Общая теория относительности кратко и понятно


Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы он это сделал. В ответ он создал свое величайшее творение — Общую теорию относительности.

Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжения действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.


Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации всё еще использовались в течение десятилетий, как основа для универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движения планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую теорию тяготения и на то, где она не дотягивает.

Перо и шар для боулинга в вакууме, при отсутствии сопротивления воздуха, падают с одинаковой скоростью.

Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают», а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.

Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, — это орбиты небесных тел, почему Луна вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца. В конечном счете, ответ Ньютона на это заключался в том, что гравитация — это сила, пропорциональная массе объекта. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.


Но, как мы уже упоминали ранее, проблема ньютоновской гравитации заключается в её действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстояния между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Также проблема в том, что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжения, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.

В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью. Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.

В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.


Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый пространственно-временной континуум.

Внедрение любой массы в пространство искажает окружающее её пространство.

В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.

Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.

Большим шаром здесь является Солнце, превращающее пространство-время в чашу, которая заставляет Землю двигаться по круговой (точнее эллиптической) орбите.

Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени — три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле. Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.

Откуда мы знаем, что Общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.

Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.

Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву. С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.


Как выразился физик-теоретик Джон Уилер (John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться».

Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.

Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.

Источник: medium.com

Теория относительности Эйнштейна


Воспроизведение пространства художником аналитично. Создавая на плоскости определенную диспозицию предметов и фигур, он последовательно строит глубину, идя от одного пространственного плана к другому. Ориентация нашего глаза в пространстве опирается при этом на четко закрепленное в сознании отношение вертикалей и горизонталей — никакие наклоны головы не создают зрительного ощущения, подобного эффектам съемки наклоненным вверх или вниз фотоаппаратом. Подобным же образом и взгляд, направленный вдаль, несколько «выпрямляет», рационализирует пространство. Он непроизвольно придает неопределенно повернутым к нему предметам более четкие позиции, приводя к фронтальной плоскости их фас или профиль. И даже в передаче резких, определенных ракурсов непосредственное восприятие смягчает остроту перспективных сокращений формы, уменьшает зрительную диспропорцию удаленных и приближенных к нам частей предмета. Разумеется, такого рода зрительные «поправки» совершенно чужды искусственному глазу — объективу. Пространство фотоизображения— это чисто перспективная, ракурсная система. И потому рисунок или гравюру, выполненные по фотографии, опытный глаз обнаружит легко.


обенно, если аппарат во время съемки находился
под некоторым углом к объекту. Долгое время фотоискусство, ориентируясь на привычные формы дофотографических изображений, избегало ракурсных снимков. Но интерес к специфике фотоязыка в 20-е годы нашего века привел к культивированию острого угла (творчество А. Родченко и его последователей). Такие фотографии утверждали новые способы зрительной ориентации в пространстве. В них подчеркивался динамический характер зрения. Ощущение глубины пространства — и не только по горизонтали, но также в вертикальных и диагональных направлениях — резко усилилось. Опорные зрительные координаты пространства — горизонталь и вертикаль — теряли свою устойчивость, утрировались, перекашивались. При этом для зрителя совершенно непривычная пространственная структура сохраняла авторитет абсолютно «правильной», с документальной точностью передающей реальную натуру.

В действительности фотографическая передача пространства не является ни абсолютно адекватной характеру человеческого зрения, ни даже однозначно заданной самой «природой» фотографии. Достаточно ведь изменить фокусное расстояние объектива (операция совершенно недоступная «невооруженному» человеческому глазу), чтобы получить на снимке совершенно иные масштабные и пространственные соотношения предметов, а в известной мере и иную пластику формы. Легко изменяется и соотношение резкостей в разных планах снимка, а это также меняет восприятие пространственной глубины.
нако при всех изменениях соотношений сохраняется пространственная специфичность фотографического изображения. Его активная трехмерность присутствует даже на снимках специально «уплощенных»,— например, с помощью телеобъектива, укрупняющего и приближающего дальние планы, или благодаря соответствующему выбору и организации натуры (фронтальная фотография вертикальной стены, силуэт и т. п.). Фотоизображение перспективно по своей природе. Объемность форм предметов подчеркивает сам светотеневой способ фиксации натуры.

Особая роль в оперировании фотографическим пространством принадлежит кадрированию — специфическому для фотоискусства способу организации границ изображения. Объектив аппарата механически «вырезает» некий сектор из неограниченного пространства натуры. Как бы сознательно и обдуманно ни выбирались при этом границы кадра и расположение изобразительных элементов в его поле, это не отменяет самого принципа фрагментирования натуры. Напротив — именно творческое внимание фотографа к структуре и границам кадра побу чдает его сделать вычленение фрагмента принципиальным методом композиции. Фотография в этом смысле гораздо смелее и острее «традиционных» изобразительных искусств, где композиция строится большей частью иначе — как замкнутое соотношение изобразительных элементов, как целостное, завершенное пространство, края которого определены его внутренней структурой, а не отрезанием «ненужных» внешних частей. Эти особенности очень четко формулирует французский теоретик кино Андре Базен, противопоставляя картину киноэкрану: «Картинная рама поляризует пространство внутрь, тогда как все показанное на киноэкране имеет, наоборот, тенденцию бесконечно продолжаться во вселенной.
ма картины порождает центростремительность, а экран центробежек». Заметим, что «центробежность» эта порождена именно фотографической природой изображения. «Рамка фотокадра — лишь условные его границы; содержание связано с содержанием остающегося за рамкой…»

Такое разграничение композиционных принципов фотографии и живописи никак не исключает, но напротив, предполагает возможность их взаимных влияний. Нетрудно указать примеры замкнутой, живописной композиции в фотографии (особенно у ранних ее мастеров) или открытой, фотографической,— у живописцев (например у Дега). Реже в живописи или станковой графике используется характерное для фотографии вычленение и укрупнение фрагмента натуры. Фрагментирование — это концентрация, сосредоточение взгляда.

Механическая зоркость аппарата превосходит человеческие возможности, позволяя видеть массу деталей, ускользающих от обычного зрения. Художественное открытие незаметного, переживание красоты и значительности бесчисленных подробностей бытия — одна из основ фотографической поэтики.

Суть принципа вычленения изображения из безбрежности закадрового пространства — не в сужении поля зрения (это лишь
одна из композиционных возможностей фотографии), а в том, что край снимка принадлежит не миру изображения, а рамке
видоискателя, он «режет» натуру, а не завершает ее. Отсюда — свобода варьирования кадра, возможность сконцентрировать внимание в одной точке или же раздвинуть пространство до кругового обзора.


Отношения снимка со временем

Уже первые опыты «моментального» фотографирования показали удивленным зрителям неожиданный и непривычный мир внезапно прерванного движения, неустойчивых поз, незавершенных жестов — мир, захваченный врасплох, имеющий мало общего с достаточно условной статичностью «обычного» изобразительного искусства. Оказалось, что лошади бегают не так, как показывают нам художники, синтезирующие в одном рисунке несколько моментов движения, да и люди движутся иначе, чем это им кажется. Обнаружилось странное несоответствие в свидетельствах двух объективных способов восприятия — зрения, которому мы не без основания привыкли доверять, и заведомо достоверного фотоизображения. Но парадокса здесь не было. Просто на снимке мы видим не движущийся объект (как на рисунке), а неустойчиво-неподвижный, застыв ший. С особой наглядностью демонстрирует это стоп-кадр в кино.

Потребовалось время, прежде чем моментальные снимки подвижной-натуры ожили в сознании людей, и зрители без особых усилий стали прочитывать «законсервированное» фотографами движение. Но скрытое противоречие между динамикой самого процесса и статикой запечатленного мгновения не исчезло. Оно лишь сглажено многолетней зрительской привычкой. Осмысленное творчески, это противоречие может стать средством чисто фотографической выразительности: остановленное движение, благодаря неожиданности момента, окажется своеобразной формой непривычного восприятия хорошо знакомых вещей. Гораздо более специфична для фоторисунка передача движения смазыванием части зображения. Время, пусть и недолгое, зримо растягивается, «размазывается» по поверхности фотобумаги. То, что раньше было для фотографов лишь досадным дефектом, стало теперь ярким выразительным средством. Развитием этого же принципа можно считать многократную экспозицию движущегося объекта в пределах одного снимка. Разумеется, такая структура создает образ движения весьма далекий от его натурного восприятия, но тем не менее очень наглядный. И, наконец, последовательная серия моментов может быть «разложена» в целый ряд изображений, создающих зрительное повествование за счет естественного домысливания переходов от снимка к снимку. Через ряд фотографий как бы скачками пойдет движение времени.

Но есть и еще одна разновидность отображения времени — это старая фотография. Сохраняя все качества запечатленного мгновения, такой снимок, чем дальше, тем больше, проявляет свою причастность к Истории. И миг, сбереженный неизмененным в своей реальности, привлечет к себе тем большее внимание, чем он глубже погрузится в даль времени.

Обаяние старого снимка заключено в чуде нашего соприсутствия с конкретным моментом давно ушедшей эпохи. В зрительское восприятие фотографии входит все то время, что отделяет ее от нас, все изменения в жизни людей, в облике вещей, которые произошли с тех пор: «Листая семейный альбом, наша бабушка вновь переживает свой медовый месяц, проведенный в Венеции, а дети с любопытством рассматривают причудливые гондолы, старомодные туалеты и юные лица теперешних стариков, которые они никогда не видели. И они непременно приходят в восторг от каждого обнаруженного ими пустяка, который бабушка в дни своей молодости и не замечала».

Повседневные мелочи, которые незаметны современнику, но потомку могут дать Ощущение подлинного аромата ушедшей эпохи, запечатлеваются фотографией большей частью мимоходом, попутно, без сознательно поставленной цели. Любительская фотография, с ее «мусором» случайных подробностей оказывается часто более богатой и выразительной в этом отношении, чем продуманная и скупо скадрированная художественная. Никакие словесные описания не заменят нашему потомку того, что увидит он на любительской фотографий. Ему именно то бросится в глаза, что сегодня нашему глазу совсем незаметно, что кажется заурядным, «без замысла» выбранным фоном — тот обиход современной жизни, по которому взгляд современника скользит, не задерживаясь»…

Ценность этих деталей, умирающих вместе со своим временем, для человека другой эпохи в том, что именно они делают в его глазах историческую давность ощутимой, физической реальностью. Благодаря им понятие исторического времени, в значительной степени умозрительное, отвлеченное и обобщенное, может стать для нас живым и понятным. Поэтому проблема документальности старинного снимка имеет прямое отношение и к проблеме его историчности— к запечатлению Времени в историческом масштабе. Непредвзятость случайной любительской фотографии предлагает иногда важные исторические дополнения и поправки к преднамеренности специально организованных репортажей.

«Фотографии напоминают слои разных времен, обнаруживающиеся на высоких обрывах и так внятно рассказывающие геологу о сменившихся эпохах. Проборы, усы, воротнички отложные и стоячие, покрой сюртуков, прически и шляпы женщин.
И лица, лица»…

Не так уж важно, что предмет бытового снимка лишен собственной исторической значительности. Сама эпоха, о которой он
свидетельствует, заставляет нередко очень остро соотносить эти частные эпизоды и судьбы с событиями «большой истории». В цитируемой книге М. Чудаковой описаны многие примеры таких переосмысленных временем фотографий. Приведем один из них: «Лето 1940 года, пионеры и комсомольцы Артека — отличники и активисты на экскурсии в Алупке. Фотография черно-белая, но яркое крымское солнце заливает каменного льва на дворцовой лестнице, белоснежные панамы и блузки, одинаковые у девушек и у ребят. На первый план вылезают длинные ноги и руки пятнадцатилетних мальчиков. Глаз невозможно оторвать от этих голоногих, залитых солнцем, на которых с почти осязательной неотвратимостью наползает лето 1941 года». Непредусморенный драматизм описанного вполне банального снимка в том, что мы ясно видим грядущую судьбу этих ребят, знаем о них то, чего они сами еще не знают.

Однако историчность старой фотографии не только в вышедших из моды воротничках и прическах, в конке на улице и вывес ке с ятями; и не только в выражениях лиц, неуловимо отличающихся от теперешних. Она еще и в самом ее фотографическом лице», в характере, позволяющем нам отнести ее к соответствующим десятилетиям даже и без всяких предметных признаков времени, а лишь по тому, как фотограф выбирает и строит кадр, как группируются люди для съемки, как они ведут себя перед аппаратом. Это все можно назвать фотографическим стилем времени. Едва ли он, за немногими исключениями, был сознательно выработанным. В большинстве случаев— просто естественный способ видения натуры: «а как же иначе?». И лишь со временем, на фоне «фотопривычек» другого поколения, фотографический стиль выяв ляет свои исторические качества, оказывается и особым строем восприятия жизни. Итак, у старой фотографии (достаточно старой, чтобы успела заметно измениться запечатленная на ней жизнь) двойной масштаб времени: мгновенный — доли секунды! — и исторический: она дает нам срез исторической эпохи.

Источник: steptosleep.ru

Поверить в это было сложно

Статью, которая стала отправной точкой для разработки теории относительности, Эйнштейн опубликовал ещё в сентябре 1905 года. Правда, тогда она интересовала лишь узкий круг специалистов в области теоретической физики.

Работа называлась «К электродинамике движущихся тел». В ней молодой физик сформулировал постулаты специальной теории относительности, а через 10 лет последовала общая теория, в которой он пересмотрел представления о пространстве и времени (по сути, перевернул их) и предложил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Его идеи практически полностью объясняли пробелы и нестыковки, существовавшие в физике XIX века, но в те годы они были всего лишь гипотезой: требовались эксперименты и исследования, которые бы её подтвердили или опровергли. Неудивительно, что поначалу многие учёные не приняли доводы Эйнштейна — им просто было сложно в них поверить.

В математическом плане работа 1905 года была проста, чем отличалась от работ предшественников Эйнштейна  Пуанкаре и Лоренца. Она сводилась к двум постулатам (или принципам). Первый — принцип относительности, носящий имя самого Эйнштейна. Второй — принцип постоянства скорости света. Первый лаконично можно сформулировать так: законы природы одинаковы во всех системах координат, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга. Второй: луч света в вакууме движется с одинаковой скоростью, независимо от того, испускается он покоящимся или движущимся объектом.

А теперь попробуем объяснить на понятных примерах.

Как стать в три раза худее

Представьте, что у вас есть космический корабль, на носу которого установлена пушка, стреляющая частицами света — фотонами. Вы садитесь в корабль и летите на огромной скорости мимо планеты, на которой, пристально вглядываясь в небо, стоит ваш приятель. Вы заряжаете световую пушку и начинаете стрелять — фотоны улетают от вас со скоростью 300 тыс. км/с. А с какой скоростью они будут лететь мимо вашего приятеля? По логике, со скоростью света, к которой приплюсована скорость космического корабля. То есть быстрее скорости света! Так вот, Эйнштейн предположил (и впоследствии это подтвердилось), что скорость света всегда остаётся неизменной. И ваш приятель, вооружившись секундомером, увидит, что относительно него фотоны пролетают за секунду всё те же 300 тыс. км, будто бы ваш корабль стоит на месте, а не несётся в космическом пространстве.
Это кажется парадоксальным, но это так. И из данного постулата следуют всякие удивительные выводы. Например, что, двигаясь на высоких скоростях, объекты сокращаются в размерах (человек, летящий со скоростью 280 тыс. км/с, станет раза в три худее). Или что в межзвёздном космическом путешествии время для астронавта будет идти медленнее, и он вернётся из него более молодым, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. И даже то, что для разных наблюдателей — подвижного и неподвижного — одни те же события могут происходить в разные моменты времени.

В последующие годы Альберт Эйнштейн совершенствовал собственную теорию, обобщив её для гравитационных полей (потому она и стала называться общей). Он отказался от мысли Ньютона, который считал, что всё пространство заполнено гравитационным полем, определяющим движение небесных тел, и предложил иной подход: гравитация — не физическое явление, а геометрическое. Между полем тяготения и геометрией пространства-времени существует неразрывная связь: чем массивней астрономический объект, тем сильнее его гравитация искривляет пространство и замедляет время. 

Вот ещё одна простая аналогия. Если вы положите на заправленную кровать шар для боулинга, он продавит ровную поверхность покрывала, искривив её. Катнув затем шар поменьше (скажем, бильярдный), вы заметите, что он отклоняется от прямой траектории под воздействием изгибов. Можно ли говорить, что его притягивает более массивный шар? Конечно, нет. Причина в том, что сама поверхность, по которой он катится, стала кривой. Точно так же, согласно мысли Эйнштейна, Земля не притягивается Солнцем, а движется в его сторону в искривлённом трёхмерном пространстве. 

Где находится лифт?

Другой принцип, использованный в знаменитой теории, получил название «принцип эквивалентности». Он говорит нам о том, что ускорение и гравитация по сути одно и то же. И чтобы понять его, вам придётся войти в гипотетический лифт, о котором вы ничего не знаете. Точнее, не знаете, что находится снаружи, за его стенами.

Допустим, вы оказались в лифте в состоянии невесомости. Что это значит? Одно из двух: либо лифт падает под действием гравитации Земли, либо он… находится в космосе. Чтобы выяснить правду, вам придётся выглянуть из кабины.

Можно представить и обратное: вы стоите в лифте, на вас действует сила тяжести. Но вам неясно: то ли лифт неподвижно висит в шахте многоэтажного дома где-то на Земле, то ли он движется с ускорением в космическом пространстве. Обе эти ситуации вы воспримете одинаково, не в силах отличить ускорение от гравитации. Эйнштейн пришёл к выводу, что тела под воздействием гравитации не ускоряются, а движутся равномерно, только в искривлённом пространстве массивных объектов — планет, звёзд и пр. 

Впоследствии теория относительности получила множество экспериментальных подтверждений и привела к грандиозным открытиям в астрофизике. Благодаря ей учёные смогли понять, что такое чёрные дыры, Большой взрыв, замедление времени и многое другое. И даже увидеть объекты далёкого космоса, скрытые за другими объектами. Для астрономов это было всё равно, что смотреть сквозь стены. 

Источник: aif.ru

История возникновения теории

Альберт Эйнштейн, создавая свою теорию, в качестве основы брал экспериментальные данные. Он попытался их объяснить, выдвинув всего два постулата:

  1. Равенство любых систем отсчёта, движущихся с постоянной и прямолинейной скоростью.
  2. Неизменность скорости света в любой системе отсчёта.

При помощи последовательных логических рассуждений и с помощью математики он создал теорию, которая полностью подтверждается данными научных экспериментов.

В 19 веке физики искали общую основу пространства и времени. Они рассчитывали. Что существует особая среда — эфир, в которой существуют предметы материального мира. Считалось, что это материальный субстрат, колебания которого представляют собой световые волны. Физики того времени и впоследствии не смогли найти убедительных фактических доказательств существования эфира. Альберт Эйнштейн отказался от такого подхода и предложил своё объяснение.

Общая теория относительности кратко и понятно

Теория относительности простыми словами для чайников

Раньше, до её создания, считалось, что существует три пространственных измерения и одно временное, причём они полностью независимы друг от друга. На самом деле оказалось, что они представляют собой единый четырёхмерный пространственно-временной континуум.

Прежде считалось, что гравитация, это сила, действующая между объектами, величина которой зависит от их массы. Теория относительности объяснила это явление иначе. Оказалось, что объекты своей массой искривляют пространственно-временной континуум, а сила гравитации — следствие этого.

Теория получила своё название от принципа относительности. Когда человек видит движущийся предмет. То это означает, что он перемещается относительно него. Если он движется с той же скоростью и в том же направлении, то для него предмет будет находиться в покое.

Другими словами говоря, когда говорят о наличии или отсутствии движения, это имеет смысл утверждать только, если указать систему координат, относительно которой это происходит. В разных случаях ответ может существенно отличаться.

Однако теория утверждает, что скорость света является исключением. Она остаётся постоянной в любой системе координат. Этот принцип можно проиллюстрировать следующим мысленным экспериментом.

Если есть корабль, летящий со скоростью света и он испускает свет в направлении своего движения, то скорость последнего будет равна скорости света в вакууме. Неподвижный наблюдатель видит скорость, с которой летит корабль и испущенный им свет. Оба объекта будут иметь одну и ту же скорость. Свет не будет двигаться быстрее.

Специальная теория относительности рассматривает процессы, происходящие в движущихся с постоянной скоростью системах координат. Общая рассматривает также эффекты, которые связаны с ускорением или явлениями гравитации. Теория относительности считает, что законы природы проявляются одинаково в любой равномерно движущейся или находящейся в покое системе координат.

В этом видеоролике можно подробно узнать о парадоксах теории относительности:

Принципы теории

Для того, чтобы лучше понимать объяснения, которые даёт теория относительности, нужно лучше понять то, что представляет собой четырёхмерный континуум «пространство-время». Привычные нам пространственные и временные координаты являются проекциями континуума, которые мы видим и воспринимаем.

Тела не изменяются, перемещаясь в континууме, но меняются проекции, восприятие которых доступно человеку. Именно это воспринимается в качестве замедления времени или продольного сокращения.

Замедление времени

Это явление можно также наглядно показать в виде мысленного эксперимента. Представим себе наблюдателя, находящегося в покое и другого, летящего перед ним слева направо в космическом корабле с огромной скоростью.

В корабле имеется два зеркала: на полу и на потолке. Свет идёт от нижнего к верхнему и обратно. Для стоящего рядом человека расстояние между зеркалами рассчитывается по прямой.

Находящийся в покое наблюдатель видит наклонную траекторию, поскольку корабль движется. Поскольку скорость света одинаково, то время, затраченное светом на движение между зеркалами, будет отличаться. Поскольку в первом случае движение перпендикулярно полу, а во втором — по наклонной.

Общая теория относительности кратко и понятно

Таким образом указанное действие будет занимать различное время. Его длительность будет определяться относительным движением между системами отсчёта.

Продольное сокращение

Постоянство скорости света предполагает, что при движении происходит сокращение в направлении движения. Это явление имеет сложную природу. Это можно пояснить следующим образом.

Допустим, у наблюдателя на Земле есть комната, расстояние между стенами которой составляет 10 м. Свет, проходя от задней до передней стены свет потратит время t.

С точки зрения наблюдателя в летящем в космосе корабле, он увидит свет, летящий с прежней скоростью, но ему покажется, что передняя стена движется на него, а задняя отдаляется. Таким образом свет с постоянной скоростью затратит меньше времени и пройдёт меньшее расстояние. Таким образом расстояние между стенами станет меньше.

Оба наблюдателя правы. Расстояние рассматривается в четырёхмерном континууме, и в нём оно не меняется. Но с точки зрения человека произойдёт сокращение расстояние в направлении движения.

Одновременность

В представлении классической физики, время является независимой координатой, которая имеет абсолютный характер. Иначе говоря, каждому событию соответствует определённый момент времени. Те, у кого он совпадает, можно считать одновременными. Теория относительности не согласна с таким подходом.

Некоторые могут спросить о том, почему теорию объясняют с помощью мысленных конструкций, разве нельзя просто указать на факты — на самом деле можно. Но нужно учитывать, что эти эффекты легко видимы на гигантских скоростях и космических расстояниях. Современный уровень науки и техники позволяет очень точно провести измерения. Изучение показало, что полученные данные подтвердили правоту теории.

Для иллюстрации нового понятия одновременности, можно провести мысленный эксперимент. Представим, что скорость света настолько мала, что можно визуально увидеть, как свет движется от только что включённой лампы к стене. Лампу расположили на равном расстоянии от стен. После включения стоящий в комнате человек увидел, как лучи одновременно достигли их поверхности. С его точки зрения всё произошло в один момент времени.

Предположим, что в стене перед ним окно. Мимо него снаружи движется наблюдатель с постоянной скоростью. Он смотрит в окно и видит, как свет движется к стенам. Сложность в том, что скорость света для обоих наблюдателей будет одинаковой. Поэтому второй наблюдатель увидит разные картинки относительно движения света к передней и задней стене (относительно направления его движения).

Он увидит, что задняя стена приближается к источнику света, а передняя — отдаляется. Поскольку скорость движения одинакова, то первое событие произойдёт раньше, а второе — позже. Таким образом одновременность будет отсутствовать. Однако оба наблюдателя будут одинаково правы: «одновременность является относительной и зависит от системы координат наблюдателя».

В реальной жизни этот эффект незаметен, поскольку скорость движения наблюдателя очень медленная по сравнению с предельной. В космосе такие эффекты можно зафиксировать экспериментально.

Масса и энергия

Ещё одно открытие состоит в утверждении общей природы материи и энергии. Об этом утверждает знаменитая формула E=mc^2. По мере увеличения скорости масса растёт. Чем оно тяжелее, тем труднее увеличить скорость — для этого требуется всё больше энергии. При приближении к скорости света масса и энергия увеличиваются до бесконечности. Связь между массой и энергией носит фундаментальный характер — она утверждает о возможности их превращении друг в друга.

В этом видео приводится разъяснение основных положений теории относительности:

Частые вопросы

Происходит ли движение с ускорением при воздействии гравитации — ответить на этот вопрос поможет следующий мысленный эксперимент. Можно представить, что человек находится в свободно падающем лифте. Тогда он и все предметы будут испытывать невесомость и двигаться так, как если бы находились в космосе и перемещались с постоянной скоростью.

Отличить эти два состояния невозможно. Движение под действием гравитации в четырёхмерном континууме является равномерным. Но с точке зрения людей выглядит ускоряющимся. Так происходит из-за того, что массивные тела искажают пространство-время. Таким образом гравитация является не силой, а искажением пространства-времени.

Иногда искривление поясняют следующим образом. Можно представить двумерную упругую поверхность, на которой расположены массивные тела, продавливающие её. Если мимо них равномерно движутся тела, то они будут двигаться, повторяя изгибы поверхности.

Общая теория относительности кратко и понятно

Чёрная дыра в рамках этого иллюстративного образа выглядит как очень тяжёлый объект, продавливающий настолько сильно, что края углубления сомкнулись. Таким образом то, что попало внутрь пузыря уже не имеет шансов вырваться наружу.

Возникает вопрос о том, насколько приведённые в статье удивительные рассуждения и мысленные эксперимент соответствуют реальности. Несмотря на то, что на первый взгляд, в теории много непривычного и странного, тем не менее наука находит всё больше подтверждений.

Надо понимать, что наиболее полно описанные эффекты проявляются на скоростях, близких скорости и света и в гигантских космических масштабах. Учёные проверяют то, что следует из этой теории. Современное состояние науки и техники предоставляет возможность убедительно подтвердить основные положения теории.

Например, известно, что свет должен огибать тела вследствие существования гравитационных искажений. При наблюдениях в космосе обнаружено, что становятся видны дальние объекты, которые на самом деле должны быть заслонены ближними. Это происходит из-за того, что свет от них идущий, огибает препятствия.

Сильная гравитация вызывает замедление времени. GPS и ГЛОНАСС для своей работы должны использовать очень точное время. Им приходится учитывать замедление времени, возникающее из-за гравитации. Если бы они не обращали на это внимание, то погрешность определения точки на поверхности Земли могла превышать 10 км.

Предсказание существования чёрных дыр — заслуга теории относительности. У этих объектов гравитация настолько сильна, что время там полностью останавливается. Если свет попадает к ней, то наружу он выйти не может. Астрономы подтвердили существование чёрных дыр при помощи современных методов исследования.

Учёные многократно проводили точное измерение скорости света от различных источников. Всегда получалась одна и та же величина. Например, свет, излучаемый Солнцем или далёкой звездой, на первый взгляд, должен иметь определённые различие в скорости. Современная техника позволяет произвести измерения с очень высокой точностью, но было обнаружено, что эти значения совпадают.

В статье приведены примеры, помогающие понять базовые принципы устройства пространственно-временного континуума. На самом деле речь идёт только об основных понятиях. Теория значительно более сложна, имеет строгое обоснование и подтверждается современными научными данными.

 

 

Источник: tarifkin.ru

Главные принципы теории относительности

Первое, что нужно понять для освоения теории относительности: движение относительно.

Это значит, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчёта (того, откуда он смотрит).

Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как неподвижны и кресла в поезде, и другие пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются к вагону-ресторану, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.

В это время на платформе стоит другой человек, мимо которого со свистом пролетает поезд. Для него и пассажир с книгой, и кресла движутся со скоростью поезда — допустим, 200 км/ч. А вот пассажиры на пути в вагон-ресторан, расположенный в голове состава, будут двигаться ещё быстрее: их скорость сложится со скоростью поезда.

Так происходит при любом сложении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда будет двигаться всегда с одинаковой скоростью — 300 000 км/с.

Здесь мы вплотную подошли к базовым принципам, на которых строится теория относительности:

  • Принцип относительности: для тех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково.
  • Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. То есть свет от фонаря на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.

Свет движется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях всё выглядит совсем по-другому. К примеру, расстояние от Солнца до Земли, составляющее 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. А значит, что если Солнце когда-нибудь потухнет, то мы увидим это только через 8 минут.

Следствия теории относительности

Что же следует из описанных выше принципов и как они связаны со временем и пространством? Теория относительности имеет три основных следствия: пространство расширяется, время сжимается, масса увеличивается. Разберёмся с каждым по порядку.

Время сжимается

Эйнштейн первым понял, что время не абсолютно и зависит от системы отсчёта, в которой мы его наблюдаем. Земля и далёкая галактика на другом конце Вселенной находятся в разных точках не только пространства, но и времени.

Относительно движущихся объектов время идёт медленнее. Этот факт был проверен Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains с использованием двух одинаковых атомных часов: один прибор оставили на Земле, а другой отправили на сверхзвуковом самолёте вокруг планеты. При посадке было отмечено, что часы, которые летали, на несколько тысячных секунды отстают от часов в состоянии покоя.

Чем ближе скорость объекта становится к скорости света, тем медленнее для него течёт время. В теории, если астронавт отправится в путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он попадёт в будущее. Для него пройдёт несколько недель, а на Земле — несколько десятилетий. Это и есть относительность времени.

Пространство сжимается

Ещё одно удивительное следствие относительности: когда мы видим объект в движении, то можем наблюдать, что он становится всё более коротким с увеличением его скорости. С точки зрения наблюдателя, при приближении к скорости света объект становится всё короче и короче по направлению движения, а перпендикулярно ему остаётся в прежних размерах.

Допустим, мы сажаем астронавта в космический корабль, который может двигаться со скоростью света, а сами отправляемся в уютную обсерваторию наблюдать за его путешествием. По мере приближения к скорости света с кораблём начнёт происходить что-то странное. Мы заметим, что он становится всё короче. Но изменения происходят только в отношении направления движения, ширина корабля остаётся постоянной. Достигнув скорости света, он станет практически неразличим в длину.

Наверное, нашему астронавту сейчас не очень весело? Не беспокойтесь за него: для астронавта никаких изменений не происходит. Он всё так же радостно несётся навстречу космическим просторам и ничего не замечает. Пространство сжимается только относительно наблюдателя.

Масса увеличивается

Ещё одним поразительным следствием относительности является то, что по мере увеличения скорости объекта его масса тоже увеличивается.

Масса и энергия неразрывно связаны. Именно это выразил Эйнштейн в знаменитом уравнении E = mc². Эта формула показывает, что энергия тела пропорциональна его массе. При передаче телу энергии (то есть его ускорении) увеличивается и масса. Выходит, что часть энергии идёт на увеличение скорости, а другая часть увеличивает массу.

Вспомним о нашем астронавте, который приближается к скорости света в своём корабле. Наблюдая с Земли, мы видим, что по мере увеличения скорости корабля становится всё труднее ускорить его, то есть всё больше и больше энергии требуется, чтобы его подтолкнуть. Наступает момент, когда корабль достигнет такой массы, что никакая энергия во Вселенной больше не сможет его двигать. Вот поэтому на практике путешествия во времени пока невозможны.

Источник: Lifehacker.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.