Tilbake på begynnelsen av 1900-tallet ble den formulertrelativitetsteorien. Hva det er og hvem dens skaper er, vet hvert skolebarn i dag. Det er så fascinerende at selv folk langt fra vitenskapen er interessert i det. Denne artikkelen beskriver relativitetsteorien på et tilgjengelig språk: hva den er, hva er dens postulater og anvendelser.
De sier at til Albert Einstein, dens skaper,innsikt kom på et øyeblikk. Forskeren så ut til å kjøre trikk i Bern, Sveits. Han så på gateklokken og skjønte plutselig at denne klokken ville stoppe hvis trikken akselererte til lysets hastighet. I dette tilfellet ville det ikke være tid. Tid spiller en svært viktig rolle i relativitetsteorien. Et av postulatene Einstein har formulert er at ulike observatører oppfatter virkeligheten på ulike måter. Dette gjelder spesielt tid og avstand.
Tar hensyn til observatørens posisjon
Den dagen skjønte Albert det på språketvitenskap, avhenger beskrivelsen av ethvert fysisk fenomen eller hendelse av referanserammen observatøren befinner seg i. For eksempel, hvis en passasjer på en trikk mister brillene, vil de falle vertikalt nedover i forhold til henne. Hvis du ser fra posisjonen til en fotgjenger som står på gaten, vil banen for deres fall tilsvare en parabel, siden trikken beveger seg og punktene faller samtidig. Dermed har alle sin egen referanseramme. Vi foreslår å vurdere mer detaljert de grunnleggende postulatene til relativitetsteorien.
Loven om distribuert bevegelse og relativitetsprinsippet
Til tross for at ved endring av referanserammerbeskrivelser av hendelser endres, det er universelle ting som forblir uendret. For å forstå dette, må man stille spørsmålet ikke om brillernes fall, men om naturloven som forårsaker dette fallet. For enhver observatør, uansett om han er i et bevegelig eller stasjonært koordinatsystem, forblir svaret på det uendret. Denne loven kalles loven om distribuert trafikk. Det fungerer på samme måte både på trikken og på gaten. Med andre ord, hvis beskrivelsen av hendelser alltid avhenger av hvem som observerer dem, så gjelder ikke dette naturlovene. De er, som det er vanlig å uttrykke seg i vitenskapelig språk, invariante. Dette er relativitetsprinsippet.
Einsteins to teorier
Dette prinsippet, som enhver annen hypotese,det var nødvendig å først sjekke, korrelere det med naturfenomener som opererer i vår virkelighet. Einstein utledet to teorier fra relativitetsprinsippet. Selv om de er beslektet, anses de som separate.
Privat, eller spesiell, relativitetsteori(SRT) er basert på påstanden om at for alle typer referanserammer, hvis hastighet er konstant, forblir naturlovene de samme. Den generelle relativitetsteorien (GR) utvider dette prinsippet til enhver referanseramme, inkludert de som beveger seg med akselerasjon. I 1905 publiserte A. Einstein den første teorien. Den andre, mer komplisert når det gjelder matematiske apparater, ble fullført i 1916. Opprettelsen av relativitetsteorien, både SRT og GRT, ble et viktig stadium i utviklingen av fysikk. La oss dvele ved hver av dem mer detaljert.
Spesiell relativitetsteori
Hva er det, hva er essensen?La oss svare på dette spørsmålet. Det er denne teorien som forutsier mange paradoksale effekter som motsier våre intuitive ideer om hvordan verden fungerer. Dette er effektene som observeres når bevegelseshastigheten nærmer seg lysets hastighet. Den mest kjente blant dem er effekten av tidsutvidelse (klokke). Klokken som beveger seg i forhold til observatøren går saktere for ham enn de som er i hendene hans.
I koordinatsystemet når du beveger deg med hastighet,nær lysets hastighet strekkes tiden i forhold til observatøren, og lengden på objekter (romlig utstrekning), tvert imot, komprimeres langs aksen for retningen til denne bevegelsen. Forskere kaller denne effekten Lorenz-Fitzgerald-sammentrekningen. Tilbake i 1889 ble det beskrevet av George Fitzgerald, en italiensk fysiker. Og i 1892 supplerte Hendrik Lorenz, en nederlender, den. Denne effekten forklarer det negative resultatet av Michelson-Morley-eksperimentet, der bevegelseshastigheten til planeten vår i verdensrommet bestemmes ved å måle "etervinden". Dette er de grunnleggende postulatene til relativitetsteorien (spesiell). Einstein supplerte disse ligningene med en massetransformasjonsformel, laget ved analogi. Ifølge henne øker kroppens masse når hastigheten til en kropp nærmer seg lysets hastighet. For eksempel, hvis hastigheten er 260 tusen km / s, det vil si 87% av lysets hastighet, fra synspunktet til en observatør som er i en hvilende referanseramme, vil massen til objektet dobles.
STO-bekreftelser
Alle disse bestemmelsene, uansett hvordan de motsier demsunn fornuft, siden Einsteins tid finner direkte og fullstendig bekreftelse i mange eksperimenter. En av dem ble utført av forskere fra University of Michigan. Denne nysgjerrige opplevelsen bekrefter relativitetsteorien i fysikk. Forskerne plasserte en ultra-nøyaktig atomklokke om bord i et rutefly som regelmessig foretok transatlantiske flyvninger. Hver gang etter at han kom tilbake til flyplassen, ble avlesningene til disse klokkene kontrollert mot kontrollene. Det viste seg at klokken på flyet la mer og mer etter kontrollklokken for hver gang. Selvfølgelig snakket vi bare om ubetydelige tall, brøkdeler av et sekund, men selve faktum er veldig veiledende.
Det siste halve århundret har forskere studertelementære partikler på akseleratorer - enorme maskinvarekomplekser. I dem akselereres stråler av elektroner eller protoner, det vil si ladede subatomære partikler, til hastigheten deres nærmer seg lysets hastighet. Etter det skyter de mot atommål. I disse forsøkene er det nødvendig å ta hensyn til at massen til partiklene øker, ellers trosser resultatene av eksperimentet tolkning. I denne forbindelse er SRT ikke lenger bare en hypotetisk teori. Det har blitt et av verktøyene som brukes i anvendt ingeniørfag, sammen med newtonske lover for mekanikk. Prinsippene til relativitetsteorien har funnet stor praktisk anvendelse i dag.
SRT og Newtons lover
Apropos Newtons lover (et portrett av dettevitenskapsmann er presentert ovenfor), skal det sies at den spesielle relativitetsteorien, som tilsynelatende motsier dem, faktisk reproduserer likningene til Newtons lover nesten nøyaktig hvis den brukes til å beskrive kropper hvis bevegelseshastighet er mye mindre enn hastigheten til lys. Med andre ord, hvis spesiell relativitet blir brukt, blir ikke newtonsk fysikk kansellert i det hele tatt. Denne teorien, tvert imot, utfyller og utvider den.
Lysets hastighet er en universell konstant
Ved å bruke relativitetsprinsippet kan man forståhvorfor i denne modellen av verdens struktur er det lysets hastighet som spiller en veldig viktig rolle, og ikke noe annet. Dette spørsmålet stilles av de som nettopp har begynt å bli kjent med fysikk. Lysets hastighet er en universell konstant på grunn av det faktum at den er definert som sådan av naturvitenskapelig lov (du kan lære mer om dette ved å studere Maxwells ligninger). Lysets hastighet i et vakuum, på grunn av virkningen av relativitetsprinsippet, i enhver referanseramme er den samme. Du tror kanskje at dette er i strid med sunn fornuft. Det viser seg at lys samtidig når observatøren fra både en stasjonær kilde og en bevegelig (uavhengig av hastigheten det beveger seg med). Det er det imidlertid ikke. Lysets hastighet får, på grunn av sin spesielle rolle, en sentral plass ikke bare i den spesielle, men også i den generelle relativitetsteorien. La oss snakke om det også.
Generell relativitetsteori
Den brukes, som vi sa, til allereferanserammer, ikke nødvendigvis de hvis bevegelseshastighet i forhold til hverandre er konstant. Matematisk ser denne teorien mye mer komplisert ut enn en spesiell. Dette forklarer det faktum at det har gått 11 år mellom utgivelsene deres. Generell relativitetsteori inkluderer spesielt som et spesielt tilfelle. Følgelig er Newtons lover også inkludert i den. Den generelle relativitetsteorien går imidlertid mye lenger enn sine forgjengere. For eksempel forklarer den tyngdekraften på en ny måte.
Fjerde dimensjon
Takket være generell relativitet blir verden firedimensjonal:tid legges til tre romlige dimensjoner. Alle er uatskillelige, derfor er det ikke lenger nødvendig å snakke om den romlige avstanden som eksisterer i den tredimensjonale verden mellom to objekter. Nå snakker vi om rom-tidsintervaller mellom ulike hendelser, som forener både romlig og tidsmessig fjernhet til dem fra hverandre. Med andre ord anses tid og rom i relativitetsteorien som et slags firedimensjonalt kontinuum. Det kan defineres som rom-tid. I dette kontinuumet vil de observatørene som beveger seg i forhold til hverandre ha forskjellige meninger selv om to hendelser skjedde samtidig, eller om en av dem gikk foran den andre. Årsak-virkning-forholdet brytes imidlertid ikke. Med andre ord, eksistensen av et slikt koordinatsystem, der to hendelser skjer i forskjellige sekvenser og ikke samtidig, tillater ikke engang generell relativitetsteori.
Generell relativitetsteori og loven om universell gravitasjon
I henhold til loven om universell gravitasjon, oppdagetNewton, kraften til gjensidig tiltrekning eksisterer i universet mellom to kropper. Fra denne posisjonen roterer jorden rundt solen, siden det er krefter med gjensidig tiltrekning mellom dem. Likevel tvinger generell relativitet oss til å se på dette fenomenet fra den andre siden. Tyngdekraften, ifølge denne teorien, er en konsekvens av "krumningen" (deformasjonen) av rom-tid, som observeres under påvirkning av masse. Jo tyngre kroppen (i vårt eksempel, Solen), jo mer rom-tid "bøyer" seg under den. Følgelig er gravitasjonsfeltet sterkere.
For bedre å forstå essensen av teorienrelativitetsteori, la oss gå til sammenligning. Jorden, ifølge generell relativitetsteori, kretser rundt solen som en liten ball som ruller rundt kjeglen til en trakt som er skapt som et resultat av at solen "dytter" rom-tid. Og det vi er vant til å betrakte tyngdekraften er faktisk en ytre manifestasjon av denne krumningen, og ikke en kraft, i Newtons forståelse. Til dags dato er det ikke funnet noen bedre forklaring av tyngdekraftsfenomenet enn den som er foreslått i generell relativitetsteori.
Metoder for å sjekke generell relativitet
Merk at GRT ikke er lett å verifisere, siden det erresultatene i laboratorieforhold tilsvarer nesten loven om universell gravitasjon. Imidlertid utførte forskere en rekke viktige eksperimenter. Resultatene deres lar oss konkludere med at Einsteins teori er bekreftet. Generell relativitet er også med på å forklare ulike fenomener observert i rommet. Dette er for eksempel små avvik fra Merkur fra dens stasjonære bane. Fra synspunktet til Newtonsk klassisk mekanikk kan de ikke forklares. Dette er også grunnen til at elektromagnetisk stråling som kommer fra fjerne stjerner bøyer seg når den beveger seg nær solen.
Resultatene spådd av generell relativitet er faktiskskiller seg betydelig fra de som gir Newtons lover (portrettet hans er presentert ovenfor), bare når det er supersterke gravitasjonsfelt. Følgelig, for en fullverdig verifikasjon av generell relativitet, er det nødvendig med enten svært nøyaktige målinger av gjenstander med stor masse eller sorte hull, siden våre vanlige ideer er uanvendelige for dem. Derfor er utviklingen av eksperimentelle metoder for å teste denne teorien en av hovedoppgavene til moderne eksperimentell fysikk.
Sinnet til mange forskere, og folk langt fra vitenskapener opptatt av relativitetsteorien skapt av Einstein. Hva det er, fortalte vi kort. Denne teorien omstøter våre vanlige ideer om verden, så interessen for den forsvinner fortsatt ikke.
