Teorija relativnosti - što je to? Postulati teorije relativnosti. Vrijeme i prostor u teoriji relativnosti

Već početkom 20. stoljeća formulirana je teorija relativnosti. Što je to i tko je njegov stvoritelj, danas zna svaki učenik. Tako je fascinantno da su i ljudi koji su daleko od znanosti zainteresirani za to. U ovom članku, dostupan jezik opisuje teoriju relativnosti: što je to, koji su njezini postulati i primjena.

Kažu da je epifani došao u Albert Einstein, njegovog stvoritelja, u trenu. Znanstvenik je navodno vozio tramvaj u švicarskoj Bern. Pogledao je ulični sat i iznenada shvatio da će ovaj sat prestati ako se tramvaj ubrzao brzinom svjetlosti. U ovom slučaju, vrijeme ne bi bilo. Vrijeme u teoriji relativnosti igra vrlo važnu ulogu. Jedan od postulata koji je formulirao Einstein jest da različiti promatrači percipiraju stvarnost na različite načine. Ovo se posebno odnosi na vrijeme i udaljenost.

Računovodstvo položaja promatrača

Toga je dana Albert shvatio da na jeziku znanosti opis bilo kojeg fizičkog fenomena ili događaja ovisi o tome koji je okvir promatrač. Na primjer, ako neki tramvajski putnik ispadne naočale, pada vertikalno dolje prema njoj. Ako gledamo iz perspektive stoji na pješačkoj ulici, je putanja pada odgovara parabole, kao tramvajskih poteza dok pada naočale. Dakle, svaki ima svoj referentni okvir. Predlažemo detaljnije razmatranje temeljnih postulata teorije relativnosti.

Zakon raspodijeljenog gibanja i načelo relativnosti

Unatoč činjenici da prilikom mijenjanja referentnih sustava opisi događaja se mijenjaju, postoje univerzalne stvari koje ostaju nepromijenjene. Da bismo to shvatili, ne smijemo se zapitati o padu naočala, već o zakonu prirode koji uzrokuje ovu jesen. Za bilo koji promatrač, bez obzira na to je li u pokretnom ili fiksnom koordinatnom sustavu, odgovor na nju ostaje nepromijenjen. Ovaj zakon se naziva zakonom distribuiranog kretanja. Djeluje jednako u tramvaju i na ulici. Drugim riječima, ako opis događaja uvijek ovisi o tome tko ih promatra, onda se to ne odnosi na zakone prirode. Oni su, kako kažu na znanstvenom jeziku, nepromjenjivi. Ovo je princip relativnosti.

Dvije teorije Einsteina

Ovaj princip, kao i svaka druga hipoteza, mora se najprije provjeriti povezujući ga s prirodnim fenomenima koji djeluju u našoj stvarnosti. Einstein je zaključio dvije teorije iz načela relativnosti. Iako su povezani, smatraju se odvojenima.

Privatna ili posebna teorija relativnosti (SRT) temelji se na pretpostavci da je, za sve vrste referentnih sustava, koji su stalna brzina, zakoni prirode su isti. Opća teorija relativnosti (GTR) proširuje ovo načelo na bilo koji referentni okvir, uključujući one koji se kreću ubrzanjem. Godine 1905. A. Einstein je objavio prvu teoriju. Drugi, složeniji u smislu matematičkog aparata, dovršen do 1916. Stvaranje teorije relativnosti, i SRT i GRT, postala je važna faza u razvoju fizike. Dopustimo da prebivamo u više pojedinosti o svakoj od njih.

Posebna teorija relativnosti

Što je to, koja je njezina bit? Odgovorimo na ovo pitanje. Upravo ta teorija predviđa mnoge paradoksalne učinke koji proturječe našim intuitivnim pojmovima o tome kako svijet funkcionira. To su učinci koji se primjećuju pri brzini kretanja brzina svjetlosti. Najpoznatiji među njima je utjecaj usporavanja vremena (tijeka sati). Sati koji se kreću u odnosu na promatrača, za njega su sporiji od onih koji su u njegovim rukama.

U koordinatnog sustava se kreće brzinom blizu brzine svjetlosti, što je pružio u odnosu na promatrača, a duljina objekte (Prostorni mjeri), s druge strane, je stisnut uz smjer osi tog pokreta. Taj efekt znanstvenici zovu Lorentz-Fitzgeraldov kontrakcija. Godine 1889. opisao ga je George Fitzgerald, talijanski fizičar. Godine 1892. ga je dopunio Hendrik Lorentz, Nizozemac. Ovaj efekt objašnjava negativan rezultat, što daje Michelson-Morley eksperiment, u kojem je brzina planeta u svemiru određuje mjerenjem „etera vjetar”. To su osnovni postulati teorije relativnosti (poseban). Einstein ih je nadopunio jednadžbe po formuli transformacija mase, napravljena analogijom. Prema njezinim riječima, kako se brzina tijela približava brzini svjetlosti, povećava se tjelesna težina. Na primjer, ako je brzina 260 tisuća km / s, to jest 87% brzine svjetlosti, s gledišta gledatelja, koji je u stacionarnom referentnom okviru, masa objekta će se udvostručiti.

Potvrde SRT-a

Sve te odredbe, bez obzira na to kako su proturječne zdravom razumu, budući da je vrijeme Einsteina izravno i potpuno potvrđeno u raznim eksperimentima. Jedan od njih je proveo znanstvenici sa Sveučilišta Michigan. Ovo čudno iskustvo potvrđuje teoriju relativnosti u fizici. Istraživači su stavili na zrakoplov koji redovito transatlantske letove, atomski sat. Svaki put kad se vratio u zračnu luku, svjedočanstvo ovog sata provjereno je protiv kontrole. Pokazalo se da je sat na ravnini svaki put sve više i više zaostao za kontrolom. Naravno, bilo je samo pitanje manjih figura, fraktura sekunde, ali sama činjenica je vrlo otkriva.

Proteklih pola stoljeća znanstvenici proučavaju elementarne čestice na akceleratorima - ogromne hardverske komplekse. U njima se grede elektrona ili protona, tj. Nabijenih subatomskih čestica, ubrzavaju sve dok se njihove brzine ne približe brzina svjetlosti. Nakon toga, oni pucaju nuklearne ciljeve. U tim eksperimentima valja uzeti u obzir činjenicu da masa čestica raste, inače se eksperimentalni rezultati ne mogu tumačiti. U tom smislu, SRT je odavno puko hipotetska teorija. Postao je jedan od alata korištenih u primijenjenom inženjerstvu, zajedno s Newtonovim zakonima mehanike. Načela teorije relativnosti su našli veliku praktičnu primjenu u našem danu.

SRT i Newtonove zakone

Govoreći o Newtonovi zakoni (Portret znanstvenika predstavio gore), treba napomenuti da je posebna teorija relativnosti, koja ih naizgled proturječi, zapravo reproducira jednadžbe Newtonovih zakona gotovo točno, ako se koristi za opisivanje tijela, brzina mnogo manja od brzine svjetlosti. Drugim riječima, ako se koristi posebna teorija relativnosti, Newtonova fizika uopće nije ukinuta. Ova teorija, naprotiv, nadopunjuje i proširuje.

Brzina svjetlosti je univerzalna konstanta

Koristeći načelo relativnosti, može se razumjeti zašto u ovom modelu strukture svijeta vrlo važnu ulogu igra brzina svjetlosti, a ne nešto drugo. Ovo pitanje postavljaju oni koji se tek upoznaju s fizikom. Brzina svjetlosti je univerzalna konstanta zbog činjenice da je definirana kao takva prirodoslovnim zakonom (za više detalja vidi Maxwellove jednadžbe). Brzina svjetlosti u vakuumu, zahvaljujući djelovanju načela relativnosti, jednaka je u svakom referentnom okviru. Možda mislite da to proturječi zdravom razumu. Ispada da i stacionarni izvor i pokretna svjetlost istodobno dolaze do promatrača (bez obzira koliko se brzo kreću). Međutim, to nije slučaj. Brzina svjetlosti, zbog svoje posebne uloge, daje središnje mjesto ne samo u posebnom, nego iu OTO-u. Također ćemo razgovarati o tome.

Opća teorija relativnosti

Upotrebljava se, kao što smo već rekli, za sve referentne okvire, a ne nužno one čija je brzina kretanja jedna prema drugoj konstantna. Matematički, ova teorija izgleda puno složenija od one posebne. Ovo objašnjava činjenicu da su između svojih publikacija prošlo 11 godina. GTR uključuje poseban slučaj kao posebni slučaj. Slijedom toga, Newtonovi zakoni također ulaze u njega. Međutim, UTO ide puno dalje od svojih prethodnika. Na primjer, objašnjava gravitaciju na novi način.

Četvrta dimenzija

Zahvaljujući OTO-u, svijet postaje četverodimenzionalan: vrijeme se dodaje u tri prostorne dimenzije. Svi oni su nerazdvojni, dakle, potrebno je da se ne govori o prostornom udaljenosti koja postoji u trodimenzionalnom svijetu između dva objekta. Sada se radi o vremensko-prostornim intervalima između različitih događaja koji ujedinjuju prostornu i vremensku razmaku jedan od drugoga. Drugim riječima, vrijeme i prostor u teoriji relativnosti smatraju se vrsta četverodimenzionalnog kontinuuma. Može se definirati kao prostor-vrijeme. To kontinuum onih promatrača koji se kreću relativno jedan prema drugome, imati različita mišljenja, pa o bilo dva događaja, ili jedan od njih, ako su oba prethodi drugoj. Međutim, uzročni odnos nije povrijeđen. Drugim riječima, ni opća relativnost ne dopušta postojanje koordinatnog sustava u kojem se dva događaja javljaju u različitim sekvencama, a ne istodobno.

OTO i zakon univerzalne gravitacije

Prema zakonu univerzalne gravitacije koju je otkrio Newton, snaga međusobne privlačnosti postoji u Svemiru između bilo kojeg dva tijela. Zemlja s tog položaja okreće se oko Sunca, jer između njih postoje snage međusobne privlačnosti. Ipak, OTO nas prisiljava da pogledamo ovaj fenomen s druge strane. Gravitacija, prema ovoj teoriji, posljedica je "zakrivljenosti" (deformacija) prostora-vremena, što se promatra pod utjecajem mase. Tijelo je teže (u našem primjeru, Sunce), to više prostor-vrijeme "zavoja" ispod nje. Prema tome, njegovo gravitacijsko polje je jače.

Da bismo bolje razumjeli bit teorije relativnosti, okrenimo se usporedbi. Zemlja, prema GRT-u, vrti se oko Sunca, kao mala lopta koja se kotrlja oko konusa lijevka, stvorena kao rezultat "istiskivanja" prostora-vremena od strane Sunca. A ono što smo vjerovali sila gravitacije, je zapravo vanjska manifestacija ove zakrivljenosti, a ne sile, u Newtonovom razumijevanju. Najbolje objašnjenje za fenomen gravitacije, od one predložene u UTO, nije pronađeno do danas.

Metode za ispitivanje GRT

Treba napomenuti da je GRT teško provjeriti, budući da su rezultati u laboratorijskim uvjetima gotovo odgovorni zakonu univerzalne gravitacije. Međutim, znanstvenici su i dalje vodili niz važnih eksperimenata. Njihovi rezultati omogućuju zaključiti da je Einsteinova teorija potvrđena. GTR, osim toga, pomaže objasniti različite fenomene promatrane u prostoru. To, na primjer, malo odstupanja od Merkura iz stacionarne orbite. S gledišta Newtonove klasične mehanike ne mogu se objasniti. To je također razlog zašto se elektromagnetsko zračenje koje proizlazi iz udaljenih zvijezda potiče kad prolazi blizu Sunca.

Rezultati koje predviđa GRT zapravo su značajno različiti od onih koji daju Newtonove zakone (njegov je portret prikazan iznad), samo kada su prisutna superstrong gravitacijska polja. Zbog toga je za potpunu provjeru opće relativnosti potrebna vrlo precizna mjerenja objekata ogromne mase ili crnih rupa, budući da naša uobičajena ideja s obzirom na njih nisu primjenjiva. Stoga je razvoj eksperimentalnih metoda za testiranje ove teorije jedan od glavnih zadataka moderne eksperimentalne fizike.

Umovi mnogih znanstvenika, pa čak i ljudi daleko od znanosti, zauzeli su teoriju relativnosti koju je stvorio Einstein. Što je to, kratko smo rekli. Ova teorija pretvara naše uobičajene pojmove o svijetu, tako da interes za njega još uvijek nije ugašen.