Теория относительности когда открыта


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, как Эйнштейн предложил свою новую теорию, она в основном игнорировалась в течение нескольких десятилетий. Но во второй половине XX века общая теория относительности стала теорией Вселенной. Ее уравнения описывают состояния космоса от Большого взрыва до текущего быстро ускоряющегося расширения. И сегодня общая теория относительности завоевала всеобщую известность, поскольку ученые подтвердили ее экзотические предсказания, включая черные дыры и вибрации в пространстве, известные как гравитационные волны.

Теория относительности когда открыта
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 когда открыта
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). Гравитация — 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 когда открыта
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

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 когда открыта
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 когда открыта
©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

Немецко-швейцарско-американский физик Альберт Эйнштейн родился в Ульме (земля Баден-Вюртенберг в Германии), в семье Германа Эйнштейна и Паулины Эйнштейн, урождённой Кох. Вырос он в Мюнхене, где у его отца и дяди был небольшой электрохимический завод. Эйнштейн был тихим, рассеянным мальчиком, который питал склонность к математике, но терпеть не мог школу с её механической зубрёжкой и казарменной дисциплиной.

В юные годы, проведённые в мюнхенской гимназии Луитпольда, Эйнштейн самостоятельно читал книги по философии, математике, космологии, научно-популярную литературу. После того как дела отца в 1895 году пришли в упадок, семья переселилась в Милан. Эйнштейн оставил гимназию, так и не получив аттестата.

Шестнадцатилетнего Эйнштейна поразила та атмосфера свободы и культуры, которую он нашёл в Италии. Отец настаивал на том, чтобы сын избрал инженерное поприще и в будущем смог поправить шаткое финансовое положение семьи. Эйнштейн попытался сдать вступительные экзамены в Федеральный технологический институт в Цюрихе, для поступления в который не требовалось свидетельства об окончании средней школы. Не обладая достаточной подготовкой, он провалился на экзаменах, но директор училища, оценив математические способности Эйнштейна, направил его в Аарау, в двадцати милях к западу от Цюриха, чтобы тот закончил там гимназию.

Через год, летом 1896 года, Эйнштейн успешно выдержал вступительные экзамены в Федеральный технологический институт. В Аарау он расцвёл, наслаждаясь тесным контактом с учителями и либеральным духом, царившим в гимназии. Всё прежнее вызывало у него настолько глубокое неприятие, что он подал официальное прошение о выходе из германского подданства, на что его отец согласился весьма неохотно.

В Цюрихе Эйнштейн изучал физику, больше полагаясь на самостоятельное чтение, чем на обязательные курсы. Сначала он намеревался преподавать физику, но после окончания Федерального института в 1901 году и получения швейцарского гражданства не смог найти постоянной работы. В 1902 году Эйнштейн стал экспертом Швейцарского патентного бюро в Берне, в котором прослужил семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Он опубликовал одну работу о капиллярности (о том, что происходит с поверхностью жидкости, если её заключить в узкую трубку). Хотя жалованья едва хватало, работа в патентном бюро оставляла Эйнштейну достаточно сил и времени для теоретических исследований. Его первые работы были посвящены силам взаимодействия между молекулами и приложениям статистической термодинамики. Одна из них — «Новое определение размеров молекул» — была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом, и в 1905 году Эйнштейн стал доктором наук. В том же году он опубликовал небольшую серию работ, которые изменили лицо всей физики.

Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения — хаотического зигзагообразного движения частиц, взвешенных в жидкости. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с невидимыми молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объёме. Через несколько лет это было подтверждено Жаном Перреном.

В другой работе предлагалось объяснение фотоэлектрического эффекта — испускания электронов металлической поверхностью под действием электромагнитного излучения в ультрафиолетовом или каком-либо другом диапазоне. Филипп де Ленард высказал предположение, что свет выбивает электроны с поверхности металла. Предположил он и то, что при освещении поверхности более ярким светом электроны должны вылетать с большей скоростью. Но эксперименты показали, что прогноз Ленарда неверен. Между тем в 1900 году Максу Планку удалось описать излучение, испускаемое горячими телами. Он принял радикальную гипотезу о том, что энергия испускается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Физический смысл квантов оставался неясным, но величина кванта равна произведению некоторого числа (постоянной Планка) и частоты излучения.

Идея Эйнштейна состояла в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантом электромагнитной энергии) и энергией выбитого с поверхности металла электрона. Каждый фотон выбивает один электрон. Кинетическая энергия электрона (энергия, связанная с его скоростью) равна энергии, оставшейся от энергии фотона за вычетом той её части, которая израсходована на то, чтобы вырвать электрон из металла. Чем ярче свет, тем больше фотонов и больше число выбитых с поверхности металла электронов, но не их скорость. Более быстрые электроны можно получить, направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотоны такого излучения содержат больше энергии.

Эйнштейн выдвинул ещё одну смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственной природой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптические эксперименты, свет ведёт себя как волна, но, как свидетельствует фотоэлектрический эффект, может вести себя и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейном интерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально, причём не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения.

Необходимо отметить, что в изучении фотоэффекта самое непосредственное участие принимала жена Эйнштейна, талантливый физик-экспериментатор.

В 1924 году Луи де Бройль сделал ещё один шаг в преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствами обладает не только свет, но и материальные объекты, например электроны. Идея де Бройля также нашла экспериментальное подтверждение и заложила основы квантовой механики. Работы Эйнштейна позволили объяснить флуоресценцию, фотоионизацию и загадочные вариации удельной теплоёмкости твёрдых тел при различных температурах.

Третья, поистине замечательная работа Эйнштейна, опубликованная всё в том же 1905 году, — специальная теория относительности, революционизировавшая все области физики. В то время большинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире — загадочном веществе, которое, как принято было думать, заполняет всю Вселенную. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось.

Поставленный в 1887 году Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперёк направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из неё, подобно тому как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на вёслах по течению или против течения.

В основу специальной теории относительности Эйнштейна были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника.

Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает; чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру.

Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y, z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени с точки зрения другого. Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, с которой связана соотношением E = mc2, где c — скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.

Релятивистские эффекты, как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительными только при больших скоростях, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы, связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддаётся измерению даже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными.

Почти через сорок лет после создания теории относительности физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при её взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.

После публикации статей в 1905 году к Эйнштейну пришло академическое признание. В 1909 году он стал адъюнкт-профессором Цюрихского университета, в следующем году профессором Немецкого университета в Праге, а в 1912 году — цюрихского Федерального технологического института. В 1914 году Эйнштейн был приглашён в Германию на должность профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка). Германское подданство Эйнштейна было восстановлено, и он был избран членом Прусской академии наук.

После напряжённых усилий Эйнштейну удалось в 1915 году создать общую теорию относительности, выходившую далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными. Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т. е. происходящие с переменной скоростью).

Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона (XVII–XVIII веков), становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введённых Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причём сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения. Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяется инертной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться под действием данной силы. Эйнштейна заинтересовало, почему эти две массы совпадают.

Он произвёл так называемый «мысленный эксперимент». Допустим, один наблюдатель находится в кабине лифта небоскрёба, другой снаружи. Внезапно канат, поддерживающий кабину, обрывается, и она свободно падает. Экспериментатор в кабине проводит следующий опыт: вынимает из своего кармана платок и часы и выпускает их из рук. Относительно небоскрёба падает экспериментатор, часы и платок.

Посмотрим, каким путём оба наблюдателя, внутренний и внешний, описывают то, что происходит в лифте.

Внутренний наблюдатель-экспериментатор. Пол лифта медленно начинает уходить из-под ног. Часы с платком медленно движутся вверх относительно экспериментатора. Платок движется вверх быстрее, чем часы. Экспериментатор делает вывод: все тела к земле движутся с разным ускорением. Самое большее ускорение у лифта, затем у него самого, потом следуют часы, и медленнее всех падает платок. Вывод — система неинерциальная (в инерциальной системе тело, на которое не действуют никакие силы, находится в покое или движется равномерно и прямолинейно).

Внешний наблюдатель. Все четыре тела: лифт, экспериментатор, часы и платок падают с различным ускорением к земле. Его вывод также совпадает с мнением внутреннего наблюдателя — система неинерциальная.

Внутренний и внешний наблюдатель Эйнштейна рассуждает иначе: «Внешний наблюдатель замечает движение лифта и всех тел в нём, и находит его соответствующим закону тяготения Ньютона. Для него движение является не равномерным, а ускоренным, вследствие поля тяготения Земли.

Однако физик рождённый и воспитанный в лифте, рассуждал бы совершенно иначе. Он был бы уверен в том, что обладает инерциальной системой, и относил бы все законы природы к своему лифту, заявляя с уверенностью, что законы принимают особенно простую форму в его системе координат. Для него было бы естественным считать свой лифт покоящимся и свою систему координат — инерциальной.

Один из друзей Эйнштейна заметил по поводу такой ситуации, что человек в лифте не мог бы отличить, находится ли он в гравитационном поле или движется с постоянным ускорением. Эйнштейновский принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные и инерциальные эффекты неотличимы, объяснил совпадение гравитационной и инертной массы в механике Ньютона. Затем Эйнштейн расширил картину, распространив ее на свет. Если луч света пересекает кабину лифта «горизонтально», в то время как лифт падает, то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чем входное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки к стенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдатель в лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для Эйнштейна это означало, что в реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно малом расстоянии от массивного тела.

Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел.

Но в тот период Эйнштейн работал не только над теорией относительности. Например, в 1916 году он ввёл в квантовую теорию понятие индуцированного излучения. В 1913 году Нильс Бор разработал модель атома, в которой электроны вращаются вокруг центрального ядра (открытого несколькими годами ранее Эрнестом Резерфордом) по орбитам, удовлетворяющим определённым квантовым условиям. Согласно модели Бора, атом испускает излучение, когда электроны, перешедшие в результате возбуждения на более высокий уровень, возвращаются на более низкий. Разность энергии между уровнями равна энергии, поглощаемой или испускаемой фотонами.

Возвращение возбуждённых электронов на более низкие энергетические уровни представляет собой случайный процесс. Эйнштейн предположил, что при определённых условиях электроны в результате возбуждения могут перейти на определённый энергетический уровень, затем, подобно лавине, возвратиться на более низкий. Этот процесс лежит в основе действия современных лазеров.

Хотя и специальная, и общая теории относительности были слишком революционны, чтобы снискать немедленное признание, они вскоре получили ряд подтверждений. Одним из первых было объяснение прецессии орбиты Меркурия, которую не удавалось полностью понять в рамках ньютоновской механики. Во время полного солнечного затмения в 1919 году астрономам удалось наблюдать звезду, скрытую за кромкой Солнца. Это свидетельствовало о том, что лучи света искривляются под действием гравитационного поля Солнца. Всемирная слава пришла к Эйнштейну, когда сообщения о наблюдении солнечного затмения 1919 года облетели весь мир. Относительность стала привычным словом.

В 1920 году Эйнштейн стал приглашённым профессором Лейденского университета. Однако в самой Германии он подвергался нападкам из-за своих антимилитаристских взглядов и революционных физических теорий, названных некоторыми его коллегами «еврейской физикой».

В 1922 году Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 года «за заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

В то время как большинство физиков начало склоняться к принятию квантовой теории, Эйнштейна все более не удовлетворяли следствия, к которым она приводила. В 1927 году он выразил своё несогласие со статистической интерпретацией квантовой механики, предложенной Нильсом Бором и Максом Борном. Согласно этой интерпретации, принцип причинно-следственной связи неприменим к субатомным явлениям. Эйнштейн был глубоко убеждён, что статистика является не более чем средством и что фундаментальная физическая теория не может быть статистической по своему характеру. По словам Эйнштейна, «Бог не играет в кости» со Вселенной.

До конца жизни он стремился построить единую теорию поля, которая могла бы выводить квантовые явления из релятивистского описания природы. Осуществить эти замыслы Эйнштейну так и не удалось.

Источник: www.publicevents.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 e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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