Рівняння ейнштейна у загальній теорії відносності. Теорія відносності ейнштейна, пояснюємо та читаємо короткими зрозумілими словами

Спеціальна теорія відносності (СТО) або приватна теоріявідносності - це теорія Альберта Ейнштейна, опублікована в 1905 в роботі «До електродинаміки тіл, що рухаються» ( Albert Einstein- Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. 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:

1. Принцип відносності- Згідно з ним, у всіх існуючих системахвідліку, які рухаються щодо один одного з незмінною швидкістю і не змінюють напрямок, діють одні й самі закони.
2. 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 швидкістьдорівнює 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 XIXстоліття 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 середовищаефіру 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 отримала широке розповсюдженняу 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 нескінченно величезною матеріальною масою необхідна нескінченна енергія. Але насправді цього досягти неможливо.

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

Теорія відносності запропонована геніальним вченим Альбертом Ейнштейном у 1905 році.

Вчений розповів тоді про окремий випадок своєї розробки.

Сьогодні це прийнято називати Спеціальною теорією відносності чи СТО. У СТО вивчаються фізичні принципирівномірного та прямолінійного руху.

Зокрема, так переміщається світло, якщо на його шляху немає перешкод, йому і багато що присвячено в цій теорії.

В основі СТО Ейнштейн заклав два основні принципи:

1. Принцип відносності. Будь-які фізичні закониоднакові для нерухомих об'єктів і тіл, що рухаються рівномірно і прямолінійно.
2. Швидкість світла у вакуумі однакова всім спостерігачів і дорівнює 300 000 км./с.

Теорія відносності перевіряється практично, Ейнштейн пред'явив докази як результатів експериментів.

Розглянемо принципи з прикладів.

• Припустимо, що два об'єкти рухаються з постійними швидкостями прямо по прямій. Замість того, щоб розглядати їх переміщення щодо нерухомої точки, Ейнштейн запропонував вивчати їх один щодо одного. Наприклад, два поїзди їдуть сусідніми шляхами з різними швидкостями. В одному сидите Ви, в іншому навпаки — Ваш друг. Ви його бачите, і його швидкість щодо Вашого погляду залежатиме лише від різниці швидкостей поїздів, але не від того, як швидко вони їдуть. Принаймні доти, доки поїзди не почнуть прискорюватися або повертатись.
• Теорію відносності люблять пояснювати космічних прикладах. Це відбувається тому, що зі збільшенням швидкості і відстані ефекти посилюються, особливо враховуючи, що світло своєї швидкості не змінює. Крім того, у вакуумі ніщо не перешкоджає поширенню світла. Отже, другий принцип проголошує сталість швидкості світла. Якщо зміцнити та включити джерело випромінювання на космічному кораблі, те що не трапилося з самим кораблем: він може переміщатися з великою швидкістю, висіти нерухомо або зникнути разом з випромінювачем, спостерігач зі станції побачить світ через однаковий при всіх казусах проміжок часу.

Загальна теорія відносності.

З 1907 по 1916 р. Ейнштейн займався створенням Загальної теорії відносності. У цьому розділі фізики вивчається рух матеріальних тіл взагалі, об'єкти можуть прискорюватися та змінювати траєкторії. Загальна теорія відносності поєднує в собі вчення про простір і час з теорією тяжіння, встановлює між ними залежності. Також відома інша назва: геометрична теорія тяжіння. Загальна теорія відносності спирається висновки спеціальної. Математичні викладки в даному випадкунадзвичайно складні.

Спробуймо пояснити без формул.

Постулати Загальної теорії відносності:

• середовище, в якому розглядаються об'єкти та їх рух, є чотиривимірним;
• всі тіла падають із постійною швидкістю.

Перейдемо до подробиць.

Отже, у ВТО Ейнштейн використовує чотири виміри: звичайне тривимірний простірвін доповнив часом. Отриману структуру вчені називають просторово-часовим континуумом або простір - час. Стверджується, що чотиривимірні об'єкти незмінні під час руху, ми здатні сприймати лише їх тривимірні проекції. Тобто як не гни лінійку, побачиш лише проекції невідомого 4-мірного тіла. Просторово-часовий континуум Ейнштейн вважав неподільним.

Щодо тяжіння Ейнштейн висунув наступний постулат: гравітація є викривленням простору-часу.

Тобто, за Ейнштейном, падіння яблука на голову винахідника не є наслідком тяжіння, а наслідком присутності маси-енергії в постраждалій точці простору-часу. На плоскому прикладі: візьмемо полотно, розтягнемо його на чотирьох опорах, помістимо на нього тіло, бачимо вм'ятину на полотні; легші тіла, що опинилися поблизу першого об'єкта, будуть скочуватися (не притягуватися) внаслідок викривлення полотна.

Так доведено, що промені світла викривляються в присутності тіл, що гравітують. Також експериментально підтверджено уповільнення часу із збільшенням висоти. Ейнштейн зробив висновок, що простір-час викривляється в присутності масивного тіла і гравітаційне прискорення— лише проекція у 3D рівномірного рухуу 4-х мірному просторі. А траєкторія дрібних тіл, що скочуються на полотні у бік більшого об'єкта, залишається прямолінійною для них самих.

В даний час ОТО є лідером серед інших теорій гравітації і використовується на практиці інженерами, астрономами та розробниками супутникової навігації. Альберт Ейнштейн фактично є великим перетворювачем науки та концепції природознавства. Крім теорії відносності, він створив теорію броунівського руху, досліджував квантову теорію світла, брав участь у розробці основ квантової статистики.

Використання матеріалів сайту дозволено лише за умови розміщення активного посилання на джерело.

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. В цій статті доступною мовоюописується 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 у теорії відносності грає дуже важливу роль. 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 прийнято виражатися на науковою мовою, інваріантними. Ось у цьому полягає принцип відносності.

Дві теорії Ейнштейна

Даний 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 даний принциппоширює будь-які системи відліку, зокрема й ті, які рухаються з прискоренням. 1905 року А. Ейнштейн опублікував першу теорію. Другу, складнішу в плані математичного апарату, Завершив до 1916 року. Створення теорії відносності, як СТО, і ОТО, стало важливим етапому 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. Мова йдепро ті ефекти, що 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 в 1889 році його описав Джордж Фіцджеральд, італійський фізик. А 1892 року Хендрік Лоренц, нідерландець, доповнив його. Цей ефект пояснює негативний результат, який дає досвід Майкельсона-Морлі, в якому швидкість руху нашої планети в космічному просторівизначається 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 у багатьох експериментів. 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 часткина 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 з інструментів, які використовуються в прикладної інженерії, Нарівні з ньютонівськими законами механіки Принципи теорії відносності знайшли велике практичне застосуванняу наш час.

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 константоюзавдяки 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 думкинавіть про те, чи одночасно відбулися дві будь-які події, або ж одна з них передувала іншій. 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

Згідно Закону всесвітнього тяжіння, відкритому Ньютоном, сила взаємного тяжінняіснує 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 тяжіння, є насправді зовнішнім проявомданого викривлення, а чи 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 в лабораторних умовмайже 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 виміриоб'єктів великої маси, чи чорні дірки, оскільки наші звичні уявлення стосовно 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.

Теорія відносності Ейнштейнаґрунтується на твердженні про те, що визначення руху першого тіла, можливе виключно завдяки руху іншого тіла. Цей висновок став основним у чотиривимірному просторово-часовому континуумі та його усвідомленні. Який при розгляді часу та трьох вимірів мають однакову основу.

Спеціальна теорія відносності, відкрита 1905 року й у більшому обсязі вивчається у шкільництві, має рамки які закінчуються лише з описі що відбувається, із боку спостереження, що у рівномірному відносному русі. З чого склалося кілька важливих наслідків:

1 Для кожного спостерігача швидкість світла є постійною.

2 Чим більша швидкість, тим більше масатіла, сильніше це відчувається на швидкості світла.

3 Рівні та еквівалентні між собою енергія-Е і маса-m, з чого випливає формула, в якій буде швидкість світла.
Е = mс2
З цієї формули випливає, що маса ставати енергією, менша маса веде до більшої енергії.

4 При більшої швидкості, відбувається стиснення тіла (стиснення Лоренца-Фіцджеральда).

5 Розглядаючи спостерігача в стані спокою і об'єкт, що рухається, для другого час йтиме повільніше. Ця теорія, закінчена у 1915 році, підходить для спостерігача що знаходиться у прискорюючому русі. Як показали гравітація та простір. Виходячи з чого, можна припустити, що простір викривляється через наявність у ньому матерії, тим самим утворює поля гравітації. Виходить, що властивість простору це гравітація. Цікаво, що гравітаційне поле згинає світло, від куди і з'явилися чорні дірки.

Примітка: Цікавитесь Археологією (http://arheologija.ru/), тоді просто перейдіть за посиланням на цікавий сайт, який розповість Вам не тільки про розкопки, артефакти та інше, але й поділиться останніми новинами.

На малюнку зображено приклади теорії Ейнштейна.

Під Азображений спостерігач який дивиться на машини, що рухаються на різних швидкостях. Але машина червоного кольору рухається швидше за синю машину, а значить щодо неї швидкість світла буде абсолютною.

Під Урозглядається світло, що виходить від фар, яке незважаючи на явну різницю в швидкостях автомобілів, буде однаковим.

Під Зпоказаний ядерний вибух який доводить що E енергія = T масі. Або Е = mс2.

Під Dз малюнка видно, що менша маса дає велику енергію, при цьому тіло стискається.

Під Езміна часу у космосі завдяки Мю-мезонам. У космосі час тече повільніше ніж землі.

Є теорія відносності для чайниківяка коротко показана у відео:

Дуже цікавий фактпро теорію відносності, відкриту вже сучасними вченими у 2014 році, але залишається загадкою.

100 рбонус за перше замовлення

Виберіть тип роботи Дипломна робота Курсова роботаМагістерська дисертація Звіт з практики Стаття Доповідь Рецензія Контрольна роботаМонографія Розв'язання задач Бізнес-план Відповіді на запитання Творча роботаЕсе Чертеж Твори Переклад Презентації Набір тексту Інше Підвищення унікальності тексту Кандидатська дисертація Лабораторна роботаДопомога on-line

Дізнатись ціну

Спеціальна теорія відносності була розроблена на початку XX століття зусиллями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре та А. Ейнштейна.

Постулати Ейнштейна

СТО повністю виводиться на фізичному рівністрогості з двох постулатів (припущень):

Справедливим є принцип відносності Ейнштейна — розширення принципу відносності Галілея.

Швидкість світла залежить від швидкості руху джерела в усіх інерційних системах відліку.

Експериментальна перевірка постулатів СТО у певною міроюутруднена проблемами філософського плану: можливістю запису рівнянь будь-якої теорії інваріантної формибезвідносно до її фізичного змісту та складності інтерпретації понять «довжина», «час» та «інерційна система відліку» в умовах релятивістських ефектів.

Сутність СТО

Наслідком постулатів СТО є перетворення Лоренца, що заміняють перетворення Галілея для нерелятивістського, «класичного» руху. Ці перетворення пов'язують між собою координати та часи тих самих подій, що спостерігаються з різних інерційних систем відліку.

Саме вони описують такі знамениті ефекти, як уповільнення ходу часу і скорочення довжини швидко рухомих тіл, існування граничної швидкості руху тіла (якою є швидкість світла), відносність поняття одночасності (дві події відбуваються одночасно по годинах в одній системі відліку, але в різні моментичасу по годинниках в іншій системі відліку).

Спеціальна теорія відносності отримала численні підтвердження на досвіді і є безумовно вірною теорією у сфері застосування. Спеціальна теорія відносності перестає працювати в масштабах всього Всесвіту, а також у випадках сильних полів тяжіння, де його замінює загальніша теорія — загальна теорія відносності. Спеціальна теорія відносності застосовна і в мікросвіті, її синтезом з квантовою механікоює квантова теорія поля.

Коментарі

Так само, як і у випадку квантової механіки, багато прогнозів теорії відносності суперечать інтуїції, здаються неймовірними і неможливими. Це, проте, значить, що теорія відносності неправильна. Насправді, те, як ми бачимо (або хочемо бачити) навколишній світ і те, яким він є насправді, може сильно відрізнятися. Вже більше століття вчені всього світу намагаються спростувати СТО. Жодна з цих спроб не змогла знайти жодної вади в теорії. Про те, що теорія вірна математично, свідчить сувора математична формата чіткість усіх формулювань. Про те, що СТО справді описує наш світ, свідчить величезний експериментальний досвід. Багато наслідків цієї теорії використовуються практично. Очевидно, що всі спроби "спростувати СТО" приречені на провал тому, що сама теорія спирається на три постулати Галлілея (які дещо розширені), на основі яких побудовано ньютонову механіку, а також на додатковий постулат про сталість швидкості світла у всіх системах відліку. Усі чотири не викликають жодного сумніву в межах максимальної точності сучасних вимірів: краще 10 - 12, а в деяких аспектах - до 10 - 15. Більше того, точність їх перевірки є настільки високою, що сталість швидкості світла покладено в основу визначення метра - одиниці довжини, внаслідок чого швидкість світла стає константою автоматично, якщо вимірювання вести відповідно до метрологічних вимог.

СТО описує негравітаційні фізичні явищаз дуже високою точністю. Але це не виключає можливості її уточнення та доповнення. Наприклад, загальна теорія відносності є уточненням СТО, що враховує гравітаційні явища. Розвиток квантової теоріївсе ще триває, і багато фізиків вважають, що майбутня повна теоріявідповість на всі питання, що мають фізичний сенс, і дасть не більше як СТО разом із квантової теорією поля, і ОТО. Швидше за все СТО очікує така сама доля, як і механіку Ньютона — будуть точно окреслені межі її застосування. У той самий час така максимально загальна теорія є дуже віддаленої перспективою, і вчені вважають, що її побудова взагалі можливе.

Загальна теорія відносності

Загальна теорія відносності(ОТО) - геометрична теорія тяжіння, опублікована Альбертом Ейнштейном у 1915-1916 роках. У рамках цієї теорії, що є подальшим розвитком спеціальної теоріївідносності, постулюється, що гравітаційні ефектиобумовлені не силовою взаємодією тіл і полів, що знаходяться у просторі-часі, а деформацією самого простору-часу, яка пов'язана, зокрема, із присутністю маси-енергії.

ВТО в даний час (2007 рік) - найуспішніша гравітаційна теоріядобре підтверджена спостереженнями. Перший успіх загальної теоріївідносності полягав у поясненні аномальної прецесії перигелія Меркурія. Потім, в 1919, Артур Еддінгтон повідомив про спостереження відхилення світла поблизу Сонця в момент повного затемненняКрім того, численні спостереження інтерпретуються як підтвердження одного з найбільш таємничих та екзотичних передбачень загальної теорії відносності - існування чорних дірок.

Незважаючи на приголомшливий успіх загальної теорії відносності, науковому співтовариствііснує дискомфорт, пов'язаний з тим, що її не вдається переформулювати як класичну межу квантової теорії через появу непереборних математичних розбіжностей при розгляді чорних дірок і взагалі сингулярності простору-часу. Для вирішення цієї проблеми було запропоновано низку альтернативних теорій. Сучасні експериментальні дані вказують, що будь-якого типу відхилення від ОТО повинні бути дуже малими, якщо вони існують взагалі.

Ейнштейн почав пошук теорії гравітації, яка б сумісна з принципом інваріантності законів природи щодо будь-якої системи відліку. Результатом цього пошуку стала загальна теорія відносності, заснована на принципі тотожності гравітаційної та інертної маси.

Принцип рівності гравітаційної та інертної мас

У класичної механікиНьютона існує два поняття маси: перше відноситься до другого закону Ньютона, а друге - до закону всесвітнього тяжіння. Перша маса – інертна (або інерційна) – є відношення негравітаційноїсили, що діє на тіло, на його прискорення. Друга маса - гравітаційна (або, як її іноді називають, важка) - визначає силу тяжіння тіла іншими тілами та його власну силутяжіння. Власне, ці дві маси вимірюються, як видно з опису, в різних експериментах, тому зовсім не повинні бути пропорційними один одному. Їх строга пропорційність дозволяє говорити про єдину масу тіла як у негравітаційних, так і в гравітаційних взаємодіях. Відповідним вибором одиниць можна зробити ці маси рівними другдругові.

Принцип руху геодезичними лініями

Якщо гравітаційна масаточно дорівнює інерційної, то у виразі для прискорення тіла, на яке діють лише гравітаційні сили, обидві маси скорочуються. Тому прискорення тіла, отже, та її траєкторія залежить від маси і внутрішньої будовитіла. Якщо ж всі тіла в одній і тій точці простору отримують однакове прискорення, то це прискорення можна пов'язати не з властивостями тіл, а з властивостями самого простору в цій точці.

Таким чином, опис гравітаційної взаємодії між тілами можна звести до опису простору-часу, в якому рухаються тіла. Природно припустити, як і зробив Ейнштейн, що тіла рухаються по інерції, тобто отже їх прискорення у своїй системі відліку дорівнює нулю. Траєкторії тіл тоді будуть геодезичними лініями, теорія яких була розроблена математиками ще у XIX столітті.

Сучасні експерименти підтверджують рух тіл геодезичними лініями з тією ж точністю, як і рівність гравітаційної та інертної мас.

Кривизна простору-часу

Якщо запустити з двох близьких точок два тіла паралельно одне одному, то гравітаційному полі вони поступово почнуть або зближуватися, або віддалятися друг від друга. Цей ефект називається девіацією геодезичних ліній. Аналогічний ефект можна спостерігати безпосередньо, якщо запустити дві кульки паралельно один одному по гумовій мембрані, яку в центр покладено масивний предмет. Кульки розійдуться: та, яка була ближчою до предмета, що продавлює мембрану, прагнутиме до центру сильніше, ніж більш віддалену кульку. Ця розбіжність (девіація) обумовлена ​​кривизною мембрани.

Основні наслідки ВТО

Відповідно до принципу відповідності, у слабких гравітаційних поляхпрогнози загальної теорії відносності збігаються з результатами застосування ньютоновського законувсесвітнього тяжіння з невеликими поправками, що зростають у міру збільшення напруженості поля.

Першими передбачуваними та перевіреними експериментальними наслідками загальної теорії відносності стали три класичні ефекти, перераховані нижче хронологічному порядкуїх першої перевірки:

1. Додаткове зрушення перигелія орбіти Меркурія порівняно з прогнозами механіки Ньютона.
2. Відхилення світлового променяу гравітаційному полі Сонця.
3. Гравітаційне червоне усунення або уповільнення часу в гравітаційному полі.