Sakoma, kad epifanija akimirksniu atkeliavo į Albertą Einsteiną. Tariamai mokslininkas neva važinėjo tramvajumi Berne (Šveicarija), pažvelgė į gatvės laikrodį ir staiga suprato, kad jei tramvajus dabar įsibėgėtų iki šviesos greičio, jo supratimu, šis laikrodis sustotų - ir laiko aplink nebebus. Tai paskatino jį suformuluoti vieną iš centrinių reliatyvumo postulatų - kad skirtingi stebėtojai skirtingai suvokia tikrovę, įtraukdami tokius pagrindinius dydžius kaip atstumas ir laikas.
Moksliškai kalbant, tą dieną Einšteinas suprato, kad bet kokio fizinio įvykio ar reiškinio aprašymas priklauso nuo atskaitos rėmo, kuriame yra stebėtojas (žr. Coriolis efektą). Pavyzdžiui, jei tramvajaus keleivė numeta akinius, tada jai jie kris vertikaliai žemyn, o gatvėje stovinčiam pėstiesiems stiklai kris parabolėje, nes tramvajus juda, kol akiniai krenta. Kiekvienas iš jų turi savo pagrindų rėmus.
- „Salik.biz“
Tačiau nors įvykių aprašymai keičiasi pereinant nuo vieno atskaitos rėmo prie kito, yra ir universalių dalykų, kurie nesikeičia. Jei užuot aprašę akinių kritimą, užduosime klausimą apie gamtos dėsnį, dėl kurio jie krinta, tada stebėtojas fiksuotoje koordinačių sistemoje, o stebėtojas judančioje koordinačių sistemoje, atsakymas į jį bus vienodas. Paskirstyto eismo įstatymai vienodai galioja gatvėje ir tramvajuje. Kitaip tariant, nors įvykių aprašymas priklauso nuo stebėtojo, gamtos dėsniai nepriklauso nuo jo, tai yra, kaip sakoma mokslo kalba, jie yra nekintami. Tai yra reliatyvumo principas.
Kaip ir bet kuri hipotezė, reliatyvumo principą reikėjo išbandyti koreliuojant su tikrais gamtos reiškiniais. Remdamasis reliatyvumo principu, Einšteinas iškėlė dvi atskiras (nors ir susijusias) teorijas. Specialioji arba ypatinga reliatyvumo teorija kyla iš prielaidos, kad gamtos dėsniai yra vienodi visiems pamatiniams kadrams, judantiems pastoviu greičiu. Bendrasis reliatyvumas išplečia šį principą į bet kurį atskaitos rėmą, įskaitant tuos, kurie juda pagreičiu. Specialioji reliatyvumo teorija buvo paskelbta 1905 m., O sudėtingesnė matematinio aparato požiūriu bendroji reliatyvumo teorija buvo baigta Einšteino iki 1916 m.
Specialioji reliatyvumo teorija
Daugelį paradoksalių ir prieštaringų intuityvių idėjų apie efektų pasaulį, kylančias judant greičiu, artimu šviesos greičiui, pranašauja specialioji reliatyvumo teorija. Garsiausias iš jų yra laikrodžio sulėtėjimo poveikis arba laiko sulėtėjimo poveikis. Laikrodis, judantis stebėtojo atžvilgiu, už jį važiuoja lėčiau nei lygiai tas pats laikrodis jo rankose.
Laikas koordinačių sistemoje, judantis greičiais, artimais šviesos greičiui, yra ištemptas stebėtojo atžvilgiu, o objektų erdvinis dydis (ilgis) išilgai judėjimo krypties ašies, atvirkščiai, yra suspaustas. Šis poveikis, žinomas kaip Lorentz-Fitzgerald susitraukimas, 1889 m. Buvo aprašytas airių fiziko George'o Fitzgerald'o (1851–1901), o 1892 m. Jį papildė olandas Hendrickas Lorentz'as (1853–1928). Lorenco-Fitzgeraldo santrumpa paaiškina, kodėl Michelsono-Morley eksperimentas siekiant nustatyti Žemės judėjimo greitį kosmose, matuojant „eterio vėją“, davė neigiamą rezultatą. Vėliau Einšteinas įtraukė šias lygtis į specialųjį reliatyvumą ir papildė jas panašia masės transformacijos formule,pagal kurią kūno masė taip pat didėja, kai kūno greitis artėja prie šviesos greičio. Taigi, esant 260 000 km / s greičiui (87% šviesos greičio), objekto masė stebėtojo požiūriu ramybės atskaitos rėme padidės dvigubai.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Nuo Einšteino laikų visos šios prognozės, nepaisant to, kaip priešingai atrodo sveikas protas, randa išsamų ir tiesioginį eksperimentinį patvirtinimą. Viename iš labiausiai atskleidžiančių eksperimentų Mičigano universiteto mokslininkai į lėktuvą, kuris reguliariai vykdė transatlantinius skrydžius, padėjo ypač tikslų atominį laikrodį, o po kiekvieno skrydžio atgal į namų oro uostą jie patikrino savo rodmenis pagal kontrolinį laikrodį. Paaiškėjo, kad lėktuvo laikrodis pamažu vis labiau atsiliko nuo valdomųjų (taip sakant, kai reikia sekundės dalių). Pastaruosius pusę amžiaus mokslininkai tyrinėjo elementarias daleles didžiuliuose aparatūros kompleksuose, vadinamuose greitintuvais. Juose įkrautų subatominių dalelių (tokių kaip protonai ir elektronai) pluoštai įsibėgėja iki greičio, artimo šviesos greičiui,tada jie šaudomi į įvairius branduolinius taikinius. Atliekant tokius eksperimentus su akceleratoriais, būtina atsižvelgti į pagreitėjusių dalelių masės padidėjimą - kitaip eksperimento rezultatai paprasčiausiai nebus pagrįsti. Ir šia prasme specialioji reliatyvumo teorija jau seniai perėjo iš hipotetinių teorijų kategorijos į taikomosios inžinerijos įrankių sritį, kur ji naudojama panašiai kaip Niutono mechanikos dėsniai.
Grįžtant prie Niutono dėsnių, norėčiau pabrėžti, kad specialioji reliatyvumo teorija, nors ir išoriškai prieštaraujanti klasikinės Niutono mechanikos dėsniams, iš tikrųjų praktiškai tiksliai atkartoja visas įprastas Niutono dėsnių lygtis, jei ji taikoma apibūdinant kūnus, judančius dideliu greičiu. mažesnis už šviesos greitį. Tai yra, specialioji reliatyvumo teorija neatšaukia Niutono fizikos, bet ją plečia ir papildo (ši idėja išsamiau aptariama įvade).
Reliatyvumo principas taip pat padeda suprasti, kodėl šviesos, o ne kas kitas, greitis vaidina tokį svarbų vaidmenį šiame pasaulio struktūros modelyje - šį klausimą užduoda daugelis tų, kurie pirmą kartą susidūrė su reliatyvumo teorija. Šviesos greitis išsiskiria ir vaidina ypatingą universaliosios konstantos vaidmenį, nes ją lemia gamtos mokslų dėsnis (žr. Maksvelo lygtis). Remiantis reliatyvumo principu, šviesos greitis vakuume, c, yra vienodas bet kuriame atskaitos taške. Atrodo, kad tai prieštarauja sveikam protui, nes paaiškėja, kad šviesa iš judančio šaltinio (nesvarbu, kaip greitai jis juda) ir iš nejudančio šaltinio vienu metu pasiekia stebėtoją. Tačiau taip yra.
Dėl ypatingo vaidmens gamtos dėsniuose šviesos greitis yra pagrindinis bendrosios reliatyvumo elementas.
Bendroji reliatyvumo teorija
Bendroji reliatyvumo teorija jau taikoma visiems atskaitos kadrams (ir ne tik tiems, kurie juda pastoviu greičiu vienas kito atžvilgiu) ir atrodo matematiškai daug sudėtingesnė nei specialioji (tai paaiškina vienuolikos metų atotrūkį tarp jų paskelbimo). Tai kaip specialus atvejis apima specialiąją reliatyvumo teoriją (taigi ir Niutono dėsnius). Be to, bendra reliatyvumo teorija eina daug toliau nei visi jos pirmtakai. Visų pirma, tai pateikia naują gravitacijos aiškinimą.
Bendrasis reliatyvumas daro pasaulį keturių dimensijų: laikas pridedamas prie trijų erdvinių matmenų. Visos keturios dimensijos yra neatsiejamos, todėl mes jau nekalbame apie erdvinį atstumą tarp dviejų objektų, kaip yra trimačiame pasaulyje, bet apie erdvės ir laiko intervalus tarp įvykių, vienijančių jų atstumą vienas nuo kito - ir laike, ir erdvėje. … T. y., Erdvė ir laikas yra laikomi keturių dimensijų erdvės-laiko tęstinumu arba, paprasčiau, erdvės-laiku. Šiame tęsinyje stebėtojai, judantys vienas kito atžvilgiu, gali net nesutikti, ar du įvykiai įvyko vienu metu - ar vienas vyko prieš kitą. Mūsų neturtingo proto laimei, reikalas nėra susijęs su priežasties ir pasekmės ryšių pažeidimu - tai yra koordinačių sistemų egzistavimas,kuriame du įvykiai neįvyksta vienu metu ir skirtinga seka, net bendroji reliatyvumo teorija to neleidžia.
Niutono gravitacijos dėsnis mums sako, kad bet kokie du kūnai Visatoje yra abipusio traukos jėga. Šiuo požiūriu Žemė sukasi aplink Saulę, nes tarp jų veikia abipusės traukos jėgos. Vis dėlto bendras reliatyvumas verčia mus pažvelgti į šį reiškinį kitaip. Pagal šią teoriją gravitacija yra erdvės laiko tampriojo audinio deformacijos („kreivės“), veikiamos masės, pasekmė (šiuo atveju, kuo sunkesnis kūnas, pavyzdžiui, Saulė, tuo erdvės laikas „lenkiasi“po ja ir atitinkamai). laukas). Įsivaizduokite tvirtai ištemptą drobę (tam tikrą batutą) su didžiuliu rutuliu. Pagal rutulio svorį tinklelis deformuojasi, o aplink jį susidaro piltuvo formos įdubimas. Pagal bendrą reliatyvumą,Žemė sukasi aplink Saulę kaip mažas rutulys, susisukęs aplink piltuvo kūgį, suformuotą dėl „priverstinio“erdvės laiko sunkiojo rutulio - Saulės. O tai, kas mums atrodo gravitacijos jėga, iš tikrųjų yra grynai išorinis erdvės-laiko kreivumo pasireiškimas, ir visai ne jėga niutono supratimu. Iki šiol nebuvo rastas geresnis gravitacijos prigimties paaiškinimas, nei mums suteikia bendra reliatyvumo teorija. Iki šiol nebuvo rastas geresnis gravitacijos prigimties paaiškinimas, nei mums suteikia bendra reliatyvumo teorija. Iki šiol nebuvo rastas geresnis gravitacijos prigimties paaiškinimas, nei mums suteikia bendra reliatyvumo teorija.
Išbandyti bendrąją reliatyvumo teoriją yra sunku, nes įprastomis laboratorinėmis sąlygomis jos rezultatai beveik visiškai sutampa su tuo, ką prognozuoja Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis. Nepaisant to, buvo atlikti keli svarbūs eksperimentai, ir jų rezultatai leidžia laikyti teoriją patvirtinta. Be to, bendrasis reliatyvumas padeda paaiškinti reiškinius, kuriuos stebime kosmose - pavyzdžiui, nedideli Merkurijaus nukrypimai nuo nejudančios orbitos, kurie yra nepaaiškinami klasikinės Niutono mechanikos požiūriu, arba elektromagnetinės spinduliuotės iš tolimų žvaigždžių kreivumas, kai ji praeina arti saulės.
Tiesą sakant, bendrojo reliatyvumo prognozuojami rezultatai labai skiriasi nuo Niutono įstatymų numatytų rezultatų tik esant viršutinio stiprio gravitaciniams laukams. Tai reiškia, kad norint atlikti visavertį bendrosios reliatyvumo teorijos testą, reikia atlikti labai tikslius labai masyvių objektų arba juodųjų skylių matavimus, kuriems netaikoma nė viena iš mūsų įprastų intuityvių idėjų. Taigi, vienas iš svarbiausių eksperimentinės fizikos uždavinių išlieka naujų eksperimentinių reliatyvumo teorijos tikrinimo metodų kūrimas.