La începutul secolului al XX-lea, a fost formulatteoria relativitatii. Ce este și cine este creatorul ei, fiecare școlar știe astăzi. Este atât de fascinant încât chiar și oameni departe de știință sunt interesați de ea. Acest articol descrie teoria relativității într-un limbaj accesibil: ce este, care sunt postulatele și aplicațiile ei.
Ei spun că lui Albert Einstein, creatorul său,intuiția a venit într-o clipă. Omul de știință părea că merge cu tramvaiul în Berna, Elveția. S-a uitat la ceasul străzii și și-a dat deodată seama că acest ceas s-ar opri dacă tramvaiul ar accelera până la viteza luminii. În acest caz, nu ar mai fi timp. Timpul joacă un rol foarte important în teoria relativității. Unul dintre postulatele formulate de Einstein este că diferiți observatori percep realitatea în moduri diferite. Acest lucru se aplică în special timpului și distanței.
Tinand cont de pozitia observatorului
În acea zi, Albert și-a dat seama că, în limbajștiință, descrierea oricărui fenomen sau eveniment fizic depinde de cadrul de referință în care se află observatorul. De exemplu, dacă un pasager dintr-un tramvai își scapă ochelarii, aceștia vor cădea vertical în jos în raport cu ea. Dacă priviți din poziția unui pieton care stă pe stradă, atunci traiectoria căderii lor va corespunde unei parabole, deoarece tramvaiul se mișcă și punctele cad în același timp. Astfel, fiecare are propriul său cadru de referință. Ne propunem să luăm în considerare mai detaliat postulatele de bază ale teoriei relativității.
Legea mișcării distribuite și principiul relativității
În ciuda faptului că la schimbarea cadrelor de referințădescrierile evenimentelor se schimbă, există lucruri universale care rămân neschimbate. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să ne punem întrebarea nu a căderii ochelarilor, ci a legii naturii care provoacă această cădere. Pentru orice observator, indiferent dacă se află într-un sistem de coordonate în mișcare sau staționar, răspunsul la acesta rămâne neschimbat. Această lege se numește legea traficului distribuit. Functioneaza la fel atat in tramvai cat si pe strada. Cu alte cuvinte, dacă descrierea evenimentelor depinde întotdeauna de cine le observă, atunci acest lucru nu se aplică legilor naturii. Ele sunt, așa cum se obișnuiește să se exprime în limbaj științific, invariante. Acesta este principiul relativității.
Cele două teorii ale lui Einstein
Acest principiu, ca orice altă ipoteză,a fost necesar mai întâi să verificăm, corelând-o cu fenomenele naturale care operează în realitatea noastră. Einstein a dedus 2 teorii din principiul relativității. Deși sunt înrudite, sunt considerate separate.
Teoria particulară sau specială a relativității(SRT) se bazează pe propoziția că pentru toate tipurile de cadre de referință, a căror viteză este constantă, legile naturii rămân aceleași. Teoria generală a relativității (GR) extinde acest principiu la orice cadru de referință, inclusiv la cele care se mișcă cu accelerație. În 1905 A. Einstein a publicat prima teorie. Al doilea, mai complex în ceea ce privește aparatura matematică, a fost finalizat până în 1916. Crearea teoriei relativității, atât SRT, cât și GRT, a devenit o etapă importantă în dezvoltarea fizicii. Să ne oprim asupra fiecăruia dintre ele mai detaliat.
Teoria specială a relativității
Ce este, care este esența lui?Să răspundem la această întrebare. Această teorie este cea care prezice multe efecte paradoxale care contrazic ideile noastre intuitive despre modul în care funcționează lumea. Acestea sunt efectele care se observă atunci când viteza de mișcare se apropie de viteza luminii. Cel mai faimos dintre ele este efectul de dilatare a timpului (ceasul). Ceasul care se mișcă în raport cu observatorul merge mai încet pentru el decât cei care sunt în mâinile lui.
În sistemul de coordonate atunci când se deplasează cu viteză,aproape de viteza luminii, timpul este întins în raport cu observatorul, iar lungimea obiectelor (întinderea spațială), dimpotrivă, este comprimată de-a lungul axei direcției acestei mișcări. Oamenii de știință numesc acest efect contracția Lorenz-Fitzgerald. În 1889, a fost descrisă de George Fitzgerald, un fizician italian. Și în 1892 Hendrik Lorenz, un olandez, l-a completat. Acest efect explică rezultatul negativ al experimentului Michelson-Morley, în care viteza de mișcare a planetei noastre în spațiul cosmic este determinată prin măsurarea „vântului eteric”. Acestea sunt postulatele de bază ale teoriei relativității (speciale). Einstein a completat aceste ecuații cu o formulă de transformare a masei, realizată prin analogie. Potrivit ei, pe măsură ce viteza unui corp se apropie de viteza luminii, masa corpului crește. De exemplu, dacă viteza este de 260 mii km/s, adică 87% din viteza luminii, din punctul de vedere al unui observator care se află în cadrul de referință de repaus, masa obiectului se va dubla.
Confirmări STO
Toate aceste prevederi, indiferent cât de contrazic ar fibunul simț, încă de pe vremea lui Einstein găsi o confirmare directă și completă în multe experimente. Una dintre ele a fost realizată de oameni de știință de la Universitatea din Michigan. Această experiență curioasă confirmă teoria relativității în fizică. Cercetătorii au plasat un ceas atomic ultra-precis la bordul unui avion de linie care făcea regulat zboruri transatlantice. De fiecare dată după întoarcerea lui la aeroport, citirile acestor ceasuri au fost verificate cu cele de control. S-a dovedit că ceasul din avion a rămas din ce în ce mai mult în urma ceasului de control de fiecare dată. Desigur, vorbeam doar despre cifre nesemnificative, fracțiuni de secundă, dar faptul în sine este foarte indicativ.
În ultima jumătate de secol, cercetătorii au studiatparticule elementare pe acceleratoare - complexe hardware uriașe. În ele, fasciculele de electroni sau protoni, adică particulele subatomice încărcate, sunt accelerate până când viteza lor se apropie de viteza luminii. După aceea, trag în ținte nucleare. În aceste experimente, este necesar să se țină cont de faptul că masa particulelor crește, altfel rezultatele experimentului sfidează interpretarea. În acest sens, SRT nu mai este doar o teorie ipotetică. A devenit unul dintre instrumentele care sunt folosite în inginerie aplicată, împreună cu legile newtoniene ale mecanicii. Principiile teoriei relativității și-au găsit o mare aplicație practică astăzi.
SRT și legile lui Newton
Apropo, vorbind despre legile lui Newton (un portret al acestuiom de știință este prezentat mai sus), trebuie spus că teoria relativității speciale, care aparent le contrazice, reproduce de fapt ecuațiile legilor lui Newton aproape exact dacă este folosită pentru a descrie corpuri a căror viteză de mișcare este mult mai mică decât viteza ușoară. Cu alte cuvinte, dacă se aplică relativitatea specială, fizica newtoniană nu este anulată deloc. Această teorie, dimpotrivă, o completează și o extinde.
Viteza luminii este o constantă universală
Folosind principiul relativității, se poate înțelegede ce în acest model al structurii lumii viteza luminii joacă un rol foarte important, și nu altceva. Această întrebare este pusă de cei care abia încep să se cunoască cu fizica. Viteza luminii este o constantă universală datorită faptului că este definită ca atare de legea științelor naturale (puteți afla mai multe despre acest lucru studiind ecuațiile lui Maxwell). Viteza luminii în vid, în virtutea principiului relativității, în orice cadru de referință este aceeași. Ai putea crede că acest lucru este contrar bunului simț. Se dovedește că lumina ajunge simultan la observator atât de la o sursă staționară, cât și de la una în mișcare (indiferent de viteza cu care se mișcă). Cu toate acestea, nu este. Viteza luminii, datorită rolului său special, i se acordă un loc central nu numai în relativitatea specială, ci și în generală. Să vorbim și despre asta.
Teoria generală a relativității
Este folosit, după cum am spus, pentru toată lumeacadre de referință, nu neapărat cele a căror viteză de mișcare unul față de celălalt este constantă. Din punct de vedere matematic, această teorie pare mult mai complicată decât una specială. Așa se explică faptul că între publicațiile lor au trecut 11 ani. Relativitatea generală include special ca caz special. În consecință, legile lui Newton sunt și ele incluse în el. Cu toate acestea, relativitatea generală merge mult mai departe decât predecesorii săi. De exemplu, explică gravitația într-un mod nou.
A patra dimensiune
Datorită relativității generale, lumea devine cu patru dimensiuni:timpul se adaugă la trei dimensiuni spațiale. Toate sunt inseparabile, prin urmare, nu mai este necesar să vorbim despre distanța spațială care există în lumea tridimensională între două obiecte. Acum vorbim despre intervale spațiu-timp dintre diverse evenimente, combinând atât distanța spațială, cât și temporală a acestora unul față de celălalt. Cu alte cuvinte, timpul și spațiul în teoria relativității sunt considerate ca un fel de continuum cu patru dimensiuni. Poate fi definit ca spațiu-timp. În acest continuum, acei observatori care se mișcă unul față de celălalt vor avea opinii diferite chiar dacă două evenimente au avut loc simultan sau dacă unul dintre ele l-a precedat pe celălalt. Cu toate acestea, relația cauză-efect nu este încălcată. Cu alte cuvinte, existența unui astfel de sistem de coordonate, în care două evenimente au loc în secvențe diferite și nu simultan, nici măcar nu permite relativitatea generală.
Relativitatea generală și legea gravitației universale
Conform legii gravitației universale, descoperităNewton, forța de atracție reciprocă există în Univers între oricare două corpuri. Din această poziție, Pământul se învârte în jurul Soarelui, deoarece între ele există forțe de atracție reciprocă. Cu toate acestea, relativitatea generală ne obligă să privim acest fenomen din cealaltă parte. Gravitația, conform acestei teorii, este o consecință a „curburii” (deformației) spațiu-timpului, care se observă sub influența masei. Cu cât corpul este mai greu (în exemplul nostru, Soarele), cu atât mai mult spațiu-timp „se îndoaie” sub el. În consecință, câmpul său gravitațional este mai puternic.
Pentru a înțelege mai bine esența teorieirelativitatea, să trecem la comparație. Pământul, conform relativității generale, se învârte în jurul Soarelui ca o mică minge care se rostogolește în jurul conului unei pâlnii creată ca urmare a „împingerii” Soarelui spațiu-timp. Și ceea ce suntem obișnuiți să considerăm forța gravitației este de fapt o manifestare externă a acestei curburi, și nu o forță, în înțelegerea lui Newton. Până în prezent, nu a fost găsită o explicație mai bună a fenomenului gravitației decât cea propusă în relativitatea generală.
Metode de verificare a relativității generale
Rețineți că GRT nu este ușor de verificat, deoarece esterezultatele în condiţii de laborator aproape corespund legii gravitaţiei universale. Cu toate acestea, oamenii de știință au efectuat o serie de experimente importante. Rezultatele lor ne permit să concluzionam că teoria lui Einstein este confirmată. Relativitatea generală ajută și la explicarea diferitelor fenomene observate în spațiu. Acestea sunt, de exemplu, mici abateri ale lui Mercur de la orbita sa staționară. Din punctul de vedere al mecanicii clasice newtoniene, acestea nu pot fi explicate. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care radiațiile electromagnetice emanate de stelele îndepărtate se îndoaie pe măsură ce trece în apropierea Soarelui.
Rezultatele prezise de relativitatea generală sunt de faptdiferă semnificativ de cele care dau legile lui Newton (portretul său este prezentat mai sus), doar atunci când sunt prezente câmpuri gravitaționale superputernice. În consecință, pentru o verificare cu drepturi depline a relativității generale, sunt necesare fie măsurători foarte precise ale obiectelor de masă uriașă, fie ale găurilor negre, deoarece ideile noastre obișnuite sunt inaplicabile acestora. Prin urmare, dezvoltarea metodelor experimentale pentru testarea acestei teorii este una dintre sarcinile principale ale fizicii experimentale moderne.
Mințile multor oameni de știință și oameni departe de științăeste ocupată de teoria relativității creată de Einstein. Ce este, am spus pe scurt. Această teorie răstoarnă ideile noastre obișnuite despre lume, așa că interesul pentru ea încă nu dispare.
