A. EINSTEINOVA OPŠTA TEORIJA RELATIVNOSTI

U okviru teorije, koja se stvarala deset godina, od 1906. do 1916. godine, A. Ajnštajn se okrenuo problemu gravitacije, koji je dugo privlačio pažnju naučnika. Stoga se opšta teorija relativnosti često naziva teorijom gravitacije. Opisuje nove zavisnosti prostorno-vremenskih odnosa od materijalnih procesa. Ova teorija se više ne zasniva na dva, već na tri postulata:

- Prvi postulat opšta teorija relativnosti - prošireni princip relativnosti, koji potvrđuje nepromjenjivost zakona prirode u bilo kojem referentnom okviru, i inercijskom i neinercijskom, koji se kreće ubrzanjem ili usporavanjem. On kaže da je nemoguće pripisati apsolutni karakter ne samo brzini, već i ubrzanju, koje ima specifično značenje u odnosu na faktor koji ga određuje.

- Drugi postulat-princip konstantnosti brzine svetlosti- ostaje nepromijenjen.

- Treći postulat-princip ekvivalencije inercijskih i gravitacionih masa. Ova činjenica je već bila poznata u klasičnoj mehanici. Dakle, u zakonu univerzalne gravitacije, koji je formulisao Newton, gravitaciona sila je uvijek proporcionalna masi tijela na koje djeluje. Ali u drugom Newtonovom zakonu, sila koja daje ubrzanje tijelu također je proporcionalna njegovoj masi. U prvom slučaju govorimo o gravitacionoj masi koja karakteriše sposobnost tela da se privuče drugom telu, u drugom slučaju o inercijskoj masi koja karakteriše ponašanje tela pod dejstvom spoljašnjih sila. , je mjera inercije tijela. Ali u slučaju slobodnog pada tijela, ubrzanje g = 9,8 m/s 2 ne ovisi o masi. To je svojim eksperimentima utvrdio Galileo. Preciznije, ekvivalentnost ovih masa ustanovio je 1890. godine mađarski fizičar L. Eötvös. Danas su ovi zaključci potvrđeni sa visokim stepenom tačnosti - do 10 -12 .

Nakon što je stvorio specijalnu teoriju relativnosti, Ajnštajn je razmišljao o tome da li se gravitaciona svojstva tela menjaju ako njihova inercijalna svojstva zavise od brzine kretanja. Teorijska analiza koju je sproveo naučnik dovela je do zaključka da fizika ne zna način da razlikuje efekat gravitacije od efekta ubrzanja. Drugim riječima, kinematski efekti koji nastaju pod djelovanjem gravitacijskih sila su ekvivalentni efektima koji nastaju pod djelovanjem ubrzanja. Dakle, ako raketa poleti sa ubrzanjem od 2 g, tada će se posada rakete osjećati kao da se nalazi u dvostrukom gravitacijskom polju Zemlje. Isto tako, posmatrač u zatvorenom liftu neće moći da utvrdi da li se lift kreće ubrzanom brzinom ili postoje gravitacione sile koje deluju unutar lifta. Na osnovu principa ekvivalencije generalizovan je princip relativnosti.

Najvažniji zaključak opće teorije relativnosti bila je ideja da se promjena geometrijskih (prostornih) i vremenskih karakteristika tijela događa ne samo pri kretanju velikim brzinama, što je dokazala specijalna teorija relativnosti, već i kod jakih gravitacionim poljima. Doneseni zaključak neraskidivo je povezao opštu teoriju relativnosti sa geometrijom, ali opšteprihvaćena Euklidova geometrija nije bila pogodna za to.

Euklidova geometrija je aksiomatska, zasnovana na pet aksioma i podrazumeva istovetnost, homogenost prostora koji se smatra ravnim. Ali postepeno je ova geometrija prestala da zadovoljava mnoge matematičare, jer njen peti postulat nije bio samorazumljiv. Govorimo o tvrdnji da se kroz tačku koja leži izvan prave može povući samo jedna prava paralelna datoj. U vezi sa ovim aksiomom je tvrdnja da je zbir uglova trougla uvek 180°. Ako ovaj aksiom zamijenimo drugim, tada možemo konstruirati novu geometriju, različitu od Euklidove geometrije, ali isto tako interno konzistentnu. Upravo su to, nezavisno jedan od drugog, u 19. veku radili ruski matematičar N. I. Lobačevski, Nemac B. Riman i Mađar J. Boljai. Riemann je koristio aksiom da je nemoguće povući ni jednu ravnu liniju paralelnu datoj. Lobačevski i Boljaj polazili su od činjenice da se kroz tačku izvan prave može povući beskonačan broj pravih paralelnih datoj. Na prvi pogled ove izjave zvuče apsurdno. Na površini, oni su zaista u krivu. Ali mogu postojati i druge površine na kojima se dešavaju novi postulati.

Zamislite, na primjer, površinu sfere. Na njemu se najkraća udaljenost između dvije tačke mjeri ne duž prave (na površini kugle nema pravih linija), već duž luka velikog kruga (tzv. kružnice čiji su polumjeri jednaki poluprečnik sfere). Na zemaljskoj kugli meridijani služe kao takve najkraće, ili, kako ih zovu, geodetske linije. Svi meridijani, kao što je poznato, sijeku se na polovima, a svaki od njih se može smatrati ravnom linijom paralelnom sa bilo kojim meridijanom. Sfera ima svoju, sfernu geometriju, u kojoj je tačna tvrdnja da je zbir uglova trougla uvek veći od 180°. Zamislite trougao na sferi koju čine dva meridijana i luk od ekvatora. Uglovi između meridijana i ekvatora su jednaki 90°, a njihovom zbiru se dodaje ugao između meridijana sa vrhom na polu. Dakle, na sferi nema linija koje se ne seku.

Postoje i površine za koje se pokazuje da je Riemannov postulat istinit. Ovo je sedlasta površina, koja se naziva i pseudosfera. Na njemu je zbir uglova trougla uvek manji od 180° i nemoguće je povući ni jednu pravu paralelnu sa datom.

Nakon što je Ajnštajn saznao za postojanje ovih geometrija, pojavile su se sumnje u euklidsku prirodu realnog prostora-vremena. Postalo je jasno da je uvrnuto. Kako se može zamisliti zakrivljenost prostora o kojoj govori opšta teorija relativnosti? Zamislite vrlo tanak sloj gume i smatrajte da je ovo model prostora. Postavimo na ovaj list velike i male lopte - modele zvijezda i planeta. Lopte će savijati gumeni list što je veća njihova masa, što jasno pokazuje ovisnost zakrivljenosti prostor-vremena o masi tijela. Dakle, Zemlja oko sebe stvara zakrivljeni prostor-vrijeme, koji se naziva gravitacijskim poljem. To je ono što uzrokuje da sva tijela padaju na Zemlju. Ali što smo dalje od planete, to će biti slabiji efekat ovog polja. Na veoma velikoj udaljenosti, gravitaciono polje će biti toliko slabo da će tela prestati da padaju na Zemlju, i stoga će zakrivljenost prostor-vremena biti toliko neznatna da se može zanemariti i prostor-vreme smatrati ravnim.

Zakrivljenost prostora ne treba shvatiti kao zakrivljenost ravni poput euklidske sfere, u kojoj se vanjska površina razlikuje od unutrašnje. Iznutra njegova površina izgleda konkavno, izvana - konveksna. Sa stanovišta neeuklidskih geometrija, obe strane zakrivljene ravni su iste. Zakrivljenost prostora se ne manifestuje vizuelno i shvata se kao odstupanje njegove metrike od euklidske, što se može precizno opisati jezikom matematike.

Teorija relativnosti utvrdila je ne samo zakrivljenost prostora pod uticajem gravitacionih polja, već i usporavanje vremena u jakim gravitacionim poljima. Čak i gravitacija Sunca, prilično male zvijezde prema kosmičkim standardima, utječe na brzinu protoka vremena, usporavajući je u blizini sebe. Stoga, ako pošaljemo radio signal u neku tačku, put do koje prolazi u blizini Sunca, put radio signala će trajati duže nego da nema Sunca na putu ovog signala. Kašnjenje signala tokom njegovog prolaska u blizini Sunca je oko 0,0002 s. Takvi eksperimenti se izvode od 1966. godine. Kao reflektor korišćene su i površine planeta (Merkur, Venera) i oprema međuplanetarnih stanica.

Jedno od najfantastičnijih predviđanja opšte teorije relativnosti - potpuno zaustavljanje vremena u veoma jakom gravitacionom polju. Usporavanje vremena je veće, to je jača gravitacija. Vremenska dilatacija se manifestuje u gravitacionom crvenom pomaku svetlosti: što je gravitacija jača, to se talasna dužina više povećava, a njena frekvencija smanjuje. Pod određenim uslovima, talasna dužina može težiti beskonačnosti, a njena frekvencija - nuli.

Sa svjetlošću koju emituje Sunce, to bi se moglo dogoditi ako se naša zvijezda iznenada skupi i pretvori u loptu poluprečnika od 3 km ili manje (radijus Sunca je 700 000 km). Zbog ove kontrakcije, gravitaciona sila na površini odakle dolazi svjetlost će se povećati toliko da će gravitacijski crveni pomak biti zaista beskonačan. Sunce će jednostavno postati nevidljivo, iz njega neće izletjeti niti jedan foton.

Recimo odmah da se Suncu to nikada neće dogoditi. Na kraju svog postojanja, nakon nekoliko milijardi godina, doživjet će mnoge transformacije, njegovo centralno područje može se značajno smanjiti, ali ipak ne toliko. Ali druge zvijezde, čije su mase tri ili više puta veće od Sunčeve, će na kraju svog života zaista doživjeti, najvjerovatnije, brzu katastrofalnu kompresiju pod utjecajem vlastite gravitacije. To će ih dovesti do stanja crne rupe.

Crna rupa - ovo je fizičko tijelo koje stvara tako snažnu gravitaciju da se crveni pomak svjetlosti koja se emituje u njegovoj blizini može pretvoriti u beskonačnost. Da bi se stvorila crna rupa, tijelo se mora skupiti na polumjer koji ne prelazi omjer mase tijela i mase Sunca, pomnožen sa 3 km. Ovaj kritični radijus se zove gravitacioni radijus tijelo.

Fizičari i astronomi sasvim su sigurni da crne rupe postoje u prirodi, iako do sada nisu otkrivene. Poteškoće astronomskih pretraga povezane su sa samom prirodom ovih neobičnih objekata. Na kraju krajeva, oni se jednostavno ne vide, jer ne sijaju, ne zrače ništa u svemir, pa su stoga crni u punom smislu te riječi. Samo kroz niz indirektnih znakova možemo se nadati da ćemo primijetiti crnu rupu, na primjer, u binarnom zvjezdanom sistemu, gdje bi obična zvijezda bila njen partner. Iz zapažanja kretanja vidljive zvijezde u općem gravitacijskom polju takvog para, bilo bi moguće procijeniti masu nevidljive zvijezde, a ako ova vrijednost premašuje masu Sunca tri ili više puta, ona će bilo moguće tvrditi da je pronađena crna rupa. Sada postoji nekoliko dobro proučenih sistema binarnih zvijezda u kojima se masa nevidljivog partnera procjenjuje na 5-8 solarnih masa. Najvjerovatnije se radi o crnim rupama, ali astronomi radije nazivaju ove objekte kandidatima za crne rupe dok se te procjene ne preciziraju.

Gravitaciona vremenska dilatacija, merena i dokazana crvenim pomakom, veoma je značajna u blizini neutronskih zvezda, a u blizini gravitacionog radijusa crne rupe toliko je velika da se vreme tamo, sa tačke gledišta spoljašnjeg posmatrača, jednostavno zamrzne. Za tijelo koje padne u gravitacijsko polje crne rupe s masom jednakom tri solarne mase, pad s udaljenosti od 1 milion km do gravitacionog radijusa trajat će samo oko sat vremena. Ali prema satu, koji će biti daleko od crne rupe, slobodni pad tijela u njegovom polju će se protezati u vremenu do beskonačnosti. Što se tijelo koje pada bliže približava gravitacionom radijusu, to će se udaljenom posmatraču ovaj let činiti sporijim. Telo posmatrano izdaleka će se približavati gravitacionom radijusu na neodređeno vreme i nikada ga neće dostići. A na određenoj udaljenosti od ovog radijusa, tijelo se zauvijek zamrzava - za vanjskog posmatrača vrijeme je stalo, baš kao što je zamrznuti trenutak pada tijela vidljiv na zamrznutom kadru.

Koncepti prostora i vremena formulisani u Ajnštajnovoj teoriji relativnosti su daleko najdosledniji. Ali oni su makroskopski, jer su zasnovani na iskustvu proučavanja makroskopskih objekata, velikih udaljenosti i dugih vremenskih intervala. Prilikom konstruisanja teorija koje opisuju fenomene mikrokosmosa, ova geometrijska slika, uz pretpostavku kontinuiteta prostora i vremena (prostorno-vremenski kontinuum), preneta je u novo područje bez ikakvih promena. Ne postoje eksperimentalni podaci koji su u suprotnosti s primjenom teorije relativnosti u mikrokosmosu. Ali sam razvoj kvantnih teorija može zahtijevati reviziju ideja o fizičkom prostoru i vremenu.

Čak i sada neki naučnici govore o mogućnosti postojanja kvanta prostora, osnovne dužine L. Uvođenjem ovog koncepta nauka će moći da izbegne mnoge poteškoće modernih kvantnih teorija. Ako se potvrdi postojanje ove dužine, to će postati još jedna fundamentalna konstanta u fizici. Postojanje kvanta prostora takođe implicira postojanje kvanta vremena jednakog L/C, što ograničava tačnost određivanja vremenskih intervala.

Opšta teorija relativnosti razmatra neinercijalne referentne okvire i tvrdi mogućnost njihove identifikacije sa inercijalnim (u prisustvu gravitacionog polja). Ajnštajn formuliše suštinu glavnog principa ove teorije na sledeći način: "Svi referentni okviri su ekvivalentni za opisivanje prirode (formulisanje njenih opštih zakona), u bilo kom stanju kretanja". Tačnije, opšti princip relativnosti kaže da je svaki zakon fizike podjednako istinit i primjenjiv i u neinercijalnim referentnim okvirima u prisustvu gravitacionog polja i u inercijalnim referentnim okvirima, ali u njegovom odsustvu.

Posljedice iz opće teorije relativnosti:

1. Jednakost inercijalne i gravitacione mase jedan je od važnih rezultata opšte teorije relativnosti, koja smatra da su svi referentni okviri, a ne samo inercijalni, ekvivalentni.

2. Zakrivljenost svetlosnog snopa u gravitacionom polju ukazuje da brzina svetlosti u takvom polju ne može biti konstantna, već se menja u pravcu od jednog mesta do drugog.

3. Rotacija eliptične orbite planeta koje se kreću oko Sunca (na primjer, Merkur ima 43° po vijeku).

4. Vremensko usporavanje u gravitacionom polju masivnih ili supergustih tijela.

5. Promjena frekvencije svjetlosti dok se kreće u gravitacionom polju.

Najznačajniji rezultat opće relativnosti je uspostavljanje zavisnosti prostorno-vremenskih svojstava okolnog svijeta o lokaciji i gustini gravitirajućih masa.

U zaključku, napominjemo da se brojni zaključci opće teorije relativnosti kvalitativno razlikuju od zaključaka Newtonove teorije gravitacije. Najvažnije od njih povezane su s postojanjem crnih rupa, singulariteta prostor-vremena (mjesta na kojima formalno, prema teoriji, prestaje postojanje čestica i polja u nama poznatom uobičajenom obliku) i sa prisustvom gravitacije. talasi (gravitaciono zračenje). Ograničenja Ajnštajnove opšte teorije gravitacije su posledica činjenice da ova teorija nije kvantna; a gravitacioni talasi se mogu posmatrati kao struja specifičnih kvanta – gravitona.

Nisu pronađena nikakva druga ograničenja u pogledu primjenjivosti teorije relativnosti, iako se više puta sugeriralo da na vrlo malim udaljenostima koncept točkastog događaja, a time i teorija relativnosti, možda neće biti primjenjiv. Moderne kvantne teorije fundamentalnih interakcija (elektromagnetske, slabe i jake interakcije) zasnivaju se upravo na prostorno-vremenskoj geometriji teorije relativnosti. Od ovih teorija, kvantna elektrodinamika leptona je testirana s najvećom preciznošću. Eksperimenti koji su korišćeni za potkrepljivanje teorije relativnosti u prvim decenijama njenog postojanja više puta su ponavljani sa velikom preciznošću. Sada su takvi eksperimenti uglavnom od istorijskog interesa, budući da su glavni dokazi za opštu teoriju relativnosti podaci koji se odnose na interakcije relativističkih elementarnih čestica.

Opšta teorija relativnosti, zajedno sa specijalnom teorijom relativnosti, briljantno je djelo Alberta Ajnštajna, koji je početkom 20. vijeka preokrenuo pogled fizičara na svijet. Stotinu godina kasnije, opšta teorija relativnosti je glavna i najvažnija teorija fizike na svetu, i zajedno sa kvantnom mehanikom tvrdi da je jedan od dva kamena temeljca "teorije svega". Opšta teorija relativnosti opisuje gravitaciju kao posledicu zakrivljenosti prostor-vremena (kombinovanog u jednu celinu u opštoj relativnosti) pod uticajem mase. Zahvaljujući općoj relativnosti, naučnici su zaključili mnoge konstante, testirali gomilu neobjašnjivih fenomena i došli do stvari poput crnih rupa, tamne materije i tamne energije, širenja svemira, Velikog praska i još mnogo toga. GTR je također stavio veto na brzinu svjetlosti, čime nas je bukvalno zatvorio u naše susjedstvo (Sunčev sistem), ali je ostavio rupu u vidu crvotočina – kratkih mogućih puteva kroz prostor-vrijeme.

Zaposlenik Univerziteta RUDN i njegove brazilske kolege doveli su u pitanje koncept korištenja stabilnih crvotočina kao portala za različite točke u prostor-vremenu. Rezultati njihovog istraživanja objavljeni su u Physical Review D. - prilično čest kliše u naučnoj fantastici. Crvotočina ili "crvotočina" je vrsta tunela koji povezuje udaljene tačke u svemiru, ili čak dva univerzuma, krivljenjem prostor-vremena.

Članak opisuje Einsteinovu teoriju relativnosti bez ikakvih formula i nejasnih riječi

Mnogi od nas su čuli za teoriju relativnosti Alberta Ajnštajna, ali neki od nas ne mogu da razumeju značenje ove teorije. Inače, ovo je prva teorija u istoriji koja nas udaljava od uobičajenog pogleda na svijet. Hajde da pričamo o tome jednostavnim rečima. Svi smo navikli na trodimenzionalnu percepciju: vertikalnu ravan, horizontalu i dubinu. Ako se ovdje doda vrijeme i smatra se četvrtom količinom, onda ćemo dobiti četverodimenzionalni prostor. To je zbog činjenice da je vrijeme također relativna vrijednost. Dakle, sve je u našem svijetu relativno. Šta to znači? Na primjer, uzmimo dva brata blizanca, jednog od njih pošaljemo u svemir brzinom svjetlosti na 20 godina, a drugog ostavimo na Zemlji. Kada se prvi blizanac vrati iz svemira, biće 20 godina mlađi od onog koji je ostao na Zemlji. To je zbog činjenice da je čak i vrijeme relativno u našem svijetu, kao i sve ostalo. Kada se objekat približi brzini svjetlosti, vrijeme se usporava. Kada je brzina jednaka brzini svjetlosti, vrijeme se potpuno zaustavlja. Iz ovoga možemo zaključiti – ako prekoračite brzinu svjetlosti, tada će se vrijeme vratiti, odnosno u prošlost.

To je sve u teoriji, ali šta je u praksi? Nemoguće je približiti se brzini svjetlosti, a još više je premašiti. Što se tiče brzine svjetlosti, ona uvijek ostaje konstantna. Na primjer, jedna osoba stoji na peronu stanice, a druga se vozi vozom u njegovom smjeru. Ako onaj koji stoji na platformi sija baterijskom lampom, onda će svjetlost s nje putovati brzinom od 300.000 kilometara u sekundi. Ako osoba koja se vozi u vlaku također sija baterijskom lampom, tada se brzina njegove svjetlosti neće povećati zbog brzine voza, uvijek je jednaka 300.000 kilometara u sekundi.

Zašto je još uvijek nemoguće premašiti brzinu svjetlosti? Činjenica je da se pri približavanju brzini jednakoj brzini svjetlosti povećava masa objekta, a u skladu s tim se povećava i energija potrebna za kretanje objekta. Ako se postigne brzina svjetlosti, tada će masa objekta biti beskonačna, kao, u principu, energija, ali to je nemoguće. Samo objekti koji nemaju svoju masu mogu se kretati brzinom svjetlosti, a ovaj objekt je upravo svjetlost.

Osim toga, gravitacija je uključena u ovo pitanje, može promijeniti vrijeme. Prema teoriji, što je gravitacija veća, vrijeme teče sporije. Ali ovo je sve u teoriji, ali šta je u praksi? Moderni satelitski navigacijski sistemi su toliko precizni upravo zbog toga. Ako ne bi uzeli u obzir teoriju relativnosti, onda bi razlika u mjerenjima mogla biti reda veličine nekoliko kilometara.

"Šta je teorija relativnosti?" - kratki naučno-popularni film u režiji Semjona Rajtburta u Drugom kreativnom udruženju Filmskog studija Mosnauchfilm 1964.

Kraljev novi um [o kompjuterima, razmišljanju i zakonima fizike] Roger Penrose

Ajnštajnova opšta teorija relativnosti

Prisjetite se velike istine koju je otkrio Galileo: sva tijela padaju podjednako brzo pod utjecajem gravitacije. (Ovo je bila sjajna pretpostavka, jedva potkrijepljena empirijskim podacima, jer zbog otpora zraka perje i kamenje i dalje nestabilno padaju. istovremeno! Galileo je iznenada shvatio da ako se otpor zraka može svesti na nulu, onda perje i kamenje bi pao na Zemlju u isto vreme.) Prošlo je tri veka pre nego što je duboki značaj ovog otkrića zaista spoznao i postao kamen temeljac velike teorije. Mislim na Ajnštajnovu opštu teoriju relativnosti - upečatljiv opis gravitacije, koji je, kako će nam uskoro postati jasno, zahtevao uvođenje koncepta zakrivljeni prostor-vreme !

Kakve veze ima Galilejevo intuitivno otkriće s idejom "zakrivljenosti prostora-vremena"? Kako je moguće da je ovaj koncept, tako očito različit od Njutnove šeme, prema kojoj se čestice ubrzavaju pod uticajem običnih gravitacionih sila, mogao ne samo da izjednači tačnost opisa sa Njutnovom teorijom, već i da je nadmaši? A onda, koliko je istinita izjava da je u Galilejevom otkriću bilo nečega što je to nije imao kasnije ugrađen u Newtonovu teoriju?

Dozvolite mi da počnem s posljednjim pitanjem jer je na njega najlakše odgovoriti. Šta, prema Newtonovoj teoriji, kontrolira ubrzanje tijela pod utjecajem gravitacije? Prvo, sila gravitacije djeluje na tijelo. snagu , što, prema Newtonovom zakonu univerzalne gravitacije, mora biti proporcionalno telesnoj težini. Drugo, količina ubrzanja koju doživljava tijelo pod djelovanjem dato sila, prema drugom Newtonovom zakonu, obrnuto proporcionalno telesnoj težini. Galilejevo neverovatno otkriće zavisi od činjenice da je "masa" koja ulazi u Njutnov zakon univerzalne gravitacije, u stvari, ista "masa" koja ulazi u drugi Njutnov zakon. (Umjesto "isto" moglo bi se reći "proporcionalno".) Kao rezultat toga, ubrzanje tijela pod utjecajem gravitacije ne zavisi od svoje mase. Ne postoji ništa u Newtonovoj općoj shemi što bi ukazivalo na to da su oba koncepta mase ista. Ova istost samo Newton postulirano. Doista, električne sile su slične gravitacijskim po tome što su obje obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti, ali električne sile zavise od električni naboj, što je potpuno drugačije prirode od težina u drugom Newtonovom zakonu. "Intuitivno Galilejevo otkriće" ne bi bilo primjenjivo na električne sile: za tijela (nabijena tijela) bačena u električno polje, ne može se reći da "padaju" istom brzinom!

Samo na neko vrijeme prihvatiti Galilejevo intuitivno otkriće o kretanju pod uticajem gravitacije i pokušajte otkriti do kakvih posljedica to dovodi. Zamislite da Galileo baca dva kamena sa Krivog tornja u Pizi. Pretpostavimo da je video kamera čvrsto pričvršćena za jedan od kamena i da je uperena u drugi kamen. Tada će na filmu biti snimljena sljedeća situacija: kamen lebdi u svemiru, kao da ne doživljava gravitacije (sl. 5.23)! A to se događa upravo zato što sva tijela pod utjecajem gravitacije padaju istom brzinom.

Rice. 5.23. Galileo baca dva kamena (i video kameru) sa Krivog tornja u Pizi

Na gornjoj slici zanemarujemo otpor zraka. U naše vrijeme svemirski letovi pružaju nam najbolju priliku da testiramo ove ideje, jer u svemiru nema zraka. Osim toga, "padanje" u svemir jednostavno znači kretanje u određenoj orbiti pod utjecajem gravitacije. Takav "pad" ne mora nužno da se dogodi u pravoj liniji naniže - do centra Zemlje. Možda ima neku horizontalnu komponentu. Ako je ova horizontalna komponenta dovoljno velika, onda tijelo može "pasti" u kružnoj orbiti oko Zemlje bez približavanja njenoj površini! Putovanje po slobodnoj Zemljinoj orbiti pod uticajem gravitacije je veoma sofisticiran (i veoma skup!) način "padanja". Kao u gore opisanom videu, astronaut, koji pravi "šetnju u svemiru", vidi svoj svemirski brod kako lebdi ispred njega i, takoreći, ne doživljava djelovanje gravitacije od ogromne kugle Zemlje ispod sebe! (Vidi sliku 5.24.) Dakle, prelaskom na "ubrzani referentni okvir" slobodnog pada, može se lokalno isključiti djelovanje gravitacije.

Rice. 5.24. Astronaut vidi svoj svemirski brod kako lebdi ispred njega, kao da na njega gravitacija ne utiče.

Vidimo da slobodan pad dozvoljava isključiti gravitacije jer je efekat djelovanja gravitacionog polja isti kao i ubrzanje.Zaista, ako se nalazite u liftu koji se kreće ubrzanjem prema gore, onda jednostavno osjećate da se prividno gravitacijsko polje povećava, a ako se lift kreće se ubrzanjem prema dolje, onda vam se čini da se gravitacijsko polje smanjuje. Ako bi se sajla na kojoj je automobil visila pukla, tada bi (ako zanemarimo otpor zraka i efekte trenja) rezultirajuće ubrzanje usmjereno naniže (prema centru Zemlje) potpuno uništilo efekt gravitacije, a ljudi koji su se zatekli u kabini lifta bi poceo slobodno da lebdi u svemiru, kao astronaut u svemirskoj šetnji, sve dok kabina ne udari u zemlju! Čak i u vozu ili u avionu, ubrzanja mogu biti takva da se putnikov osjećaj veličine i smjera gravitacije možda neće poklapati s onim gdje se normalno iskustvo prikazuje "gore" i "dolje". To se objašnjava činjenicom da su akcije ubrzanja i gravitacije slično toliko da naša čula nisu u stanju da razlikuju jedno od drugog. Ovu činjenicu – da su lokalne manifestacije gravitacije ekvivalentne lokalnim manifestacijama ubrzanog referentnog okvira – Ajnštajn je nazvao princip ekvivalencije .

Gore navedena razmatranja su "lokalna". Ali ako je dozvoljeno izvršiti (ne samo lokalna) mjerenja s dovoljno visokom preciznošću, tada je u principu moguće uspostaviti razlika između "pravog" gravitacionog polja i čistog ubrzanja. Na sl. 5 25 Na malo preuveličan način sam prikazao kako prvobitno stacionarna sferna konfiguracija čestica, koje slobodno padaju pod uticajem gravitacije, počinje da se deformiše pod uticajem nehomogenosti(Njutnovo) gravitaciono polje.

Rice. 5.25. Efekat plime. Dvostruke strelice označavaju relativno ubrzanje (WEIL)

Ovo polje je heterogeno u dva aspekta. Prvo, budući da se centar Zemlje nalazi na nekoj konačnoj udaljenosti od padajućeg tijela, čestice koje se nalaze bliže Zemljinoj površini kreću se prema dolje s većim ubrzanjem od čestica koje se nalaze iznad (sjetite se Newtonovog zakona inverzne proporcionalnosti kvadratu Newtonove udaljenosti). Drugo, iz istog razloga, postoje male razlike u smjeru ubrzanja za čestice koje zauzimaju različite horizontalne položaje. Zbog ove nehomogenosti, sferni oblik počinje lagano da se deformira, pretvarajući se u "elipsoid". Prvobitna sfera je izdužena prema centru Zemlje (a takođe i u suprotnom smjeru), budući da se oni njezini dijelovi koji su bliže centru Zemlje kreću nešto većim ubrzanjem od onih dijelova koji su udaljeniji od centra Zemlje. Zemlje, a horizontalno se sužava, budući da su ubrzanja njegovih dijelova koji se nalaze na krajevima horizontalnog promjera blago zakošena "unutra" - prema središtu Zemlje.

Ova deformirajuća akcija je poznata kao plimni efekat gravitacije. Ako središte zemlje zamijenimo Mjesecom, a sferu materijalnih čestica površinom zemlje, dobijamo tačno opis djelovanja Mjeseca, izazivanja plime i oseke na zemlji, sa formiranjem "grbi" prema mjesec i dalje od mjeseca. Efekt plime i oseke je uobičajena karakteristika gravitacionih polja koja se ne mogu "eliminisati" slobodnim padom. Efekt plime služi kao mjera nehomogenosti Njutnovskog gravitacionog polja. (Količina plime i oseke zapravo se smanjuje s inverznom kockom, a ne kvadratom udaljenosti od centra gravitacije.)

Newtonov zakon univerzalne gravitacije, prema kojem je sila obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, može se, kako se ispostavilo, lako protumačiti u smislu plime i oseke: volumen elipsoid u koji je sfera u početku deformisana, jednaki volumen originalne sfere - pod pretpostavkom da sfera okružuje vakuum. Ovo svojstvo očuvanja zapremine karakteristično je za zakon inverznog kvadrata; ne važi ni za jedan drugi zakon. Pretpostavimo dalje da prvobitna sfera nije okružena vakuumom, već određenom količinom materije ukupne mase M . Zatim postoji dodatna komponenta ubrzanja usmjerena unutar sfere zbog gravitacijskog privlačenja materije unutar sfere. Volumen elipsoida u koji je naša sfera materijalnih čestica u početku deformisana, smanjivanje- po iznosu proporcionalan M . Naišli bismo na primjer efekta smanjenja volumena elipsoida ako bismo našu sferu odabrali tako da okružuje Zemlju na konstantnoj visini (slika 5.26). Tada će uobičajeno ubrzanje zbog gravitacije i usmjereno naniže (tj. unutar Zemlje) biti upravo razlog zašto se volumen naše sfere smanjuje.

Rice. 5.26. Kada sfera okružuje neku tvar (u ovom slučaju Zemlju), postoji neto ubrzanje usmjereno prema unutra (RICCI)

U ovom svojstvu kontrakcije volumena leži ostatak Newtonovog zakona univerzalne gravitacije, naime, ta sila je proporcionalna masi privlačan tijelo.

Pokušajmo dobiti prostorno-vremensku sliku takve situacije. Na sl. Na slici 5.27 nacrtao sam svjetske linije čestica naše sferne površine (predstavljene kao krug na slici 5.25) i koristio sam da opišem referentni okvir u kojem izgleda da središnja tačka sfere miruje ("slobodan pad").

Rice. 5.27. Zakrivljenost prostor-vremena: efekat plime prikazan u prostor-vremenu

Položaj opšte teorije relativnosti je da se slobodni pad smatra "prirodnim kretanjem" - analogno "uniformnom pravolinijskom kretanju" kojim se bavi u odsustvu gravitacije. Dakle, mi pokušavam opišite slobodni pad "ravnim" svjetskim linijama u prostor-vremenu! Ali ako pogledate Sl. 5.27, postaje jasno da upotreba riječi "prave linije" u odnosu na ove svjetske linije mogu zavarati čitaoca, stoga ćemo, u terminološke svrhe, nazvati svjetske linije slobodno padajućih čestica u prostor-vremenu - geodetske .

Ali koliko je dobra ova terminologija? Šta se obično podrazumijeva pod "geodetskom" linijom? Razmotrimo analogiju za dvodimenzionalnu zakrivljenu površinu. Geodetske su one krive koje na datoj površini (lokalno) služe kao "najkraći putevi". Drugim riječima, ako zamislimo komad niti razvučen preko određene površine (i to ne predugačak da ne može skliznuti), tada će se konac nalaziti duž neke geodetske linije na površini.

Rice. 5.28. Geodetske linije u zakrivljenom prostoru: linije konvergiraju u prostoru sa pozitivnom zakrivljenošću i divergiraju u prostoru sa negativnom zakrivljenošću

Na sl. 5.28 Naveo sam dva primjera površina: prva (lijeva) je površina takozvane "pozitivne zakrivljenosti" (poput površine sfere), druga je površina "negativne zakrivljenosti" (sedlasta površina). Na površini pozitivne zakrivljenosti, dvije susjedne geodetske linije koje počinju paralelno jedna s drugom od početnih tačaka nakon toga počinju kriviti prema jedan drugog; a na površini negativne zakrivljenosti se savijaju strane jedno od drugog.

Ako zamislimo da se svjetske linije slobodno padajućih čestica ponašaju u nekom smislu kao geodetske linije na površini, onda se ispostavi da postoji bliska analogija između efekta gravitacije plime i oseke o kojem smo gore raspravljali i efekata zakrivljenosti površine - i to kao pozitivan zakrivljenost, tako negativan. Pogledajte sl. 5.25, 5.27. Vidimo da u našem prostor-vremenu počinju geodetske linije divergirati u jednom smjeru (kada se "redaju" prema Zemlji) - kako se to dešava na površini negativan zakrivljenost na sl. 5.28 - i pristup u drugim pravcima (kada se kreću horizontalno u odnosu na Zemlju) - kao na površini pozitivno zakrivljenost na sl. 5.28. Dakle, čini se da i naš prostor-vrijeme, kao i gore navedene površine, ima „zakrivljenost“, samo složeniju, jer zbog velike dimenzije prostor-vremena, s različitim pomacima, može biti mješovite prirode. , a da nije čisto pozitivan. , niti čisto negativan.

Iz toga slijedi da se koncept "zakrivljenosti" prostor-vremena može koristiti za opisivanje djelovanja gravitacijskih polja. Mogućnost korištenja takvog opisa u konačnici proizlazi iz Galileovog intuitivnog otkrića (princip ekvivalencije) i omogućava nam da eliminiramo gravitacijsku "silu" uz pomoć slobodnog pada. Zaista, ništa što sam do sada rekao ne izlazi iz okvira Newtonove teorije. Upravo nacrtana slika daje jednostavno reformulacija ovu teoriju. Ali kada pokušamo da kombinujemo novu sliku sa opisom specijalne relativnosti Minkowskog, geometrija prostor-vremena za koju znamo važi odsustvo gravitacija - nova fizika ulazi u igru. Rezultat ove kombinacije je opšta teorija relativnosti Einstein.

Prisjetimo se šta nas je Minkowski naučio. Imamo (u nedostatku gravitacije) prostor-vrijeme, obdaren posebnom vrstom mjere "udaljenosti" između tačaka: ako u prostor-vremenu imamo svjetsku liniju koja opisuje putanju neke čestice, onda "udaljenost" u osjećaj Minkowskog, mjereno po ovoj svjetskoj liniji, daje vrijeme , zapravo živi od čestice. (Zapravo, u prethodnom odjeljku razmatrali smo ovu "udaljenost" samo za one svjetske linije koje se sastoje od pravih segmenata - ali gornja izjava vrijedi i za krive svjetske linije, ako se "udaljenost" mjeri duž krive.) Geometrija Minkovskog smatra se tačnom ako ne postoji gravitaciono polje, odnosno ako prostor-vreme nema zakrivljenost. Ali u prisustvu gravitacije, Minkowskijevu geometriju smatramo samo približnom – kao što ravna površina samo približno odgovara geometriji zakrivljene površine. Zamislimo da, proučavajući zakrivljenu površinu, uzmemo mikroskop, koji daje sve veće uvećanje - tako da se čini da je geometrija zakrivljene površine sve više rastegnuta. U ovom slučaju, površina će nam se činiti sve ravnijom. Stoga kažemo da zakrivljena površina ima lokalnu strukturu euklidske ravni. Na isti način, možemo reći da je u prisustvu gravitacije prostor-vrijeme lokalno je opisan geometrijom Minkovskog (koja je geometrija ravnog prostor-vremena), ali dopuštamo neku "zakrivljenost" na većim skalama (slika 5.29).

Rice. 5.29. Slika zakrivljenog prostor-vremena

Konkretno, kao u prostoru Minkovskog, svaka tačka u prostor-vremenu je vrh svjetlosni konus- ali u ovom slučaju ti svjetlosni čunjevi više nisu locirani na isti način. U 7. poglavlju ćemo se upoznati sa pojedinačnim modelima prostor-vremena u kojima je ova nehomogenost u rasporedu svetlosnih čunjeva jasno vidljiva (videti slike 7.13, 7.14). Svjetske linije materijalnih čestica uvijek su usmjerene unutra svjetlosni stožci i linije fotona - zajedno svjetlosne čunjeve. Duž svake takve krive možemo uvesti "udaljenost" u smislu Minkovskog, koja služi kao mjera vremena koje čestice žive na isti način kao u prostoru Minkowskog. Kao i kod zakrivljene površine, ova mjera "udaljenosti" određuje geometrija površine, koja se može razlikovati od geometrije ravnine.

Geodetskim linijama u prostor-vremenu sada se može dati tumačenje slično tumačenju geodetskih linija na dvodimenzionalnim površinama, uzimajući u obzir razlike između geometrija Minkovskog i Euklida. Dakle, naše geodetske linije u prostor-vremenu nisu (lokalno) najkraće krive, već, naprotiv, krive koje su (lokalno) maksimizirati"udaljenost" (tj. vrijeme) duž svjetske linije. Svjetske linije čestica koje se slobodno kreću pod djelovanjem gravitacije, prema ovom pravilu, zaista su su geodetske. Konkretno, nebeska tijela koja se kreću u gravitacionom polju dobro su opisana sličnim geodetskim linijama. Osim toga, svjetlosni zraci (linije fotonskog svijeta) u praznom prostoru služe i kao geodetske linije, ali ovoga puta - null"dužina". Kao primjer, shematski sam nacrtao na Sl. 5.30 svjetskih linija Zemlje i Sunca. Kretanje Zemlje oko Sunca opisano je linijom "vadičep" koja se vijuga oko svjetske linije Sunca. Na istom mjestu sam prikazao foton koji dolazi na Zemlju sa udaljene zvijezde. Njegova svjetska linija izgleda blago "zakrivljena" zbog činjenice da svjetlost (prema Ajnštajnovoj teoriji) zapravo odbija Sunčevo gravitaciono polje.

Rice. 5.30. Svjetske linije Zemlje i Sunca. Sunce odbija svjetlosni snop udaljene zvijezde

Još treba da shvatimo kako se Newtonov zakon inverznog kvadrata može ugraditi (nakon odgovarajuće modifikacije) u Ajnštajnovu opštu teoriju relativnosti. Vratimo se ponovo našoj sferi materijalnih čestica koje padaju u gravitacionom polju. Podsjetimo da ako je unutar sfere zatvoren samo vakuum, tada se, prema Newtonovoj teoriji, volumen sfere u početku ne mijenja; ali ako se unutar sfere nalazi materija ukupne mase M , tada dolazi do smanjenja volumena proporcionalno M . U Ajnštajnovoj teoriji (za malu sferu) pravila su potpuno ista, osim što sve promene zapremine nisu određene masom M ; postoji (obično vrlo mali) doprinos od pritisak koji nastaju u materijalu okruženom sferom.

Potpuni matematički izraz za zakrivljenost četverodimenzionalnog prostor-vremena (koji bi trebao opisati plimne efekte za čestice koje se kreću u bilo kojoj tački u svim mogućim smjerovima) dat je tzv. Riemannov tenzor zakrivljenosti . Ovo je donekle složen objekat; da bismo ga opisali, potrebno je navesti dvadeset realnih brojeva u svakoj tački. Ovih dvadeset brojeva se nazivaju njegovim komponente . Različite komponente odgovaraju različitim zakrivljenjima u različitim pravcima prostor-vreme. Riemannov tenzor zakrivljenosti se obično piše kao R tjkl, ali pošto ne želim da objašnjavam šta ovi podindeksi ovde znače (i, naravno, šta je tenzor), napisaću to jednostavno kao:

RIMAN .

Postoji način da se ovaj tenzor podeli na dva dela, nazvana, respektivno, tenzor WEIL i tenzor RICCHI (svaka sa deset komponenti). Konvencionalno ću ovu particiju napisati ovako:

RIMAN = WEIL + RICCHI .

(Detaljan zapis Weyl i Ricci tenzora je potpuno nepotreban za naše potrebe sada.) Weil tenzor WEIL služi kao mjera plimna deformacija našu sferu čestica koje slobodno padaju (tj. promjene u početnom obliku, a ne veličini); dok je Ricci tenzor RICCHI služi kao mjera promjene početnog volumena. Podsjetimo da Njutnova teorija gravitacije to zahtijeva težina sadržana unutar naše padajuće sfere bila je proporcionalna ovoj promjeni prvobitnog volumena. To znači da je, grubo rečeno, gustina mase materija - ili, ekvivalentno, gustina energije (jer E = mc 2 ) - slijedi izjednačiti Ricci tenzor.

U suštini, to je upravo ono što jednačine polja opšte relativnosti stanja, naime - Einsteinove jednadžbe polja . Istina, ovdje postoje neke tehničke suptilnosti, u koje je, međutim, bolje da sada ne ulazimo. Dovoljno je reći da postoji objekat koji se zove tenzor energija-zamah , koji objedinjuje sve bitne informacije o energiji, pritisku i impulsu materije i elektromagnetnih polja. Nazvat ću ovaj tenzor ENERGIJA . Tada se Einsteinove jednadžbe mogu vrlo shematski prikazati u sljedećem obliku,

RICCHI = ENERGIJA .

(To je prisustvo "pritiska" u tenzoru ENERGIJA zajedno sa određenim zahtjevima za konzistentnost jednačina u cjelini dovode do potrebe da se uzme u obzir pritisak u gore opisanom efektu smanjenja volumena.)

Čini se da gornja relacija ne govori ništa o Weyl tenzoru. Međutim, on odražava jedno važno svojstvo. Efekt plime i oseke koji nastaje u praznom prostoru nastaje zbog WEILEM . Zaista, iz gornjih Ajnštajnovih jednačina sledi da postoje diferencijal jednačine koje se odnose WEIL With ENERGIJA - skoro kao u Maxwellovim jednačinama koje smo ranije sreli. Zaista, tačka gledišta da WEIL treba posmatrati kao neku vrstu gravitacionog analoga elektromagnetnog polja (u stvari, tenzora - Maxwellovog tenzora) opisanog parom ( E , AT ) čini se vrlo plodonosnim. U ovom slučaju WEIL služi kao neka vrsta mjere gravitacionog polja. "izvor" za WEIL je ENERGIJA - samo kao izvor za elektromagnetno polje ( E , AT ) je ( ? , j ) - skup naboja i struja u Maxwellovoj teoriji. Ovo gledište će nam biti korisno u 7. poglavlju.

Može izgledati prilično iznenađujuće da se s tako značajnim razlikama u formulacijama i osnovnim idejama pokazalo da je prilično teško pronaći vidljive razlike između Einsteinovih teorija i teorije koju je iznio Newton dva i po stoljeća ranije. Ali ako su brzine koje se razmatraju male u poređenju sa brzinom svjetlosti With , a gravitacijska polja nisu prejaka (tako da je brzina bijega mnogo manja With , vidi Poglavlje 7, "Dinamika Galileja i Njutna"), onda Ajnštajnova teorija daje u suštini iste rezultate kao Njutnova teorija. Ali u onim situacijama kada se predviđanja ove dvije teorije razlikuju, predviđanja Ajnštajnove teorije ispadaju tačnija. Do danas je proveden niz vrlo impresivnih eksperimentalnih testova koji nam omogućavaju da smatramo da je Ajnštajnova nova teorija dobro utemeljena. Satovi, prema Ajnštajnu, rade malo sporije u gravitacionom polju. Ovaj efekat se sada direktno meri na nekoliko načina. Svetlosni i radio signali se savijaju u blizini Sunca i blago kasne za posmatrača koji se kreće prema njima. Ovi efekti, prvobitno predviđeni općom teorijom relativnosti, sada su potvrđeni iskustvom. Kretanje svemirskih sondi i planeta zahtijevaju male korekcije njutnovskih orbita, kao što slijedi iz Ajnštajnove teorije - ove korekcije su sada i empirijski provjerene. (Konkretno, anomaliju u kretanju planete Merkur, poznatu kao "pomeranje perihela", koja muči astronome od 1859. godine, objasnio je Ajnštajn 1915. godine.) Možda je najupečatljivija od svega serija posmatranja sistema pozvao dupli pulsar, koji se sastoji od dvije male masivne zvijezde (moguće dvije "neutronske zvijezde", vidjeti Poglavlje 7 "Crne rupe"). Ova serija zapažanja se vrlo dobro slaže s Ajnštajnovom teorijom i služi kao direktan test efekta koji potpuno izostaje u Njutnovoj teoriji - emisije gravitacionih talasa. (Gravitacioni talas je analog elektromagnetnog talasa i širi se brzinom svetlosti With .) Ne postoje provjerena zapažanja koja su u suprotnosti sa Ajnštajnovom opštom teorijom relativnosti. Uz svu svoju neobičnost (na prvi pogled), Ajnštajnova teorija funkcioniše do danas!

Iz knjige Moderna nauka i filozofija: putevi fundamentalnih istraživanja i perspektive filozofije autor Kuznetsov B. G.

Iz knjige Mitkovsky Dances autor Šinkarev Vladimir Nikolajevič

Opšta teorija mitkovačkog plesa 1. Pametni tumači Nikome više nije tajna da su plesovi, tačnije plesovi, najrašireniji oblik stvaralaštva kod Mitkija; to je nepobitno. Kontroverzno je tumačenje fenomena mitkovačkog plesa.

Iz knjige Moderna nauka i filozofija: putevi fundamentalnih istraživanja i perspektive filozofije autor Kuznetsov B. G.

Teorija relativnosti, kvantna mehanika i početak atomskog doba

Iz knjige Filozofski rečnik uma, materije, morala [fragmenti] od Russela Bertranda

107. Opšta teorija relativnosti Opšta teorija relativnosti (GR) – objavljena 1915. godine, 10 godina nakon pojave Specijalne teorije (STR) – prvenstveno je bila geometrijska teorija gravitacije. Ovaj dio teorije može se smatrati čvrsto utemeljenim. Međutim, ona

Iz knjige Kratka istorija filozofije [Non Boring Book] autor Gusev Dmitrij Aleksejevič

108. Specijalna teorija relativnosti Specijalna teorija postavlja sebi zadatak da zakone fizike učini istim u odnosu na bilo koja dva koordinatna sistema koji se kreću jedan u odnosu na drugi pravolinijski i jednoliko. Ovdje je bilo potrebno uzeti u obzir

Iz knjige Ljubitelji mudrosti [Šta bi savremeni čovjek trebao znati o historiji filozofske misli] autor Gusev Dmitrij Aleksejevič

12.1. Brzinom svjetlosti... (Teorija relativnosti) Pojava druge naučne slike svijeta povezivala se prvenstveno sa promjenom geocentrizma u heliocentrizam. Treća naučna slika svijeta je napustila svaki centrizam. Prema novim idejama, Univerzum je postao

Iz knjige Fizika i filozofija autor Heisenberg Werner Karl

Teorija relativnosti. Brzinom svjetlosti Pojava druge naučne slike svijeta povezivala se prvenstveno sa promjenom geocentrizma heliocentrizmom. Treća naučna slika svijeta je napustila svaki centrizam. Prema novim idejama, Univerzum je postao

Iz knjige Daleka budućnost svemira [Eshatologija u kosmičkoj perspektivi] autor Ellis George

VII. TEORIJA RELATIVNOSTI Teorija relativnosti je oduvek igrala posebno važnu ulogu u modernoj fizici. U njemu je po prvi put prikazana potreba za periodičnim promjenama osnovnih principa fizike. Stoga je rasprava o pitanjima koja su pokrenuta i

Iz knjige Jednom je Platon otišao u kafanu... Razumijevanje filozofije kroz šalu autor Cathcart Thomas

17.2.1. Ajnštajnova opšta teorija relativnosti (GR) / kosmologija velikog praska Godine 1915, Albert Ajnštajn je objavio jednačine polja GR povezujući zakrivljenost prostor-vremena sa energijom raspoređenom u prostor-vremenu: R?? - ?Rg?? = 8?T??. Pojednostavljeno

Iz knjige Haos i struktura autor Losev Aleksej Fjodorovič

17.5.2.3. Vreme koje teče u fizici: specijalna relativnost, opšta relativnost, kvantna mehanika i termodinamika Kratak pregled četiri oblasti moderne fizike: specijalna relativnost (SRT), opšta relativnost (GR), kvantna

Iz knjige Amazing Philosophy autor Gusev Dmitrij Aleksejevič

IX Teorija relativnosti Šta se tu može reći? Svaka osoba različito razumije ovaj pojam. Dimitri: Prijatelju, tvoj problem je što previše razmišljaš Taso: U poređenju sa kim? Dimitri: U poređenju sa Ahilejem, na primer. Taso: I u poređenju sa

Iz knjige The New Mind of the King [O kompjuterima, razmišljanju i zakonima fizike] autor Penrose Roger

OPŠTA TEORIJA BROJEVA § 10. Uvod Broj je tako osnovna i duboka kategorija bića i svesti da se samo najpočetniji, najapstraktniji momenti i jednog i drugog mogu uzeti da se definiše i karakteriše. Matematika je nauka o brojevima

Iz knjige Povratak vremena [Od antičke kosmogonije do buduće kosmologije] autor Smolin Lee

Brzinom svjetlosti. Teorija relativnosti Pojava druge naučne slike svijeta povezana je prvenstveno sa promjenom geocentrizma heliocentrizmom. Treća naučna slika svijeta je napustila svaki centrizam. Prema novim idejama, Univerzum je postao

Iz knjige Jezik, ontologija i realizam autor Makeeva Lolita Bronislavovna

Specijalna teorija relativnosti Einsteina i Poincarea Prisjetimo se Galilejevog principa relativnosti, koji kaže da će zakoni fizike Newtona i Galilea ostati potpuno nepromijenjeni ako pređemo iz referentnog okvira mirovanja u drugi, koji se kreće jednoliko.

Iz knjige autora

Poglavlje 14 Teorija relativnosti i povratak vremena Dakle, prepoznavanje stvarnosti vremena otvara nove pristupe razumijevanju kako univerzum bira zakone, kao i načine za rješavanje poteškoća kvantne mehanike. Međutim, još uvijek moramo prevladati ozbiljno

Iz knjige autora

2.4. Teorija ontološke relativnosti i realizma Iz teze o neodređenosti prijevoda i ideje o ontološkim obavezama slijedi ontološka relativnost, što prije svega znači da je referenca neshvatljiva, da ne možemo znati šta

Još početkom 20. veka formulisana je teorija relativnosti. Šta je to i ko je njegov kreator, danas zna svaki student. Toliko je fascinantno da ga zanimaju čak i ljudi koji su daleko od nauke. Ovaj članak opisuje teoriju relativnosti pristupačnim jezikom: šta je ona, koji su njeni postulati i primena.

Kažu da je Albert Ajnštajn, njegov tvorac, imao prosvećenje u trenu. Činilo se da se naučnik vozi tramvajem u švajcarskom Bernu. Pogledao je na ulični sat i odjednom shvatio da će sat stati ako tramvaj ubrza do brzine svjetlosti. U ovom slučaju ne bi bilo vremena. Vrijeme igra veoma važnu ulogu u teoriji relativnosti. Jedan od Ajnštajnovih postulata je da različiti posmatrači različito percipiraju stvarnost. Ovo se posebno odnosi na vrijeme i udaljenost.

Obračunavanje pozicije posmatrača

Tog dana Albert je shvatio da, jezikom nauke, opis bilo kojeg fizičkog fenomena ili događaja zavisi od toga u kom se referentnom okviru posmatrač nalazi. Na primjer, ako putnica u tramvaju ispusti naočare, one će pasti okomito u odnosu na nju. Ako gledate s položaja pješaka koji stoji na ulici, tada će putanja njihovog pada odgovarati paraboli, budući da se tramvaj kreće, a čaše padaju u isto vrijeme. Dakle, svako ima svoj referentni sistem. Predlažemo da detaljnije razmotrimo osnovne postulate teorije relativnosti.

Zakon distribuiranog kretanja i princip relativnosti

Uprkos činjenici da se opisi događaja mijenjaju kada se mijenjaju referentni okviri, postoje i univerzalne stvari koje ostaju nepromijenjene. Da bi se ovo razumjelo, ne treba postaviti pitanje pada čaša, već zakon prirode koji uzrokuje ovaj pad. Za svakog posmatrača, bez obzira da li se nalazi u pokretnom ili stacionarnom koordinatnom sistemu, odgovor na njega ostaje nepromenjen. Ovaj zakon se zove zakon distribuiranog kretanja. Podjednako dobro radi i u tramvaju i na ulici. Drugim riječima, ako opis događaja uvijek zavisi od toga ko ih posmatra, onda se to ne odnosi na zakone prirode. Oni su, kako je uobičajeno reći naučnim jezikom, nepromjenjivi. Ovo je princip relativnosti.

Ajnštajnove dve teorije

Ovaj princip, kao i svaku drugu hipotezu, prvo je trebalo provjeriti povezujući ga s prirodnim fenomenima koji djeluju u našoj stvarnosti. Einstein je izveo 2 teorije iz principa relativnosti. Iako su povezani, smatraju se odvojenim.

Privatna, ili specijalna, teorija relativnosti (SRT) zasniva se na stavu da za sve moguće referentne okvire, čija je brzina konstantna, zakoni prirode ostaju isti. Opća teorija relativnosti (GR) proširuje ovaj princip na bilo koji referentni okvir, uključujući i one koji se kreću ubrzano. 1905. A. Einstein je objavio prvu teoriju. Drugi, složeniji u smislu matematičkog aparata, završio je do 1916. godine. Stvaranje teorije relativnosti, kako SRT tako i GR, postalo je važna faza u razvoju fizike. Pogledajmo pobliže svaki od njih.

Specijalna teorija relativnosti

Šta je to, šta je njegova suština? Hajde da odgovorimo na ovo pitanje. Upravo ova teorija predviđa mnoge paradoksalne efekte koji su u suprotnosti s našim intuitivnim idejama o tome kako svijet funkcionira. Govorimo o onim efektima koji se uočavaju kada se brzina kretanja približi brzini svjetlosti. Najpoznatiji među njima je efekat dilatacije vremena (satovi). Satovi koji se pomeraju u odnosu na posmatrača su za njega sporiji od onih koji su u njegovim rukama.

U koordinatnom sistemu, kada se kreće brzinom bliskom brzini svetlosti, vreme se rasteže u odnosu na posmatrača, a dužina objekata (prostorni opseg), naprotiv, kompresuje se duž ose smera ovog kretanja. . Naučnici ovaj efekat nazivaju Lorentz-Fitzgerald kontrakcija. Davne 1889. opisao ga je Džordž Ficdžerald, italijanski fizičar. A 1892. godine, Hendrik Lorenz, Holanđanin, dopunio ga je. Ovaj efekat objašnjava negativan rezultat koji daje Michelson-Morley eksperiment, u kojem se brzina naše planete u svemiru određuje mjerenjem "eteričkog vjetra". Ovo su osnovni postulati teorije relativnosti (specijalni). Einstein je dopunio ove masovne transformacije analogijom. Prema njenim riječima, kako se brzina tijela približava brzini svjetlosti, tako se povećava i masa tijela. Na primjer, ako je brzina 260 hiljada km/s, odnosno 87% brzine svjetlosti, sa stanovišta posmatrača koji se nalazi u referentnom okviru u mirovanju, masa objekta će se udvostručiti.

Potvrde servisa

Sve ove pozicije, ma koliko bile u suprotnosti sa zdravim razumom, još od vremena Ajnštajna našle su direktnu i potpunu potvrdu u raznim eksperimentima. Jednu od njih izveli su naučnici sa Univerziteta u Mičigenu. Ovo neobično iskustvo potvrđuje teoriju relativnosti u fizici. Istraživači su u avion, koji je redovno obavljao transatlantske letove, stavili ultra-precizan, a svaki put nakon vraćanja na aerodrom, očitavanja ovih satova su upoređivana sa kontrolnim. Ispostavilo se da je sat u avionu svaki put sve više zaostajao za kontrolom. Naravno, radilo se samo o beznačajnim brojkama, delićima sekunde, ali je sama činjenica vrlo indikativna.

Poslednjih pola veka istraživači su proučavali elementarne čestice na akceleratorima - ogromnim hardverskim kompleksima. U njima se snopovi elektrona ili protona, odnosno nabijeni, ubrzavaju sve dok se njihove brzine ne približe brzini svjetlosti. Nakon toga pucaju na nuklearne ciljeve. U ovim eksperimentima potrebno je uzeti u obzir da se masa čestica povećava, inače se rezultati eksperimenta ne mogu tumačiti. U tom smislu, SRT odavno više nije samo hipotetička teorija. Postao je jedan od alata koji se koriste u primijenjenom inženjerstvu, zajedno sa Njutnovskim zakonima mehanike. Principi teorije relativnosti našli su veliku praktičnu primjenu u naše vrijeme.

SRT i Newtonovi zakoni

Uzgred, govoreći o (portret ovog naučnika je predstavljen gore), treba reći da specijalna teorija relativnosti, koja im je, čini se, kontradiktorna, zapravo reproducira jednačine Newtonovih zakona gotovo tačno, ako je koristi se za opisivanje tijela čija je brzina mnogo manja od brzine svjetlosti. Drugim riječima, ako se primjenjuje specijalna teorija relativnosti, Newtonova fizika se uopće ne poništava. Ova teorija je, naprotiv, dopunjuje i proširuje.

Brzina svjetlosti je univerzalna konstanta

Koristeći princip relativnosti, može se razumjeti zašto brzina svjetlosti, a ne nešto drugo, igra vrlo važnu ulogu u ovom modelu strukture svijeta. Ovo pitanje postavljaju oni koji tek počinju svoje upoznavanje sa fizikom. Brzina svjetlosti je univerzalna konstanta zbog činjenice da je kao takva definirana zakonom prirodnih nauka (više o tome može se pronaći proučavanjem Maxwellovih jednačina). Brzina svjetlosti u vakuumu, zbog principa relativnosti, ista je u bilo kojem referentnom okviru. Možda mislite da je to suprotno zdravom razumu. Ispostavilo se da posmatrač istovremeno prima svetlost i iz stacionarnog i iz pokretnog izvora (bez obzira koliko se brzo kreće). Međutim, nije. Brzini svjetlosti, zbog svoje posebne uloge, pridaje se centralno mjesto ne samo u specijalnoj relativnosti, već iu općoj teoriji relativnosti. Hajde da pričamo o njoj.

Opća teorija relativnosti

Koristi se, kao što smo već rekli, za sve referentne okvire, ne nužno one čija je brzina jedna u odnosu na drugu konstantna. Matematički, ova teorija izgleda mnogo komplikovanija od specijalne. To objašnjava činjenicu da je između njihovih objavljivanja prošlo 11 godina. Opća teorija relativnosti uključuje specijalnu kao poseban slučaj. Stoga su u njega uključeni i Newtonovi zakoni. Međutim, opšta teorija relativnosti ide mnogo dalje od svojih prethodnika. Na primjer, objašnjava gravitaciju na nov način.

Četvrta dimenzija

Zahvaljujući opštoj relativnosti, svijet postaje četverodimenzionalan: vrijeme se dodaje na tri prostorne dimenzije. Svi su oni neodvojivi, stoga više nije potrebno govoriti o prostornoj udaljenosti koja postoji u trodimenzionalnom svijetu između dva objekta. Sada govorimo o prostorno-vremenskim intervalima između različitih događaja, ujedinjujući njihovu prostornu i vremensku udaljenost jedan od drugog. Drugim riječima, vrijeme i prostor se u teoriji relativnosti posmatraju kao neka vrsta četverodimenzionalnog kontinuuma. Može se definirati kao prostor-vrijeme. Na datom kontinuumu, oni posmatrači koji se kreću relativno jedni prema drugima imat će različita mišljenja čak i o tome da li su se dva događaja dogodila u isto vrijeme, ili je jedan od njih prethodio drugom. Međutim, uzročna veza nije narušena. Drugim riječima, postojanje takvog koordinatnog sistema, gdje se dva događaja dešavaju u različitom nizu, a ne istovremeno, ne dozvoljava čak ni opštu relativnost.

Opća relativnost i zakon univerzalne gravitacije

Prema zakonu univerzalne gravitacije koji je otkrio Newton, sila uzajamnog privlačenja postoji u Univerzumu između bilo koja dva tijela. Zemlja se iz ove pozicije okreće oko Sunca, jer između njih postoje sile međusobnog privlačenja. Ipak, opšta teorija relativnosti nas tjera da ovaj fenomen sagledamo iz drugog ugla. Gravitacija je, prema ovoj teoriji, posljedica "zakrivljenosti" (deformacije) prostor-vremena, koja se uočava pod uticajem mase. Što je tijelo teže (u našem primjeru Sunce), to se prostor-vrijeme više "savija" ispod njega. Shodno tome, njeno gravitaciono polje je jače.

Da bismo bolje razumeli suštinu teorije relativnosti, pređimo na poređenje. Zemlja se, prema općoj teoriji relativnosti, okreće oko Sunca, poput male lopte koja se kotrlja oko konusa lijevka nastalog kao rezultat Sunčevog "probijanja" prostor-vremena. A ono što smo smatrali silom gravitacije zapravo je vanjska manifestacija ove zakrivljenosti, a ne sila, u Njutnovom razumijevanju. Bolje objašnjenje fenomena gravitacije od onog predloženog u opštoj relativnosti do danas nije pronađeno.

Metode za provjeru opšte relativnosti

Imajte na umu da opštu relativnost nije lako proveriti, jer njeni rezultati u laboratorijskim uslovima skoro odgovaraju zakonu univerzalne gravitacije. Međutim, naučnici su ipak izveli niz važnih eksperimenata. Njihovi rezultati nam omogućavaju da zaključimo da je Ajnštajnova teorija potvrđena. Opšta teorija relativnosti takođe pomaže da se objasne različite pojave uočene u svemiru. To su, na primjer, mala odstupanja Merkura od njegove stacionarne orbite. Sa stanovišta Njutnove klasične mehanike, oni se ne mogu objasniti. To je i razlog zašto se elektromagnetno zračenje udaljenih zvijezda savija dok putuje blizu Sunca.

Rezultati koje predviđa opšta teorija relativnosti, u stvari, značajno se razlikuju od onih koje daju Newtonovi zakoni (njegov portret je prikazan gore), samo kada su prisutna superjaka gravitaciona polja. Stoga su za potpunu verifikaciju opće relativnosti potrebna ili vrlo precizna mjerenja objekata ogromne mase ili crnih rupa, jer naše uobičajene ideje nisu primjenjive na njih. Stoga je razvoj eksperimentalnih metoda za ispitivanje ove teorije jedan od glavnih zadataka moderne eksperimentalne fizike.

Umovi mnogih naučnika, pa čak i ljudi daleko od nauke, okupirani su teorijom relativnosti koju je stvorio Ajnštajn. Šta je to, ukratko smo ispričali. Ova teorija preokreće naše uobičajene ideje o svijetu, tako da interesovanje za nju još uvijek ne jenjava.