relativitatea specială (SRT) sau teorie privată relativitatea este teoria lui Albert Einstein, publicată în 1905 în lucrarea „On the electrodynamics of moving bodies” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. Juni 1905).

A explicat mișcarea dintre diferitele cadre de referință inerțiale sau mișcarea corpurilor care se mișcă unele față de altele cu o viteză constantă. În acest caz, niciunul dintre obiecte nu trebuie luat ca un cadru de referință, ci ar trebui să fie considerate relativ unul față de celălalt. SRT oferă doar 1 caz când 2 corpuri nu schimbă direcția de mișcare și se mișcă uniform.

Legile relativității speciale încetează să funcționeze atunci când unul dintre corpuri schimbă traiectoria mișcării sau crește viteza. Aici are loc teoria generală a relativității (GR), dând interpretare generală mișcarea obiectelor.

Cele două postulate pe care se bazează teoria relativității sunt:

1. Principiul relativității- După el, în totalitate sistemele existente referințe care se mișcă unele față de altele cu o viteză constantă și nu își schimbă direcția, se aplică aceleași legi.
2. Principiul vitezei luminii- Viteza luminii este aceeași pentru toți observatorii și nu depinde de viteza de mișcare a acestora. Aceasta este cea mai mare viteză și nimic din natură nu are o viteză mai mare. Viteza luminii este de 3*10^8 m/s.

Albert Einstein a luat ca bază mai degrabă date experimentale decât teoretice. Aceasta a fost una dintre componentele succesului său. Noile date experimentale au servit drept bază pentru creare noua teorie.

Fizicienii cu mijlocul al XIX-lea secole au căutat un nou mediu misterios numit eter. S-a presupus că eterul poate trece prin toate obiectele, dar nu participă la mișcarea lor. Conform credințelor despre eter, prin schimbarea vitezei privitorului în raport cu eterul, se modifică și viteza luminii.

Einstein, având încredere în experimente, a respins noțiunea mediu nou eter și a presupus că viteza luminii este întotdeauna constantă și nu depinde de nicio circumstanță, cum ar fi viteza persoanei însuși.

Intervalele de timp, distanțele și uniformitatea lor

Teoria specială a relativității leagă timpul și spațiul. În Universul Material, sunt 3 cunoscute în spațiu: dreapta și stânga, înainte și înapoi, sus și jos. Dacă le adăugăm o altă dimensiune, numită timp, atunci aceasta va sta la baza continuumului spațiu-timp.

Dacă vă deplasați cu o viteză mică, observațiile dvs. nu vor converge cu oamenii care se mișcă mai repede.

Mai târziu, experimentele au confirmat că spațiul, ca și timpul, nu poate fi perceput în același mod: percepția noastră depinde de viteza de mișcare a obiectelor.

Legătura energiei cu masa

Einstein a venit cu o formulă care combina energia cu masa. Această formulă a devenit larg răspândită în fizică și este familiară fiecărui student: E=m*s², în care E-energie; m- masa corporală, c-viteza răspândirea luminii.

Masa unui corp crește proporțional cu creșterea vitezei luminii. Dacă se atinge viteza luminii, masa și energia corpului devin adimensionale.

Prin creșterea masei unui obiect, devine mai dificil să se realizeze o creștere a vitezei acestuia, adică, pentru un corp cu o masă materială infinit de mare, este nevoie de energie infinită. Dar, în realitate, acest lucru este imposibil de realizat.

Teoria lui Einstein a combinat două poziții separate: poziția masei și poziția energiei într-o singură lege generală. Acest lucru a făcut posibilă transformarea energiei în masă materială și invers.

De asemenea, în sfârşitul XIX-lea secolul, majoritatea oamenilor de știință au fost înclinați spre punctul de vedere că imaginea fizică a lumii a fost construită în principiu și va rămâne de neclintit în viitor - doar detaliile trebuiau clarificate. Dar în primele decenii ale secolului al XX-lea, vederile fizice s-au schimbat radical. A fost o consecință a „cascadei” descoperiri științifice realizat într-un timp extrem de scurt perioada istorica acoperire anul trecut Secolul al XIX-lea și primele decenii ale secolului XX, dintre care multe nu se încadrau în ideea de obișnuit experiență umană. Un prim exemplu poate servi drept teorie a relativității creată de Albert Einstein (1879-1955).

Teoria relativitatii- teoria fizică a spațiu-timpului, adică o teorie care descrie proprietățile universale de spațiu-timp procese fizice. Termenul a fost introdus în 1906 de Max Planck pentru a sublinia rolul principiului relativității.
în relativitatea specială (și, mai târziu, în relativitatea generală).

LA sens restrâns Teoria relativității include relativitatea generală și specială. Teoria specială a relativității(denumită în continuare SRT) se referă la procese în studiul cărora câmpurile gravitaționale pot fi neglijate; teoria generală a relativității(denumită în continuare GR) este o teorie a gravitației care generalizează cea a lui Newton.

Special, sau Teoria privată a relativității este o teorie a structurii spațiu-timpului. A fost introdus pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein în lucrarea sa „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Teoria descrie mișcarea, legile mecanicii, precum și relațiile spațiu-timp care le determină, cu orice viteză de mișcare,
inclusiv cele apropiate de viteza luminii. Mecanica newtoniană clasică
în SRT este o aproximare pentru viteze mici.

Unul dintre motivele succesului lui Albert Einstein este că a pus datele experimentale înaintea datelor teoretice. Când o serie de experimente au arătat rezultate care contrazic teoria general acceptată, mulți fizicieni au decis că aceste experimente erau eronate.

Albert Einstein a fost unul dintre primii care au decis să construiască o nouă teorie bazată pe noi date experimentale.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicienii erau în căutarea unui eter misterios - un mediu în care, conform presupunerilor general acceptate, unde luminoase, ca si acustica, pentru propagarea caruia este nevoie de aer, sau alt mediu - solid, lichid sau gazos. Credința în existența eterului a condus la credința că viteza luminii trebuie să se schimbe odată cu viteza observatorului în raport cu eterul. Albert Einstein a abandonat conceptul de eter și a sugerat că totul legi fizice, inclusiv viteza luminii, rămân neschimbate indiferent de viteza observatorului - așa cum au arătat experimentele.

SRT a explicat cum să interpretăm mișcările între diferitele cadre de referință inerțiale - simplu spus, obiectele cu care se mișcă viteza constantaîn relaţie unul cu celălalt. Einstein a explicat că atunci când două obiecte se mișcă cu o viteză constantă, ar trebui să ia în considerare mișcarea lor unul față de celălalt, în loc să luăm unul dintre ele ca un cadru absolut de referință. Deci, dacă doi astronauți zboară pe două nave spațiale și doresc să-și compare observațiile, singurul lucru pe care trebuie să-l știe este viteza lor unul față de celălalt.

Relativitatea specială ia în considerare un singur caz special (de unde și numele), când mișcarea este dreaptă și uniformă.

Pe baza imposibilității detectării mișcării absolute, Albert Einstein a concluzionat că toate sisteme inerțiale referinţă. El a formulat două postulate importante care au stat la baza unei noi teorii a spațiului și timpului, numită Teoria specială a relativității (SRT):

1. Principiul relativității al lui Einstein - acest principiu a fost o generalizare a principiului relativității lui Galileo (afirmă același lucru, dar nu pentru toate legile naturii, ci numai pentru legile mecanica clasica, plecând intrebare deschisa despre aplicabilitatea principiului relativității la optică și electrodinamică) la orice fizică. Se spune: toate procesele fizice în aceleași condiții în sistemele de referință inerțiale (ISF) decurg în același mod. Aceasta înseamnă că nu experimente fizice desenat în interiorul unui ISO închis, este imposibil de stabilit dacă este în repaus sau se mișcă uniform și în linie dreaptă. Astfel, toate ISO-urile sunt complet egale, iar legile fizice sunt invariante în ceea ce privește alegerea ISO-urilor (adică, ecuațiile care exprimă aceste legi au aceeași formăîn toate cadrele de referinţă inerţiale).

2. Principiul constanței vitezei luminii- viteza luminii in vid este constanta si nu depinde de miscarea sursei si receptorului de lumina. Este același în toate direcțiile și în toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii în vid - viteza limită în natură - aceasta este una dintre cele mai importante constante fizice, așa-numitele constante ale lumii.

Cea mai importantă consecință a SRT a fost celebra formula lui Einstein asupra relaţiei dintre masă şi energie E \u003d mc 2 (unde C este viteza luminii), care a arătat unitatea spațiului și timpului, exprimată printr-o modificare comună a caracteristicilor acestora în funcție de concentrația maselor și mișcarea lor și confirmată de date fizica modernă. Timpul și spațiul nu mai erau considerate independent unul de celălalt și a apărut ideea unui continuum spațial-timp cu patru dimensiuni.

Conform teoriei marelui fizician, atunci când viteza unui corp material crește, apropiindu-se de viteza luminii, crește și masa acestuia. Acestea. cu cât un obiect se mișcă mai repede, cu atât devine mai greu. În cazul atingerii vitezei luminii, masa corpului, precum și energia acestuia, devin infinite. Cu cât corpul este mai greu, cu atât este mai dificil să-i crești viteza; este necesară o cantitate infinită de energie pentru a accelera un corp cu masă infinită, deci este imposibil ca obiectele materiale să atingă viteza luminii.

În teoria relativității, „două legi – legea conservării masei și a conservării energiei – și-au pierdut prieten independent dreptate unul de altul și s-au dovedit a fi uniți într-o singură lege, care poate fi numită legea conservării energiei sau a masei. Mulțumită legătura fundamentalăîntre aceste două concepte, materia poate fi transformată în energie și invers - energia în materie.

Teoria generală relativitatea- Teoria gravitației publicată de Einstein în 1916, la care a lucrat timp de 10 ani. Este un dezvoltare ulterioară teoria relativității speciale. Dacă corpul material accelerează sau se întoarce în lateral, legile SRT nu se mai aplică. Apoi intră în vigoare GR, care explică mișcările corpurilor materiale în cazul general.

Teoria generală a relativității postulează că efecte gravitaționale sunt cauzate nu de interacțiunea de forță a corpurilor și câmpurilor, ci de deformarea însuși spațiu-timp în care sunt situate. Această deformare este asociată, în special, cu prezența masei-energie.

Relativitatea generală este în prezent cea mai de succes teorie a gravitației, bine susținută de observații. Relativitatea generală a generalizat SRT la cele accelerate, adică. sisteme non-inerțiale. Principiile de bază ale relativității generale sunt următoarele:

- limitând aplicabilitatea principiului constanței vitezei luminii la zonele în care forte gravitationale poate fi neglijat(unde gravitația este puternică, viteza luminii încetinește);

- extinderea principiului relativității la toate sistemele în mișcare(și nu doar cele inerțiale).

În relativitatea generală, sau teoria gravitației, el pornește și de la faptul experimental al echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale, sau echivalența câmpurilor inerțiale și gravitaționale.

Principiul echivalenței joacă rol important in stiinta. Putem calcula oricând direct acțiunea forțelor de inerție asupra oricărui sistem fizic, iar acest lucru ne oferă posibilitatea de a cunoaște acțiunea câmpului gravitațional, făcând abstracție de neomogenitatea acestuia, care este adesea foarte nesemnificativă.

Din GR s-a obtinut o serie constatări importante:

1. Proprietățile spațiului-timp depind de materia în mișcare.

2. Un fascicul de lumină, care are o masă inertă și, în consecință, gravitațională, trebuie să fie îndoit în câmpul gravitațional.

3. Frecvența luminii sub influența câmpului gravitațional ar trebui să se schimbe spre valori mai mici.

Perioadă lungă de timp dovezi experimentale OT nu a fost suficient. Acordul dintre teorie și experiment este destul de bun, dar puritatea experimentelor este încălcată de diferite efecte secundare complexe. Cu toate acestea, efectul curburii spațiu-timp poate fi detectat chiar și în câmpuri gravitaționale moderate. Ceasurile foarte sensibile, de exemplu, pot detecta dilatarea timpului pe suprafața Pământului. Pentru extinderea bazei experimentale a relativității generale, în a doua jumătate a secolului al XX-lea s-au efectuat noi experimente: s-a testat echivalența maselor inerțiale și gravitaționale (inclusiv prin distanțare laser a Lunii);
cu ajutorul radarului s-a clarificat mișcarea periheliului lui Mercur; măsurat deviație gravitațională unde radio de către Soare, radar planetar a fost efectuat sistem solar; a fost evaluată influența câmpului gravitațional al Soarelui asupra comunicațiilor radio cu navele spațiale care au fost trimise către planetele îndepărtate ale sistemului solar etc. Toate, într-un fel sau altul, au confirmat predicțiile obținute pe baza relativității generale.

Asa de, teorie specială relativitatea se bazează pe postulatele constantei vitezei luminii și pe asemănarea legilor naturii în toate sisteme fizice, iar principalele rezultate la care se ajunge sunt următoarele: relativitatea proprietăților spațiului-timp; relativitatea masei si energiei; echivalența maselor grele și inerțiale.

Cel mai semnificativ rezultat al teoriei generale a relativității din punct de vedere filozofic este stabilirea dependenței proprietăților spațiu-timp ale lumii înconjurătoare de localizarea și mișcarea maselor gravitatoare. Se datorează influenței corpurilor
cu în număr mare căile de lumină sunt îndoite. În consecință, câmpul gravitațional creat de astfel de corpuri determină în cele din urmă proprietățile spațiu-timp ale lumii.

Teoria specială a relativității face abstracție din acțiunea câmpurilor gravitaționale și, prin urmare, concluziile sale sunt aplicabile numai pentru zone mici de spațiu-timp. Diferența cardinală dintre teoria generală a relativității și cele fundamentale care o preced teorii fiziceîn respingerea unui număr de concepte vechi și formularea altora noi. Merită spus că teoria generală a relativității a făcut o adevărată revoluție în cosmologie. Pe baza ei, acolo diverse modele Univers.

Despre învățăturile lui Albert Einstein, care mărturisesc relativitatea a tot ceea ce se întâmplă în aceasta lumea muritorilor, nu știe decât dacă leneșul. De aproape o sută de ani, disputele au loc nu numai în lumea științei, ci și în lumea fizicienilor practicanți. Teoria relativității a lui Einstein, descrisă în cuvinte simple destul de accesibil și nu este un secret pentru cei neinițiați.

In contact cu

Câteva întrebări generale

Ținând cont de particularitățile învățăturilor teoretice ale marelui Albert, postulatele sale pot fi privite în mod ambiguu de o mare varietate de curente ale fizicienilor teoreticieni, destul de înalte. școli științifice, precum și adepții curentului irațional al școlii fizice și matematice.

Înapoi la începutul secolului trecut, când a existat un val de gândire științifică și pe fundalul schimbare sociala au început să apară anumite tendințe științifice, a apărut teoria relativității a tot ceea ce trăiește o persoană. Indiferent cum evaluează contemporanii noștri această situație, toate în lumea reala chiar nu static Teoria specială a relativității a lui Einstein:

• Se schimbă vremurile, se schimbă opiniile și opinia mentală a societății asupra anumitor probleme din planul social;
• Fundamente sociale și viziune asupra lumii cu privire la doctrina probabilității în diverse sisteme guvernamentale iar la conditii speciale dezvoltarea societăţii s-a schimbat în timp şi sub influenţa altor mecanisme obiective.
• Cum s-au dezvoltat opiniile societății asupra problemelor? dezvoltare sociala, aceeași a fost și atitudinea și părerile despre Teoriile lui Einstein despre timp.

Important! Teoria gravitației a lui Einstein a stat la baza disputelor sistemice dintre cei mai reputați oameni de știință, atât la începutul dezvoltării sale, cât și pe parcursul finalizării sale. S-au vorbit despre ea, au avut loc numeroase dispute, a devenit subiect de conversație în cele mai înalte saloane din diferite țări.

Oamenii de știință au discutat despre asta, a fost subiectul conversației. A existat chiar și o astfel de ipoteză că doctrina este accesibilă pentru înțelegere doar pentru trei oameni din lumea științifică. Când a venit momentul explicării postulatelor, au început preoții celei mai misterioase științe, matematica euclidiană. Apoi s-a încercat să-și construiască modelul digital și aceleași consecințe verificate matematic ale acțiunii sale asupra spaţiul mondial, autorul ipotezei a recunoscut că a devenit foarte greu de înțeles chiar și ceea ce a creat. Deci ce este teoria generală a relativității, ce explorează si ce aplicație aplicată a găsit-o în lumea modernă?

Istoria și rădăcinile teoriei

Astăzi, în marea majoritate a cazurilor, realizările marelui Einstein sunt numite pe scurt negarea completă a ceea ce a fost inițial o constantă de nezdruncinat. Această descoperire a făcut posibilă respingerea a ceea ce este cunoscut de toți școlarii ca un binom fizic.

Cea mai mare parte a populației lumii, într-un fel sau altul, atent și gânditor sau superficial, chiar și o dată, s-a întors la paginile marii cărți - Biblia.

În ea puteți citi despre ceea ce a devenit o adevărată confirmare esența doctrinei- la ce a lucrat un tânăr om de știință american la începutul secolului trecut. Faptele de levitație și alte lucruri destul de comune în istoria Vechiului Testament au devenit odată miracole în timpurile moderne. Eterul este un spațiu în care o persoană a trăit o viață complet diferită. Caracteristicile vieții în aer au fost studiate de multe celebrități mondiale din domeniu Stiintele Naturii. Și Teoria gravitației a lui Einstein a confirmat că carte veche- asta este adevărat.

Lucrările lui Hendrik Lorentz și Henri Poincaré au făcut posibilă descoperirea experimentală a anumitor trăsături ale eterului. În primul rând, este creația de modele matematice pace. Baza a fost o confirmare practică că atunci când particulele materiale se mișcă în spațiul eteric, ele se contractă în raport cu direcția de mișcare.

Lucrările acestor mari oameni de știință au făcut posibilă crearea bazei principalelor postulate ale doctrinei. Exact fapt dat dă material permanent să afirme că lucrările laureatului Nobel şi teoria relativistă a lui Albert au fost și sunt încă plagiat. Mulți oameni de știință susțin astăzi că multe postulate au fost acceptate mult mai devreme, de exemplu:

• Conceptul de simultaneitate condiționată a evenimentelor;
• Principiile ipotezei binomului constant și criteriile pentru viteza luminii.

Ce să faci înțelege teoria relativității? Ideea este în trecut. În lucrările lui Poincaré a fost formulată ipoteza că viteze mariîn legile mecanicii trebuie regândite. Datorită declarațiilor fizica franceza mediul academic Am aflat cât de relativă este mișcarea în proiecție la teoria spațiului eteric.

În știința statică, o mare cantitate de procese fizice au fost luate în considerare pentru diferite obiecte materiale care se mișcau cu . Postulatele conceptului general descriu procesele care au loc cu obiectele care accelerează, explică existența particulelor de graviton și gravitația însăși. Esența teoriei relativitățiiîn explicarea acelor fapte care înainte erau un nonsens pentru oamenii de știință. Dacă este necesar să se descrie trăsăturile mișcării și legile mecanicii, relația dintre spațiu și timp continuu în condiții de apropiere a vitezei luminii, postulatele teoriei relativității ar trebui folosite exclusiv.

Despre teorie pe scurt și clar

Cum este învățătura marelui Albert atât de diferită de ceea ce au făcut fizicienii înaintea lui? Anterior, fizica era o știință destul de statică, care lua în considerare principiile dezvoltării tuturor proceselor din natură în sfera sistemului „aici, azi și acum”. Einstein a făcut posibil să vedem tot ce se întâmplă în jur nu numai în spatiu tridimensional, dar și relativ la diverse obiecte și momente de timp.

Atenţie!În 1905, când Einstein și-a publicat teoria relativității, a permis ea să explice și în opțiune accesibilă interpretarea mișcării dintre diferite sisteme de referință inerțiale.

Principalele sale prevederi sunt raportul vitezelor constante a două obiecte care se deplasează unul față de celălalt în loc să ia unul dintre obiecte, care poate fi luat ca unul dintre factorii de referință absoluti.

Caracteristica doctrinei constă în faptul că poate fi considerat în raport cu unul caz exceptional. Factori principali:

1. Rectitudinea direcției de mișcare;
2. Uniformitatea mișcării unui corp material.

Când se schimbă direcția sau alți parametri simpli, când un corp material poate accelera sau se poate întoarce în lateral, legile teoriei statice a relativității nu sunt valabile. În acest caz, intrarea în vigoare legi generale relativitatea, care poate explica mișcarea corpurilor materiale în situatie generala. Astfel, Einstein a găsit o explicație pentru toate principiile interacțiunii corpuri fizice unul pe altul în spațiu.

Principiile teoriei relativității

Principiile doctrinei

Afirmația despre relativitate a fost subiectul celor mai aprinse discuții timp de o sută de ani. Majoritatea oamenilor de știință iau în considerare diverse opțiuni aplicarea postulatelor ca aplicare a două principii ale fizicii. Și această cale este cea mai populară în domeniul fizicii aplicate. Postulatele de bază teoria relativitatii, Fapte interesante , care astăzi a găsit o confirmare de nerefuzat:

• Principiul relativității. Păstrarea raportului dintre corpuri sub toate legile fizicii. Acceptându-le ca cadre de referință inerțiale, care se mișcă la viteze constante unul față de celălalt.
• Postul despre viteza luminii. Rămâne o constantă neschimbată, în toate situațiile, indiferent de viteză și relația cu sursele de lumină.

În ciuda contradicţiilor dintre noua învăţătură şi postulatele de bază ale uneia dintre cele mai științe exacte pe baza unor indicatori statici constanţi, noua ipoteză a atras ochi proaspeți pe lumea. Succesul omului de știință a fost asigurat, ceea ce a fost confirmat prin acordarea de Premiul Nobelîn domeniul ştiinţelor exacte.

Ce a cauzat o astfel de popularitate copleșitoare și Cum și-a descoperit Einstein teoria relativității?? Tactica unui tânăr om de știință.

1. Până acum, oameni de știință de renume mondial au înaintat o teză și abia apoi au realizat o serie de cercetare practică. Dacă este pornit anumit moment date primite care nu se potrivesc cu concept general, au fost recunoscute ca fiind eronate în rezumarea motivelor.
2. Tânărul geniu a folosit o tactică radical diferită, setată experiente practice, erau în serie. Rezultatele obținute, în ciuda faptului că nu se puteau încadra cumva în seria conceptuală, s-au aliniat într-o teorie coerentă. Și fără „greșeli” și „erori”, toate momentele ipoteze de relativitate, exemple iar rezultatele observațiilor se încadrează în mod clar în doctrina teoretică revoluționară.
3. Viitor laureat Nobel a respins nevoia de a studia eterul misterios, unde se propagă undele de lumină. Credința că eterul există a condus la o serie de concepții greșite semnificative. Postulatul principal este modificarea vitezelor fasciculului luminos în raport cu cel care observă procesul în mediul eteric.

Relativitate pentru manechini

Teoria relativității este cea mai simplă explicație

Concluzie

Principala realizare a omului de știință este dovada armoniei și unității unor astfel de cantități precum spațiul și timpul. Natura fundamentală a conexiunii acestor două continuumuri ca parte a trei dimensiuni, combinată cu dimensiunea timpului, a făcut posibilă învățarea multor secrete ale naturii. Lumea materială. Mulțumită Teoria gravitației a lui Einstein a devenit disponibil studiul adancimilor si a altor realizari stiinta moderna, până la urmă, toate posibilitățile învățăturilor nu au fost folosite până în prezent.

Acum o sută de ani, în 1915, un tânăr om de știință elvețian, care la acea vreme deja făcuse descoperiri revoluţionareîn fizică, a propus o înțelegere fundamental nouă a gravitației.

În 1915, Einstein a publicat teoria generală a relativității, care caracterizează gravitația ca o proprietate de bază a spațiu-timpului. El a prezentat o serie de ecuații care descriu efectul curburii spațiu-timpului asupra energiei și mișcării materiei și radiațiilor prezente în ea.

O sută de ani mai târziu, teoria generală a relativității (GR) a devenit baza pentru construcția științei moderne, a rezistat tuturor testelor cu care oamenii de știință au atacat-o.

Dar până de curând nu a fost posibil să se efectueze experimente în condiții extreme pentru a testa stabilitatea teoriei.

Este uimitor cât de puternică s-a dovedit a fi teoria relativității de peste 100 de ani. Încă folosim ceea ce a scris Einstein!

Clifford Will, fizician teoretician, Universitatea din Florida

Oamenii de știință au acum tehnologia pentru a căuta fizica dincolo de relativitatea generală.

O nouă privire asupra gravitației

Teoria generală a relativității descrie gravitația nu ca o forță (cum apare în fizica newtoniană), ci ca o curbură a spațiului-timp datorată masei obiectelor. Pământul se învârte în jurul Soarelui, nu pentru că steaua îl atrage, ci pentru că Soarele deformează spațiu-timp. Dacă o minge de bowling grea este plasată pe o pătură întinsă, pătura își va schimba forma - gravitația afectează spațiul în același mod.

Teoria lui Einstein a prezis câteva descoperiri nebunești. De exemplu, posibilitatea existenței unor găuri negre, care îndoaie spațiu-timp în așa măsură încât nimic nu poate scăpa din interior, nici măcar lumina. Pe baza teoriei, s-au găsit dovezi pentru opinia general acceptată astăzi că universul se extinde și se accelerează.

Teoria generală a relativității a fost confirmată de numeroase observații. Einstein însuși a folosit relativitatea generală pentru a calcula orbita lui Mercur, a cărui mișcare nu poate fi descrisă de legile lui Newton. Einstein a prezis existența unor obiecte atât de masive încât curbează lumina. Acesta este un fenomen de lentilă gravitațională pe care îl întâlnesc adesea astronomii. De exemplu, căutarea exoplanetelor se bazează pe efectul modificărilor subtile ale radiației curbate de câmpul gravitațional al stelei în jurul căruia se învârte planeta.

Testarea teoriei lui Einstein

Relativitatea generală funcționează bine pentru gravitația obișnuită, așa cum arată experimentele pe Pământ și observațiile planetelor sistemului solar. Dar nu a fost niciodată testat în condiții extreme. impact puternic câmpuri în spații situate la granițele fizicii.

Cel mai promițător mod de a testa o teorie în astfel de condiții este de a observa schimbările în spațiu-timp, care sunt numite unde gravitaționale. Ele apar ca urmare evenimente majore, în timpul fuziunii a două corpuri masive, cum ar fi găurile negre, sau mai ales obiecte dense - stele neutronice.

Un foc de artificii cosmic de această magnitudine ar avea doar cele mai mici ondulații în spațiu-timp. De exemplu, dacă două găuri negre s-ar ciocni și s-au fuzionat undeva în galaxia noastră, undele gravitaționale s-ar putea întinde și ar putea comprima distanța dintre obiectele de pe Pământ, la un metru, cu o miime din diametrul unui nucleu atomic.

Au apărut experimente care pot înregistra schimbări în spațiu-timp din cauza unor astfel de evenimente.

Există șanse mari de a repara undele gravitaționale în următorii doi ani.

Clifford Will

Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO), cu observatoare în apropiere de Richland, Washington și Livingston, Louisiana, folosește un laser pentru a detecta distorsiuni minuscule în detectoarele duble în formă de L. Pe măsură ce ondulațiile spațiu-timp trec prin detectoare, acestea întind și comprimă spațiul, determinând detectorul să își schimbe dimensiunile. Și LIGO le poate măsura.

LIGO a început o serie de lansări în 2002, dar nu a atins obiectivul. În 2010 s-au făcut îmbunătățiri, iar succesorul organizației, observatorul Advanced LIGO, ar trebui să funcționeze din nou în acest an. Multe dintre experimentele planificate au ca scop găsirea valuri gravitationale.

O altă modalitate de a testa teoria relativității este să te uiți la proprietățile undelor gravitaționale. De exemplu, ele pot fi polarizate, precum lumina care trece prin ochelari polarizați. Teoria relativității prezice caracteristicile unui astfel de efect, iar orice abateri de la calcule pot deveni un motiv de îndoială de teorie.

teorie unificată

Clifford Will crede că descoperirea undelor gravitaționale nu va face decât să întărească teoria lui Einstein:

Cred că trebuie să căutăm în continuare dovada relativității generale pentru a ne asigura că este corectă.

De ce sunt necesare aceste experimente?

Una dintre cele mai importante și evazive sarcini ale fizicii moderne este căutarea unei teorii care să lege împreună cercetările lui Einstein, adică știința macrocosmosului, și mecanica cuantică, realitatea celor mai mici obiecte.

Progresele în acest domeniu, gravitația cuantică, pot necesita modificări ale teoriei generale a relativității. Este posibil ca experimente în teren gravitația cuantică vor necesita atât de multă energie încât va fi imposibil să le conduci. „Dar cine știe”, spune Will, „poate în univers cuantic există un efect, nesemnificativ, dar căutabil.

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. Deoarece viteza este distanța împărțită la timp, singura cale pentru observatori a fi de acord cu privire la viteza luminii înseamnă a nu fi de acord și la timp. 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 sa ar deveni infinită și, datorită echivalenței dintre masă și energie, 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. Vedere pe hartă a acestor două rute, unde suprafața pământului deformat (reprezentat plat), înșelător. Deplasarea „dreaptă” spre est de la un punct la altul de pe suprafață globul, nu vă deplasați într-adevăr în linie dreaptă, sau mai bine zis, nu pe cea mai scurtă linie geodezică.

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, conform postulatului de bază al teoriei relativității speciale, toate legile 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 ești în repaus într-un câmp gravitațional sau dacă te miști cu accelerație constantăîn spațiul gol.

Imaginează-ți că ești într-un lift în mijlocul 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 corpului forța aplicată asupra acestuia) și masa gravitațională (inclusă în legea gravitațională a lui Newton, care determină valoarea atracție gravitațională) sunt în esență aceleași.

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 fără precedent în istorie. gândirea umană un exemplu de dezvoltare persistentă și consecventă a concluziilor logice.

Încetinirea timpului

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

Acum, după ce ne-am familiarizat cu principiul echivalenței, putem urmări cursul raționamentului lui Einstein făcând un alt experiment de gândire, ceea ce 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 deasupra, lângă tavan, celălalt pe podea de dedesubt, 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 crea noua sa teorie a gravitației.

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 (conform ceasului său) vor ajunge în partea inferioară. observator la un interval mai scurt (după ceasul său) . Acest lucru este cu adevărat uimitor!

Gravitația schimbă cursul timpului. Așa cum ne spune relativitatea specială timpul curgeîn mod diferit pentru observatorii care se mișcă unul față de celălalt, relativitatea generală declară că cursul timpului este diferit pentru observatorii în câmpuri gravitaționale diferite. 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.

Al nostru Ceasul biologic răspunde, de asemenea, la schimbările din 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 valoare practică. Dacă echipamentul ar ignora predicțiile relativității generale, eroarea în determinarea locației 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 deplasează 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 orele 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 multe 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 nava spatiala persistă și continuă să orbiteze.