Следствием общей теории относительности является


Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Берну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы — и времени бы вокруг не стало. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности — что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.

Говоря научным языком, в тот день Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель (см. Эффект Кориолиса). Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для нее они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.

Но хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными.


ли вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть, как принято говорить на научном языке, являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Как любую гипотезу, принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные (хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Специальная теория относительности была опубликована в 1905 году, а более сложная с точки зрения математического аппарата общая теория относительности была завершена Эйнштейном к 1916 году.

Специальная теория относительности

Большинство парадоксальных и противоречащих интуитивным представлениям о мире эффектов, возникающих при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывается именно специальной теорией относительности. Самый известный из них — эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него в руках.


Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения — напротив, сжимается. Этот эффект, известный как сокращение Лоренца—Фицджеральда, был описан в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом (George Fitzgerald, 1851–1901) и дополнен в 1892 году нидерландцем Хендриком Лоренцем (Hendrick Lorentz, 1853–1928). Сокращение Лоренца—Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона—Морли по определению скорости движения Земли в космическом пространстве посредством замеров «эфирного ветра» дал отрицательный результат. Позже Эйнштейн включил эти уравнения в специальную теорию относительности и дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела также увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света. Так, при скорости 260 000 км/с (87% от скорости света) масса объекта с точки зрения наблюдателя, находящегося в покоящейся системе отсчета, удвоится.


Со времени Эйнштейна все эти предсказания, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались, находят полное и прямое экспериментальное подтверждение. В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами. Выяснилось, что часы на самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так можно выразиться, когда речь идет о долях секунды). Последние полвека ученые исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц — иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона.

Возвращаясь к законам Ньютона, я хотел бы особо отметить, что специальная теория относительности, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если ее применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, специальная теория относительности не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет ее (подробнее эта мысль рассматривается во Введении).


Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом (см. Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме c одинакова в любой системе отсчета. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.

Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в общей теории относительности.

Общая теория относительности

Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации.


Общая теория относительности делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга — как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже во мнении о том, произошли ли два события одновременно — или одно предшествовало другому. К счастью для нашего бедного разума, до нарушения причинно-следственных связей дело не доходит — то есть существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже общая теория относительности не допускает.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. Общая теория относительности, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе.


гласно этой теории, гравитация — это следствие деформации («искривления») упругой ткани пространства-времени под воздействием массы (при этом чем тяжелее тело, например Солнце, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле). Представьте себе туго натянутое полотно (своего рода батут), на которое помещен массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром — Солнцем. А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле является, по сути чисто внешнем проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании. На сегодняшний день лучшего объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не найдено.

Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.


На самом деле результаты, которые предсказывает общая теория относительности, заметно отличаются от результатов, предсказанных законами Ньютона, только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это значит, что для полноценной проверки общей теории относительности нужны либо сверхточные измерения очень массивных объектов, либо черные дыры, к которым никакие наши привычные интуитивные представления неприменимы. Так что разработка новых экспериментальных методов проверки теории относительности остается одной из важнейших задач экспериментальной физики.

Источник: elementy.ru

Специальная теория относительности[править]

Специальная теория относительности (СТО) была предложена Эйнштейном в 1905 году в качестве обобщения преобразований Лоренца, что привело к распространению применимости уравнений Максвелла с электромагнитных явлений до событий во Вселенной вообще.

Постулаты[править]

СТО исходит из двух постулатов:

  1. Законы физики действуют одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.
  2. Скорость света в вакууме не зависит от системы отсчёта.

Первый постулат является обобщением принципа относительности Галилея, поскольку в отношении механических явлений он был впервые механически получен Галилеем. При отсутствии вибраций или внешних систем отсчёта невозможно отличить равномерное прямолинейное движение от состояния покоя.

Тем не менее, обобщение этого постулата достаточно парадоксально, и, кроме того, прямо противоречит теории светоносного эфира, общепринятой теории того времени, согласно которой пространство заполнено веществом, колебания которого являют собой свет. Независимо от этой теории, стороннему наблюдателю трудно было сделать валидные предсказания. Если луч света двигается к наблюдателю со скоростью c, и если наблюдатель двигается в обратную сторону со скоростью v, то можно было бы ожидать наблюдаемую скорость света величиной v+c. Согласно с первым постулатом, наблюдаемая скорость будет оставаться равной c. Не смотря на свою необычность, этот постулат представляется верным, как это следует из опыта Майкельсона-Морли.

В связи с этим можно сделать достаточно неожиданный вывод о том, что время и пространство не являются универсальными, в то время как скорость света в вакууме таковой является. Неспособность измерить это отсутствие универсальности было следствием того, что величина скорости света по отношению к скоростям, с которыми приходилось иметь дело ранее, необычайно велика. Поэтому даже сейчас часто приходится пользоваться следствиями этого постулата о скорости света.


Этот постулат менее очевиден, но посредством аргументов Майкельсона и Морли в конце 19 века научное сообщество было им удовлетворено.

Следствия[править]

Согласно со специальной теорией относительности, для любой системы отсчёта наблюдаемые события в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой с постоянной относительной скоростью, будут протекать дольше, чем эти же события, проведённые в первой системе (либо их длительность, измеренная во второй системе), а все объекты второй системы отсчёта будут обладать сокращённой длинной вдоль своего направления движения относительно первой системы. Эти эффекты, известны соответственно как замедление времени и сокращение длины, относительны, и они не будут наблюдаться из системы отсчёта, в которой происходят экспериментальные события.

Иным важным следствием специальной теории относительности является магнетизм. Эффект сокращения длины применительно к векторным полям движущихся объектов позволил физикам получить магнетизм в качестве прогнозированного следствия электрических зарядов.

Другим следствием является то, что масса и энергия тесно взаимосвязаны, и что массу также можно рассматривать как величину, зависящую от системы отсчёта (т.н. «релятивистская масса»)[1], и стремящуюся к бесконечности когда скорость тела приближается к скорости света в вакууме. Вследствие этого усложняется дальнейшее ускорение объекта, поскольку по мере приближения его скорости к c для этого требуется всё большая сила. Таким образом, ни один объект ненулевой «массы покоя» не может достичь скорости света.


Примечательно, что согласно с другим результатом СТО, никакая информация не может быть передана из одной части Вселенной в другую быстрее, чем со скоростью света в вакууме. Этот результат имеет важные последствия для закона всемирного тяготения Ньютона, согласно с которым гравитация является мгновенной силой, действующей на потенциально бесконечные расстояния. В конечном итоге это привело к замене теории ньютоновской гравитации на общую теорию относительности.

Общая теория относительности[править]

Общая теория относительности или ОТО является более сложной тематикой и предметом её изучения являются ускоренные системы отсчёта и гравитация. Наподобие специальной теории относительности, её выводы порой далеки от интуитивных, но тем не менее являются хорошо подтверждёнными подавляющим большинством экспериментов по состоянию на сегодня.

К числу её наиболее важных следствий относится то, что ускоренная система отсчёта неотличима от системы отсчёта в гравитационном поле, что время течёт медленнее в гравитационных полях, и что пространство-время является неевклидовым, т.е. «искривлённым».

В общей теории относительности гравитация являет собой фиктивную силу, а траектория объектов изменяется ввиду того, что в окрестности массивных объектов само пространство искривляется.

Одной из важных нерешённых проблем современной физики является противоречивость ОТО и квантовой механики. Несмотря на то, что обе теории превосходно подтверждены в разных областях исследований, они в простейшем случае представляются фундаментально несовместимыми. Тем не менее, эта проблема пока не имела «прикладного» значения, и обе эти теории как минимум являются хорошими приближениями реальных событий в природе, описывая их в разных масштабах. В настоящее время существует ряд непротиворечивых теорий, объединяющих квантовую механику и гравитацию, например теория суперструн. И квантовая механика, и ОТО являются частными случаями, следующими из этих теорий.

См. также[править]

  • Теория относительности доказала истинность геоцентризма
  • Большой взрыв
  • Отрицание теории относительности
  • Парадокс близнецов

Внешние ссылки[править]

  • Теория относительности — ЭвоВики.
  • А. Энштейн. Подборка материалов.

Источник: ru.rationalwiki.org

СТО простыми словами

В основе теории лежит принцип относительности, согласно которому любые законы природы одинаковы относительно неподвижных и движущихся с постоянной скоростью тел. И из такой казалось бы простой мысли следует, что скорость света (300 000 м/с в вакууме) одинакова для всех тел.

Например, представьте, что вам подарили космический корабль из далёкого будущего, который может летать с огромной скоростью. На носу корабля устанавливается лазерная пушка, способная стрелять вперёд фотонами.

Относительно корабля такие частицы летят со скоростью света, однако относительно неподвижного наблюдателя они, казалось бы, должны лететь быстрее, так как обе скорости суммируются.

Однако на самом деле этого не происходит! Сторонний наблюдатель видит фотоны, летящие 300 000 м/с, как будто скорость космического корабля к ним не добавлялась.

теория-относительности-эйнштейна-на-примере

Нужно запомнить: относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, как бы быстро оно не двигалось.

Из этого следуют потрясающие воображение выводы вроде замедления времени, продольном сокращении и зависимости массы тела от скорости. Подробнее об интереснейших следствиях Специальной теории относительности читайте в статье по ссылке ниже.

Суть общей теории относительности (ОТО)

Чтобы лучше её понять, нам нужно вновь объединить два факта:

  • Мы живем в четырехмерном пространстве

Пространство и время – это проявления одной и той же сущности под названием «пространственно-временной континуум». Это и есть 4-мерное пространство-время с осями координат x, y, z и t.

Мы, люди, не в состоянии воспринимать 4 измерения одинаково. По сути, мы видим только проекции настоящего четырехмерного объекта на пространство и время.

Что интересно, теория относительности не утверждает, что тела изменяются при движении. 4-мерные объекты всегда остаются неизменными, но при относительном движении их проекции могут меняться. И мы это воспринимаем как замедление времени, сокращение размеров и т. д.

Пространственно-временной континуум проекции

  • Все тела падают с постоянной скоростью, а не разгоняются

Давайте проведём страшный мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в закрытой кабине лифта и находитесь в состоянии невесомости.

Такая ситуация могла возникнуть только по двум причинам: либо вы находитесь в космосе, либо свободно падаете вместе с кабиной под действием земной гравитации.

Не выглядывая из кабинки, абсолютно невозможно отличить два этих случая. Просто в одном случае вы летите равномерно, а в другом с ускорением. Вам придется угадывать!

мысленный эксперимент лифт теория относительности

Возможно, сам Альберт Эйнштейн размышлял над воображаемым лифтом, и у него появилась одна потрясающая мысль: если эти два случая невозможно отличить, значит падение за счет гравитации тоже является равномерным движением. Просто равномерным движение является в четырехмерном пространстве-времени, но при наличии массивных тел (например, планет Солнечной системы) оно искривляется и равномерное движение проецируется в обычное нам трёхмерное пространство в виде ускоренного движения.

искривление пространства-времениДавайте рассмотрим еще один более простой, хоть и не совсем корректный пример искривления двухмерного пространства.

Можно представлять, что любое массивное тело под собой создает некоторую образную воронку. Тогда другие тела, пролетающие мимо, не смогут продолжить свое движение по прямой и изменят свою траекторию согласно изгибам искривленного пространства.

Кстати, если у тела не так много энергии, то его движение вообще может оказаться замкнутым.

Стоит отметить, что с точки зрения движущихся тел они продолжают перемещаться по прямой, ведь не чувствуют ничего такого, что заставляет их повернуть. Просто они попали в искривленное пространство и сами того не осознавая имеют непрямолинейную траекторию.

Визуализация гравитации

Нужно обратить внимание, что искривляется 4 измерения, в том числе и время, поэтому к этой аналогии стоит относиться осторожно.

Таким образом, в общей теории относительности гравитация – это вообще не сила, а лишь следствие искривление пространства-времени. На данный момент эта теория является рабочей версией происхождения гравитации и прекрасно согласуется с экспериментами.

Удивительные следствия ОТО

Световые лучи могут искривляться, пролетая вблизи массивных тел. Действительно, в космосе найдены далёкие объекты, которые «прячутся» за другими, но световые лучи их огибают, благодаря чему свет доходит до нас.

Согласно ОТО чем сильнее гравитация, тем медленнее протекает время. Этот факт обязательно учитывается при работе GPS и ГЛОНАСС, ведь на их спутниках установлены точнейшие атомные часы, которые тикают чуть-чуть быстрее, чем на Земле. Если этот факт не учитывать, то уже через сутки погрешность координат составит 10 км.

Именно благодаря Альберту Эйнштейну вы можете понять, где по близости располагается библиотека или магазин.

И, наконец, ОТО предсказывает существование черных дыр, вокруг которых гравитация настолько сильна, что время вблизи просто напросто останавливается. Поэтому свет, угодивший в черную дыру, не может её покинуть (отразиться).

В центре черной дыры из-за колоссального гравитационного сжатия образуется объект с бесконечно большой плотностью, а такого, вроде как, быть не может.

Таким образом, ОТО может приводить к весьма противоречивым выводам в отличие от Специальной теории относительности, поэтому основная масса физиков не приняла её полностью и продолжила искать альтернативу.

Но многое ей и удаётся предсказывать удачно, примеру недавнее сенсационное открытие гравитационных волн подтвердило теорию относительности и заставило вновь вспомнить великого учёного с высунутым языком. Любите науку, читайте ВикиНауку.

Источник: WikiNauka.ru

Общая теория относительности простыми словами

СТО позволила привести теорию электро­маг­не­тиз­ма в общий вид, в ре­зуль­та­те чего по­на­до­би­лась Общая теория от­но­си­тель­нос­ти (ОТО). Чтобы каж­дый дво­еч­ник знал хотя бы одну фи­зи­чес­кую фор­му­лу. А именно E=mc2 [4]. Которая от­ра­жа­ет эк­ви­ва­лент­ность массы и энер­гии. А по­лу­чить эту фор­му­лу удалось бла­го­да­ря вве­де­нию понятия ре­ля­ти­вист­с­кой массы [5]. Ко­то­рое, в свою оче­редь, приш­лось ввести для со­от­вет­с­т­вия СТО законам сох­ра­не­ния массы, энер­гии и им­пуль­са. Пос­коль­ку в теории от­но­си­тель­нос­ти масса за­ви­сит от ско­рос­ти [6]. Но не масса ма­те­рии в покое, а имен­но ре­ля­ти­вист­с­кая масса! И затем от рас­смот­ре­ния инер­ци­он­ных систем пе­реш­ли к рас­смот­ре­нию не­инер­ци­он­ных сис­тем. И, как след­с­т­вие, от СТО к ОТО!

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Общая теория относительности простыми словами яв­ля­ет­ся, в первую оче­редь, теорией все­мир­но­го тя­го­те­ния [7]. И, если ре­ля­ти­вист­с­кий эф­фект Доп­ле­ра надёжно под­т­вер­ж­да­ет от­но­си­тель­ность времени в СТО [8], в ре­зуль­та­те чего все­лен­ная ока­зы­ва­ет­ся че­ты­рёх­мер­ным прос­т­ранст­вом-вре­ме­нем [9], то ОТО надёжно под­т­вер­ж­да­ет то, что прос­т­ран­с­т­во не­ев­кли­до­во [10] и, так же как и время, яв­ля­ет­ся свойст­вом материи [11]. А из этого следует, что ни прос­т­ран­с­т­во, ни время не су­щест­ву­ет не­за­ви­си­мо от ма­те­рии. И всё это надёжно под­т­вер­ж­да­ет­ся не только ма­те­ма­ти­чес­ким ап­па­ра­том [12], но и наб­лю­да­тель­ны­ми фактами [11]. Боль­ше того, каждый из нас поль­зу­ет­ся ре­зуль­та­та­ми этой теории по пути на ра­бо­ту с помощью де­шё­во­го ки­тай­с­ко­го GPS [13].

НОВАЯ ФИЗИКА

Вот так о теории относительности можно рас­ска­зать прос­ты­ми словами в общих чертах. Хотя, ко­неч­но, следует понимать, что без ма­те­ма­ти­чес­ко­го ап­па­ра­та, а тем более в таком ском­кан­ном виде, всё это очень грубо и при­бли­жён­но. Но след­с­т­ви­ем теории от­но­си­тель­нос­ти дей­ст­ви­тель­но является пос­то­ян­с­т­во ско­рос­ти света, а так же не­воз­мож­ность его пре­о­до­ле­ния. В ре­зуль­та­те чего на­ру­ша­ет­ся принцип сложения ско­рос­тей. Глав­ным же след­с­т­ви­ем является то, что гео­мет­ри­чес­кие свойства прос­т­ран­с­т­вен­но-вре­мен­но­го кон­ти­ну­у­ма оп­ре­де­ля­ют­ся гра­ви­та­цией. То есть истинное прос­т­ран­с­т­во и время не су­щест­ву­ет. Прос­т­ран­с­т­во и время яв­ля­ют­ся лишь свойст­ва­ми ма­те­рии!

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН

Сам Эйнштейн говорил о принципе от­но­си­тель­нос­ти так: «Ког­да парень про­во­дит час в об­щест­ве кра­си­вой женщины, то ему кажется, что прош­ла всего одна минута. Ког­да он сидит на рас­ка­лён­ной печи всего одну ми­ну­ту – ему ка­жет­ся, что прошло больше часа. Это и есть прин­цип от­но­си­тель­нос­ти» [14]. И это хо­ро­ший наг­ляд­ный пример. Причём, как от­но­си­тель­нос­ти, так и того, что о теории от­но­си­тель­нос­ти прос­ты­ми словами точно го­во­рить не по­лу­ча­ет­ся. Даже Эйн­ш­тей­ну! Пос­коль­ку принцип от­но­си­тель­нос­ти времени зак­лю­ча­ет­ся не в том, как оно ощу­ща­ет­ся. Как раз, на­о­бо­рот, аб­со­лют­ное время не­из­мен­но. А вот ко­ор­ди­нат­ное время – от­но­си­тель­но.

Источник: pop-science.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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