Теория относительности эйнштейна формулировка


Теория относительности была представлена Альбертом Эйнштейном в начале 20-го века. В чем же состоит её суть? Рассмотрим основные моменты и понятным языком охарактеризуем ТОЭ.

Теория относительности практически ликвидировала несостыковки и противоречия физики 20-го века, заставила в корне поменять представление о структуре пространства-времени и экспериментально подтвердилась в многочисленных опытах и исследованиях.

Таким образом, ТОЭ легла в основу всех современных фундаментальных физических теорий. По сути – это мама современной физики!

Для начала стоит отметить, что существует 2 теории относительности:

  • Специальная теория относительности (СТО) – рассматривает физические процессы в равномерно движущихся объектов.
  • Общая теория относительности (ОТО) – описывает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение такого явления как гравитация и существование частиц гравитонов.

Понятное дело, что СТО появилась раньше и по сути является частью ОТО. О ней и поговорим в первую очередь.

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

Однородность пространства и времени

В Специальной теории относительности Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 


Теория относительности эйнштейна формулировка
Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным. 

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее. 

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.


Объединение массы и энергии

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.

Теория относительности эйнштейна формулировка
©deviantART/ RowanPhoenix

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.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.


Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Источник: naked-science.ru

Ещё очень давно один подписчик просил меня написать статью про основные положения теории относительности Эйнштейна, однако, времени не хватало и постепенно эта мысль отходила на второй план, но буквально недавно на днях в беседе нашего канала эта тема была поднята вновь, так что я решил, что пора бы уже написать)

Давненько дело было, хотя кажется, будто только вчера мне предложили написать статью 😀

Сначала давайте вообще разберёмся с самим принципом относительности. Для этого я приведу вам такой пример:


Пассажир едет в поезде и роняет телефон. Для него он упадёт вертикально вниз, но относительно человека, стоящего на улице, траектория падения мобильника будет соответствовать параболе. Очевидно, что системы отсчёта здесь меняются, и получаемые результаты (в данном случае траектория падения мобилы) зависят от этих СО. Однако, существуют и универсальные вещи, которые остаются неизменными (в научном языке их называют инвариантными). Для того чтобы понять это, нужно задаться вопросом не падения очков, а закона природы, который вызывает это падение. Для любого наблюдателя, независимо от СО, ответ на него остаётся неизменным. Этот закон называется законом распределённого движения. Он одинаково действует и в поезде, и на улице. Иными словами, если описание событий всегда зависит от того, кто их наблюдает, то это не относится к законам природы. Вот в этом и состоит принцип относительности.

Итак, для начала мне нужно отметить, что существует 2 теории относительности Эйнштейна: СТО и ОТО. Расшифровываются они следующим образом:

СТО — специальная теория относительности


ОТО — общая теория относительности

Незнакомому с данными понятиями человеку может показаться, что эти понятия весомой разницы не имеют, однако это не так, поэтому разберёмся с ними поочерёдно, а для этого начнём с СТО.

СТО основывается на том, что для всевозможных систем отсчета, скорость движения которых постоянна, законы природы остаются одними и теми же. Но всё же в чём её суть?

Именно этой теорией предсказывается множество парадоксальных эффектов, противоречащих нашим интуитивным представлениям об устройстве мира. Речь идет о тех эффектах, которые наблюдаются при достижении скорости движения, сравнимой со световой. Наиболее известным среди них является эффект замедления времени (хода часов). Часы, которые движутся относительно наблюдателя, для него идут медленнее, нежели те, которые находятся у него в руках.

Этот эффект, кстати, был уже подтверждён экспериментально (при чём несколько раз). Вот один из примеров:

Учёные из Мичиганского университета поместили на борт авиалайнера, который регулярно совершал трансатлантические рейсы, сверхточные атомные (квантовые) часы (что это такое — уже рассказывал на канале, но если вы не видели, то я прикреплю картинку чуть ниже). Каждый раз после возвращения его в аэропорт показания этих часов сверялись с контрольными. Оказалось, что часы на самолете каждый раз все больше отставали от контрольных. Конечно, речь шла лишь о незначительных цифрах, долях секунды, но сам факт весьма показателен.

Также не стоит забывать, что благодаря той же СТО Эйнштейна мы можем позволить себе такую замечательную вещь, как GPS-навигаторы, ведь в космосе объекты перемещаются гораздо быстрее, поэтому для них время течёт чуть-чуть, но всё же по-другому (медленнее). Про это я тоже рассказывал в одном из своих постов. Его, кстати, вы можете видеть ниже:

Кстати, многие могут посчитать, что СТО Эйнштейна противоречит законам Ньютона, однако, формулы теории относительности воспроизводят уравнения Ньютоновских законов практически в точности, если их использовать для описания тел, скорость движения которых намного меньше скорости света. Другими словами, если применяется СТО, физика Ньютона вовсе не отменяется. Эта теория, напротив, дополняет и расширяет ее.

Исаак Ньютон

Итак, думаю вам уже надоело разжёвывание одной лишь теории относительности, ведь их ДВЕ! 😀 Поэтому теперь мы переходим к общей теории относительности!

Для начала хотелось бы теперь уточнить, что между публикациями СТО и ОТО Эйнштейна прошло 11 лет! Столько времени ушло, на то, чтобы доработать общую ТО, которая включала бы в себя специальную и дополняла её.

Но что же в ней такого особенного? Почему разница в публикации этих двух статей равняется довольно большому отрезку времени в 11 лет?

Напомню, что ОТО включает в себя СТО, которая является здесь частным случаем.

Ну так вот, общая теория относительности позволяет нам взглянуть на мир совершенно по-иному. Для начала советую вам осознать, что наш мир — четырёхмерный. Да, все мы знаем из стереометрии, что существуют оси x, y и z, но ОТО добавляет новую ось — ось времени t.

Однако мы не можем видеть четвёртое измерение ровно так же, как и, допустим, Санёк из 2D-мира не может посмотреть вверх

Тогда возникает вопрос: так какого лешего мы находимся в четырёхмерном измерении, но мы не можем этого увидеть?! Всё просто: наш мир (ну т.е. то, что мы понимаем под этим словом) — это всего лишь проекция четырёхмерного пространства в трёхмерное.

Также довольно интересным фактом является то, что в четырёхмерном пространстве объекты ВСЕГДА неизменны, т.е., опять же, такие явления, как замедление времени, изменение размеров объектов — всего лишь изменение ПРОЕКЦИЙ этих объектов, а не их самих.

С появлением ОТО Эйнштейна, кстати, позволяет по-другому взглянуть на гравитацию. Согласно закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном, сила взаимного притяжения существует во Вселенной между любыми двумя телами. Земля, с этой позиции, вращается вокруг Солнца, т.к. между ними имеются силы взаимного притяжения. ОТО же, как я говорил, показывает нам гравитацию с другой стороны. Это явление — следствие "искривления" (тобишь деформации) пространства-времени под массивными объектами. Т.е. чем тело тяжелее — тем сильнее пространство-время под ним "прогибается", из-за чего и возрастает гравитация около него.

Для того чтобы лучше это понять, обратимся к сравнению. Земля, согласно ОТО, вращается вокруг Солнца, как маленький шарик, который катится вокруг конуса воронки, созданной в результате "продавливания" Солнцем пространства-времени. А то, что мы привыкли считать силой тяжести, является на самом деле внешним проявлением данного искривления, а не силой, в понимании Ньютона. Лучшего объяснения феномена гравитации, чем предложенное в ОТО, на сегодняшний день не найдено.

Пример искривления пространства-времени

Спасибо всем за прочтение этой статьи) Надеюсь, кто не был знаком с понятиями СТО и ОТО Эйнштейна — разобрались с ними, а те, кто уже с ними сталкивался — напомнили себе что к чему)

Альбер Эйнштейн — создатель специальной и общей теорий относительности

Источник: zen.yandex.ru

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

Общие сведения и понятия

В 1906 году Макс Планк ввёл в обиход термин пространство-время. Он характеризовал физическую модель, дополняющую равноправные временные измерения. Используя это понятие и философские размышления, в начале XX века Алберт Эйнштейн предложил постулат, кардинально изменяющий взгляды, существовавшие на время и пространство. Эта теория потеснила механику Ньютона и позволила задуматься над правильностью восприятия мира.

Всё дело в том, что Ньютон в классической физике рассматривал все явления в земных условиях при скоростях значительно меньше скорости света, но при этом считал гравитацию бесконечной. Немецкий же учёный, основываясь на преобразовании Лоренца, предложил рассматривать различные системы относительно каждой к другой. Теория относительности основывается на двух базисах:

  1. Относительности — утверждающей, что физические законы сохраняются для любых систем даже инерциальных, то есть перемещающихся на фиксированной скорости относительно друг друга.
  2. Скорости света — это принцип основывается на том, что скорость остаётся одинаковой для любых наблюдателей и не зависит от их скорости движения по отношению к источнику света.

Основными предпосылками создания общей и специальной теории относительности стали опыты Майкельсона и теоретические выкладки Лоренца, а также открытие четырёх измерений пространственно-временного континуума и гипотеза о движении Земли. Четыре измерения включают в себя перемещения вверх-вниз, направо-налево, вперёд-назад и время. Эти знания позволили предположить, что при прямолинейном движении результаты зависят от скорости пути наблюдателя.

Первоначально теория использовалась для рассмотрения физических процессов в равномерно движущихся объектах. Но после неё выделили состояние, при котором объекты ускоряются. Эти два постулата получили название специальная и общая теория относительности. В первой лежит принцип, согласно которому физические законы одинаковы для неподвижных или движущихся объектов с одинаковой скоростью. Вторая же построена на предположении, что гравитация — это не сила, а кривизна пространства-времени.

Занимательные эффекты

Для понимания теоремы Эйнштейна следует рассмотреть несколько простых явлений и задуматься над полученными результатами. При движении поезда можно утверждать, что он едет, основываясь на изменении фона за окном. Пассажиры, находясь в вагоне, движутся относительно станции, но также и остановка перемещается относительно людей, находящихся в вагоне. Обе системы равноправные.

Можно вообразить поездку в прозрачном вагоне, по которому перемещается человек со скоростью пять километров в час по ходу езды. Вагон движется со скоростью 60 км/ч. По отношению к людям, находящимся в середине состава, движение человека будет составлять 5 км/ч. Но в то же время относительно людей, находящихся за пределами поезда, например, на платформе, его скорость будет равняться 65 км/ч. Таким образом, получается, что движение и скорость относительны.

Экспериментально установлено, что скорость света составляет 3*106 км/с. Считается, что это предельная скорость. Она не может быть больше или меньше. То есть если свечу приближать к человеку, то скорость света от неё не изменится. Она не будет складываться со скоростью перемещения свечи. Свет распространяется всегда одинаково и не зависит, движется его источник или нет. Если скорость поезда будет почти световой, то свет от него будет излучаться не быстрее, чем от неподвижного прожектора. Для наблюдателя свет дойдёт одинаково как от неподвижного источника, так и движущегося.

Теперь можно представить, что в вагоне есть две двери, которые открываются по световому сигналу. Источник света расположен посередине вагона. Так как скорость света во всех направлениях одинакова, то при его появлении двери откроются одновременно. Но это утверждение справедливо только для пассажиров, находящихся в вагоне. Относительно же людей, стоящих на перроне, задняя дверь откроется раньше, так как она идёт навстречу сигналу, а передняя, наоборот, уходит от него.

Возникает парадокс, состоящий из следующих основ:

  • скорость света одинаковая;
  • расстояния разные;
  • момент времени одинаковый;
  • при одинаковом времени и расстоянии преодолевается неодинаковый путь.

Исходя из этого, нужно признать, что время течёт по-разному в зависимости от системы, в которой находится наблюдатель. Таким образом, в основных положениях специальной и общей теории относительности лежит понимание того, что события одновременные для одних людей могут быть неодновременными для других. Это и есть объяснение простыми словами.

Специальная теория

Существует история, согласно которой автор теории ехал на трамвае и увидел часы на башне. В этот момент он и предположил, что существует вероятность, в которой значение времени будет отличаться от существующего в перемещающимся в транспорте. В этот миг Эйнштейн осознал, что событие любого физического явления зависит от выбранной системы отсчёта, в которой располагается наблюдатель.

Например, если у пассажира упадут очки в движущемся транспорте. То для едущих людей они будут падать сверху вниз, в то же время для человека, стоящего на улице, падение будет происходить по параболе, то есть с искривлением. Получается, что пространство и время в теории относительности Эйнштейна зависят от расположения наблюдателя, но в то же время законы природы ему не подчиняются.

Специальная теория описывает эффект замедления времени. Система для отсчёта представляет собой некое материальное тело, взятое за начало. Объект перемещается равномерно без искривлений и не подвергается внешнему воздействию. Такая система называется инерциальной. Событие, происходящее в ней, описывается координатами x, y, x, t. Для рассмотрения явления используют две инерционные системы, описываемые своими координатами. Соотношения, связывающие их между собой, называются преобразованиями Лоренца.

Существует два постулата:

  • какой бы ни была система координат законы природы остаются неизменными;
  • скорость света в вакууме одинакова для любой системы координат.

Человек, стоящий на перроне, может отметить, что с нарастанием скорости длина поезда будет уменьшаться. С его точки зрения, поезд был бы короче, чем для людей, едущих в вагоне. Так, для разных жителей Земли одновременно может быть вечер и утро, для обитателей южного полюса верх располагается в противоположной стороне от проживающих на севере. То есть для каждой точки пространства существует свой вверх. Получается, что в каждой физической системе есть собственные размеры и своё время, но изменения нельзя заметить, так как скорость движения низкая.

При движении поезда со световой скоростью для пассажиров ничего не поменяется. Но для людей на платформе всё, что находится в вагоне, сократится в три раза. Это касается и времени. Один день жизни в поезде равнялся бы трём дням за его пределами. Но с точки зрения пассажиров, всё было бы с точностью наоборот. Объясняется это тем, что неважно, какой объект движется относительно другого.

Равномерно-прямолинейное движение относительное. Поэтому как поезд удаляется от станции, так и она отдаляется от него.

Общие постулаты

Общая теория основывается на революционном предположении, что гравитация — это не сила, а следствие. Суть его в том, что пространство-время не плоское, а изогнуто-искривлённое. Согласно утверждению создателя теории, время искривляется из-за помещённой в него массы и энергии.

Если рассмотреть траекторию движения в космосе по прямой линии, то её проекция в двухмерном пространстве будет представлять собой искривление. Таким образом, свет искривляется под действием гравитационных полей. Так, если свет от космического объекта попадёт в поле зрения с Земли, то реальное положение тела будет отличаться от действительного.

Учитывая постулат, можно сказать, что принцип эквивалентности справедлив для любого наблюдателя, движущегося как свободно, так и в гравитационном поле. Эйнштейн предположил, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда нельзя утверждать, стоит он или перемещается, так невозможно и охарактеризовать гравитацию. Это и стало принципом эквивалентности, который использовал учёный при создании новой теории.

Смысл её в том, что гравитация изменяется со временем. При этом у поверхности твердыни время течёт медленнее, так как гравитация сильнее. Известен так называемый парадокс близнецов. Если один из братьев будет жить внизу скалы, а другой на её вершине, то горец относительно жителя равнины будет стареть быстрее. Это различие будет настолько ничтожным, что его нельзя практически обнаружить. Но если один из близнецов отправится в космическое путешествие на корабле со скоростью света, он вернётся явно моложе.

Дело в том, что он не будет лететь равномерно и прямолинейно. Ему придётся изменять скорость, испытывать ускорение, менять направление полёта. А ускорение не относительное, оно абсолютное. Поэтому молодым останется тот, кто его испытает.

Появление формулировки общей теории относительности привело к тому, что пространство и время обрели статус динамических сущностей. Когда объекты передвигаются или действуют силы, они приводят к искривлению пространства и времени, но при этом их структура также влияет на движение тел и действие сил.

Формулы Эйнштейна

Теория относительности может быть описана математическими уравнениями. Они являются связующими элементами между свойствами материи и кривизной. Равенства Эйнштейна характеризуются свойствами общей ковариантности. Их решение неоднозначное. Поэтому вводятся ограничения на метрику компонентов. Главная проблема заключается в системе отсчёта. Физические приборы могут измерить лишь проекции измеряемых величин. Измерение последних возможно при нахождении наблюдателем метрики, связности и кривизны посылки и приёма отражённого света.

Эти формулы сложны, а их доказательство базируются на громоздких вычислениях и введения дополнительных величин. Простейшие уравнения включают в себя следующее:

  1. Тензор Риччи. Находится из тензора кривизны, определяемого свёрткой пары индексов.
  2. Скалярная кривизна. Это свёрнутый два раза тензор Риччи методом контравариантности.
  3. Тензор кривизны. Вычисляется с помощью производных дважды ковариантным метрическим тензором.
  4. Космологическая постоянная. Определяется как тензор энергии-импульса.
  5. Тензор Эйнштейна. Симметричная величина, определяемая как разность тензора Риччи от половины произведения метрического тензора и скалярной величиной. По сути, это однородность вариационной производной скалярной кривизны связности Леви-Чивиты по метрическому тензору.

Длина в подвижной системе отсчёта находится из формулы: l = l 0 * √1 — b2. Время и импульс же определяют из выражений: t = t 0 / √ 1 — b 2 и p = m 0 * v / √ 1- b 2 . При этом кратко запись импульса можно охарактеризовать формулой: p = m * v. Используя релятивистскую теорию можно описать сложение скоростей: v = (v ‘ + V) / (1 + v ‘ V / c 2 ). Массу же движущей системы, определяют используя выражение: m = m0 / √ 1 — b 2.

С точки зрения физики, понять теорему относительности довольно сложно, не говоря уже о математическом её описании. Теория предложена Эйнштейном раскрывает более подробно механику движения в равномерном пространстве. Его постулаты говорят, что скорость всегда постоянна и не зависит от системы наблюдения. При этом установить находится ли объект в состоянии покоя или движения невозможно.

Источник: nauka.club


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.