Au début du 20e siècle, il a été formuléthéorie de la relativité. Ce que c'est et qui est son créateur, chaque écolier le sait aujourd'hui. C'est tellement fascinant que même les gens qui sont loin de la science s'y intéressent. Cet article décrit la théorie de la relativité dans un langage accessible: ce qu'elle est, quels sont ses postulats et ses applications.
Ils disent qu'à Albert Einstein, son créateur,la perspicacité est venue en un instant. Le scientifique semblait conduire un tramway à Berne, en Suisse. Il regarda l'horloge de la rue et se rendit soudain compte que cette horloge s'arrêterait si le tram accélérait à la vitesse de la lumière. Dans ce cas, il n'y aurait pas de temps. Le temps joue un rôle très important dans la théorie de la relativité. L'un des postulats formulés par Einstein est que différents observateurs perçoivent la réalité de différentes manières. Cela s'applique en particulier au temps et à la distance.
Prise en compte de la position de l'observateur
Ce jour-là, Albert se rendit compte que, dans la languescience, la description de tout phénomène ou événement physique dépend du cadre de référence dans lequel se trouve l'observateur. Par exemple, si un passager du tram laisse tomber ses lunettes, elles tomberont verticalement vers le bas par rapport à elle. Si vous regardez de la position d'un piéton debout dans la rue, la trajectoire de sa chute correspondra à une parabole, car le tramway se déplace et des points tombent en même temps. Ainsi, chacun a son propre cadre de référence. Nous proposons de considérer plus en détail les postulats de base de la théorie de la relativité.
Loi de mouvement distribué et principe de relativité
Malgré le fait que lors du changement de référentielles descriptions des événements changent, il y a des choses universelles qui restent inchangées. Pour comprendre cela, il faut se poser la question non pas de la chute des lunettes, mais de la loi de la nature qui provoque cette chute. Pour tout observateur, qu'il soit dans un système de coordonnées mobile ou stationnaire, la réponse à cela reste inchangée. Cette loi s'appelle la loi du trafic distribué. Il fonctionne de la même manière dans le tram et dans la rue. En d'autres termes, si la description des événements dépend toujours de celui qui les observe, cela ne s'applique pas aux lois de la nature. Ils sont, comme il est d'usage de s'exprimer en langage scientifique, invariants. C'est le principe de la relativité.
Les deux théories d'Einstein
Ce principe, comme toute autre hypothèse,il fallait d'abord vérifier, le corréler avec les phénomènes naturels opérant dans notre réalité. Einstein a déduit 2 théories du principe de relativité. Bien qu'ils soient liés, ils sont considérés comme distincts.
Théorie de la relativité privée ou spéciale(SRT) est basée sur la proposition que pour toutes sortes de référentiels dont la vitesse est constante, les lois de la nature restent les mêmes. La théorie de la relativité générale (GTR) étend ce principe à n'importe quel cadre de référence, y compris ceux qui se déplacent avec l'accélération. En 1905, A. Einstein a publié la première théorie. Le second, plus complexe en termes d'appareil mathématique, est achevé en 1916. La création de la théorie de la relativité, à la fois SRT et GRT, est devenue une étape importante dans le développement de la physique. Attardons-nous sur chacun d'eux plus en détail.
Théorie spéciale de la relativité
Qu'est-ce que c'est, quelle est son essence?Répondons à cette question. C'est cette théorie qui prédit de nombreux effets paradoxaux qui contredisent nos idées intuitives sur le fonctionnement du monde. Nous parlons des effets observés lorsque la vitesse du mouvement s'approche de la vitesse de la lumière. Le plus connu d'entre eux est l'effet de la dilatation du temps (horloge). L'horloge qui bouge par rapport à l'observateur va plus lentement pour lui que celles qui sont entre ses mains.
Dans le système de coordonnées lors d'un déplacement avec vitesse,proche de la vitesse de la lumière, le temps est étiré par rapport à l'observateur, et la longueur des objets (étendue spatiale), au contraire, est comprimée selon l'axe de la direction de ce mouvement. Les scientifiques appellent cet effet la contraction de Lorenz-Fitzgerald. En 1889, il a été décrit par George Fitzgerald, un physicien italien. Et en 1892, Hendrik Lorenz, un Néerlandais, l'a complété. Cet effet explique le résultat négatif de l'expérience Michelson-Morley, dans laquelle la vitesse de notre planète dans l'espace extra-atmosphérique est déterminée en mesurant le "vent d'éther". Ce sont les postulats de base de la théorie de la relativité (spéciale). Einstein a complété ces équations avec une formule de transformation de masse, faite par analogie. Selon elle, à mesure que la vitesse d'un corps s'approche de la vitesse de la lumière, la masse du corps augmente. Par exemple, si la vitesse est de 260 mille km / s, soit 87% de la vitesse de la lumière, du point de vue d'un observateur qui est dans un référentiel au repos, la masse de l'objet doublera.
Confirmations STO
Toutes ces dispositions, peu importe comment elles contredisentle bon sens, depuis l'époque d'Einstein trouve une confirmation directe et complète dans de nombreuses expériences. L'un d'eux a été mené par des scientifiques de l'Université du Michigan. Cette curieuse expérience confirme la théorie de la relativité en physique. Les chercheurs ont placé une horloge atomique ultra-précise à bord d'un avion de ligne effectuant régulièrement des vols transatlantiques. Chaque fois après son retour à l'aéroport, les lectures de ces horloges ont été comparées à celles de contrôle. Il s'est avéré que l'horloge de l'avion était de plus en plus en retard par rapport au contrôle. Bien sûr, nous ne parlions que de chiffres insignifiants, des fractions de seconde, mais le fait lui-même est très révélateur.
Depuis un demi-siècle, les chercheurs étudientparticules élémentaires sur accélérateurs - énormes complexes matériels. En eux, des faisceaux d'électrons ou de protons, c'est-à-dire des particules subatomiques chargées, sont accélérés jusqu'à ce que leurs vitesses se rapprochent de la vitesse de la lumière. Après cela, ils tirent sur des cibles nucléaires. Dans ces expériences, il est nécessaire de prendre en compte le fait que la masse des particules augmente, sinon les résultats de l'expérience défient l'interprétation. À cet égard, SRT n'est plus seulement une théorie hypothétique. Il est devenu l'un des outils utilisés dans l'ingénierie appliquée, avec les lois newtoniennes de la mécanique. Les principes de la théorie de la relativité ont trouvé aujourd'hui une grande application pratique.
Lois de SRT et de Newton
À propos, en parlant des lois de Newton (un portrait descientifique est présenté ci-dessus), il faut dire que la théorie spéciale de la relativité, qui semble les contredire, reproduit en réalité les équations des lois de Newton presque exactement si elle est utilisée pour décrire des corps dont la vitesse de mouvement est bien inférieure à la vitesse de lumière. En d'autres termes, si la relativité restreinte est appliquée, la physique newtonienne n'est pas du tout annulée. Cette théorie, au contraire, la complète et l'élargit.
La vitesse de la lumière est une constante universelle
En utilisant le principe de relativité, on peut comprendrepourquoi dans ce modèle de la structure du monde c'est la vitesse de la lumière qui joue un rôle très important, et pas autre chose. Cette question est posée par ceux qui commencent tout juste leur connaissance de la physique. La vitesse de la lumière est une constante universelle du fait qu'elle est définie comme telle par la loi des sciences naturelles (vous pouvez en savoir plus à ce sujet en étudiant les équations de Maxwell). La vitesse de la lumière dans le vide, en vertu du principe de relativité, dans n'importe quel référentiel est la même. Vous pourriez penser que cela est contraire au bon sens. Il s'avère que la lumière atteint simultanément l'observateur à partir d'une source stationnaire et d'une source en mouvement (quelle que soit la vitesse à laquelle elle se déplace). Mais ce n’est pas le cas. La vitesse de la lumière, en raison de son rôle particulier, occupe une place centrale non seulement dans la relativité spéciale, mais aussi dans la relativité générale. Parlons-en aussi.
Théorie générale de la relativité
Il est utilisé, comme nous l'avons dit, pour tout le monderéférentiels, pas nécessairement ceux dont la vitesse les uns par rapport aux autres est constante. Mathématiquement, cette théorie semble beaucoup plus compliquée qu'une théorie spéciale. Ceci explique le fait que 11 ans se sont écoulés entre leurs publications. La relativité générale inclut le cas spécial comme cas particulier. Par conséquent, les lois de Newton y sont également incluses. Cependant, la relativité générale va beaucoup plus loin que ses prédécesseurs. Par exemple, cela explique la gravité d'une nouvelle manière.
Quatrième dimension
Grâce à la relativité générale, le monde devient quadridimensionnel:le temps est ajouté à trois dimensions spatiales. Tous sont inséparables, il n'est donc plus nécessaire de parler de la distance spatiale qui existe dans le monde tridimensionnel entre deux objets. Nous parlons maintenant des intervalles spatio-temporels entre différents événements, en unissant à la fois leur éloignement spatial et temporel les uns des autres. En d'autres termes, le temps et l'espace dans la théorie de la relativité sont considérés comme une sorte de continuum à quatre dimensions. Il peut être défini comme un espace-temps. Dans ce continuum, les observateurs qui se déplacent l'un par rapport à l'autre auront des opinions différentes même sur le fait de savoir si deux événements se sont produits simultanément ou si l'un d'entre eux a précédé l'autre. Cependant, la relation de cause à effet n'est pas violée. En d'autres termes, l'existence d'un tel système de coordonnées, où deux événements se produisent dans une séquence différente et non simultanément, ne permet même pas la relativité générale.
Relativité générale et loi de la gravitation universelle
Selon la loi de la gravitation universelle, découverteNewton, la force d'attraction mutuelle existe dans l'univers entre deux corps quelconques. Depuis cette position, la Terre tourne autour du Soleil, car il existe des forces d'attraction mutuelle entre eux. Néanmoins, la relativité générale nous oblige à regarder ce phénomène de l'autre côté. La gravité, selon cette théorie, est une conséquence de la «courbure» (déformation) de l'espace-temps, qui s'observe sous l'influence de la masse. Plus le corps est lourd (dans notre exemple, le Soleil), plus l'espace-temps "se plie" en dessous. En conséquence, son champ gravitationnel est le plus fort.
Afin de mieux comprendre l'essence de la théorierelativité, tournons-nous vers la comparaison. La Terre, selon la relativité générale, tourne autour du Soleil comme une petite boule qui roule autour du cône d'un entonnoir créé à la suite de la «poussée» du Soleil dans l'espace-temps. Et ce que nous avons l'habitude de considérer comme la force de gravité est en fait une manifestation externe de cette courbure, et non une force, dans la compréhension de Newton. À ce jour, aucune meilleure explication du phénomène de la gravité que celle proposée en relativité générale n'a été trouvée.
Façons de vérifier GRT
Notez que GRT n'est pas facile à vérifier, car sonles résultats en conditions de laboratoire correspondent presque à la loi de la gravitation universelle. Cependant, les scientifiques ont mené un certain nombre d'expériences importantes. Leurs résultats nous permettent de conclure que la théorie d'Einstein est confirmée. La relativité générale permet également d'expliquer divers phénomènes observés dans l'espace. Ce sont, par exemple, de petites déviations de Mercure par rapport à son orbite stationnaire. Ils ne peuvent pas être expliqués du point de vue de la mécanique classique newtonienne. C'est aussi pourquoi le rayonnement électromagnétique émanant d'étoiles éloignées se courbe lorsqu'il se déplace près du Soleil.
Les résultats prédits par la relativité générale sont en faitdiffèrent significativement de celles données par les lois de Newton (son portrait est présenté ci-dessus), uniquement lorsque des champs gravitationnels très puissants sont présents. Par conséquent, pour une vérification à part entière de la relativité générale, soit des mesures très précises d'objets de masse énorme, soit des trous noirs sont nécessaires, car nos idées habituelles leur sont inapplicables. Par conséquent, le développement de méthodes expérimentales pour tester cette théorie est l'une des principales tâches de la physique expérimentale moderne.
L'esprit de nombreux scientifiques et de personnes éloignées de la scienceest occupé par la théorie de la relativité créée par Einstein. Qu'est-ce que c'est, nous l'avons brièvement dit. Cette théorie renverse nos idées habituelles sur le monde, de sorte que l'intérêt pour elle ne s'est toujours pas effacé.
