Még a 20. század elején fogalmazták megrelativitás-elmélet. Hogy mi az, és ki az alkotója, ma már minden iskolás tudja. Olyan lenyűgöző, hogy még a tudománytól távol eső embereket is érdekli. Ez a cikk ismerteti a relativitáselméletet egy hozzáférhető nyelven: mi ez, milyen posztulátumok és alkalmazások.
Ezt mondják Albert Einsteinnek, az alkotójának:a belátás egy pillanat alatt jött. Úgy tűnt, hogy a tudós villamoson közlekedik a svájci Bernben. Az utcai órára nézett, és hirtelen rájött, hogy ez az óra leáll, ha a villamos fénysebességre gyorsul. Ebben az esetben nem lenne idő. Az idő nagyon fontos szerepet játszik a relativitáselméletben. Az Einstein által megfogalmazott egyik posztulátum az, hogy a különböző megfigyelők különböző módon érzékelik a valóságot. Ez különösen az időre és a távolságra vonatkozik.
Figyelembe véve a megfigyelő helyzetét
Ezen a napon Albert rájött, hogy a nyelvtudomány, bármely fizikai jelenség vagy esemény leírása attól függ, hogy a megfigyelő milyen referenciakeretben van. Például, ha egy villamos utas eldobja a szemüvegét, függőlegesen lefelé esnek neki. Ha az utcán álló gyalogos helyzetéből nézünk, akkor leesésük pályája egy parabolának felel meg, mivel a villamos mozog és a pontok egyszerre esnek. Így mindenkinek megvan a saját referenciakerete. Javasoljuk, hogy vizsgálja meg részletesebben a relativitáselmélet alapvető posztulátumait.
Elosztott mozgástörvény és a relativitás elve
Annak ellenére, hogy a referenciakeretek megváltoztatásakoraz események leírása megváltozik, vannak egyetemes dolgok, amelyek változatlanok maradnak. Ennek megértése érdekében nem a szemüvegesés kérdését kell feltenni, hanem az e zuhanást kiváltó természeti törvényt. Bármely megfigyelő számára, függetlenül attól, hogy mozgó vagy álló koordinátarendszerben van-e, a válasz erre változatlan marad. Ezt a törvényt az elosztott forgalom törvényének nevezzük. Ugyanúgy működik a villamoson és az utcán is. Más szavakkal, ha az események leírása mindig attól függ, ki figyeli őket, akkor ez nem vonatkozik a természet törvényeire. Ők, ahogy szokás, hogy tudományos nyelven fejezik ki magukat, változatlanok. Ez a relativitás elve.
Einstein két elmélete
Ez az elv, mint bármely más hipotézis,először ellenőrizni kellett, korrelálva a valóságunkban működő természeti jelenségekkel. Einstein 2 elméletet vezetett le a relativitás elvéből. Bár rokonok, különállónak tekintik őket.
Privát vagy speciális relativitáselmélet(SRT) azon a felvetésen alapul, hogy mindenféle referenciakeret esetében, amelynek sebessége állandó, a természet törvényei változatlanok maradnak. Az általános relativitáselmélet (GR) kiterjeszti ezt az elvet minden referenciakeretre, beleértve azokat is, amelyek gyorsulással mozognak. 1905-ben A. Einstein közzétette az első elméletet. A második, matematikai apparátus szempontjából összetettebb, 1916-ra készült el. A relativitáselmélet megalkotása, mind az SRT, mind a GRT, a fizika fejlődésének fontos állomásává vált. Várakozzunk mindegyiken részletesebben.
Speciális relativitáselmélet
Mi ez, mi a lényege?Válaszoljunk erre a kérdésre. Ez az elmélet sok paradox hatást jósol, amelyek ellentmondanak a világ működésével kapcsolatos intuitív elképzeléseinknek. Ezek azok a hatások, amelyek akkor figyelhetők meg, amikor a mozgás sebessége megközelíti a fény sebességét. Közülük a leghíresebb az idő-dilatáció (óra) hatása. A megfigyelőhöz képest mozgó óra lassabban megy számára, mint azok, amelyek a kezében vannak.
A koordinátarendszerben, ha sebességgel halad,közel a fénysebességhez, az idő kinyújtódik a megfigyelőhöz képest, és a tárgyak hossza (térbeli kiterjedés) éppen ellenkezőleg, összenyomódik e mozgás irányának tengelye mentén. A tudósok ezt a hatást Lorenz-Fitzgerald összehúzódásnak hívják. Még 1889-ben George Fitzgerald olasz fizikus írta le. És 1892-ben Hendrik Lorenz holland kiegészítette. Ez a hatás magyarázza a Michelson-Morley kísérlet negatív eredményét, amelyben bolygónk mozgási sebességét a világűrben az "éterszél" mérésével határozzuk meg. Ezek a relativitáselmélet alapvető posztulátumai (speciális). Einstein kiegészítette ezeket az egyenleteket egy tömegtranszformációs képlettel, amelyet analógia útján készítettek. Szerinte, amikor egy test sebessége megközelíti a fénysebességet, a test tömege növekszik. Például, ha a sebesség 260 ezer km / s, vagyis a fénysebesség 87% -a, a nyugalmi referenciakeretben lévő megfigyelő szempontjából a tárgy tömege megduplázódik.
STO megerősítések
Mindezek a rendelkezések, bármennyire is ellentmondanak egymásnakjózan ész, mivel Einstein kora számos kísérletben közvetlen és teljes megerősítést talál. Az egyiket a Michigani Egyetem tudósai végezték. Ez a kíváncsi tapasztalat megerősíti a relativitáselméletet a fizikában. A kutatók ultrapontos atomórát helyeztek a repülőgép fedélzetére, amely rendszeresen transzatlanti járatokat hajtott végre. A reptérre való visszatérése után minden egyes alkalommal ezeknek az óráknak az értékeit ellenőrizték az ellenőrzőkkel. Kiderült, hogy a repülőgép órája minden alkalommal egyre jobban lemaradt az ellenőrző órától. Természetesen csak jelentéktelen adatokról, a másodperc töredékeiről beszéltünk, de maga a tény nagyon jelzésértékű.
Az elmúlt fél évszázadban a kutatók tanulmányoztakelemi részecskék a gyorsítókon - hatalmas hardverkomplexumok. Bennük az elektron- vagy protonnyalábok, vagyis a töltött szubatomi részecskék felgyorsulnak, amíg sebességük megközelíti a fénysebességet. Ezt követően nukleáris célpontokra lőnek. Ezekben a kísérletekben figyelembe kell venni azt a tényt, hogy a részecskék tömege növekszik, különben a kísérlet eredményei cáfolják az értelmezést. Ebben a tekintetben az SRT már nem csak hipotetikus elmélet. Ez az egyik alkalmazott eszköz lett az alkalmazott mérnöki munkában, a newtoni mechanikai törvényekkel együtt. A relativitáselmélet alapelvei manapság nagy gyakorlati alkalmazást találtak.
SRT és Newton törvényei
Egyébként Newton törvényeiről szólva (ennek portréjatudós fentebb bemutatásra került), meg kell mondani, hogy a relativitáselmélet speciális, amely látszólag ellentmond nekik, valójában szinte pontosan reprodukálja Newton törvényeinek egyenleteit, ha olyan testek leírására használják, amelyek mozgási sebessége sokkal kisebb, mint fény. Más szavakkal, ha speciális relativitáselméletet alkalmazunk, a newtoni fizika egyáltalán nem törlődik. Ez az elmélet éppen ellenkezőleg, kiegészíti és kibővíti.
A fénysebesség univerzális állandó
A relativitás elvét használva meg lehet értenia világ szerkezetének ebben a modelljében miért nagyon fontos szerepet játszik a fénysebesség, és nem valami más. Ezt a kérdést azok teszik fel, akik most kezdik megismerkedni a fizikával. A fénysebesség univerzális állandóság annak köszönhető, hogy a természettudományi törvény ilyennek definiálja (erről többet megtudhat Maxwell egyenleteinek tanulmányozásával). A fény sebessége vákuumban, a relativitás elvének hatása miatt, bármely referenciakeretben azonos. Azt gondolhatja, hogy ez ellentétes a józan ésszel. Kiderült, hogy a fény egyidejűleg éri el a megfigyelőt mind álló, mind mozgó forrásból (függetlenül attól, hogy milyen sebességgel mozog). De nem az. A fénysebesség különleges szerepe miatt központi helyet kap nemcsak a speciális, hanem az általános relativitáselméletben is. Beszéljünk róla is.
A relativitáselmélet általános elmélete
Mint mondtuk, mindenki számára használjákreferenciakeretek, nem feltétlenül azok, amelyeknek egymáshoz viszonyított mozgási sebessége állandó. Matematikailag ez az elmélet sokkal bonyolultabbnak tűnik, mint egy speciális. Ez magyarázza azt a tényt, hogy publikációik között 11 év telt el. Az általános relativitáselmélet speciális esetet tartalmaz. Következésképpen Newton törvényei is benne vannak. Az általános relativitáselmélet azonban jóval messzebb megy, mint elődei. Például a gravitációt új módon magyarázza.
Negyedik dimenzió
Az általános relativitáselméletnek köszönhetően a világ négydimenziósá válik:az idő három térdimenzióhoz adódik. Mindegyikük elválaszthatatlan, ezért már nem szükséges beszélni arról a térbeli távolságról, amely két tárgy közötti háromdimenziós világban létezik. Most a különböző események közötti tér-idő intervallumokról beszélünk, egyesítve mind térbeli, mind időbeli távolságukat egymástól. Más szavakkal, az idő és a tér a relativitáselméletben egyfajta négydimenziós kontinuumnak számít. Tér-időként definiálható. Ebben a folytonosságban azok a megfigyelők, akik egymáshoz képest mozognak, eltérő véleményt fogalmaznak meg arról is, hogy két esemény egyszerre történt-e, vagy egyikük megelőzte-e a másikat. Az ok-okozati összefüggést azonban nem sértik meg. Más szavakkal, egy ilyen koordináta-rendszer megléte, ahol két esemény különböző sorrendben történik, és nem egyszerre, még az általános relativitáselméletet sem teszi lehetővé.
Általános relativitáselmélet és a gravitáció törvénye
Az egyetemes gravitáció törvénye szerint felfedezettNewton, a kölcsönös vonzás ereje létezik az Univerzumban bármely két test között. Ebből a helyzetből a Föld a Nap körül forog, mivel vannak kölcsönös vonzerők közöttük. Ennek ellenére az általános relativitáselmélet arra kényszerít bennünket, hogy ezt a jelenséget a másik oldalról nézzük. A gravitáció ezen elmélet szerint a téridő "görbületének" (deformációjának) következménye, amelyet tömeg hatására figyelnek meg. Minél nehezebb a test (példánkban a Nap), annál több téridő "hajlik" alá. Ennek megfelelően a gravitációs mezője az erősebb.
Az elmélet lényegének jobb megértése érdekébenrelativitás, térjünk át az összehasonlításra. A Föld az általános relativitáselmélet szerint a Nap körül forog, mint egy kis golyó, amely a Nap térterének "tolása" eredményeként létrejött tölcsér kúpja körül forog. Amit pedig a gravitációs erőnek szoktunk tekinteni, az valójában ennek a görbületnek a külső megnyilvánulása, és nem erő, Newton szerint. A gravitáció jelenségére a mai napig nem sikerült jobb magyarázatot adni, mint az általános relativitáselméletben javasolt.
Módszerek az általános relativitásellenőrzéshez
Vegye figyelembe, hogy a GRT-t nem könnyű ellenőrizni, mivel aza laboratóriumi körülmények között elért eredmények szinte megfelelnek az univerzális gravitáció törvényének. A tudósok azonban számos fontos kísérletet elvégeztek. Eredményeik arra engednek következtetni, hogy Einstein elmélete beigazolódott. Az általános relativitáselmélet segít az űrben megfigyelt különféle jelenségek magyarázatában is. Ezek például a Merkúr kis eltérései álló pályájuktól. A newtoni klasszikus mechanika szempontjából nem magyarázhatók. A távoli csillagokból származó elektromágneses sugárzás ezért is hajlik a Nap közelében haladva.
Az általános relativitáselmélet által megjósolt eredmények valójábanszignifikánsan különböznek azoktól, amelyek Newton törvényeit adják (portréját fentebb mutatjuk be), csak akkor, ha vannak szupererős gravitációs mezők. Következésképpen az általános relativitáselmélet teljes körű igazolásához vagy hatalmas tömegű tárgyak nagyon pontos mérésére, vagy fekete lyukakra van szükség, mivel szokásos elképzeléseink nem alkalmazhatók számukra. Ezért ennek az elméletnek a tesztelésére szolgáló kísérleti módszerek kidolgozása a modern kísérleti fizika egyik fő feladata.
Sok tudós és a tudománytól távol álló emberek elméjeaz Einstein által létrehozott relativitáselmélet foglalja el. Mi ez, röviden elmondtuk. Ez az elmélet megdönti a világgal kapcsolatos szokásos elképzeléseinket, így az érdeklődés továbbra sem halványul el.
