Ils disaient de cette théorie que seulement trois personnes dans le monde la comprenaient, et lorsque les mathématiciens essayaient d'exprimer en chiffres ce qui en découlait, l'auteur lui-même, Albert Einstein, plaisantait en disant que maintenant lui aussi avait cessé de la comprendre.
Spécial et théorie générale la relativité est une partie indissociable de la doctrine sur laquelle se fondent les vues scientifiques modernes sur la structure du monde.
"L'année des miracles"
En 1905, la principale publication scientifique allemande "Annalen der Physik" ("Annales de la physique") a publié successivement quatre articles d'Albert Einstein, 26 ans, qui travaillait comme expert de 3e classe - petit commis - à l'Office fédéral des brevets. Bureau à Berne. Il avait déjà collaboré avec la revue, mais publier autant d'ouvrages en un an était un événement extraordinaire. Cela est devenu encore plus remarquable lorsque la valeur des idées contenues dans chacun d’eux est devenue claire.
Dans le premier des articles, des réflexions ont été exprimées sur la nature quantique de la lumière, les processus d'absorption et de libération ont été examinés. un rayonnement électromagnétique. Sur cette base, l'effet photoélectrique a été expliqué pour la première fois - l'émission d'électrons par une substance, assommé par des photons de lumière, et des formules ont été proposées pour calculer la quantité d'énergie libérée dans ce cas. C'est pour les développements théoriques de l'effet photoélectrique, qui sont devenus le début de la mécanique quantique, et non pour les postulats de la théorie de la relativité, qu'Einstein sera récompensé en 1922. prix Nobel en physique.
Un autre article a jeté les bases des domaines appliqués des statistiques physiques basés sur l'étude du mouvement brownien de minuscules particules en suspension dans un liquide. Einstein a proposé des méthodes pour rechercher des modèles de fluctuations - des écarts désordonnés et aléatoires de grandeurs physiques par rapport à leurs valeurs les plus probables.
Et enfin, dans les articles « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement » et « L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu énergétique ? » contenait les germes de ce qui serait désigné dans l'histoire de la physique comme la théorie de la relativité d'Albert Einstein, ou plutôt sa première partie - STR - théorie de la relativité restreinte.
Sources et prédécesseurs
DANS fin XIX siècle, de nombreux physiciens pensaient que la plupart problèmes mondiaux L’univers a été décidé, les principales découvertes ont été faites et l’humanité n’a plus qu’à utiliser les connaissances accumulées pour accélérer puissamment le progrès technique. Seules quelques incohérences théoriques ont gâché l'image harmonieuse de l'Univers, rempli d'éther et vivant selon les lois newtoniennes immuables.
L'harmonie a été gâchée par les recherches théoriques de Maxwell. Ses équations, qui décrivaient les interactions des champs électromagnétiques, contredisaient les lois généralement acceptées de la mécanique classique. Il s'agissait de la mesure de la vitesse de la lumière dans des systèmes de référence dynamiques, lorsque le principe de relativité de Galilée a cessé de fonctionner - le modèle mathématique de l'interaction de tels systèmes lorsqu'ils se déplaçaient à la vitesse de la lumière entraînait la disparition des ondes électromagnétiques.
De plus, l’éther, censé concilier l’existence simultanée de particules et d’ondes, de macrocosme et de microcosme, était indétectable. L'expérience, réalisée en 1887 par Albert Michelson et Edward Morley, visait à détecter le « vent éthéré », qui devait inévitablement être enregistré par un appareil unique : un interféromètre. L'expérience a duré une année entière, le temps de la révolution complète de la Terre autour du Soleil. La planète était censée se déplacer à contre-courant du flux d'éther pendant six mois, l'éther était censé « souffler dans les voiles » de la Terre pendant six mois, mais le résultat était nul : le déplacement des ondes lumineuses sous l'influence de l'éther était non détecté, ce qui jette un doute sur le fait même de l'existence de l'éther.
Lorentz et Poincaré
Les physiciens ont tenté de trouver une explication aux résultats des expériences de détection de l'éther. Hendrik Lorenz (1853-1928) propose son modèle mathématique. Il a ramené à la vie le remplissage éthérique de l'espace, mais seulement sous l'hypothèse très conditionnelle et artificielle que lorsqu'ils se déplacent dans l'éther, les objets peuvent se contracter dans la direction du mouvement. Ce modèle a été modifié par le grand Henri Poincaré (1854-1912).
Dans les travaux de ces deux scientifiques, des concepts qui constituaient en grande partie les principaux postulats de la théorie de la relativité sont apparus pour la première fois, ce qui ne permet pas aux accusations de plagiat d’Einstein de s’apaiser. Il s'agit notamment du caractère conventionnel du concept de simultanéité, de l'hypothèse de la vitesse constante de la lumière. Poincaré a admis qu'à grande vitesse, les lois de la mécanique de Newton nécessitent d'être retravaillées et a conclu que le mouvement est une relativité, mais en application à la théorie de l'éther.
Théorie restreinte de la relativité - SRT
Les problèmes liés à la description correcte des processus électromagnétiques sont devenus la raison motivante du choix d'un sujet de développement théorique, et les articles d'Einstein publiés en 1905 contenaient une interprétation d'un cas particulier - uniforme et mouvement rectiligne. En 1915, la théorie de la relativité générale a été formée, qui expliquait les interactions gravitationnelles, mais la première théorie était appelée spéciale.
La théorie de la relativité restreinte d'Einstein peut être brièvement énoncée sous la forme de deux postulats principaux. La première étend l’action du principe de relativité de Galilée à tous les phénomènes physiques, et pas seulement aux processus mécaniques. En plus Forme générale il dit : Toutes les lois physiques sont les mêmes pour tous les référentiels inertiels (se déplaçant uniformément en ligne droite ou au repos).
Le deuxième énoncé, qui contient la théorie restreinte de la relativité : la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est la même pour tous les référentiels inertiels. Ensuite, une conclusion plus globale est tirée : la vitesse de la lumière est la valeur maximale maximale de la vitesse de transmission des interactions dans la nature.
Dans les calculs mathématiques de STR, on donne la formule E=mc², qui figurait auparavant dans des publications physiques, mais c'est grâce à Einstein qu'elle est devenue la plus célèbre et la plus populaire de l'histoire des sciences. La conclusion sur l’équivalence de la masse et de l’énergie est la formule la plus révolutionnaire de la théorie de la relativité. Le concept selon lequel tout objet ayant une masse contient grande quantité L’énergie est devenue la base du développement de l’utilisation de l’énergie nucléaire et a surtout conduit à l’apparition de la bombe atomique.
Effets de la relativité restreinte
Plusieurs conséquences découlent du STR, appelées effets relativistes. La dilatation du temps est l’une des plus frappantes. Son essence est que dans un cadre de référence mouvant le temps file Ralentissez. Les calculs montrent que sur un vaisseau spatial effectuant un vol hypothétique vers le système stellaire Alpha Centauri et retour à une vitesse de 0,95 c (c est la vitesse de la lumière), 7,3 ans s'écouleront, et sur Terre - 12 ans. De tels exemples sont souvent donnés pour expliquer la théorie de la relativité pour les nuls, ainsi que le paradoxe des jumeaux qui y est associé.
Un autre effet est une réduction des dimensions linéaires, c'est-à-dire que du point de vue d'un observateur, les objets se déplaçant par rapport à lui à une vitesse proche de c auront des dimensions linéaires plus petites dans la direction du mouvement que leur propre longueur. Cet effet, prédit par la physique relativiste, est appelé contraction de Lorentz.
Selon les lois de la cinématique relativiste, la masse d’un objet en mouvement est supérieure à sa masse au repos. Cet effet devient particulièrement significatif lors du développement d'instruments d'étude des particules élémentaires - sans en tenir compte, il est difficile d'imaginer le fonctionnement du LHC (Large Hadron Collider).
Espace-temps
Un des composants essentiels SRT est une représentation graphique de la cinématique relativiste, un concept spécial d'espace-temps unifié, proposé par le mathématicien allemand Hermann Minkowski, qui était autrefois professeur de mathématiques pour un élève d'Albert Einstein.
L'essence du modèle Minkowski est une approche complètement nouvelle pour déterminer la position des objets en interaction. La théorie de la relativité restreinte se concentre sur le temps Attention particulière. Le temps ne devient pas seulement la quatrième coordonnée du système de coordonnées tridimensionnel classique ; le temps n'est pas une valeur absolue, mais une caractéristique indissociable de l'espace, qui prend la forme d'un continuum espace-temps, exprimé graphiquement sous la forme d'un cône, dans lequel se produisent toutes les interactions.
Un tel espace dans la théorie de la relativité, avec son évolution vers une nature plus généralisée, a ensuite été soumis à une courbure, ce qui a rendu un tel modèle approprié pour décrire les interactions gravitationnelles.
Développement ultérieur de la théorie
Le SRT n'a pas immédiatement trouvé compréhension parmi les physiciens, mais il est progressivement devenu le principal outil de description du monde, en particulier du monde des particules élémentaires, qui est devenu le principal sujet d'étude des sciences physiques. Mais la tâche consistant à compléter SRT par une explication des forces gravitationnelles était très urgente, et Einstein n'a pas arrêté de travailler, perfectionnant les principes de la théorie générale de la relativité - GTR. Le traitement mathématique de ces principes a pris beaucoup de temps - environ 11 ans, et des spécialistes des domaines des sciences exactes liées à la physique y ont participé.
Ainsi, le principal mathématicien de l'époque, David Hilbert (1862-1943), qui devint l'un des co-auteurs des équations du champ gravitationnel, a apporté une énorme contribution. Ils ont été la dernière pierre de la construction d'un bel édifice, qui a reçu le nom de théorie générale de la relativité, ou GTR.
Théorie générale de la relativité - Relativité générale
La théorie moderne du champ gravitationnel, la théorie de la structure « espace-temps », la géométrie de « l'espace-temps », la loi des interactions physiques dans les systèmes de reporting non inertiels - tout cela divers noms, qui sont dotés de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein.
La théorie de la gravitation universelle, qui a longtemps déterminé les vues de la science physique sur la gravité, sur les interactions d'objets et de champs de différentes tailles. Paradoxalement, son principal inconvénient était le caractère intangible, illusoire et mathématique de son essence. Entre les étoiles et les planètes il y avait un vide, une attraction entre corps célestes s'expliquait par l'action à longue portée de certaines forces, et instantanées. La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein a rempli la gravité d'un contenu physique et l'a présentée comme un contact direct entre divers objets matériels.
Géométrie de la gravité
L’idée principale avec laquelle Einstein a expliqué les interactions gravitationnelles est très simple. Il déclare que l'espace-temps est une expression physique des forces gravitationnelles, dotée de signes tout à fait tangibles - métriques et déformations, qui sont influencées par la masse de l'objet autour duquel de telles courbures se forment. À une certaine époque, Einstein a même été crédité d'appels à revenir à la théorie de l'univers le concept d'éther, en tant que milieu matériel élastique qui remplit l'espace. Il a expliqué qu'il lui est difficile d'appeler une substance qui possède de nombreuses qualités pouvant être décrites comme vauum.
Ainsi, la gravité est une manifestation des propriétés géométriques de l'espace-temps à quatre dimensions, qui a été désigné dans STR comme non courbé, mais dans des cas plus généraux, elle est dotée d'une courbure, qui détermine le mouvement des objets matériels, qui reçoivent la même accélération conformément au principe d’équivalence déclaré par Einstein.
Ce principe fondamental de la théorie de la relativité explique bon nombre des « goulots d'étranglement » de la théorie de la gravitation universelle de Newton : la courbure de la lumière observée lors du passage à proximité d'objets cosmiques massifs lors de certains phénomènes astronomiques et, notée par les anciens, la même accélération de la chute. des corps, quelle que soit leur masse.
Modélisation de la courbure de l'espace
Un exemple courant utilisé pour expliquer la théorie de la relativité générale pour les nuls est la représentation de l'espace-temps sous la forme d'un trampoline - une fine membrane élastique sur laquelle sont disposés des objets (le plus souvent des balles), simulant des objets en interaction. Les boules lourdes plient la membrane, formant un entonnoir autour d'elles. Une balle plus petite lancée sur la surface se déplace en totale conformité avec les lois de la gravité, roulant progressivement dans les dépressions formées par des objets plus massifs.
Mais un tel exemple est tout à fait conventionnel. L'espace-temps réel est multidimensionnel, sa courbure ne semble pas non plus si élémentaire, mais le principe de la formation de l'interaction gravitationnelle et l'essence de la théorie de la relativité deviennent clairs. Quoi qu’il en soit, il n’existe pas encore d’hypothèse qui expliquerait de manière plus logique et cohérente la théorie de la gravité.
Preuve de vérité
La Relativité Générale a rapidement commencé à être perçue comme une base puissante sur laquelle la physique moderne pouvait être construite. Dès le début, la théorie de la relativité n'a pas seulement étonné les spécialistes par son harmonie et son harmonie, et peu de temps après son apparition, elle a commencé à être confirmée par des observations.
Le point le plus proche du Soleil - périhélie - l'orbite de Mercure se déplace progressivement par rapport aux orbites des autres planètes système solaire, découvert au milieu du 19ème siècle. Ce mouvement - la précession - n'a pas trouvé d'explication raisonnable dans le cadre de la théorie de la gravitation universelle de Newton, mais a été calculé avec précision sur la base de la théorie de la relativité générale.
L'éclipse de Soleil, survenue en 1919, fut l'occasion d'une nouvelle preuve de la relativité générale. Arthur Eddington, qui se présente en plaisantant comme la deuxième personne sur trois à comprendre les bases de la théorie de la relativité, a confirmé les déviations prédites par Einstein lorsque des photons de lumière passaient à proximité de l'étoile : au moment de l'éclipse, un changement dans l'apparence apparente la position de certaines étoiles est devenue perceptible.
Une expérience visant à détecter un ralentissement de l'horloge ou un redshift gravitationnel a été proposée par Einstein lui-même, entre autres preuves de la relativité générale. Seulement plus tard de longues années Il a été possible de préparer le matériel expérimental nécessaire et de réaliser cette expérience. Le déplacement gravitationnel des fréquences de rayonnement de l'émetteur et du récepteur, séparés en hauteur, s'est avéré être dans les limites prédites par la relativité générale, et les physiciens de Harvard, Robert Pound et Glen Rebka, qui ont mené cette expérience, n'ont ensuite fait qu'augmenter la précision du mesures, et la formule de la théorie de la relativité s'est à nouveau avérée correcte.
La théorie de la relativité d'Einstein est toujours présente dans la justification des projets d'exploration spatiale les plus importants. En bref, on peut dire qu'il est devenu un outil d'ingénierie pour les spécialistes, notamment ceux qui travaillent avec les systèmes de navigation par satellite - GPS, GLONASS, etc. Il est impossible de calculer les coordonnées d'un objet avec la précision requise, même dans un espace relativement petit, sans prendre en compte les ralentissements des signaux prédits par la relativité générale. Surtout quand il s'agit d'objets séparés par des distances cosmiques, où l'erreur de navigation peut être énorme.
Créateur de la théorie de la relativité
Albert Einstein était encore un jeune homme lorsqu'il publia les principes de la théorie de la relativité. Par la suite, ses lacunes et ses incohérences lui sont apparues clairement. En particulier, le plus problème principal Le GTR est devenu impossible à développer en mécanique quantique, puisque la description des interactions gravitationnelles utilise des principes radicalement différents les uns des autres. La mécanique quantique considère l'interaction des objets dans un espace-temps unique, et pour Einstein, cet espace lui-même forme la gravité.
Écrire la « formule de toutes choses » - théorie unifiée un domaine qui éliminerait les contradictions de la relativité générale et de la physique quantique était l'objectif d'Einstein pendant de nombreuses années, il a travaillé sur cette théorie jusqu'à la dernière heure, mais n'a pas réussi. Les problèmes de la relativité générale sont devenus une incitation pour de nombreux théoriciens à rechercher davantage modèles parfaits paix. C’est ainsi qu’apparaissent les théories des cordes, la gravité quantique en boucle et bien d’autres.
La personnalité de l’auteur de la Relativité Générale a laissé dans l’histoire une marque comparable à l’importance pour la science de la théorie de la relativité elle-même. Elle ne laisse toujours personne indifférent. Einstein lui-même se demandait pourquoi autant d'attention était accordée à lui et à son travail par des personnes qui n'avaient rien à voir avec la physique. Grâce à ses qualités personnelles, esprit célèbre, actif position politique et même d'apparence expressive, Einstein est devenu le physicien le plus célèbre de la Terre, le héros de nombreux livres, films et jeux informatiques.
La fin de sa vie est décrite de manière dramatique par beaucoup : il était seul, se considérait comme responsable de l'apparition de arme terrible, qui est devenu une menace pour toute vie sur la planète, sa théorie du champ unifié est restée rêve irréaliste, mais le meilleur résultat peut être considéré comme les paroles d'Einstein, prononcées peu de temps avant sa mort, selon lesquelles il avait accompli sa tâche sur Terre. Il est difficile de contester cela.
L’une des perles de la pensée scientifique dans la tiare de la connaissance humaine avec laquelle nous sommes entrés dans le XXIe siècle est la Théorie Générale de la Relativité (ci-après dénommée GTR). Cette théorie a été confirmée par d'innombrables expériences ; je dirai plus : il n'y a pas une seule expérience où nos observations différaient ne serait-ce qu'un petit peu, même un tout petit peu, des prédictions de la Théorie Générale de la Relativité. Dans la limite de son applicabilité, bien sûr.
Aujourd'hui, je veux vous dire quel genre de bête est cette théorie de la relativité générale. Pourquoi est-ce si difficile et pourquoi En fait elle est si simple. Comme vous l'avez déjà compris, l'explication ira sur vos doigts™, c'est pourquoi je vous demande de ne pas juger trop sévèrement les interprétations très libres et les allégories pas tout à fait correctes. Je veux que tout le monde lise cette explication humanitaire, sans aucune connaissance en calcul différentiel et en intégration de surfaces, a pu comprendre les bases de la relativité générale. Après tout, historiquement, c'est l'un des premiers théories scientifiques, commençant à s’éloigner de l’expérience humaine quotidienne habituelle. Avec la mécanique newtonienne tout est simple, trois doigts suffisent pour l'expliquer : voici la force, voici la masse, voici l'accélération. Voici une pomme qui vous tombe sur la tête (est-ce que tout le monde a vu comment tombent les pommes ?), voici l'accélération de sa chute libre, voici les forces qui agissent sur elle.
Avec la relativité générale, tout n'est pas si simple - courbure de l'espace, dilatation gravitationnelle du temps, trous noirs - tout cela devrait provoquer (et provoque !) beaucoup de vagues soupçons chez une personne non préparée - est-ce que tu me déranges les oreilles, mec ? Quelles sont les courbures de l'espace ? Qui a vu ces distorsions, d’où viennent-elles, comment peut-on imaginer quelque chose comme ça ?
Essayons de le comprendre.
Comme le laisse entendre le nom de la théorie de la relativité générale, son essence est que en général, tout dans le monde est relatif. Blague. Mais pas vraiment.
La vitesse de la lumière est la quantité par rapport à laquelle toutes les autres choses dans le monde sont relatives. Tout cadre de référence est égal, peu importe où ils se déplacent, peu importe ce qu'ils font, même tourner sur place, même se déplacer avec accélération (ce qui est coup dur aux tripes de Newton et de Galilée, qui pensaient que seuls les systèmes de référence se déplaçant de manière uniforme et rectiligne pouvaient être relatifs et égaux, et encore seulement dans le cadre de la mécanique élémentaire) - de toute façon, on peut toujours trouver astuce(scientifiquement, cela s'appelle transformation de coordonnées), à l'aide duquel il sera possible de passer sans douleur d'un référentiel à un autre, pratiquement sans rien perdre en cours de route.
Un postulat a aidé Einstein à parvenir à une telle conclusion (laissez-moi vous le rappeler - une déclaration logique prise sur la foi sans preuve en raison de son évidence) "sur l'égalité de la gravité et de l'accélération". (Attention, il y a ici une forte simplification de la formulation, mais en Plan général C'est vrai : l'équivalence des effets du mouvement et de la gravité uniformément accélérés est au cœur même de la Relativité Générale).
Prouvez ce postulat, ou du moins mentalement goûter assez facile. Bienvenue dans l'ascenseur Einstein.
L'idée de cette expérience de pensée est que si vous étiez enfermé dans un ascenseur sans fenêtres ni portes, alors il n'y a pas le moindre, absolument pas un seul moyen de savoir dans quelle situation vous vous trouvez : soit l'ascenseur continue de rester tel quel vous trouviez au rez-de-chaussée, et vous (et tout le reste du contenu de l'ascenseur) exercez la force d'attraction habituelle, c'est-à-dire la force de gravité de la Terre, ou de la planète Terre entière, a été retirée sous vos pieds et l'ascenseur a commencé à monter vers le haut, avec une accélération égale à l'accélération de la chute libre g=9,8 m/s 2 .
Peu importe ce que vous faites, quelles que soient les expériences que vous effectuez, quelles que soient les mesures des objets et des phénomènes environnants que vous effectuez, il est impossible de faire la distinction entre ces deux situations, et dans le premier et le deuxième cas, tous les processus dans l'ascenseur seront se déroule exactement de la même manière.
Le lecteur marqué d'un astérisque (*) connaît probablement un moyen astucieux de sortir de cette difficulté. Forces de marée. Si l'ascenseur est très (très, très) grand, 300 kilomètres de diamètre, il est théoriquement possible de distinguer la gravité de l'accélération en mesurant la force de gravité (ou l'ampleur de l'accélération, on ne sait pas encore laquelle est laquelle) à différents endroits. extrémités de l'ascenseur. Un ascenseur aussi énorme sera légèrement comprimé par les forces de marée dans la section transversale et légèrement étiré par celles-ci dans le plan longitudinal. Mais ce sont déjà des astuces. Si l'ascenseur est suffisamment petit, vous ne pourrez détecter aucune force de marée. Alors ne parlons pas de choses tristes.
Au total, dans un ascenseur assez petit on peut supposer que la gravité et l'accélération sont la même chose. Il semblerait que l’idée soit évidente, voire triviale. Qu’est-ce qu’il y a de si nouveau ou de si compliqué ici, pourriez-vous dire, même un enfant devrait le comprendre ! Oui, en principe, rien de compliqué. Ce n’est pas Einstein qui a inventé cela ; de telles choses étaient connues bien plus tôt.
Einstein a décidé de découvrir comment se comporterait un faisceau de lumière dans un tel ascenseur. Mais cette idée a eu des conséquences très importantes, auxquelles personne n’a sérieusement pensé avant 1907. Je veux dire, pour être honnête, beaucoup de gens y ont pensé, mais un seul a décidé de s’impliquer aussi profondément.
Imaginons que nous braquons une lampe de poche sur Einstein dans notre ascenseur mental. Un rayon de lumière est sorti d'un mur de l'ascenseur, du point 0) et a volé parallèlement au sol vers le mur opposé. Pendant que l'ascenseur est à l'arrêt, il est logique de supposer que le faisceau lumineux frappera le mur opposé exactement à l'opposé du point de départ 0), c'est-à-dire arrivera au point 1). Les rayons de lumière voyagent en ligne droite, tout le monde est allé à l'école, ils ont tous appris cela à l'école, tout comme le jeune Albertik.
Il est facile de deviner que si l'ascenseur montait, alors pendant que le faisceau traversait la cabine, il aurait le temps de se déplacer un peu vers le haut.
Et si l'ascenseur se déplace avec une accélération uniforme, alors le faisceau heurtera le mur au point 2), c'est-à-dire vu de côté il semblera que la lumière se déplaçait comme dans une parabole.
Eh bien, c'est clair que En fait il n'y a pas de parabole. Le faisceau a volé droit et c’est toujours le cas. C'est juste que pendant qu'il volait en ligne droite, l'ascenseur a réussi à monter un peu, alors nous voilà Semble que le faisceau se déplaçait selon une parabole.
Tout est exagéré et exagéré, bien sûr. Une expérience de réflexion sur la raison pour laquelle notre lumière vole lentement et les ascenseurs vont vite. Il n'y a toujours rien de particulièrement cool ici, tout cela devrait aussi être compréhensible pour tout écolier. Vous pouvez mener une expérience similaire à la maison. Il suffit de trouver des « faisceaux très lents » et de bons ascenseurs rapides.
Mais Einstein était vraiment un génie. Aujourd’hui, beaucoup de gens le grondent, comme s’il n’était personne et rien du tout, il s’est assis dans son bureau des brevets, a tissé ses conspirations juives et a volé des idées à de vrais physiciens. La plupart de ceux qui disent cela ne comprennent pas du tout qui est Einstein et ce qu’il a fait pour la science et l’humanité.
Einstein disait - puisque « la gravité et l'accélération sont équivalentes » (je le répète encore une fois, il n'a pas dit exactement cela, j'exagère et simplifie volontairement), cela signifie qu'en présence d'un champ gravitationnel (par exemple, à proximité du planète Terre), la lumière ne volera pas non plus en ligne droite, mais le long d’une courbe . La gravité courbera le faisceau lumineux.
Ce qui en soi était une hérésie absolue pour l’époque. Tout paysan devrait savoir que les photons sont des particules sans masse. Cela signifie que la lumière « ne pèse » rien. Par conséquent, la lumière ne devrait pas se soucier de la gravité ; elle ne devrait pas être « attirée » par la Terre, comme le sont les pierres, les boules et les montagnes. Si quelqu'un se souvient de la formule de Newton, la gravité est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les corps et directement proportionnelle à leurs masses. Si un rayon de lumière n’a pas de masse (et la lumière n’en a vraiment pas), alors il ne devrait y avoir aucune attraction ! Ici, les contemporains ont commencé à regarder Einstein de côté avec méfiance.
Et lui, l’infection, est allée encore plus loin. Il dit que nous ne briserons pas la tête des paysans. Croyons les anciens Grecs (bonjour les anciens Grecs !), laissaient la lumière se propager comme avant strictement en ligne droite. Supposons mieux que l'espace lui-même autour de la Terre (et de tout corps ayant une masse) se plie. Et pas seulement un espace tridimensionnel, mais un espace-temps à quatre dimensions.
Ceux. La lumière volait en ligne droite et continue de le faire. Seulement cette ligne droite n’est plus tracée sur un avion, mais repose sur une sorte de serviette froissée. Et en 3D aussi. Et c’est la présence rapprochée de la masse qui froisse cette serviette. Eh bien, plus précisément la présence d'énergie-élan, pour être tout à fait précis.
Tout à lui - "Albertik, vous conduisez, arrêtez avec de l'opium le plus vite possible ! Parce que le LSD n'a pas encore été inventé, et vous ne penseriez certainement pas à une telle chose avec une tête sobre ! Quel espace courbé, qu'est-ce que c'est !" Tu parles de?"
Et Einstein m’a dit : « Je vais vous le montrer à nouveau ! »
Enfermez-vous dans votre tour blanche (au bureau des brevets, bien sûr) et ajustons les mathématiques aux idées. J'ai poussé pendant 10 ans jusqu'à accoucher de ceci :
Plus précisément, c'est la quintessence de ce à quoi il a donné naissance. Dans la version plus détaillée, il y a 10 formules indépendantes, et dans la version complète, il y a deux pages de symboles mathématiques en petits caractères.
Si vous décidez de suivre un vrai cours de Relativité Générale, ici partie introductive se termine et deux semestres d'étude des langues dures doivent suivre. Et pour vous préparer à étudier ces mathématiques, vous avez besoin d'au moins trois années supplémentaires de mathématiques supérieures, étant donné que vous avez terminé lycée et sont déjà familiers avec le calcul différentiel et intégral.
La main sur le cœur, le matan n'y est pas tant compliqué que fastidieux. Le calcul tensoriel dans l'espace pseudo-riemannien n'est pas un sujet très déroutant à comprendre. Il ne s’agit pas de chromodynamique quantique ni, Dieu nous en préserve, ni de théorie des cordes. Tout est clair ici, tout est logique. Voici un espace de Riemann, voici une variété sans cassures ni plis, voici un tenseur métrique, voici une matrice non dégénérée, écrivez vous-même des formules et équilibrez les indices, en vous assurant que les représentations covariantes et contravariantes des vecteurs des deux côtés de l'espace les équations se correspondent. Ce n'est pas difficile. C'est long et fastidieux.
Mais n'allons pas si loin et revenons à à nos doigts™. À notre avis, d’une manière simple, la formule d’Einstein signifie approximativement ce qui suit. À gauche du signe égal dans la formule se trouvent le tenseur d'Einstein plus le tenseur métrique covariant et la constante cosmologique (Λ). Ce lambda est essentiellement énergie noire que nous avons encore aujourd'hui nous ne savons rien, mais nous aimons et respectons. Et Einstein ne le sait même pas encore. Il y en a un ici histoire intéressante digne d'un poste à part entière.
En un mot, tout ce qui se trouve à gauche du signe égal montre comment la géométrie de l'espace change, c'est-à-dire comment il se plie et se tord sous l’influence de la gravité.
Et à droite, en plus des constantes habituelles comme π , vitesse de la lumière c et constante gravitationnelle g il y a une lettre T- tenseur énergie-impulsion. En termes de Lammer, nous pouvons considérer qu'il s'agit de la configuration de la façon dont la masse est distribuée dans l'espace (plus précisément, l'énergie, car quelle masse ou quelle énergie est la même place emtsé) afin de créer la gravité et de plier l'espace avec elle afin de correspondre au côté gauche de l'équation.
C’est en principe toute la théorie de la relativité générale. sur vos doigts™.
Lors d'un discours prononcé le 27 avril 1900 à la Royal Institution of Great Britain, Lord Kelvin a déclaré : « La physique théorique est un édifice harmonieux et complet. Dans le ciel clair de la physique, il n'y a que deux petits nuages : la constance de la vitesse de la lumière et la courbe de l'intensité du rayonnement en fonction de la longueur d'onde. Je pense que ces deux questions particulières seront bientôt résolues et que les physiciens du XXe siècle n’auront plus rien à faire.» Lord Kelvin s'est avéré avoir tout à fait raison en indiquant les domaines clés de la recherche en physique, mais il n'a pas correctement évalué leur importance : la théorie de la relativité et la théorie quantique qui en sont nées se sont révélées être des espaces de recherche infinis qui ont occupé esprits scientifiques depuis plus de cent ans.
Comme elle ne décrivait pas l'interaction gravitationnelle, Einstein, peu de temps après son achèvement, commença à développer une version générale de cette théorie, dont il passa la création entre 1907 et 1915. La théorie était belle par sa simplicité et sa cohérence avec les phénomènes naturels, à l'exception d'un point : au moment où Einstein a rédigé la théorie, on ne savait pas encore l'expansion de l'Univers ni même l'existence d'autres galaxies, c'est pourquoi les scientifiques de l'époque croyait que l’Univers existait indéfiniment et était stationnaire. Dans le même temps, il découlait de la loi de la gravitation universelle de Newton que les étoiles fixes devraient, à un moment donné, simplement être rapprochées en un seul point.
Je ne trouve pas de phénomène pour cela meilleure explication, Einstein a introduit dans ses équations , qui compensaient numériquement et permettaient ainsi à l'Univers stationnaire d'exister sans violer les lois de la physique. Par la suite, Einstein a commencé à considérer l'introduction de la constante cosmologique dans ses équations comme sa plus grande erreur, car elle n'était pas nécessaire pour la théorie et n'était confirmée par rien d'autre que l'Univers apparemment stationnaire à cette époque. Et en 1965, le rayonnement cosmique de fond micro-onde a été découvert, ce qui signifiait que l’Univers avait un commencement et que la constante des équations d’Einstein s’est avérée totalement inutile. Néanmoins, la constante cosmologique a néanmoins été trouvée en 1998 : selon les données obtenues par le télescope Hubble, les galaxies lointaines n'ont pas ralenti leur expansion sous l'effet de l'attraction gravitationnelle, mais ont même accéléré leur expansion.
Théorie de base
En plus des postulats de base de la théorie restreinte de la relativité, quelque chose de nouveau a été ajouté ici : la mécanique newtonienne a donné une estimation numérique de l'interaction gravitationnelle des corps matériels, mais n'a pas expliqué la physique de ce processus. Einstein a réussi à décrire cela à travers la courbure de l'espace-temps à 4 dimensions par un corps massif : le corps crée une perturbation autour de lui, à la suite de laquelle les corps environnants commencent à se déplacer le long de lignes géodésiques (des exemples de telles lignes sont les lignes de la latitude et la longitude de la Terre, qui pour un observateur interne semblent être des lignes droites, mais en réalité elles sont légèrement courbes). De la même manière, les rayons lumineux s'inclinent, ce qui déforme photo visible derrière un objet massif. Avec une coïncidence réussie des positions et des masses des objets, cela conduit à (lorsque la courbure de l'espace-temps agit comme une énorme lentille, rendant la source de lumière lointaine beaucoup plus lumineuse). Si les paramètres ne coïncident pas parfaitement, cela peut conduire à la formation d’une « croix d’Einstein » ou d’un « cercle d’Einstein » dans les images astronomiques d’objets distants.
Parmi les prédictions de la théorie figuraient également la dilatation gravitationnelle du temps (qui, à l'approche d'un objet massif, agissait sur le corps de la même manière que la dilatation du temps due à l'accélération), gravitationnelle (lorsqu'un faisceau de lumière émis par un corps massif entre dans la partie rouge du spectre en raison de sa perte d'énergie pour la fonction de travail de sortie du « puits de gravité »), ainsi que les ondes gravitationnelles (perturbation de l'espace-temps produite par tout corps ayant une masse pendant son mouvement).
Statut de la théorie
La première confirmation de la théorie de la relativité générale a été obtenue par Einstein lui-même en 1915, lors de sa publication : la théorie décrivait avec une précision absolue le déplacement du périhélie de Mercure, qui auparavant ne pouvait pas être expliqué par la mécanique newtonienne. Depuis lors, de nombreux autres phénomènes prédits par la théorie ont été découverts, mais au moment de sa publication, ils étaient trop faibles pour être détectés. La dernière découverte de ce type sur ce moment fut la découverte des ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015.
Même à la fin du XIXe siècle, la plupart des scientifiques étaient enclins à penser que l'image physique du monde était fondamentalement construite et resterait inébranlable à l'avenir - seuls les détails restaient à clarifier. Mais au cours des premières décennies du XXe siècle, les conceptions physiques ont radicalement changé. C'était une conséquence de la "cascade" découvertes scientifiques réalisé dans un délai extrêmement court période historique, couvrant les dernières années du 19e siècle et les premières décennies du 20e siècle, dont beaucoup ne correspondaient absolument pas à la compréhension de l'expérience humaine ordinaire. Un exemple frappant peut servir de théorie de la relativité créée par Albert Einstein (1879-1955).
Théorie de la relativité- la théorie physique de l'espace-temps, c'est-à-dire une théorie qui décrit les propriétés spatio-temporelles universelles des processus physiques. Le terme a été introduit en 1906 par Max Planck pour souligner le rôle du principe de relativité.
en relativité restreinte (et, plus tard, en relativité générale).
Au sens étroit, la théorie de la relativité inclut la relativité restreinte et générale. Théorie spéciale de la relativité(ci-après - SRT) fait référence à des processus dans l'étude desquels les champs gravitationnels peuvent être négligés ; théorie générale de la relativité(ci-après dénommée GTR) est une théorie de la gravitation qui généralise celle de Newton.
Spécial, ou théorie spéciale de la relativité
est une théorie de la structure de l'espace-temps. Il a été introduit pour la première fois en 1905 par Albert Einstein dans son ouvrage « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement ». La théorie décrit le mouvement, les lois de la mécanique, ainsi que les relations espace-temps qui les déterminent, à toute vitesse de mouvement,
y compris ceux proches de la vitesse de la lumière. Mécanique newtonienne classique
dans le cadre du SRT, c'est une approximation pour les basses vitesses.
L'une des raisons du succès d'Albert Einstein est qu'il accordait plus d'importance aux données expérimentales qu'aux données théoriques. Lorsqu'un certain nombre d'expériences ont révélé des résultats contraires à la théorie généralement acceptée, de nombreux physiciens ont décidé que ces expériences étaient fausses.
Albert Einstein fut l'un des premiers à décider de construire une nouvelle théorie basée sur de nouvelles données expérimentales.
À la fin du XIXe siècle, les physiciens étaient à la recherche du mystérieux éther - un milieu dans lequel, selon les hypothèses généralement admises, les ondes lumineuses devraient se propager, comme les ondes acoustiques dont la propagation nécessite de l'air, ou un autre milieu - solide, liquide ou gazeux. La croyance en l'existence de l'éther a conduit à croire que la vitesse de la lumière devait varier en fonction de la vitesse de l'observateur par rapport à l'éther. Albert Einstein a abandonné le concept de l'éther et a supposé que toutes les lois physiques, y compris la vitesse de la lumière, restent inchangées quelle que soit la vitesse de l'observateur - comme l'ont montré les expériences.
SRT a expliqué comment interpréter les mouvements entre différents référentiels inertiels - en termes simples, les objets qui se déplacent avec vitesse constante les uns par rapport aux autres. Einstein a expliqué que lorsque deux objets se déplacent à une vitesse constante, il faut considérer leur mouvement l'un par rapport à l'autre, plutôt que de prendre l'un d'eux comme cadre de référence absolu. Ainsi, si deux astronautes volent à bord de deux vaisseaux spatiaux et souhaitent comparer leurs observations, la seule chose qu’ils doivent connaître est la vitesse l’un par rapport à l’autre.
La théorie de la relativité restreinte ne considère qu'un seul cas particulier (d'où son nom), lorsque le mouvement est rectiligne et uniforme.
Partant de l’impossibilité de détecter un mouvement absolu, Albert Einstein a conclu que tous les systèmes de référence inertiels sont égaux. Il a formulé deux postulats les plus importants qui ont constitué la base d'une nouvelle théorie de l'espace et du temps, appelée Théorie Spéciale de la Relativité (STR) :
1. Le principe de relativité d'Einstein - ce principe était une généralisation du principe de relativité de Galilée (énonce la même chose, mais pas pour toutes les lois de la nature, mais seulement pour les lois de la mécanique classique, laissant question ouverte sur l'applicabilité du principe de relativité à l'optique et à l'électrodynamique) à toute physique. Ça lit: Tous processus physiques dans les mêmes conditions dans les systèmes de référence inertielle (IRS), procéder de la même manière. Cela signifie qu’aucune expérience physique réalisée à l’intérieur d’un ISO fermé ne peut établir s’il est au repos ou s’il se déplace de manière uniforme et rectiligne. Ainsi, tous les IFR sont complètement égaux et les lois physiques sont invariantes par rapport au choix des IFR (c'est-à-dire que les équations exprimant ces lois ont la même forme dans tous les systèmes de référence inertielle).
2. Le principe de la constance de la vitesse de la lumière- la vitesse de la lumière dans le vide est constante et ne dépend pas du mouvement de la source et du récepteur de lumière. Il en est de même dans toutes les directions et dans tous les référentiels inertiels. La vitesse de la lumière dans le vide est la vitesse limite dans la nature - c'est l'une des constantes physiques les plus importantes, appelées constantes mondiales.
La conséquence la plus importante du SRT fut la fameuse La formule d'Einstein sur la relation entre la masse et l'énergie E = mc 2 (où C est la vitesse de la lumière), qui montrait l'unité de l'espace et du temps, exprimée par un changement conjoint de leurs caractéristiques en fonction de la concentration des masses et de leur mouvement et confirmée par les données de la physique moderne. Le temps et l'espace ont cessé d'être considérés indépendamment l'un de l'autre et l'idée d'un continuum espace-temps à quatre dimensions est née.
Selon la théorie du grand physicien, lorsque la vitesse d'un corps matériel augmente, se rapprochant de la vitesse de la lumière, sa masse augmente également. Ceux. Plus un objet se déplace vite, plus il devient lourd. Si la vitesse de la lumière est atteinte, la masse du corps, ainsi que son énergie, deviennent infinies. Plus le corps est lourd, plus il est difficile d’augmenter sa vitesse ; Accélérer un corps de masse infinie nécessite une quantité infinie d’énergie, il est donc impossible pour les objets matériels d’atteindre la vitesse de la lumière.
Dans la théorie de la relativité, « deux lois - la loi de conservation de la masse et la loi de conservation de l'énergie - ont perdu leur validité indépendamment l'une de l'autre et se sont avérées combinées en une seule loi, qui peut être appelée la loi de conservation de l'énergie ou masse." Grâce au lien fondamental entre ces deux concepts, la matière peut être transformée en énergie, et vice versa, l'énergie en matière.
Théorie générale de la relativité- une théorie de la gravité publiée par Einstein en 1916, sur laquelle il a travaillé pendant 10 ans. Est la poursuite du développement théorie spéciale de la relativité. Si un corps matériel accélère ou se tourne sur le côté, les lois du SRT ne s'appliquent plus. Puis le GTR entre en vigueur, ce qui explique les mouvements des corps matériels dans le cas général.
La théorie de la relativité générale postule que les effets gravitationnels ne sont pas causés par l’interaction des forces des corps et des champs, mais par la déformation de l’espace-temps lui-même dans lequel ils se trouvent. Cette déformation est liée, en partie, à la présence de masse-énergie.
La relativité générale est actuellement la théorie de la gravité la plus aboutie, bien étayée par les observations. GR généralisé SR aux accélérés, c'est-à-dire systèmes non inertiels. Les principes de base de la relativité générale se résument aux suivants :
- limitation de l'applicabilité du principe de constance de la vitesse de la lumière aux régions où les forces gravitationnelles peuvent être négligées(là où la gravité est élevée, la vitesse de la lumière ralentit) ;
- extension du principe de relativité à tous les systèmes en mouvement(et pas seulement les inertiels).
Dans le GTR, ou théorie de la gravitation, elle procède aussi du fait expérimental de l'équivalence des masses inertielles et gravitationnelles, ou de l'équivalence des champs inertiels et gravitationnels.
Le principe d'équivalence joue un rôle important en science. Nous pouvons toujours calculer directement l'effet des forces d'inertie sur n'importe quel système physique, ce qui nous donne la possibilité de connaître l'effet du champ gravitationnel, en faisant abstraction de son hétérogénéité, qui est souvent très insignifiante.
Un certain nombre de conclusions importantes ont été tirées de la relativité générale :
1. Les propriétés de l'espace-temps dépendent de la matière en mouvement.
2. Un rayon de lumière, qui a une masse inertielle et donc gravitationnelle, doit se plier dans le champ gravitationnel.
3. La fréquence de la lumière sous l'influence du champ gravitationnel devrait se déplacer vers des valeurs inférieures.
Pendant longtemps, il y avait peu de preuves expérimentales de la relativité générale. L'accord entre la théorie et l'expérience est assez bon, mais la pureté des expériences est violée par divers effets secondaires complexes. Cependant, les effets de la courbure de l’espace-temps peuvent être détectés même dans des champs gravitationnels modérés. Des horloges très sensibles, par exemple, peuvent détecter la dilatation du temps à la surface de la Terre. Pour élargir la base expérimentale de la relativité générale, de nouvelles expériences ont été réalisées dans la seconde moitié du XXe siècle : l'équivalence des masses inertielles et gravitationnelles a été testée (notamment par télémétrie laser de la Lune) ;
grâce au radar, le mouvement du périhélie de Mercure a été clarifié ; la déviation gravitationnelle des ondes radio par le Soleil a été mesurée et des radars ont été réalisés sur les planètes du système solaire ; l'influence du champ gravitationnel du Soleil sur les communications radio avec vaisseaux spatiaux, qui est allé vers les planètes lointaines du système solaire, etc. Tous, d'une manière ou d'une autre, ont confirmé les prédictions obtenues sur la base de la relativité générale.
Ainsi, la théorie restreinte de la relativité est basée sur les postulats de la constance de la vitesse de la lumière et des mêmes lois de la nature dans tous les systèmes physiques, et les principaux résultats auxquels elle aboutit sont les suivants : la relativité des propriétés de l'espace -temps; relativité de la masse et de l'énergie ; équivalence des masses lourdes et inertes.
Le résultat le plus significatif de la théorie de la relativité générale avec point philosophique La vision est d'établir la dépendance des propriétés spatio-temporelles du monde environnant à l'emplacement et au mouvement des masses gravitationnelles. C'est grâce à l'influence des corps
Avec grandes masses les chemins des rayons lumineux sont courbés. Par conséquent, le champ gravitationnel créé par de tels corps détermine en fin de compte les propriétés spatio-temporelles du monde.
La théorie de la relativité restreinte fait abstraction de l'action des champs gravitationnels et ses conclusions ne sont donc applicables que pour de petites zones de l'espace-temps. La différence cardinale entre la théorie générale de la relativité et les théories fondamentales qui l'ont précédée théories physiques dans le rejet d'un certain nombre de concepts anciens et la formulation de nouveaux. Il faut dire que la théorie de la relativité générale a révolutionné la cosmologie. Sur cette base, divers modèles de l'Univers ont émergé.
La théorie de la relativité restreinte (STR) ou théorie partielle de la relativité est une théorie d'Albert Einstein, publiée en 1905 dans l'ouvrage « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement » (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Page 891-921 juin 1905).
Il expliquait le mouvement entre différents référentiels inertiels ou le mouvement de corps se déplaçant les uns par rapport aux autres à vitesse constante. Dans ce cas, aucun des objets ne doit être pris comme système de référence, mais ils doivent être considérés les uns par rapport aux autres. SRT ne fournit qu'un seul cas où 2 corps ne changent pas la direction du mouvement et se déplacent uniformément.
Les lois du SRT cessent de s'appliquer lorsqu'un des corps change de trajectoire ou augmente sa vitesse. Ici, la théorie de la relativité générale (GTR) a lieu, donnant interprétation générale mouvement des objets.
Deux postulats sur lesquels repose la théorie de la relativité :
- Le principe de relativité- Selon lui, dans tous les systèmes de référence existants, qui se déplacent les uns par rapport aux autres à vitesse constante et ne changent pas de direction, les mêmes lois s'appliquent.
- Le principe de la vitesse de la lumière- La vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs et ne dépend pas de la vitesse de leur déplacement. C'est la vitesse la plus élevée, et rien dans la nature n'a vitesse plus élevée. La vitesse de la lumière est de 3*10^8 m/s.
Albert Einstein s'est basé sur des données expérimentales plutôt que théoriques. Ce fut l'une des composantes de son succès. De nouvelles données expérimentales ont servi de base à la création d'une nouvelle théorie.
Physiciens avec milieu du 19ème des siècles ont été à la recherche d’un nouveau médium mystérieux appelé éther. On croyait que l'éther pouvait traverser tous les objets, mais ne participait pas à leur mouvement. Selon les croyances sur l'éther, en modifiant la vitesse du spectateur par rapport à l'éther, la vitesse de la lumière change également.
Einstein, faisant confiance aux expériences, a rejeté le concept d'un nouveau milieu éther et a supposé que la vitesse de la lumière est toujours constante et ne dépend d'aucune circonstance, comme la vitesse de l'homme lui-même.
Intervalles de temps, distances et leur uniformité
La théorie de la relativité restreinte relie le temps et l'espace. Dans l’Univers Matériel, il y en a 3 connus dans l’espace : droite et gauche, avant et arrière, haut et bas. Si nous leur ajoutons une autre dimension, appelée temps, cela formera la base du continuum espace-temps.
Si vous vous déplacez à vitesse lente, vos observations ne convergeront pas avec les personnes qui se déplacent plus rapidement.
Des expériences ultérieures ont confirmé que l'espace, comme le temps, ne peut pas être perçu de la même manière : notre perception dépend de la vitesse de déplacement des objets.
Relier l’énergie à la masse
Einstein a proposé une formule combinant l’énergie et la masse. Cette formule est largement utilisée en physique, et elle est familière à tous les étudiants : E=m*c², dans lequel E-énergie ; m - masse corporelle, c - vitesse propagation de la lumière.
La masse d’un corps augmente proportionnellement à l’augmentation de la vitesse de la lumière. Si l’on atteint la vitesse de la lumière, la masse et l’énergie d’un corps deviennent sans dimension.
En augmentant la masse d'un objet, il devient plus difficile d'augmenter sa vitesse, c'est-à-dire pour un corps avec une masse matérielle infiniment énorme, une énergie infinie est nécessaire. Mais en réalité, cela est impossible à réaliser.
La théorie d'Einstein combinait deux dispositions distinctes : la position de la masse et la position de l'énergie en une seule loi générale. Cela permettait de convertir l'énergie en masse matérielle et vice versa.