, după cum știm, nu sunt deloc același lucru.

Așa arată în practică problema adunării vitezelor: trebuie să țineți cont de relativitatea atât a distanțelor, cât și a timpului. Cum ar trebui combinate vitezele?

Einstein a dat o formulă specială pentru aceasta, corespunzătoare principiului relativității. Până acum nu am dat formule din teoria relativității, nevrând să împovărăm acest articol dificil cu ele. Cu toate acestea, limbajul concis și precis al matematicii face multe lucruri imediat clare, înlocuind argumentele lungi și pronunțate. Formula pentru adăugarea vitezelor nu este doar mult mai simplă decât toate raționamentele anterioare, dar în sine este atât de simplă și interesantă încât merită citată:

V1 + V2
W = _________________
V 1 x V 2
1+ ___________
C2

Aici V 1 și V 2 sunt termenii vitezei, W este viteza totală, c este cea mai mare viteză din lume (viteza luminii), egală cu 300 de mii de kilometri pe secundă.

Această formulă minunată are doar proprietatea dorita: indiferent cât de repede am aduna, nu vom ajunge niciodată la mai mult de 300 de mii de kilometri pe secundă. Încercați să adăugați 230.000 și 270.000 de kilometri pe secundă folosind această formulă, sau chiar 300.000 și 300.000 de kilometri pe secundă și vedeți ce se întâmplă.

Când adăugăm viteze mici - așa cum le întâlnim în majoritatea cazurilor în practică - formula ne oferă rezultatul obișnuit, care diferă puțin de suma aritmetică. Luați de exemplu chiar și cel mai mare viteze moderne circulaţie. Lăsați două avioane să se deplaseze unul spre celălalt, zburând cu 650 de kilometri pe oră fiecare. Care este viteza de convergență a acestora?

Aritmetic - (650 + 650) = 1300 de kilometri pe oră. Conform formulei lui Einstein - cu doar 0,72 microni pe oră mai puțin. Și în exemplul de mai sus cu o navă care se mișcă încet, pe puntea căreia o persoană merge, această diferență este de 340 de mii de ori mai mică.

Este imposibil să se detecteze astfel de cantități în astfel de cazuri prin măsurători. Da, iar valoarea lor practică este zero. Din aceasta rezultă clar de ce timp de mii de ani omul nu a observat că adăugarea aritmetică a vitezelor este fundamental greșită: inexactitatea unei astfel de adunări este mult mai mică decât cele mai stricte cerințe ale practicii. Și, prin urmare, în tehnologie, totul convergea întotdeauna cu calculele, dacă calculele ar fi corecte.

Dar nu se mai pot adăuga aritmetic viteze comparabile cu viteza luminii: aici putem cădea în erori grosolane. De exemplu, la viteze de 36 de mii de kilometri pe secundă, eroarea va depăși 1 mie de kilometri, iar la 100 de mii de kilometri pe secundă va ajunge deja la 20 de mii de kilometri pe secundă.

Faptul că adăugarea aritmetică a vitezelor este greșită, iar formula lui Einstein este corectă, este confirmat de experiență. Nu putea fi altfel: la urma urmei, experiența a fost cea care i-a făcut pe fizicieni să reconsidere vechile concepte din mecanică și i-a condus la principiul relativității.

Știind cum să adăugăm efectiv vitezele, acum putem înțelege rezultatele „misterioase” ale experimentului Michaelson. Efectuând acest experiment când Pământul se îndrepta către fasciculul de lumină cu o viteză de 30 de kilometri pe secundă, Michaelson se aștepta să obțină un rezultat de 300.000 + 30 = 300.030 de kilometri pe secundă.

Dar nu poți adăuga viteză așa!

Înlocuiți V 1 = c (c este viteza luminii) și V 2 = 30 în formula de adunare a vitezelor și veți descoperi că viteza totală este doar c1 și nu mai mult. Exact acesta a fost rezultatul experimentului lui Mikaelson.

Același rezultat va fi obținut pentru toate celelalte valori ale lui V2, atâta timp cât V1 este egală cu viteza luminii. Lasă Pământul să treacă orice număr de kilometri pe secundă: 30 - în jurul Soarelui, 275 - împreună cu sistemul solar și mii de kilometri - cu întreaga Galaxie. Nu schimbă lucrurile. În toate cazurile de adăugare a vitezei Pământului la viteza luminii, formula va da aceeași valoare c.

Deci, rezultatele experimentului lui Mikaelson ne-au surprins doar pentru că nu am știut să adăugăm corect vitezele. Nu știam să facem asta, pentru că nu știam că corpurile se contractă în direcția mișcării lor și că timpul trece diferit în diferite laboratoare.

Masa si energie

Rămâne de luat în considerare ultima întrebare.

Una dintre cele mai importante proprietăți ale oricărui corp este masa acestuia. Suntem obișnuiți să credem că rămâne mereu neschimbat. Dar calculele bazate pe principiul relativității arată altceva: atunci când un corp se mișcă, masa lui crește. Ea crește de câte ori scade lungimea corpului. Astfel, masa trenului lui Einstein, care se deplasează cu o viteză de 240 de mii de kilometri pe secundă, este de 10/6 ori mai mare decât masa în repaus.

Pe măsură ce viteza se apropie de limită, masa crește din ce în ce mai repede. La viteza limită, masa oricărui corp trebuie să devină infinit de mare. Vitezele obișnuite pe care le întâlnim în practică provoacă o creștere complet neglijabilă a masei.

Cu toate acestea, este încă posibil să se testeze experimental acest fenomen: modern fizica experimentala capabil să compare masa electronilor care se mișcă rapid cu masa electronilor în repaus. Și experiența confirmă pe deplin legea dependenței masei de viteză.

Dar, pentru a spune viteza corpului, este necesar să cheltuim energie. Și se dovedește că, în general, orice muncă efectuată asupra unui corp, orice creștere a energiei corpului implică o creștere a masei proporțională cu această energie cheltuită. Prin urmare, masa unui corp încălzit este mai mare decât cea a unuia rece, masa unui arc comprimat este mai mare decât cea a unuia liber.

Cantități neglijabile de unități de masă corespund cantități uriașe unități de energie. De exemplu, pentru a crește masa unui corp cu doar 1 gram, este necesar să se lucreze la el în 25 de milioane de kilowați-oră. Cu alte cuvinte, masa este de 25 de milioane de kilowați-oră energie electrica este egal cu 1 gram. Pentru a obține acest gram, este necesară toată energia generată de Dneproges timp de două zile. Numărând doar un copeck pe kilowatt-oră, constatăm că 1 gram din cea mai ieftină energie electrică costă 250 de mii de ruble. Și dacă transformați electricitatea în lumină, atunci 1 gram de lumină va costa aproximativ 10 milioane de ruble. Aceasta este de multe ori mai scumpă decât cea mai scumpă substanță - radiul.

Dacă ardeți 1 tonă de cărbune în interior, atunci produsele de ardere vor cântări doar cu 1/3000 de gram mai puțin decât cărbunele și oxigenul din care s-au format după ce s-au răcit. Fracția care lipsește din masă se pierde prin radiația de căldură. Iar încălzirea a 1 tonă de apă de la 0 la 100 de grade va presupune o creștere a masei acesteia cu mai puțin de 5/1.000.000 de fracțiuni de gram.

Este destul de clar că astfel de modificări nesemnificative ale masei corpurilor atunci când pierd sau câștigă energie elud cele mai precise măsurători. in orice caz fizica modernă sunt cunoscute fenomene în care o modificare a masei devine sesizabilă. Acestea sunt procesele care au loc în timpul ciocnirii nucleelor ​​atomice, când nucleele altor elemente se formează din nucleele unor elemente.

De exemplu, când nucleul unui atom de litiu se ciocnește cu nucleul unui atom de hidrogen, se formează două nuclee ale unui atom de heliu. Masa acestor două nuclee este deja o cantitate semnificativă - 1/4 parte - mai puțin greutate totală nuclee de hidrogen și litiu. Prin urmare, atunci când convertiți 1 gram dintr-un amestec de litiu și hidrogen în heliu, ar trebui eliberat 1/400 dintr-un gram de energie, care va fi în kilowați-oră:

25.000.000/400 = 62,5 mii kilowați-oră.

Astfel, dacă am putea realiza cu ușurință transformări nucleare, am deveni proprietarii celei mai bogate surse de energie: pentru a obține puterea Dneproges-ului, ar fi suficient să transformăm doar 4 grame dintr-un amestec de litiu și hidrogen în heliu la fiecare oră.

Fizica veche și nouă

Aceasta încheie introducerea noastră scurtă la principiul relativității.

Am văzut cât de serios și schimbări profunde a introdus principiul relativității în viziunea asupra lumii care s-a dezvoltat în rândul omenirii de multe secole. Asta nu înseamnă că vechile idei sunt complet distruse? Că ar trebui respinse în totalitate? Că toată fizica creată înainte de descoperirea principiului relativității ar trebui eliminată ca fiind incorectă?

Nu, pentru că diferența dintre vechea fizică (se numește „clasică”) și fizica care ține cont de principiul relativității („relativistă”, de la cuvântul latin „relatio”, care înseamnă „referință”), este prea mare. mic în aproape toate zonele noastre activitati practice.

Dacă, de exemplu, un pasager al unui tren obișnuit, chiar și cel mai rapid (dar, bineînțeles, nu trenul lui Einstein) i-ar fi luat în cap să introducă o corecție a timpului pentru principiul relativității, ar fi luat în râs. Timp de o zi, un astfel de amendament ar fi exprimat în zece miliarde de secundă. Tremuratul trenului și funcționarea inexactă a celui mai bun mecanism de ceas au un efect incomparabil mai puternic asupra citirilor ceasului.

Un inginer care ar intra în calcule creșterea masei apei atunci când este încălzită ar putea fi numit nebun. Pe de altă parte, un fizician care studiază ciocnirea nucleelor ​​atomice, dar nu ține cont de posibilele modificări de masă, ar trebui să fie exclus din laborator pentru ignoranță.

Designerii vor proiecta întotdeauna mașini folosind legile fizica clasica: corecțiile pentru principiul relativității vor avea mai puțin efect asupra mașinilor decât un microb care a aterizat pe un volant. Dar un fizician care observă electronii rapizi trebuie să țină cont de modificarea masei lor în funcție de viteză.

Deci, legile naturii, descoperite înainte de apariția principiului relativității, nu sunt anulate; Teoria relativității nu infirmă, ci doar adâncește și rafinează cunoștințele obținute de vechea știință. Ea stabilește limitele în care aceste cunoștințe pot fi utilizate fără a face greșeli.

În concluzie, trebuie spus că teoria relativității nu se limitează la problemele pe care le-am luat în considerare în acest articol. Continuând dezvoltarea învățăturii sale, Einstein a oferit mai târziu o imagine complet nouă a unui fenomen atât de important precum gravitația universală. În acest sens, doctrina relativității a fost împărțită în două părți. Prima dintre acestea, care nu se referă la gravitație, a fost numită „principiul relativității” „privat” sau „special”; a doua parte, care acoperă problemele gravitației, este „principiul general al relativității”. Astfel, ne-am întâlnit doar cu un anumit principiu (considerarea principiu general nu a intrat în domeniul de aplicare al acestui articol).

Rămâne doar de observat că, cu un studiu suficient de profund al fizicii, toate labirinturile construcției complexe a teoriei relativității devin complet clare. Dar să pătrundem în ele, după cum știm, a fost departe de a fi ușor. Pentru aceasta, era nevoie de o presupunere genială: era necesar să se poată face experimentul lui Mikaelson concluzii corecte- descoperi relativitatea timpului cu toate consecințele care decurg.

Așa că omenirea, în dorința ei eternă de a cunoaște lumea mai larg și mai profund, a câștigat una dintre ele cele mai mari victorii.

Îi datorează geniului lui Albert Einstein.

Teoria generală a relativității, împreună cu teoria specială a relativității, este lucrarea strălucită a lui Albert Einstein, care la începutul secolului al XX-lea a schimbat viziunea fizicienilor asupra lumii. O sută de ani mai târziu, relativitatea generală este principala și cea mai importantă teorie fizica în lume, și împreună cu mecanica cuantică se aplică pentru unul din două pietre de temelie„teoria tuturor”. Teoria generală a relativității descrie gravitația ca o consecință a curburii spațiu-timpului (combinat într-un singur întreg în relativitatea generală) sub influența masei. Datorită relativității generale, oamenii de știință au dedus multe constante, au verificat o grămadă de fenomene inexplicabileși a venit cu lucruri precum găuri negre, materie întunecatăși energia întunecată, expansiunea universului, Marea explozieși mult mai mult. De asemenea, GTR a pus veto asupra vitezei luminii, întemnițându-ne literalmente în cartierul nostru ( sistem solar), dar a lăsat o portiță sub formă de găuri de vierme - căi posibile scurte prin spațiu-timp.

Un angajat al Universității RUDN și colegii săi brazilieni au pus sub semnul întrebării conceptul utilizării găurilor de vierme stabile ca portaluri pentru puncte diferite spațiu timp. Rezultatele cercetării lor au fost publicate în Physical Review D. - un clișeu destul de ușurat în operă științifico-fantastică. gaură de vierme, sau gaura alunita”, este un fel de tunel care leagă puncte îndepărtate din spațiu, sau chiar două universuri, prin curbura spațiu-timpului.