Par šo teoriju viņi teica, ka tikai trīs cilvēki pasaulē to sapratuši, un, kad matemātiķi mēģināja no tās izrietošo izteikt skaitļos, pats autors Alberts Einšteins jokoja, ka tagad arī viņš to vairs nesaprot.
Īpaša un vispārējā teorija relativitāte ir neatņemama doktrīnas sastāvdaļa, uz kuras balstās mūsdienu zinātniskie uzskati par pasaules uzbūvi.
"Brīnumu gads"
1905. gadā Vācijas vadošais zinātniskais izdevums "Annalen der Physik" ("Fizikas gadagrāmata") publicēja četrus rakstus vienu pēc otra no 26 gadus vecā Alberta Einšteina, kurš strādāja par 3. šķiras ekspertu - sīko ierēdni - pie Federālā patenta. Birojs Bernē. Viņš ar žurnālu sadarbojies jau iepriekš, taču tik daudz darbu izdošana viena gada laikā bija ārkārtējs notikums. Tas kļuva vēl ievērojamāks, kad kļuva skaidra katrā no tām ietverto ideju vērtība.
Pirmajā no rakstiem tika izteiktas domas par gaismas kvantu dabu, apskatīti absorbcijas un izdalīšanās procesi elektromagnētiskais starojums. Pamatojoties uz to, vispirms tika izskaidrots fotoelektriskais efekts - vielas elektronu emisija, ko izsit gaismas fotoni, un tika piedāvātas formulas, kā aprēķināt šajā gadījumā atbrīvotās enerģijas daudzumu. Tieši par fotoelektriskā efekta teorētisko attīstību, kas kļuva par kvantu mehānikas sākumu, nevis par relativitātes teorijas postulātiem, Einšteins tika apbalvots 1922. Nobela prēmija fizikā.
Citā rakstā tika likts pamats fiziskās statistikas lietišķajām jomām, pamatojoties uz šķidrumā suspendētu sīku daļiņu Brauna kustības izpēti. Einšteins piedāvāja metodes, kā meklēt svārstību modeļus - neregulāras un nejaušas fizisko lielumu novirzes no to visticamākajām vērtībām.
Un visbeidzot rakstos “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku” un “Vai ķermeņa inerce ir atkarīga no enerģijas satura tajā?” ietvēra dīgļus tam, kas fizikas vēsturē tiks apzīmēts kā Alberta Einšteina relativitātes teorija vai drīzāk tās pirmā daļa - STR - īpašā relativitātes teorija.
Avoti un priekšteči
IN XIX beigas gadsimtā daudzi fiziķi domāja, ka lielākā daļa globālās problēmas Visums ir izlemts, galvenie atklājumi ir izdarīti, un cilvēcei atliek tikai izmantot uzkrātās zināšanas, lai spēcīgi paātrinātu tehnisko progresu. Tikai dažas teorētiskas neatbilstības sabojāja harmonisko Visuma ainu, kas piepildīts ar ēteri un dzīvo saskaņā ar nemainīgiem Ņūtona likumiem.
Saskaņu sabojāja Maksvela teorētiskie pētījumi. Viņa vienādojumi, kas aprakstīja elektromagnētisko lauku mijiedarbību, bija pretrunā ar vispārpieņemtajiem klasiskās mehānikas likumiem. Tas attiecās uz gaismas ātruma mērīšanu dinamiskās atskaites sistēmās, kad Galileo relativitātes princips pārstāja darboties - šādu sistēmu mijiedarbības matemātiskais modelis, pārvietojoties ar gaismas ātrumu, noveda pie elektromagnētisko viļņu izzušanas.
Turklāt ēteris, kuram vajadzēja saskaņot daļiņu un viļņu, makrokosmosa un mikrokosmosa vienlaicīgu eksistenci, nebija nosakāms. Eksperimenta, ko 1887. gadā veica Alberts Mihelsons un Edvards Morlijs, mērķis bija noteikt “ēterisko vēju”, kas neizbēgami bija jāreģistrē ar unikālu ierīci - interferometru. Eksperiments ilga veselu gadu – Zemes pilnīgas apgrieziena ap Sauli laiku. Planētai sešus mēnešus bija paredzēts kustēties pret ētera plūsmu, ēterim sešus mēnešus vajadzēja “pūsties Zemes burās”, taču rezultāts bija nulle: gaismas viļņu pārvietošanās ētera ietekmē tika sasniegta. nav atklāts, kas liek šaubīties par pašu ētera esamības faktu.
Lorencs un Puankarē
Fiziķi mēģināja rast skaidrojumu ētera noteikšanas eksperimentu rezultātiem. Hendriks Lorencs (1853-1928) ierosināja savu matemātisko modeli. Tas atdzīvināja telpas ēterisko piepildījumu, taču tikai ar ļoti nosacītu un mākslīgu pieņēmumu, ka, pārvietojoties pa ēteri, objekti varētu sarauties kustības virzienā. Šo modeli modificēja izcilais Anrī Puankarē (1854-1912).
Šo divu zinātnieku darbos pirmo reizi parādījās jēdzieni, kas lielā mērā veidoja relativitātes teorijas galvenos postulātus, un tas neļauj norimt Einšteina apsūdzībām plaģiātismā. Tie ietver vienlaicības jēdziena konvencionalitāti, hipotēzi par nemainīgu gaismas ātrumu. Puankarē atzina, ka lielā ātrumā Ņūtona mehānikas likumi ir jāpārstrādā, un secināja, ka kustība ir relativitāte, bet piemērojama ētera teorijai.
Speciālā relativitātes teorija - SRT
Pareizas elektromagnētisko procesu aprakstīšanas problēmas kļuva par motivējošu iemeslu teorētiskās izstrādes tēmas izvēlei, un Einšteina raksti, kas publicēti 1905. gadā, saturēja īpaša gadījuma interpretāciju - vienotu un taisnvirziena kustība. Līdz 1915. gadam izveidojās vispārējā relativitātes teorija, kas izskaidroja gravitācijas mijiedarbību, bet pirmo teoriju sauca par īpašu.
Einšteina īpašo relativitātes teoriju var īsi formulēt divu galveno postulātu veidā. Pirmais paplašina Galileo relativitātes principa darbību uz visām fiziskajām parādībām, nevis tikai uz mehāniskiem procesiem. Vairāk vispārējā forma tajā teikts: Visi fiziskie likumi ir vienādi visiem inerciālajiem (vienmērīgi kustīgiem taisnā līnijā vai miera stāvoklī) atskaites rāmjiem.
Otrais apgalvojums, kas satur īpašo relativitātes teoriju: gaismas izplatīšanās ātrums vakuumā ir vienāds visiem inerciālajiem atskaites sistēmām. Tālāk tiek izdarīts globālāks secinājums: gaismas ātrums ir maksimālā maksimālā vērtība mijiedarbības pārraides ātrumam dabā.
STR matemātiskajos aprēķinos ir dota formula E=mc², kas iepriekš bija parādījusies fizikālās publikācijās, bet tieši pateicoties Einšteinam kļuva par zināmāko un populārāko zinātnes vēsturē. Secinājums par masas un enerģijas līdzvērtību ir relativitātes teorijas revolucionārākā formula. Jēdziens, ko satur jebkurš objekts ar masu milzīgs daudzums enerģija kļuva par pamatu kodolenerģijas izmantošanas attīstībai un, galvenais, noveda pie atombumbas parādīšanās.
Speciālās relativitātes teorijas ietekme
No STR izriet vairākas sekas, ko sauc par relativistiskajiem efektiem. Laika paplašināšanās ir viena no visspilgtākajām. Tās būtība ir kustīgā atskaites sistēmā laiks iet lēnāk. Aprēķini liecina, ka kosmosa kuģim, kas veic hipotētisku lidojumu uz Alpha Centauri zvaigžņu sistēmu un atpakaļ ar ātrumu 0,95 c (c ir gaismas ātrums), paies 7,3 gadi, bet uz Zemes - 12 gadi. Šādi piemēri bieži tiek minēti, skaidrojot manekenu relativitātes teoriju, kā arī ar to saistīto dvīņu paradoksu.
Vēl viens efekts ir lineāro izmēru samazināšanās, tas ir, no novērotāja viedokļa objektiem, kas pārvietojas attiecībā pret viņu ar ātrumu, kas ir tuvu c, kustības virzienā būs mazāki lineārie izmēri nekā viņu pašu garums. Šo efektu, ko paredz relativistiskā fizika, sauc par Lorenca kontrakciju.
Saskaņā ar relativistiskās kinemātikas likumiem kustīga objekta masa ir lielāka par tā miera masu. Īpaši nozīmīgs šis efekts kļūst, izstrādājot instrumentus elementārdaļiņu izpētei – neņemot vērā to, ir grūti iedomāties LHC (Large Hadron Collider) darbību.
Telpas laiks
Viens no būtiskas sastāvdaļas SRT ir relativistiskās kinemātikas grafisks attēlojums, īpaša vienota telpas-laika koncepcija, ko ierosināja vācu matemātiķis Hermanis Minkovskis, kurš savulaik bija matemātikas skolotājs Alberta Einšteina skolēnam.
Minkovska modeļa būtība ir pilnīgi jauna pieeja mijiedarbojošo objektu pozīcijas noteikšanai. Speciālā relativitātes teorija koncentrējas uz laiku īpašu uzmanību. Laiks kļūst ne tikai par klasiskās trīsdimensiju koordinātu sistēmas ceturto koordinātu, laiks nav absolūta vērtība, bet gan neatņemama telpas īpašība, kas izpaužas kā telpas-laika kontinuums, kas grafiski izteikts konusa formā; kurā notiek visas mijiedarbības.
Šāda telpa relativitātes teorijā, attīstoties vispārinātākai dabai, vēlāk tika pakļauta izliekumam, kas padarīja šādu modeli piemērotu gravitācijas mijiedarbības aprakstīšanai.
Teorijas tālāka attīstība
SRT ne uzreiz atrada izpratni fiziķu vidū, bet pakāpeniski tas kļuva par galveno pasaules aprakstīšanas rīku, īpaši elementārdaļiņu pasauli, kas kļuva par galveno fizisko zinātņu studiju priekšmetu. Bet uzdevums papildināt SRT ar gravitācijas spēku skaidrojumu bija ļoti steidzams, un Einšteins nepārstāja strādāt, slīpējot vispārējās relativitātes teorijas - GTR principus. Šo principu matemātiskā apstrāde aizņēma diezgan ilgu laiku - aptuveni 11 gadus, un tajā piedalījās speciālisti no eksakto zinātņu jomām, kas saistītas ar fiziku.
Tādējādi milzīgu ieguldījumu sniedza tā laika vadošais matemātiķis Deivids Hilberts (1862-1943), kurš kļuva par vienu no gravitācijas lauka vienādojumu līdzautoriem. Tie bija pēdējais akmens skaistas ēkas celtniecībā, kas saņēma nosaukumu – vispārējā relativitātes teorija jeb GTR.
Vispārējā relativitātes teorija – vispārējā relativitāte
Mūsdienu gravitācijas lauka teorija, "telpas-laika" struktūras teorija, "telpas-laika" ģeometrija, fizikālās mijiedarbības likums neinerciālās ziņošanas sistēmās - tas viss dažādi nosaukumi, kas ir apveltīti ar Alberta Einšteina vispārējo relativitātes teoriju.
Universālās gravitācijas teorija, kas ilgu laiku noteica fizikālās zinātnes uzskatus par gravitāciju, par dažāda lieluma objektu un lauku mijiedarbību. Paradoksāli, bet tās galvenais trūkums bija tās būtības netveramība, iluzora un matemātiskā daba. Starp zvaigznēm un planētām bija tukšums, pievilcība starp tām debess ķermeņi tika izskaidrots ar noteiktu spēku ilgtermiņa darbību, turklāt momentāno spēku. Alberta Einšteina vispārējā relativitātes teorija piepildīja gravitāciju ar fizisku saturu un pasniedza to kā dažādu materiālu objektu tiešu saskari.
Gravitācijas ģeometrija
Galvenā ideja, ar kuru Einšteins skaidroja gravitācijas mijiedarbību, ir ļoti vienkārša. Viņš pasludina telpu-laiku par gravitācijas spēku fizisku izpausmi, kas apveltīta ar visai taustāmām zīmēm – metriku un deformācijām, kuras ietekmē objekta masa, ap kuru veidojas šādi izliekumi. Savulaik Einšteinam pat tika piešķirti aicinājumi atgriezties pie Visuma teorijas jēdziena par ēteru kā elastīgu materiālu vidi, kas aizpilda telpu. Viņš paskaidroja, ka viņam ir grūti nosaukt vielu, kurai ir daudz īpašību, ko var raksturot kā vauum.
Tādējādi gravitācija ir četrdimensiju laiktelpas ģeometrisko īpašību izpausme, kas SRT tika apzīmēta kā neizliekta, bet vispārīgākos gadījumos tā ir apveltīta ar izliekumu, kas nosaka to materiālo objektu kustību, kuriem piešķirts vienāds. paātrinājums saskaņā ar Einšteina deklarēto līdzvērtības principu.
Šis relativitātes teorijas pamatprincips izskaidro daudzus Ņūtona universālās gravitācijas teorijas “šaurās vietas”: gaismas lieces, kas novērotas, tuvojoties masīviem kosmiskiem objektiem dažu astronomisku parādību laikā, un, kā atzīmēja senie cilvēki, to pašu kritiena paātrinājumu. ķermeņiem neatkarīgi no to masas.
Telpas izliekuma modelēšana
Izplatīts piemērs, ko izmanto, lai izskaidrotu manekenu vispārējo relativitātes teoriju, ir telpas-laika attēlojums batuta formā - elastīga plāna membrāna, uz kuras tiek izlikti objekti (visbiežāk bumbiņas), imitējot mijiedarbojošus objektus. Smagas bumbiņas saliec membrānu, veidojot piltuvi ap sevi. Mazāka bumbiņa, kas palaista pāri virsmai, pārvietojas pilnībā saskaņā ar gravitācijas likumiem, pamazām ripojot padziļinājumos, ko veido masīvāki objekti.
Bet šāds piemērs ir diezgan parasts. Reālais telpa-laiks ir daudzdimensionāls, tā izliekums arī neizskatās tik elementārs, taču kļūst skaidrs gravitācijas mijiedarbības veidošanās princips un relativitātes teorijas būtība. Jebkurā gadījumā hipotēze, kas loģiskāk un saskaņotāk izskaidrotu gravitācijas teoriju, vēl nepastāv.
Patiesības liecības
Vispārīgo relativitāti ātri sāka uztvert kā spēcīgu pamatu, uz kura varēja būvēt mūsdienu fiziku. Relativitātes teorija jau no paša sākuma pārsteidza ne tikai speciālistus ar savu harmoniju un harmoniju, un drīz pēc tās parādīšanās to sāka apstiprināt arī novērojumi.
Saulei tuvākais punkts - perihēlijs - Merkura orbīta pakāpeniski mainās attiecībā pret citu planētu orbītām saules sistēma, kas tika atklāts 19. gadsimta vidū. Šī kustība – precesija – neatrada saprātīgu skaidrojumu Ņūtona universālās gravitācijas teorijas ietvaros, bet tika precīzi aprēķināta, pamatojoties uz vispārējo relativitātes teoriju.
Saules aptumsums, kas notika 1919. gadā, deva iespēju kārtējam vispārējās relativitātes pierādījumam. Artūrs Edingtons, kurš sevi jokojot nosauca par otro cilvēku no trim, kas saprot relativitātes teorijas pamatus, apstiprināja Einšteina prognozētās novirzes, kad zvaigznes tuvumā gāja gaismas fotoni: aptumsuma brīdī notika nobīde šķietamajā. kļuva pamanāma dažu zvaigžņu pozīcija.
Eksperimentu pulksteņa palēninājuma vai gravitācijas sarkanās nobīdes noteikšanai ierosināja pats Einšteins, kā arī citus vispārējās relativitātes teorijas pierādījumus. Tikai vēlāk daudzus gadus Bija iespējams sagatavot nepieciešamo eksperimentālo aprīkojumu un veikt šo eksperimentu. Radiācijas frekvenču gravitācijas nobīde no emitētāja un uztvērēja, kas atdalītas augstumā, izrādījās vispārējās relativitātes teorijas prognozētajās robežās, un Hārvardas fiziķi Roberts Paunds un Glens Rebka, kas veica šo eksperimentu, pēc tam tikai palielināja mērījuma precizitāti. mērījumus, un relativitātes teorijas formula atkal izrādījās pareiza.
Einšteina relativitātes teorija vienmēr ir klātesoša nozīmīgāko kosmosa izpētes projektu pamatojumā. Īsumā var teikt, ka tas ir kļuvis par inženieru rīku speciālistiem, jo īpaši tiem, kas strādā ar satelītu navigācijas sistēmām - GPS, GLONASS utt. Nav iespējams ar nepieciešamo precizitāti aprēķināt objekta koordinātas pat salīdzinoši nelielā telpā, neņemot vērā vispārējās relativitātes teorijas prognozētos signāla palēninājumus. It īpaši, ja mēs runājam par objektiem, kas atdalīti ar kosmiskiem attālumiem, kur navigācijas kļūda var būt milzīga.
Relativitātes teorijas radītājs
Alberts Einšteins vēl bija jauns vīrietis, kad publicēja relativitātes teorijas principus. Pēc tam viņam kļuva skaidras tās nepilnības un neatbilstības. Jo īpaši visvairāk galvenā problēma GTR ir kļuvis neiespējams, lai tas pāraugtu kvantu mehānikā, jo gravitācijas mijiedarbības aprakstā tiek izmantoti principi, kas radikāli atšķiras viens no otra. Kvantu mehānika aplūko objektu mijiedarbību vienā telpā-laikā, un Einšteinam šī telpa pati veido gravitāciju.
"Visu lietu formulas" rakstīšana - vienota teorija joma, kas novērstu vispārējās relativitātes un kvantu fizikas pretrunas, bija Einšteina mērķis daudzus gadus, viņš strādāja pie šīs teorijas līdz pēdējai stundai, taču panākumus neguva. Vispārējās relativitātes problēmas ir kļuvušas par pamudinājumu daudziem teorētiķiem meklēt vairāk ideāli modeļi miers. Tā parādījās stīgu teorijas, cilpas kvantu gravitācija un daudzas citas.
Vispārīgās relativitātes teorijas autora personība vēsturē atstāja zīmi, kas salīdzināma ar pašas relativitātes teorijas nozīmi zinātnē. Viņa joprojām nevienu neatstāj vienaldzīgu. Pats Einšteins brīnījās, kāpēc tik lielu uzmanību viņam un viņa darbam pievērš cilvēki, kuriem nav nekāda sakara ar fiziku. Pateicoties viņa personiskajām īpašībām, slavens asprātība, aktīvs politiskā pozīcija un pat savu izteiksmīgo izskatu Einšteins kļuva par slavenāko fiziķi uz Zemes, daudzu grāmatu, filmu un datorspēļu varoni.
Viņa dzīves beigas daudzi raksturo kā dramatiskas: viņš bija vientuļš, uzskatīja sevi par atbildīgu par viņa parādīšanos šausmīgs ierocis, kas kļuva par draudu visai dzīvībai uz planētas, viņa vienotā lauka teorija palika nereāls sapnis, taču par labāko rezultātu var uzskatīt Einšteina vārdus, kas teikti neilgi pirms viņa nāves, ka viņš pabeidzis savu uzdevumu uz Zemes. Ar to ir grūti strīdēties.
Viena no zinātniskās domas pērlēm cilvēces zināšanu tiārā, ar kuru mēs iegājām 21. gadsimtā, ir Vispārējā relativitātes teorija (turpmāk tekstā GTR). Šī teorija ir apstiprināta ar neskaitāmiem eksperimentiem, es teikšu vairāk, nav neviena eksperimenta, kurā mūsu novērojumi kaut nedaudz, kaut nedaudz atšķirtos no Vispārējās relativitātes teorijas prognozēm. Protams, tās pielietojamības robežās.
Šodien es vēlos jums pastāstīt, kāds zvērs ir šī Vispārējā relativitātes teorija. Kāpēc tas ir tik grūti un kāpēc Patiesībā viņa ir tik vienkārša. Kā jūs jau saprotat, skaidrojums iet uz pirkstiem™, tādēļ aicinu netiesāt pārāk bargi par ļoti brīvām interpretācijām un ne līdz galam pareizām alegorijām. Es vēlos, lai kāds izlasītu šo skaidrojumu humanitārais, bez jebkādām zināšanām par diferenciālrēķinu un virsmas integrāciju, spēja izprast vispārējās relativitātes teorijas pamatus. Galu galā vēsturiski šis ir viens no pirmajiem zinātniskās teorijas, sāk attālināties no ierastās ikdienas cilvēka pieredzes. Ar Ņūtona mehāniku viss ir vienkārši, pietiek ar trim pirkstiem, lai to izskaidrotu – te ir spēks, te ir masa, te ir paātrinājums. Lūk, tev uz galvas krīt ābols (vai visi ir redzējuši, kā āboli krīt?), lūk, tā brīvā kritiena paātrinājums, lūk, uz to iedarbojas spēki.
Ar vispārējo relativitātes teoriju ne viss ir tik vienkārši - telpas izliekumi, gravitācijas laika dilatācija, melnie caurumi - tam visam vajadzētu radīt (un rada!) daudz neskaidru aizdomu nesagatavotā cilvēkā - vai tu jauc ar manām ausīm, vecīt? Kādi ir telpas izliekumi? Kas redzēja šos kropļojumus, no kurienes tie rodas, kā kaut ko tādu vispār var iedomāties?
Mēģināsim to izdomāt.
Kā var saprast no Vispārējās relativitātes teorijas nosaukuma, tās būtība ir tāda vispār pasaulē viss ir relatīvs. Joks. Tomēr ne īsti.
Gaismas ātrums ir daudzums, attiecībā pret kuru visas pārējās lietas pasaulē ir relatīvas. Jebkurš atskaites rāmis ir vienāds neatkarīgi no tā, kur viņi pārvietojas, neatkarīgi no tā, ko viņi dara, pat griežas vietā, pat pārvietojas ar paātrinājumu (kas ir nopietns trieciens līdz Ņūtona un Galileja iekšām, kuri domāja, ka tikai vienmērīgi un taisni kustīgas atskaites sistēmas var būt relatīvas un vienādas, un arī tad tikai elementārās mehānikas ietvaros) - jebkurā gadījumā jūs vienmēr varat atrast gudrs triks(zinātniski to sauc koordinātu transformācija), ar kuras palīdzību varēs nesāpīgi pāriet no viena atskaites rāmja uz otru, praktiski neko pa ceļam nezaudējot.
Postulāts palīdzēja Einšteinam nonākt pie šāda secinājuma (atgādināšu - loģisks apgalvojums, kas pieņemts par ticību bez pierādījumiem tā acīmredzamības dēļ) "par gravitācijas un paātrinājuma vienlīdzību". (Uzmanību, šeit ir izteikti vienkāršots formulējums, taču vispārīgs izklāsts Tieši tā - vienmērīgi paātrinātas kustības un gravitācijas ietekmes līdzvērtība ir vispārējās relativitātes teorijas pamatā).
Pierādiet šo postulātu vai vismaz garīgi garšo to pavisam vienkārši. Laipni lūdzam Einšteina liftā.
Šī domu eksperimenta ideja ir tāda, ka, ja jūs esat ieslēgts liftā bez logiem un durvīm, tad nav ne mazākā, absolūti neviena veida, kā uzzināt, kādā situācijā jūs atrodaties: vai nu lifts turpina stāvēt kā bijis. stāvēja pirmā stāva līmenī, un jūs (un viss pārējais lifta saturs) iedarbojas parastais pievilkšanas spēks, t.i. Zemes gravitācijas spēks jeb visa planēta Zeme tika noņemta no jūsu kājām, un lifts sāka celties augšup ar paātrinājumu, kas vienāds ar brīvā kritiena paātrinājumu g=9,8 m/s 2 .
Neatkarīgi no tā, ko jūs darāt, neatkarīgi no tā, kādus eksperimentus jūs veicat, neatkarīgi no tā, kādus apkārtējo objektu un parādību mērījumus veicat, šīs divas situācijas nav iespējams atšķirt, un pirmajā un otrajā gadījumā visi liftā notiekošie procesi tiks veikti. notiek tieši tāpat.
Lasītājs ar zvaigznīti (*), iespējams, zina vienu viltīgu izeju no šīs grūtības. Paisuma spēki. Ja lifts ir ļoti (ļoti, ļoti) liels, 300 kilometru šķērsgriezumā, teorētiski ir iespējams atšķirt gravitāciju no paātrinājuma, mērot gravitācijas spēku (vai paātrinājuma lielumu, mēs vēl nezinām, kurš ir kurš) dažādos apstākļos. lifta gali. Šāds milzīgs lifts tiks nedaudz saspiests ar plūdmaiņu spēkiem šķērsgriezumā un nedaudz izstiepts ar to garenplaknē. Bet tie jau ir triki. Ja lifts ir pietiekami mazs, jūs nevarēsit noteikt plūdmaiņu spēkus. Tāpēc nerunāsim par skumjām lietām.
Kopumā diezgan mazā liftā mēs to varam pieņemt gravitācija un paātrinājums ir viens un tas pats. Šķiet, ka ideja ir acīmredzama un pat triviāla. Kas te jauns vai sarežģīts, varētu teikt, pat bērnam tas ir jāsaprot! Jā, principā nekas sarežģīts. Tas nebija Einšteins, kurš to izdomāja, tādas lietas bija zināmas daudz agrāk.
Einšteins nolēma noskaidrot, kā gaismas stars uzvesties šādā liftā. Bet šai idejai bija ļoti tālejošas sekas, par kurām neviens nopietni nedomāja līdz 1907. gadam. Es domāju, godīgi sakot, daudzi cilvēki par to domāja, bet tikai viens nolēma tik dziļi iesaistīties.
Iedomāsimies, ka mēs savā garīgajā liftā apgaismojam Einšteinu ar lukturīti. Gaismas stars izlidoja no vienas lifta sienas no punkta 0) un lidoja paralēli grīdai pretējo sienu virzienā. Kamēr lifts stāv uz vietas, ir loģiski pieņemt, ka gaismas stars sitīs pretējo sienu tieši pretī sākuma punktam 0), t.i. ieradīsies 1. punktā). Gaismas stari virzās taisnā līnijā, visi gāja uz skolu, visi to iemācījās skolā, un arī jaunais Albertiks.
Ir viegli uzminēt, ka, ja lifts paceltos, tad laikā, kad stars lidoja pāri kabīnei, tam būtu laiks nedaudz pārvietoties uz augšu.
Un, ja lifts pārvietojas ar vienmērīgu paātrinājumu, tad stars atsitīsies pret sienu punktā 2), tas ir skatoties no malas liksies, ka gaisma kustējās it kā pa parabolu.
Nu tas ir skaidrs Patiesībā parabolas nav. Stars lidoja taisni un lido joprojām. Vienkārši, kamēr tas lidoja taisnā līnijā, lifts paspēja nedaudz pacelties, tāpēc mēs esam šeit Šķiet ka stars kustējās parabolā.
Viss, protams, ir pārspīlēts un pārspīlēts. Domu eksperiments, kāpēc mūsu gaisma lido lēni un lifti kustas ātri. Joprojām nekas īpaši foršs te nav, tam visam arī vajadzētu būt saprotamam jebkuram skolēnam. Jūs varat veikt līdzīgu eksperimentu mājās. Jums vienkārši jāatrod “ļoti lēni stari” un labi, ātri lifti.
Bet Einšteins patiešām bija ģēnijs. Mūsdienās daudzi viņu lamā, it kā viņš būtu neviens un nekas, viņš sēdēja savā patentu birojā, auda savas ebreju sazvērestības un zaga idejas. īsti fiziķi. Lielākā daļa no tiem, kas to saka, nemaz nesaprot, kas ir Einšteins un ko viņš darīja zinātnes un cilvēces labā.
Einšteins teica - tā kā "gravitācija un paātrinājums ir līdzvērtīgi" (atkārtoju vēlreiz, viņš neteica tieši tā, es apzināti pārspīlēju un vienkāršoju), tas nozīmē, ka gravitācijas lauka klātbūtnē (piemēram, netālu no planēta Zeme), gaisma arī lidos nevis taisnā līnijā, bet gan pa līkni . Gravitācija salieks gaismas staru.
Kas pati par sevi bija absolūta ķecerība tam laikam. Jebkuram zemniekam jāzina, ka fotoni ir bezmasas daļiņas. Tas nozīmē, ka gaisma “neko nesver”. Tāpēc gaismai nevajadzētu rūpēties par gravitāciju, to nedrīkst “pievilkt” Zemei, jo tā piesaista akmeņus, bumbiņas un kalnus. Ja kāds atceras Ņūtona formulu, gravitācija ir apgriezti proporcionāla attāluma kvadrātam starp ķermeņiem un tieši proporcionāla to masām. Ja gaismas staram nav masas (un gaismai tiešām nav), tad pievilcības nevajadzētu būt! Šeit laikabiedri sāka ar aizdomām skatīties uz Einšteinu no sāniem.
Un viņš, infekcija, gāja vēl tālāk. Viņš saka, ka mēs nelauzīsim zemniekiem galvas. Ticēsim senajiem grieķiem (sveicināti, senie grieķi!), ļaujiet gaismai izplatīties kā līdz šim stingri taisnā līnijā. Labāk pieņemsim, ka pati telpa ap Zemi (un jebkuru ķermeni ar masu) izliecas. Un ne tikai trīsdimensiju telpa, bet četrdimensiju telpa-laiks.
Tie. Gaisma lidoja taisnā līnijā un lido joprojām. Tikai šī taisnā līnija tagad ir novilkta nevis uz plaknes, bet atrodas uz sava veida saburzīta dvieļa. Un arī 3D formātā. Un tieši masas ciešā klātbūtne saburzī šo dvieli. Nu, precīzāk, enerģijas-impulsa klātbūtne, lai būtu pilnīgi precīzi.
Viss viņam - “Albertik, tu brauc, beidz pēc iespējas ātrāk, jo LSD vēl nav izdomāts, un tu noteikti uz savu prātīgo galvu neizdomātu! par ko tu runā?”
Un Einšteins teica: "Es jums parādīšu vēlreiz!"
Ieslēdzies savā baltajā tornī (es domāju patentu birojā) un pielāgosim matemātiku idejām. Es spiedu 10 gadus, līdz dzemdēju šo:
Precīzāk, tā ir viņa dzemdētāja kvintesence. Detalizētākā versijā ir 10 neatkarīgas formulas, un pilnajā versijā ir divas matemātisko simbolu lapas mazā drukā.
Ja nolemjat apgūt īstu vispārējās relativitātes kursu, skatiet šeit ievaddaļa beidzas un tad jāseko divi skarbas valodas studiju semestri. Un, lai sagatavotos šīs matemātikas studijām, jums ir nepieciešami vēl vismaz trīs gadi augstākās matemātikas, ņemot vērā, ka esat pabeidzis vidusskola un jau pārzina diferenciālrēķinus un integrālrēķinus.
Roku uz sirds, matāns tur nav tik daudz sarežģīts, cik nogurdinošs. Tenzora aprēķins pseido-Riemaņa telpā nav ļoti mulsinošs temats, ko saprast. Tā nav kvantu hromodinamika vai, nedod Dievs, nevis stīgu teorija. Šeit viss ir skaidrs, viss ir loģiski. Šeit ir Rīmaņa atstarpe, šeit ir kolektors bez pārtraukumiem vai locījuma, šeit ir metriskais tenzors, šeit ir nedeģenerēta matrica, uzrakstiet sev formulas un līdzsvarojiet indeksus, pārliecinoties, ka vektoru abās pusēs tiek attēloti kovarianti un kontravarianti. vienādojums atbilst viens otram. Tas nav grūti. Tas ir garš un nogurdinošs.
Bet neiesim tik tālu un neatgriezīsimies mūsu pirkstiem™. Mūsuprāt, vienkāršā veidā Einšteina formula nozīmē aptuveni sekojošo. Pa kreisi no vienādības zīmes formulā ir Einšteina tensors plus kovariants metriskais tenzors un kosmoloģiskā konstante (Λ). Šī lambda būtībā ir tumšā enerģija kas mums ir vēl šodien mēs neko nezinām, bet mēs mīlam un cienām. Un Einšteins par to vēl pat nezina. Šeit ir viens interesants stāsts vesela atsevišķa ieraksta vērts.
Īsumā viss, kas atrodas pa kreisi no vienādības zīmes, parāda, kā mainās telpas ģeometrija, t.i. kā tas liecas un griežas gravitācijas ietekmē.
Un labajā pusē, papildus parastajām konstantēm, piemēram π , gaismas ātrums c un gravitācijas konstante G ir vēstule T- enerģijas impulsa tensors. Lammera izteiksmē mēs varam uzskatīt, ka šī ir konfigurācija, kā masa tiek sadalīta telpā (precīzāk, enerģija, jo kāda masa vai enerģija ir vienāda emtse laukums), lai radītu gravitāciju un ar to izliektu telpu, lai atbilstu vienādojuma kreisajai pusei.
Tā principā ir visa vispārējā relativitātes teorija uz pirkstiem™.
1900. gada 27. aprīlī Lielbritānijas Karaliskajā institūcijā lords Kelvins teica: “Teorētiskā fizika ir harmoniska un pilnīga celtne. Fizikas skaidrajās debesīs ir tikai divi mazi mākoņi - gaismas ātruma noturība un starojuma intensitātes līkne atkarībā no viļņa garuma. Domāju, ka šie divi konkrētie jautājumi drīz tiks atrisināti un 20. gadsimta fiziķiem vairs nebūs ko darīt. Lordam Kelvinam bija absolūta taisnība, norādot galvenās fizikas pētniecības jomas, taču pareizi nenovērtēja to nozīmi: no tām izrietošā relativitātes teorija un kvantu teorija izrādījās bezgalīgas pētniecības jomas, kas nodarbinājušas zinātniskos prātus. vairāk nekā simts gadus.
Tā kā tajā nebija aprakstīta gravitācijas mijiedarbība, Einšteins drīz pēc tās pabeigšanas sāka izstrādāt vispārīgu šīs teorijas versiju, kuras radīšanu viņš pavadīja no 1907. līdz 1915. gadam. Teorija bija skaista savā vienkāršībā un saskaņotībā ar dabas parādībām, izņemot vienu punktu: laikā, kad Einšteins sastādīja teoriju, vēl nebija zināms par Visuma paplašināšanos un pat citu galaktiku eksistenci, tāpēc tā laika zinātnieki. uzskatīja, ka Visums pastāv bezgalīgi un ir nekustīgs. Tajā pašā laikā no Ņūtona universālās gravitācijas likuma izrietēja, ka fiksētās zvaigznes kādā brīdī vienkārši jāsavelk kopā vienā punktā.
Neatrodot šim fenomenu labākais skaidrojums, Einšteins savos vienādojumos ieviesa , kas kompensēja skaitliski un tādējādi ļāva pastāvēt stacionāram Visumam, nepārkāpjot fizikas likumus. Pēc tam Einšteins kosmoloģiskās konstantes ieviešanu savos vienādojumos sāka uzskatīt par savu lielāko kļūdu, jo teorijai tas nebija nepieciešams un to neapstiprināja nekas cits kā tajā laikā šķietami stacionārais Visums. Un 1965. gadā tika atklāts kosmiskais mikroviļņu fona starojums, kas nozīmēja, ka Visumam bija sākums un konstante Einšteina vienādojumos izrādījās pilnīgi nevajadzīga. Neskatoties uz to, 1998. gadā kosmoloģiskā konstante tomēr tika atrasta: saskaņā ar Habla teleskopa datiem attālās galaktikas nevis palēnināja savu izplešanos gravitācijas pievilkšanās dēļ, bet pat paātrināja savu izplešanos.
Pamatteorija
Papildus speciālās relativitātes teorijas pamatpostulātiem šeit tika pievienots kaut kas jauns: Ņūtona mehānika sniedza skaitlisku novērtējumu materiālo ķermeņu gravitācijas mijiedarbībai, bet nepaskaidroja šī procesa fiziku. Einšteinam izdevās to aprakstīt caur masīva ķermeņa 4-dimensiju telpas-laika izliekumu: ķermenis rada ap sevi traucējumus, kā rezultātā apkārtējie ķermeņi sāk kustēties pa ģeodēziskām līnijām (šādu līniju piemēri ir Zemes platums un garums, kas iekšējam novērotājam šķiet taisnas līnijas, bet patiesībā tās ir nedaudz izliektas). Tādā pašā veidā izliecas gaismas stari, kas izkropļo redzama bilde aiz masīva objekta. Ar veiksmīgu objektu pozīciju un masu sakritību tas noved pie (kad telpas-laika izliekums darbojas kā milzīgs objektīvs, padarot attālās gaismas avotu daudz spilgtāku). Ja parametri nesakrīt ideāli, attālu objektu astronomiskajos attēlos var izveidoties “Einšteina krusts” vai “Einšteina aplis”.
Starp teorijas prognozēm bija arī gravitācijas laika dilatācija (kas, tuvojoties masīvam objektam, iedarbojās uz ķermeni tāpat kā laika dilatācija paātrinājuma dēļ), gravitācijas (kad masīva ķermeņa izstarotais gaismas stars nonāk spektra sarkanā daļa tās enerģijas zuduma dēļ darba funkcijai iziet no “gravitācijas akas”), kā arī gravitācijas viļņi (telplaika traucējumi, ko kustības laikā rada jebkurš ķermenis ar masu).
Teorijas statuss
Pirmo apstiprinājumu vispārējai relativitātes teorijai guva pats Einšteins tajā pašā 1915. gadā, kad tā tika publicēta: teorija ar absolūtu precizitāti aprakstīja Merkura perihēlija nobīdi, ko iepriekš nevarēja izskaidrot ar Ņūtona mehānikas palīdzību. Kopš tā laika ir atklātas daudzas citas parādības, kuras teorija paredzēja, bet tās publicēšanas laikā bija pārāk vājas, lai tās atklātu. Jaunākais šāds atklājums uz šobrīd bija gravitācijas viļņu atklāšana 2015. gada 14. septembrī.
Jau 19. gadsimta beigās vairums zinātnieku sliecās uz uzskatu, ka pasaules fiziskā aina būtībā ir konstruēta un paliks nesatricināma arī turpmāk – atlika tikai noskaidrot detaļas. Bet divdesmitā gadsimta pirmajās desmitgadēs fiziskie uzskati radikāli mainījās. Tās bija "kaskādes" sekas zinātniskie atklājumi izgatavots ārkārtīgi īsā laikā vēsturiskais periods, kas aptver 19. gadsimta pēdējos gadus un 20. gadsimta pirmās desmitgades, no kuriem daudzi pilnībā neiekļāvās parasta cilvēka pieredzes izpratnē. Spilgts piemērs var kalpot kā Alberta Einšteina (1879-1955) radītā relativitātes teorija.
Relativitātes teorija- laiktelpas fizikālā teorija, tas ir, teorija, kas apraksta fizisko procesu universālās telpas-laika īpašības. Šo terminu 1906. gadā ieviesa Makss Planks, lai uzsvērtu relativitātes principa nozīmi
speciālajā relativitātē (un vēlāk arī vispārējā relativitātē).
Šaurā nozīmē relativitātes teorija ietver speciālo un vispārējo relativitāti. Speciālā relativitātes teorija(turpmāk - SRT) attiecas uz procesiem, kuru izpētē gravitācijas laukus var atstāt novārtā; vispārējā relativitātes teorija(turpmāk tekstā GTR) ir gravitācijas teorija, kas vispārina Ņūtona teoriju.
Īpašs, vai speciālā relativitātes teorija
ir laika telpas uzbūves teorija. Pirmo reizi to 1905. gadā ieviesa Alberts Einšteins savā darbā “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku”. Teorija apraksta kustību, mehānikas likumus, kā arī telpas un laika attiecības, kas tos nosaka, jebkurā kustības ātrumā,
ieskaitot tos, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Klasiskā Ņūtona mehānika
SRT ietvaros tas ir tuvinājums maziem ātrumiem.
Viens no Alberta Einšteina panākumu iemesliem ir tas, ka viņš novērtēja eksperimentālos datus, nevis teorētiskos datus. Kad vairāki eksperimenti atklāja rezultātus, kas bija pretrunā vispārpieņemtajai teorijai, daudzi fiziķi nolēma, ka šie eksperimenti ir nepareizi.
Alberts Einšteins bija viens no pirmajiem, kurš nolēma izveidot jaunu teoriju, pamatojoties uz jauniem eksperimentāliem datiem.
19. gadsimta beigās fiziķi meklēja noslēpumaino ēteri - vidi, kurā saskaņā ar vispārpieņemtiem pieņēmumiem vajadzētu izplatīties gaismas viļņiem, līdzīgi kā akustiskajiem viļņiem, kuru izplatībai nepieciešams gaiss, vai cita vide - cieta, šķidrs vai gāzveida. Pārliecība par ētera esamību radīja uzskatu, ka gaismas ātrumam vajadzētu mainīties atkarībā no novērotāja ātruma attiecībā pret ēteri. Alberts Einšteins atteicās no ētera jēdziena un pieņēma, ka visi fiziskie likumi, tostarp gaismas ātrums, paliek nemainīgi neatkarīgi no novērotāja ātruma - kā parādīja eksperimenti.
SRT paskaidroja, kā interpretēt kustības starp dažādiem inerciālajiem atskaites sistēmām - vienkārši sakot, objektiem, kas pārvietojas ar nemainīgs ātrums attiecībā vienam pret otru. Einšteins paskaidroja, ka tad, kad divi objekti pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, ir jāņem vērā to kustība vienam pret otru, nevis jāņem viens no tiem par absolūtu atskaites sistēmu. Tātad, ja divi astronauti lido ar diviem kosmosa kuģiem un vēlas salīdzināt savus novērojumus, vienīgais, kas viņiem jāzina, ir ātrums vienam pret otru.
Speciālā relativitātes teorija ņem vērā tikai vienu īpašu gadījumu (tātad arī nosaukumu), kad kustība ir taisna un vienmērīga.
Pamatojoties uz absolūtās kustības noteikšanas neiespējamību, Alberts Einšteins secināja, ka visas inerciālās atskaites sistēmas ir vienādas. Viņš formulēja divus svarīgākos postulātus, kas veidoja pamatu jaunai telpas un laika teorijai, ko sauc par īpašo relativitātes teoriju (STR):
1. Einšteina relativitātes princips - šis princips bija Galileja relativitātes principa vispārinājums (pauž vienu un to pašu, bet ne visiem dabas likumiem, bet tikai klasiskās mehānikas likumiem, atstājot atklāts jautājums par relativitātes principa piemērojamību optikai un elektrodinamikai) jebkurai fiziskai. Tas skan: Visi fizikālie procesi ar tādiem pašiem nosacījumiem inerciālās atskaites sistēmās (IRS) rīkojas tāpat. Tas nozīmē, ka neviens fizisks eksperiments, kas veikts slēgtā ISO, nevar noteikt, vai tas atrodas miera stāvoklī vai kustas vienmērīgi un taisni. Tādējādi visi IFR ir pilnīgi vienādi, un fizikālie likumi ir nemainīgi attiecībā uz IFR izvēli (t.i., vienādojumiem, kas izsaka šos likumus, ir vienāda forma visās inerciālās atskaites sistēmās).
2. Gaismas ātruma noturības princips- gaismas ātrums vakuumā ir nemainīgs un nav atkarīgs no gaismas avota un uztvērēja kustības. Tas ir vienāds visos virzienos un visos inerciālās atskaites sistēmās. Gaismas ātrums vakuumā ir ierobežojošais ātrums dabā -šī ir viena no svarīgākajām fiziskajām konstantēm, tā sauktajām pasaules konstantēm.
Vissvarīgākās SRT sekas bija slavenā Einšteina formula par masu un enerģijas attiecībām E = mc 2 (kur C ir gaismas ātrums), kas parādīja telpas un laika vienotību, kas izteikta to raksturlielumu kopīgā izmaiņā atkarībā no masu koncentrācijas un to kustības un ko apstiprina mūsdienu fizikas dati. Laiks un telpa vairs netika uzskatīti neatkarīgi viens no otra, un radās ideja par telpas-laika četrdimensiju kontinuumu.
Saskaņā ar lielā fiziķa teoriju, kad materiāla ķermeņa ātrums palielinās, tuvojoties gaismas ātrumam, palielinās arī tā masa. Tie. Jo ātrāk objekts kustas, jo smagāks tas kļūst. Ja tiek sasniegts gaismas ātrums, ķermeņa masa, kā arī tā enerģija kļūst bezgalīga. Jo smagāks ķermenis, jo grūtāk ir palielināt tā ātrumu; Lai paātrinātu ķermeni ar bezgalīgu masu, ir nepieciešams bezgalīgs enerģijas daudzums, tāpēc materiāliem objektiem nav iespējams sasniegt gaismas ātrumu.
Relativitātes teorijā "divi likumi - masas nezūdamības un enerģijas nezūdamības likums - zaudēja savu neatkarīgo spēkā esamību un tika apvienoti vienā likumā, ko var saukt par enerģijas vai masas nezūdamības likumu." Pateicoties fundamentālajai saiknei starp šiem diviem jēdzieniem, matēriju var pārvērst enerģijā, bet otrādi – enerģiju matērijā.
Vispārējā relativitātes teorija- Einšteina 1916. gadā publicētā gravitācijas teorija, pie kuras viņš strādāja 10 gadus. Ir tālākai attīstībai speciālā relativitātes teorija. Ja materiāls ķermenis paātrinās vai pagriežas uz sāniem, STR likumi vairs nav spēkā. Tad stājas spēkā GTR, kas vispārīgā gadījumā izskaidro materiālo ķermeņu kustības.
Vispārējā relativitātes teorija postulē, ka gravitācijas efektus izraisa nevis ķermeņu un lauku spēku mijiedarbība, bet gan pašas telpas-laika deformācija, kurā tie atrodas. Šī deformācija daļēji ir saistīta ar masas enerģijas klātbūtni.
Vispārējā relativitāte pašlaik ir visveiksmīgākā gravitācijas teorija, ko labi apstiprina novērojumi. GR vispārināja SR uz paātrinātajiem, t.i. neinerciālas sistēmas. Vispārējās relativitātes teorijas pamatprincipi ir šādi:
- gaismas ātruma noturības principa piemērojamības ierobežojums apgabalos, kur gravitācijas spēkus var neņemt vērā(kur gravitācija ir liela, gaismas ātrums palēninās);
- relativitātes principa attiecināšana uz visām kustīgajām sistēmām(un ne tikai inerciālās).
GTR jeb gravitācijas teorijā tas arī izriet no eksperimentālā fakta par inerciālo un gravitācijas masu līdzvērtību jeb inerciālo un gravitācijas lauku ekvivalenci.
Ekvivalences principam zinātnē ir liela nozīme. Mēs vienmēr varam tieši aprēķināt inerciālo spēku ietekmi uz jebkuru fizisko sistēmu, un tas dod mums iespēju uzzināt gravitācijas lauka ietekmi, abstrahējoties no tā neviendabīguma, kas bieži vien ir ļoti nenozīmīga.
No vispārējās relativitātes teorijas tika iegūti vairāki svarīgi secinājumi:
1. Telpas-laika īpašības ir atkarīgas no kustīgās matērijas.
2. Gaismas stars, kuram ir inerta un līdz ar to gravitācijas masa, ir jāsaliek gravitācijas laukā.
3. Gaismas frekvencei gravitācijas lauka ietekmē vajadzētu novirzīties uz zemākām vērtībām.
Ilgu laiku bija maz eksperimentālu pierādījumu par vispārējo relativitāti. Saskaņa starp teoriju un eksperimentu ir diezgan laba, taču eksperimentu tīrību pārkāpj dažādas sarežģītas blaknes. Tomēr telpas laika izliekuma ietekmi var noteikt pat mērenos gravitācijas laukos. Piemēram, ļoti jutīgi pulksteņi var noteikt laika dilatāciju uz Zemes virsmas. Lai paplašinātu vispārējās relativitātes teorijas eksperimentālo bāzi, 20. gadsimta otrajā pusē tika veikti jauni eksperimenti: tika pārbaudīta inerciālo un gravitācijas masu līdzvērtība (tostarp ar Mēness lāzera attālumu);
izmantojot radaru, tika noskaidrota Merkura perihēlija kustība; tika mērīta radioviļņu gravitācijas novirze no Saules, un uz Saules sistēmas planētām tika veikts radars; Saules gravitācijas lauka ietekme uz radio sakariem ar kosmosa kuģi, kas devās uz Saules sistēmas tālajām planētām utt. Visi no tiem tā vai citādi apstiprināja prognozes, kas iegūtas, pamatojoties uz vispārējo relativitāti.
Tātad īpašā relativitātes teorija balstās uz gaismas ātruma noturības postulātiem un tiem pašiem dabas likumiem visās fiziskajās sistēmās, un galvenie rezultāti, uz kuriem tā nāk, ir šādi: telpas īpašību relativitāte. - laiks; masas un enerģijas relativitāte; smago un inerto masu ekvivalence.
Vispārīgās relativitātes teorijas nozīmīgākais rezultāts ar filozofiskais punkts vīzija ir noteikt apkārtējās pasaules telpisko un laika īpašību atkarību no gravitācijas masu atrašanās vietas un kustības. Tas ir pateicoties ķermeņa ietekmei
Ar lielas masas gaismas staru ceļi ir izliekti. Līdz ar to šādu ķermeņu radītais gravitācijas lauks galu galā nosaka pasaules telpas-laika īpašības.
Speciālā relativitātes teorija abstrahējas no gravitācijas lauku darbības, tāpēc tās secinājumi ir piemērojami tikai nelielām telpas-laika zonām. Galvenā atšķirība starp vispārējo relativitātes teoriju un fundamentālajām teorijām, kas bija pirms tās fizikālās teorijas vairāku vecu jēdzienu noraidīšanā un jaunu formulēšanā. Ir vērts teikt, ka vispārējā relativitātes teorija ir veikusi īstu revolūciju kosmoloģijā. Uz tā pamata radās dažādi Visuma modeļi.
Speciālā relativitātes teorija (STR) jeb daļējā relativitātes teorija ir Alberta Einšteina teorija, kas publicēta 1905. gadā darbā “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 Juni 1905).
Tas izskaidroja kustību starp dažādiem inerciālajiem atskaites sistēmām vai ķermeņu kustību, kas pārvietojas viens pret otru ar nemainīgu ātrumu. Šajā gadījumā neviens no objektiem nav jāuztver kā atskaites sistēma, bet tie ir jāuzskata attiecībā pret otru. SRT nodrošina tikai 1 gadījumu, kad 2 korpusi nemaina kustības virzienu un pārvietojas vienmērīgi.
SRT likumi pārstāj darboties, kad kāds no ķermeņiem maina savu trajektoriju vai palielina ātrumu. Šeit notiek vispārējā relativitātes teorija (GTR), dodot vispārīga interpretācija objektu kustība.
Divi postulāti, uz kuriem balstās relativitātes teorija:
- Relativitātes princips– Pēc viņa teiktā, visās esošajās atskaites sistēmās, kuras kustas viena pret otru nemainīgā ātrumā un nemaina virzienu, darbojas tie paši likumi.
- Gaismas ātruma princips- Gaismas ātrums visiem novērotājiem ir vienāds un nav atkarīgs no viņu kustības ātruma. Tas ir lielākais ātrums, un dabā nekas tāds nav lielāks ātrums. Gaismas ātrums ir 3*10^8 m/s.
Alberts Einšteins par pamatu izmantoja eksperimentālus, nevis teorētiskus datus. Tā bija viena no viņa panākumu sastāvdaļām. Jauni eksperimentālie dati kalpoja par pamatu jaunas teorijas radīšanai.
Fiziķi ar 19. vidus gadsimtiem ilgi ir meklējuši jaunu noslēpumainu vidi, ko sauc par ēteri. Tika uzskatīts, ka ēteris var iziet cauri visiem objektiem, bet nepiedalās to kustībā. Saskaņā ar uzskatiem par ēteri, mainot skatītāja ātrumu attiecībā pret ēteri, mainās arī gaismas ātrums.
Einšteins, uzticoties eksperimentiem, noraidīja jaunas ētera vides koncepciju un pieņēma, ka gaismas ātrums vienmēr ir nemainīgs un nav atkarīgs no nekādiem apstākļiem, piemēram, no paša cilvēka ātruma.
Laika intervāli, attālumi un to vienmērīgums
Speciālā relativitātes teorija savieno laiku un telpu. Materiālajā Visumā kosmosā ir zināmi 3: pa labi un pa kreisi, uz priekšu un atpakaļ, uz augšu un uz leju. Ja mēs pievienosim tiem vēl vienu dimensiju, ko sauc par laiku, tad tas veidos telpas-laika kontinuuma pamatu.
Ja pārvietojaties ar lēnu ātrumu, jūsu novērojumi nesaplūdīs ar cilvēkiem, kuri pārvietojas ātrāk.
Vēlāk veiktie eksperimenti apstiprināja, ka telpu, tāpat kā laiku, nevar uztvert vienādi: mūsu uztvere ir atkarīga no objektu kustības ātruma.
Enerģijas savienošana ar masu
Einšteins nāca klajā ar formulu, kas apvienoja enerģiju ar masu. Šī formula tiek plaši izmantota fizikā, un tā ir pazīstama ikvienam studentam: E=m*c², kurā E-enerģija; m - ķermeņa masa, c - ātrums gaismas izplatīšanās.
Ķermeņa masa palielinās proporcionāli gaismas ātruma pieaugumam. Ja jūs sasniedzat gaismas ātrumu, ķermeņa masa un enerģija kļūst bezizmēra.
Palielinot objekta masu, kļūst grūtāk panākt tā ātruma pieaugumu, t.i., ķermenim ar bezgala milzīgu materiālo masu ir nepieciešama bezgalīga enerģija. Bet patiesībā to nav iespējams sasniegt.
Einšteina teorija apvienoja divus atsevišķus noteikumus: masas stāvokli un enerģijas stāvokli vienā vispārīgā likumā. Tas ļāva pārvērst enerģiju materiāla masā un otrādi.