Відкриття теорії відносності. Загальна теорія відносності Чи послідовна вона? Чи відповідає вона фізичній реальності? Постулати теорії відносності

Спеціальна теорія відносності (СТО) або приватна теорія відносності - це теорія Альберта Ейнштейна, опублікована в 1905 році в роботі "До електродинаміки тіл, що рухаються" (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. . Juni 1905).

Вона пояснювала рух між різними інерційними системами відліку або рух тіл, що рухаються один до одного з незмінною швидкістю. У цьому випадку жоден з об'єктів не повинен братися за систему відліку, а розглядати їх треба відносно один одного. СТО передбачає лише 1 випадок, коли 2 тіла не змінюють напрямок руху і рухаються рівномірно.

Закони СТО перестають діяти, коли одне з тіл змінює траєкторію руху чи підвищує швидкість. Тут має місце загальна теорія відносності (ОТО), що дає загальне тлумачення руху об'єктів.

Два постулати, на яких будується теорія відносності:

Принцип відносності- Згідно з ним, у всіх існуючих системах відліку, які рухаються щодо один одного з незмінною швидкістю і не змінюють напрямок, діють одні й ті самі закони.
Принцип швидкості світла- Швидкість світла однакова всім спостерігачів і має залежність від швидкості руху. Це найвища швидкість, і ніщо в природі не має великої швидкості. Світлова швидкість дорівнює 3*10^8 м/с.

Альберт Ейнштейн за основу брав експериментальні, а чи не теоретичні дані. Це стало однією зі складових його успіху. Нові експериментальні дані послужили базою до створення нової теорії.

Фізики з середини XIX століття займалися пошуком нового загадкового середовища, названого ефіром. Вважалося, що ефір може проходити через всі об'єкти, але не бере участі в їхньому русі. Відповідно до переконань про ефір, змінюючи швидкість глядача щодо ефіру, змінюється і швидкість світла.

Ейнштейн, довіряючи експериментам, відкинув поняття нового середовища ефіру і припустив, що швидкість світла завжди є постійною і не залежить від будь-яких обставин, таких як швидкість самої людини.

Тимчасові проміжки, відстані та їх однорідність

Спеціальна теорія відносності пов'язує тимчасові проміжки та простір. У Матеріальному всесвіті існує 3 відомих у просторі: вправо та вліво, вперед і назад, вгору та вниз. Якщо додати до них інший вимір, названий тимчасовим, це складе основу просторово-часового континууму.

Якщо Ви здійснюєте рух із малою швидкістю, ваші спостереження не сходитимуться з людьми, які рухаються швидше.

Пізніше експерименти підтвердили, що простір, як і час, неспроможна сприйматися однаково: від швидкості руху об'єктів залежить наше сприйняття.

З'єднання енергії з масою

Ейнштейн вивів формулу, яка поєднала у собі енергію з масою. Ця формула набула широкого поширення у фізиці, і вона знайома кожному учневі: E=m*c², в якій E-енергія; m-маса тіла, c-швидкістьпоширення світла.

Маса тіла зростає пропорційно до збільшення швидкості світла. Якщо досягти швидкості світла, маса та енергія тіла стають безрозмірними.

Збільшуючи масу об'єкта, стає складніше досягти збільшення його швидкості, тобто для тіла з величезною матеріальною масою необхідна нескінченна енергія. Але насправді цього досягти неможливо.

Теорія Ейнштейна об'єднала два окремих положення: становище маси та становище енергії в один загальний закон. Це уможливило перетворення енергії в матеріальну масу і навпаки.

Цей світ був глибокої темрявою.
Да буде світло! І ось з'явився Ньютон.
Епіграма XVIII ст.

Але сатана недовго чекав на реванш.
Прийшов Ейнштейн – і стало все, як раніше.
Епіграма XX ст.

Постулати теорії відносності

Постулат (аксіома)- фундаментальне твердження, що лежить в основі теорії та прийняте без доказів.

Перший постулат:всі закони фізики, що описують будь-які фізичні явища, повинні у всіх інерційних системах відліку мати однаковий вигляд.

Цей постулат можна сформулювати інакше: у будь-яких інерційних системах відліку всі фізичні явища за однакових початкових умов протікають однаково.

Другий постулат:у всіх інерційних системах відліку швидкість світла у вакуумі однакова і залежить від швидкості руху як джерела, і приймача світла. Ця швидкість є граничною швидкістю всіх процесів та рухів, що супроводжуються перенесенням енергії.

Закон взаємозв'язку маси та енергії

Релятивістська механіка- Розділ механіки, що вивчає закони руху тіл зі швидкостями, близькими до швидкості світла.

Будь-яке тіло, завдяки факту свого існування, має енергію, яка пропорційна масі спокою.

Що таке теорія відносності (відео)

Наслідки теорії відносності

Відносність одночасності.Одночасність двох подій відносна. Якщо події, що відбулися в різних точках, одночасні в одній інерційній системі відліку, вони можуть бути не одночасними в інших інерційних системах відліку.

Скорочення довжини.Довжина тіла, виміряна в системі відліку K", в якій воно спочиває, більше довжини в системі відліку K, щодо якої K" рухається зі швидкістю v вздовж осі Ох:

Уповільнення часу.Проміжок часу, виміряний годинником, нерухомим в інерційній системі відліку K", менше проміжку часу, виміряного в інерційній системі відліку K, щодо якої K" рухається зі швидкістю v:

Теорія відносності

матеріал з книги Стівена Хокінга та Леонарда Млодінова "Найкоротша історія часу"

Відносність

Фундаментальний постулат Ейнштейна, що називається принципом відносності, говорить, що всі закони фізики повинні бути однаковими для всіх спостерігачів, що вільно рухаються, незалежно від їх швидкості. Якщо швидкість світла постійна величина, то будь-який спостерігач, що вільно рухається, повинен фіксувати те саме значення незалежно від швидкості, з якою він наближається до джерела світла або віддаляється від нього.

Вимога, щоб усі спостерігачі зійшлися в оцінці швидкості світла, змушує змінити концепцію часу. Згідно з теорією відносності спостерігач, що їде поїздом, і той, що стоїть на платформі, розійдуться в оцінці відстані, пройденої світлом. А оскільки швидкість є відстань, поділена на якийсь час, єдиний спосіб для спостерігачів дійти згоди щодо швидкості світла – це розійтися також і в оцінці часу. Інакше кажучи, теорія відносності поклала край ідеї абсолютного часу! Виявилося, що кожен спостерігач повинен мати свою власну міру часу і що ідентичний годинник у різних спостерігачів не обов'язково показуватиме той самий час.

Говорячи, що простір має три виміри, ми маємо на увазі, що положення точки в ньому можна передати за допомогою трьох чисел координат. Якщо ми введемо в наш опис час, то отримаємо чотиривимірний простір-час.

Інше відоме наслідок теорії відносності – еквівалентність маси та енергії, виражена знаменитим рівнянням Ейнштейна Е = mс2 (де Е – енергія, m – маса тіла, с – швидкість світла). Через еквівалентність енергії та маси кінетична енергія, якою матеріальний об'єкт має силу свого руху, збільшує його масу. Іншими словами, об'єкт стає складніше розганяти.

Цей ефект суттєвий лише для тіл, які переміщуються зі швидкістю, що близька до швидкості світла. Наприклад, при швидкості, що дорівнює 10% від швидкості світла, маса тіла буде всього на 0,5% більше, ніж у стані спокою, а от при швидкості, що становить 90% від швидкості світла, маса вже більш ніж удвічі перевищить нормальну. У міру наближення до швидкості світла маса тіла збільшується все швидше, тому для його прискорення потрібно все більше енергії. Згідно з теорією відносності об'єкт ніколи не зможе досягти швидкості світла, оскільки в даному випадку його маса стала б нескінченною, а в силу еквівалентності маси та енергії для цього знадобилася б нескінченна енергія. Саме тому теорія відносності назавжди прирікає будь-яке звичайне тіло рухатися зі швидкістю, меншою швидкості світла. Тільки світло чи інші хвилі, які мають власної маси, здатні рухатися зі швидкістю світла.

Скривлений простір

Загальна теорія відносності Ейнштейна заснована на революційному припущенні, що гравітація не проста сила, а наслідок того, що простір-час не є плоским, як заведено було думати раніше. У загальній теорії відносності простір-час вигнутий або викривлений поміщеними в нього масою та енергією. Тіла, подібні до Землі, рухаються по викривлених орбітах не під дією сили, що називається гравітацією.

Оскільки геодезична лінія – найкоротша лінія між двома аеропортами, штурмани ведуть літаки саме такими маршрутами. Наприклад, ви могли б, наслідуючи свідчення компаса, пролетіти 5966 кілометрів від Нью-Йорка до Мадрида майже строго на схід уздовж географічної паралелі. Але вам доведеться покрити всього 5802 кілометри, якщо ви полетите великим колом, спершу на північний схід, а потім поступово повертаючи на схід і далі на південний схід. Вигляд цих двох маршрутів на карті, де земна поверхня спотворена (представлена плоскою), оманливий. Рухаючись «прямо» на схід від однієї точки до іншої поверхнею земної кулі, ви насправді переміщуєтеся не по прямій лінії, точніше сказати, не по короткій, геодезичній лінії.

Якщо траєкторію космічного корабля, який рухається в космосі по прямій лінії, спроектувати на двовимірну поверхню Землі виявиться, що вона викривлена.

Відповідно до загальної теорії відносності гравітаційні поля мають викривляти світло. Наприклад, теорія передбачає, що поблизу Сонця промені світла повинні злегка згинатися у його бік під впливом маси світила. Значить, світло далекої зірки, якщо йому пройти поряд із Сонцем, відхилиться на невеликий кут, через що спостерігач на Землі побачить зірку не зовсім там, де вона насправді розташовується.

Нагадаємо, що згідно з основним постулатом спеціальної теорії відносності всі фізичні закони однакові для всіх спостерігачів, що вільно рухаються, незалежно від їх швидкості. Грубо кажучи, принцип еквівалентності поширює це правило і тих спостерігачів, які рухаються не вільно, а під впливом гравітаційного поля.

У досить малих областях простору неможливо судити про те, чи перебуваєте ви в стані спокою в гравітаційному полі або рухаєтеся з постійним прискоренням у порожньому просторі.

Уявіть, що ви перебуваєте в ліфті серед порожнього простору. Немає жодної гравітації, ніякого «верху» та «низу». Ви пливете вільно. Потім ліфт починає рухатися із постійним прискоренням. Ви раптово відчуваєте вагу. Тобто вас притискає до однієї зі стін ліфта, яка тепер сприймається як підлога. Якщо ви візьмете яблуко і відпустите його, воно впаде на підлогу. Фактично тепер, коли ви рухаєтеся з прискоренням, усередині ліфта все відбуватиметься точно так само, якби підйомник взагалі не рухався, а лежав би в однорідному гравітаційному полі. Ейнштейн зрозумів, що, подібно до того, як, перебуваючи у вагоні поїзда, ви не можете сказати, чи стоїть він чи рівномірно рухається, так і, перебуваючи всередині ліфта, ви не в змозі визначити, чи переміщається він з постійним прискоренням чи перебуває в однорідному гравітаційному полі . Результатом цього розуміння став принцип еквівалентності.

Принцип еквівалентності і наведений приклад його прояви будуть справедливі лише в тому випадку, якщо інертна маса (що входить до другого закону Ньютона, який визначає, яке прискорення надає тілу прикладена до нього сила) і гравітаційна маса (що входить до закону тяжіння Ньютона, що визначає величину тяжіння) суть те саме.

Використання Ейнштейном еквівалентності інертної та гравітаційної мас для виведення принципу еквівалентності та, зрештою, всієї загальної теорії відносності – це безпрецедентний в історії людської думки приклад завзятого та послідовного розвитку логічних висновків.

Уповільнення часу

Ще одне передбачення загальної теорії відносності у тому, що з масивних тіл, як-от Земля, повинен сповільнюватися перебіг часу.

Тепер, познайомившись із принципом еквівалентності, ми можемо простежити хід міркувань Ейнштейна, виконавши інший уявний експеримент, який показує, чому гравітація впливає на якийсь час. Уявіть собі ракету, що летить у космосі. Для зручності вважатимемо, що її корпус настільки великий, що світла потрібна ціла секунда, щоб пройти вздовж нього зверху до низу. І нарешті, припустимо, що в ракеті знаходяться два спостерігачі: один - нагорі, біля стелі, інший - внизу, на підлозі, і обидва вони забезпечені однаковим годинником, що веде відлік секунд.

Припустимо, що верхній спостерігач, дочекавшись відліку свого годинника, негайно посилає нижньому світловий сигнал. При наступному відліку він надсилає другий сигнал. За нашими умовами знадобиться одна секунда, щоб кожен сигнал досяг нижнього спостерігача. Оскільки верхній спостерігач посилає два світлові сигнали з інтервалом в одну секунду, то нижній спостерігач зареєструє їх з таким же інтервалом.

Що зміниться, якщо в цьому експерименті, замість вільно пливти в космосі, ракета стоятиме на Землі, зазнаючи дії гравітації? Згідно з теорією Ньютона гравітація ніяк не вплине на стан справ: якщо спостерігач нагорі передасть сигнали з проміжком на секунду, то спостерігач отримає їх внизу через той же інтервал. Але принцип еквівалентності передбачає інший розвиток подій. Яке саме ми зможемо зрозуміти, якщо відповідно до принципу еквівалентності подумки замінимо дію гравітації постійним прискоренням. Це один із прикладів того, як Ейнштейн використав принцип еквівалентності при створенні своєї нової теорії гравітації.

Тож припустимо, що наша ракета прискорюється. (Вважатимемо, що вона прискорюється повільно, так що її швидкість не наближається до швидкості світла.) Оскільки корпус ракети рухається вгору, першому сигналу знадобиться пройти меншу відстань, ніж раніше (до початку прискорення), і він прибуде до нижнього спостерігача раніше ніж через секунду. Якби ракета рухалася з постійною швидкістю, то і другий сигнал прибув би так само раніше, так що інтервал між двома сигналами залишився б рівним одній секунді. Але в момент відправлення другого сигналу завдяки прискоренню ракета рухається швидше, ніж у момент відправлення першого, так що другий сигнал пройде меншу відстань, ніж перший, і витратить менше часу. Спостерігач унизу, звірившись зі своїм годинником, зафіксує, що інтервал між сигналами менше однієї секунди, і не погодиться з верхнім спостерігачем, який стверджує, що посилав сигнали точно через секунду.

У випадку з ракетою, що прискорюється, цей ефект, ймовірно, не повинен особливо дивувати. Зрештою, ми щойно його пояснили! Але згадайте: принцип еквівалентності говорить, що те саме має місце, коли ракета лежить у гравітаційному полі. Отже, навіть якщо ракета не прискорюється, а, наприклад, стоїть на стартовому столі на поверхні Землі, сигнали, надіслані верхнім спостерігачем з інтервалом в секунду (згідно з його годинником), будуть приходити до нижнього спостерігача з меншим інтервалом (за його годинником) . Ось це справді дивно!

Гравітація змінює перебіг часу. Подібно до того, як спеціальна теорія відносності говорить нам, що час йде по-різному для спостерігачів, що рухаються один щодо одного, загальна теорія відносності оголошує, що хід часу різний для спостерігачів, що знаходяться в різних гравітаційних полях. Відповідно до загальної теорії відносності нижній спостерігач реєструє коротший інтервал між сигналами, тому що у поверхні Землі час тече повільніше, оскільки тут сильніша гравітація. Чим сильніше гравітаційне поле, тим більший цей ефект.

Наш біологічний годинник також реагує на зміни ходу часу. Якщо один із близнюків живе на вершині гори, а інший – біля моря, перший старітиме швидше за другий. У цьому випадку різниця у віках буде нікчемною, але вона значно збільшиться, якщо один з близнюків вирушить у довгу подорож на космічному кораблі, який розганяється до швидкості, близької до світлової. Коли мандрівник повернеться, він буде набагато молодшим за брата, що залишився на Землі. Цей випадок відомий як парадокс близнюків, але парадоксом він лише для тих, хто тримається за ідею абсолютного часу. Теоретично відносності немає жодного унікального абсолютного часу – кожному за індивідуума є своя власна міра часу, що залежить від цього, де він і як рухається.

З появою надточних навігаційних систем, що отримують сигнали від супутників, різниця ходу годинника на різних висотах набула практичного значення. Якби апаратура ігнорувала передбачення загальної теорії відносності, помилка у визначенні розташування могла б досягати кількох кілометрів!

Поява загальної теорії відносності докорінно змінила ситуацію. Простір і час набули статусу динамічних сутностей. Коли переміщуються тіла чи діють сили, вони викликають викривлення простору та часу, а структура простору-часу, своєю чергою, позначається на русі тіл і дії сил. Простір і час не тільки впливають на все, що трапляється у Всесвіті, а й самі від цього залежать.

Час біля чорної дірки

Уявімо безстрашного астронавта, який залишається на поверхні зірки, що колапсує, під час катастрофічного стиску. У якийсь момент по його годиннику, скажімо об 11:00, зірка стиснеться до критичного радіусу, за яким гравітаційне поле посилюється настільки, що з нього неможливо вирватися. Тепер припустимо, що за інструкцією астронавт повинен кожну секунду своїм годинником посилати сигнал космічному кораблю, який знаходиться на орбіті на певній фіксованій відстані від центру зірки. Він починає передавати сигнали о 10:59:58, тобто за дві секунди до 11:00. Що реєструє екіпаж на борту космічного судна?

Раніше, зробивши уявний експеримент із передачею світлових сигналів усередині ракети, ми переконалися, що гравітація уповільнює час і чим вона сильніша, тим значніший ефект. Астронавт на поверхні зірки знаходиться в сильнішому гравітаційному полі, ніж його колеги на орбіті, тому одна секунда по його годиннику триватиме довше секунди по годиннику корабля. Оскільки астронавт разом з поверхнею рухається до центру зірки, поле, що діє на нього, стає все сильнішим і сильнішим, так що інтервали між його сигналами, прийнятими на борту космічного корабля, постійно подовжуються. Це розтягування часу буде дуже незначним до 10:59:59, так що для астронавтів на орбіті інтервал між сигналами, переданими о 10:59:58 та о 10:59:59, ненабагато перевищить секунду. Але сигналу, надісланого об 11:00, на кораблі вже не дочекаються.

Все, що станеться на поверхні зірки між 10:59:59 та 11:00 за годиною астронавта, розтягнеться по годинах космічного корабля на нескінченний період часу. З наближенням до 11:00 інтервали між прибуттям на орбіту послідовних гребенів і западин випущених зіркою світлових хвиль стануть дедалі довшими; те саме станеться з проміжками часу між сигналами астронавта. Оскільки частота випромінювання визначається числом гребенів (або западин), що приходять за секунду, на космічному кораблі буде реєструватися дедалі більш низька частота випромінювання зірки. Світло зірки почервонітиме і одночасно меркне. Зрештою зірка настільки потьмяніє, що стане невидимою для спостерігачів на космічному кораблі; все, що залишиться, – чорна дірка у просторі. Однак дія тяжіння зірки на космічний корабель збережеться і він продовжить звернення по орбіті.

Ще на початку 20-го століття було сформульовано теорію відносності. Що це таке і хто її творець знає сьогодні кожен школяр. Вона настільки цікава, що нею цікавляться навіть люди, далекі від науки. У цій статті доступною мовою описується теорія відносності: що це таке, які її постулати та застосування.

Кажуть, що до Альберта Ейнштейна, її творця, прозріння прийшло в одну мить. Вчений ніби їхав на трамваї швейцарським Берном. Він глянув на вуличний годинник і раптом усвідомив, що цей годинник зупиниться, якщо трамвай розженеться до швидкості світла. В цьому випадку часу не стало б. Час теоретично відносності грає дуже значної ролі. Один із постулатів, сформульованих Ейнштейном, – різні спостерігачі сприймають дійсність по-різному. Це стосується зокрема часу і відстані.

Облік становища спостерігача

Того дня Альберт зрозумів, що, висловлюючись мовою науки, опис будь-якого фізичного явища чи події залежить від цього, у системі відліку перебуває спостерігач. Наприклад, якщо якась пасажирка трамвая впустить окуляри, вони впадуть по відношенню до неї вертикально вниз. Якщо ж подивитися з позиції пішохода, що стоїть на вулиці, то траєкторія їх падіння відповідатиме параболі, оскільки трамвай рухається і одночасно падають окуляри. Таким чином, система відліку у кожного своя. Пропонуємо докладніше розглянути основні постулати теорії відносності.

Закон розподіленого руху та принцип відносності

Незважаючи на те, що при зміні систем відліку опису подій змінюються, існують і універсальні речі, які залишаються незмінними. Для того щоб зрозуміти це, потрібно поставити питання не падіння окулярів, а закону природи, який викликає це падіння. Для будь-якого спостерігача, незалежно від того, в рухомій або нерухомій системі координат він знаходиться, відповідь на нього залишається незмінною. Цей закон називається законом розподіленого руху. Він однаково діє як у трамваї, так і на вулиці. Іншими словами, якщо опис подій завжди залежить від того, хто їх спостерігає, це не відноситься до законів природи. Вони є, як заведено висловлюватися науковою мовою, інваріантними. Ось у цьому полягає принцип відносності.

Дві теорії Ейнштейна

Цей принцип, як і будь-яку іншу гіпотезу, необхідно було спочатку перевірити, чи співвіднісши його з природними явищами, що діють у нашій реальності. Ейнштейн вивів дві теорії з принципу відносності. Хоча вони і споріднені, але вважаються окремими.

Приватна, або спеціальна, теорія відносності (СТО) ґрунтується на положенні про те, що для всіляких систем відліку, швидкість руху яких постійна, закони природи залишаються тими самими. Загальна теорія відносності (ОТО) цей принцип поширює будь-які системи відліку, зокрема й ті, які рухаються з прискоренням. 1905 року А. Ейнштейн опублікував першу теорію. Другу, складнішу у плані математичного апарату, завершив до 1916 року. Створення теорії відносності, як СТО, і ОТО, стало важливим етапом у розвитку фізики. Зупинимося докладніше кожної з них.

Спеціальна теорія відносності

Що це таке, у чому її суть? Давайте відповімо на це запитання. Саме цією теорією передбачається безліч парадоксальних ефектів, що суперечать нашим інтуїтивним уявленням про те, як улаштований світ. Йдеться про ті ефекти, які спостерігаються тоді, коли швидкість руху наближається до швидкості світла. Найбільш відомим серед них є ефект уповільнення часу (ходу годинника). Годинник, який рухається щодо спостерігача, для нього йде повільніше, ніж той, який знаходиться у нього в руках.

У системі координат при русі зі швидкістю, наближеною до швидкості світла, час розтягується щодо спостерігача, а довжина об'єктів (просторова довжина), навпаки, стискається вздовж осі напрямку цього руху. Цей ефект вчені називають скороченням Лоренца-Фіцджеральда. Ще 1889 року його описав Джордж Фіцджеральд, італійський фізик. А 1892 року Хендрік Лоренц, нідерландець, доповнив його. Цей ефект пояснює негативний результат, який дає досвід Майкельсон-Морлі, в якому швидкість руху нашої планети в космічному просторі визначається виміром "ефірного вітру". Такими є основні постулати теорії відносності (спеціальної). Ейнштейн доповнив ці перетворення маси, зробленої за аналогією. Відповідно до неї, у міру того, як швидкість тіла наближається до швидкості світла, маса тіла збільшується. Наприклад, якщо швидкість складе 260 тис. км/с, тобто 87% від швидкості світла, з погляду спостерігача, який знаходиться в системі відліку, маса об'єкта подвоїться.

Підтвердження СТО

Всі ці положення, хоч би як вони суперечили здоровому глузду, з часу Ейнштейна знаходять пряме і повне підтвердження в багатьох експериментах. Один із них провели вчені Мічиганського університету. Цим цікавим досвідом підтверджується теорія відносності у фізиці. Дослідники помістили на борт авіалайнера, який регулярно здійснював трансатлантичні рейси, надточні Щоразу після повернення його в аеропорт свідчення цього годинника звірялися з контрольними. Виявилося, що годинник на літаку щоразу все більше відставав від контрольних. Звичайно, йшлося лише про незначні цифри, частки секунди, але сам факт дуже показовий.

Останні півстоліття дослідники вивчають елементарні частки на прискорювачах – величезних апаратних комплексах. Вони пучки електронів чи протонів, тобто заряджених розганяються до того часу, поки їх швидкості не наближаються до швидкості світла. Після цього ними обстрілюються ядерні цілі. У цих дослідах слід враховувати те, що маса частинок збільшується, інакше результати експерименту не піддаються інтерпретації. Щодо цього СТО вже давно не просто гіпотетична теорія. Вона стала одним із інструментів, які використовуються в прикладній інженерії, нарівні з ньютонівськими законами механіки. Принципи теорії відносності знайшли велике практичне застосування у наші дні.

СТО та закони Ньютона

До речі, говорячи про (портрет цього вченого представлений вище), слід сказати, що спеціальна теорія відносності, яка, здавалося б, їм суперечить, насправді відтворює рівняння законів Ньютона практично точно, якщо її використовувати для опису тіл, швидкість руху яких набагато менша швидкість світла. Інакше кажучи, якщо застосовується спеціальна теорія відносності, фізика Ньютона не скасовується. Ця теорія, навпаки, доповнює та розширює її.

Швидкість світла – універсальна константа

Використовуючи принцип відносності, можна зрозуміти, чому в цій моделі будови світу дуже важливу роль відіграє саме швидкість світла, а не ще щось. Цим питанням задаються ті, хто тільки-но починає знайомство з фізикою. Швидкість світла є універсальною константою завдяки тому, що вона визначена як така природничо законом (докладніше про це можна дізнатися, вивчивши рівняння Максвелла). Швидкість світла у вакуумі, з дії принципу відносності, у системі відліку є однаковою. Можна подумати, що це суперечить здоровому глузду. Виходить, що до спостерігача одночасно доходить світло як від нерухомого джерела, так і від того, що рухається (незалежно від того, з якою швидкістю він рухається). Однак, це не так. Швидкості світла, завдяки особливій її ролі, відводиться центральне місце у спеціальної, а й у ОТО. Розповімо і про неї.

Загальна теорія відносності

Вона використовується, як ми вже говорили, для всіх систем відліку, не обов'язково тих, швидкість руху яких щодо один одного є постійною. Математично ця теорія виглядає набагато складніше, ніж спеціальна. Цим і пояснюється те, що між їхніми публікаціями минуло 11 років. ОТО включає в себе спеціальну як окремий випадок. Отже, закони Ньютона також входять до неї. Проте ЗТО йде набагато далі за її попередниць. Наприклад, у ній по-новому пояснюється гравітація.

Четвертий вимір

Завдяки ОТО світ стає чотиривимірним: час додається до трьох просторових вимірів. Всі вони нерозривні, отже, треба говорити вже не про просторову відстань, яка існує у тривимірному світі між двома об'єктами. Йдеться тепер про просторово-часові інтервали між різними подіями, що поєднують як просторову, так і тимчасову віддаленість їх один від одного. Іншими словами, час і простір у теорії відносності розглядаються як чотиримірний континуум. Його можна визначити як простір-час. У цьому континуумі ті спостерігачі, які рухаються щодо один одного, матимуть різні думки навіть про те, чи одночасно відбулися дві будь-які події, або ж одна з них передувала іншому. Проте причинно-наслідкові зв'язки у своїй не порушуються. Іншими словами, існування такої системи координат, де дві події відбуваються в різній послідовності і не одночасно не допускає навіть ОТО.

ОТО та закон всесвітнього тяжіння

Відповідно до закону всесвітнього тяжіння, відкритого Ньютоном, сила взаємного тяжіння існує у Всесвіті між будь-якими двома тілами. Земля з цієї позиції обертається навколо Сонця, оскільки з-поміж них є сили взаємного тяжіння. Проте, ЗТО змушує глянути з іншого боку це явище. Гравітація, згідно з цією теорією, - наслідок "викривлення" (деформації) простору-часу, який спостерігається під впливом маси. Чим тіло важче (у нашому прикладі, Сонце), тим більше "прогинається" під ним простір-час. Відповідно, його гравітаційне поле тим сильніше.

Для того, щоб краще зрозуміти суть теорії відносності, звернемося до порівняння. Земля, згідно з ОТО, обертається навколо Сонця, як маленька кулька, яка котиться навколо конуса воронки, створеної в результаті "продавлювання" Сонцем простору-часу. А те, що ми звикли вважати силою тяжкості, є насправді зовнішнім проявом даного викривлення, а не силою у розумінні Ньютона. Кращого пояснення феномена гравітації, ніж запропоноване в ЗТО, на сьогоднішній день не знайдено.

Способи перевірки ВТО

Зазначимо, що ВТО перевірити непросто, оскільки її результати у лабораторних умовах майже відповідають закону всесвітнього тяжіння. Проте вчені таки провели низку важливих експериментів. Їхні результати дозволяють зробити висновок про те, що теорія Ейнштейна є підтвердженою. ОТО, крім того, допомагає пояснити різні явища, які спостерігаються в космосі. Це, наприклад, невеликі відхилення Меркурія від своєї стаціонарної орбіти. З погляду ньютонівської класичної механіки їх не можна пояснити. Це також те, чому електромагнітне випромінювання, що походить від далеких зірок, викривляється при проходженні його поблизу Сонця.

Результати, передбачені ОТО, насправді істотно відрізняються від тих, які дають закони Ньютона (портрет його представлений вище), лише тоді, коли є надсильні гравітаційні поля. Отже, для повноцінної перевірки ВТО необхідні або дуже точні вимірювання об'єктів величезної маси, або чорні дірки, оскільки наші звичні уявлення щодо них непридатні. Тому розробка експериментальних методів перевірки цієї теорії одна із головних завдань сучасної експериментальної фізики.

Уми багатьох вчених, та й далеких від науки людей займає створена Ейнштейном теорія відносності. Що це таке, ми коротко розповіли. Ця теорія перевертає наші звичні уявлення про світ, тому інтерес до неї досі не згасає.

Загальна теорія відносності поряд із спеціальною теорією відносності - геніальна праця Альберта Ейнштейна, який на початку 20 століття перевернув погляд фізиків на світ. Через сто років ОТО є основною та найважливішою теорією фізики у світі, і разом із квантовою механікою претендує на один із двох наріжних каменів «теорії всього». Загальна теорія відносності визначає гравітацію як наслідок викривлення простору-часу (об'єднаного в ВТО в одне ціле) під впливом маси. Завдяки ВТО вчені вивели безліч констант, перевірили купу незрозумілих явищ і придумали такі речі, як чорні дірки, темна матерія та темна енергія, розширення Всесвіту, Великий Вибух та багато іншого. Також ОТО наклала вето на перевищення швидкості світла, тим самим буквально заточивши нас на околицях (Сонячної системи), але залишила лазівку у вигляді червоточин - коротких можливих шляхів через простір-час.

Співробітник РУДН та його бразильські колеги поставили під сумнів концепцію використання стабільних червоточинів як порталів до різних точок простору-часу. Результати їх досліджень були опубліковані в Physical Review D. - Досить побите кліше в науковій фантастиці. Червоточина, або «кротова нора», це свого роду тунель, що з'єднує віддалені точки у просторі або навіть два всесвіти, за допомогою викривлення простору-часу.

Якщо ви любите науку, то чудово знаєте, який величезний внесок у неї зробив. Можна сказати, що цей німецький учений став одним із фундаторів сучасної теоретичної фізики, а також автором кількох теорій, які є Святим Граалем для багатьох вчених сучасності.

матеріал з книги Стівена Хокінга та Леонарда Млодінова "Найкоротша історія часу"

Відносність

Інше відоме наслідок теорії відносності – еквівалентність маси та енергії, виражена знаменитим рівнянням Ейнштейна Е = mс 2 (де Е – енергія, m – маса тіла, с – швидкість світла). Через еквівалентність енергії та маси кінетична енергія, якою матеріальний об'єкт має силу свого руху, збільшує його масу. Іншими словами, об'єкт стає складніше розганяти.

Скривлений простір

Уявіть, що ви перебуваєте в ліфті серед порожнього простору. Немає жодної гравітації, ніякого «верху» та «низу». Ви пливете вільно. Потім ліфт починає рухатися із постійним прискоренням. Ви раптово відчуваєте вагу. Тобто вас притискає до однієї зі стін ліфта, яка тепер сприймається як підлога. Якщо ви візьмете яблуко і відпустите його, воно впаде на підлогу. Фактично тепер, коли ви рухаєтеся з прискоренням, усередині ліфта все відбуватиметься точно так само, якби підйомник взагалі не рухався, а лежав би в однорідному гравітаційному полі. Ейнштейн зрозумів, що, подібно до того, як, перебуваючи у вагоні поїзда, ви не можете сказати, чи стоїть він чи рівномірно рухається, так і, перебуваючи всередині ліфта, ви не в змозі визначити, чи переміщається він з постійним прискоренням чи перебуває в однорідному гравітаційне поле. Результатом цього розуміння став принцип еквівалентності.

Принцип еквівалентності і наведений приклад його прояви будуть справедливі лише в тому випадку, якщо інертна маса (що входить до другого закону Ньютона, який визначає, яке прискорення надає тілу прикладена до нього сила) і гравітаційна маса (що входить до закону тяжіння Ньютона, який визначає величину гравітаційного тяжіння) суть те саме.

Уповільнення часу

Тож припустимо, що наша ракета прискорюється. (Вважатимемо, що вона прискорюється повільно, так що її швидкість не наближається до швидкості світла.) Оскільки корпус ракети рухається вгору, першому сигналу знадобиться пройти меншу відстань, ніж раніше (до початку прискорення), і він прибуде до нижнього спостерігача раніше ніж через секунду. Якби ракета рухалася з постійною швидкістю, то і другий сигнал прибув би так само раніше, так що інтервал між двома сигналами залишився б рівним одній секунді. Але в момент відправлення другого сигналу завдяки прискоренню ракета рухається швидше, ніж у момент відправлення першого, так що другий сигнал пройде меншу відстань, ніж перший, і витратить ще менше часу. Спостерігач унизу, звірившись зі своїм годинником, зафіксує, що інтервал між сигналами менше однієї секунди, і не погодиться з верхнім спостерігачем, який стверджує, що посилав сигнали точно через секунду.