W przemówieniu wygłoszonym 27 kwietnia 1900 roku w Instytucie Królewskim Wielkiej Brytanii lord Kelvin powiedział: „Fizyka teoretyczna to harmonijna i kompletna konstrukcja. Na czystym niebie fizyki są tylko dwa małe obłoki - stałość prędkości światła i krzywa natężenia promieniowania w zależności od długości fali. Myślę, że te dwie konkretne kwestie wkrótce zostaną rozwiązane i fizycy XX wieku nie będą mieli już nic do roboty”. Lord Kelvin okazał się całkowicie słuszny, wskazując kluczowe obszary badań fizyki, jednak niewłaściwie ocenił ich znaczenie: wyłaniająca się z nich teoria względności i teoria kwantowa okazały się niekończącymi się polami badawczymi, które zajmowały umysły naukowców od ponad stu lat.
Ponieważ nie opisywała ona oddziaływania grawitacyjnego, Einstein wkrótce po jej ukończeniu zaczął opracowywać ogólną wersję tej teorii, na tworzeniu której spędził lata 1907-1915. Teoria była piękna w swojej prostocie i spójności zjawiska naturalne z wyjątkiem jednego punktu: w czasie, gdy Einstein układał tę teorię, nie było jeszcze wiadomo o ekspansji Wszechświata, a nawet o istnieniu innych galaktyk, dlatego naukowcy tamtych czasów wierzyli, że Wszechświat istnieje przez nieskończenie długi czas i był nieruchomy. Jednocześnie z prawa powszechnego ciążenia Newtona wynikało, że gwiazdy stałe powinny w pewnym momencie po prostu zostać ściągnięte w jeden punkt.
Nie znajdując lepszego wyjaśnienia tego zjawiska, Einstein wprowadził do swoich równań, które kompensowały numerycznie i tym samym pozwoliły na istnienie stacjonarnego Wszechświata bez naruszania praw fizyki. Następnie Einstein zaczął uważać wprowadzenie stałej kosmologicznej do swoich równań za swój największy błąd, ponieważ nie było to konieczne dla teorii i nie zostało potwierdzone przez nic poza pozornie stacjonarnym wówczas Wszechświatem. A w 1965 roku odkryto kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, co oznaczało, że Wszechświat miał początek, a stała w równaniach Einsteina okazała się zupełnie zbędna. Niemniej jednak stałą kosmologiczną odkryto w 1998 r.: według danych uzyskanych przez teleskop Hubble'a odległe galaktyki nie spowolniły swojej ekspansji z powodu przyciągania grawitacyjnego, ale nawet przyspieszyły swoją ekspansję.
Podstawowa teoria
Oprócz podstawowych postulatów szczególnej teorii względności dodano tu coś nowego: mechanika newtonowska podała numeryczne oszacowanie oddziaływania grawitacyjnego ciał materialnych, ale nie wyjaśniła fizyki tego procesu. Einsteinowi udało się to opisać poprzez zakrzywienie 4-wymiarowej czasoprzestrzeni przez masywne ciało: ciało to tworzy wokół siebie zaburzenie, w wyniku czego otaczające ciała zaczynają poruszać się po liniach geodezyjnych (przykładami takich linii są linie szerokość i długość geograficzna Ziemi, które dla wewnętrznego obserwatora wydają się liniami prostymi, ale w rzeczywistości są lekko zakrzywione). W ten sam sposób promienie światła wyginają się, co zniekształca widoczny obraz za masywnym przedmiotem. Dzięki udanej zbieżności pozycji i mas obiektów prowadzi to do (kiedy krzywizna czasoprzestrzeni działa jak ogromna soczewka, dzięki czemu źródło odległego światła jest znacznie jaśniejsze). Jeśli parametry nie pokrywają się idealnie, może to prowadzić do powstania „krzyża Einsteina” lub „koła Einsteina” na obrazach astronomicznych odległych obiektów.
Do przewidywań teorii należało także grawitacyjne dylatacja czasu (która zbliżając się do masywnego obiektu oddziałuje na ciało w taki sam sposób, jak dylatacja czasu na skutek przyspieszenia), grawitacyjne (kiedy wiązka światła emitowana przez masywne ciało przechodzi w czerwona część widma na skutek utraty energii na funkcję pracy wyjścia ze „studni grawitacyjnej”), a także fale grawitacyjne (zaburzenie czasoprzestrzeni wytwarzane przez dowolne ciało posiadające masę podczas jego ruchu).
Stan teorii
Pierwsze potwierdzenie ogólnej teorii względności uzyskał sam Einstein w tym samym 1915 roku, kiedy to została opublikowana: teoria opisała z absolutną dokładnością przemieszczenie peryhelium Merkurego, którego wcześniej nie dało się wyjaśnić za pomocą mechaniki Newtona. Od tego czasu odkryto wiele innych zjawisk, które teoria przewidywała, ale w momencie jej publikacji były zbyt słabe, aby je wykryć. Najnowsze takie odkrycie na w tej chwili było odkrycie fal grawitacyjnych 14 września 2015 r.
Na początku XX wieku sformułowano teorię względności. Co to jest i kto jest jego twórcą, wie dziś każdy uczeń. Jest to na tyle fascynujące, że interesują się nim nawet osoby dalekie od nauki. W artykule opisano w przystępnym języku teorię względności: czym jest, jakie są jej postulaty i zastosowanie.
Mówią, że Albert Einstein, jego twórca, doznał objawienia w jednej chwili. Naukowiec rzekomo jechał tramwajem w Bernie w Szwajcarii. Spojrzał na zegar uliczny i nagle zdał sobie sprawę, że zegar ten się zatrzyma, jeśli tramwaj przyspieszy do prędkości światła. W tym przypadku nie byłoby czasu. Czas odgrywa bardzo ważną rolę w teorii względności. Jednym z postulatów sformułowanych przez Einsteina jest to, że różni obserwatorzy postrzegają rzeczywistość w różny sposób. Dotyczy to szczególnie czasu i odległości.
Uwzględnianie pozycji obserwatora
Tego dnia Albert zdał sobie sprawę, że mówiąc językiem nauki, opis każdego zjawiska lub zdarzenia fizycznego zależy od układu odniesienia, w którym znajduje się obserwator. Przykładowo, jeśli pasażerka tramwaju upuści okulary, spadną one pionowo w dół w stosunku do niej. Jeśli spojrzeć z pozycji pieszego stojącego na ulicy, to trajektoria jego upadku będzie odpowiadać paraboli, ponieważ tramwaj się porusza, a okulary spadają w tym samym czasie. Zatem każdy ma swój własny punkt odniesienia. Proponujemy bardziej szczegółowe rozważenie głównych postulatów teorii względności.
Prawo ruchu rozproszonego i zasada względności
Pomimo tego, że wraz ze zmianą systemów odniesienia zmieniają się opisy zdarzeń, są też rzeczy uniwersalne, które pozostają niezmienne. Aby to zrozumieć, musimy zadać sobie pytanie nie o spadek okularów, ale o prawo natury, które powoduje ten spadek. Dla każdego obserwatora, niezależnie od tego, czy znajduje się on w ruchomym czy stacjonarnym układzie współrzędnych, odpowiedź pozostaje ta sama. Prawo to nazywa się prawem ruchu rozproszonego. Działa to tak samo zarówno w tramwaju, jak i na ulicy. Innymi słowy, jeśli opis zdarzeń zawsze zależy od tego, kto je obserwuje, to nie dotyczy to praw natury. Są one, jak to zwykle wyraża się w języku naukowym, niezmienne. Taka jest zasada względności.
Dwie teorie Einsteina
Zasada ta, jak każda inna hipoteza, musiała zostać najpierw sprawdzona poprzez skorelowanie jej ze zjawiskami naturalnymi zachodzącymi w naszej rzeczywistości. Einstein wyprowadził 2 teorie z zasady względności. Chociaż są ze sobą powiązane, są uważane za odrębne.
Szczególna lub szczególna teoria względności (STR) opiera się na założeniu, że dla wszystkich rodzajów układów odniesienia, których prędkość jest stała, prawa natury pozostają takie same. Ogólna teoria względności (GTR) rozszerza tę zasadę na dowolny układ odniesienia, łącznie z tymi, które poruszają się z przyspieszeniem. W 1905 roku A. Einstein opublikował pierwszą teorię. Drugi, bardziej złożony pod względem aparatu matematycznego, został ukończony w 1916 roku. Stworzenie teorii względności, zarówno STR, jak i GTR, stało się ważnym etapem w rozwoju fizyki. Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z nich.
Szczególna teoria względności
Co to jest, jaka jest jego istota? Odpowiedzmy na to pytanie. To właśnie ta teoria przewiduje wiele paradoksalnych efektów, które są sprzeczne z naszymi intuicyjnymi wyobrażeniami na temat działania świata. Mówimy o tych efektach, które obserwuje się, gdy prędkość ruchu zbliża się do prędkości światła. Najbardziej znanym z nich jest efekt dylatacji czasu (ruch zegara). Zegar poruszający się względem obserwatora jedzie dla niego wolniej niż ten, który trzyma w rękach.
W układzie współrzędnych, poruszając się z prędkością bliską prędkości światła, czas jest rozciągany względem obserwatora, a długość obiektów (zakres przestrzenny) wręcz przeciwnie, jest ściskany wzdłuż osi kierunku tego ruchu . Naukowcy nazywają ten efekt skurczem Lorentza-Fitzgeralda. Już w 1889 roku opisał je włoski fizyk George Fitzgerald. A w 1892 roku Hendrik Lorenz, Holender, rozbudował go. Efekt ten wyjaśnia negatywny wynik eksperymentu Michelsona-Morleya, w którym prędkość naszej planety w przestrzeni kosmicznej wyznaczana jest poprzez pomiar „eterycznego wiatru”. Są to podstawowe postulaty teorii względności (szczególnej). Einstein uzupełnił te przemiany mas przez analogię. Według niej, gdy prędkość ciała zbliża się do prędkości światła, masa ciała wzrasta. Przykładowo, jeżeli prędkość wynosi 260 tys. km/s, czyli 87% prędkości światła, to z punktu widzenia obserwatora znajdującego się w spoczynkowym układzie odniesienia masa obiektu podwoi się.
Potwierdzenia stacji paliw
Wszystkie te postanowienia, niezależnie od tego, jak bardzo są sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, zostały bezpośrednio i całkowicie potwierdzone w wielu eksperymentach od czasów Einsteina. Jedno z nich przeprowadzili naukowcy z Uniwersytetu Michigan. Ten ciekawy eksperyment potwierdza teorię względności w fizyce. Naukowcy umieścili ultradokładne zegarki na pokładzie samolotu pasażerskiego, który regularnie wykonywał loty transatlantyckie. Za każdym razem po powrocie na lotnisko wskazania tych zegarków porównywano z odczytami kontrolnymi. Okazało się, że za każdym razem zegar w samolocie coraz bardziej oddalał się od zegara kontrolnego. Oczywiście mówiliśmy tylko o nieistotnych liczbach, ułamkach sekundy, ale sam fakt jest bardzo orientacyjny.
Przez ostatnie pół wieku naukowcy badali cząstki elementarne za pomocą akceleratorów – ogromnych kompleksów sprzętowych. W nich wiązki elektronów lub protonów, czyli naładowanych, są przyspieszane, aż ich prędkości zbliżą się do prędkości światła. Następnie strzelają do celów nuklearnych. W tych eksperymentach należy wziąć pod uwagę, że masa cząstek wzrasta, w przeciwnym razie wyników eksperymentu nie będzie można zinterpretować. Pod tym względem SRT nie jest już tylko hipotetyczną teorią. Stało się jednym z narzędzi stosowanych w inżynierii stosowanej, obok praw mechaniki Newtona. Zasady teorii względności znalazły dziś ogromne zastosowanie praktyczne.
SRT i prawa Newtona
Swoją drogą, mówiąc (portret tego naukowca przedstawiono powyżej), należy powiedzieć, że szczególna teoria względności, która wydaje się im zaprzeczać, faktycznie odtwarza równania praw Newtona niemal dokładnie, jeśli jest używana do opisu ciał których prędkość ruchu jest znacznie mniejsza niż prędkość światła. Innymi słowy, jeśli zastosuje się szczególną teorię względności, fizyka newtonowska wcale nie zostanie porzucona. Przeciwnie, teoria ta uzupełnia ją i rozszerza.
Prędkość światła jest stałą uniwersalną
Korzystając z zasady względności można zrozumieć, dlaczego w tym modelu budowy świata bardzo ważną rolę odgrywa prędkość światła, a nie cokolwiek innego. To pytanie zadają ci, którzy dopiero zaczynają poznawać fizykę. Prędkość światła jest stałą uniwersalną, gdyż tak ją określają prawa nauk przyrodniczych (więcej na ten temat można dowiedzieć się z równań Maxwella). Prędkość światła w próżni, zgodnie z zasadą względności, jest taka sama w każdym układzie odniesienia. Możesz pomyśleć, że jest to sprzeczne z intuicją. Okazuje się, że obserwator otrzymuje jednocześnie światło zarówno ze źródła stacjonarnego, jak i poruszającego się (niezależnie od tego, jak szybko się porusza). Jednak nie jest to prawdą. Prędkość światła, ze względu na jej szczególną rolę, zajmuje centralne miejsce nie tylko w szczególnej teorii względności, ale także w ogólnej teorii względności. Porozmawiajmy też o niej.
Ogólna teoria względności
Stosuje się go, jak już powiedzieliśmy, dla wszystkich układów odniesienia, niekoniecznie tych, których prędkość ruchu względem siebie jest stała. Matematycznie teoria ta wygląda na znacznie bardziej skomplikowaną niż teoria szczególna. Tłumaczy to fakt, że pomiędzy ich publikacjami minęło 11 lat. Ogólna teoria względności uwzględnia to, co szczególne, jako przypadek szczególny. Dlatego uwzględniono w nim również prawa Newtona. Jednakże ogólna teoria względności idzie znacznie dalej niż jej poprzedniczki. Na przykład w nowy sposób wyjaśnia grawitację.
Czwarty wymiar
Dzięki ogólnej teorii względności świat staje się czterowymiarowy: czas zostaje dodany do trzech wymiarów przestrzennych. Wszystkie są nierozłączne, dlatego nie trzeba już mówić o odległości przestrzennej, jaka istnieje w trójwymiarowym świecie pomiędzy dwoma obiektami. Mówimy teraz o odstępach przestrzenno-czasowych między różnymi zdarzeniami, łącząc zarówno ich odległość przestrzenną, jak i czasową od siebie. Inaczej mówiąc, czas i przestrzeń w teorii względności traktowane są jako swego rodzaju czterowymiarowe kontinuum. Można ją zdefiniować jako czasoprzestrzeń. W tym kontinuum obserwatorzy poruszający się względem siebie będą mieli różne opinie nawet na temat tego, czy dwa zdarzenia miały miejsce jednocześnie, czy też jedno z nich poprzedzało drugie. Nie zostają jednak naruszone związki przyczynowo-skutkowe. Innymi słowy, nawet ogólna teoria względności nie pozwala na istnienie takiego układu współrzędnych, w którym dwa zdarzenia zachodzą w różnych sekwencjach, a nie jednocześnie.
Ogólna teoria względności i prawo powszechnego ciążenia
Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, odkrytym przez Newtona, we Wszechświecie istnieje siła wzajemnego przyciągania pomiędzy dowolnymi dwoma ciałami. Ziemia z tej pozycji obraca się wokół Słońca, ponieważ istnieją między nimi siły wzajemnego przyciągania. Niemniej jednak ogólna teoria względności zmusza nas do spojrzenia na to zjawisko z innej perspektywy. Grawitacja według tej teorii jest konsekwencją „zakrzywienia” (odkształcenia) czasoprzestrzeni, które obserwuje się pod wpływem masy. Im cięższe ciało (w naszym przykładzie Słońce), tym bardziej czasoprzestrzeń „ugina się” pod nim. W związku z tym jego pole grawitacyjne jest silniejsze.
Aby lepiej zrozumieć istotę teorii względności, przejdźmy do porównania. Ziemia, zgodnie z ogólną teorią względności, obraca się wokół Słońca jak mała kulka tocząca się wokół stożka lejka powstałego w wyniku „przepychania się Słońca przez czasoprzestrzeń”. A to, co zwykliśmy uważać za siłę grawitacji, w rzeczywistości jest zewnętrznym przejawem tej krzywizny, a nie siłą w rozumieniu Newtona. Do chwili obecnej nie znaleziono lepszego wyjaśnienia zjawiska grawitacji niż to zaproponowane w Ogólnej Teorii Względności.
Metody sprawdzania GTR
Należy pamiętać, że ogólna teoria względności nie jest łatwa do zweryfikowania, ponieważ jej wyniki w warunkach laboratoryjnych prawie odpowiadają prawu powszechnego ciążenia. Jednak naukowcy nadal przeprowadzili szereg ważnych eksperymentów. Ich wyniki pozwalają stwierdzić, że teoria Einsteina została potwierdzona. GR pomaga również wyjaśnić różne zjawiska obserwowane w kosmosie. Są to na przykład niewielkie odchylenia Merkurego od jego stacjonarnej orbity. Z punktu widzenia mechaniki klasycznej Newtona nie da się ich wyjaśnić. Z tego też powodu promieniowanie elektromagnetyczne pochodzące z odległych gwiazd ulega załamaniu, gdy przechodzi blisko Słońca.
Wyniki przewidywane przez ogólną teorię względności faktycznie różnią się znacząco od tych, jakie dają prawa Newtona (jego portret przedstawiono powyżej) tylko wtedy, gdy obecne są supersilne pola grawitacyjne. Dlatego do pełnej weryfikacji ogólnej teorii względności konieczne są albo bardzo dokładne pomiary obiektów o ogromnych masach, albo czarnych dziur, ponieważ nasze zwykłe koncepcje nie mają do nich zastosowania. Dlatego rozwój eksperymentalnych metod testowania tej teorii jest jednym z głównych zadań współczesnej fizyki eksperymentalnej.
Umysły wielu naukowców, a nawet ludzi dalekich od nauki, zaprząta teoria względności stworzona przez Einsteina. Krótko wyjaśniliśmy, na czym polega. Teoria ta wywraca do góry nogami nasze utarte wyobrażenia o świecie, dlatego zainteresowanie nim wciąż nie słabnie.
Szczególna teoria względności (STR) lub częściowa teoria względności to teoria Alberta Einsteina, opublikowana w 1905 roku w pracy „O elektrodynamice ciał ruchomych” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921, czerwiec 1905).
Wyjaśniał ruch pomiędzy różnymi inercjalnymi układami odniesienia lub ruch ciał poruszających się względem siebie ze stałą prędkością. W takim przypadku żadnego z obiektów nie należy traktować jako układu odniesienia, lecz należy je rozpatrywać względem siebie. SRT przewiduje tylko 1 przypadek, gdy 2 ciała nie zmieniają kierunku ruchu i poruszają się równomiernie.
Prawa SRT przestają obowiązywać, gdy jedno z ciał zmieni swoją trajektorię lub zwiększy prędkość. Tutaj ma miejsce ogólna teoria względności (GTR), podająca ogólną interpretację ruchu obiektów.
Dwa postulaty, na których zbudowana jest teoria względności:
- Zasada względności- Według niego we wszystkich istniejących układach odniesienia, które poruszają się względem siebie ze stałą prędkością i nie zmieniają kierunku, obowiązują te same prawa.
- Zasada prędkości światła- Prędkość światła jest taka sama dla wszystkich obserwatorów i nie zależy od prędkości ich ruchu. Jest to najwyższa prędkość, jakiej nie ma nic w przyrodzie większa prędkość. Prędkość światła wynosi 3*10^8 m/s.
Albert Einstein jako podstawę oparł się na danych eksperymentalnych, a nie teoretycznych. To był jeden z elementów jego sukcesu. Nowe dane eksperymentalne posłużyły jako podstawa do stworzenia nowej teorii.
Fizycy z połowa 19 wieki poszukiwały nowego tajemniczego ośrodka zwanego eterem. Uważano, że eter może przechodzić przez wszystkie obiekty, ale nie uczestniczy w ich ruchu. Według wierzeń o eterze, zmieniając prędkość widza względem eteru, zmienia się także prędkość światła.
Einstein, ufając eksperymentom, odrzucił koncepcję nowego ośrodka eterowego i założył, że prędkość światła jest zawsze stała i nie zależy od żadnych okoliczności, takich jak prędkość samego człowieka.
Przedziały czasu, odległości i ich jednorodność
Szczególna teoria względności łączy czas i przestrzeń. W Materialnym Wszechświecie znane są 3 w przestrzeni: prawa i lewa, przód i tył, góra i dół. Jeśli dodamy do nich kolejny wymiar, zwany czasem, stanie się to podstawą kontinuum czasoprzestrzennego.
Jeśli poruszasz się z małą prędkością, twoje obserwacje nie będą zbieżne z obserwacjami osób poruszających się szybciej.
Późniejsze eksperymenty potwierdziły, że przestrzeni, podobnie jak czasu, nie można postrzegać w ten sam sposób: nasza percepcja zależy od prędkości poruszania się obiektów.
Łączenie energii z masą
Einstein wymyślił wzór łączący energię z masą. Ta formuła jest szeroko stosowana w fizyce i jest znana każdemu uczniowi: E=m*c², w którym E-energia; m - masa ciała, c - prędkość propagacja światła.
Masa ciała rośnie proporcjonalnie do wzrostu prędkości światła. Jeśli osiągniesz prędkość światła, masa i energia ciała staną się bezwymiarowe.
Zwiększając masę obiektu, coraz trudniej jest uzyskać wzrost jego prędkości, czyli dla ciała o nieskończenie dużej masie materialnej potrzebna jest nieskończona energia. Ale w rzeczywistości nie da się tego osiągnąć.
Teoria Einsteina połączyła dwa odrębne postanowienia: położenie masy i położenie energii w jedno ogólne prawo. Umożliwiło to konwersję energii na masę materialną i odwrotnie.
Z powrotem koniec XIX wieku większość naukowców skłaniała się do poglądu, że fizyczny obraz świata jest w zasadzie zbudowany i pozostanie niezmienny w przyszłości – do wyjaśnienia pozostały jedynie szczegóły. Jednak w pierwszych dekadach XX wieku poglądy na temat fizyki zmieniły się radykalnie. Było to konsekwencją „kaskady” odkryć naukowych dokonanych w niezwykle krótkim okresie historycznym ostatnie lata Wiek XIX i pierwsze dekady XX, z których wiele nie mieściło się w rozumieniu zwykłego ludzkiego doświadczenia. Uderzającym przykładem jest teoria względności stworzona przez Alberta Einsteina (1879-1955).
Teoria względności- fizyczna teoria czasoprzestrzeni, czyli teoria opisująca uniwersalne właściwości czasoprzestrzenne procesów fizycznych. Termin ten został wprowadzony w 1906 roku przez Maxa Plancka w celu podkreślenia roli zasady względności
w szczególnej teorii względności (a później ogólnej teorii względności).
W wąskim znaczeniu teoria względności obejmuje szczególną i ogólną teorię względności. Szczególna teoria względności(dalej - SRT) odnosi się do procesów, w badaniu których pola grawitacyjne można pominąć; ogólna teoria względności(zwana dalej GTR) to teoria grawitacji, która uogólnia teorię Newtona.
Specjalny, Lub szczególna teoria względności
jest teorią budowy czasoprzestrzeni. Po raz pierwszy został wprowadzony w 1905 roku przez Alberta Einsteina w jego pracy „O elektrodynamice ciał w ruchu”. Teoria opisuje ruch, prawa mechaniki, a także zależności czasoprzestrzenne, które je determinują, przy dowolnej prędkości ruchu,
w tym te bliskie prędkości światła. Klasyczna mechanika Newtona
w ramach SRT jest to przybliżenie dla małych prędkości.
Jednym z powodów sukcesu Alberta Einsteina jest to, że przedkładał dane eksperymentalne nad dane teoretyczne. Kiedy szereg eksperymentów ujawniło wyniki sprzeczne z ogólnie przyjętą teorią, wielu fizyków zdecydowało, że eksperymenty te były błędne.
Albert Einstein był jednym z pierwszych, którzy zdecydowali się zbudować nową teorię w oparciu o nowe dane eksperymentalne.
Pod koniec XIX wieku fizycy poszukiwali tajemniczego eteru – ośrodka, w którym zgodnie z ogólnie przyjętymi założeniami powinny rozchodzić się fale świetlne, podobnie jak fale akustyczne, do których rozchodzenia się potrzebne jest powietrze lub inny ośrodek – ciało stałe, płynny lub gazowy. Wiara w istnienie eteru doprowadziła do przekonania, że prędkość światła powinna zmieniać się w zależności od prędkości obserwatora względem eteru. Albert Einstein porzucił koncepcję eteru i założył, że wszystkie prawa fizyczne, w tym prędkość światła, pozostają niezmienione niezależnie od prędkości obserwatora – co wykazały eksperymenty.
SRT wyjaśnił, jak interpretować ruchy pomiędzy różnymi inercjalnymi układami odniesienia – mówiąc najprościej, obiektami, z którymi się poruszają stała prędkość względem siebie. Einstein wyjaśnił, że gdy dwa obiekty poruszają się ze stałą prędkością, należy rozważyć ich ruch względem siebie, a nie przyjmować jeden z nich za absolutny układ odniesienia. Jeśli więc dwóch astronautów leci na dwóch statkach kosmicznych i chcą porównać swoje obserwacje, jedyne, co muszą wiedzieć, to wzajemna prędkość.
Szczególna teoria względności uwzględnia tylko jeden szczególny przypadek (stąd nazwa), gdy ruch jest prostoliniowy i jednostajny.
Opierając się na niemożności wykrycia ruchu absolutnego, Albert Einstein doszedł do wniosku, że wszystkie inercjalne układy odniesienia są równe. Sformułował dwa najważniejsze postulaty, które stały się podstawą nowej teorii przestrzeni i czasu, zwanej Szczególną Teorią Względności (STR):
1. Zasada względności Einsteina - zasada ta była uogólnieniem zasady względności Galileusza (stwierdza to samo, ale nie dla wszystkich praw natury, ale tylko dla praw mechaniki klasycznej, pozostawiając otwartą kwestię stosowalności zasady względności do optyki i elektrodynamiki) do jakichkolwiek fizycznych. Brzmi: wszystkie procesy fizyczne w tych samych warunkach w inercyjnych układach odniesienia (IRS) przebiegają w ten sam sposób. Oznacza to, że żadne eksperymenty fizyczne przeprowadzone wewnątrz zamkniętego ISO nie mogą określić, czy znajduje się on w spoczynku, czy też porusza się równomiernie i po linii prostej. Zatem wszystkie IFR są całkowicie równe, a prawa fizyczne są niezmienne w odniesieniu do wyboru IFR (tj. równania wyrażające te prawa mają tę samą postać we wszystkich inercyjnych układach odniesienia).
2. Zasada stałości prędkości światła- prędkość światła w próżni jest stała i niezależna od ruchu źródła i odbiornika światła. Jest tak samo we wszystkich kierunkach i we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Prędkość światła w próżni jest maksymalną prędkością w przyrodzie - jest to jedna z najważniejszych stałych fizycznych, tzw. stałych światowych.
Najważniejszą konsekwencją SRT była sława Wzór Einsteina o związku pomiędzy masą a energią E=mc2 (gdzie C jest prędkością światła), co wykazało jedność przestrzeni i czasu, wyrażoną łączną zmianą ich charakterystyk w zależności od koncentracji mas i ich ruchu i potwierdzoną danymi współczesnej fizyki. Czas i przestrzeń przestały być rozpatrywane niezależnie od siebie i pojawiła się idea czterowymiarowego kontinuum czasoprzestrzennego.
Według teorii wielkiego fizyka, gdy prędkość ciała materialnego wzrasta, zbliżając się do prędkości światła, wzrasta również jego masa. Te. Im szybciej obiekt się porusza, tym staje się cięższy. Po osiągnięciu prędkości światła masa ciała i jego energia stają się nieskończone. Im cięższe ciało, tym trudniej jest zwiększyć jego prędkość; Przyspieszenie ciała o nieskończonej masie wymaga nieskończonej ilości energii, dlatego obiekty materialne nie mogą osiągnąć prędkości światła.
W teorii względności „dwa prawa – prawo zachowania masy i prawo zachowania energii – straciły swoją niezależną ważność i zostały połączone w jedno prawo, które można nazwać prawem zachowania energii lub masy”. Dzięki zasadniczemu powiązaniu tych dwóch pojęć materia może zostać zamieniona w energię i odwrotnie – energia w materię.
Ogólna teoria względności- teoria grawitacji opublikowana przez Einsteina w 1916 roku, nad którą pracował przez 10 lat. Jest dalszy rozwój szczególna teoria względności. Jeśli ciało materialne przyspiesza lub skręca w bok, prawa SIŁY nie mają już zastosowania. Następnie wchodzi w życie GTR, który wyjaśnia ruchy ciał materialnych w ogólnym przypadku.
Ogólna teoria względności postuluje, że efekty grawitacyjne nie są spowodowane oddziaływaniem sił ciał i pól, ale deformacją samej czasoprzestrzeni, w której się znajdują. To odkształcenie jest częściowo związane z obecnością energii masy.
Ogólna teoria względności jest obecnie najskuteczniejszą teorią grawitacji, dobrze popartą obserwacjami. GR uogólnił SR na przyspieszone, tj. układy nieinercyjne. Podstawowe zasady ogólnej teorii względności sprowadzają się do następujących kwestii:
- ograniczenie stosowania zasady stałości prędkości światła do obszarów, w których można pominąć siły grawitacyjne(gdzie grawitacja jest duża, prędkość światła maleje);
- rozszerzenie zasady względności na wszystkie poruszające się układy(i nie tylko inercyjne).
W GTR, czyli teorii grawitacji, również wynika to z eksperymentalnego faktu równoważności mas bezwładności i grawitacji, czyli równoważności pola inercji i grawitacji.
Zasada równoważności odgrywa ważną rolę w nauce. Zawsze możemy bezpośrednio obliczyć wpływ sił bezwładności na dowolny układ fizyczny, a to daje nam możliwość poznania wpływu pola grawitacyjnego, abstrahując od jego niejednorodności, która często jest bardzo nieistotna.
Z ogólnej teorii względności wyciągnięto szereg ważnych wniosków:
1. Właściwości czasoprzestrzeni zależą od poruszającej się materii.
2. Promień światła, który ma masę bezwładnościową, a zatem masę grawitacyjną, musi ugiąć się w polu grawitacyjnym.
3. Częstotliwość światła pod wpływem pola grawitacyjnego powinna przesuwać się w stronę niższych wartości.
Przez długi czas istniało niewiele dowodów eksperymentalnych na ogólną teorię względności. Zgodność teorii z eksperymentem jest całkiem dobra, jednak czystość eksperymentów naruszają różne złożone skutki uboczne. Jednakże skutki zakrzywienia czasoprzestrzeni można wykryć nawet w umiarkowanych polach grawitacyjnych. Na przykład bardzo czułe zegary potrafią wykryć dylatację czasu na powierzchni Ziemi. Aby poszerzyć bazę eksperymentalną ogólnej teorii względności, w drugiej połowie XX wieku przeprowadzono nowe eksperymenty: badano równoważność mas inercyjnych i grawitacyjnych (m.in. za pomocą laserowego pomiaru Księżyca);
za pomocą radaru wyjaśniono ruch peryhelium Merkurego; zmierzono grawitacyjne ugięcie fal radiowych przez Słońce, wykonano radar planetarny układ słoneczny; oceniano wpływ pola grawitacyjnego Słońca na komunikację radiową ze statkami kosmicznymi wysyłanymi na odległe planety Układu Słonecznego itp. Wszyscy w ten czy inny sposób potwierdzili przewidywania uzyskane na podstawie ogólnej teorii względności.
Tak więc szczególna teoria względności opiera się na postulatach stałości prędkości światła i tych samych prawach natury we wszystkich układach fizycznych, a główne wnioski, do których dochodzi, są następujące: względność właściwości przestrzeni -czas; względność masy i energii; równoważność mas ciężkich i obojętnych.
Najbardziej znaczącym rezultatem ogólnej teorii względności z filozoficznego punktu widzenia jest ustalenie zależności czasoprzestrzennych właściwości otaczającego świata od położenia i ruchu mas grawitacyjnych. To dzięki wpływowi ciał
Przy dużych masach ścieżki promieni świetlnych są zakrzywione. W konsekwencji pole grawitacyjne wytwarzane przez takie ciała ostatecznie determinuje właściwości czasoprzestrzenne świata.
Szczególna teoria względności abstrahuje od działania pól grawitacyjnych i dlatego jej wnioski mają zastosowanie tylko do małych obszarów czasoprzestrzeni. Zasadnicza różnica między ogólną teorią względności a podstawowymi teoriami fizycznymi, które ją poprzedzały, polega na odrzuceniu szeregu starych koncepcji i sformułowaniu nowych. Warto powiedzieć, że ogólna teoria względności dokonała prawdziwej rewolucji w kosmologii. Na jego podstawie powstały różne modele Wszechświata.