Teoria relativității a lui Einstein mi s-a părut întotdeauna abstractă și de neînțeles. Să încercăm să descriem teoria relativității a lui Einstein în cuvinte simple. Imaginați-vă că sunteți afară în ploaie puternică, cu vântul care suflă în spate. Dacă începi să alergi repede, picăturile de ploaie nu vor cădea pe spate. Picăturile vor fi mai lente sau nu vor ajunge deloc la spate, acesta este un fapt dovedit științific și îl puteți verifica singur într-o furtună. Acum imaginați-vă că dacă v-ați întoarce și ați alerga împotriva vântului cu ploaie, picăturile ți-ar lovi hainele și fața mai tare decât dacă ai sta în picioare.
Oamenii de știință au crezut anterior că lumina acționează ca ploaia pe vreme cu vânt. Ei au crezut că dacă Pământul s-ar mișca în jurul Soarelui, iar Soarele s-ar mișca în jurul galaxiei, atunci ar fi posibil să se măsoare viteza mișcării lor în spațiu. În opinia lor, tot ce trebuie să facă este să măsoare viteza luminii și modul în care aceasta se schimbă în raport cu două corpuri.
Oamenii de știință au făcut-o și a găsit ceva foarte ciudat. Viteza luminii era aceeași, indiferent ce, indiferent cum se mișcau corpurile și indiferent în ce direcție s-au făcut măsurătorile.
A fost foarte ciudat. Dacă luăm situația cu o furtună, atunci în circumstanțe normale picăturile de ploaie te vor afecta mai mult sau mai puțin în funcție de mișcările tale. De acord, ar fi foarte ciudat dacă o furtună de ploaie ar sufla în spate cu aceeași forță, atât la alergare, cât și la oprire.
Oamenii de știință au descoperit că lumina nu are aceleași proprietăți ca picăturile de ploaie sau orice altceva din univers. Indiferent cât de repede te miști și indiferent în ce direcție te îndrepți, viteza luminii va fi întotdeauna aceeași. Acest lucru este foarte confuz și numai Albert Einstein a putut să facă lumină asupra acestei nedreptăți.
Einstein și un alt om de știință, Hendrik Lorentz, și-au dat seama că există o singură modalitate de a explica cum ar putea fi toate acestea. Acest lucru este posibil doar dacă timpul încetinește.
Imaginează-ți ce s-ar întâmpla dacă timpul ar încetini pentru tine și nu ai ști că te miști mai încet. Veți simți că totul se întâmplă mai repede., totul în jurul tău se va mișca, ca într-un film în avans rapid.
Așa că acum să ne imaginăm că ești din nou într-o ploaie de vânt. Cum este posibil ca ploaia să te afecteze la fel, chiar dacă alergi? Se pare că dacă încercai să fugi de ploaie, atunci timpul tău ar încetini și ploaia s-ar accelera. Picăturile de ploaie ți-ar lovi spatele cu aceeași viteză. Oamenii de știință numesc această dilatare a timpului. Indiferent cât de repede te miști, timpul tău încetinește, cel puțin pentru viteza luminii această expresie este adevărată.
Dualitatea dimensiunilor
Un alt lucru pe care Einstein și Lorentz și-au dat seama a fost că doi oameni în circumstanțe diferite pot obține valori calculate diferite și cel mai ciudat lucru este că amândoi vor avea dreptate. Acesta este un alt efect secundar al luminii care se mișcă mereu cu aceeași viteză.
Să facem un experiment de gândire
Imaginează-ți că stai în centrul camerei tale și ai instalat o lampă chiar în mijlocul camerei. Acum imaginați-vă că viteza luminii este foarte lentă și puteți vedea cum se deplasează, imaginați-vă că aprindeți o lampă.
De îndată ce aprindeți lampa, lumina va începe să se extindă și să se ilumineze. Deoarece ambii pereți sunt la aceeași distanță, lumina va ajunge la ambii pereți în același timp.
Acum imaginează-ți că în camera ta este o fereastră mare și un prieten de-al tău trece cu mașina. Va vedea altceva. Pentru el, va părea că camera ta se mișcă spre dreapta și când vei aprinde lampa, va vedea peretele din stânga îndreptându-se spre lumină. iar peretele drept se îndepărtează de lumină. El va vedea că lumina a lovit mai întâi peretele din stânga, apoi pe dreapta. I se va părea că lumina nu a luminat ambii pereți în același timp.
Conform teoriei relativității a lui Einstein, ambele puncte de vedere vor fi corecte. Din punctul tău de vedere, lumina lovește ambii pereți în același timp. Din punctul de vedere al prietenului tău, nu este așa. Nu este nimic gresit.
Acesta este motivul pentru care oamenii de știință spun că „simultaneitatea este relativă”. Dacă măsori două lucruri care ar trebui să se întâmple în același timp, atunci cineva care se mișcă cu o viteză diferită sau într-o direcție diferită nu le va putea măsura în același mod ca tine.
Acest lucru ni se pare foarte ciudat, deoarece viteza luminii este instantanee pentru noi și ne mișcăm foarte încet în comparație. Deoarece viteza luminii este atât de mare, nu observăm viteza luminii până nu realizăm experimente speciale.
Cu cât un obiect se mișcă mai repede, cu atât este mai scurt și mai mic
Un alt efect secundar foarte ciudat că viteza luminii nu se schimbă. La viteza luminii, lucrurile în mișcare devin mai scurte.
Din nou, să ne imaginăm că viteza luminii este foarte lentă. Imaginează-ți că călătorești într-un tren și ai instalat o lampă în mijlocul vagonului. Acum imaginați-vă că aprindeți o lampă, ca într-o cameră.
Lumina se va răspândi și va ajunge simultan la pereții din față și din spatele mașinii. În acest fel, puteți măsura chiar și lungimea căruciorului, măsurând cât de mult i-a luat luminii să ajungă pe ambele părți.
Hai sa facem calculele:
Să ne imaginăm că durează 1 secundă pentru a parcurge 10 metri și este nevoie de 1 secundă pentru ca lumina să se răspândească de la lampă pe peretele căruciorului. Aceasta înseamnă că lampa este situată la 10 metri de ambele părți ale mașinii. Deoarece 10 + 10 = 20, aceasta înseamnă că lungimea mașinii este de 20 de metri.
Acum să ne imaginăm că prietenul tău este pe stradă și privește un tren care trece. Amintiți-vă că el vede lucrurile diferit. Peretele din spate al căruciorului se deplasează către lampă, iar peretele frontal se îndepărtează de aceasta. În acest fel, lumina nu va atinge partea din față și din spate a peretelui mașinii în același timp. Lumina va ajunge mai întâi în spate și apoi în față.
Astfel, dacă tu și prietenul tău măsurați viteza de propagare a luminii de la lampă la pereți, veți obține valori diferite, dar din punct de vedere științific, ambele calcule vor fi corecte. Doar pentru tine, conform măsurătorilor, lungimea căruciorului va fi de aceeași dimensiune, dar pentru un prieten, lungimea căruciorului va fi mai mică.
Amintiți-vă, totul este despre cum și în ce condiții faceți măsurători. Dacă ai fi în interiorul unei rachete care se mișcă cu viteza luminii, nu ai simți nimic neobișnuit, spre deosebire de oamenii de la sol care îți măsoară mișcarea. N-ai putea să-ți dai seama că timpul se mișcă mai lent pentru tine sau că partea din față și din spate ale navei se apropiaseră brusc una de alta.
În același timp, dacă ai zbura pe o rachetă, ți s-ar părea că toate planetele și stelele ar zbura pe lângă tine cu viteza luminii. În acest caz, dacă încercați să le măsurați timpul și dimensiunea, atunci logic pentru ei timpul ar trebui să încetinească și dimensiunile lor ar trebui să scadă, nu?
Toate acestea erau foarte ciudate și de neînțeles, dar Einstein a propus o soluție și a combinat toate aceste fenomene într-o singură teorie a relativității.
Fizicianul revoluționar și-a folosit mai degrabă imaginația decât matematica complexă pentru a găsi cea mai faimoasă și elegantă ecuație a sa. Einstein este cunoscut pentru că prezice fenomene ciudate, dar adevărate, cum ar fi astronauții din spațiu care îmbătrânesc mai lent decât oamenii de pe Pământ și formele obiectelor solide care se schimbă la viteze mari.
Dar ceea ce este interesant este că, dacă iei o copie a lucrării originale a lui Einstein din 1905 despre relativitate, este destul de ușor de descifrat. Textul este simplu și clar, iar ecuațiile sunt în mare parte algebrice – orice elev de liceu le poate înțelege.
Acest lucru se datorează faptului că matematica complexă nu a fost niciodată punctul forte al lui Einstein. Îi plăcea să gândească vizual, să facă experimente în imaginația sa și să le gândească până când ideile și principiile fizice au devenit clare.
Aici au început experimentele gândirii lui Einstein când avea doar 16 ani și cum l-au condus în cele din urmă la cea mai revoluționară ecuație din fizica modernă.
În acest moment al vieții lui Einstein, disprețul său prost ascuns față de rădăcinile sale germane și pentru metodele de predare autoritare ale Germaniei își luase deja roadele, iar el fusese dat afară din liceu, așa că s-a mutat la Zurich în speranța că va urma Institutul Federal Elvețian de Tehnologie (ETH).
Dar mai întâi, Einstein a decis să petreacă un an de pregătire la o școală din orașul vecin Aarau. În acest moment, el se trezi curând întrebându-se cum ar fi să alergi lângă un fascicul de lumină.
Einstein învățase deja la ora de fizică ce este un fascicul de lumină: un set de câmpuri electrice și magnetice oscilante care se mișcă cu 300.000 de kilometri pe secundă, viteza măsurată a luminii. Dacă ar alerga în apropiere cu aceeași viteză, și-a dat seama Einstein, ar putea vedea multe câmpuri electrice și magnetice oscilante lângă el, parcă înghețate în spațiu.
Dar asta era imposibil. În primul rând, câmpurile staționare ar încălca ecuațiile lui Maxwell, legile matematice care stau la baza a tot ceea ce știau fizicienii despre electricitate, magnetism și lumină. Aceste legi au fost (și sunt încă) destul de stricte: orice undă din aceste câmpuri trebuie să călătorească cu viteza luminii și nu poate sta nemișcate, fără excepții.
Mai rău, câmpurile staționare nu se potriveau cu principiul relativității, care era cunoscut de fizicieni încă din zilele lui Galileo și Newton în secolul al XVII-lea. În esență, principiul relativității spune că legile fizicii nu pot depinde de cât de repede vă mișcați: puteți măsura doar viteza unui obiect față de altul.
Dar când Einstein a aplicat acest principiu experimentului său de gândire, a apărut o contradicție: relativitatea a dictat că orice ar putea vedea când se mișcă în apropierea unui fascicul de lumină, inclusiv câmpuri staționare, trebuie să fie ceva banal pe care fizicienii l-ar putea crea în laborator. Dar nimeni nu a observat vreodată asta.
Această problemă l-a bântuit pe Einstein încă 10 ani, în timp ce el a studiat și a lucrat la ETH și s-a mutat în capitala Elveției, Berna, unde va deveni examinator la biroul de brevete elvețian. Acolo va rezolva paradoxul odată pentru totdeauna.
1904: Măsurarea luminii dintr-un tren în mișcare
Nu a fost ușor. Einstein a încercat toate soluțiile la care s-a putut gândi, dar nimic nu a funcționat. Aproape disperat, a început să se gândească la o soluție simplă, dar radicală. Poate că ecuațiile lui Maxwell au funcționat pentru orice, se gândi el, dar viteza luminii fusese întotdeauna constantă.
Cu alte cuvinte, când vezi un fascicul de lumină zburând, nu contează dacă sursa lui se mișcă spre tine, departe de tine, departe de tine sau oriunde altundeva și nu contează cât de repede este sursa lui. in miscare. Viteza luminii pe care o măsurați va fi întotdeauna de 300.000 de kilometri pe secundă. Printre altele, acest lucru însemna că Einstein nu va vedea niciodată câmpuri oscilante staționare, deoarece nu va fi niciodată capabil să prindă un fascicul de lumină.
Acesta a fost singurul mod în care Einstein a văzut pentru a reconcilia ecuațiile lui Maxwell cu principiul relativității. La prima vedere, însă, această soluție avea propriul ei defect fatal. El a explicat-o mai târziu cu un alt experiment de gândire: imaginați-vă o grindă care este trasă de-a lungul unui terasament de cale ferată în timp ce un tren trece în aceeași direcție cu, să zicem, 3000 de kilometri pe secundă.
Cineva care stă lângă terasament ar trebui să măsoare viteza razului de lumină și să obțină numărul standard de 300.000 de kilometri pe secundă. Dar cineva dintr-un tren va vedea lumina mișcându-se cu 297.000 de kilometri pe secundă. Dacă viteza luminii nu este constantă, ecuația lui Maxwell din interiorul vagonului ar trebui să arate diferit, a concluzionat Einstein, iar atunci principiul relativității ar fi încălcat.
Această aparentă contradicție ia dat lui Einstein o pauză de aproape un an. Dar apoi, într-o dimineață frumoasă din mai 1905, mergea la muncă cu cel mai bun prieten al său Michel Besso, un inginer pe care îl cunoștea încă din vremea studenției la Zurich. Cei doi bărbați au vorbit despre dilema lui Einstein, așa cum au făcut-o întotdeauna. Și deodată Einstein a văzut soluția. A lucrat la asta toată noaptea, iar când s-au întâlnit a doua zi dimineață, Einstein i-a spus lui Besso: „Mulțumesc. Am rezolvat complet problema.”
Mai 1905: Fulgerul lovește un tren în mișcare
Revelația lui Einstein a fost că observatorii aflați în mișcare relativă percep timpul diferit: este foarte posibil ca două evenimente să se producă simultan din punctul de vedere al unui observator, dar în momente diferite din punctul de vedere al altuia. Și ambii observatori vor avea dreptate.
Einstein și-a ilustrat mai târziu punctul său de vedere cu un alt experiment de gândire. Imaginează-ți că un observator stă din nou lângă calea ferată și un tren trece în grabă pe lângă el. În momentul în care punctul central al trenului trece pe lângă observator, fulgerul lovește fiecare capăt al trenului. Deoarece fulgerul lovește la aceeași distanță de observator, lumina lor intră în ochii lui în același timp. Ar fi corect să spunem că fulgerul lovește simultan.
Între timp, un alt observator stă exact în centrul trenului. Din punctul său de vedere, lumina de la două fulgere parcurge aceeași distanță și viteza luminii va fi aceeași în orice direcție. Dar pentru că trenul se mișcă, lumina care vine de la fulgerul din spate trebuie să parcurgă o distanță mai mare, așa că ajunge la observator cu câteva momente mai târziu decât lumina de la început. Deoarece pulsurile de lumină sosesc în momente diferite, putem concluziona că loviturile fulgerelor nu sunt simultane - una are loc mai repede.
Einstein a realizat că tocmai această simultaneitate este relativă. Și odată ce acceptați acest lucru, efectele ciudate pe care le asociem acum cu relativitatea sunt rezolvate prin algebră simplă.
Einstein și-a scris cu febril gândurile și și-a trimis lucrările spre publicare. Titlul era „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare” și reflecta încercarea lui Einstein de a conecta ecuațiile lui Maxwell cu principiul relativității. Besso a primit mulțumiri speciale.
Septembrie 1905: masă și energie
Această primă lucrare nu a fost însă ultima. Einstein a fost obsedat de relativitate până în vara lui 1905, iar în septembrie a trimis o a doua lucrare spre publicare, de data aceasta în retrospectivă.
S-a bazat pe un alt experiment de gândire. Imaginați-vă un obiect în repaus, spuse el. Acum imaginați-vă că emite simultan două impulsuri identice de lumină în direcții opuse. Obiectul va rămâne pe loc, dar deoarece fiecare puls transportă o anumită cantitate de energie, energia conținută în obiect va scădea.
Acum, a scris Einstein, cum ar arăta acest proces pentru un observator în mișcare? Din punctul său de vedere, obiectul va continua pur și simplu să se miște în linie dreaptă în timp ce cele două impulsuri zboară. Dar chiar dacă viteza celor două impulsuri rămâne aceeași - viteza luminii - energiile lor vor fi diferite. Un impuls care se deplasează înainte în direcția de mers va avea o energie mai mare decât unul care se mișcă în direcția opusă.
Adăugând puțină algebră, Einstein a arătat că, pentru ca acest lucru să fie consistent, obiectul nu trebuie să piardă doar energie atunci când trimite impulsuri de lumină, ci și masă. Sau masa și energia ar trebui să fie interschimbabile. Einstein a scris o ecuație care le leagă. Și a devenit cea mai faimoasă ecuație din istoria științei: E = mc 2.
Chiar și la sfârșitul secolului al XIX-lea, majoritatea oamenilor de știință erau înclinați spre punctul de vedere că imaginea fizică a lumii a fost construită în principiu și va rămâne de neclintit în viitor - au rămas doar detaliile de clarificat. Dar în primele decenii ale secolului al XX-lea, vederile fizice s-au schimbat radical. Aceasta a fost consecința unei „cascade” de descoperiri științifice făcute într-o perioadă istorică extrem de scurtă, care acoperă ultimii ani ai secolului al XIX-lea și primele decenii ale secolului al XX-lea, multe dintre acestea fiind complet incompatibile cu înțelegerea experienței umane obișnuite. Un exemplu izbitor este teoria relativității creată de Albert Einstein (1879-1955).
Teoria relativitatii- teoria fizică a spațiu-timpului, adică o teorie care descrie proprietățile universale spațiu-timp ale proceselor fizice. Termenul a fost introdus în 1906 de Max Planck pentru a sublinia rolul principiului relativității
în relativitatea specială (și, mai târziu, în relativitatea generală).
Într-un sens restrâns, teoria relativității include relativitatea specială și generală. Teoria specială a relativității(în continuare - SRT) se referă la procese în studiul cărora câmpurile gravitaționale pot fi neglijate; teoria generală a relativității(denumită în continuare GTR) este o teorie a gravitației care generalizează cea a lui Newton.
Special, sau teoria specială a relativității
este o teorie a structurii spațiu-timpului. A fost introdus pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein în lucrarea sa „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Teoria descrie mișcarea, legile mecanicii, precum și relațiile spațiu-timp care le determină, cu orice viteză de mișcare,
inclusiv cele apropiate de viteza luminii. Mecanica newtoniană clasică
în cadrul SRT, este o aproximare pentru viteze mici.
Unul dintre motivele succesului lui Albert Einstein este că a apreciat datele experimentale în detrimentul celor teoretice. Când o serie de experimente au dezvăluit rezultate care contrazic teoria general acceptată, mulți fizicieni au decis că aceste experimente erau greșite.
Albert Einstein a fost unul dintre primii care au decis să construiască o nouă teorie bazată pe noi date experimentale.
La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicienii căutau eterul misterios - un mediu în care, conform ipotezelor general acceptate, undele luminoase ar trebui să se propage, precum undele acustice, a căror propagare necesită aer sau alt mediu - solid, lichid sau gazos. Credința în existența eterului a dus la credința că viteza luminii ar trebui să varieze în funcție de viteza observatorului în raport cu eterul. Albert Einstein a abandonat conceptul de eter și a presupus că toate legile fizice, inclusiv viteza luminii, rămân neschimbate indiferent de viteza observatorului - așa cum au arătat experimentele.
SRT a explicat cum să interpretăm mișcările între diferite cadre de referință inerțiale - mai simplu spus, obiecte care se mișcă cu o viteză constantă unul față de celălalt. Einstein a explicat că atunci când două obiecte se mișcă cu viteză constantă, ar trebui să se ia în considerare mișcarea lor unul față de celălalt, mai degrabă decât să ia unul dintre ele ca un cadru absolut de referință. Deci, dacă doi astronauți zboară pe două nave spațiale și doresc să-și compare observațiile, singurul lucru pe care trebuie să-l știe este viteza unul față de celălalt.
Teoria relativității speciale ia în considerare un singur caz special (de unde și denumirea), când mișcarea este rectilinie și uniformă.
Pe baza imposibilității detectării mișcării absolute, Albert Einstein a concluzionat că toate sistemele de referință inerțiale sunt egale. El a formulat două postulate cele mai importante care au stat la baza unei noi teorii a spațiului și timpului, numită Teoria specială a relativității (STR):
1. Principiul relativității al lui Einstein - acest principiu a fost o generalizare a principiului relativității lui Galileo (afirmă același lucru, dar nu pentru toate legile naturii, ci doar pentru legile mecanicii clasice, lăsând deschisă problema aplicabilității principiului relativității la optică și electrodinamică) la oricare dintre cele fizice. Scrie: toate procesele fizice în aceleași condiții în sistemele de referință inerțiale (IRS) decurg în același mod. Aceasta înseamnă că niciun experiment fizic efectuat în interiorul unui ISO închis nu poate stabili dacă acesta este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu. Astfel, toate IFR-urile sunt complet egale, iar legile fizice sunt invariante în ceea ce privește alegerea IFR-urilor (adică, ecuațiile care exprimă aceste legi au aceeași formă în toate sistemele de referință inerțiale).
2. Principiul constanței vitezei luminii- viteza luminii in vid este constanta si nu depinde de miscarea sursei si receptorului de lumina. Este același în toate direcțiile și în toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii în vid este viteza limită în natură - aceasta este una dintre cele mai importante constante fizice, așa-numitele constante ale lumii.
Cea mai importantă consecință a SRT a fost celebra formula lui Einstein despre relația dintre masă și energie E=mc 2 (unde C este viteza luminii), care a arătat unitatea spațiului și timpului, exprimată într-o modificare comună a caracteristicilor acestora în funcție de concentrația maselor și de mișcarea lor și confirmată de datele fizicii moderne. Timpul și spațiul au încetat să fie considerate independent unul de celălalt și a apărut ideea unui continuum cu patru dimensiuni spațiu-timp.
Conform teoriei marelui fizician, atunci când viteza unui corp material crește, apropiindu-se de viteza luminii, crește și masa acestuia. Acestea. Cu cât un obiect se mișcă mai repede, cu atât devine mai greu. Dacă se atinge viteza luminii, masa corpului, precum și energia acestuia, devin infinite. Cu cât corpul este mai greu, cu atât este mai dificil să-i crești viteza; Accelerarea unui corp cu masă infinită necesită o cantitate infinită de energie, deci este imposibil ca obiectele materiale să atingă viteza luminii.
În teoria relativității, „două legi – legea conservării masei și a conservării energiei – și-au pierdut valabilitatea independentă și s-au găsit combinate într-o singură lege, care poate fi numită legea conservării energiei sau a masei”. Datorită conexiunii fundamentale dintre aceste două concepte, materia poate fi transformată în energie și invers - energia în materie.
Teoria generală a relativității- o teorie a gravitației publicată de Einstein în 1916, la care a lucrat timp de 10 ani. Este o dezvoltare ulterioară a teoriei relativității speciale. Dacă un corp material accelerează sau se întoarce în lateral, legile STR nu se mai aplică. Apoi intră în vigoare GTR, care explică mișcările corpurilor materiale în cazul general.
Teoria generală a relativității postulează că efectele gravitaționale sunt cauzate nu de interacțiunea forțelor dintre corpuri și câmpuri, ci de deformarea spațiului-timp însuși în care sunt situate. Această deformare este legată, parțial, de prezența masei-energie.
Relativitatea generală este în prezent cea mai de succes teorie a gravitației, bine susținută de observații. GR a generalizat SR la cele accelerate, i.e. sisteme non-inerțiale. Principiile de bază ale relativității generale se rezumă la următoarele:
- limitarea aplicabilității principiului constanței vitezei luminii în regiunile în care forțele gravitaționale pot fi neglijate(unde gravitația este mare, viteza luminii încetinește);
- extinderea principiului relativității la toate sistemele în mișcare(și nu doar cele inerțiale).
În GTR, sau teoria gravitației, ea pornește și de la faptul experimental al echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale, sau echivalența câmpurilor inerțiale și gravitaționale.
Principiul echivalenței joacă un rol important în știință. Putem calcula oricând direct efectul forțelor inerțiale asupra oricărui sistem fizic, iar acest lucru ne oferă posibilitatea de a cunoaște efectul câmpului gravitațional, făcând abstracție de eterogenitatea acestuia, care este adesea foarte nesemnificativă.
Un număr de concluzii importante au fost obținute din relativitatea generală:
1. Proprietățile spațiului-timp depind de materia în mișcare.
2. O rază de lumină, care are o masă inertă și, prin urmare, gravitațională, trebuie să fie îndoită în câmpul gravitațional.
3. Frecvența luminii sub influența câmpului gravitațional ar trebui să se schimbe spre valori mai mici.
Multă vreme, au existat puține dovezi experimentale ale relativității generale. Acordul dintre teorie și experiment este destul de bun, dar puritatea experimentelor este încălcată de diferite efecte secundare complexe. Cu toate acestea, efectele curburii spațiu-timp pot fi detectate chiar și în câmpuri gravitaționale moderate. Ceasurile foarte sensibile, de exemplu, pot detecta dilatarea timpului pe suprafața Pământului. Pentru a extinde baza experimentală a relativității generale, au fost efectuate noi experimente în a doua jumătate a secolului al XX-lea: a fost testată echivalența maselor inerțiale și gravitaționale (inclusiv prin măsurarea cu laser a Lunii);
folosind radar, a fost clarificată mișcarea periheliului lui Mercur; a fost măsurată deviația gravitațională a undelor radio de către Soare, iar radarul a fost efectuat pe planetele Sistemului Solar; a fost evaluată influența câmpului gravitațional al Soarelui asupra comunicațiilor radio cu navele spațiale care au fost trimise către planetele îndepărtate ale sistemului solar etc. Toate, într-un fel sau altul, au confirmat predicțiile obținute pe baza relativității generale.
Deci, teoria relativității speciale se bazează pe postulatele constantei vitezei luminii și pe aceleași legi ale naturii în toate sistemele fizice, iar principalele rezultate la care ajunge sunt următoarele: relativitatea proprietăților spațiului. -timp; relativitatea masei și energiei; echivalența maselor grele și inerte.
Cel mai semnificativ rezultat al teoriei generale a relativității din punct de vedere filozofic este stabilirea dependenței proprietăților spațiu-timp ale lumii înconjurătoare de localizarea și mișcarea maselor gravitatoare. Se datorează influenței corpurilor
Cu mase mari, căile razelor de lumină sunt îndoite. În consecință, câmpul gravitațional creat de astfel de corpuri determină în cele din urmă proprietățile spațiu-timp ale lumii.
Teoria specială a relativității face abstracție din acțiunea câmpurilor gravitaționale și, prin urmare, concluziile ei sunt aplicabile doar în zone mici de spațiu-timp. Diferența cardinală dintre teoria generală a relativității și teoriile fizice fundamentale care au precedat-o este respingerea unui număr de concepte vechi și formularea altora noi. Merită spus că teoria generală a relativității a făcut o adevărată revoluție în cosmologie. Pe baza ei, au apărut diverse modele ale Universului.
Teoria specială a relativității, creată în 1905 de A. Einstein, a fost rezultatul unei generalizări și sintezei a mecanicii clasice a lui Galileo - Newton și a electrodinamicii lui Maxwell - Lorentz. „Descrie legile tuturor proceselor fizice la viteze de mișcare apropiate de viteza luminii, dar fără a ține cont de câmpul gravitațional. Când viteza de mișcare scade, ea se reduce la mecanica clasică, care, astfel, se dovedește a fi cazul său special.” 1
Punctul de plecare al acestei teorii a fost principiul relativității. Principiul clasic al relativității a fost formulat de G. Galileo: „Dacă legile mecanicii sunt valabile într-un sistem de coordonate, atunci ele sunt valabile în orice alt sistem care se mișcă rectiliniu și uniform în raport cu primul.” 2 Astfel de sisteme sunt numite inerțiale, deoarece mișcarea în ele este supusă legii inerției: „Fiecare corp menține o stare de repaus sau o mișcare rectilinie uniformă, cu excepția cazului în care este forțat să o schimbe sub influența forțelor în mișcare”. 3
Din principiul relativității rezultă că între repaus și mișcare – dacă este uniformă și rectilinie – nu există nicio diferență fundamentală. Singura diferență este punctul de vedere.
Astfel, cuvântul „relativ” din numele principiului lui Galileo nu ascunde nimic special. Nu are alt sens decât cel pe care îl punem în mișcare, că mișcarea sau repausul este întotdeauna mișcare sau repaus relativ la ceva care ne servește drept cadru de referință. Acest lucru, desigur, nu înseamnă că nu există nicio diferență între repaus și mișcare uniformă. Dar conceptele de repaus și mișcare capătă sens numai atunci când este indicat un punct de referință.
Dacă principiul clasic al relativității a afirmat invarianța legilor mecanicii în toate cadrele de referință inerțiale, atunci în teoria relativității speciale acest principiu a fost extins și la legile electrodinamicii, iar teoria generală a relativității a afirmat invarianța legile naturii în orice cadru de referință, atât inerțial, cât și non-inerțial. Sistemele de referință non-inerțiale sunt cele care se deplasează cu decelerație sau accelerație.
În conformitate cu teoria relativității speciale, care unește spațiul și timpul într-un singur continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni, proprietățile spațiu-timp ale corpurilor depind de viteza mișcării lor. Dimensiunile spațiale sunt reduse în direcția mișcării pe măsură ce viteza corpurilor se apropie de viteza luminii în vid (300.000 km/s), procesele de timp încetinesc în sistemele cu mișcare rapidă, iar masa corporală crește.
Fiind într-un cadru de referință comoving, adică deplasându-se paralel și la aceeași distanță de sistemul măsurat, este imposibil de observat aceste efecte, care se numesc relativiste, deoarece toate scările și părțile spațiale utilizate în măsurători se vor schimba exact în aceeași măsură. cale. Conform principiului relativității, toate procesele din sistemele de referință inerțiale decurg în același mod. Dar dacă sistemul este non-inerțial, atunci efectele relativiste pot fi observate și modificate. Astfel, dacă o navă relativistă imaginară, cum ar fi o rachetă cu fotoni, merge către stele îndepărtate, atunci după ce se întoarce pe Pământ, timpul din sistemul navei va trece semnificativ mai puțin decât pe Pământ, iar această diferență va fi mai mare cu cât zborul este mai departe. , iar viteza navei va fi mai apropiată de viteza luminii. Diferența poate fi măsurată chiar în sute și mii de ani, drept urmare echipajul navei va fi imediat transportat în viitorul apropiat sau îndepărtat, ocolind timpul intermediar, deoarece racheta și echipajul au căzut din curs. de dezvoltare pe Pământ.
Procese similare de încetinire a trecerii timpului în funcție de viteza de mișcare sunt de fapt înregistrate acum în măsurătorile lungimii drumului mezonilor care apar atunci când particulele de radiație cosmică primară se ciocnesc cu nucleele atomilor de pe Pământ. Mezonii există timp de 10 -6 - 10 -15 s (în funcție de tipul de particule) și după apariția lor se degradează la mică distanță de locul nașterii. Toate acestea pot fi înregistrate prin dispozitive de măsurare bazate pe urmele deplasării particulelor. Dar dacă mezonul se mișcă cu o viteză apropiată de viteza luminii, atunci timpul proceselor în el încetinește, perioada de dezintegrare crește (de mii și zeci de mii de ori), iar lungimea căii de la naștere la dezintegrare crește în consecință.
Deci, teoria relativității speciale se bazează pe principiul extins al relativității al lui Galileo. În plus, folosește o altă poziție nouă: viteza de propagare a luminii (în vid) este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale.
Dar de ce este această viteză atât de importantă încât o judecată despre ea este echivalată ca importanță cu principiul relativității? Faptul este că aici ne confruntăm cu a doua constantă fizică universală. Viteza luminii este cea mai mare dintre toate vitezele din natură, viteza maximă a interacțiunilor fizice. Mișcarea luminii este fundamental diferită de mișcarea tuturor celorlalte corpuri a căror viteză este mai mică decât viteza luminii. Viteza acestor corpuri se adună întotdeauna cu alte viteze. În acest sens, vitezele sunt relative: mărimea lor depinde de punct de vedere. Și viteza luminii nu se adună cu alte viteze, este absolută, întotdeauna aceeași, iar când vorbim despre ea, nu trebuie să indicăm un sistem de referință.
Caracterul absolut al vitezei luminii nu contrazice principiul relativității și este complet compatibil cu acesta. Constanța acestei viteze este o lege a naturii și, prin urmare, - tocmai în conformitate cu principiul relativității - este valabilă în toate cadrele de referință inerțiale.
Viteza luminii este limita superioară pentru viteza de mișcare a oricăror corpuri din natură, pentru viteza de propagare a oricăror unde, a oricăror semnale. Este maxim - acesta este un record de viteză absolut.
„Pentru toate procesele fizice, viteza luminii are proprietatea vitezei infinite. Pentru a conferi unui corp o viteză egală cu viteza luminii, este necesară o cantitate infinită de energie și de aceea este imposibil din punct de vedere fizic pentru orice corp să atingă această viteză. Acest rezultat a fost confirmat de măsurători efectuate pe electroni. Energia cinetică a unei mase punctiforme crește mai repede decât pătratul vitezei sale și devine infinită pentru o viteză egală cu viteza luminii” 1. Prin urmare, se spune adesea că viteza luminii este viteza maximă de transfer de informații. Și viteza maximă a oricăror interacțiuni fizice și, într-adevăr, a tuturor interacțiunilor imaginabile din lume.
Viteza luminii este strâns legată de soluția problemei simultaneității, care se dovedește și ea relativă, adică în funcție de punct de vedere. În mecanica clasică, care considera timpul absolut, simultaneitatea este de asemenea absolută.
În teoria generală a relativității au fost relevate noi aspecte ale dependenței relațiilor spațiu-timp de procesele materiale. Această teorie a oferit o bază fizică pentru geometriile non-euclidiene și a conectat curbura spațiului și abaterea metricii sale de la cea euclidiană cu acțiunea câmpurilor gravitaționale create de masele corpurilor. Teoria generală a relativității se bazează pe principiul echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale, a cărui egalitate cantitativă a fost stabilită cu mult timp în urmă în fizica clasică. Efectele cinematice care apar sub influența forțelor gravitaționale sunt echivalente cu efectele care apar sub influența accelerației. Deci, dacă o rachetă decolează cu o accelerație de 2 g, atunci echipajul rachetei se va simți ca și cum s-ar afla în câmpul gravitațional de două ori mai mare al Pământului. Pe baza principiului echivalenței maselor a fost generalizat principiul relativității, care afirmă în teoria relativității generale invarianța legilor naturii în orice cadru de referință, atât inerțial, cât și neinerțial.
Cum se poate imagina curbura spațiului, care este descrisă de teoria generală a relativității? Să ne imaginăm o foaie de cauciuc foarte subțire și vom presupune că acesta este un model de spațiu. Să punem pe această foaie bile mari și mici - modele de stele. Aceste bile vor îndoi foaia de cauciuc cu atât mai mult, cu atât masa mingii este mai mare. Acest lucru demonstrează în mod clar dependența curburii spațiului de masa corpului și, de asemenea, arată că geometria euclidiană obișnuită nu funcționează în acest caz (geometriile lui Lobachevsky și Riemann).
Teoria relativității a stabilit nu numai curbura spațiului sub influența câmpurilor gravitaționale, ci și încetinirea timpului în câmpuri gravitaționale puternice. Chiar și gravitația Soarelui - o stea destul de mică după standardele cosmice - afectează ritmul timpului, încetinindu-l aproape de sine. Prin urmare, dacă trimitem un semnal radio la un moment dat, drumul către care trece lângă Soare, călătoria semnalului radio va dura mai mult în acest caz decât atunci când nu există nimic în calea acestui semnal. Încetinirea în apropierea Soarelui este de aproximativ 0,0002 s.
Una dintre cele mai fantastice predicții ale teoriei generale a relativității este oprirea completă a timpului într-un câmp gravitațional foarte puternic. Cu cât gravitația este mai puternică, cu atât dilatarea timpului este mai mare. Dilatarea timpului se manifestă prin deplasarea gravitațională spre roșu a luminii: cu cât gravitația este mai puternică, cu atât lungimea de undă crește și frecvența ei scade. În anumite condiții, lungimea de undă se poate grăbi la infinit, iar frecvența sa - la zero.
Cu lumina emisă de Soare, acest lucru s-ar putea întâmpla dacă steaua noastră s-ar micșora brusc și s-ar transforma într-o minge cu o rază de 3 km sau mai puțin (raza Soarelui este de 700.000 km). Din cauza acestei compresii, forța gravitațională de pe suprafață, de unde provine lumina, crește atât de mult încât deplasarea gravitațională spre roșu este cu adevărat infinită.
Acest lucru nu se va întâmpla niciodată cu Soarele nostru. Dar alte stele, a căror mase este de trei ori mai mare decât masa Soarelui, la sfârșitul vieții, cel mai probabil, experimentează o comprimare catastrofală rapidă sub influența propriei gravitații. Acest lucru îi va duce la o stare de gaură neagră. O gaură neagră este un corp fizic care creează o forță gravitațională atât de puternică încât deplasarea spre roșu a luminii emise în apropierea ei poate deveni infinită.
Fizicienii și astronomii sunt absolut siguri că găurile negre există în natură, deși până acum nu au fost detectate. Dificultățile căutărilor astronomice sunt asociate cu însăși natura acestor obiecte neobișnuite. La urma urmei, deplasarea roșie infinită, datorită căreia frecvența luminii primite ajunge la zero, le face pur și simplu invizibile. Nu strălucesc și, prin urmare, în sensul deplin al cuvântului, sunt negre. Numai printr-un număr de semne indirecte se poate spera să se observe o gaură neagră, de exemplu, într-un sistem stelar binar, unde partenerul său ar fi o stea obișnuită. Din observațiile privind mișcarea unei stele vizibile în câmpul gravitațional comun al unei astfel de perechi, ar fi posibil să se estimeze masa stelei invizibile și, dacă această valoare depășește masa Soarelui de trei sau mai multe ori, ar fi se poate afirma că am găsit o gaură neagră.
Există acum câteva sisteme binare bine studiate în care masa partenerului invizibil este estimată la 5 sau chiar 8 mase solare. Cel mai probabil, acestea sunt găuri negre, dar până când aceste estimări sunt rafinate, astronomii preferă să numească aceste obiecte candidați pentru găuri negre.
Dilatarea gravitațională a timpului, a cărei măsură și dovezi este deplasarea la roșu, este foarte semnificativă în apropierea unei stele neutronice, iar lângă o gaură neagră, la raza ei gravitațională, este atât de mare încât timpul pare să înghețe acolo.
Pentru un corp care cade în câmpul gravitațional al unei găuri negre formate dintr-o masă egală cu 3 mase solare, căderea de la o distanță de 1 milion de km pe raza gravitațională durează doar aproximativ o oră. Dar conform ceasului, care se odihnește departe de gaura neagră, căderea liberă a unui corp în câmpul său se va întinde în timp până la infinit. Cu cât corpul în cădere este mai aproape de raza gravitațională, cu atât acest zbor va apărea mai lent pentru un observator îndepărtat. Un corp observat de departe se va apropia de raza gravitațională la infinit și nu va ajunge niciodată la ea. Aici timpul încetinește lângă o gaură neagră. Astfel, materia influențează proprietățile spațiului și timpului.
Ideile despre spațiu și timp formulate în teoria relativității a lui Einstein sunt de departe cele mai consistente. Dar sunt macroscopice, deoarece se bazează pe experiența studierii obiectelor macroscopice, distanțe mari și perioade lungi de timp. La construirea teoriilor care descriu fenomenele microlumii, această imagine geometrică clasică, care presupune continuitatea spațiului și timpului (continuumul spațiu-timp), a fost transferată într-o nouă zonă fără nicio modificare. Nu există date experimentale care să contrazică aplicarea teoriei relativității în microlume. Dar însăși dezvoltarea teoriilor cuantice poate necesita o revizuire a ideilor despre spațiul fizic și timp. Teoria dezvoltată a superstringurilor, care reprezintă particulele elementare ca vibrații armonice ale acestor corzi și leagă fizica cu geometria, se bazează pe multidimensionalitatea spațiului. Și asta înseamnă că într-o nouă etapă de dezvoltare a științei, la un nou nivel de cunoaștere, ne întoarcem la predicțiile lui A. Einstein în 1930: „Ajungem la o concluzie ciudată: acum începe să ni se pară. că spațiul joacă un rol primordial, iar materia trebuie obținută din spațiu, ca să spunem așa, în etapa următoare. Întotdeauna am considerat materia ca fiind primară și spațiul ca fiind secundar. Spațiul, la figurat vorbind, acum se răzbună și „mâncă” materie” 1 . Poate că există un cuantum al spațiului, o lungime fundamentală L. Prin introducerea acestui concept, putem evita multe dintre dificultățile teoriilor cuantice moderne. Dacă existența sa este confirmată, atunci L va deveni a treia constantă fundamentală în fizică (pe lângă constanta lui Planck și viteza luminii în vid). Existența unui cuantum de spațiu presupune și existența unui cuantum de timp (egal cu L/c), care limitează acuratețea determinării intervalelor de timp.
Acum o sută de ani, în 1915, un tânăr om de știință elvețian, care la acea vreme făcuse deja descoperiri revoluționare în fizică, a propus o înțelegere fundamental nouă a gravitației.
În 1915, Einstein a publicat teoria generală a relativității, care caracterizează gravitația ca o proprietate fundamentală a spațiu-timpului. El a prezentat o serie de ecuații care descriau efectul curburii spațiu-timpului asupra energiei și mișcării materiei și radiațiilor prezente în ea.
O sută de ani mai târziu, teoria generală a relativității (GTR) a devenit baza pentru construcția științei moderne, a rezistat tuturor testelor cu care oamenii de știință au atacat-o.
Dar până de curând a fost imposibil să se efectueze experimente în condiții extreme pentru a testa stabilitatea teoriei.
Este uimitor cât de puternică s-a dovedit a fi teoria relativității în 100 de ani. Încă folosim ceea ce a scris Einstein!
Clifford Will, fizician teoretician, Universitatea din Florida
Oamenii de știință au acum tehnologia pentru a căuta fizica dincolo de relativitatea generală.
O nouă privire asupra gravitației
Teoria generală a relativității descrie gravitația nu ca o forță (așa cum apare în fizica newtoniană), ci ca o curbură a spațiului-timp datorată masei obiectelor. Pământul se învârte în jurul Soarelui nu pentru că steaua îl atrage, ci pentru că Soarele deformează spațiu-timp. Dacă puneți o minge de bowling grea pe o pătură întinsă, pătura își va schimba forma - gravitația afectează spațiul în același mod.
Teoria lui Einstein a prezis câteva descoperiri nebunești. De exemplu, posibilitatea existenței unor găuri negre, care îndoaie spațiu-timp în așa măsură încât nimic nu poate scăpa din interior, nici măcar lumina. Pe baza teoriei, s-au găsit dovezi pentru opinia general acceptată astăzi că Universul se extinde și se accelerează.
Relativitatea generală a fost confirmată de numeroase observații. Einstein însuși a folosit relativitatea generală pentru a calcula orbita lui Mercur, a cărui mișcare nu poate fi descrisă de legile lui Newton. Einstein a prezis existența unor obiecte atât de masive încât îndoaie lumina. Acesta este un fenomen de lentilă gravitațională pe care astronomii îl întâlnesc adesea. De exemplu, căutarea unor exoplanete se bazează pe efectul modificărilor subtile ale radiației îndoite de câmpul gravitațional al stelei în jurul căreia orbitează planeta.
Testarea teoriei lui Einstein
Relativitatea generală funcționează bine pentru gravitația obișnuită, așa cum arată experimentele efectuate pe Pământ și observațiile planetelor sistemului solar. Dar nu a fost niciodată testat în condiții de câmpuri extrem de puternice în spații situate la granițele fizicii.
Cel mai promițător mod de a testa teoria în astfel de condiții este prin observarea schimbărilor în spațiu-timp numite unde gravitaționale. Ele apar ca urmare a unor evenimente mari, fuziunea a două corpuri masive, precum găurile negre, sau obiecte deosebit de dense - stele neutronice.
Un foc de artificii cosmic de această amploare ar reflecta doar cele mai mici ondulații din spațiu-timp. De exemplu, dacă două găuri negre s-ar ciocni și s-au fuzionat undeva în Galaxia noastră, undele gravitaționale s-ar putea întinde și ar putea comprima distanța dintre obiectele aflate la un metru distanță pe Pământ cu o miime din diametrul unui nucleu atomic.
Au apărut experimente care pot înregistra schimbări în spațiu-timp datorită unor astfel de evenimente.
Există șanse mari de a detecta unde gravitaționale în următorii doi ani.
Clifford Will
Observatorul cu undele gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO), cu observatoare în apropiere de Richland, Washington și Livingston, Louisiana, folosește un laser pentru a detecta distorsiuni minuscule în detectoarele duble în formă de L. Pe măsură ce ondulațiile spațiu-timp trec prin detectoare, ele întind și comprimă spațiul, determinând detectorul să își schimbe dimensiunile. Și LIGO le poate măsura.
LIGO a început o serie de lansări în 2002, dar nu a reușit să obțină rezultate. Îmbunătățirile au fost făcute în 2010, iar succesorul organizației, Advanced LIGO, ar trebui să fie din nou operațional în acest an. Multe dintre experimentele planificate au ca scop căutarea undelor gravitaționale.
O altă modalitate de a testa teoria relativității este să te uiți la proprietățile undelor gravitaționale. De exemplu, ele pot fi polarizate, precum lumina care trece prin ochelari polarizați. Teoria relativității prezice caracteristicile unui astfel de efect, iar orice abateri de la calcule pot deveni un motiv de îndoială de teorie.
Teoria unificată
Clifford Will crede că descoperirea undelor gravitaționale nu va face decât să întărească teoria lui Einstein:
Cred că trebuie să continuăm să căutăm dovezi ale relativității generale pentru a fi siguri că este corectă.
De ce sunt necesare aceste experimente?
Una dintre cele mai importante și evazive sarcini ale fizicii moderne este căutarea unei teorii care să conecteze cercetarea lui Einstein, adică știința macrocosmosului, și mecanica cuantică, realitatea celor mai mici obiecte.
Progresele în acest domeniu, gravitația cuantică, pot necesita modificări ale relativității generale. Este posibil ca experimentele gravitației cuantice să necesite atât de multă energie încât ar fi imposibil de realizat. „Dar cine știe”, spune Will, „poate că există un efect în universul cuantic care este nesemnificativ, dar care poate fi căutat”.
