Tillbaka i början av 1900-talet formulerades detrelativitetsteorin. Vad det är och vem dess skapare är, vet varje skolbarn idag. Det är så fascinerande att även människor långt ifrån vetenskap är intresserade av det. Den här artikeln beskriver relativitetsteorin på ett tillgängligt språk: vad det är, vad är dess postulat och tillämpningar.
De säger det till Albert Einstein, dess skapare,insikt kom på ett ögonblick. Forskaren tycktes åka spårvagn i Bern, Schweiz. Han tittade på gatuklockan och insåg plötsligt att den här klockan skulle stanna om spårvagnen accelererade till ljusets hastighet. I det här fallet skulle det inte finnas någon tid. Tiden spelar en mycket viktig roll i relativitetsteorin. Ett av postulaten formulerat av Einstein är att olika observatörer uppfattar verkligheten på olika sätt. Detta gäller särskilt tid och avstånd.
Med hänsyn till observatörens position
Den dagen insåg Albert det på språkvetenskap beror beskrivningen av något fysiskt fenomen eller händelse på vilken referensram observatören befinner sig i. Om till exempel en passagerare på en spårvagn tappar glasögonen faller de vertikalt nedåt i förhållande till henne. Om du tittar från en fotgängares position på gatan kommer banan för deras fall att motsvara en parabel, eftersom spårvagnen rör sig och punkterna faller samtidigt. Således har alla sina egna referensramar. Vi föreslår att mer grundligt överväga relativitetsteorins grundläggande postulat.
Distribuerad rörelselag och relativitetsprincipen
Trots att när man byter referensramarbeskrivningar av händelser förändras, det finns universella saker som förblir oförändrade. För att förstå detta måste man ställa frågan inte om glasögonens fall, utan om naturlagen som orsakar detta fall. För alla observatörer, oavsett om han befinner sig i ett rörligt eller stationärt koordinatsystem, förblir svaret på det oförändrat. Denna lag kallas lagen om distribuerad trafik. Det fungerar detsamma både på spårvagnen och på gatan. Med andra ord, om beskrivningen av händelser alltid beror på vem som följer dem, gäller detta inte naturlagarna. De är, som det är vanligt att uttrycka sig på vetenskapligt språk, oförändrade. Detta är relativitetsprincipen.
Einsteins två teorier
Denna princip, som alla andra hypoteser,det var först nödvändigt att kontrollera, korrelera det med naturfenomen som verkar i vår verklighet. Einstein härledde två teorier från relativitetsprincipen. Även om de är besläktade anses de vara separata.
Privat eller speciell relativitetsteori(SRT) bygger på förslaget att för alla typer av referensramar, vars hastighet är konstant, förblir naturlagarna desamma. Den allmänna relativitetsteorin (GR) utökar denna princip till alla referensramar, inklusive de som rör sig med acceleration. År 1905 publicerade A. Einstein den första teorin. Den andra, mer komplexa när det gäller matematisk utrustning, slutfördes 1916. Skapandet av relativitetsteorin, både SRT och GRT, blev ett viktigt steg i fysikens utveckling. Låt oss dröja på var och en av dem mer detaljerat.
Särskild relativitetsteori
Vad är det, vad är dess väsen?Låt oss svara på den här frågan. Det är denna teori som förutspår många paradoxala effekter som strider mot våra intuitiva idéer om hur världen fungerar. Det här är effekterna som observeras när rörelsehastigheten närmar sig ljusets hastighet. Den mest kända bland dem är effekten av tidsutvidgning (klockfrekvens). Klockan som rör sig relativt observatören går långsammare för honom än de som finns i hans händer.
I koordinatsystemet när du rör dig med hastighet,nära ljusets hastighet sträcker sig tiden i förhållande till observatören och längden på föremål (rumslig utsträckning) tvärtom, komprimeras längs axeln för denna rörelsens riktning. Forskare kallar denna effekt Lorenz-Fitzgerald-sammandragningen. Tillbaka 1889 beskrevs det av George Fitzgerald, en italiensk fysiker. Och 1892 kompletterade den holländare Hendrik Lorenz den. Denna effekt förklarar det negativa resultatet av Michelson-Morley-experimentet, där vår planets rörelsehastighet i yttre rymden bestäms genom att mäta "etervinden". Dessa är de grundläggande postulaten i relativitetsteorin (speciell). Einstein kompletterade dessa ekvationer med en masstransformationsformel, gjord analogt. Enligt henne ökar kroppens massa när kroppens hastighet närmar sig ljusets hastighet. Till exempel, om hastigheten är 260 tusen km / s, det vill säga 87% av ljusets hastighet, ur en observatörs synvinkel som befinner sig i den vilande referensramen, fördubblas objektets massa.
STO-bekräftelser
Alla dessa bestämmelser, oavsett hur de strider mot varandrasunt förnuft, sedan Einsteins tid hitta direkt och fullständig bekräftelse i många experiment. En av dem utfördes av forskare från University of Michigan. Denna märkliga upplevelse bekräftar relativitetsteorin i fysik. Forskarna placerade en ultra-exakt atomur ombord på ett flygplan som regelbundet gjorde transatlantiska flygningar. Varje gång efter att han återvände till flygplatsen kontrollerades avläsningarna av dessa klockor mot kontrollerna. Det visade sig att klockan i planet låg mer och mer bakom kontrollklockan varje gång. Naturligtvis talade vi bara om obetydliga siffror, bråkdelar av en sekund, men själva faktum är väldigt vägledande.
Under det senaste halva århundradet har forskare studeratelementära partiklar på acceleratorer - enorma hårdvarukomplex. I dem accelereras strålar av elektroner eller protoner, det vill säga laddade subatomära partiklar, tills deras hastigheter närmar sig ljusets hastighet. Därefter skjuter de mot kärnmål. I dessa experiment är det nödvändigt att ta hänsyn till det faktum att partiklarnas massa ökar, annars trotsar resultaten av experimentet tolkningen. I detta avseende är SRT inte längre bara en hypotetisk teori. Det har blivit ett av verktygen som används inom tillämpad teknik, tillsammans med newtonska mekaniklagar. Principerna för relativitetsteorin har funnits stor praktisk tillämpning idag.
SRT och Newtons lagar
Förresten talar vi om Newtons lagar (ett porträtt av dettavetenskapsmannen presenteras ovan), bör det sägas att den speciella relativitetsteorin, som tycks motsäga dem, faktiskt återger ekvationerna i Newtons lagar nästan exakt om den används för att beskriva kroppar vars rörelsehastighet är mycket mindre än hastigheten på ljus. Med andra ord, om speciell relativitet tillämpas, avbryts inte newtonsk fysik alls. Tvärtom kompletterar och utvidgar den teorin.
Ljusets hastighet är en universell konstant
Med hjälp av relativitetsprincipen kan man förståvarför i denna modell av världens struktur är det ljusets hastighet som spelar en mycket viktig roll, och inte något annat. Den här frågan ställs av dem som just har börjat bekanta sig med fysik. Ljusets hastighet är en universell konstant på grund av att den definieras som sådan av naturvetenskaplig lag (du kan lära dig mer om detta genom att studera Maxwells ekvationer). Ljusets hastighet i ett vakuum, i kraft av relativitetsprincipen, i vilken referensram som helst är densamma. Du kanske tror att detta strider mot sunt förnuft. Det visar sig att ljus samtidigt når observatören från både en stationär och en rörlig källa (oavsett hastighet med vilken den rör sig). Men det är det inte. Ljusets hastighet, på grund av dess speciella roll, ges en central plats inte bara i special, utan också i allmän relativitet. Låt oss prata om det också.
Allmän relativitetsteori
Den används, som vi sa, för allareferensramar, inte nödvändigtvis de vars rörelseshastighet i förhållande till varandra är konstant. Matematiskt ser denna teori mycket mer komplicerad ut än en speciell. Detta förklarar det faktum att det har gått 11 år mellan deras publikationer. Allmän relativitet inkluderar special som ett specialfall. Följaktligen ingår Newtons lagar också i den. Generell relativitet går dock mycket längre än dess föregångare. Det förklarar till exempel tyngdkraften på ett nytt sätt.
Fjärde dimensionen
Tack vare allmän relativitet blir världen fyrdimensionell:tiden läggs till tre rumsliga dimensioner. Alla är oskiljaktiga, därför är det inte längre nödvändigt att prata om det rumsliga avståndet som finns i den tredimensionella världen mellan två objekt. Nu talar vi om intervaller mellan rum och tid mellan olika händelser, och kombinerar både rumslig och tidsmässig avlägsenhet av dem från varandra. Med andra ord betraktas tid och rum i relativitetsteorin som ett slags fyrdimensionellt kontinuum. Det kan definieras som rymdtid. I detta sammanhang kommer de observatörer som rör sig relativt varandra att ha olika åsikter även om två händelser inträffade samtidigt, eller om en av dem föregick den andra. Emellertid bryts inte orsak-och-effekt-förhållandet. Med andra ord tillåter existensen av ett sådant koordinatsystem, där två händelser inträffar i olika sekvenser och inte samtidigt, inte ens allmän relativitet.
Allmän relativitetsteori och lagen om universell gravitation
Enligt lagen om universell gravitation, upptäcktNewton, kraften av ömsesidig attraktion existerar i universum mellan två kroppar. Jorden från denna position roterar runt solen, eftersom det finns krafter av ömsesidig attraktion mellan dem. Ändå tvingar allmän relativitet oss att se på detta fenomen från ett annat perspektiv. Tyngdkraften, enligt denna teori, är en konsekvens av "krökningen" (deformationen) av rum-tiden, som observeras under påverkan av massa. Ju tyngre kroppen (i vårt exempel, solen), desto mer "böjer" rum-tiden under den. Följaktligen är dess gravitationsfält starkare.
För att bättre förstå kärnan i teorinrelativitetsteori, låt oss övergå till jämförelsen. Jorden, enligt General Relativity, roterar runt solen som en liten boll som rullar runt konen på en tratt som skapats som ett resultat av att solen "tuffar genom rum-tiden". Och vad vi är vana vid att betrakta tyngdkraften är faktiskt en yttre manifestation av denna krökning, och inte en kraft, enligt Newtons förståelse. Hittills har ingen bättre förklaring av gravitationsfenomenet än den som föreslagits i Allmän relativitet hittats.
Metoder för att kontrollera GTR
Observera att generell relativitet är inte lätt att verifiera, eftersom detresultaten i laboratorieförhållanden motsvarar nästan lagen om universell gravitation. Men forskare utförde fortfarande ett antal viktiga experiment. Deras resultat låter oss dra slutsatsen att Einsteins teori är bekräftad. Allmän relativitetsteori hjälper dessutom till att förklara olika fenomen som observeras i rymden. Dessa är till exempel små avvikelser av Merkurius från dess stationära bana. Från Newtons klassiska mekaniks synvinkel kan de inte förklaras. Det är också därför som elektromagnetisk strålning som kommer från avlägsna stjärnor böjs när den passerar nära solen.
Resultaten som förutspås av allmän relativitet är faktisktskiljer sig markant från dem som ges av Newtons lagar (hans porträtt presenteras ovan) endast när superstarka gravitationsfält är närvarande. Därför, för en fullständig verifiering av allmän relativitet, är antingen mycket exakta mätningar av objekt med enorm massa eller svarta hål nödvändiga, eftersom våra vanliga begrepp inte är tillämpliga på dem. Därför är utvecklingen av experimentella metoder för att testa denna teori en av huvuduppgifterna för modern experimentell fysik.
Många vetenskapsmäns sinnen, och till och med människor långt ifrån vetenskapenupptagen av relativitetsteorin skapad av Einstein. Vi förklarade kort vad det är. Denna teori kullkastar våra vanliga idéer om världen, varför intresset för den fortfarande inte bleknar.
