В началото на 20-ти век тя е формулиранатеория на относителността. Какво представлява и кой е неговият създател, всеки ученик знае днес. Толкова е очарователно, че дори хора, далеч от науката, се интересуват от него. Тази статия описва теорията на относителността на достъпен език: какво представлява тя, какви са нейните постулати и приложения.
Казват, че на Алберт Айнщайн, неговият създател,прозрението дойде за миг. Ученият сякаш се возеше на трамвай в Берн, Швейцария. Той погледна уличния часовник и изведнъж осъзна, че часовникът ще спре, ако трамвайът се ускори до светлинната скорост. В този случай нямаше да има време. Времето играе много важна роля в теорията на относителността. Един от формулираните от Айнщайн постулати е, че различните наблюдатели възприемат реалността по различен начин. Това важи по-специално за времето и разстоянието.
Като се вземе предвид позицията на наблюдателя
На този ден Алберт осъзна това на езикнаука, описанието на всяко физическо явление или събитие зависи от това в каква референтна рамка се намира наблюдателят. Например, ако пътник на трамвай изпусне очилата си, те ще паднат вертикално надолу спрямо нея. Ако погледнете от позицията на пешеходец, стоящ на улицата, тогава траекторията на тяхното падане ще съответства на парабола, тъй като трамваят се движи и точките падат едновременно. По този начин всеки има своя собствена референтна рамка. Предлагаме да разгледаме по-подробно основните постулати на теорията на относителността.
Закон за разпределено движение и принцип на относителността
Въпреки факта, че при смяна на референтни рамкиописанията на събитията се променят, има универсални неща, които остават непроменени. За да разберем това, трябва да зададем въпроса не за падането на очилата, а за природния закон, който причинява това падане. За всеки наблюдател, независимо дали се намира в движеща се или неподвижна координатна система, отговорът на нея остава непроменен. Този закон се нарича закон на разпределения трафик. Работи по един и същ начин както в трамвая, така и на улицата. С други думи, ако описанието на събитията винаги зависи от това кой ги наблюдава, това не важи за природните закони. Те са, както е обичайно да се изразяват на научен език, неизменни. Това е принципът на относителността.
Двете теории на Айнщайн
Този принцип, както всяка друга хипотеза,трябваше първо да се провери, като се съотнесе с природните явления, действащи в нашата реалност. Айнщайн извежда 2 теории от принципа на относителността. Въпреки че са свързани, те се считат за отделни.
Частна или специална теория на относителността(SRT) се основава на твърдението, че за всички видове референтни рамки, чиято скорост е постоянна, природните закони остават същите. Общата теория на относителността (GR) разширява този принцип върху всякаква референтна система, включително тези, които се движат с ускорение. През 1905 г. А. Айнщайн публикува първата теория. Вторият, по-сложен от гледна точка на математическия апарат, е завършен до 1916г. Създаването на теорията на относителността, както SRT, така и GRT, се превърна във важен етап в развитието на физиката. Нека се спрем на всеки от тях по-подробно.
Специална теория на относителността
Какво е това, каква е неговата същност? Нека отговорим на този въпрос. Именно тази теория предсказва много парадоксални ефекти, които противоречат на нашите интуитивни идеи за това как работи светът. Говорим за онези ефекти, които се наблюдават, когато скоростта на движение се доближи до скоростта на светлината. Най-известният сред тях е ефектът от разширението на времето (часовник). Часовникът, който се движи спрямо наблюдателя, върви по-бавно за него от тези, които са в ръцете му.
В координатната система, когато се движите със скорост,приближавайки скоростта на светлината, времето се разтяга спрямо наблюдателя, а дължината на обектите (пространствена степен), напротив, се компресира по оста на посоката на това движение. Учените наричат този ефект контракцията на Лоренц-Фицджералд. Още през 1889 г. той е описан от Джордж Фицджералд, италиански физик. И през 1892 г. Хендрик Лоренц, холандец, го допълва. Този ефект обяснява отрицателния резултат от експеримента на Майкълсън-Морли, при който скоростта на нашата планета в космоса се определя чрез измерване на "етерния вятър". Това са основните постулати на теорията на относителността (специални). Айнщайн допълва тези уравнения с формула за преобразуване на маса, направена по аналогия. Според нея, когато скоростта на тялото се приближава до скоростта на светлината, масата на тялото се увеличава. Например, ако скоростта е 260 хил. Км / сек, т.е. 87% от скоростта на светлината, от гледна точка на наблюдател, който е в опорна рамка в покой, масата на обекта ще се удвои.
STO потвърждения
Всички тези разпоредби, колкото и да противоречатздрав разум, тъй като времето на Айнщайн намира пряко и пълно потвърждение в много експерименти. Едно от тях е проведено от учени от университета в Мичиган. Този любопитен опит потвърждава теорията на относителността във физиката. Изследователите поставят ултра прецизен атомен часовник на борда на самолета, който редовно извършва трансатлантически полети. Всеки път след завръщането му на летището показанията на тези часовници се проверяваха спрямо контролните. Оказа се, че часовникът в самолета всеки път изостава все повече и повече от контролния часовник. Разбира се, говорехме само за незначителни цифри, части от секундата, но самият факт е много показателен.
През последния половин век изследователите изучавателементарни частици на ускорители - огромни хардуерни комплекси. В тях лъчите от електрони или протони, тоест заредени субатомни частици, се ускоряват, докато скоростите им се приближат до скоростта на светлината. След това те стрелят по ядрени цели. При тези експерименти е необходимо да се вземе предвид фактът, че масата на частиците се увеличава, в противен случай резултатите от експеримента се противопоставят на интерпретацията. В това отношение SRT вече не е само хипотетична теория. Той се превърна в един от инструментите, които се използват в приложното инженерство, заедно с нютоновите закони на механиката. Принципите на теорията на относителността са намерили голямо практическо приложение днес.
SRT и законите на Нютон
Между другото, говорейки за законите на Нютон (портрет на товаучен е представен по-горе), трябва да се каже, че специалната теория на относителността, която привидно им противоречи, всъщност възпроизвежда уравненията на законите на Нютон почти точно, ако се използва за описване на тела, чиято скорост на движение е много по-малка от скоростта на светлина. С други думи, ако се прилага специална теория на относителността, нютоновата физика изобщо не се отменя. Тази теория, напротив, я допълва и разширява.
Скоростта на светлината е универсална константа
Използвайки принципа на относителността, човек може да разберезащо в този модел на устройството на света много важна роля играе скоростта на светлината, а не нещо друго. Този въпрос си задават онези, които тепърва започват запознаването си с физиката. Скоростта на светлината е универсална константа поради факта, че тя се определя като такава от естествения научен закон (можете да научите повече за това, като изучавате уравненията на Максуел). Скоростта на светлината във вакуум, поради действието на принципа на относителността, във всяка референтна рамка е еднаква. Може би си мислите, че това противоречи на здравия разум. Оказва се, че светлината едновременно достига наблюдателя както от неподвижен източник, така и от движещ се (независимо от скоростта, с която се движи). Това обаче не е така. На скоростта на светлината, поради нейната специална роля, се отрежда централно място не само в специалната, но и в общата теория на относителността. Да поговорим и за това.
Обща теория на относителността
Използва се, както казахме, за всичкиреферентни рамки, не е задължително тези, чиято скорост на движение един спрямо друг е постоянна. Математически тази теория изглежда много по-сложна от специалната. Това обяснява факта, че са минали 11 години между техните публикации. Общата теория на относителността включва специален като специален случай. Следователно, законите на Нютон също са включени в него. Общата теория на относителността обаче отива много по-далеч от своите предшественици. Например, тя обяснява гравитацията по нов начин.
Четвърто измерение
Благодарение на общата теория на относителността светът става четириизмерен:времето се добавя към три пространствени измерения. Всички те са неразделни, следователно вече не е необходимо да се говори за пространственото разстояние, което съществува в триизмерния свят между два обекта. Сега говорим за пространствено-времеви интервали между различни събития, обединяващи както пространствена, така и времева отдалеченост от тях един от друг. С други думи, времето и пространството в теорията на относителността се разглеждат като един вид четириизмерен континуум. Може да се определи като пространство-време. В този континуум тези наблюдатели, които се движат един спрямо друг, ще имат различни мнения дори относно това дали две събития са се случили едновременно или едно от тях е предшествало другото. Причинно-следствената връзка обаче не се нарушава. С други думи, съществуването на такава координатна система, където две събития се случват в различни последователности, а не едновременно, дори не позволява обща теория на относителността.
Обща теория на относителността и закона за гравитацията
Според закона за всеобщата гравитация, откритНютон, силата на взаимното привличане съществува във Вселената между всякакви две тела. От това положение Земята се върти около Слънцето, тъй като между тях има сили на взаимно привличане. Въпреки това, общата теория на относителността ни принуждава да погледнем на това явление от другата страна. Според тази теория гравитацията е следствие от „кривината“ (деформацията) на пространството-времето, която се наблюдава под влиянието на масата. Колкото по-тежко е тялото (в нашия пример Слънцето), толкова повече пространство-време се "огъва" под него. Съответно гравитационното му поле е по-силно.
За да се разбере по-добре същността на теориятаотносителност, нека се обърнем към сравнението. Според общата теория на относителността Земята се върти около Слънцето като малка топка, която се търкаля около конуса на фуния, създадена в резултат на „изтласкването“ на Слънцето в пространството-времето. И това, което сме свикнали да считаме за силата на гравитацията, всъщност е външно проявление на тази кривина, а не сила, според разбирането на Нютон. Към днешна дата не е намерено по-добро обяснение на феномена на гравитацията от това, предложено в общата теория на относителността.
Методи за проверка на общата теория на относителността
Имайте предвид, че GRT не е лесно да се провери, тъй като ерезултатите в лабораторни условия почти съответстват на закона за всеобщата гравитация. Учените обаче проведоха редица важни експерименти. Техните резултати ни позволяват да заключим, че теорията на Айнщайн е потвърдена. Общата теория на относителността също помага да се обяснят различни явления, наблюдавани в космоса. Това са например малки отклонения на Меркурий от неговата неподвижна орбита. От гледна точка на класическата механика на Нютон те не могат да бъдат обяснени. Ето защо електромагнитното излъчване, излъчвано от далечни звезди, се огъва, докато пътува близо до Слънцето.
Резултатите, предсказани от общата теория на относителността, всъщност сасе различават значително от тези, които дават законите на Нютон (неговият портрет е представен по-горе), само когато има свръхсилни гравитационни полета. Следователно за пълноценна проверка на общата теория на относителността са необходими или много точни измервания на обекти с огромна маса, или черни дупки, тъй като обичайните ни идеи са неприложими за тях. Следователно разработването на експериментални методи за тестване на тази теория е една от основните задачи на съвременната експериментална физика.
Умовете на много учени и хора далеч от наукатае заета от теорията на относителността, създадена от Айнщайн. Какво представлява, разказахме накратко. Тази теория отменя обичайните ни представи за света, така че интересът към нея все още не изчезва.
