Про цю теорію говорили, що її розуміють лише три людини у світі, а коли математики спробували цифрами висловити те, що з неї випливає, сам автор – Альберт Ейнштейн – жартував, що тепер і він перестав її розуміти.
Спеціальна та загальна теорія відносності – нерозривні частини вчення, на якому будуються сучасні наукові погляди на устрій світу.
«Рік чудес»
У 1905 році провідний науковий друкований орган Німеччини "Annalen der Physik" ("Аннали фізики") опублікував одну за одною чотири статті 26-річного Альберта Ейнштейна, який працював експертом 3-го класу - дрібним клерком - Федерального бюро патентування винаходів у Берні. Він і раніше співпрацював із журналом, але публікація такої кількості робіт за один рік була екстраординарною подією. Воно стало ще більш видатним, коли стала зрозумілою цінність ідей, які містилися в кожній з них.
У першій із статей висловлювалися думки про квантову природу світла, розглянуто процеси поглинання та виділення електромагнітного випромінювання. На цій основі був вперше пояснений фотоефект - випромінювання речовиною електронів, що вибиваються фотонами світла, запропоновані формули для розрахунку кількості енергії, що виділяється при цьому. Саме за теоретичні розробки фотоелектричного ефекту, що стали початком квантової механіки, а не за постулати теорії відносності Ейнштейну буде присуджено 1922 року Нобелівська преміяпо фізиці.
В іншій статті було започатковано прикладні напрямки фізичної статистики на основі дослідження броунівського руху дрібних, зважених у рідині частинок. Ейнштейн запропонував методи пошуку закономірності флуктуацій - безладних та випадкових відхилень. фізичних величинвід їх найімовірніших значень.
І нарешті, у статтях «До електродинаміки тіл, що рухаються» і «Чи залежить інерція тіла від вмісту в ньому енергії?» містилися зародки те, що буде в історії фізики як теорія відносності Альберта Ейнштейна, вірніше її частина - СТО, - спеціальна теорія відносності.
Джерела та попередники
У наприкінці XIXстоліття багатьом фізикам здавалося, що більшість глобальних проблемсвітобудови вирішено, головні відкриття зроблено, і людству належить лише використати накопичені знання для потужного прискорення технічного прогресу. Лише деякі теоретичні проблеми псували гармонійну картину Всесвіту, заповненого ефіром і живе за непорушними ньютонівськими законами.
Гармонію псували теоретичні дослідження Максвелла. Його рівняння, що описували взаємодії електромагнітних полів, суперечили загальноприйнятим законам класичної механіки. Це стосувалося вимірювання швидкості світла в динамічних системах відліку, коли переставав працювати принцип відносності Галілея, - математична модель взаємодії таких систем під час руху зі світловою швидкістю призводила до зникнення електромагнітних хвиль.
Крім того, не піддавався виявленню ефіру, який мав примирити одночасне існування частинок і хвиль, макро та мікрокосмосу. Експеримент, який провели у 1887 році Альберт Майкельсон та Едвард Морлі мав на меті виявлення “ефірного вітру”, який неминуче мав бути зафіксований унікальним приладом – інтерферометром. Досвід тривав цілий рік - час повного навернення Землі навколо Сонця. Планета мала півроку рухатися проти ефірного потоку, півроку ефір мав «дути в вітрила» Землі, але результат був нульовим: усунення світлових хвиль під впливом ефіру не виявили, що ставило під сумнів сам факт існування ефіру.
Лоренц та Пуанкаре
Фізики спробували знайти пояснення результатів експериментів щодо виявлення ефіру. Свою математичну модель запропонував Хендрік Лоренц (1853–1928). Вона повертала до життя ефірне заповнення простору, але лише за дуже умовному і штучному припущенні, що з русі крізь ефір об'єкти можуть скорочуватися у бік руху. Цю модель доопрацював великий Анрі Пуанкаре (1854–1912).
У роботах цих двох вчених вперше з'явилися поняття, що багато в чому склали головні постулати теорії відносності, і це не дає затихнути звинуваченням Ейнштейна в плагіаті. До них відносяться умовність поняття про одночасність, гіпотеза про постійність швидкості світла. Пуанкаре припускав, що з високих швидкостях закони механіки Ньютона вимагають переробки, робив висновок щодо відносності руху, але у додатку до ефірної теорії.
Спеціальна теорія відносності – СТО
Проблеми коректного опису електромагнітних процесів стали спонукальною причиною вибору теми для теоретичних розробок, і опубліковані 1905 року статті Ейнштейна містили інтерпретацію окремого випадку - рівномірного і прямолінійного руху. До 1915 року була сформована загальна теорія відносності, яка пояснювала і взаємодії гравітаційної взаємодії, але першою стала теорія, що отримала назву спеціальної.
Спеціальна теорія відносності Ейнштейна коротко може бути викладена у вигляді двох основних постулатів. Перший поширює дію принципу відносності Галілея на все фізичні явищаа не тільки на механічні процеси. У більш загальній формі він каже: фізичні закониоднакові всім інерційних (які рухаються рівномірно прямолінійно чи що у спокої) систем відліку.
Друге твердження, яке містить спеціальна теорія відносності: швидкість поширення світла у вакуумі всім інерційних систем відліку однакова. Далі робиться найбільш глобальний висновок: світлова швидкість - найбільша величина швидкості передачі взаємодій у природі.
У математичних викладках СТО наводиться формула E=mc², яка й раніше з'являлася у фізичних публікаціях, але саме завдяки Ейнштейну вона стала найвідомішою та найпопулярнішою в історії науки. Висновок про еквівалентність маси та енергії - це найреволюційніша формула теорії відносності. Поняття того, що будь-який об'єкт, що володіє масою, містить величезну кількість енергії, стало основою для розробок з використання ядерної енергії і, перш за все, призвело до появи атомної бомби.
Ефекти спеціальної теорії відносності
Зі СТО випливає кілька наслідків, що отримали назву релятивістських (relativity англ.-відносність) ефектів. Уповільнення часу – один із найяскравіших. Суть його в тому, що в системі відліку, що рухається, час йде повільніше. Розрахунки показують, що на космічному кораблі, що здійснив гіпотетичний політ до зоряної системи Альфа-Центавра і назад при швидкості 0,95 c (c-швидкість світла) пройде 7,3 роки, а на Землі - 12 років. Такі приклади часто наводять, коли пояснюється теорія відносності для чайників, а також пов'язаний з цим ефектом парадокс близнюків.
Ще один ефект - скорочення лінійних розмірів, - тобто з погляду спостерігача, що рухаються щодо нього зі швидкістю, близькою до c, предмети, матимуть менші лінійні розміри у напрямку руху, ніж їхня власна довжина. Цей прогнозований релятивістською фізикою ефект називається лоренцевим скороченням.
За законами релятивістської кінематики маса об'єкта, що рухається, більша за масу спокою. Цей ефект стає особливо значущим при розробці приладів для дослідження елементарних частинок - без урахування його важко уявити роботу БАКа (Великого андронного колайдера).
Простір-час
Одним із найважливіших компонентів СТО є графічне відображення релятивістської кінематики, особливе поняття єдиного простору-часу, яке запропонував німецький математик Герман Мінковський, який був викладачем математики у студента Альберта Ейнштейна.
Суть моделі Мінковського полягає в новому підході до визначення положення об'єктів, що вступають у взаємодію. Спеціальна теорія відносності часу приділяє особливу увагу. Час стає не просто четвертою координатою класичної тривимірної системи координат, час - не абсолютна величина, а невіддільна характеристика простору, який набуває вигляду просторово-часового континууму, графічно вираженого у вигляді конуса, в якому і відбуваються всі взаємодії.
Такий простір у теорії відносності, з її розвитком до більш узагальнюючого характеру, надалі було піддано ще й викривленню, що зробило таку модель придатною для опису та гравітаційних взаємодій.
Подальший розвиток теорії
СТО не відразу знайшла розуміння у фізиків, але поступово вона стала основним інструментом опису світу, особливо світу елементарних частинок, що ставав головним предметом вивчення фізичної науки. Але завдання доповнення СТО поясненням сил тяжіння було дуже актуальним, і Ейнштейн не припиняв роботу, відточуючи принципи загальної теорії відносності – ВТО. Математична обробка цих принципів зайняла досить багато часу – близько 11 років, і в ній взяли участь фахівці суміжних із фізикою областей точних наук.
Так, величезний внесок зробив провідний математик того часу Давид Гільберт (1862-1943), який став одним із співавторів рівнянь гравітаційного поля. Вони з'явилися останнім каменем у побудові прекрасного будинку, який отримав назву - загальна теорія відносності, або ОТО.
Загальна теорія відносності.
Сучасна теорія гравітаційного поля, теорія структури «простір-час», геометрія «простору-часу», закон фізичних взаємодій у неінерційних системах звіту - все це різні назви, якими наділена загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна.
Теорія всесвітнього тяжіння, яка протягом тривалого часу визначала погляди фізичної науки на гравітацію, на взаємодії об'єктів і полів різного розміру. Парадоксально, але основним її недоліком була нематеріальність, ілюзорність, математичність її суті. Між зірками та планетами знаходилася порожнеча, тяжіння між небесними тіламипояснювалося далекодією деяких сил, причому миттєвим. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна наповнила гравітацію фізичним змістом, представила як безпосередній контакт різних матеріальних об'єктів.
Геометрія гравітації
Головна ідея, за допомогою якої Ейнштейн пояснив гравітаційні взаємодії, дуже проста. Фізичним виразом сил тяжіння він оголошує простір-час, наділений цілком відчутними ознаками - метрикою та деформаціями, на які впливає маса об'єкта, навколо якого утворюються такі викривлення. У свій час Ейнштейну навіть приписували заклики повернути в теорію світобудови поняття ефіру, як пружного матеріального середовища, що заповнює простір. Він же пояснював, що йому важко називати вауумом субстанцію, що має безліч якостей, що піддаються опису.
Таким чином, гравітація – прояв геометричних властивостейчотиривимірного простору-часу, який був позначений у СТО як невикривлений, але в більш загальних випадках ото наділяється кривизною, що визначає рух матеріальних об'єктів, яким надається однакове прискорення відповідно до декларованого Ейнштейном принципу еквівалентності.
Цей основний принцип теорії відносності пояснює багато «вузьких місць» ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння: викривлення світла, яке спостерігається при проходженні його біля масивних космічних об'єктів при деяких астрономічних явищахі, зазначене ще давніми однакове прискорення падіння тіл, незалежно від їхньої маси.
Моделювання кривизни простору
Звичайним прикладом, за допомогою якого пояснюється загальна теорія відносності для чайників, є уявлення простору-часу у вигляді батута - пружної тонкої мембрани, на яку викладають предмети (найчастіше кулі), що імітують об'єкти, що взаємодіють. Тяжкі кулі прогинають мембрану, утворюючи навколо себе лійку. Дрібніша куля, запущена по поверхні, рухається в повній відповідності до законів гравітації, поступово скочуючи в поглиблення, утворені більш масивними об'єктами.
Але такий приклад є досить умовним. Реальний простір-час багатовимірний, кривизна його теж не виглядає так елементарно, але принцип формування гравітаційної взаємодії і суть теорії відносності стають зрозумілими. У будь-якому випадку, гіпотези, яка більш логічно і складно пояснила б теорію гравітації, поки що не існує.
Докази істинності
ОТО швидко почала сприйматися як потужна основа, на якій може будуватися сучасна фізика. Теорія відносності з самого початку вражала своєю стрункістю і гармонією, і не лише фахівців, і незабаром після появи стала підтверджуватись спостереженнями.
Найближча до Сонця точка – перигелій – орбіти Меркурія поступово зміщується щодо орбіт інших планет Сонячна система, що було виявлено ще у середині ХІХ століття. Таке переміщення – прецесія – не знаходило розумного пояснення в рамках Ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння, але було з точністю розраховане на основі загальної теорії відносності.
Затемнення Сонця, яке відбулося в 1919 році, надало можливість для чергового доказу ОТО. Артур Еддінгтон, який жартома називав себе другою людиною з трьох, що розуміють основи теорії відносності, підтвердив передбачені Ейнштейном відхилення при проходженні фотонів світла поблизу світила: у момент затемнення стало помітне зміщення видимого положення деяких зірок.
Експеримент з виявлення уповільнення ходу годинника або гравітаційного червоного зміщення було запропоновано самим Ейнштейном серед інших доказів ОТО. Лише через довгі роки вдалося підготувати необхідне експериментальне обладнання та провести цей досвід. Гравітаційне зміщення частот випромінювання від випромінювача і приймача, рознесених по висоті виявилося в межах, передбачених ОТО, а фізики з Гарварда Роберт Паунд і Глен Ребка, які провели цей експеримент, надалі тільки підвищили точність вимірювань, і формула теорії відносності знову виявилася вірною.
В обґрунтуванні найбільш значущих проектів дослідження космічного просторуобов'язково є теорія відносності Ейнштейна. Стисло можна сказати, що вона стала інженерним інструментом фахівців, зокрема тих, хто займається супутниковими системамиНавігація - GPS, ГЛОНАСС і т.д. Розрахувати координати об'єкта з потрібною точністю, навіть у відносно невеликому просторі, не враховуючи уповільнення сигналів, передбачених ОТО, неможливо. Тим більше, якщо йдеться про об'єкти, рознесені на космічні відстані, де помилка в навігації може бути величезною.
Творець теорії відносності
Альберт Ейнштейн був ще молодим чоловіком, коли опублікував основи теорії відносності. Згодом йому самому ставали зрозумілі її недоліки та нестиковки. Зокрема, самої головною проблемоюОТО стала неможливістю її вростання в квантову механіку, оскільки при описі гравітаційних взаємодій використовуються принципи, що радикально відрізняються один від одного. У квантовій механіці розглядається взаємодія об'єктів у єдиному просторі-часі, а в Ейнштейна саме цей простір формує гравітацію.
Написання "формули всього сущого" - єдиної теоріїполя, яка усунула б протиріччя ОТО та квантової фізики, було метою Ейнштейна протягом довгих років, він працював над цією теорією до останньої години, але успіху не досяг. Проблеми ОТО стали стимулом для багатьох теоретиків у пошуку досконаліших моделей світу. Так з'являлися теорії струн, петльова квантова гравітація та багато інших.
Особистість автора ОТО залишила слід історії порівняний зі значенням для науки самої теорії відносності. Вона не залишає байдужим досі. Ейнштейн сам дивувався, чому стільки уваги приділялося йому та його роботам з боку людей, які не мали до фізики жодного відношення. Завдяки своїм особистим якостям, знаменитому дотепності, активній політичній позиції та навіть виразній зовнішності Ейнштейн став найзнаменитішим фізиком на Землі, героєм безлічі книг, фільмів та комп'ютерних ігор.
Кінець його життя багатьма описується драматично: він був самотній, вважав себе відповідальним за появу найстрашнішої зброї, що стала загрозою всьому живому на планеті, його теорія єдиного поля залишилася нереальною мрією, але найкращим підсумком можна вважати слова Ейнштейна, сказані незадовго до смерті про те, що своє завдання Землі він виконав. Із цим важко сперечатися.
Теорія відносності Ейнштейна завжди представлялася чимось абстрактним і незрозумілим для мене. Спробуємо описати теорію відносності Ейнштейна простими словами. Уявіть, як ви перебуваєте на вулиці у сильний дощ і вітер дме вам на спину. Якщо ви почнете швидко бігти, краплі дощу не потраплятимуть на спину. Краплі будуть повільнішими або зовсім не досягатимуть вашої спини, це науково доведений факт, та й самі ви зможете перевірити це в зливу. А тепер уявимо, якби ви обернулися і побігли проти вітру з дощем, краплі сильніше потраплятимуть на одяг та обличчя, ніж якби ви просто стояли.
Раніше вчені думали, що світло діє як дощ у вітряну погоду. Вони думали, що й Земля рухається навколо Сонця, а Сонце рухається навколо галактики, можна виміряти швидкість їх руху у просторі. На їхню думку, все, що їм залишається зробити, це виміряти швидкість світла і те, як вона змінюється щодо двох тіл.
Вчені це зробили і виявили щось дуже дивне. Швидкість світла була такою ж, незважаючи ні на що, як би тіла не рухалися і не важливо, в якому напрямку проводити вимірювання.
Це було дуже дивно. Якщо брати ситуацію зі зливою, то за звичайних обставин краплі дощу впливатимуть на вас сильніше чи слабше залежно від ваших пересувань. Погодьтеся, було б дуже дивно, якби злива з однаковою силою дула вам у спину, як при бігу, так і при зупинці.
Вчені виявили, що світло не має таких же властивостей, як краплі дощу або щось інше у всесвіті. Незалежно від того, як швидко ви рухаєтеся, і незалежно від того, в якому напрямку ви прямуєте, швидкість світла завжди буде однаковою. Це дуже заплутано, і лише Альберт Ейнштейн зміг пролити світло на цю несправедливість.
Ейнштейн та ще один вчений, Хендрік Лоренц з'ясували, що є лише один спосіб пояснити, як усе це може бути. Це можливе лише в тому випадку, якщо час уповільнюється.
Уявіть, що станеться, якщо час уповільниться для вас, а ви при цьому не знаєте, що рухаєтеся повільніше. Вам буде здаватися, що все інше відбувається швидше, все навколо вас будуть рухатися, як у фільмі у швидкій перемотці.
Отже, тепер уявимо, що ви знову при зливі з вітром. Як таке можливо, що дощ буде впливатиме на вас однаково, навіть якщо ви біжите? Виходить, якби ви намагалися втекти від дощу, то ваш час би сповільнився, а дощ прискорився. Краплі дощу потрапили б вам на спину з такою ж швидкістю. Вчені називають це розширення часу. Незалежно від того, наскільки швидко ви рухаєтеся, ваш час уповільнюється, принаймні для швидкості світла цей вираз справедливий.
Двоякість вимірів
Інше, що Ейнштейн і Лоренц з'ясували, це те, що дві людини за різних обставин можуть отримати різні розрахункові значення і найдивніше, що вони обидва мають рацію. Це ще один побічний ефект того, що світло завжди рухається з однаковою швидкістю.
Проведемо уявний експеримент
Уявіть, що ви стоїте в центрі кімнати, і ви встановили лампу прямо посередині кімнати. Тепер уявіть, що швидкість світла дуже повільна, і ви можете бачити, як воно поширюється, уявіть, що ви ввімкнули лампу.
Як тільки ви увімкнете лампу, світло почне розходитися та освітлювати. Оскільки обидві стіни знаходяться на тому самому відстані, світло досягне обидві стіни одночасно.
Тепер уявіть, що у вашій кімнаті є велике вікно, і ваш знайомий проїжджає повз. Він побачить уже інше. Для нього це буде виглядати так, ніби ваша кімната рухається праворуч і коли ви ввімкнете лампу, він побачить, що ліва стіна рухається до світла. а права стіна відсувається від світла. Він побачить, що світло спочатку потрапило у ліву стіну, а потім на праву. Йому здасться, що світло не висвітлило обидві стіни одночасно.
Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, обидві точки зору мають рацію. На ваш погляд, світло потрапляє в обидві стіни одночасно. З погляду вашого знайомого, це не так. В цьому немає нічого поганого.
Ось чому вчені кажуть, що «одночасність відносна». Якщо ви вимірюєте дві речі, які мають статися одночасно, то той, хто рухається з іншою швидкістю або в іншому напрямку, не зможе їх виміряти однаково з вами.
Нам це здається дуже дивним, тому що швидкість світла для нас миттєва і ми рухаємося дуже повільно порівняно з нею. Оскільки швидкість світла настільки велика, ми не помічаємо швидкість поширення світла, допоки не будемо проводити спеціальні експерименти.
Чим швидше рухається предмет, тим він коротший і менший
Ще один дуже дивний побічний ефектте, що швидкість світла не змінюється. При швидкості світла речі, що рухаються, стають коротшими.
Знову ж таки, уявімо, що швидкість світла дуже повільна. Уявіть, що ви їдете поїздом, і ви встановили лампу посередині вагона. Тепер уявіть, що ви увімкнули лампу, як у кімнаті.
Світло поширюватиметься і одночасно досягне стін спереду та ззаду вагона. Таким чином ви можете навіть виміряти довжину вагона, вимірявши, скільки часу знадобилося світла досягти обох сторін.
Проведемо розрахунки:
Уявімо, що для проходження 10 метрів потрібно 1 секунда і щоб світло поширилося від лампи до стіни вагона потрібно 1 секунда. Це означає, що лампа знаходиться на відстані 10 метрів від обох боків вагона. Так як 10 + 10 = 20, то довжина вагона 20 метрів.
Тепер уявимо, що ваш знайомий знаходиться на вулиці, спостерігаючи, як поїзд проходить повз. Пам'ятайте, що він бачить речі інакше. Задня стіна вагона рухається до лампи, а передня відсувається від неї. Таким чином для нього світло не торкатиметься передньої та задньої частини стіни вагона одночасно. Спершу світло дійде до задньої частини, а потім до передньої.
Таким чином, якщо ви і ваш знайомий виміряєте швидкість розповсюдження світла від лампи до стін, ви отримаєте різні значення, у своїй з погляду науки обидва розрахунку будуть правильні. Тільки для вас, згідно вимірювань, довжина вагона буде одного розміру, а для знайомого довжина вагона буде меншою.
Пам'ятайте, вся справа в тому, яким чином і за яких умов ви робите вимірювання. Якби ви опинилися всередині ракети, що летить, яка рухається зі швидкістю світла, ви б не відчули нічого незвичайного, на відміну від людей, що вимірюють ваш рух на землі. Ви не змогли б зрозуміти, що час для вас йде повільніше або що передня та задня частина корабля раптом стали ближчими один до одного.
При цьому, якби ви летіли на ракеті, то вам здавалося б так, ніби всі планети і зірки пролітають повз вас зі швидкістю світла. Якщо ви спробуєте виміряти їх час і розмір, то за логікою для них час повинен сповільнитися, а розміри зменшуватися, правильно?
Все це було дуже дивно та незрозуміло, але Ейнштейн запропонував рішення та об'єднав усі ці явища в одну теорію відносності.
СТО, ТОЕ - під цими абревіатурами ховається знайомий практично всім термін "теорія відносності". Простою мовоюможна пояснити все, навіть висловлювання генія, так що не впадайте у відчай, якщо не пам'ятаєте шкільний курс фізики, адже насправді все набагато простіше, ніж здається.
Зародження теорії
Отже, розпочнемо курс "Теорія відносності для чайників". Альберт Ейнштейн опублікував свою роботу у 1905 році, і вона викликала резонанс серед учених. Ця теорія практично повністю перекривала багато прогалини та нестиковки у фізиці минулого століття, але й, до всього іншого, перевернула уявлення про простір і час. Багато тверджень Ейнштейна сучасникам було складно повірити, але експерименти та дослідження лише підтверджували слова великого вченого.
Теорія відносності Ейнштейна простою мовою пояснювала те, що люди билися століттями. Її можна назвати основою усієї сучасної фізики. Однак, перш ніж продовжити розмову про теорію відносності, слід роз'яснити питання про терміни. Напевно, багато хто, читаючи науково-популярні статті, стикалися з двома абревіатурами: СТО та ОТО. Насправді вони мають на увазі кілька різні поняття. Перша - це спеціальна теорія відносності, а друга розшифровується як "загальна теорія відносності".
Просто про складне
СТО - це старіша теорія, яка потім стала частиною ОТО. У ній можуть бути розглянуті лише фізичні процеси для об'єктів, що рухаються з рівномірною швидкістю. Загальна ж теорія може описати, що відбувається з об'єктами, що прискорюються, а також пояснити, чому існують частинки гравітонів і гравітація.
Якщо потрібно описати рух і відносини простору і часу при наближенні до швидкості світла - це зможе зробити спеціальна теорія відносності. Простими словами можна пояснити так: наприклад, друзі з майбутнього подарували вам космоліт, який може літати на високій швидкості. На носі космічного корабля стоїть гармата, здатна розстріляти фотонами все, що потрапить попереду.
Коли робиться постріл, то щодо корабля ці частки летять зі швидкістю світла, але, за логікою, нерухомий спостерігач має побачити суму двох швидкостей (самих фотонів та корабля). Але нічого подібного. Спостерігач побачить фотони, що рухаються зі швидкістю 300000 м/с, ніби швидкість корабля була нульовою.
Вся справа в тому, що хоч би як швидко рухався об'єкт, швидкість світла для нього є незмінною величиною.
Це твердження є основною разючих логічних висновківна кшталт уповільнення та спотворення часу, що залежать від маси та швидкості об'єкта. На цьому ґрунтуються сюжети багатьох науково-фантастичних фільмів та серіалів.
Загальна теорія відносності
Простою мовою можна пояснити і більшу об'ємну ОТО. Для початку слід взяти до уваги той факт, що наш простір чотиривимірний. Час і простір поєднуються в такому "предметі", як "просторово-часовий континуум". У нашому просторі є чотири осі координат: х, у, z та t.
Але люди не можуть сприймати безпосередньо чотири виміри, так само, як гіпотетичний плоска людина, що живуть у двомірному світі, не в змозі подивитися вгору. По суті, наш світ є лише проекцією чотиривимірного простору до тривимірного.
Цікавим фактом є те, що, відповідно до загальної теорії відносності, тіла не змінюються під час руху. Об'єкти чотиривимірного світу насправді завжди незмінні, і під час руху змінюються лише їхні проекції, що ми сприймаємо як спотворення часу, скорочення чи збільшення розмірів та інше.
Експеримент із ліфтом
Про теорію відносності простою мовою можна розповісти за допомогою невеликого уявного експерименту. Уявіть, що ви у ліфті. Кабіна почала рухатися, і ви опинилися в стані невагомості. Що сталося? Причини може бути дві: або ліфт знаходиться в космосі, або перебуває у вільному падінні під дією гравітації планети. Найцікавіше полягає в тому, що з'ясувати причину невагомості не можна, якщо немає можливості визирнути з кабінки ліфта, тобто обидва процеси виглядають однаково.
Можливо, провівши схожий уявний експеримент, Альберт Ейнштейн дійшов висновку, що якщо ці дві ситуації не відрізняються одна від одної, значить, насправді тіло під впливом гравітації не прискорюється, це рівномірний рух, який викривляється під впливом масивного тіла (у даному випадку планети ). Таким чином, прискорений рух - це лише проекція рівномірного руху до тривимірного простору.
Наочний приклад
Ще один гарний прикладна тему "Теорія відносності чайників". Він не зовсім коректний, проте дуже простий і наочний. Якщо на натягнуту тканину покласти якийсь об'єкт, він утворює під собою "прогин", "воронку". Усі менші тіла змушені будуть спотворювати свою траєкторію згідно з новим згинанням простору, а якщо у тіла трохи енергії, воно взагалі може не подолати цієї вирви. Проте з погляду самого об'єкта, що рухається, траєкторія залишається прямою, вони не відчують вигину простору.
Гравітація "знижена в званні"
З появою загальної теорії відносності гравітація перестала бути силою і тепер задовольняється станом простого наслідку викривлення часу та простору. ОТО може здатися фантастичною, проте є робочою версією та підтверджується експериментами.
Безліч, здавалося б, неймовірних у світі речей може пояснити теорія відносності. Простою мовою такі речі називають наслідками ВТО. Наприклад, промені світла, що пролітають на близької відстанівід масивних тіл, що викривляються. Більше того, багато об'єктів з далекого космосу приховані один за одним, але через те, що промені світла огинають інші тіла, нашому погляду (точніше, телескопа) доступні, здавалося б, невидимі об'єкти. Адже це все одно, що дивитися крізь стіни.
Чим більша гравітація, тим повільніше лежить на поверхні об'єкта час. Це стосується не тільки масивних тіл на кшталт нейтронних зірок чи чорних дірок. Ефект уповільнення часу можна спостерігати навіть Землі. Наприклад, прилади для супутникової навігації забезпечені найточнішим атомним годинником. Вони знаходяться на орбіті нашої планети, і час там цокає трохи швидше. Соті частки секунди за добу складуться цифру, яка дасть до 10 км похибки у розрахунках маршруту Землі. Розрахувати цю похибку дозволяє саме теорія відносності.
Простою мовою можна висловитися так: ТО лежить в основі багатьох сучасних технологій, і завдяки Ейнштейну ми легко можемо знайти у незнайомому районі піцерію та бібліотеку.
Вона пояснювала закономірність руху двох об'єктів щодо один одного в одній системі координат за умови постійної швидкості та однорідності довкілля.
Принципове обґрунтування СТО базувалося на двох складових:
- Аналітичні дані, одержані дослідним шляхом. При спостереженні за рушійними тілами в одній структурній паралелі було визначено характер їхнього руху, суттєві відмінності, особливості;
- Визначення параметрів швидкості. За основу було взято єдину величину, що не піддається зміні, — «швидкість світла», яка дорівнює 3*10^8 м/с.
Шлях становлення Теорії Відносності
Виникнення теорії відносності стало можливим завдяки науковим працямАльберта Ейнштейна, який зміг пояснити та довести різницю у сприйнятті простору та часу залежно від позиції спостерігача та швидкості переміщення об'єктів. Як це відбувалося?
У середині 18 століття ключовою базою для проведення досліджень стала загадкова на той період структура під назвою ефір. За попередніми даними та висновками наукової групи – ця субстанція здатна проникати через будь-які шари, не впливаючи на їхню швидкість. Також було висунуто припущення, що зміни зовнішнього сприйняття швидкості змінюють і саму швидкість світла ( сучасною наукоюдоведено її сталість).
Альберт Ейнштейн, вивчивши ці дані, повністю відкинув вчення про ефір і наважився припустити, що швидкість світла - це детермінантна величина, яка не залежить від зовнішніх факторів. За його словами, змінюється лише візуальне сприйняття, але не суть процесів, що відбуваються. Пізніше, на підтвердження своїх переконань, Ейнштейном було проведено диференційований експеримент, який довів справедливість такого підходу.
Головною особливістю дослідження було використання людського чинника. Декільком персонам пропонувалося рухатися з пункту А пункт Б паралельно, але з різною швидкістю. Після досягнення вихідної точки цих людей просили описати побачене довкола та враження про процес. Кожна людина з обраної групи робила власні висновки і результат не збігався. Після того, як той самий досвід був повторений, але люди рухалися з однаковою швидкістю і в одному напрямку, думка учасників експерименту стала схожою. Таким чином, було підбито остаточний підсумок і теорія Ейнштейна знайшла достеменне підтвердження.
Другий етап розвитку СТО – вчення про просторово-часовий континум
Основою вчення про просторово-часовий континуум стала сполучна нитка між напрямом руху об'єкта, його швидкістю та масою. Таку зачіпку для проведення подальших досліджень дав перший вдалий показовий експеримент, проведений за участю сторонніх спостерігачів.
Матеріальна всесвіт існує у трьох фазах виміру напряму: вправо-вліво, вгору-вниз, вперед-назад. Якщо додати до них постійний показник виміру часу (раніше згадана «швидкість світла») вийде визначення просторово-часового континууму.
Яку роль цьому процесі грає масова частка об'єкта виміру? Всім школярам та студентам знайома фізична формула E=m*c², у якій: Е – енергія, м – маса тіла, с – швидкість. За законом застосування цієї формули маса тіла значно збільшується завдяки збільшенню швидкості світла. З цього випливає, що чим вища швидкість, тим більшою буде маса вихідного об'єкта в будь-якому напрямку руху. А просторово-часовий континуум лише диктує порядок збільшення та розширення, об'ємність простору (коли йдеться про елементарних частках, на яких збудовано всі фізичні тіла).
Доказом такого підходу стали досвідчені зразки, з яких вчені намагалися досягти швидкості світла. Вони наочно переконалися в тому, що при штучному збільшенні маси тіла досягти бажаного прискорення стає все складніше. Для цього був постійний невичерпне джерелоенергії, якого в природі просто не існує. Після отримання висновку теорія Альберта Ейнштейна було повністю доведено.
Вивчення теорії відносності потребує значного розуміння фізичних процесівта основ математичного аналізу, які проходять у старшій школіта на перших курсах професійних технічних училищ, вищих навчальних закладівтехнічний профіль. Без уявлення основ освоїти повну інформаціюі оцінити важливість досліджень геніального фізика просто неможливо.
Теорія відносності запропонована геніальним вченим Альбертом Ейнштейном у 1905 році.
Вчений розповів тоді про окремий випадок своєї розробки.
Сьогодні це прийнято називати Спеціальною теорією відносності чи СТО. У СТО вивчаються фізичні принципи рівномірного та прямолінійного руху.
Зокрема, так переміщається світло, якщо на його шляху немає перешкод, йому і багато що присвячено в цій теорії.
В основі СТО Ейнштейн заклав два основні принципи:
- Принцип відносності. Будь-які фізичні закони однакові для нерухомих об'єктів і тіл, що рухаються рівномірно і прямолінійно.
- Швидкість світла у вакуумі однакова всім спостерігачів і дорівнює 300 000 км./с.
Теорія відносності перевіряється практично, Ейнштейн пред'явив докази як результатів експериментів.
Розглянемо принципи з прикладів.
- Припустимо, що два об'єкти рухаються з постійними швидкостями прямо по прямій. Замість того, щоб розглядати їх переміщення щодо нерухомої точки, Ейнштейн запропонував вивчати їх один щодо одного. Наприклад, два поїзди їдуть сусідніми шляхами з різними швидкостями. В одному сидите Ви, в іншому навпаки — Ваш друг. Ви його бачите, і його швидкість щодо Вашого погляду залежатиме лише від різниці швидкостей поїздів, але не від того, як швидко вони їдуть. Принаймні доти, доки поїзди не почнуть прискорюватися або повертатись.
- Теорію відносності люблять пояснювати на космічних прикладах. Це відбувається тому, що зі збільшенням швидкості і відстані ефекти посилюються, особливо враховуючи, що світло своєї швидкості не змінює. Крім того, у вакуумі ніщо не перешкоджає поширенню світла. Отже, другий принцип проголошує сталість швидкості світла. Якщо зміцнити і включити джерело випромінювання на космічному кораблі, то що б не сталося з самим кораблем: він може переміщатися з великою швидкістю, висіти нерухомо або зовсім зникнути разом з випромінювачем, спостерігач зі станції побачить світло через однаковий при всіх казусах проміжок часу.
Загальна теорія відносності.
З 1907 по 1916 р. Ейнштейн займався створенням Загальної теорії відносності. У цьому розділі фізики вивчається рух матеріальних тіл взагалі, об'єкти можуть прискорюватися та змінювати траєкторії. Загальна теорія відносності поєднує в собі вчення про простір і час з теорією тяжіння, встановлює між ними залежності. Також відома інша назва: геометрична теорія тяжіння. Загальна теорія відносності спирається висновки спеціальної. Математичні викладки у разі надзвичайно складні.
Спробуймо пояснити без формул.
Постулати Загальної теорії відносності:
- середовище, в якому розглядаються об'єкти та їх рух, є чотиривимірним;
- всі тіла падають із постійною швидкістю.
Перейдемо до подробиць.
Отже, у ВТО Ейнштейн використовує чотири виміри: звичайний тривимірний простір він доповнив часом. Отриману структуру вчені називають просторово-часовим континуумом або простір - час. Стверджується, що чотиривимірні об'єкти незмінні під час руху, ми здатні сприймати лише їх тривимірні проекції. Тобто як не гни лінійку, побачиш лише проекції невідомого 4-мірного тіла. Просторово-часовий континуум Ейнштейн вважав неподільним.
Щодо тяжіння Ейнштейн висунув наступний постулат: гравітація є викривленням простору-часу.
Тобто, за Ейнштейном, падіння яблука на голову винахідника не є наслідком тяжіння, а наслідком присутності маси-енергії в постраждалій точці простору-часу. На плоскому прикладі: візьмемо полотно, розтягнемо його на чотирьох опорах, помістимо на нього тіло, бачимо вм'ятину на полотні; легші тіла, що опинилися поблизу першого об'єкта, будуть скочуватися (не притягуватися) внаслідок викривлення полотна.
Так доведено, що промені світла викривляються в присутності тіл, що гравітують. Також експериментально підтверджено уповільнення часу із збільшенням висоти. Ейнштейн зробив висновок, що простір-час викривляється в присутності масивного тіла та гравітаційне прискорення – лише проекція у 3D рівномірного руху у 4-мірному просторі. А траєкторія дрібних тіл, що скочуються на полотні у бік більшого об'єкта, залишається прямолінійною для них самих.
В даний час ОТО є лідером серед інших теорій гравітації та використовується на практиці інженерами, астрономами та розробниками супутникової навігації. Альберт Ейнштейн фактично є великим перетворювачем науки та концепції природознавства. Крім теорії відносності, він створив теорію броунівського руху, досліджував квантову теорію світла, брав участь у розробці основ квантової статистики.
Використання матеріалів сайту дозволено лише за умови розміщення активного посилання на джерело.