20世紀の初めに、それは策定されました相対性理論。それが何であるか、そしてその作成者が誰であるか、すべての学童は今日知っています。科学から遠く離れた人でも興味を持ってくれるほど魅力的です。この記事では、アクセシブルな言語での相対性理論について説明します。それは何であり、その仮定と応用は何ですか。
彼らは、その作成者であるアルバート・アインシュタインに、洞察は一瞬でやって来ました。科学者はスイスのベルンでトラムに乗っているようでした。彼は通りの時計を見て、路面電車が光速まで加速するとこの時計が止まることに突然気づきました。この場合、時間がありません。時間は相対性理論において非常に重要な役割を果たします。アインシュタインによって定式化された仮説の1つは、さまざまな観察者がさまざまな方法で現実を知覚するというものです。これは特に時間と距離に当てはまります。
オブザーバーの位置を考慮に入れる
その日、アルバートは言語でそれを実現しました科学では、物理的な現象やイベントの説明は、観察者がいる基準の枠組みによって異なります。たとえば、路面電車の乗客が眼鏡を落とした場合、眼鏡は彼女に対して垂直に下向きに落下します。通りに立っている歩行者の位置から見ると、路面電車が動いていてポイントが同時に落下しているため、落下の軌跡は放物線に対応します。したがって、誰もが独自の基準枠を持っています。相対性理論の基本的な仮説をより詳細に検討することを提案します。
分散運動の法則と相対性原理
参照フレームを変更するときという事実にもかかわらずイベントの説明は変わりますが、変わらない普遍的なものがあります。これを理解するためには、眼鏡の落下ではなく、この落下を引き起こす自然の法則について質問する必要があります。どのオブザーバーにとっても、移動座標系か静止座標系かに関係なく、その答えは変わりません。この法則は、分散トラフィックの法則と呼ばれます。トラムでも路上でも同じように機能します。言い換えれば、イベントの説明が常にそれらを観察している人に依存している場合、これは自然法則には適用されません。それらは、科学的な言葉で表現するのが通例であるため、不変です。これが相対性原理です。
アインシュタインの2つの理論
この原則は、他の仮説と同様に、最初にチェックし、それを私たちの現実で動作している自然現象と相関させる必要がありました。アインシュタインは相対性原理から2つの理論を推論しました。それらは関連していますが、別々であると見なされます。
相対性理論の私的または特別な理論（SRT）は、速度が一定であるすべての種類の参照フレームについて、自然法則は同じままであるという命題に基づいています。一般相対性理論（GR）は、この原理を、加速とともに動くものを含む、あらゆる基準系に拡張します。 1905年にA.アインシュタインは最初の理論を発表しました。 2番目の、数学的な装置の点でより複雑なものは、1916年までに完成しました。 SRTとGRTの両方の相対性理論の作成は、物理学の発展における重要な段階になりました。それぞれについて詳しく見ていきましょう。
特殊相対性理論
それは何ですか、その本質は何ですか？この質問に答えましょう。世界がどのように機能するかについての私たちの直感的な考えと矛盾する多くの逆説的な効果を予測するのはこの理論です。これらは、移動速度が光速に近づくときに観察される効果です。その中で最も有名なのは時間の遅れ（時計）の影響です。オブザーバーに対して動く時計は、彼の手にある時計よりも遅くなります。
速度で移動するときの座標系では、光の速度に近づくと、時間は観察者に対して引き伸ばされ、反対に、オブジェクトの長さ（空間範囲）はこの移動方向の軸に沿って圧縮されます。科学者たちはこの効果をローレンツ-フィッツジェラルドの収縮と呼んでいます。 1889年に、それはイタリアの物理学者であるジョージフィッツジェラルドによって説明されました。そして1892年にオランダ人のヘンドリック・ロレンツがそれを補った。この効果は、宇宙空間での私たちの惑星の移動速度が「エーテル風」を測定することによって決定されるマイケルソン-モーリー実験の否定的な結果を説明しています。これらは相対性理論（特殊相対性理論）の基本的な仮定です。アインシュタインは、類推によって作成された質量変換式でこれらの方程式を補足しました。彼女によると、体の速度が光速に近づくにつれて、体の質量は増加します。たとえば、静止座標系にいる観測者の観点から、速度が26万km / s、つまり光速の87％である場合、オブジェクトの質量は2倍になります。
STOの確認
これらすべての規定は、どのように矛盾していてもアインシュタインの時代は多くの実験で直接かつ完全な確認を見つけたので、常識です。それらの1つは、ミシガン大学の科学者によって実施されました。この奇妙な経験は、物理学における相対性理論を裏付けています。研究者たちは、定期的に大西洋横断飛行を行っていた航空機に超精密原子時計を搭載しました。彼が空港に戻った後、毎回、これらの時計の読みが対照の時計と照合されました。飛行機の時計は毎回制御時計よりもますます遅れていることがわかった。もちろん、私たちはわずかな数字、ほんの一瞬について話していましたが、事実自体は非常に示唆的です。
過去半世紀の間、研究者たちは研究を続けてきました加速器上の素粒子-巨大なハードウェア複合体。それらの中で、電子または陽子のビーム、すなわち、帯電した亜原子粒子は、それらの速度が光速に近づくまで加速されます。その後、彼らは核標的に発砲します。これらの実験では、粒子の質量が増加するという事実を考慮する必要があります。そうでない場合、実験の結果は解釈に反します。この点で、SRTはもはや単なる仮説理論ではありません。これは、ニュートン力学の法則とともに、応用工学で使用されるツールの1つになっています。相対性理論の原理は、今日、非常に実用的な応用が見出されています。
SRTとニュートンの法則
ちなみに、ニュートンの法則と言えば（これの肖像科学者は上に提示されています）、それらと矛盾しているように見える特殊相対性理論は、実際には、運動速度が光速よりはるかに遅い物体を記述するために使用される場合、ニュートンの法則の方程式をほぼ正確に再現します。光。言い換えれば、特殊相対性理論が適用された場合、ニュートン物理学はまったくキャンセルされません。それどころか、この理論はそれを補完し、拡張します。
光速は普遍的な定数です
相対性原理を使用して、人は理解することができますこの世界の構造のモデルで、非常に重要な役割を果たすのは光速であり、他の何かではないのはなぜですか。この質問は、物理学に精通し始めたばかりの人からの質問です。光の速度は、自然科学の法則によってそのように定義されているため、普遍的な定数です（これについては、マクスウェルの方程式を調べることで詳しく知ることができます）。相対性原理の作用により、どの基準系においても、真空中の光速は同じです。これは常識に反していると思われるかもしれません。光は、静止している光源と移動している光源の両方から同時に観測者に到達します（移動速度に関係なく）。しかし、そうではありません。光の速度は、その特別な役割のために、特別なだけでなく一般相対性理論においても中心的な位置を占めています。それについても話しましょう。
一般相対性理論
私たちが言ったように、それは皆のために使われます参照フレーム。必ずしも相互の移動速度が一定であるとは限りません。数学的には、この理論は特別な理論よりもはるかに複雑に見えます。これは、出版から11年が経過したという事実を説明しています。一般相対性理論には、特別な場合として特別なものが含まれます。したがって、ニュートンの法則も含まれています。しかし、一般相対性理論はその前任者よりもはるかに進んでいます。たとえば、重力を新しい方法で説明します。
4次元
一般相対性理論のおかげで、世界は4次元になります。時間は3つの空間次元に追加されます。それらはすべて切り離せないものであるため、2つのオブジェクト間の3次元世界に存在する空間距離について話す必要はありません。今、私たちはさまざまなイベント間の時空間間隔について話し、それらの相互の空間的および時間的遠隔性の両方を統合しています。言い換えれば、相対性理論における時間と空間は一種の4次元の連続体と見なされます。それは時空として定義することができます。この連続体では、2つのイベントが同時に発生したかどうか、または一方が他方に先行したかどうかについても、互いに対して移動するオブザーバーの意見は異なります。ただし、因果関係は侵害されません。言い換えれば、2つのイベントが同時にではなく異なるシーケンスで発生するような座標系の存在は、一般相対性理論さえも許しません。
一般相対性理論と重力の法則
万有引力の法則によると、発見されたニュートン、相互引力の力は、任意の2つの物体の間の宇宙に存在します。この位置から、地球は太陽の周りを回転します。これは、それらの間に相互引力の力があるためです。それにもかかわらず、一般相対性理論は私たちにこの現象を反対側から見させます。この理論によれば、重力は時空の「曲率」（変形）の結果であり、質量の影響下で観察されます。体が重いほど（この例では太陽）、その下で時空が「曲がる」ことが多くなります。したがって、その重力場はより強いです。
理論の本質をよりよく理解するために相対性理論、比較に移りましょう。一般相対性理論によれば、地球は、太陽が時空を「押す」結果として作成された漏斗の円錐の周りを転がる小さなボールのように、太陽の周りを回転します。そして、私たちが重力を考慮することに慣れているのは、実際には、ニュートンの理解では、力ではなく、この曲率の外部の現れです。今日まで、一般相対性理論で提案されているものよりも重力の現象のより良い説明は見つかりませんでした。
一般相対性理論をチェックする方法
GRTは検証が容易ではないことに注意してください。実験室条件での結果は、万有引力の法則にほぼ対応しています。しかし、科学者たちは多くの重要な実験を行いました。それらの結果は、アインシュタインの理論が確認されたと結論付けることを可能にします。一般相対性理論は、宇宙で観測されるさまざまな現象を説明するのにも役立ちます。これらは、例えば、水星の静止軌道からのわずかなずれです。ニュートン古典力学の観点からは、それらを説明することはできません。これは、遠くの星から放射される電磁放射が太陽の近くを通過するときに曲がる理由でもあります。
一般相対性理論によって予測された結果は実際には超強力な重力場がある場合にのみ、ニュートンの法則を与えるもの（彼の肖像画は上に示されています）とは大きく異なります。したがって、一般相対性理論の本格的な検証には、私たちの通常の考え方が適用できないため、巨大な質量の物体またはブラックホールの非常に正確な測定が必要です。したがって、この理論をテストするための実験方法の開発は、現代の実験物理学の主要なタスクの1つです。
多くの科学者の心、そして科学から遠く離れた人々アインシュタインによって作成された相対性理論によって占められています。それが何であるか、私たちは簡単に話しました。この理論は、私たちの通常の世界観を覆すものであるため、それに対する関心は衰えることはありません。
