Суть теории относительности эйнштейна


Когда речь идет о человеческом восприятии пространства и времени, у нас довольно простой подход. Наше понимание пространства трехмерно, в то время как наша концепция времени линейна. Однако что если я скажу вам, что время и пространство не ведут себя одинаково во всех ситуациях, когда мы рассматриваем физику очень высокоскоростных объектов. По сути, специальная теория относительности устанавливает отношения между пространством и временем для задач, которые классическая (ньютоновская) физика не может объяснить.

Фото: en.wikipedia.org

Постулаты

Вся предпосылка, на которой строится специальная теория относительности, состоит из двух простых постулатов:

  • Принцип постоянства скорости света

Скорость света не зависит от скорости движения источника света, одинакова во всех инерциальных системах координат.

Позднее, в общей теории относительности, опубликованной в 1916 году, утверждалось, что скорость света остается неизменной и в неинерциальных системах координат.

  • Специальный принцип относительности

Законы природы одинаковы (инвариантны, ковариантны) во всех инерциальных системах координат.

Причина, по которой эти постулаты были сформулированы, заключалась в том, что Эйнштейн обнаружил несоответствие, когда попытался применить ньютоновскую механику к уравнениям электромагнетизма Максвелла. Однако скорость не могла быть переменной, поскольку она была тщательно проанализирована и опробована многочисленными учеными. Хотя ньютоновская физика была очень полезна, когда дело дошло до каждодневных вычислений, они с треском провалились при рассмотрении высокоскоростной физики (физики скорости света).

Математический фонд

Самое интересное в специальной теории относительности заключалось в том, что математика, требуемая для нее, была изобретена еще до самой теории! Альберт Эйнштейн применил множество математических инструментов, прежде чем окончательно остановился на математических рамках Хендрика Лоренца.


Хендрик Лоренц был голландским физиком. Он изобрел преобразование Лоренца, которое помогло учесть, что множественные системы отсчета могут быть рассчитаны одновременно (основа, на которой была написана специальная теория относительности). Используя известные уравнения преобразования Лоренца, Альберт Эйнштейн опубликовал научную статью "Об электродинамике движущихся тел", которую мы сегодня называем специальной теорией относительности. Уравнения следующие:

Явления, объясняемые специальной теорией относительности

Ситуационные сценарии, в которых вступает в действие специальная теория, могут быть доказаны с помощью преобразования Лоренца. Особые случаи, когда физические вычисления должны выполняться при скоростях, близких к скорости света, — это когда специальная теория относительности выходит на первый план.

Первая ситуация, которую мы обсудим, — это относительность одновременности.

Она происходит, когда два события происходят в двух разных местах одновременно в системе отсчета одного наблюдателя, но могут также происходить не одновременно в кадре другого наблюдателя.
я примера рассмотрим человека, стоящего на движущейся платформе. Есть два источника света на равном расстоянии от него. Теперь позвольте другому человеку присутствовать в другой системе координат, чем человек на платформе. Независимо от того, движется ли платформа относительно человека или наоборот, оба наблюдателя сообщают о неодинаковом времени мигания источников света! Человек в поезде всегда сообщает, что оба световых луча мигают одновременно, а человек, наблюдающий с платформы, сообщает, что один источник света (ближайший к нему) мигает раньше другого. Как это может быть и кто не прав?

Наблюдатель движется относительно платформы
Платформа движется относительно наблюдателя

Ответ на этот вопрос заключается в том, что ни один наблюдатель не ошибается. Два наблюдателя расходятся во мнениях относительно времени события и синхронности, с которой происходят события. Это связано с тем, что оба наблюдателя рассматривают одно и то же событие с разных пространственных ориентаций относительно движения происходящего события. Следовательно, возникновение одного и того же события у разных наблюдателей по-разному связано с тем, что относительное движение наблюдается отдельно. Это и есть относительность одновременности событий.

Вторая ситуация, когда эта теория вступает в игру — сокращение длины. Это удивительное явление, утверждающее, что измерение объекта одним наблюдателем может сильно отличаться от измерения другого наблюдателя. Самый простой способ объяснить это с помощью другого примера "движущейся платформы". Если бы вы стояли на Земле, а космический корабль должен был пролететь над вами со скоростью 10% от скорости света, вы бы смогли увидеть космический корабль полностью и отметить его длину. Теперь, если бы вы увидели, как тот же космический корабль пролетел мимо вас второй раз со скоростью 85% от скорости света, вы бы увидели значительно более короткий космический корабль. При скорости в 99% от скорости света вы, вероятно, не увидите ничего, кроме линии.


tp://schema.org/ImageObject">

Одним из последних моментов, к которому мы обратимся, является причинность и невозможность движения быстрее скорости света. Это, безусловно, самый интересный принцип, который мы можем вывести из специальной теории относительности. Значение причинности в классической физике подразумевает, что никакое действие не может произойти до его причины. В специальной теории относительности Эйнштейна причинность означает, что эффект не может возникнуть из-за причины, которая не находится в заднем (прошлом) световом конусе этого события.

Фото: К. Аайнскаци / Wikimedia Commons

Световой конус — это путь, по которому идет вспышка света, исходящая из одной точки пространства и путешествующая во всех направлениях пространства-времени. Если вы представите, что текущее событие (или настоящий момент) является плоскостью, то свет от него распространяется в виде растущего круга событий, в результате чего получается конус. Этот сформированный световой конус известен как световой конус будущего. Этот световой конус является математическим представлением всех будущих событий, которые произойдут после горизонта событий.


версия этого будущего светового конуса — это то, что мы называем световым конусом прошлого. Если что-нибудь превысит скорость света, возникнут многочисленные парадоксы. Одна известная гипотеза состоит в том, что если путешествовать быстрее скорости света, есть большая вероятность, что вместо того, чтобы попасть в световой конус будущего, можно было бы преодолеть пространственно-временной барьер и перейти в прошлый световой конус. Поэтому большинство ученых считают, что путешествовать в будущее будет легче, чем в прошлое.

Фото: en.wikipedia.org

Существуют и другие явления, которые можно объяснить с помощью специальной теории относительности, такие как замедление времени, состав скоростей и некоторые оптические эффекты. Общественности, возможно, потребовалось некоторое время, чтобы понять или принять постулаты Эйнштейна, но со временем мы обнаружили, что его научные теории — и его репутация гения — продолжают поддерживаться и подтверждаться!

Понравилась статья? Ставьте "лайк" и подписывайтесь на канал! Будет еще много всего интересного!


Источник: zen.yandex.ru

Еще в конце XIX века большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой — предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия ХХ века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы ХIХ столетия и первые десятилетия ХХ, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером может служить теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

Теория относительности — физическая теория пространства-времени, то есть теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов. Термин был введен в 1906 году Максом Планком с целью подчеркнуть роль принципа относительности
в специальной теории относительности (и, позже, общей теории относительности).

В узком смысле теория относительности включает в себя специальную и общую теорию относительности. Специальная теория относительности (далее — СТО) относится к процессам, при исследовании которых полями тяготения можно пренебречь; общая теория относительности (далее — ОТО) — это теория тяготения, обобщающая ньютоновскую.


Специальная, или частная теория относительности — это теория структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при любых скоростях движения,
в том числе и близких к скорости света. Классическая механика Ньютона
в рамках СТО является приближением для малых скоростей.

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных.

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру. Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.


СТО объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу. Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета. Так что, если два космонавта летят на двух космических кораблях и хотят сравнить свои наблюдения, единственное, что им нужно знать – это скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно.

Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Альберт Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу новой теории пространства и времени, получившей название Специальной Теории Относительности (СТО):

1. Принцип относительности Эйнштейна этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея (утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике) на любые физические. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных систем отсчета (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).

2. Принцип постоянства скорости света — скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме — предельная скорость в природе — это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант.

Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е=mc2 (где С — скорость света), которая показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения и подтвержденная данными современной физики. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

В теории относительности «два закона — закон сохранения массы и сохранения энергии — потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы». Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Общая теория относительности — теория гравитации, опубликованная Эйнштейном в 1916 году, над которой работал в течение 10 лет. Является дальнейшим развитием специальной теории относительности. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает ОТО, которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

В общей теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к следующему:

ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);

распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

В ОТО, или теории тяготе­ния он также исхо­дит из экспериментального факта эквивалентности масс инер­ционных и гравитационных, или эквивалентности инерцион­ных и гравитационных полей.

Принцип эквивалентности играет важную роль в науке. Мы всегда можем вычислить непо­средственно действие сил инерции на любую физическую систему, и это дает нам возможность знать действие поля тяготения, отвлека­ясь от его неоднородности, которая часто очень незначительна.

Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.

3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

Долгое время экспериментальных подтверждений ОТО было мало. Согласие теории с опытом достаточно хорошее, но чистота экспериментов нарушается различными сложными побочными влияниями. Однако влияние искривления пространства-времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Очень чувствительные часы, например, могут обнаружить замедление времени на поверхности Земли. Чтобы расширить экспериментальную базу ОТО, во второй половине XX века были поставлены новые эксперименты: проверялась эквивалентность инертной и гравитационной масс (в том числе и путем лазерной локации Луны);
с помощью радиолокации уточнялось движение перигелия Меркурия; измерялось гравитационное отклонение радиоволн Солнцем, проводилась радиолокация планет Солнечной системы; оценивалось влияние гравитационного поля Солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые отправлялись к дальним планетам Солнечной системы, и т.д. Все они, так или иначе, подтвердили предсказания, полученные на основе ОТО.

Итак, специальная теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс.

Наиболее значительным результатом общей теории относительности с философской точки зрения является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Именно благодаря воздействию тел
с большими массами происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое такими телами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира.

В специальной теории относительности абстрагируются от действия гравитационных полей и поэтому ее выводы оказываются применимыми лишь для небольших участков пространства – времени. Кардинальное отличие общей теории относительности от предшествующих ей фундаментальных физических теорий в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Стоит сказать, что общая теория относительности произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной.

Источник: studopedia.ru

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


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.