ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มีความหมายว่าอย่างไร ทฤษฎีสัมพัทธภาพด้วยคำง่ายๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ - รฟท

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ดูเหมือนเป็นนามธรรมและไม่อาจเข้าใจได้สำหรับฉันเสมอ ลองอธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ด้วยคำพูดง่ายๆ ลองนึกภาพการออกไปข้างนอกท่ามกลางฝนตกหนักโดยมีลมพัดที่หลัง หากคุณเริ่มวิ่งเร็ว เม็ดฝนจะไม่ตกบนหลังของคุณ หยดจะช้าลงหรือไปไม่ถึงหลังคุณเลย นี่เป็นข้อเท็จจริงที่ได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ และคุณสามารถตรวจสอบได้ด้วยตัวเองท่ามกลางพายุฝน ทีนี้ลองจินตนาการว่าหากคุณหันหลังกลับและวิ่งฝ่าลมท่ามกลางสายฝน หยดน้ำจะกระทบเสื้อผ้าของคุณและเผชิญหน้าแรงกว่าการยืนเฉยๆ

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์เคยคิดว่าแสงทำหน้าที่เหมือนฝนในสภาพอากาศที่มีลมแรง พวกเขาคิดว่าถ้าโลกเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ และดวงอาทิตย์เคลื่อนที่รอบกาแลคซี ก็เป็นไปได้ที่จะวัดความเร็วของการเคลื่อนที่ในอวกาศ ในความเห็นของพวกเขา สิ่งที่พวกเขาต้องทำคือวัดความเร็วของแสงและการเปลี่ยนแปลงที่สัมพันธ์กับวัตถุสองชิ้น

นักวิทยาศาสตร์ทำมันและ ได้พบบางสิ่งที่แปลกมาก- ความเร็วแสงยังเท่าเดิม ไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่อย่างไร และไม่ว่าการวัดจะถูกนำไปในทิศทางใด

มันแปลกมาก หากเรารับมือกับสถานการณ์ที่มีพายุฝน ภายใต้สถานการณ์ปกติ เม็ดฝนจะส่งผลกระทบต่อคุณไม่มากก็น้อยขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวของคุณ เห็นด้วย คงแปลกมากถ้าพายุฝนพัดเข้าที่หลังของคุณด้วยแรงเท่ากันทั้งตอนวิ่งและตอนหยุด

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าแสงไม่มีคุณสมบัติเหมือนกับเม็ดฝนหรือสิ่งอื่นใดในจักรวาล ไม่ว่าคุณจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน และไม่ว่าคุณจะมุ่งหน้าไปในทิศทางใด ความเร็วแสงก็จะเท่าเดิมเสมอ สิ่งนี้น่าสับสนมากและมีเพียงอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เท่านั้นที่สามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความอยุติธรรมนี้ได้

ไอน์สไตน์และนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่ง เฮนดริก ลอเรนซ์ ค้นพบว่ามีเพียงวิธีเดียวเท่านั้นที่จะอธิบายว่าทั้งหมดนี้เป็นไปได้อย่างไร สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเวลาช้าลง

ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเวลาของคุณเดินช้าลง และคุณไม่รู้ว่าคุณกำลังเดินช้าลง คุณจะรู้สึกเหมือนว่าทุกสิ่งทุกอย่างเกิดขึ้นเร็วขึ้นทุกสิ่งรอบตัวคุณจะเคลื่อนไหวเหมือนในหนังกรอไปข้างหน้า

ทีนี้ลองจินตนาการว่าคุณอยู่ในสายฝนที่มีลมแรงอีกครั้ง เป็นไปได้ยังไงที่ฝนจะส่งผลต่อคุณเหมือนเดิมแม้ว่าคุณจะวิ่งอยู่ก็ตาม? ปรากฎว่าหากคุณพยายามวิ่งหนีฝนแล้ว เวลาของคุณช้าลงและฝนก็จะเร็วขึ้น- เม็ดฝนจะกระแทกหลังคุณด้วยความเร็วเท่ากัน นักวิทยาศาสตร์เรียกการขยายเวลานี้ว่า ไม่ว่าคุณจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน เวลาของคุณก็จะช้าลง อย่างน้อยก็ความเร็วแสงสำนวนนี้เป็นจริง

ความเป็นคู่ของมิติ

อีกสิ่งหนึ่งที่ไอน์สไตน์และลอเรนซ์คิดก็คือ คนสองคนภายใต้สถานการณ์ที่แตกต่างกันสามารถรับค่าที่คำนวณต่างกันได้ และสิ่งที่แปลกที่สุดคือพวกเขาทั้งคู่จะคิดถูก นี่เป็นผลข้างเคียงอีกประการหนึ่งของแสงที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันเสมอ

มาทำการทดลองทางความคิดกันเถอะ

ลองนึกภาพว่าคุณกำลังยืนอยู่ตรงกลางห้องและติดตั้งโคมไฟไว้ตรงกลางห้อง ทีนี้ลองจินตนาการว่าความเร็วแสงช้ามาก และคุณคงเห็นว่ามันเดินทางอย่างไร ลองจินตนาการว่าคุณเปิดตะเกียง

ทันทีที่เปิดโคมไฟ แสงจะเริ่มกระจายและสว่างขึ้น เนื่องจากผนังทั้งสองอยู่ห่างจากกัน แสงจึงไปถึงผนังทั้งสองในเวลาเดียวกัน

ทีนี้ลองจินตนาการว่ามีหน้าต่างบานใหญ่อยู่ในห้องของคุณ และเพื่อนของคุณคนหนึ่งขับรถผ่านมา เขาจะได้เห็นอย่างอื่น สำหรับเขาแล้วห้องของคุณจะดูเหมือนเคลื่อนไปทางขวา และเมื่อคุณเปิดโคมไฟ เขาจะเห็นว่าผนังด้านซ้ายเคลื่อนไปทางแสงไฟ และผนังด้านขวาเคลื่อนตัวออกห่างจากแสง เขาจะเห็นว่าแสงกระทบผนังด้านซ้ายก่อนแล้วจึงส่องไปทางขวา สำหรับเขาดูเหมือนว่าแสงไม่ได้ส่องผนังทั้งสองในเวลาเดียวกัน

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มุมมองทั้งสองจะถูกต้อง- จากมุมมองของคุณ แสงตกกระทบผนังทั้งสองในเวลาเดียวกัน จากมุมมองของเพื่อนของคุณ สิ่งนี้ไม่เป็นเช่นนั้น ไม่มีอะไรผิดปกติกับที่

ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงกล่าวว่า “ความพร้อมกันนั้นสัมพันธ์กัน” หากคุณวัดสองสิ่งที่ควรจะเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน คนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกันหรือไปในทิศทางอื่นจะไม่สามารถวัดสิ่งเหล่านั้นในลักษณะเดียวกับคุณได้

สิ่งนี้ดูแปลกมากสำหรับเรา เพราะความเร็วแสงนั้นเกิดขึ้นทันทีสำหรับเรา และเราเคลื่อนที่ช้ามากเมื่อเปรียบเทียบกัน เนื่องจากความเร็วแสงสูงมาก เราจึงไม่สังเกตเห็นความเร็วแสงจนกว่าเราจะทำการทดลองพิเศษ

ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าไร วัตถุก็จะสั้นและเล็กลงเท่านั้น

ผลข้างเคียงที่แปลกมากอีกอย่างหนึ่งว่าความเร็วแสงไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยความเร็วแสง สิ่งของที่เคลื่อนไหวจะสั้นลง

ลองจินตนาการอีกครั้งว่าความเร็วแสงช้ามาก ลองนึกภาพว่าคุณกำลังเดินทางบนรถไฟและได้ติดตั้งโคมไฟไว้ตรงกลางตู้โดยสาร ทีนี้ลองนึกภาพว่าคุณเปิดโคมไฟเหมือนอยู่ในห้อง

แสงจะกระจายไปถึงผนังด้านหน้าและด้านหลังรถพร้อมๆ กัน วิธีนี้ทำให้คุณสามารถวัดความยาวของแคร่ได้ด้วยการวัดว่าแสงใช้เวลานานเท่าใดจึงจะไปถึงทั้งสองด้าน

มาคำนวณกัน:

ลองจินตนาการว่าใช้เวลา 1 วินาทีในการเดินทาง 10 เมตร และใช้เวลา 1 วินาทีก่อนที่แสงจะกระจายจากโคมไฟไปยังผนังรถม้า ซึ่งหมายความว่าโคมไฟอยู่ห่างจากรถทั้งสองด้าน 10 เมตร เนื่องจาก 10 + 10 = 20 หมายความว่าความยาวของรถคือ 20 เมตร

ทีนี้ลองจินตนาการว่าเพื่อนของคุณอยู่บนถนนและเฝ้าดูรถไฟที่ผ่านไป จำไว้ว่าเขามองเห็นสิ่งต่างๆ แตกต่างออกไป ผนังด้านหลังของรถเลื่อนไปทางโคมไฟ และผนังด้านหน้าขยับออกห่างจากโคมไฟ ด้วยวิธีนี้แสงจะไม่สัมผัสผนังด้านหน้าและด้านหลังรถพร้อมกัน แสงจะส่องไปทางด้านหลังก่อนแล้วจึงส่องไปทางด้านหน้า

ดังนั้น หากคุณและเพื่อนของคุณวัดความเร็วของการแพร่กระจายของแสงจากโคมไฟไปยังผนัง คุณจะได้ค่าที่แตกต่างกัน แต่จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ การคำนวณทั้งสองอย่างจะถูกต้อง ตามการวัดแล้วความยาวของเกวียนจะมีขนาดเท่ากันสำหรับคุณเท่านั้น แต่สำหรับเพื่อนความยาวของเกวียนจะน้อยกว่า

โปรดจำไว้ว่า ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับวิธีและภายใต้เงื่อนไขที่คุณจะทำการวัด หากคุณอยู่ในจรวดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง คุณจะไม่รู้สึกผิดปกติ ไม่เหมือนผู้คนบนพื้นที่กำลังวัดการเคลื่อนไหวของคุณ คุณจะไม่มีทางรู้ได้เลยว่าเวลานั้นเดินช้าลงสำหรับคุณ หรือจู่ๆ ด้านหน้าและด้านหลังของเรือก็เข้าใกล้กันมากขึ้น

ในเวลาเดียวกัน หากคุณบินด้วยจรวด สำหรับคุณดูเหมือนดาวเคราะห์และดวงดาวทุกดวงกำลังบินผ่านคุณด้วยความเร็วแสง ในกรณีนี้ หากคุณพยายามวัดเวลาและขนาดของพวกเขา เวลาก็ควรช้าลงและขนาดก็ควรลดลงตามหลักเหตุผลสำหรับพวกเขา ใช่ไหม?

ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องแปลกและเข้าใจยากมาก แต่ ไอน์สไตน์เสนอวิธีแก้ปัญหาและรวมปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพเดียว.

นักฟิสิกส์นักปฏิวัติคนนี้ใช้จินตนาการของเขามากกว่าคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนเพื่อสร้างสมการที่มีชื่อเสียงและสง่างามที่สุดของเขา ไอน์สไตน์มีชื่อเสียงจากการทำนายปรากฏการณ์แปลกแต่จริง เช่น นักบินอวกาศในอวกาศมีอายุช้ากว่าคนบนโลก และรูปร่างของวัตถุแข็งที่เปลี่ยนแปลงด้วยความเร็วสูง

แต่สิ่งที่น่าสนใจก็คือ ถ้าคุณหยิบสำเนารายงานเกี่ยวกับสัมพัทธภาพต้นฉบับของไอน์สไตน์ในปี 1905 ขึ้นมา มันก็ค่อนข้างง่ายที่จะถอดรหัส ข้อความเรียบง่ายและชัดเจน และสมการส่วนใหญ่เป็นพีชคณิต - นักเรียนมัธยมปลายทุกคนสามารถเข้าใจได้

เนื่องจากคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนไม่เคยเป็นจุดแข็งของไอน์สไตน์ เขาชอบที่จะคิดด้วยภาพ ทำการทดลองในจินตนาการของเขา และคิดผ่านมันจนกว่าความคิดและหลักการทางกายภาพจะชัดเจน

นี่คือจุดที่การทดลองทางความคิดของไอน์สไตน์เริ่มต้นขึ้นเมื่อเขาอายุเพียง 16 ปี และในที่สุดการทดลองเหล่านี้ก็ได้นำเขาไปสู่สมการที่ปฏิวัติวงการที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่ได้อย่างไร

เมื่อถึงจุดนี้ในชีวิตของไอน์สไตน์ การดูถูกเหยียดหยามรากเหง้าชาวเยอรมันของเขาอย่างไม่ปกปิดและวิธีการสอนแบบเผด็จการของเยอรมนีได้เข้ามาถึงจุดจบแล้ว และเขาถูกไล่ออกจากโรงเรียนมัธยมปลาย ดังนั้นเขาจึงย้ายไปซูริกด้วยความหวังว่าจะได้เข้าเรียนที่สถาบันสหพันธรัฐสวิส ของเทคโนโลยี (ETH)

แต่ก่อนอื่น ไอน์สไตน์ตัดสินใจใช้เวลาหนึ่งปีในการเตรียมตัวที่โรงเรียนแห่งหนึ่งในเมืองอาเราที่อยู่ใกล้เคียง เมื่อมาถึงจุดนี้ ในไม่ช้าเขาก็พบว่าตัวเองกำลังสงสัยว่าการวิ่งไปข้างลำแสงจะเป็นอย่างไร

ไอน์สไตน์ได้เรียนรู้ในชั้นเรียนฟิสิกส์แล้วว่าลำแสงคืออะไร: ชุดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นไหวซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วแสงที่วัดได้ หากเขาวิ่งไปใกล้ ๆ ด้วยความเร็วเท่ากัน ไอน์สไตน์ก็ตระหนักว่าเขาสามารถมองเห็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นไหวมากมายอยู่ข้างๆ เขา ราวกับถูกแช่แข็งในอวกาศ

แต่นี่เป็นไปไม่ได้ ประการแรก สนามนิ่งอาจละเมิดสมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งเป็นกฎทางคณิตศาสตร์ที่เป็นรากฐานของทุกสิ่งที่นักฟิสิกส์รู้เกี่ยวกับไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสง กฎหมายเหล่านี้ (และยังคง) ค่อนข้างเข้มงวด: คลื่นใดๆ ในสนามเหล่านี้จะต้องเดินทางด้วยความเร็วแสงและไม่สามารถหยุดนิ่งได้ ไม่มีข้อยกเว้น

ที่แย่กว่านั้นคือสนามที่อยู่นิ่งไม่สอดคล้องกับหลักการสัมพัทธภาพซึ่งนักฟิสิกส์รู้จักมาตั้งแต่สมัยของกาลิเลโอและนิวตันในศตวรรษที่ 17 โดยพื้นฐานแล้ว หลักการสัมพัทธภาพกล่าวว่ากฎของฟิสิกส์ไม่สามารถขึ้นอยู่กับความเร็วที่คุณเคลื่อนที่ได้ คุณสามารถวัดได้เฉพาะความเร็วของวัตถุหนึ่งเทียบกับอีกวัตถุหนึ่งเท่านั้น

แต่เมื่อไอน์สไตน์ใช้หลักการนี้กับการทดลองทางความคิดของเขา เกิดความขัดแย้งขึ้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพกำหนดว่าทุกสิ่งที่เขามองเห็นได้เมื่อเคลื่อนที่ใกล้ลำแสง รวมถึงสนามที่อยู่นิ่ง จะต้องเป็นสิ่งธรรมดาที่นักฟิสิกส์สามารถสร้างขึ้นได้ในห้องปฏิบัติการ แต่ไม่มีใครเคยสังเกตเห็นสิ่งนี้

ปัญหานี้จะหลอกหลอนไอน์สไตน์ไปอีก 10 ปีในขณะที่เขาศึกษาและทำงานที่ ETH และย้ายไปที่กรุงเบิร์น เมืองหลวงของสวิส ซึ่งเขาจะกลายเป็นผู้ตรวจสอบที่สำนักงานสิทธิบัตรของสวิส ที่นั่นเขาจะแก้ไขความขัดแย้งครั้งนี้และตลอดไป

2447: การวัดแสงจากรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่

มันไม่ง่ายเลย ไอน์สไตน์พยายามทุกวิถีทางที่เขาคิดออก แต่ก็ไม่ได้ผล เกือบจะสิ้นหวัง เขาเริ่มคิดถึงวิธีแก้ปัญหาที่เรียบง่ายแต่รุนแรง เขาคิดว่าสมการของแมกซ์เวลล์อาจใช้ได้กับทุกสิ่ง แต่ความเร็วแสงคงที่เสมอ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อคุณเห็นลำแสงบินผ่านไป ไม่สำคัญว่าแหล่งกำเนิดของแสงจะเคลื่อนเข้าหาคุณ ห่างจากคุณ ออกไปจากคุณ หรือที่ใดก็ตาม และไม่สำคัญว่าแหล่งกำเนิดของแสงจะเร็วแค่ไหน การย้าย ความเร็วแสงที่คุณวัดได้จะอยู่ที่ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีเสมอ เหนือสิ่งอื่นใด นี่หมายความว่าไอน์สไตน์จะไม่มีวันเห็นสนามการสั่นไหวที่อยู่นิ่ง เพราะเขาจะไม่สามารถจับลำแสงได้

นี่เป็นวิธีเดียวที่ไอน์สไตน์เห็นที่จะประนีประนอมสมการของแมกซ์เวลล์กับหลักการสัมพัทธภาพ อย่างไรก็ตาม เมื่อมองแวบแรก โซลูชันนี้มีข้อบกพร่องร้ายแรงในตัวเอง ต่อมาเขาอธิบายเรื่องนี้ด้วยการทดลองทางความคิดอีกอย่างหนึ่ง: ลองจินตนาการถึงลำแสงที่ถูกยิงไปตามคันดินทางรถไฟในขณะที่รถไฟแล่นผ่านไปในทิศทางเดียวกันที่ความเร็ว 3,000 กิโลเมตรต่อวินาที

คนที่ยืนอยู่ใกล้คันดินจะต้องวัดความเร็วของลำแสงและได้เลขมาตรฐาน 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แต่คนบนรถไฟจะเห็นแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 297,000 กิโลเมตรต่อวินาที หากความเร็วแสงไม่คงที่ สมการของแมกซ์เวลล์ภายในแคร่ก็น่าจะแตกต่างออกไป ไอน์สไตน์สรุป และจากนั้นหลักสัมพัทธภาพก็จะถูกละเมิด

ความขัดแย้งที่เห็นได้ชัดนี้ทำให้ไอน์สไตน์ต้องหยุดชะงักเป็นเวลาเกือบหนึ่งปี แต่แล้วในเช้าวันดีวันหนึ่งของเดือนพฤษภาคม ปี 1905 เขาเดินไปทำงานกับมิเชล เบสโซ เพื่อนสนิทของเขา ซึ่งเป็นวิศวกรที่เขารู้จักตั้งแต่ยังเป็นนักเรียนอยู่ที่เมืองซูริก ชายทั้งสองพูดคุยเกี่ยวกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของไอน์สไตน์เหมือนเช่นเคย และทันใดนั้น ไอน์สไตน์ก็มองเห็นวิธีแก้ปัญหา เขาทำงานนี้ทั้งคืน และเมื่อพวกเขาพบกันในเช้าวันรุ่งขึ้น ไอน์สไตน์พูดกับเบสโซว่า “ขอบคุณนะ” ฉันแก้ไขปัญหาได้อย่างสมบูรณ์แล้ว”

พฤษภาคม 1905: สายฟ้าฟาดใส่รถไฟที่กำลังเคลื่อนที่

การเปิดเผยของไอน์สไตน์คือผู้สังเกตการณ์ในการเคลื่อนที่สัมพัทธ์รับรู้เวลาแตกต่างกัน: ค่อนข้างเป็นไปได้ที่เหตุการณ์สองเหตุการณ์จะเกิดขึ้นพร้อมๆ กันจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์คนหนึ่ง แต่ในเวลาต่างกันจากมุมมองของอีกคนหนึ่ง และผู้สังเกตการณ์ทั้งสองจะพูดถูก

ในเวลาต่อมา ไอน์สไตน์ได้อธิบายประเด็นของเขาด้วยการทดลองทางความคิดอีกครั้งหนึ่ง ลองนึกภาพว่าผู้สังเกตการณ์ยืนอยู่ข้างทางรถไฟอีกครั้งและมีรถไฟวิ่งผ่านเขาไป ในขณะที่จุดศูนย์กลางของรถไฟผ่านผู้สังเกต สายฟ้าฟาดลงมาที่ปลายแต่ละด้านของรถไฟ เนื่องจากสายฟ้าฟาดลงที่ระยะห่างเท่ากันจากผู้สังเกต แสงของพวกมันจึงเข้าตาของเขาในเวลาเดียวกัน มันคงจะยุติธรรมที่จะบอกว่าสายฟ้าฟาดพร้อมกัน

ขณะเดียวกันก็มีผู้สังเกตการณ์อีกคนนั่งอยู่ตรงกลางรถไฟพอดี จากมุมมองของเขา แสงจากสายฟ้าฟาดสองครั้งเดินทางในระยะทางเท่ากันและความเร็วแสงจะเท่ากันในทุกทิศทาง แต่เนื่องจากรถไฟกำลังเคลื่อนที่ แสงที่มาจากสายฟ้าด้านหลังจึงต้องเดินทางไกลมากขึ้น จึงมาถึงผู้สังเกตช้ากว่าแสงจากจุดเริ่มต้นเล็กน้อย เนื่องจากพัลส์แสงมาถึงในเวลาที่ต่างกัน เราสามารถสรุปได้ว่าสายฟ้าฟาดไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน - สายฟ้าฟาดเกิดขึ้นเร็วกว่า

ไอน์สไตน์ตระหนักดีว่าความพร้อมกันนี้มีความสัมพันธ์กันอย่างแม่นยำ และเมื่อคุณยอมรับสิ่งนี้ ผลแปลกๆ ที่เราเชื่อมโยงกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ ได้รับการแก้ไขโดยใช้พีชคณิตง่ายๆ

ไอน์สไตน์จดบันทึกความคิดของเขาอย่างกระตือรือร้นและส่งผลงานของเขาเพื่อตีพิมพ์ ชื่อผลงานคือ "On the Electrodynamics of Moving Bodies" และสะท้อนถึงความพยายามของไอน์สไตน์ในการเชื่อมโยงสมการของแมกซ์เวลล์กับหลักการสัมพัทธภาพ เบสโซได้รับการขอบคุณเป็นพิเศษ

กันยายน 2448: มวลและพลังงาน

อย่างไรก็ตาม งานแรกนี้ไม่ใช่งานสุดท้าย ไอน์สไตน์หมกมุ่นอยู่กับทฤษฎีสัมพัทธภาพจนกระทั่งถึงฤดูร้อนปี 1905 และในเดือนกันยายน เขาได้ส่งรายงานฉบับที่สองเพื่อตีพิมพ์ คราวนี้เป็นการย้อนหลัง

มันขึ้นอยู่กับการทดลองทางความคิดอื่น ลองจินตนาการถึงวัตถุที่อยู่นิ่ง เขากล่าว ตอนนี้ลองจินตนาการว่ามันปล่อยแสงสองจังหวะที่เหมือนกันในทิศทางตรงกันข้ามพร้อมกัน วัตถุจะยังคงอยู่ในสถานที่ แต่เนื่องจากแต่ละชีพจรนำพลังงานออกไปจำนวนหนึ่ง พลังงานที่อยู่ในวัตถุก็จะลดลง

ไอน์สไตน์เขียนว่า กระบวนการนี้จะเป็นอย่างไรสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเคลื่อนไหว? จากมุมมองของเขา วัตถุจะเคลื่อนที่ต่อไปเป็นเส้นตรงในขณะที่พัลส์ทั้งสองลอยออกไป แต่แม้ว่าความเร็วของพัลส์ทั้งสองจะยังคงเท่าเดิม - ความเร็วแสง - พลังงานของพวกมันก็จะแตกต่างกัน แรงกระตุ้นที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าในทิศทางการเดินทางจะมีพลังงานสูงกว่าแรงกระตุ้นที่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม

เพิ่มพีชคณิตเล็กน้อย ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าเพื่อให้สิ่งนี้สอดคล้องกัน วัตถุจะต้องไม่เพียงสูญเสียพลังงานเมื่อส่งพัลส์แสงออกไปเท่านั้น แต่ยังรวมถึงมวลด้วย หรือมวลและพลังงานควรจะใช้แทนกันได้ ไอน์สไตน์เขียนสมการที่เชื่อมโยงพวกมันไว้ และกลายเป็นสมการที่มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์: E = mc 2

แม้แต่ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ก็มีแนวโน้มที่จะมีมุมมองที่ว่าโดยพื้นฐานแล้วภาพของโลกถูกสร้างขึ้นและจะยังคงไม่สั่นคลอนในอนาคต - มีเพียงรายละเอียดเท่านั้นที่ยังคงต้องชี้แจง แต่ในทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 มุมมองทางกายภาพเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง นี่เป็นผลมาจากการค้นพบทางวิทยาศาสตร์แบบ “น้ำตก” ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาประวัติศาสตร์ที่สั้นมาก ซึ่งครอบคลุมช่วงปีสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 และทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 ซึ่งหลายแห่งไม่สอดคล้องกับความเข้าใจในประสบการณ์ปกติของมนุษย์โดยสิ้นเชิง ตัวอย่างที่เด่นชัดคือทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สร้างขึ้นโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (พ.ศ. 2422-2498)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ- ทฤษฎีทางกายภาพของกาล-อวกาศ กล่าวคือ ทฤษฎีที่อธิบายคุณสมบัติกาล-อวกาศสากลของกระบวนการทางกายภาพ คำนี้ถูกนำมาใช้ในปี 1906 โดย Max Planck เพื่อเน้นบทบาทของหลักการสัมพัทธภาพ
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (และต่อมาคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป)

ในความหมายที่แคบ ทฤษฎีสัมพัทธภาพรวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปด้วย ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ(ต่อไปนี้ - รฟท.) หมายถึงกระบวนการในการศึกษาว่าสนามโน้มถ่วงใดที่สามารถละเลยได้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป(ต่อไปนี้จะเรียกว่า GTR) เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงที่สรุปทั่วไปของนิวตัน

พิเศษ, หรือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เป็นทฤษฎีโครงสร้างอวกาศ-เวลา เปิดตัวครั้งแรกในปี 1905 โดย Albert Einstein ในงานของเขาเรื่อง “On the Electrodynamics of Moving Bodies” ทฤษฎีนี้อธิบายการเคลื่อนไหว กฎของกลศาสตร์ ตลอดจนความสัมพันธ์ระหว่างกาล-อวกาศที่กำหนดสิ่งเหล่านั้น ไม่ว่าด้วยความเร็วใดก็ตามของการเคลื่อนที่
รวมทั้งพวกที่ใกล้ความเร็วแสงด้วย กลศาสตร์นิวตันคลาสสิก
ภายในกรอบของ รฟท. เป็นการประมาณความเร็วต่ำ

สาเหตุหนึ่งที่ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จก็คือ เขาให้ความสำคัญกับข้อมูลการทดลองมากกว่าข้อมูลเชิงทฤษฎี เมื่อการทดลองจำนวนหนึ่งเปิดเผยผลลัพธ์ที่ขัดแย้งกับทฤษฎีที่ยอมรับกันโดยทั่วไป นักฟิสิกส์หลายคนตัดสินใจว่าการทดลองเหล่านี้ผิด

Albert Einstein เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ตัดสินใจสร้างทฤษฎีใหม่โดยอาศัยข้อมูลการทดลองใหม่

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ได้ค้นหาอีเธอร์ลึกลับซึ่งเป็นสื่อที่คลื่นแสงควรแพร่กระจายตามสมมติฐานที่ยอมรับกันโดยทั่วไปเช่นเดียวกับคลื่นเสียงซึ่งการแพร่กระจายต้องใช้อากาศหรือสื่ออื่นที่เป็นของแข็ง ของเหลวหรือก๊าซ ความเชื่อในการมีอยู่ของอีเทอร์ทำให้เกิดความเชื่อที่ว่าความเร็วแสงควรแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกตที่สัมพันธ์กับอีเทอร์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ละทิ้งแนวคิดเรื่องอีเธอร์และสันนิษฐานว่ากฎทางกายภาพทั้งหมด รวมถึงความเร็วแสง ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าความเร็วของผู้สังเกตจะเป็นเท่าใด ดังที่การทดลองแสดงให้เห็น

SRT อธิบายวิธีตีความการเคลื่อนที่ระหว่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ พูดง่ายๆ ก็คือ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่สัมพันธ์กัน ไอน์สไตน์อธิบายว่าเมื่อวัตถุสองชิ้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เราควรพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุทั้งสองโดยสัมพันธ์กัน แทนที่จะถือว่าวัตถุใดวัตถุหนึ่งเป็นกรอบอ้างอิงสัมบูรณ์ ดังนั้น หากนักบินอวกาศสองคนกำลังบินบนยานอวกาศสองลำและต้องการเปรียบเทียบการสังเกตการณ์ สิ่งเดียวที่พวกเขาต้องรู้ก็คือความเร็วที่สัมพันธ์กัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษพิจารณากรณีพิเศษเพียงกรณีเดียวเท่านั้น (จึงเป็นที่มาของชื่อ) เมื่อการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ

จากความเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจจับการเคลื่อนที่สัมบูรณ์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์สรุปว่าระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดเท่ากัน เขาได้กำหนดสมมุติฐานที่สำคัญที่สุดสองข้อซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีอวกาศและเวลาใหม่ที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (STR):

1. หลักสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ - หลักการนี้เป็นลักษณะทั่วไปของหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ (ระบุสิ่งเดียวกัน แต่ไม่ใช่สำหรับกฎธรรมชาติทั้งหมด แต่สำหรับกฎของกลศาสตร์คลาสสิกเท่านั้น ทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับการบังคับใช้หลักการสัมพัทธภาพกับทัศนศาสตร์และไฟฟ้าพลศาสตร์) แก่บุคคลทางกายภาพใด ๆ มันอ่านว่า: กระบวนการทางกายภาพทั้งหมดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันในระบบอ้างอิงเฉื่อย (IRS) ดำเนินการในลักษณะเดียวกัน- ซึ่งหมายความว่าไม่มีการทดลองทางกายภาพใดๆ ที่ดำเนินการภายใน ISO แบบปิดสามารถระบุได้ว่า ISO นั้นอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ดังนั้น IFR ทั้งหมดจึงเท่าเทียมกันโดยสมบูรณ์ และกฎทางกายภาพไม่แปรผันตามการเลือก IFR (นั่นคือ สมการที่แสดงกฎเหล่านี้มีรูปแบบเดียวกันในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด)

2. หลักการคงตัวของความเร็วแสง- ความเร็วแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและตัวรับแสง- มันจะเหมือนกันในทุกทิศทางและในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด ความเร็วแสงในสุญญากาศคือความเร็วที่จำกัดในธรรมชาติ -นี่เป็นหนึ่งในค่าคงที่ทางกายภาพที่สำคัญที่สุด ซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ของโลก

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของการรฟท. คือชื่อเสียง สูตรของไอน์สไตน์ เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน อี=เอ็มซี 2 (โดยที่ C คือความเร็วแสง) ซึ่งแสดงให้เห็นความเป็นเอกภาพของอวกาศและเวลา แสดงออกโดยการเปลี่ยนแปลงร่วมกันในลักษณะของมัน ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของมวลและการเคลื่อนที่ของพวกมัน และได้รับการยืนยันจากข้อมูลของฟิสิกส์สมัยใหม่ เวลาและพื้นที่หยุดได้รับการพิจารณาอย่างเป็นอิสระจากกันและแนวคิดเรื่องความต่อเนื่องสี่มิติของกาลอวกาศก็เกิดขึ้น

ตามทฤษฎีของนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ เมื่อความเร็วของวัตถุเพิ่มขึ้น เมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง มวลของวัตถุก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เหล่านั้น. ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าไรก็ยิ่งหนักมากขึ้นเท่านั้น หากถึงความเร็วแสง มวลของร่างกายและพลังงานจะกลายเป็นอนันต์ ยิ่งร่างกายหนักเท่าไร การเพิ่มความเร็วก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น การเร่งความเร็วของร่างกายด้วยมวลอนันต์ต้องใช้พลังงานจำนวนอนันต์ ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่วัตถุจะไปถึงความเร็วแสง

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ "กฎสองข้อ - กฎการอนุรักษ์มวลและการอนุรักษ์พลังงาน - สูญเสียความถูกต้องที่เป็นอิสระและพบว่าตัวเองรวมกันเป็นกฎเดียว ซึ่งสามารถเรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงานหรือมวล" ด้วยการเชื่อมโยงพื้นฐานระหว่างแนวคิดทั้งสองนี้ สสารจึงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ และในทางกลับกัน พลังงานเป็นสสาร

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป- ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ไอน์สไตน์ตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2459 ซึ่งเขาศึกษามาเป็นเวลา 10 ปี เป็นการพัฒนาเพิ่มเติมของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ หากวัตถุเร่งความเร็วหรือเลี้ยวไปด้านข้าง กฎของ STR จะไม่ใช้อีกต่อไป จากนั้น GTR ก็มีผลบังคับใช้ซึ่งจะอธิบายการเคลื่อนไหวของวัตถุในกรณีทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปตั้งสมมติฐานว่าผลกระทบของความโน้มถ่วงไม่ได้เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างแรงระหว่างวัตถุและสนาม แต่เกิดจากการเสียรูปของกาล-อวกาศที่วัตถุเหล่านั้นตั้งอยู่ ความผิดปกตินี้ส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของพลังงานมวล

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปัจจุบันเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด โดยได้รับการสนับสนุนจากการสังเกตการณ์เป็นอย่างดี GR ทำให้ SR ทั่วไปเป็นแบบเร่งเช่น ระบบที่ไม่เฉื่อย หลักการพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีดังต่อไปนี้:

- ข้อจำกัดของการบังคับใช้หลักการคงตัวของความเร็วแสงกับบริเวณที่สามารถละเลยแรงโน้มถ่วงได้(เมื่อแรงโน้มถ่วงสูง ความเร็วแสงจะช้าลง)

- การขยายหลักการสัมพัทธภาพไปยังระบบการเคลื่อนที่ทั้งหมด(และไม่ใช่แค่ความเฉื่อย)

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือทฤษฎีแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีนี้ได้มาจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองเกี่ยวกับความสมมูลของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง หรือความสมมูลของสนามเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง

หลักการของความเท่าเทียมกันมีบทบาทสำคัญในทางวิทยาศาสตร์ เราสามารถคำนวณผลกระทบของแรงเฉื่อยต่อระบบทางกายภาพใดๆ ได้โดยตรงเสมอ และสิ่งนี้ทำให้เรามีโอกาสที่จะทราบผลกระทบของสนามโน้มถ่วง โดยสรุปจากความแตกต่างของสนามซึ่งมักไม่มีนัยสำคัญมาก

ได้ข้อสรุปที่สำคัญหลายประการจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป:

1. คุณสมบัติของกาล-อวกาศขึ้นอยู่กับวัตถุที่เคลื่อนที่

2. รังสีแสงซึ่งมีมวลเฉื่อยและมีมวลโน้มถ่วงจึงต้องโค้งงอในสนามโน้มถ่วง

3. ความถี่ของแสงภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วงควรเปลี่ยนไปสู่ค่าที่ต่ำกว่า

เป็นเวลานานมาแล้วที่หลักฐานการทดลองเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแทบไม่มีเลย ข้อตกลงระหว่างทฤษฎีและการทดลองค่อนข้างดี แต่ความบริสุทธิ์ของการทดลองถูกละเมิดโดยผลข้างเคียงที่ซับซ้อนต่างๆ อย่างไรก็ตาม ผลกระทบของความโค้งของกาลอวกาศสามารถตรวจพบได้แม้ในสนามโน้มถ่วงปานกลาง ตัวอย่างเช่น นาฬิกาที่มีความไวสูงสามารถตรวจจับการขยายเวลาบนพื้นผิวโลกได้ เพื่อขยายฐานการทดลองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 จึงมีการทดลองใหม่เกิดขึ้น: มีการทดสอบความเท่าเทียมกันของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง (รวมทั้งด้วยเลเซอร์ในการวัดระยะของดวงจันทร์)
การใช้เรดาร์ทำให้การเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ของดาวพุธชัดเจนขึ้น วัดการเบี่ยงเบนความโน้มถ่วงของคลื่นวิทยุโดยดวงอาทิตย์และเรดาร์ถูกดำเนินการบนดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ ประเมินอิทธิพลของสนามโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ต่อการสื่อสารทางวิทยุกับยานอวกาศที่ส่งไปยังดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลของระบบสุริยะ ฯลฯ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งพวกเขาทั้งหมดยืนยันการคาดการณ์ที่ได้รับบนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ดังนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจึงขึ้นอยู่กับสมมุติฐานของความคงตัวของความเร็วแสงและกฎธรรมชาติที่เหมือนกันในระบบทางกายภาพทั้งหมด และผลลัพธ์หลักที่เกิดขึ้นมีดังนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของคุณสมบัติของอวกาศ -เวลา; สัมพัทธภาพของมวลและพลังงาน ความเท่าเทียมกันของมวลหนักและเฉื่อย

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจากมุมมองเชิงปรัชญาคือการสร้างการพึ่งพาคุณสมบัติกาลอวกาศของโลกโดยรอบเกี่ยวกับตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของมวลโน้มถ่วง ต้องขอบคุณอิทธิพลของร่างกาย
เมื่อมีมวลมาก เส้นทางของรังสีแสงจะโค้งงอ ด้วยเหตุนี้ สนามโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยวัตถุดังกล่าวจึงกำหนดคุณสมบัติของกาล-อวกาศของโลกในที่สุด

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นนามธรรมจากการกระทำของสนามโน้มถ่วง ดังนั้นข้อสรุปของทฤษฎีนี้จึงใช้ได้กับพื้นที่เล็กๆ ของกาล-อวกาศเท่านั้น ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับทฤษฎีฟิสิกส์พื้นฐานที่อยู่ก่อนหน้าคือการปฏิเสธแนวคิดเก่าจำนวนหนึ่งและการกำหนดแนวคิดใหม่ เป็นเรื่องที่คุ้มค่าที่จะกล่าวว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้เกิดการปฏิวัติจักรวาลวิทยาอย่างแท้จริง โดยพื้นฐานแล้ว มีแบบจำลองต่างๆ ของจักรวาลเกิดขึ้น

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งสร้างขึ้นในปี 1905 โดย A. Einstein เป็นผลมาจากลักษณะทั่วไปและการสังเคราะห์กลศาสตร์คลาสสิกของกาลิเลโอ - นิวตัน และพลศาสตร์ไฟฟ้าของ Maxwell - Lorentz “มันอธิบายกฎของกระบวนการทางกายภาพทั้งหมดด้วยความเร็วของการเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง แต่ไม่คำนึงถึงสนามโน้มถ่วง เมื่อความเร็วของการเคลื่อนไหวลดลง มันจะลดลงไปสู่กลไกแบบคลาสสิก ซึ่งกลายเป็นกรณีพิเศษของมัน” 1

จุดเริ่มต้นของทฤษฎีนี้คือหลักการสัมพัทธภาพ หลักการสัมพัทธภาพคลาสสิกกำหนดขึ้นโดย G. Galileo: “หากกฎของกลศาสตร์ใช้ได้ในระบบพิกัดเดียว ระบบเหล่านั้นก็จะใช้ได้ในระบบอื่นใดก็ตามที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอเมื่อเทียบกับระบบแรก” 2 ระบบดังกล่าวเรียกว่าระบบเฉื่อย เนื่องจากการเคลื่อนที่ในนั้นอยู่ภายใต้กฎความเฉื่อย: “ร่างกายทุก ๆ คนรักษาสภาวะนิ่งหรือการเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ เว้นแต่จะถูกบังคับให้เปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของแรงที่กำลังเคลื่อนที่” 3

จากหลักการสัมพัทธภาพ เป็นไปตามที่ว่าระหว่างการพักและการเคลื่อนไหว - ถ้ามันสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง - ไม่มีความแตกต่างพื้นฐาน ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือมุมมอง

ดังนั้นคำว่า "ค่อนข้าง" ในนามของหลักการของกาลิเลโอจึงไม่ได้ปิดบังอะไรเป็นพิเศษ มันไม่มีความหมายอื่นใดนอกจากการเคลื่อนไหวที่เราเคลื่อนไหว การเคลื่อนไหวหรือการพักนั้นมักจะเคลื่อนไหวหรือการพักสัมพันธ์กับสิ่งที่ทำหน้าที่เป็นกรอบอ้างอิงสำหรับเรา แน่นอนว่านี่ไม่ได้หมายความว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างการพักผ่อนและการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอ แต่แนวคิดเรื่องการพักผ่อนและการเคลื่อนไหวจะมีความหมายเฉพาะเมื่อมีการระบุจุดอ้างอิงเท่านั้น

ถ้าหลักการสัมพัทธภาพคลาสสิกยืนยันค่าคงที่ของกฎกลศาสตร์ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด ดังนั้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ หลักการนี้ก็ขยายไปถึงกฎของไฟฟ้าพลศาสตร์ด้วย และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยืนยันค่าคงที่ของ กฎแห่งธรรมชาติในกรอบอ้างอิงใดๆ ทั้งแบบเฉื่อยและไม่เฉื่อย ระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยคือระบบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ด้วยความหน่วงหรือความเร่ง

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งรวมอวกาศและเวลาเข้าด้วยกันเป็นความต่อเนื่องของกาล-อวกาศสี่มิติเดียว คุณสมบัติของกาล-อวกาศของวัตถุขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของพวกมัน มิติเชิงพื้นที่จะลดลงในทิศทางการเคลื่อนที่เมื่อความเร็วของวัตถุเข้าใกล้ความเร็วแสงในสุญญากาศ (300,000 กม./วินาที) กระบวนการของเวลาช้าลงในระบบที่เคลื่อนที่เร็ว และมวลกายเพิ่มขึ้น

เมื่ออยู่ในกรอบอ้างอิงที่กำลังโคจรมา กล่าวคือ เคลื่อนที่ขนานกันและอยู่ในระยะห่างเท่ากันจากระบบที่วัด จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตเห็นผลกระทบเหล่านี้ ซึ่งเรียกว่าความสัมพันธ์เชิงสัมพันธ์ เนื่องจากมาตราส่วนเชิงพื้นที่และชิ้นส่วนที่ใช้ในการวัดทั้งหมดจะเปลี่ยนไปในลักษณะเดียวกันทุกประการ ทาง. ตามหลักการสัมพัทธภาพ กระบวนการทั้งหมดในระบบอ้างอิงเฉื่อยดำเนินไปในลักษณะเดียวกัน แต่หากระบบไม่มีความเฉื่อย ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพก็สามารถสังเกตเห็นและเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้น หากยานอวกาศเชิงสัมพัทธภาพในจินตนาการ เช่น จรวดโฟตอน เดินทางไปยังดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไป แล้วหลังจากที่มันกลับมายังโลก เวลาในระบบของเรือจะผ่านไปน้อยกว่าบนโลกอย่างมาก และความแตกต่างนี้จะมากขึ้นเมื่อทำการบินไกลขึ้น และความเร็วของเรือจะใกล้เคียงกับความเร็วแสงมากขึ้น ความแตกต่างสามารถวัดได้ในหลายร้อยหลายพันปีด้วยเหตุนี้ลูกเรือของเรือจะถูกส่งไปยังอนาคตอันใกล้หรือไกลทันทีโดยข้ามเวลากลางเนื่องจากจรวดและลูกเรือหลุดออกจากเส้นทาง ของการพัฒนาบนโลก

กระบวนการที่คล้ายกันในการชะลอเวลาผ่านไปโดยขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่นั้นจริง ๆ แล้วบันทึกไว้ในขณะนี้ในการวัดความยาวเส้นทางของมีซอนที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคของรังสีคอสมิกปฐมภูมิชนกับนิวเคลียสของอะตอมบนโลก Mesons มีอยู่เป็นเวลา 10 -6 - 10 -15 วินาที (ขึ้นอยู่กับประเภทของอนุภาค) และหลังจากการเกิดขึ้นพวกมันจะสลายตัวในระยะทางสั้น ๆ จากสถานที่เกิด ทั้งหมดนี้สามารถบันทึกได้โดยอุปกรณ์ตรวจวัดตามร่องรอยการเคลื่อนที่ของอนุภาค แต่ถ้ามีซอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วแสง กระบวนการของเวลาในนั้นก็จะช้าลง ระยะเวลาการสลายตัวจะเพิ่มขึ้น (เป็นพันๆ หมื่นครั้ง) และความยาวเส้นทางตั้งแต่แรกเกิดถึงการสลายตัวก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ดังนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจึงมีพื้นฐานมาจากหลักการสัมพัทธภาพแบบขยายของกาลิเลโอ นอกจากนี้ยังใช้ตำแหน่งใหม่อีกตำแหน่งหนึ่ง นั่นคือ ความเร็วของการแพร่กระจายของแสง (ในสุญญากาศ) จะเท่ากันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด

แต่เหตุใดความเร็วนี้จึงสำคัญมากจนการตัดสินเกี่ยวกับความเร็วนั้นมีความสำคัญเท่ากับหลักการสัมพัทธภาพ? ความจริงก็คือว่าที่นี่เรากำลังเผชิญกับค่าคงที่ทางกายภาพสากลที่สอง ความเร็วแสงคือความเร็วสูงสุดในธรรมชาติ ซึ่งเป็นความเร็วสูงสุดของปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ การเคลื่อนที่ของแสงโดยพื้นฐานแล้วแตกต่างไปจากการเคลื่อนที่ของวัตถุอื่นๆ ทั้งหมดที่มีความเร็วน้อยกว่าความเร็วแสง ความเร็วของวัตถุเหล่านี้จะบวกกับความเร็วอื่นเสมอ ในแง่นี้ ความเร็วมีความสัมพัทธ์: ขนาดของมันขึ้นอยู่กับมุมมอง และความเร็วแสงไม่ได้รวมกันเป็นความเร็วอื่น มันเป็นสัมบูรณ์ เท่ากันเสมอ และเมื่อพูดถึงเรื่องนี้เราไม่จำเป็นต้องระบุระบบอ้างอิง

ความสมบูรณ์ของความเร็วแสงไม่ได้ขัดแย้งกับหลักการสัมพัทธภาพและเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับมัน ความคงตัวของความเร็วนี้เป็นกฎของธรรมชาติ ดังนั้น - ตามหลักสัมพัทธภาพ - จึงใช้ได้ในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย

ความเร็วแสงเป็นขีดจำกัดบนของความเร็วการเคลื่อนที่ของวัตถุใดๆ ในธรรมชาติ สำหรับความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นใดๆ และสัญญาณใดๆ สูงสุด - นี่คือบันทึกความเร็วสัมบูรณ์

“สำหรับกระบวนการทางกายภาพทั้งหมด ความเร็วแสงมีคุณสมบัติเป็นความเร็วอนันต์ เพื่อที่จะให้ความเร็วแก่วัตถุเท่ากับความเร็วแสง จำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนอนันต์ และนั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นไปไม่ได้ทางกายภาพที่วัตถุใดๆ จะไปถึงความเร็วนี้ได้ ผลลัพธ์นี้ได้รับการยืนยันโดยการวัดที่ทำกับอิเล็กตรอน พลังงานจลน์ของมวลจุดเติบโตเร็วกว่ากำลังสองของความเร็วของมัน และกลายเป็นอนันต์ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง” ดังนั้นจึงมักกล่าวกันว่าความเร็วแสงคือความเร็วสูงสุดของการถ่ายโอนข้อมูล และความเร็วสูงสุดของปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพใดๆ และแท้จริงแล้ว ปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดที่เป็นไปได้ในโลก

ความเร็วแสงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการแก้ปัญหาพร้อมกันซึ่งกลายเป็นความสัมพันธ์กันนั่นคือขึ้นอยู่กับมุมมอง ในกลศาสตร์คลาสสิก ซึ่งถือว่าเวลาเป็นสัมบูรณ์ ความพร้อมกันก็ถือเป็นสัมบูรณ์เช่นกัน

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป มีการเปิดเผยแง่มุมใหม่ๆ ของการพึ่งพาความสัมพันธ์ระหว่างกาล-อวกาศกับกระบวนการทางวัตถุ ทฤษฎีนี้ให้พื้นฐานทางกายภาพสำหรับเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด และเชื่อมโยงความโค้งของอวกาศและความเบี่ยงเบนของหน่วยเมตริกจากแบบยุคลิดกับการกระทำของสนามโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยมวลของวัตถุ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีพื้นฐานอยู่บนหลักการสมดุลของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นความเท่าเทียมกันเชิงปริมาณซึ่งเป็นที่ยอมรับกันมานานแล้วในฟิสิกส์คลาสสิก ผลกระทบทางจลนศาสตร์ที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจะเทียบเท่ากับผลกระทบที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของความเร่ง ดังนั้น หากจรวดทะยานขึ้นด้วยความเร่ง 2 กรัม ลูกเรือจรวดจะรู้สึกราวกับว่าพวกเขาอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงของโลกเป็นสองเท่า หลักการสัมพัทธภาพเป็นแบบทั่วไปบนพื้นฐานของหลักการความเท่าเทียมกันของมวล ซึ่งยืนยันในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถึงความคงที่ของกฎธรรมชาติในกรอบอ้างอิงใดๆ ทั้งแบบเฉื่อยและไม่เฉื่อย

เราจะจินตนาการถึงความโค้งของอวกาศซึ่งอธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้อย่างไร ลองจินตนาการถึงแผ่นยางบางๆ แล้วเราจะถือว่านี่คือแบบจำลองของอวกาศ มาวางลูกบอลขนาดใหญ่และเล็กบนแผ่นงานนี้ - แบบจำลองดวงดาว ลูกบอลเหล่านี้จะโค้งงอแผ่นยางยิ่งมีมวลของลูกบอลมากขึ้น สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการพึ่งพาความโค้งของอวกาศบนมวลของร่างกาย และยังแสดงให้เห็นว่าเรขาคณิตแบบยุคลิดตามปกติใช้ไม่ได้ในกรณีนี้ (รูปทรงเรขาคณิตของ Lobachevsky และ Riemann ทำงาน)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่เพียงกำหนดความโค้งของอวกาศภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการชะลอตัวของเวลาในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงอีกด้วย แม้แต่แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็กตามมาตรฐานจักรวาล ก็ส่งผลต่อจังหวะเวลา โดยทำให้มันช้าลงเมื่ออยู่ใกล้ตัวมันเอง ดังนั้นหากเราส่งสัญญาณวิทยุไปยังจุดใดจุดหนึ่งซึ่งเป็นเส้นทางที่ผ่านใกล้ดวงอาทิตย์ การเดินทางของสัญญาณวิทยุในกรณีนี้จะใช้เวลานานกว่าเมื่อไม่มีอะไรอยู่ในเส้นทางของสัญญาณนี้ การชะลอตัวใกล้ดวงอาทิตย์อยู่ที่ประมาณ 0.0002 วินาที

การทำนายที่น่าอัศจรรย์ที่สุดประการหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือการหยุดเวลาโดยสมบูรณ์ในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงมาก ยิ่งแรงโน้มถ่วงมากเท่าไร การขยายเวลาก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การขยายเวลาจะแสดงออกมาในการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงของแสง: ยิ่งแรงโน้มถ่วงมากเท่าใด ความยาวคลื่นก็จะยิ่งเพิ่มขึ้นและความถี่ก็จะลดลงด้วย ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ความยาวคลื่นสามารถเร่งไปสู่ระยะอนันต์ และความถี่ของคลื่นจะเป็นศูนย์

เมื่อแสงที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมา สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้หากดาวของเราหดตัวลงอย่างกะทันหันและกลายเป็นลูกบอลที่มีรัศมี 3 กม. หรือน้อยกว่า (รัศมีของดวงอาทิตย์คือ 700,000 กม.) เนื่องจากแรงอัดนี้ แรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวซึ่งเป็นที่มาของแสงจึงเพิ่มขึ้นมากจนการเคลื่อนไปทางสีแดงของแรงโน้มถ่วงนั้นไม่มีที่สิ้นสุดอย่างแท้จริง

สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นจริงกับดวงอาทิตย์ของเรา แต่ดาวดวงอื่นซึ่งมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์สามเท่าหรือมากกว่านั้น ในช่วงบั้นปลายของชีวิตน่าจะประสบกับความหายนะอย่างรวดเร็วภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของพวกมันเอง สิ่งนี้จะนำพวกเขาไปสู่สภาวะหลุมดำ หลุมดำคือวัตถุทางกายภาพที่สร้างแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงจนแสงที่เคลื่อนไปทางสีแดงที่อยู่ใกล้ๆ กลายเป็นอนันต์ได้

นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์มั่นใจอย่างยิ่งว่ามีหลุมดำอยู่ในธรรมชาติ แม้ว่าจะยังไม่ถูกตรวจพบก็ตาม ความยากในการค้นหาทางดาราศาสตร์มีความเกี่ยวข้องกับธรรมชาติของวัตถุที่ผิดปกติเหล่านี้ ท้ายที่สุดแล้ว การเลื่อนสีแดงอย่างไม่มีที่สิ้นสุด เนื่องจากความถี่ของแสงที่ได้รับกลายเป็นศูนย์ ทำให้พวกมันมองไม่เห็น พวกมันไม่ส่องแสงดังนั้นในความหมายที่สมบูรณ์ของคำว่าพวกมันจึงเป็นสีดำ มีเพียงสัญญาณทางอ้อมจำนวนหนึ่งเท่านั้นที่สามารถหวังที่จะสังเกตเห็นหลุมดำได้ เช่น ในระบบดาวคู่ที่คู่ของมันจะเป็นดาวฤกษ์ธรรมดา จากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้ในสนามโน้มถ่วงร่วมของดาวฤกษ์คู่ดังกล่าว จะสามารถประมาณมวลของดาวฤกษ์ที่มองไม่เห็นได้ และหากค่านี้เกินกว่ามวลของดวงอาทิตย์ 3 เท่าขึ้นไป ก็จะ ก็สามารถอ้างได้ว่าเราได้ค้นพบหลุมดำแล้ว

ปัจจุบันมีระบบดาวคู่ที่ได้รับการศึกษาอย่างดีหลายระบบ ซึ่งมวลของคู่ที่มองไม่เห็นนั้นประมาณไว้ที่ 5 หรือ 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เป็นไปได้มากว่าสิ่งเหล่านี้คือหลุมดำ แต่จนกว่าการประมาณการเหล่านี้จะได้รับการปรับปรุง นักดาราศาสตร์มักเรียกวัตถุเหล่านี้ว่าผู้สมัครหลุมดำ

การขยายเวลาด้วยความโน้มถ่วงซึ่งเป็นหน่วยวัดและหลักฐานของการเคลื่อนตัวของสีแดง มีความสำคัญมากใกล้กับดาวนิวตรอน และใกล้กับหลุมดำในรัศมีความโน้มถ่วงของมัน มีมากจนเวลาดูเหมือนจะหยุดนิ่งที่นั่น

สำหรับวัตถุที่ตกลงไปในสนามโน้มถ่วงของหลุมดำที่เกิดจากมวลเท่ากับ 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งตกลงมาจากระยะห่าง 1 ล้านกม. ถึงรัศมีโน้มถ่วงใช้เวลาเพียงประมาณหนึ่งชั่วโมงเท่านั้น แต่ตามนาฬิกาซึ่งอยู่ห่างจากหลุมดำ การตกลงอย่างอิสระของวัตถุในสนามของมันจะยืดเวลาออกไปจนไม่มีที่สิ้นสุด ยิ่งวัตถุที่ตกลงมาอยู่ใกล้รัศมีแรงโน้มถ่วงมากเท่าใด การบินนี้จะปรากฏต่อผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น วัตถุที่สังเกตจากระยะไกลจะเข้าใกล้รัศมีความโน้มถ่วงอย่างไม่มีกำหนดและไม่มีวันไปถึงรัศมีนั้น นี่คือจุดที่เวลาช้าลงเมื่อใกล้หลุมดำ ดังนั้นสสารจึงมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของอวกาศและเวลา

แนวคิดเกี่ยวกับอวกาศและเวลาที่กำหนดขึ้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์มีความสอดคล้องกันมากที่สุด แต่พวกมันเป็นกล้องขนาดมหภาคเนื่องจากต้องอาศัยประสบการณ์ในการศึกษาวัตถุขนาดมหึมา ระยะทางที่ไกล และระยะเวลาอันยาวนาน เมื่อสร้างทฤษฎีที่อธิบายปรากฏการณ์ของโลกใบเล็ก รูปภาพเรขาคณิตคลาสสิกนี้ซึ่งถือว่าความต่อเนื่องของอวกาศและเวลา (ความต่อเนื่องของอวกาศ-เวลา) ถูกถ่ายโอนไปยังพื้นที่ใหม่โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ไม่มีข้อมูลการทดลองที่ขัดแย้งกับการประยุกต์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพในโลกใบเล็ก แต่การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมอย่างแท้จริงอาจต้องมีการแก้ไขแนวคิดเกี่ยวกับอวกาศและเวลาทางกายภาพ ทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นเกี่ยวกับสายเหนือซึ่งแสดงถึงอนุภาคมูลฐานเป็นการสั่นฮาร์มอนิกของสายเหล่านี้และเชื่อมโยงฟิสิกส์กับเรขาคณิตนั้นมีพื้นฐานมาจากความเป็นหลายมิติของอวกาศ และนั่นหมายความว่าในขั้นตอนใหม่ของการพัฒนาวิทยาศาสตร์ ในระดับความรู้ใหม่ เรากำลังกลับไปสู่การทำนายของ A. Einstein ในปี 1930: “ เรากำลังมาถึงข้อสรุปที่แปลกประหลาด: ตอนนี้มันเริ่มดูเหมือนกับเราแล้ว อวกาศนั้นมีบทบาทหลัก และสสารจะต้องได้รับจากอวกาศ ในระยะต่อไป เราถือว่าสสารเป็นปฐมภูมิและอวกาศเป็นรองมาโดยตลอด หากพูดในเชิงเปรียบเทียบแล้ว อวกาศกำลังแก้แค้นและเรื่อง "การกิน" 1 บางทีอาจมีควอนตัมของอวกาศ ซึ่งเป็นความยาวพื้นฐาน L การนำแนวคิดนี้มาใช้ เราสามารถหลีกเลี่ยงความยุ่งยากหลายประการของทฤษฎีควอนตัมสมัยใหม่ได้ หากได้รับการยืนยันการมีอยู่ของมัน L จะกลายเป็นค่าคงที่พื้นฐานที่สาม (นอกเหนือจากค่าคงที่ของพลังค์และความเร็วแสงในสุญญากาศ) การมีอยู่ของควอนตัมในอวกาศยังหมายถึงการมีอยู่ของควอนตัมของเวลา (เท่ากับ L/c) ซึ่งจำกัดความแม่นยำในการกำหนดช่วงเวลา

เมื่อร้อยปีก่อนในปี 1915 นักวิทยาศาสตร์หนุ่มชาวสวิสซึ่งในเวลานั้นได้ค้นพบการปฏิวัติทางฟิสิกส์แล้วได้เสนอความเข้าใจพื้นฐานใหม่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง

ในปี 1915 ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งระบุว่าแรงโน้มถ่วงเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของกาลอวกาศ เขานำเสนอชุดสมการที่อธิบายผลกระทบของความโค้งของกาลอวกาศต่อพลังงานและการเคลื่อนที่ของสสารและการแผ่รังสีที่มีอยู่ในนั้น

หนึ่งร้อยปีต่อมาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ มันยืนหยัดต่อการทดสอบทั้งหมดที่นักวิทยาศาสตร์โจมตีมัน

แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ มันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำการทดลองภายใต้สภาวะที่รุนแรงเพื่อทดสอบความเสถียรของทฤษฎี

น่าทึ่งมากที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิสูจน์ได้แข็งแกร่งเพียงใดใน 100 ปีข้างหน้า เรายังคงใช้สิ่งที่ไอน์สไตน์เขียน!

คลิฟฟอร์ด วิล นักฟิสิกส์ทฤษฎี มหาวิทยาลัยฟลอริดา

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์มีเทคโนโลยีในการค้นหาฟิสิกส์นอกเหนือจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

รูปลักษณ์ใหม่ของ Gravity

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายแรงโน้มถ่วงไม่ใช่เป็นแรง (ดังที่ปรากฏในฟิสิกส์ของนิวตัน) แต่เป็นความโค้งของกาล-อวกาศเนื่องจากมวลของวัตถุ โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ไม่ใช่เพราะดาวฤกษ์ดึงดูดมัน แต่เป็นเพราะดวงอาทิตย์เปลี่ยนรูปกาลอวกาศ หากคุณวางลูกโบว์ลิ่งหนักๆ บนผ้าห่มที่ยืดออก ผ้าห่มจะเปลี่ยนรูปร่าง - แรงโน้มถ่วงส่งผลต่ออวกาศในลักษณะเดียวกัน

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ทำนายการค้นพบที่บ้าคลั่งบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของหลุมดำ ซึ่งทำให้อวกาศ-เวลาโค้งงอจนไม่มีสิ่งใดหลุดรอดจากภายในได้ แม้แต่แสงก็ตาม ตามทฤษฎี พบหลักฐานสำหรับความคิดเห็นที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในปัจจุบันว่าจักรวาลกำลังขยายตัวและเร่งความเร็ว

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้รับการยืนยันจากการสังเกตมากมาย ไอน์สไตน์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในการคำนวณวงโคจรของดาวพุธ ซึ่งกฎของนิวตันไม่สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ได้ ไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของวัตถุขนาดใหญ่มากจนทำให้แสงโค้งงอได้ นี่เป็นปรากฏการณ์เลนส์โน้มถ่วงที่นักดาราศาสตร์มักพบเจอ ตัวอย่างเช่น การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบขึ้นอยู่กับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของการแผ่รังสีที่โค้งงอโดยสนามโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่ดาวเคราะห์โคจรอยู่รอบ ๆ

ทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำงานได้ดีกับแรงโน้มถ่วงธรรมดา ดังที่แสดงโดยการทดลองบนโลกและการสังเกตดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ แต่ไม่เคยได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะของสนามที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งในอวกาศซึ่งอยู่บนขอบเขตของฟิสิกส์

วิธีที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการทดสอบทฤษฎีภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวคือการสังเกตการเปลี่ยนแปลงในกาลอวกาศที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง ปรากฏเป็นผลมาจากเหตุการณ์ใหญ่ การรวมตัวกันของวัตถุขนาดใหญ่สองแห่ง เช่น หลุมดำ หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งวัตถุหนาแน่นอย่างดาวนิวตรอน

การแสดงดอกไม้ไฟในจักรวาลขนาดนี้จะสะท้อนเฉพาะระลอกคลื่นที่เล็กที่สุดในกาล-อวกาศเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากหลุมดำสองหลุมชนกันและรวมตัวกันที่ไหนสักแห่งในดาราจักรของเรา คลื่นความโน้มถ่วงสามารถยืดและบีบอัดระยะห่างระหว่างวัตถุที่อยู่ห่างจากโลกหนึ่งเมตรเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งในพันของนิวเคลียสของอะตอม

การทดลองปรากฏว่าสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงในอวกาศ-เวลาอันเนื่องมาจากเหตุการณ์ดังกล่าว

มีโอกาสที่ดีที่จะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงในอีกสองปีข้างหน้า

คลิฟฟอร์ด วิล

หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงแบบเลเซอร์อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ (LIGO) ซึ่งมีหอดูดาวใกล้กับริชแลนด์ วอชิงตัน และลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา ใช้เลเซอร์เพื่อตรวจจับการบิดเบือนเล็กน้อยในเครื่องตรวจจับรูปตัว L คู่ เมื่อระลอกคลื่นกาลอวกาศเคลื่อนผ่านเครื่องตรวจจับ มันจะยืดและบีบอัดพื้นที่ ส่งผลให้เครื่องตรวจจับเปลี่ยนขนาด และ LIGO ก็สามารถวัดพวกมันได้

LIGO เริ่มเปิดตัวหลายครั้งในปี พ.ศ. 2545 แต่ล้มเหลวในการบรรลุผล มีการปรับปรุงในปี 2010 และ Advanced LIGO ผู้สืบทอดตำแหน่งขององค์กร ควรกลับมาดำเนินการได้อีกครั้งในปีนี้ การทดลองที่วางแผนไว้จำนวนมากมุ่งเป้าไปที่การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง

วิธีทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพอีกวิธีหนึ่งคือการดูคุณสมบัติของคลื่นความโน้มถ่วง ตัวอย่างเช่น พวกมันสามารถโพลาไรซ์ได้ เหมือนแสงที่ส่องผ่านกระจกโพลาไรซ์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายลักษณะเฉพาะของผลกระทบดังกล่าว และการเบี่ยงเบนใดๆ จากการคำนวณอาจกลายเป็นเหตุให้สงสัยทฤษฎีนี้

ทฤษฎีแบบครบวงจร

คลิฟฟอร์ด วิลเชื่อว่าการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจะยิ่งเสริมทฤษฎีของไอน์สไตน์เท่านั้น:

ฉันคิดว่าเราจะต้องค้นหาหลักฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปต่อไปเพื่อให้แน่ใจว่ามันถูกต้อง

เหตุใดการทดลองเหล่านี้จึงจำเป็น?

งานที่สำคัญและเข้าใจยากที่สุดอย่างหนึ่งของฟิสิกส์ยุคใหม่คือการค้นหาทฤษฎีที่จะเชื่อมโยงงานวิจัยของไอน์สไตน์ ซึ่งก็คือ วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับจักรวาลมหภาค และกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นความจริงของวัตถุที่เล็กที่สุด

ความก้าวหน้าในพื้นที่นี้ แรงโน้มถ่วงควอนตัม อาจต้องมีการเปลี่ยนแปลงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เป็นไปได้ว่าการทดลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมจะต้องใช้พลังงานมากจนทำไม่ได้ “แต่ใครจะรู้” วิลล์กล่าว “บางทีจักรวาลควอนตัมอาจมีผลกระทบเล็กน้อยแต่สามารถค้นหาได้”