Einsteinova teorija relativnosti za mene je uvijek bila nešto apstraktno i neshvatljivo. Pokušajmo jednostavnim riječima opisati Einsteinovu teoriju relativnosti. Zamislite da ste vani na jakoj kiši i da vam vjetar puše u leđa. Ako počnete brzo trčati, kapi kiše neće vam padati na leđa. Kapi će biti sporije ili vam uopće neće stizati do leđa, to je znanstveno dokazana činjenica, a to možete i sami provjeriti po pljusku. Sada zamislite da se okrenete i potrčate protiv vjetra s kišom, kapi bi jače padale na vašu odjeću i lice nego da samo stojite.
Prije su znanstvenici mislili da svjetlost djeluje poput kiše u vjetrovitim danima. Smatrali su da ako se Zemlja kreće oko Sunca, a Sunce oko galaksije, onda je moguće izmjeriti brzinu njihovog kretanja u svemiru. Po njihovom mišljenju, sve što im preostaje jest izmjeriti brzinu svjetlosti i kako se ona mijenja u odnosu na dva tijela.
Znanstvenici su to učinili pronašao nešto vrlo čudno. Brzina svjetlosti bila je ista, bez obzira na to kako se tijela kretala i u kojem smjeru mjerenja.
Bilo je vrlo čudno. Ako uzmemo situaciju s kišnom olujom, tada će u normalnim okolnostima kišne kapi utjecati na vas više ili manje ovisno o vašim pokretima. Slažete se, bilo bi jako čudno kada bi vam pljusak puhao u leđa istom snagom, i pri trčanju i pri zaustavljanju.
Znanstvenici su otkrili da svjetlost nema ista svojstva kao kapi kiše ili bilo što drugo u svemiru. Koliko god se brzo kretali i u kojem smjeru krenuli, brzina svjetlosti će uvijek biti ista. Ovo je vrlo zbunjujuće i samo je Albert Einstein uspio rasvijetliti ovu nepravdu.
Einstein i još jedan znanstvenik, Hendrik Lorenz, shvatili su da postoji samo jedan način da objasne kako bi sve to moglo biti. To je moguće samo ako se vrijeme usporava.
Zamislite što bi se dogodilo da vam se vrijeme uspori i da ne znate da se krećete sporije. Osjećat ćete da se sve ostalo događa brže., sve oko vas će se kretati kao u filmu za brzo premotavanje.
Pa sad se pretvarajmo da si opet na pljusku. Kako je moguće da će kiša utjecati na vas na isti način čak i ako trčite? Ispada da ako ste pokušali pobjeći od kiše, onda vaše bi vrijeme usporilo, a kiša bi se ubrzala. Kapi kiše padale bi vam na leđa istom brzinom. Znanstvenici to nazivaju ekspanzijom vremena. Koliko god se brzo kretali, vrijeme vam se usporava, barem za brzinu svjetlosti, ovaj izraz je istinit.
Dvostrukost mjerenja
Još jedna stvar koju su Einstein i Lorentz otkrili je da dvije osobe pod različitim okolnostima mogu dobiti različite izračunate vrijednosti, a najčudnije je da će oboje biti u pravu. Ovo je još jedna nuspojava činjenice da svjetlost uvijek putuje istom brzinom.
Napravimo misaoni eksperiment
Zamislite da stojite u sredini svoje sobe i da ste postavili svjetiljku točno u sredinu sobe. Sada zamislite da je brzina svjetlosti vrlo spora i možete vidjeti kako se širi, zamislite da ste upalili lampu.
Čim upalite lampu, svjetlo će se početi razilaziti i svijetliti. Budući da su oba zida na istoj udaljenosti, svjetlost će dospjeti do oba zida u isto vrijeme.
Sada zamislite da vaša soba ima veliki prozor i da prolazi vaš prijatelj. Vidjet će još nešto. Njemu će izgledati kao da se vaša soba pomiče udesno, a kada upalite lampu, vidjet će lijevi zid kako se kreće prema svjetlu. a desni zid se udaljava od svjetla. Vidjet će da je svjetlo prvo udarilo u lijevi zid, a zatim u desni. Čini mu se da svjetlo nije obasjavalo oba zida u isto vrijeme.
Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, obje bi točke gledišta bile ispravne.. S vaše točke gledišta, svjetlost pada na oba zida u isto vrijeme. Sa stajališta vašeg prijatelja, to nije slučaj. Nema ništa loše.
Zato znanstvenici kažu da je “simultanost relativna”. Ako mjerite dvije stvari koje bi se trebale dogoditi u isto vrijeme, onda ih netko tko se kreće različitom brzinom ili u drugom smjeru neće moći mjeriti na isti način kao vi.
To nam se čini vrlo čudnim, jer je brzina svjetlosti za nas trenutna, a mi se krećemo vrlo sporo u usporedbi s njom. Budući da je brzina svjetlosti tako velika, ne primjećujemo brzinu svjetlosti osim ako ne radimo posebne eksperimente.
Što se predmet brže kreće, to je kraći i manji
Još jedna vrlo čudna nuspojava da se brzina svjetlosti ne mijenja. Brzinom svjetlosti, stvari koje se kreću postaju kraće.
Opet, zamislimo da je brzina svjetlosti vrlo spora. Zamislite da ste u vlaku i da ste ugradili lampu u sredinu vagona. Sada zamislite da ste upalili lampu, kao u sobi.
Svjetlost će se širiti i istovremeno stići do zidova ispred i iza automobila. Na ovaj način možete čak izmjeriti duljinu vagona mjerenjem koliko je vremena bilo potrebno da svjetlo dođe do obje strane.
Napravimo izračune:
Zamislite da je potrebna 1 sekunda da prijeđe 10 metara, a svjetlosti da putuje od svjetiljke do zida automobila potrebna je 1 sekunda. To znači da se lampa nalazi na udaljenosti od 10 metara s obje strane automobila. Budući da je 10 + 10 = 20, to znači da je duljina automobila 20 metara.
Sada zamislimo da je vaš prijatelj na ulici i gleda kako vlak prolazi. Zapamtite da on stvari vidi drugačije. Stražnji zid automobila pomiče se prema svjetiljci, dok se prednji zid udaljava od njega. Tako za njega svjetlo neće istovremeno dodirivati prednji i stražnji dio zida automobila. Prvo će svjetlo doći straga, a zatim i naprijed.
Dakle, ako vi i vaš prijatelj izmjerite brzinu širenja svjetlosti od svjetiljke do zidova, dobit ćete različite vrijednosti, dok će sa stajališta znanosti oba izračuna biti točna. Samo za vas, prema mjerama, duljina vagona će biti iste veličine, a za prijatelja dužina vagona će biti manja.
Zapamtite, sve je o tome kako i pod kojim uvjetima mjerite. Da ste unutar leteće rakete koja se kreće brzinom svjetlosti, ne biste osjetili ništa neobično, za razliku od ljudi na zemlji koji mjere vaše kretanje. Ne biste mogli reći da vam vrijeme teče sporije ili da su prednji i stražnji dio broda odjednom bili bliže jedno drugom.
U isto vrijeme, da letite na raketi, tada bi vam se činilo kao da svi planeti i zvijezde lete pored vas brzinom svjetlosti. U ovom slučaju, ako pokušate izmjeriti njihovo vrijeme i veličinu, onda bi logično za njih vrijeme trebalo usporiti i smanjiti veličinu, zar ne?
Sve je to bilo vrlo čudno i neshvatljivo, ali Einstein je predložio rješenje i spojio sve te pojave u jednu teoriju relativnosti.
Revolucionarni fizičar upotrijebio je svoju maštu, a ne složenu matematiku, da bi došao do svoje najpoznatije i elegantnije jednadžbe. Einstein je poznat po predviđanju čudnih, ali istinitih pojava, poput sporijeg starenja astronauta u svemiru u usporedbi s ljudima na Zemlji i promjena oblika čvrstih objekata pri velikim brzinama.
Ali zanimljiva stvar je da ako uzmete kopiju Einsteinovog originalnog rada o relativnosti iz 1905., to je prilično lako raščlaniti. Tekst je jednostavan i jasan, a jednadžbe su uglavnom algebarske – svaki srednjoškolac ih može razumjeti.
To je zato što složena matematika nikada nije bila Einsteinova jača strana. Volio je razmišljati figurativno, provoditi eksperimente u svojoj mašti i shvaćati ih sve dok fizičke ideje i principi ne postanu kristalno jasni.
Evo kako su Einsteinovi misaoni eksperimenti počeli kada je imao samo 16 godina i kako su ga na kraju doveli do najrevolucionarnije jednadžbe u modernoj fizici.
U ovom trenutku u Einsteinovom životu, njegov tanko prikriveni prezir prema njegovim njemačkim korijenima, autoritarnim metodama podučavanja u Njemačkoj, već je odigrao svoju ulogu, pa je izbačen iz srednje škole, pa se preselio u Zürich u nadi da će upisati švicarski Federalni institut za tehnologiju (ETH).
Ali prvo je Einstein odlučio provesti godinu dana obuke u školi u obližnjem gradu Aarau. U ovom trenutku ubrzo se zapitao kako je to trčati pored snopa svjetlosti.
Einstein je već na satu fizike naučio što je zraka svjetlosti: mnogo oscilirajućih električnih i magnetskih polja koja se kreću brzinom od 300 000 kilometara u sekundi, što je izmjerena brzina svjetlosti. Ako bi trčao blizu tom brzinom, shvatio je Einstein, mogao bi vidjeti mnoga oscilirajuća električna i magnetska polja u njegovoj blizini, kao da su zamrznuta u svemiru.
Ali bilo je nemoguće. Prvo, stacionarna polja prekršila bi Maxwellove jednadžbe, matematičke zakone koji su sadržavali sve što su fizičari znali o elektricitetu, magnetizmu i svjetlosti. Ti su zakoni bili (i još uvijek jesu) prilično strogi: svi valovi u tim poljima moraju se kretati brzinom svjetlosti i ne mogu stajati mirno, osim ni jednog.
Što je još gore, stacionarna polja nisu se uklapala u princip relativnosti koji je bio poznat fizičarima još od Galilea i Newtona u 17. stoljeću. U suštini, načelo relativnosti kaže da zakoni fizike ne mogu ovisiti o tome koliko se brzo krećete: možete mjeriti samo brzinu jednog objekta u odnosu na drugi.
Ali kada je Einstein primijenio ovaj princip na svoj misaoni eksperiment, pojavila se kontradikcija: relativnost je nalagala da sve što može vidjeti kako se kreće u blizini snopa svjetlosti, uključujući stacionarna polja, mora biti nešto svjetovno što bi fizičari mogli stvoriti u laboratoriju. Ali ovo nitko nikada nije vidio.
Ovaj problem zabrinjavat će Einsteina još 10 godina, tijekom njegovog puta studiranja i rada na ETH-u i preseljenja u glavni grad Švicarske, Bern, gdje će postati ispitivač u švicarskom patentnom uredu. Tamo će jednom zauvijek razriješiti paradoks.
1904: mjerenje svjetla iz vlaka u pokretu
Nije bilo lako. Einstein je pokušao svako rješenje koje mu je palo na pamet, ali ništa nije uspjelo. Gotovo u očaju, počeo je razmišljati o jednostavnom, ali radikalnom rješenju. Možda Maxwellove jednadžbe rade za sve, pomislio je, ali brzina svjetlosti je uvijek bila konstantna.
Drugim riječima, kada vidite snop svjetlosti kako prolazi, nije važno kreće li se njegov izvor prema vama, dalje od vas, u stranu ili negdje drugdje, i nije važno koliko je brz njegov izvor krećući se. Brzina svjetlosti koju mjerite uvijek će biti 300.000 kilometara u sekundi. Između ostalog, to je značilo da Einstein nikada neće vidjeti stacionarna oscilirajuća polja, budući da nikada neće moći uhvatiti snop svjetlosti.
To je bio jedini način na koji je Einstein vidio da pomiri Maxwellove jednadžbe s principom relativnosti. No, na prvi pogled, ovo je rješenje imalo svoju kobnu manu. Kasnije je to objasnio drugim misaonim eksperimentom: zamislite da se zraka ispaljuje duž željezničkog nasipa dok vlak prolazi u istom smjeru brzinom, recimo, 3000 kilometara u sekundi.
Netko tko stoji u blizini nasipa morao bi izmjeriti brzinu svjetlosnog snopa i smisliti standardni broj od 300.000 kilometara u sekundi. Ali netko u vlaku vidjet će svjetlo kako se kreće brzinom od 297.000 kilometara u sekundi. Ako brzina svjetlosti nije konstantna, Maxwellova jednadžba unutar automobila mora izgledati drugačije, zaključio je Einstein, i tada će se narušiti princip relativnosti.
Ova prividna kontradikcija natjerala je Einsteina na razmišljanje gotovo godinu dana. Ali onda je jednog lijepog jutra u svibnju 1905. otišao na posao sa svojim najboljim prijateljem Michelom Bessom, inženjerom kojeg je poznavao još od studentskih dana u Zürichu. Dvojica muškaraca razgovarali su o Einsteinovoj dilemi, kao i uvijek. I odjednom je Einstein ugledao rješenje. Radio je na tome cijelu noć, a kad su se sljedećeg jutra sreli, Einstein je rekao Bessou: “Hvala. U potpunosti sam riješio problem."
Svibanj 1905.: munja udara u vlak u pokretu
Einsteinovo otkriće bilo je da promatrači u relativnom kretanju različito percipiraju vrijeme: potpuno je moguće da se dva događaja dogode istovremeno s gledišta jednog promatrača, ali u različito vrijeme s gledišta drugog. I oba promatrača bit će u pravu.
Einstein je svoju tvrdnju kasnije ilustrirao još jednim misaonim eksperimentom. Zamislite da promatrač opet stoji pored pruge, a vlak juri pokraj njega. U trenutku kada središnja točka vlaka prođe pored promatrača, munja udara na oba kraja vlaka. Budući da munja udara na istoj udaljenosti od promatrača, njihova svjetlost u isto vrijeme ulazi u njegove oči. Pošteno je reći da munja udara u isto vrijeme.
U međuvremenu, još jedan promatrač sjedi točno u središtu vlaka. S njegove točke gledišta, svjetlost od dva udara munje putuje istu udaljenost i brzina svjetlosti bit će ista u oba smjera. Ali budući da se vlak kreće, svjetlost koja dolazi iz stražnje munje mora prijeći veću udaljenost, pa do promatrača stiže nekoliko trenutaka kasnije od svjetlosti s početka. Budući da svjetlosni impulsi dolaze u različito vrijeme, može se zaključiti da udari munje nisu istovremeni - jedan se događa brže.
Einstein je shvatio da je upravo ta istovremenost relativna. A kad to priznate, čudni učinci koje sada povezujemo s relativnošću rješavaju se jednostavnom algebrom.
Einstein je grozničavo zapisivao svoje misli i poslao svoje djelo za objavljivanje. Naslov je bio O elektrodinamici pokretnih tijela i odražavao je Einsteinov pokušaj da poveže Maxwellove jednadžbe s principom relativnosti. Besso je dobio posebnu zahvalu.
rujna 1905.: masa i energija
Ovaj prvi rad, međutim, nije postao posljednji. Einstein je bio opsjednut relativnošću do ljeta 1905., a u rujnu je poslao drugi rad na objavu, već naknadno, retroaktivno.
Temeljio se na još jednom misaonom eksperimentu. Zamislite objekt koji miruje, rekao je. Sada zamislite da istovremeno emitira dva identična impulsa svjetlosti u suprotnim smjerovima. Objekt će ostati na mjestu, ali budući da svaki impuls nosi određenu količinu energije, energija sadržana u objektu će se smanjiti.
Sada, napisao je Einstein, kako bi ovaj proces izgledao promatraču u pokretu? S njegove točke gledišta, objekt će se jednostavno nastaviti kretati u ravnoj liniji dok dva impulsa odlete. Ali čak i ako brzina dvaju impulsa ostane ista – brzina svjetlosti – njihove će energije biti različite. Impuls koji se kreće naprijed u smjeru vožnje imat će veću energiju od impulsa koji se kreće u suprotnom smjeru.
Dodavši malo algebre, Einstein je pokazao da, da bi sve ovo bilo dosljedno, objekt ne mora gubiti samo energiju prilikom slanja svjetlosnih impulsa, već i masu. Ili masa i energija moraju biti zamjenjive. Einstein je zapisao jednadžbu koja ih povezuje. I postala je najpoznatija jednadžba u povijesti znanosti: E = mc 2 .
Čak je i krajem 19. stoljeća većina znanstvenika bila sklona stajalištu da je fizička slika svijeta u osnovi izgrađena i da će u budućnosti ostati nepokolebljiva – samo su se detalji morali razjasniti. Ali u prvim desetljećima dvadesetog stoljeća fizički su se pogledi radikalno promijenili. To je bio rezultat "kaskade" znanstvenih otkrića do kojih je došlo tijekom iznimno kratkog povijesnog razdoblja, koje obuhvaća posljednje godine 19. stoljeća i prva desetljeća 20. stoljeća, od kojih se mnoga uopće nisu uklapala u reprezentaciju običnog čovjeka. iskustvo. Upečatljiv primjer je teorija relativnosti koju je stvorio Albert Einstein (1879-1955).
Teorija relativnosti- fizikalna teorija prostor-vremena, odnosno teorija koja opisuje univerzalna prostorno-vremena svojstva fizikalnih procesa. Termin je 1906. uveo Max Planck kako bi naglasio ulogu principa relativnosti.
u specijalnoj relativnosti (a kasnije i općoj relativnosti).
U užem smislu, teorija relativnosti uključuje specijalnu i opću relativnost. Specijalna teorija relativnosti(u daljnjem tekstu SRT) odnosi se na procese u čijem proučavanju se gravitacijska polja mogu zanemariti; opća teorija relativnosti(u daljnjem tekstu GR) je teorija gravitacije koja generalizira Newtonovu.
Posebna, ili privatna teorija relativnosti
je teorija strukture prostor-vremena. Prvi ju je 1905. godine uveo Albert Einstein u svom djelu "O elektrodinamici pokretnih tijela". Teorija opisuje kretanje, zakone mehanike, kao i prostorno-vremenske odnose koji ih određuju, pri bilo kojoj brzini kretanja,
uključujući i one bliske brzini svjetlosti. Klasična Newtonova mehanika
unutar SRT je aproksimacija za male brzine.
Jedan od razloga uspjeha Alberta Einsteina je taj što je eksperimentalne podatke stavio ispred teoretskih. Kada su brojni pokusi pokazali rezultate koji su bili u suprotnosti s općeprihvaćenom teorijom, mnogi su fizičari zaključili da su ti eksperimenti pogrešni.
Albert Einstein bio je jedan od prvih koji je odlučio izgraditi novu teoriju na temelju novih eksperimentalnih podataka.
Krajem 19. stoljeća fizičari su bili u potrazi za tajanstvenim eterom – medijem u kojem su se, prema općeprihvaćenim pretpostavkama, trebali širiti svjetlosni valovi, poput akustičnih valova, za čije širenje je potreban zrak, ili neki drugi medij. - kruti, tekući ili plinoviti. Vjerovanje u postojanje etera dovelo je do uvjerenja da se brzina svjetlosti mora mijenjati brzinom promatrača u odnosu na eter. Albert Einstein je napustio koncept etera i pretpostavio da svi fizikalni zakoni, uključujući brzinu svjetlosti, ostaju nepromijenjeni bez obzira na brzinu promatrača – kako su eksperimenti pokazali.
SRT je objasnio kako interpretirati gibanje između različitih inercijskih referentnih okvira – jednostavno rečeno, objekata koji se kreću konstantnom brzinom jedan u odnosu na drugi. Einstein je objasnio da kada se dva objekta kreću konstantnom brzinom, treba uzeti u obzir njihovo gibanje jedan u odnosu na drugi, umjesto da se jedan od njih uzme kao apsolutni referentni okvir. Dakle, ako dva astronauta lete na dva svemirska broda i žele usporediti svoja opažanja, jedino što trebaju znati je njihova brzina u odnosu jedna na drugu.
Specijalna teorija relativnosti razmatra samo jedan poseban slučaj (otuda i naziv), kada je gibanje ravno i jednolično.
Na temelju nemogućnosti detekcije apsolutnog gibanja, Albert Einstein je zaključio da su svi inercijski referentni okviri jednaki. Formulirao je dva važna postulata koji su činili osnovu nove teorije prostora i vremena, nazvane Specijalna teorija relativnosti (SRT):
1. Einsteinov princip relativnosti - ovaj princip bio je generalizacija Galileovog principa relativnosti (navodi isto, ali ne za sve zakone prirode, već samo za zakone klasične mehanike, ostavljajući otvorenim pitanje primjenjivosti načela relativnosti na optiku i elektrodinamiku) na bilo fizičkog. Kaže: svi fizikalni procesi pod istim uvjetima u inercijskim referentnim sustavima (ISF) odvijaju se na isti način. To znači da nikakvi fizički eksperimenti koji se provode unutar zatvorenog IRF-a ne mogu utvrditi miruje li se ili se kreće jednoliko i pravocrtno. Dakle, svi IFR-ovi su potpuno jednaki, a fizikalni zakoni su invarijantni u odnosu na izbor IFR-a (tj. jednadžbe koje izražavaju ove zakone imaju isti oblik u svim inercijskim referentnim okvirima).
2. Princip konstantnosti brzine svjetlosti- brzina svjetlosti u vakuumu je konstantna i ne ovisi o kretanju izvora i prijemnika svjetlosti. Ista je u svim smjerovima i u svim inercijskim referentnim okvirima. Brzina svjetlosti u vakuumu - granična brzina u prirodi - ovo je jedna od najvažnijih fizičkih konstanti, tzv. svjetske konstante.
Najvažnija posljedica SRT-a bila je slavna Einsteinova formula o odnosu mase i energije E \u003d mc 2 (gdje je C brzina svjetlosti), što je pokazalo jedinstvo prostora i vremena, izraženo u zajedničkoj promjeni njihovih karakteristika ovisno o koncentraciji masa i njihovom kretanju, a potvrđeno je podacima moderne fizike. Vrijeme i prostor više se nisu razmatrali neovisno jedno o drugome, a nastala je ideja o četverodimenzionalnom kontinuumu prostor-vreme.
Prema teoriji velikog fizičara, kada se brzina materijalnog tijela povećava, približavajući se brzini svjetlosti, povećava se i njegova masa. Oni. što se predmet brže kreće, postaje teži. U slučaju dostizanja brzine svjetlosti, masa tijela, kao i njegova energija, postaju beskonačne. Što je tijelo teže, teže mu je povećati brzinu; za ubrzanje tijela beskonačne mase potrebna je beskonačna količina energije pa je nemoguće da materijalni objekti postignu brzinu svjetlosti.
U teoriji relativnosti „dva zakona – zakon održanja mase i očuvanja energije – izgubila su svoju važnost neovisno jedan o drugom i ispostavilo se da su spojeni u jedan zakon, koji se može nazvati zakonom održanja energije ili masa." Zbog temeljne povezanosti ova dva pojma, materija se može pretvoriti u energiju, i obrnuto – energiju u materiju.
Opća teorija relativnosti- Teorija gravitacije koju je Einstein objavio 1916. godine, na kojoj je radio 10 godina. To je daljnji razvoj specijalne teorije relativnosti. Ako materijalno tijelo ubrza ili se okrene u stranu, SRT zakoni više ne vrijede. Tada na snagu stupa GR, koji objašnjava gibanje materijalnih tijela u općem slučaju.
Opća teorija relativnosti postulira da gravitacijski učinci nisu uzrokovani interakcijom sila tijela i polja, već deformacijom samog prostora-vremena u kojem se nalaze. Ova deformacija je povezana, posebice, s prisutnošću mase-energije.
Opća teorija relativnosti trenutno je najuspješnija teorija gravitacije, dobro potkrijepljena opažanjima. Opća teorija relativnosti je generalizirala SRT na ubrzane, t.j. neinercijski sustavi. Osnovni principi opće relativnosti su sljedeći:
- ograničavajući primjenjivost principa konstantnosti brzine svjetlosti na područja gdje se gravitacijske sile mogu zanemariti(gdje je gravitacija jaka, brzina svjetlosti se usporava);
- proširenje principa relativnosti na sve pokretne sustave(i to ne samo inercijskih).
U općoj relativnosti, odnosno teoriji gravitacije, on također polazi od eksperimentalne činjenice ekvivalencije inercijalnih i gravitacijskih masa, odnosno ekvivalencije inercijalnog i gravitacijskog polja.
Načelo ekvivalencije igra važnu ulogu u znanosti. Uvijek možemo izravno izračunati djelovanje sila inercije na bilo koji fizikalni sustav, a to nam daje priliku da upoznamo djelovanje gravitacijskog polja, apstrahirajući od njegove nehomogenosti, koja je često vrlo beznačajna.
Iz GR-a je izveden niz važnih zaključaka:
1. Svojstva prostor-vremena ovise o pokretnoj materiji.
2. Snop svjetlosti, koji ima inertnu, a time i gravitacijsku masu, mora biti savijen u gravitacijskom polju.
3. Frekvencija svjetlosti pod utjecajem gravitacijskog polja trebala bi se pomaknuti prema nižim vrijednostima.
Dugo je vremena bilo malo eksperimentalnih potvrda opće relativnosti. Suglasnost između teorije i eksperimenta je prilično dobra, ali čistoću eksperimenata narušavaju razne složene nuspojave. Međutim, učinak zakrivljenosti prostor-vreme može se detektirati čak i u umjerenim gravitacijskim poljima. Vrlo osjetljivi satovi, na primjer, mogu otkriti dilataciju vremena na površini Zemlje. Kako bi se proširila eksperimentalna baza opće relativnosti, u drugoj polovici 20. stoljeća provedeni su novi pokusi: ispitana je ekvivalencija inercijalne i gravitacijske mase (uključujući i lasersko mjerenje Mjeseca);
uz pomoć radara razjašnjeno je kretanje perihelija Merkura; izmjereno je gravitacijsko otklon radio valova od strane Sunca, a planeti Sunčevog sustava locirani su radarom; ocjenjivan je utjecaj gravitacijskog polja Sunca na radiokomunikacije sa letjelicama koje su poslane na udaljene planete Sunčevog sustava itd. Svi su oni, na ovaj ili onaj način, potvrdili predviđanja dobivena na temelju opće relativnosti.
Dakle, specijalna teorija relativnosti temelji se na postulatima konstantnosti brzine svjetlosti i istovjetnosti zakona prirode u svim fizičkim sustavima, a glavni rezultati do kojih dolazi su sljedeći: relativnost svojstava prostora-vremena; relativnost mase i energije; ekvivalencija teških i inercijskih masa.
Najznačajniji rezultat opće teorije relativnosti s filozofskog stajališta je utvrđivanje ovisnosti prostorno-vremenskih svojstava okolnog svijeta o položaju i kretanju gravitirajućih masa. To je zbog utjecaja tijela
kod velikih masa dolazi do zakrivljenosti puteva kretanja svjetlosnih zraka. Posljedično, gravitacijsko polje koje stvaraju takva tijela u konačnici određuje prostorno-vremena svojstva svijeta.
Posebna teorija relativnosti apstrahira od djelovanja gravitacijskih polja i stoga su njezini zaključci primjenjivi samo za mala područja prostor-vremena. Kardinalna razlika između opće teorije relativnosti i temeljnih fizikalnih teorija koje joj prethode je u odbacivanju niza starih koncepata i formuliranju novih. Vrijedi reći da je opća teorija relativnosti napravila pravu revoluciju u kozmologiji. Na temelju toga pojavili su se različiti modeli Svemira.
Posebna teorija relativnosti, koju je 1905. stvorio A. Einstein, bila je rezultat generalizacije i sinteze klasične mehanike Galileo - Newton i elektrodinamike Maxwell - Lorentz. “Opisuje zakone svih fizikalnih procesa pri brzinama bliskim brzini svjetlosti, ali bez uzimanja u obzir gravitacijskog polja. Smanjenjem brzine kretanja svodi se na klasičnu mehaniku, što se, dakle, pokazuje kao njezin poseban slučaj. jedan
Polazna točka ove teorije bio je princip relativnosti. Klasično načelo relativnosti formulirao je G. Galileo: "Ako zakoni mehanike vrijede u jednom koordinatnom sustavu, onda vrijede u bilo kojem drugom sustavu koji se kreće pravocrtno i jednoliko u odnosu na prvi." 2 Takvi se sustavi nazivaju inercijskim, jer se kretanje u njima pokorava zakonu tromosti: “Svako tijelo zadržava stanje mirovanja ili jednoliko pravocrtno gibanje, osim ako ga nije prisiljeno promijeniti pod utjecajem pokretnih sila.” 3
Iz načela relativnosti proizlazi da nema temeljne razlike između mirovanja i gibanja – ako je jednoliko i pravocrtno. Razlika je samo u gledištu.
Dakle, riječ "relativno" u nazivu Galileovog principa ne krije u sebi ništa posebno. Nema drugog značenja osim onoga što stavljamo u pokret, to kretanje ili mirovanje je uvijek kretanje ili mirovanje u odnosu na nešto što nam služi kao referentni okvir. To, naravno, ne znači da nema razlike između mirovanja i ravnomjernog kretanja. Ali pojmovi mirovanja i kretanja dobivaju značenje tek kada se naznači referentna točka.
Ako je klasično načelo relativnosti tvrdilo nepromjenjivost zakona mehanike u svim inercijskim referentnim okvirima, onda je u specijalnoj teoriji relativnosti to načelo također prošireno na zakone elektrodinamike, a opća teorija relativnosti tvrdila je invarijantnost zakone prirode u svim referentnim okvirima, i inercijskim i neinercijalnim. Zovu se neinercijski referentni sustavi koji se kreću s usporavanjem ili ubrzanjem.
U skladu sa posebnom teorijom relativnosti, koja spaja prostor i vrijeme u jedinstveni četverodimenzionalni prostor-vremenski kontinuum, prostorno-vremena svojstva tijela ovise o brzini njihova kretanja. Prostorne dimenzije smanjuju se u smjeru gibanja kada se brzina tijela približi brzini svjetlosti u vakuumu (300 000 km/s), usporavaju se vremenski procesi u sustavima koji se brzo kreću, a tjelesna masa raste.
Budući da se nalazi u referentnom okviru koji se kreće, odnosno kreće se paralelno i na istoj udaljenosti od mjerenog okvira, ne mogu se primijetiti ti efekti, koji se nazivaju relativističkim, jer će se sve prostorne skale i dijelovi koji se koriste u mjerenjima mijenjati na potpuno isti način. Prema principu relativnosti, svi procesi u inercijskim referentnim okvirima odvijaju se na isti način. Ali ako je sustav neinercijalan, onda se relativistički učinci mogu primijetiti i promijeniti. Dakle, ako zamišljeni relativistički brod poput fotonske rakete ode do udaljenih zvijezda, tada će nakon povratka na Zemlju vrijeme u brodskom sustavu proći znatno manje nego na Zemlji, a ta će razlika biti to veća što je let dalji napravljen, a brzina broda bit će bliža brzini svjetlosti. Razlika se čak može mjeriti u stotinama i tisućama godina, zbog čega će se posada broda odmah prevesti u blisku ili dalju budućnost, zaobilazeći međuvrijeme, budući da je raketa, zajedno s posadom, ispala tijeka razvoja na Zemlji.
Slični procesi usporavanja protoka vremena ovisno o brzini kretanja zapravo se bilježe sada u mjerenjima duljine puta mezona koji nastaju sudarom čestica primarnog kozmičkog zračenja s jezgrama atoma na Zemlji. Mezoni postoje 10 -6 - 10 -15 s (ovisno o vrsti čestica) i nakon pojave se raspadaju na maloj udaljenosti od mjesta rođenja. Sve se to može registrirati mjernim uređajima na tragovima kretanja čestica. Ali ako se mezon kreće brzinom bliskom brzini svjetlosti, tada se vremenski procesi u njemu usporavaju, razdoblje raspada se povećava (za tisuće i desetke tisuća puta) i, sukladno tome, duljina puta od rođenja do raspada povećava.
Dakle, posebna teorija relativnosti temelji se na Galileovom proširenom principu relativnosti. Osim toga, koristi još jednu novu poziciju: brzina širenja svjetlosti (u vakuumu) je ista u svim inercijskim referentnim okvirima.
Ali zašto je ta brzina toliko važna da se sud o njoj vrijednosno izjednačava s načelom relativnosti? Činjenica je da smo ovdje suočeni s drugom univerzalnom fizičkom konstantom. Brzina svjetlosti najveća je od svih brzina u prirodi, granična brzina fizičkih interakcija. Kretanje svjetlosti bitno se razlikuje od kretanja svih drugih tijela čija je brzina manja od brzine svjetlosti. Brzina ovih tijela uvijek se zbraja s drugim brzinama. U tom smislu, brzine su relativne: njihova veličina ovisi o gledištu. A brzina svjetlosti se ne zbraja s drugim brzinama, ona je apsolutna, uvijek ista, a kad smo već kod toga, ne trebamo specificirati referentni okvir.
Apsolutnost brzine svjetlosti nije u suprotnosti s načelom relativnosti i potpuno je kompatibilna s njim. Konstantnost te brzine je zakon prirode, pa stoga – upravo u skladu s načelom relativnosti – vrijedi u svim inercijskim referentnim okvirima.
Brzina svjetlosti je gornja granica za brzinu kretanja bilo kojeg tijela u prirodi, za brzinu širenja bilo kojeg valova, bilo kojeg signala. Maksimalno je - ovo je apsolutni brzinski rekord.
“Za sve fizičke procese, brzina svjetlosti ima svojstvo beskonačne brzine. Da bi se tijelu dala brzina jednaka brzini svjetlosti potrebna je beskonačna količina energije i zato je fizički nemoguće da bilo koje tijelo postigne tu brzinu. Taj je rezultat potvrđen mjerenjima koja su provedena na elektronima. Kinetička energija točkaste mase raste brže od kvadrata njezine brzine i postaje beskonačna za brzinu jednaku brzini svjetlosti” 1 . Stoga se često kaže da je brzina svjetlosti granična brzina prijenosa informacija. I najveća brzina bilo koje fizičke interakcije, i zapravo svih zamislivih interakcija na svijetu.
Usko povezano sa brzinom svjetlosti je rješenje problema simultanosti, koje se također pokazuje relativnim, odnosno ovisno o stajalištu. U klasičnoj mehanici, koja je vrijeme smatrala apsolutnim, simultanost je također apsolutna.
U općoj teoriji relativnosti otkriveni su novi aspekti ovisnosti prostorno-vremenskih odnosa o materijalnim procesima. Ova teorija sažela je fizičke temelje za neeuklidske geometrije i povezala zakrivljenost prostora i odstupanje njegove metrike od euklidske s djelovanjem gravitacijskih polja koje stvaraju mase tijela. Opća teorija relativnosti polazi od načela ekvivalencije inercijalnih i gravitacijskih masa, čija je kvantitativna jednakost odavno utvrđena u klasičnoj fizici. Kinematički učinci koji nastaju pod djelovanjem gravitacijskih sila jednaki su učincima koji nastaju pod djelovanjem ubrzanja. Dakle, ako raketa poleti s ubrzanjem od 2g, tada će se posada rakete osjećati kao da se nalazi u dvostrukom gravitacijskom polju Zemlje. Na temelju načela ekvivalencije masa generalizirano je načelo relativnosti, koje u općoj teoriji relativnosti potvrđuje nepromjenjivost zakona prirode u svim referentnim okvirima, kako inercijskim tako i neinercijalnim.
Kako se može zamisliti zakrivljenost prostora o kojoj govori opća teorija relativnosti? Zamislimo vrlo tanak list gume, pa ćemo smatrati da je ovo model prostora. Postavimo na ovaj list velike i male kuglice - modele zvijezda. Ove će kuglice savijati gumenu ploču što je veća masa lopte. To jasno pokazuje ovisnost zakrivljenosti prostora o masi tijela i također pokazuje da uobičajena euklidska geometrija u ovom slučaju ne funkcionira (geometrije Lobačevskog i Riemanna).
Teorija relativnosti utvrdila je ne samo zakrivljenost prostora pod utjecajem gravitacijskih polja, već i usporavanje vremena u jakim gravitacijskim poljima. Čak i gravitacija Sunca - prilično male zvijezde prema kozmičkim standardima - utječe na brzinu protoka vremena, usporavajući je u blizini sebe. Stoga, ako pošaljemo radio signal u neku točku, put do koje prolazi u blizini Sunca, put radio signala u ovom slučaju će trajati dulje nego kada nema ništa na putu ovom signalu. Usporenje u blizini Sunca je oko 0,0002 s.
Jedno od najfantastičnijih predviđanja opće relativnosti je potpuni zastoj vremena u vrlo jakom gravitacijskom polju. Usporavanje vremena je veće, to je jača gravitacija. Dilatacija vremena očituje se u gravitacijskom crvenom pomaku svjetlosti: što je gravitacija jača, to se valna duljina više povećava, a njezina frekvencija smanjuje. Pod određenim uvjetima, valna duljina može težiti beskonačnosti, a njezina frekvencija - nuli.
Uz svjetlost koju emitira Sunce, to bi se moglo dogoditi kada bi se naša zvijezda naglo stisnula i pretvorila u loptu polumjera od 3 km ili manje (polumjer Sunca je 700 000 km). Zbog tog kompresije, gravitacijska sila na površini, odakle dolazi svjetlost, toliko se povećava da se gravitacijski crveni pomak pokazuje uistinu beskonačnim.
S našim Suncem to se zapravo nikada neće dogoditi. Ali druge zvijezde, čije su mase tri ili više puta veće od mase Sunca, na kraju svog života doista dožive, najvjerojatnije, brzu katastrofalnu kompresiju pod utjecajem vlastite gravitacije. To će ih dovesti do stanja crne rupe. Crna rupa je fizičko tijelo koje stvara tako jaku gravitaciju da crveni pomak svjetlosti koja se emitira u njezinoj blizini može ići u beskonačnost.
Fizičari i astronomi potpuno su sigurni da crne rupe postoje u prirodi, iako do sada nisu otkrivene. Poteškoće astronomskih pretraživanja povezane su sa samom prirodom ovih neobičnih objekata. Uostalom, beskonačni crveni pomak, zbog kojeg frekvencija primljene svjetlosti nestaje, čini ih jednostavno nevidljivima. Ne svijetle, pa su stoga u punom smislu riječi crne. Samo po nizu neizravnih znakova možemo se nadati da ćemo primijetiti crnu rupu, na primjer, u binarnom zvjezdanom sustavu, gdje bi joj partner bila obična zvijezda. Iz promatranja kretanja vidljive zvijezde u općem gravitacijskom polju takvog para, bilo bi moguće procijeniti masu nevidljive zvijezde, a ako ta vrijednost premašuje masu Sunca tri ili više puta, ona će bilo moguće ustvrditi da smo pronašli crnu rupu.
Sada postoji nekoliko dobro proučenih binarnih sustava u kojima se masa nevidljivog partnera procjenjuje na 5 ili čak 8 solarnih masa. Najvjerojatnije se radi o crnim rupama, ali astronomi te objekte radije nazivaju kandidatima za crne rupe dok se te procjene ne preciziraju.
Gravitacijska vremenska dilatacija, mjerena i dokazana crvenim pomakom, vrlo je značajna u blizini neutronske zvijezde, a u blizini crne rupe, u blizini njenog gravitacijskog radijusa, toliko je velika da se čini da se vrijeme tamo zamrzava.
Za tijelo koje padne u gravitacijsko polje crne rupe koju čini masa jednaka 3 solarne mase, pad s udaljenosti od 1 milijun km na gravitacijski radijus traje samo oko sat vremena. No, prema satu koji počiva daleko od crne rupe, slobodni pad tijela u njegovom polju će se protezati u vremenu do beskonačnosti. Što je tijelo koje pada bliže gravitacijskom radijusu, to će se udaljenom promatraču ovaj let činiti sporijim. Tijelo promatrano izdaleka približit će se gravitacijskom radijusu neograničeno i nikada ga neće dosegnuti. Ovako se vrijeme usporava u blizini crne rupe. Dakle, materija utječe na svojstva prostora i vremena.
Koncepti prostora i vremena formulirani u Einsteinovoj teoriji relativnosti daleko su najdosljedniji. Ali oni su makroskopski, budući da se temelje na iskustvu proučavanja makroskopskih objekata, velikih udaljenosti i dugih vremenskih intervala. Prilikom konstruiranja teorija koje opisuju fenomene mikrokozmosa, ova klasična geometrijska slika, uz pretpostavku kontinuiteta prostora i vremena (prostorno-vremenski kontinuum), prenijeta je u novo područje bez ikakvih promjena. Eksperimentalni podaci koji bi bili u suprotnosti s primjenom teorije relativnosti u mikrokozmosu još nisu dostupni. Ali sam razvoj kvantnih teorija može zahtijevati reviziju ideja o fizičkom prostoru i vremenu. Razvijena teorija superstruna, koja predstavlja elementarne čestice kao harmonijske vibracije tih struna i povezuje fiziku s geometrijom, polazi od višedimenzionalnosti prostora. A to znači da se na novoj fazi razvoja znanosti, na novoj razini znanja, vraćamo na predviđanja A. Einsteina iz 1930.: „Dolazimo do čudnog zaključka: sada nam se počinje činiti da prostor ima primarnu ulogu, dok se materija mora dobiti iz svemira, da tako kažemo, u sljedećoj fazi. Uvijek smo materiju smatrali primarnom, a prostor sekundarnim. Prostor se, slikovito rečeno, sada osvećuje i “jede” materiju” 1 . Možda postoji kvant prostora, temeljna duljina L. Uvođenjem ovog koncepta možemo izbjeći mnoge poteškoće modernih kvantnih teorija. Ako se potvrdi njegovo postojanje, tada će L postati treća (osim Planckove konstante i brzine svjetlosti u vakuumu) temeljna konstanta u fizici. Postojanje kvanta prostora također podrazumijeva postojanje kvanta vremena (jednakog L/c), što ograničava točnost određivanja vremenskih intervala.
Prije stotinu godina, 1915., mladi švicarski znanstvenik, koji je u to vrijeme već napravio revolucionarna otkrića u fizici, predložio je temeljno novo razumijevanje gravitacije.
Godine 1915. Einstein je objavio opću teoriju relativnosti koja gravitaciju karakterizira kao osnovno svojstvo prostor-vremena. Predstavio je niz jednadžbi koje opisuju učinak zakrivljenosti prostor-vremena na energiju i gibanje materije i zračenja prisutnog u njemu.
Stotinu godina kasnije, opća teorija relativnosti (GR) postala je temelj za izgradnju moderne znanosti, izdržala je sve testove kojima su je znanstvenici napali.
No donedavno nije bilo moguće provoditi eksperimente u ekstremnim uvjetima kako bi se ispitala stabilnost teorije.
Nevjerojatno je koliko se teorija relativnosti pokazala jakom u 100 godina. Još uvijek koristimo ono što je Einstein napisao!
Clifford Will, teoretski fizičar sa Sveučilišta Florida
Znanstvenici sada imaju tehnologiju za traženje fizike izvan opće relativnosti.
Novi pogled na gravitaciju
Opća teorija relativnosti ne opisuje gravitaciju kao silu (kako se to čini u Newtonovskoj fizici), već kao zakrivljenost prostor-vremena zbog mase objekata. Zemlja se okreće oko Sunca, ne zato što je zvijezda privlači, već zato što Sunce deformira prostor-vrijeme. Ako se teška kugla za kuglanje stavi na rastegnutu deku, deka će promijeniti oblik - gravitacija utječe na prostor na približno isti način.
Einsteinova teorija predvidjela je neka luda otkrića. Primjerice, mogućnost postojanja crnih rupa, koje savijaju prostor-vrijeme do te mjere da ništa ne može pobjeći iznutra, pa ni svjetlost. Na temelju teorije pronađeni su dokazi za danas općeprihvaćeno mišljenje da se Svemir širi i ubrzava.
Opća teorija relativnosti potvrđena je brojnim opažanjima. Sam Einstein koristio je opću relativnost za izračunavanje orbite Merkura čije se gibanje ne može opisati Newtonovim zakonima. Einstein je predvidio postojanje objekata toliko masivnih da savijaju svjetlost. Ovo je fenomen gravitacijskog leća s kojim se astronomi često susreću. Na primjer, potraga za egzoplanetima temelji se na učinku suptilnih promjena u zračenju zakrivljenom gravitacijskim poljem zvijezde oko koje se planet okreće.
Testiranje Einsteinove teorije
Opća teorija relativnosti dobro funkcionira za običnu gravitaciju, što pokazuju eksperimenti na Zemlji i promatranja planeta Sunčevog sustava. Ali nikada nije testiran u uvjetima izrazito jakog utjecaja polja u prostorima koji leže na granicama fizike.
Najviše obećavajući način testiranja teorije u takvim uvjetima je promatranje promjena u prostor-vremenu, koje se nazivaju gravitacijskim valovima. Pojavljuju se kao rezultat velikih događaja, tijekom spajanja dvaju masivnih tijela, poput crnih rupa, ili posebno gustih objekata - neutronskih zvijezda.
Kozmički vatromet ove veličine imao bi samo najmanje valove u prostor-vremenu. Na primjer, ako su se dvije crne rupe sudarile i spojile negdje u našoj galaksiji, gravitacijski valovi mogli bi rastegnuti i stisnuti udaljenost između objekata na Zemlji metar međusobno udaljenih za tisućinku promjera atomske jezgre.
Pojavili su se eksperimenti koji mogu zabilježiti promjene u prostor-vremenu zbog takvih događaja.
Postoji dobra šansa da se popravi gravitacijski valovi u sljedeće dvije godine.
Clifford Will
Laser Interferometric Gravitation Wave Observatory (LIGO), sa zvjezdarnicama u blizini Richlanda, Washington i Livingstona, Louisiana, koristi laser za otkrivanje sitnih izobličenja u dvostrukim detektorima u obliku slova L. Kako prostorno-vremenski talasi prolaze kroz detektore, oni se rastežu i komprimiraju prostor, uzrokujući da detektor mijenja dimenzije. A LIGO ih može izmjeriti.
LIGO je započeo seriju lansiranja 2002., ali nije postigao cilj. Poboljšanja su napravljena 2010. godine, a nasljednik organizacije, Advanced LIGO Observatory, trebao bi ponovno pokrenuti ove godine. Mnogi od planiranih eksperimenata usmjereni su na traženje gravitacijskih valova.
Drugi način testiranja teorije relativnosti je promatranje svojstava gravitacijskih valova. Na primjer, mogu biti polarizirane, poput svjetlosti koja prolazi kroz polarizirane naočale. Teorija relativnosti predviđa značajke takvog učinka, a svako odstupanje od izračuna može postati razlogom za sumnju u teoriju.
jedinstvena teorija
Clifford Will vjeruje da će otkriće gravitacijskih valova samo ojačati Einsteinovu teoriju:
Mislim da trebamo nastaviti tražiti dokaz opće relativnosti kako bismo bili sigurni da je točan.
Zašto su ti eksperimenti uopće potrebni?
Jedan od najvažnijih i najneuhvatljivijih zadataka moderne fizike je potraga za teorijom koja će povezati Einsteinovo istraživanje, odnosno znanost o makrokozmosu, i kvantnu mehaniku, stvarnost najmanjih objekata.
Napredak u ovom smjeru, kvantna gravitacija, može zahtijevati promjene u općoj teoriji relativnosti. Moguće je da će eksperimenti u polju kvantne gravitacije zahtijevati toliko energije da će ih biti nemoguće izvesti. “Ali tko zna”, kaže Will, “možda postoji učinak u kvantnom svemiru, beznačajan, ali pretraživ.”
