Теория относительности эйнштейна простыми словами для чайников


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

Что такое теория относительности Эйнштейна

Теория относительности, которая перевернула мир. Никто несколько столетий назад не знал, что неприметный почтальон в скором времени переменит корень науки в своём времени. Эйнштейновская теория относительности убедила многих людей изменить естественный взгляд на порядок в мире, Вселенной, а также стала первооткрывателем многих областей в науке.

Как многие знают, практически все научные изобретения и открытия были сделаны благодаря проведению множественных экспериментов, выдвиганию гипотез, чтобы быть на сто процентов уверенным в своей правоте. Данные работы зачастую проводились в образовательных учреждениях, ВУЗах страны, специальных лабораториях международных компаний.

А. Эйнштейн не провел условно ни одного экспериментального опыта, тем самым изменил представления о науке. Все, что он использовал — бумага, пишущая ручка, а вычисления и опыты проводил в уме. В этом и заключается его гениальность. Не многие из живущих на планете Земля способны оценить его величие, как учёного.


Один из гениев современности

Двигательный свет

В начале 1905 года были опубликованы самые первые статьи Альберта Эйнштейна о перемещении тела со скоростью, которая близка к Первой космической. Это и была теория относительности. Великий ученый основывал свои гипотезы и опыты на итогах эксперимента, проведенного только на бумаге. Существует легенда, что мысль пришла ему в голову когда он ехал на трамвае и посмотрел на свои ручные часы. Представил себе, а вдруг он бы мчался на этом трамвае со скоростью света? Что бы тогда случилось с часами?

Примеры


  • Скорость всех тел, которые движутся, условные. То есть относительно какого-нибудь объекта или системы отсчета все предметы передвигаются или их скорость равна нулю. Понятие, что человек остается неподвижным, с одной стороны неверное: он находится на Земле, а данная планета движется вокруг своей оси и Солнца.
  • Внутри поезда, который находится в непрерывном движении 100 км/ч, идет человек со скоростью 5 км/ч. Если рассматривать систему отсчета относительно объекта, находящегося на станции, общая скорость человека в поезде равна суммарной — 105 км/ч. Но человек в вагоне идет в противоположную сторону, то скоростной эквивалент равен 95 км/ч.

Ученый Альберт Эйнштейн говорил, что о световой скорости нельзя размышлять: она на протяжении всего времени не изменяется, неважно, тело приближается или удаляется относительно других объектов.

Удивительные выводы

В начале проведения своих работ о теории относительности он выдвинул пару фантастических гипотез. Говорил такие слова: если скоростное обозначение предмета близка к скорости света, то его параметры понижаются, а масса повышается. Но никакой объект не может быть в движении со скоростью, близкой или приблизительно равной скорости света.


Второе предположение оказалось наиболее удивительным, даже противоречило здоровому смыслу. Нужно представить, что один из однояйцевых близнецов жил на Земле, а второй путешествовал по космическому пространству с близкой к скорости света. С этого времени прошло семьдесят лет.

Учёный утверждал, что в космосе время идет намного медленнее, и с момента отбытия второго близнеца прошло около десяти лет. Значит, первый ребенок был на шесть десятков лет старше. На основании лабораторных опытов было подтверждено данное утверждение: если скорость близка к скорости света, время быстрее замедляется.

Вывод, который можно сделать исходя из его теории

В теорию относительности Эйнштейна включается всем известная формула Первой космической скорости, в которой играют роль масса, энергия и скорость света. Ученый безошибочно предполагал, что масса тела может переходить в энергию. Благодаря его утверждениям в современном мире создали ядерную бомбу и атомную энергетику.

Многие гипотезы великого ученого в его время не могли быть подтверждены опытами из-за отсутствия нужного оборудования и техники, но со временем это устранили.

События

Самолет, на котором специально установили часы с повышенной точностью, взлетел ввысь и прошел вокруг диаметра Земли на очень высоких скоростях. Далее он спустился в точку старта и часы, которые были установлены в самолете, на ничтожно малую долю времени отставали от часов, оставшиеся на планете.


Если дно лифта упадет с ускорением g — это ускорение свободного падения, а первоначально на нем будет воздушный шар, последний останется в воздухе. Так получается из-за того, что ускорение обоих объектов одинакова.

Альберт Эйнштейн доказал примерами, что притяжение напрямую влияет на пространственные и временные характеристики, влияющие на передвижение объектов на Земле. Рано или поздно два объекта, которые двигаются по параллельным прямым на встречу друг другу, обязательно будут находиться одновременно в одном месте.

Искривление пространства и времени

Если вселенский корабль движется со скорость, которая практически равна световой скорости, часы на борту замедлятся.

Ученый говорил, что пути движения небесного тела вокруг Солнца строго закреплены. Теория относительности доказывает малое искривление орбит всех планет, которые связаны с присутствием гравитации. И в скором времени это подтвердилось.

Источник: wikifin.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

Зарождение теории

Итак, начнем курс «Теория относительности для чайников». Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, и она вызвала резонанс среди ученых. Эта теория практически полностью перекрывала многие пробелы и нестыковки в физике прошлого века, но и, ко всему прочему, перевернула представление о пространстве и времени. Во многие утверждения Эйнштейна современникам было сложно поверить, но эксперименты и исследования только подтверждали слова великого ученого.

Теория относительности Эйнштейна простым языком объясняла то, над чем люди бились столетиями. Ее можно назвать основой всей современной физики. Однако прежде чем продолжить разговор о теории относительности, следует разъяснить вопрос о терминах. Наверняка многие, читая научно-популярные статьи, сталкивались с двумя аббревиатурами: СТО и ОТО. На самом деле они подразумевают несколько разные понятия. Первая — это специальная теория относительности, а вторая расшифровывается как «общая теория относительности».

Просто о сложном

СТО — это более старая теория, которая потом стала частью ОТО. В ней могут быть рассмотрены только физические процессы для объектов, движущихся с равномерной скоростью. Общая же теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют частицы гравитонов и гравитация.

Если нужно описать движение и законы механики, а также отношения пространства и времени при приближении к скорости света — это сможет сделать специальная теория относительности. Простыми словами можно объяснить так: к примеру, друзья из будущего подарили вам космолет, который может летать на высокой скорости. На носу космического корабля стоит пушка, способная расстрелять фотонами все, что попадется впереди.

Когда производится выстрел, то относительно корабля эти частицы летят со скоростью света, но, по логике, неподвижный наблюдатель должен увидеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит фотоны, движущиеся со скоростью 300000 м/с, будто скорость корабля была нулевой.

Все дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него является неизменной величиной.

Это утверждение является основной поразительных логических выводов вроде замедления и искажения времени, зависящих от массы и скорости объекта. На этом основаны сюжеты многих научно-фантастических фильмов и сериалов.

Общая теория относительности

Простым языком можно объяснить и более объемную ОТО. Для начала следует принять во внимание тот факт, что наше пространство четырехмерное. Время и пространство объединяются в таком «предмете», как «пространственно-временной континуум». В нашем пространстве имеются четыре оси координат: х, у, z и t.

Но люди не могут воспринимать непосредственно четыре измерения, так же, как гипотетический плоский человек, живущих в двухмерном мире, не в состоянии посмотреть вверх. По сути, наш мир является только проекцией четырехмерного пространства в трехмерное.

Интересным фактом является то, что, согласно общей теории относительности, тела не меняются при движении. Объекты четырехмерного мира на самом деле всегда неизменны, и при движении изменяются только их проекции, что мы и воспринимаем как искажение времени, сокращение или увеличение размеров и прочее.

Эксперимент с лифтом

О теории относительности простым языком можно рассказать с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы в лифте. Кабинка пришла в движение, и вы оказались в состоянии невесомости. Что произошло? Причины может быть две: либо лифт находится в космосе, либо пребывает в свободном падении под действием гравитации планеты. Самое интересное состоит в том, что выяснить причину невесомости нельзя, если нет возможности выглянуть из кабинки лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.

Возможно, проведя похожий мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, значит, на самом деле тело под воздействием гравитации не ускоряется, это равномерное движение, которое искривляется под воздействием массивного тела (в данном случае планеты). Таким образом, ускоренное движение — это лишь проекция равномерного движения в трехмерное пространство.

Наглядный пример

Еще один хороший пример на тему «Теория относительности для чайников». Он не совсем корректен, зато очень прост и нагляден. Если на натянутую ткань положить какой-либо объект, он образует под собой «прогиб», «воронку». Все меньшие тела вынуждены будут искажать свою траекторию согласно новому изгибу пространства, а если у тела немного энергии, оно вообще может не преодолеть этой воронки. Однако с точки зрения самого движущегося объекта, траектория остается прямой, они не почувствуют изгиба пространства.

Гравитация «понижена в звании»

С появлением общей теории относительности гравитация перестала быть силой и теперь довольствуется положением простого следствия искривления времени и пространства. ОТО может показаться фантастичной, однако является рабочей версией и подтверждается экспериментами.

Множество, казалось бы, невероятных в нашем мире вещей может объяснить теория относительности. Простым языком такие вещи называют следствиями ОТО. Например, лучи света, пролетающие на близком расстоянии от массивных тел, искривляются. Более того, многие объекты из далекого космоса скрыты друг за другом, но из-за того, что лучи света огибают другие тела, нашему взору (точнее, взору телескопа) доступны, казалось бы, невидимые объекты. Это ведь все равно, что смотреть сквозь стены.

Чем больше гравитация, тем медленнее на поверхности объекта течет время. Это касается не только массивных тел вроде нейтронных звезд или черных дыр. Эффект замедления времени можно наблюдать даже на Земле. К примеру, приборы для спутниковой навигации снабжены точнейшими атомными часами. Они находятся на орбите нашей планеты, и время там тикает чуть быстрее. Сотые доли секунды через сутки сложатся в цифру, которая даст до 10 км погрешности в расчетах маршрута на Земле. Рассчитать эту погрешность позволяет именно теория относительности.

Простым языком можно выразиться так: ОТО лежит в основе многих современных технологий, и благодаря Эйнштейну мы легко можем найти в незнакомом районе пиццерию и библиотеку.

Источник: FB.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.