Теория относительности эйнштейна простыми словами видео


В сентябре 1909 года великий физик впервые представил широкой публике главный труд своей жизни — теорию относительности. Дело было в австрийском Зальцбурге. Спустя 110 лет АиФ.ru рассказывает своим читателям о том, чем же крута теория, о которой все знают, но которую мало кто понимает.

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)&nbs.


оверить.

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.
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


Картинки по запросу teoria de la relatividad

Столетие назад Альберт Эйнштейн в один день стал знаменитым. Конечно, он и до этого был уже хорошо известен среди физиков. Но мир в целом узнал его имя только после ноября 1919 года, когда появились новости о том, что его теория гравитации была подтверждена — к ужасу многих поклонников Исаака Ньютона.

«Теория Эйнштейна торжествует», — кричал заголовок New York Times. Тогда, сто лет назад, наблюдение звезд около Солнца во время солнечного затмения показало, что их видимое положение изменилось именно так, как и предсказывал Эйнштейн. Закон всемирного тяготения Ньютона, считавшийся незыблемым на протяжении более двух веков, был свержен.

Но, несмотря на триумф теории Эйнштейна — общей теории относительности — физики все еще задаются вопросом, столкнется ли она когда-нибудь с той же судьбой, что и закон Ньютона. Хотя гравитация Эйнштейна прошла все испытания, никто не знает наверняка, применима ли она везде, при любых условиях. В частности, нет никакой гарантии, что общая теория относительности будет господствовать во всем пространстве Вселенной. И несколько конкурирующих теорий были предложены за эти годы на тот случай, если это не так.

После того, .
е как гравитационные волны.

Теория относительности эйнштейна простыми словами видео
Искривление пространства-времени под действием гравитации.

Но череда успехов общей теории относительности не может быть бесконечной. Это правда, что теория Эйнштейна (наряду со Стандартной моделью) достаточно хорошо описывает наблюдаемую Вселенную. Это описание включает в себя огромное количество невидимой массы, известной как темная материя, наряду со специфической силой отталкивания, называемой темной энергией, наполняющей все пространство. Но существование темного вещества выводится из предположения, что общая теория относительности верна.

«Учитывая то, что нет других (негравитационных) свидетельств существования темного вещества, здравый смысл ставит под сомнение некоторые фундаментальные предположения, которые входят в доказательства. И главное предположение состоит в том, что общая теория относительности является основной теорией гравитации», — пишет астрофизик Педро Феррейра из Оксфорда в текущем Ежегодном обзоре астрономии и астрофизики. Если вы не предполагаете, что общая теория относительности действительно верна, то «свидетельства о темном веществе могут сигнализировать о нарушении общей теории относительности в космологических масштабах», — отмечает Феррейра.


Другими словами, вполне возможно, что нет никакого темного вещества. Если это так, то очевидное свидетельство его существования может фактически быть признаком того, что истинная космическая теория гравитации отличается от теории Эйнштейна. Если это так, то нынешняя картина космоса должна быть радикально перерисована.

Тем не менее, физики имеют много оснований для уверенности в надежности общей теории относительности. Во-первых, она решила сложную проблему, которая озадачила астрономов при изучении планеты Меркурий: ее орбита, рассчитанная по ньютоновской гравитации, не соответствовала действительности. Эйнштейн объявил о своей теории в 1915 году, как только смог показать, что она правильно предсказывает фактическую орбиту Меркурия.

Теория относительности эйнштейна простыми словами видео
Фото того самого солнечного затмения 1919 года.

Ключом к разгадке тайны Меркурия для Эйнштейна было понимание гравитации как эффекта геометрии пространства (или технически пространства-времени, поскольку его более ранние работы показали, что пространство и время неразделимы).
авитация — это не взаимное притяжение массивных объектов, говорил Эйнштейн, а скорее результат искажения массой окружающего ее пространства-времени. Объекты вращаются вокруг или падают на массивное тело в зависимости от того, насколько сильно искривлено пространство-время вокруг него. Вместо того, чтобы реагировать на некоторую силу притяжения, массы просто следуют контурам геометрии пространства-времени.

Гравитация как геометрия привела к известному предсказанию, подтвержденному при затмении 1919 года. Эйнштейн указал на то, что искривление пространства-времени вблизи Солнца приведет к изгибанию света от далеких звезд при прохождении поблизости от него, изменяя видимое положение этих звезд с Земли. Это предсказание было подтверждено экспедицией на западноафриканский остров Принсипи в мае 1919 года во главе с британским астрофизиком Артуром Эддингтоном (увы — полное затмение в том году можно было наблюдать лишь рядом с экватором). 

Команда Эддингтона обнаружила, что положения нескольких звезд были смещены на величину, указанную математикой Эйнштейна, и вдвое больше, чем получалось по закону Ньютона. Когда команда объявила результаты в ноябре 1919 года, газеты затрубили о необходимости «новой философии Вселенной».

За прошедшее столетие гравитация Эйнштейна прошла множество дополнительных испытаний, таких как впечатляющее обнаружение гравитационных волн, о котором сообщалось в 2016 году. Но проверить эту теорию при всех мыслимых условиях невозможно. И эксперты давно подозревают, что общая теория относительности не может быть верной в областях с чрезвычайно высокой плотностью масс. Например, в центре черной дыры уравнения теории больше не имеют смысла, поскольку они предполагают, что плотность материи станет бесконечной.


По многим причинам путешествие во внутреннюю часть черной дыры для проверки общей теории относительности — не самая лучшая идея. Но ученые могут исследовать черные дыры и оставаясь в безопасности на Земле. Они используют сеть телескопов Event Horizon Telescope для получения изображений области вблизи внешнего края черной дыры — ее горизонта событий (точки невозврата для чего-либо, попадающего внутрь). Такие изображения могут предоставить подробную информацию о том, как материя течет в черную дыру из аккреционного диска, кольца материала, находящегося на орбите за пределами горизонта событий.

Теория относительности эйнштейна простыми словами видео
Первое фото черной дыры.

«Анализируя структуру аккреционного потока», — пишет Феррейра, «можно будет исследовать структуру пространства-времени… и проверить, соответствует ли она общей теории относительности».

Гравитационные волны также могут дать детальное представление о гравитации в экстремальных условиях, например, при столкновении двух черных дыр. Анализ пульсаций пространства-времени, возникающих в результате таких столкновений, может выявить возможные недостатки в предсказаниях общей теории относительности.


Если общая теория относительности когда-нибудь потерпит неудачу, многочисленные конкурирующие теории гравитации, предложенные в последние десятилетия, будут ждать своего часа. Большинство из них сводится к добавлению новой силы в репертуар гравитации, электромагнетизма, сильной и слабой ядерных сил. Помимо гравитации, три другие известные силы точно описываются Стандартной моделью, набором уравнений, которые подчиняются требованиям квантовой механики. Однако общая теория относительности не учитывает квантовую математику, поэтому уже давно ведутся серьезные исследования по разработке теории, объединяющей гравитацию и квантовую теорию.

«Объединение общей теории относительности и квантовой физики широко рассматривается как наиболее выдающаяся открытая проблема в фундаментальной физике», — сказал физик Абхай Аштекар из Пеннского государственного университета. Большинство экспертов считают, что такая объединяющая теория повлечет за собой некоторую модификацию общей теории относительности.

Одним из способов модификации этой теории является введение нового энергетического поля, пронизывающего пространство. Сила такого поля в различных точках может изменить предсказания общей теории относительности о поведении материи.

Некоторые теоретики вместо этого предположили, что дополнительный источник искривления пространства-времени — еще один слой геометрии — может быть более плодотворным подходом. Есть и другие предложения, такие как теория суперструн, которая может изменить общую теорию относительности, допуская большее число измерений пространства, чем те три, с которыми мы привыкли работать. С некоторыми математическими манипуляциями все эти подходы сводятся к добавлению пятой силы.

До сих пор эксперименты, ищущие признаки новой пятой силы, ничего не нашли. Но эти испытания проводились в относительно небольших масштабах (по сравнению со Вселенной в целом). Возможно, общая теория относительности преобладает в этих экспериментах, потому что другие физические эффекты маскируют или экранируют отклонения, которые вызвала бы пятая сила. Но эффекты, отсеянные на малых масштабах, могут быть заметны на больших масштабах, пишет Феррейра. «Это неизведанная территория и одна из немногих нетронутых областей, где мы могли бы найти доказательства новой физики».

Другим проверяемым принципом общей теории относительности является ее требование, чтобы гравитация перемещалась со скоростью света. Гравитационные волны дают возможность проверить это. В 2017 году слияние двух нейтронных звезд в 130 млн световых лет от нас не только послало гравитационные волны на Землю, но и выпустило всплески электромагнитного излучения, включая рентгеновские и гамма-лучи, которые движутся точно с такой же скоростью, что и свет. Время прибытия электромагнитных лучей и гравитационных волн показало, что их скорости движения идентичны с отличной степенью точности, что исключает многие альтернативные теории гравитации, предсказывающие разницу.

Дальнейшие подобные тесты и более точные наблюдения других космологических особенностей (таких как остаточное микроволновое фоновое излучение, оставшееся с юности Вселенной) все еще могут когда-нибудь обнаружить недостатки в общей теории относительности. Если это так, то некоторые поклонники Эйнштейна могут быть разочарованы, но большинство физиков — нет. Они с удовольствием откроют новую главу в истории физики.

«Благодаря множеству пробелов в теории вселенской гравитации… можно надеяться, что новые силы и явления находятся на грани открытия», — пишет Феррейра. Но если теория Эйнштейна победит на гигантских космических расстояниях, говорит Феррейра, это будет утешительным призом. «По крайней мере, мы получим железобетонную теорию гравитации, проверенную в завидном диапазоне масштабов и режимов».

Источник: www.iguides.ru

Понять смысл великого открытия Эйнштейна многим мешают сложные формулы математического аппарата теории. Между тем все можно объяснить так, что поймет даже ребенок. Кстати, вся эта история и начиналась с детского, наивного вопроса, который юный Эйнштейн задал себе за много лет до своего триумфа :

Как выглядел бы луч света, если бы удалось поймать его?

Увидели бы мы неподвижную волну, застывшую во времени? Когда молодому мыслителю было 16 лет, он заметил в своих рассуждениях изъян, так как существование электромагнитной волны в состоянии покоя не подтверждалось ни опытом, ни уравнениями. Напротив, все указывало на то, что луч света будет двигаться с одной и той же скоростью, как бы мы ни старались его догнать. Поначалу, это утверждение выглядело абсурдно. Представьте, что мы пытаемся обогнать скоростной поезд на гоночной машине. Мы давим на педаль газа и почти сравниваемся с поездом. Наблюдатель на обочине определяет, что поезд движется со скоростью 200 км/ч, а мы со скоростью 199 км/ч. Поэтому мы видим вагоны, проплывающие мимо нас со скоростью всего 1 км/ч. Мы можем даже увидеть пассажиров этого поезда. Это все потому, что скорости в обычных условиях просто складываются и вычитаются.

Теперь представим, что скорость света равна 200 км/ч, то есть скорости нашего поезда. Что будет, если мы посмотрим на поезд на скорости 199 км/ч ? Пешеход все также фиксирует небольшое отставание, но мы, выглянув в окно, увидим поезд, проносящийся мимо нас, словно мы стоим на месте. Даже ускорение до 199, 999 км/ч нам не помогло, поезд по-прежнему обгоняет нас, как будто мы находимся в состоянии покоя. Но это абсурд! Как люди в мчащемся автомобиле и неподвижно стоящий человек получить одинаковые результаты, измеряя скорость поезда? По-видимому это некая удивительная шутка природы. Есть лишь один способ выпутаться из парадокса : принять тот факт, что время для нас, сидящих в машине, и для пешехода идет по разному. Если неподвижный наблюдатель посмотрит на нас в телескоп, то он заметит, что наши движения сильно замедлились. Еще он заметит, что наши тела и наш автомобиль сжались в направлении движения. Но мы совсем не ощущаем, что превратились в лепешки-тугодумы.

Чем быстрее мы перемещаемся, тем медленнее идут наши часы, и тем короче становятся наши линейки.

В сущности, наши часы замедляются, а наши линейки сжимаются ровно на столько, чтобы при любом измерении скорость света была одинаковой. Разумеется, эти релятивистские эффекты слишком незначительны, чтобы замечать их в повседневной жизни. Причина в том, что скорость света слишком велика. И если часы замедляются, а линейки сжимаются, то должно меняться и все то, что мы измеряем с помощью линеек и часов, то есть почти все. Например, энергия, величина, которая зависит от того, как именно мы измеряем расстояние и временные промежутки. Более того, с увеличением скорости растет и масса. Но откуда берется эта избыточная масса? Эйнштейн пришел к выводу, что из энергии и вывел соотношение : E=mc^2/. Иначе говоря, материя — конденсированная масса. Впредь материю и энергию следовало воспринимать как одно целое.

Время — четвертое измерение

Эйнштейн понял, что между пространством и временем есть взаимосвязь. Вспомним, что каждый предмет имеет длину, ширину и высоту. Путем простого поворота мы легко можем превратить длину в ширину или высоту в длину. А если время — четвертое измерение, то возможны и "повороты", превращающие пространство во время и наоборот. Эти четырехмерные повороты — именно те искажения пространства и времени, которые и требует Теория относительности. Отныне их следует рассматривать как два аспекта одного целого — пространственно-временного континуума.Таким образом добавление четвертого измерения помогло объединить законы природы.

Всем Добра.

Источник: zen.yandex.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.