A. EINŠTEINO BENDROJI RELIatyvumo TEORIJA

Per dešimt metų, nuo 1906 iki 1916 m., kurtos teorijos rėmuose A. Einšteinas pasuko į gravitacijos problemą, kuri ilgą laiką traukė mokslininkų dėmesį. Todėl bendroji reliatyvumo teorija dažnai vadinama gravitacijos teorija. Jame aprašytos naujos erdvės ir laiko santykių priklausomybės nuo materialių procesų. Ši teorija remiasi nebe dviem, o trimis postulatais:

- Pirmasis postulatas bendroji reliatyvumo teorija - išplėstinis reliatyvumo principas, kuri teigia gamtos dėsnių nekintamumą bet kokioje atskaitos sistemoje, tiek inercinėje, tiek neinercinėje, judančioje su pagreičiu arba lėtėjimu. Jis sako, kad absoliutaus charakterio neįmanoma priskirti ne tik greičiui, bet ir pagreičiui, kuris turi specifinę reikšmę jį lemiančio veiksnio atžvilgiu.

- Antrasis postulatas-šviesos greičio pastovumo principas– lieka nepakitęs.

- Trečias postulatas-inercinių ir gravitacinių masių ekvivalentiškumo principas. Šis faktas jau buvo žinomas klasikinėje mechanikoje. Taigi, pagal Niutono suformuluotą universaliosios gravitacijos dėsnį, gravitacijos jėga visada yra proporcinga kūno, kurį ji veikia, masei. Tačiau pagal antrąjį Niutono dėsnį jėga, suteikianti kūnui pagreitį, taip pat yra proporcinga jo masei. Pirmuoju atveju kalbame apie gravitacinę masę, kuri apibūdina kūno gebėjimą pritraukti kitą kūną, antruoju atveju apie inercinę masę, kuri apibūdina kūno elgesį veikiant išorinėms jėgoms. , yra kūno inercijos matas. Bet kūno laisvo kritimo atveju pagreitis g = 9,8 m/s 2 nuo masės nepriklauso. Tai savo eksperimentuose nustatė Galilėjus. Tiksliau, šių masių ekvivalentiškumą 1890 metais nustatė vengrų fizikas L. Eötvösas. Šiandien šios išvados patvirtinamos labai tiksliai – iki 10–12.

Sukūręs specialiąją reliatyvumo teoriją, Einšteinas susimąstė, ar kinta kūnų gravitacinės savybės, jeigu jų inercinės savybės priklauso nuo judėjimo greičio. Mokslininko atlikta teorinė analizė leido padaryti išvadą, kad fizika nežino būdo, kaip atskirti gravitacijos poveikį nuo pagreičio poveikio. Kitaip tariant, kinematinis poveikis, atsirandantis veikiant gravitacinėms jėgoms, yra lygiavertis poveikiui, atsirandančiam veikiant pagreičiui. Taigi, jei raketa pakils 2 pagreičiu g, tada raketos įgula jausis taip, lyg būtų dvigubai didesniame už Žemės gravitacijos lauką. Taip pat stebėtojas uždarame lifte negalės nustatyti, ar liftas juda pagreitintu greičiu, ar lifto viduje veikia gravitacinės jėgos. Remiantis lygiavertiškumo principu, buvo apibendrintas reliatyvumo principas.

Svarbiausia bendrosios reliatyvumo teorijos išvada buvo mintis, kad kūnų geometrinių (erdvinių) ir laiko charakteristikų pokytis vyksta ne tik judant dideliu greičiu, kaip įrodė specialioji reliatyvumo teorija, bet ir stipriai gravitaciniai laukai. Padaryta išvada neatskiriamai susiejo bendrąją reliatyvumo teoriją su geometrija, tačiau visuotinai priimta Euklido geometrija tam netiko.

Euklido geometrija yra aksiomatinė, pagrįsta penkiomis aksiomomis ir reiškia erdvės, kuri laikoma plokščia, vienodumą, homogeniškumą. Tačiau palaipsniui ši geometrija nustojo tenkinti daugelio matematikų, nes penktasis jos postulatas nebuvo savaime suprantamas. Kalbame apie teiginį, kad per tašką, esantį už tiesės, galima nubrėžti tik vieną tiesę, lygiagrečią duotajai. Su šia aksioma yra susijęs teiginys, kad trikampio kampų suma visada yra 180°. Jei šią aksiomą pakeisime kita, galime sukurti naują geometriją, skirtingą nuo Euklido geometrijos, bet lygiai tokią pat nuoseklią viduje. Būtent taip XIX amžiuje nepriklausomai vienas nuo kito padarė rusų matematikas N. I. Lobačevskis, vokietis B. Riemannas ir vengras J. Bolyai. Riemannas naudojo aksiomą, kad neįmanoma nubrėžti net vienos tiesės, lygiagrečios nurodytai. Lobačevskis ir Bolyai rėmėsi tuo, kad per tašką, esantį už tiesės, galima nubrėžti begalinį skaičių tiesių, lygiagrečių duotajai. Iš pirmo žvilgsnio šie teiginiai skamba absurdiškai. Iš pažiūros jie iš tiesų klysta. Tačiau gali būti ir kitų paviršių, ant kurių atsiranda nauji postulatai.

Įsivaizduokite, pavyzdžiui, sferos paviršių. Jame trumpiausias atstumas tarp dviejų taškų matuojamas ne išilgai tiesės (sferos paviršiuje nėra tiesių), o išilgai didžiojo apskritimo lanko (vadinamieji apskritimai, kurių spindulys lygus sferos spindulys). Pasaulyje dienovidiniai tarnauja kaip trumpiausios arba, kaip jie vadinami, geodezinės linijos. Visi dienovidiniai, kaip žinoma, susikerta ties ašigaliais, ir kiekvieną iš jų galima laikyti tiesia linija, lygiagrečia bet kuriam dienovidiniui. Sfera turi savo sferinę geometriją, kurioje teisingas teiginys, kad trikampio kampų suma visada yra didesnė nei 180°. Įsivaizduokite trikampį sferoje, kurią sudaro du dienovidiniai ir pusiaujo lankas. Kampai tarp dienovidinių ir pusiaujo lygūs 90°, o kampas tarp dienovidinių su viršūne ties ašigalis pridedamas prie jų sumos. Taigi sferoje nėra nesikertančių linijų.

Taip pat yra paviršių, kuriems Riemanno postulatas pasitvirtina. Tai yra balno paviršius, dar vadinamas pseudosfera. Ant jo trikampio kampų suma visada yra mažesnė nei 180°, ir neįmanoma nubrėžti vienos tiesės, lygiagrečios duotajai.

Po to, kai Einšteinas sužinojo apie šių geometrijų egzistavimą, kilo abejonių dėl euklido tikrosios erdvės-laiko prigimties. Tapo aišku, kad susukta. Kaip galima įsivaizduoti erdvės kreivumą, apie kurį kalba bendrasis reliatyvumas? Įsivaizduokite labai ploną gumos lakštą ir pagalvokite, kad tai yra erdvės modelis. Padėkime ant šio lapo didelius ir mažus kamuoliukus – žvaigždžių ir planetų modelius. Kamuoliukai kuo labiau sulenks gumos lakštą, tuo didesnė jų masė, o tai aiškiai parodo erdvės-laiko kreivumo priklausomybę nuo kūno masės. Taigi Žemė aplink save sukuria lenktą erdvėlaikį, kuris vadinamas gravitaciniu lauku. Būtent dėl ​​to visi kūnai nukrenta į Žemę. Tačiau kuo toliau nuo planetos, tuo silpnesnis bus šio lauko poveikis. Esant labai dideliam atstumui, gravitacinis laukas bus toks silpnas, kad kūnai nustos kristi į Žemę, todėl erdvėlaikio kreivumas bus toks nežymus, kad jį galima nepaisyti ir erdvėlaikį laikyti plokščiu.

Erdvės kreivumo nereikia suprasti kaip plokštumos kreivumo kaip Euklido sfera, kurios išorinis paviršius skiriasi nuo vidinio. Iš vidaus jos paviršius atrodo įgaubtas, iš išorės – išgaubtas. Neeuklido geometrijų požiūriu abi lenktos plokštumos pusės yra vienodos. Erdvės kreivumas vaizdiniu būdu nepasireiškia ir suprantamas kaip jos metrinės nukrypimas nuo euklido, kurį galima tiksliai apibūdinti matematikos kalba.

Reliatyvumo teorija nustatė ne tik erdvės kreivumą veikiant gravitaciniams laukams, bet ir laiko sulėtėjimą stipriuose gravitaciniuose laukuose. Netgi Saulės, kosminiais standartais gana mažos žvaigždės, gravitacija turi įtakos laiko greičiui, sulėtindama jį šalia savęs. Todėl, jei siunčiame radijo signalą į kurį nors tašką, kurio kelias eina šalia Saulės, radijo signalas nukeliaus ilgiau nei tuo atveju, jei šio signalo kelyje Saulės nėra. Signalo uždelsimas jam praeinant šalia Saulės yra apie 0,0002 s. Tokie eksperimentai atliekami nuo 1966 m. Kaip atšvaitas buvo naudojami tiek planetų paviršiai (Merkurijus, Venera), tiek tarpplanetinių stočių įranga.

Viena iš fantastiškiausių bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių - visiškas laiko sustojimas labai stipriame gravitaciniame lauke. Laiko sulėtėjimas yra didesnis, tuo stipresnė gravitacija. Laiko išsiplėtimas pasireiškia gravitaciniu šviesos raudonuoju poslinkiu: kuo stipresnė gravitacija, tuo labiau didėja bangos ilgis ir mažėja jos dažnis. Tam tikromis sąlygomis bangos ilgis gali būti linkęs į begalybę, o jo dažnis – iki nulio.

Su Saulės skleidžiama šviesa taip gali atsitikti, jei mūsų žvaigždė staiga susitrauktų ir virstų 3 km ar mažesnio spindulio kamuoliu (Saulės spindulys – 700 000 km). Dėl šio susitraukimo gravitacinė jėga paviršiuje, iš kurio sklinda šviesa, padidės tiek, kad gravitacinis raudonasis poslinkis bus tikrai begalinis. Saulė tiesiog taps nematoma, iš jos neišskris nei vienas fotonas.

Iš karto pasakykime, kad taip niekada nenutiks Saulei. Savo egzistavimo pabaigoje, po kelių milijardų metų, ji patirs daugybę transformacijų, jos centrinis regionas gali gerokai susitraukti, bet vis tiek ne tiek. Tačiau kitos žvaigždės, kurių masė tris ar daugiau kartų viršija Saulės masę, savo gyvenimo pabaigoje greičiausiai patirs greitą katastrofišką suspaudimą veikiamos savo gravitacijos. Tai nuves juos į juodosios skylės būseną.

Juodoji skylė - tai fizinis kūnas, kuris sukuria tokią stiprią gravitaciją, kad šalia jo skleidžiamos šviesos raudonasis poslinkis gali virsti begalybe. Kad susidarytų juodoji skylė, kūnas turi susitraukti iki spindulio, neviršijančio kūno masės ir Saulės masės santykio, padauginto iš 3 km. Šis kritinis spindulys vadinamas gravitacinis spindulys kūnas.

Fizikai ir astronomai yra gana tikri, kad gamtoje egzistuoja juodosios skylės, nors iki šiol jos nebuvo aptiktos. Astronominių paieškų sunkumai yra susiję su pačia šių neįprastų objektų prigimtimi. Juk jų tiesiog nesimato, nes jie nešviečia, nieko nespinduliuoja į erdvę, todėl yra juodi visa to žodžio prasme. Tik pagal daugybę netiesioginių ženklų galime tikėtis pastebėti juodąją skylę, pavyzdžiui, dvinarėje žvaigždžių sistemoje, kur paprasta žvaigždė būtų jos partnerė. Stebint matomos žvaigždės judėjimą bendrame tokios poros gravitaciniame lauke, būtų galima įvertinti nematomos žvaigždės masę ir, jei ši vertė tris ar daugiau kartų viršys Saulės masę, galima teigti, kad buvo rasta juodoji skylė. Dabar yra keletas gerai ištirtų dvinarių žvaigždžių sistemų, kuriose nematomo partnerio masė yra 5–8 Saulės masės. Greičiausiai tai yra juodosios skylės, tačiau astronomai mieliau vadina šiuos objektus kandidatais į juodąsias skyles, kol šie įvertinimai nebus patikslinti.

Gravitacinis laiko išsiplėtimas, kurį matuoja ir liudija raudonasis poslinkis, yra labai reikšmingas prie neutroninių žvaigždžių, o šalia juodosios skylės gravitacinio spindulio jis yra toks didelis, kad laikas ten, išorinio stebėtojo požiūriu, tiesiog užšąla. Kūnui, patenkančiam į juodosios skylės gravitacinį lauką, kurio masė lygi trims Saulės masėms, kritimas iš 1 milijono km atstumo iki gravitacinio spindulio užtruks tik apie valandą. Tačiau pagal laikrodį, kuris bus toli nuo juodosios skylės, laisvas kūno kritimas jo lauke ištemps laike iki begalybės. Kuo arčiau krintantis kūnas priartės prie gravitacinio spindulio, tuo lėtesnis šis skrydis atrodys tolimam stebėtojui. Iš toli stebimas kūnas neribotą laiką artės prie gravitacinio spindulio ir niekada jo nepasieks. Ir tam tikru atstumu nuo šio spindulio kūnas sustingsta amžiams – išoriniam stebėtojui laikas sustojo, lygiai taip pat, kaip fiksavimo rėmelyje matomas sustingęs kūno kritimo momentas.

Einšteino reliatyvumo teorijoje suformuluotos erdvės ir laiko sąvokos yra pačios nuosekliausios. Tačiau jie yra makroskopiniai, nes yra pagrįsti makroskopinių objektų, didelių atstumų ir ilgų laiko intervalų tyrimo patirtimi. Kuriant teorijas, aprašančias mikrokosmoso reiškinius, šis geometrinis paveikslas, darant prielaidą erdvės ir laiko tęstinumui (erdvės-laiko kontinuumas), be jokių pokyčių buvo perkeltas į naują sritį. Eksperimentinių duomenų, prieštaraujančių reliatyvumo teorijos taikymui mikrokosmose, nėra. Tačiau pačiam kvantinių teorijų vystymuisi gali prireikti peržiūrėti idėjas apie fizinę erdvę ir laiką.

Net ir dabar kai kurie mokslininkai kalba apie erdvės kvanto, pagrindinio ilgio L, egzistavimo galimybę. Įvedęs šią sąvoką mokslas galės išvengti daugelio šiuolaikinių kvantinių teorijų sunkumų. Jei šio ilgio egzistavimas bus patvirtintas, jis taps dar viena pagrindine fizikos konstanta. Erdvės kvanto egzistavimas taip pat reiškia, kad egzistuoja laiko kvantas, lygus L/C, o tai riboja laiko intervalų nustatymo tikslumą.

Bendroji reliatyvumo teorija svarsto neinercines atskaitos sistemas ir teigia galimybę jas tapatinti su inercinėmis (esant gravitaciniam laukui). Einšteinas pagrindinio šios teorijos principo esmę suformuluoja taip: „Visos atskaitos sistemos yra lygiavertės gamtai apibūdinti (formuluoti jos bendruosius dėsnius), kad ir kokioje judėjimo būsenoje jos būtų“. Tiksliau, bendrasis reliatyvumo principas sako, kad bet kuris fizikos dėsnis yra vienodai teisingas ir taikomas tiek neinercinėse atskaitos sistemose, kai yra gravitacinis laukas, tiek inercinėse atskaitos sistemose, bet jo nesant.

Bendrosios reliatyvumo teorijos pasekmės:

1. Inercinės ir gravitacinės masės lygybė yra vienas iš svarbių bendrosios reliatyvumo teorijos rezultatų, kuri visas atskaitos sistemas, o ne tik inercines, laiko lygiavertėmis.

2. Šviesos pluošto kreivumas gravitaciniame lauke rodo, kad šviesos greitis tokiame lauke negali būti pastovus, o kinta kryptis iš vienos vietos į kitą.

3. Planetų, judančių aplink Saulę, elipsinės orbitos sukimasis (pavyzdžiui, Merkurijus turi 43 ° per šimtmetį).

4. Laiko lėtėjimas masyvių arba supertankių kūnų gravitaciniame lauke.

5. Šviesos dažnio keitimas jai judant gravitaciniame lauke.

Reikšmingiausias bendrosios reliatyvumo teorijos rezultatas yra supančio pasaulio erdvės ir laiko savybių priklausomybės nuo gravituojančių masių vietos ir tankio nustatymas.

Baigdami pažymime, kad nemažai bendrosios reliatyvumo teorijos išvadų kokybiškai skiriasi nuo Niutono gravitacijos teorijos išvadų. Svarbiausi iš jų yra siejami su juodųjų skylių egzistavimu, erdvėlaikio singuliarumais (vietomis, kur formaliai, remiantis teorija, baigiasi dalelių ir laukų egzistavimas mums įprasta forma) ir su gravitaciniu buvimu. bangos (gravitacinė spinduliuotė). Einšteino bendrosios gravitacijos teorijos apribojimai atsiranda dėl to, kad ši teorija nėra kvantinė; o gravitacines bangas galima laikyti specifinių kvantų – gravitonų srautu.

Jokių kitų reliatyvumo teorijos pritaikymo apribojimų nerasta, nors ne kartą buvo teigiama, kad esant labai mažiems atstumams taškinio įvykio samprata, taigi ir reliatyvumo teorija, gali būti netaikytina. Šiuolaikinės kvantinės fundamentalių sąveikų (elektromagnetinės, silpnosios ir stipriosios sąveikos) teorijos remiasi būtent reliatyvumo teorijos erdvės ir laiko geometrija. Iš šių teorijų leptonų kvantinė elektrodinamika buvo išbandyta didžiausiu tikslumu. Eksperimentai, kurie buvo naudojami reliatyvumo teorijai pagrįsti pirmaisiais jos egzistavimo dešimtmečiais, buvo pakartotinai kartojami labai tiksliai. Dabar tokie eksperimentai yra daugiausia istorinės svarbos, nes pagrindinis bendrosios reliatyvumo teorijos įrodymų rinkinys yra duomenys, susiję su reliatyvistinių elementariųjų dalelių sąveika.

Bendroji reliatyvumo teorija kartu su specialiąja reliatyvumo teorija yra puikus Alberto Einšteino darbas, kuris XX amžiaus pradžioje pakeitė fizikų požiūrį į pasaulį. Po šimto metų bendrasis reliatyvumas yra pagrindinė ir svarbiausia fizikos teorija pasaulyje ir kartu su kvantine mechanika pretenduoja tapti vienu iš dviejų kertinių „visko teorijos“ akmenų. Bendroji reliatyvumo teorija gravitaciją apibūdina kaip erdvėlaikio kreivumo (bendrojoje reliatyvumo teorijoje sujungto į vieną visumą) pasekmę veikiant masei. Bendrosios reliatyvumo teorijos dėka mokslininkai išvedė daugybę konstantų, išbandė daugybę nepaaiškinamų reiškinių ir sugalvojo tokius dalykus kaip juodosios skylės, tamsioji medžiaga ir tamsioji energija, visatos plėtimasis, Didysis sprogimas ir daug daugiau. Be to, GTR vetavo šviesos greitį, taip pažodžiui įkalindamas mus savo kaimynystėje (Saulės sistemoje), tačiau paliko spragą kirmgraužų pavidalu – trumpus galimus kelius per erdvėlaikį.

RUDN universiteto darbuotojas ir jo kolegos iš Brazilijos suabejojo ​​idėja naudoti stabilias kirmgraužas kaip portalus į įvairius erdvės laiko taškus. Jų tyrimų rezultatai buvo paskelbti Physical Review D. – gana įprasta mokslinės fantastikos klišė. Kirmgrauža arba „kirmgrauža“ yra tam tikras tunelis, jungiantis tolimus erdvės taškus ar net dvi visatas, lenkdamas erdvėlaikį.

Straipsnyje aprašoma Einšteino reliatyvumo teorija be jokių formulių ir neaiškių žodžių

Daugelis iš mūsų yra girdėję apie Alberto Einšteino reliatyvumo teoriją, tačiau kai kurie iš mūsų negali suprasti šios teorijos prasmės. Beje, tai pirmoji teorija istorijoje, kuri atitolina mus nuo įprastos pasaulėžiūros. Pakalbėkime apie tai paprastais žodžiais. Visi esame įpratę prie trimačio suvokimo: vertikalios plokštumos, horizontalios ir gylio. Jei čia pridedamas laikas ir laikomas ketvirtuoju dydžiu, gauname keturmatę erdvę. Taip yra dėl to, kad laikas taip pat yra santykinė vertė. Taigi viskas mūsų pasaulyje yra reliatyvu. Ką tai reiškia? Pavyzdžiui, paimkime du brolius dvynius, vieną iš jų 20 metų šviesos greičiu išsiųsime į kosmosą, o kitą palikime Žemėje. Kai pirmasis dvynys grįš iš kosmoso, jis bus 20 metų jaunesnis už tą, kuris liko Žemėje. Taip yra dėl to, kad net laikas mūsų pasaulyje yra reliatyvus, kaip ir visa kita. Kai objektas artėja prie šviesos greičio, laikas sulėtėja. Kai greitis lygus šviesos greičiui, laikas visiškai sustoja. Iš to galime daryti išvadą – jei viršysite šviesos greitį, laikas grįš atgal, tai yra į praeitį.

Teoriškai viskas, o kaip praktiškai? Neįmanoma priartėti prie šviesos greičio, o juo labiau jį viršyti. Kalbant apie šviesos greitį, jis visada išlieka pastovus. Pavyzdžiui, vienas žmogus stovi ant stoties perono, o antrasis važiuoja traukiniu jo kryptimi. Jei ant platformos stovintis šviečia žibintuvėliu, tai šviesa nuo jos skris 300 000 kilometrų per sekundę greičiu. Jei traukinyje važiuojantis žmogus dar ir šviečia žibintuvėliu, tai jo šviesos greitis nepadidės dėl traukinio greičio, jis visada lygus 300 000 kilometrų per sekundę.

Kodėl vis dar neįmanoma viršyti šviesos greičio? Faktas yra tas, kad artėjant prie greičio, lygaus šviesos greičiui, objekto masė didėja, o energija, reikalinga objektui judėti, atitinkamai didėja. Jei pasiekiamas šviesos greitis, objekto masė bus begalinė, kaip ir iš esmės energija, tačiau tai neįmanoma. Šviesos greičiu gali judėti tik tie objektai, kurie neturi savo masės, o šis objektas yra būtent lengvas.

Be to, šiuo klausimu dalyvauja gravitacija, ji gali keisti laiką. Pagal teoriją, kuo didesnė gravitacija, tuo lėčiau teka laikas. Bet visa tai teoriškai, o kaip praktiškai? Šiuolaikinės su palydovais susietos navigacijos sistemos yra tokios tikslios būtent dėl ​​to. Jei jie neatsižvelgtų į reliatyvumo teoriją, matavimų skirtumas galėtų siekti kelis kilometrus.

"Kas yra reliatyvumo teorija?" - trumpas mokslo populiarinimo filmas, kurį 1964 m. režisavo Semyonas Raitburtas Antrojoje Mosnauchfilm kino studijos kūrybinėje asociacijoje.

Naujasis karaliaus protas [apie kompiuterius, mąstymą ir fizikos dėsnius] Rogeris Penrose'as

Einšteino bendroji reliatyvumo teorija

Prisiminkite didžiąją Galilėjaus atrastą tiesą: gravitacijos įtakoje visi kūnai krinta vienodai greitai. (Tai buvo puikus spėjimas, vargu ar paremtas empiriniais duomenimis, nes dėl oro pasipriešinimo plunksnos ir akmenys vis dar nestabiliai krenta. tuo pačiu metu! Galilėjus staiga suprato, kad jei oro pasipriešinimą galima sumažinti iki nulio, tada plunksnos ir akmenys nukristų į Žemę tuo pačiu metu.) Prireikė trijų šimtmečių, kol iš tikrųjų buvo suvokta gili šio atradimo reikšmė ir tapo kertiniu didžios teorijos akmeniu. Turiu omeny Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją – įspūdingą gravitacijos apibūdinimą, dėl kurio, kaip netrukus paaiškės, reikėjo įvesti sąvoką išlenktas erdvėlaikis !

Ką Galilėjaus intuityvus atradimas turi bendro su „erdvės ir laiko kreivumo“ idėja? Kaip galėjo būti, kad ši koncepcija, taip akivaizdžiai besiskirianti nuo Niutono schemos, pagal kurią dalelės greitinamos veikiant įprastoms gravitacinėms jėgoms, sugebėjo ne tik prilygti aprašymo tikslumui su Niutono teorija, bet ir ją pranokti? Ir kiek teisingas teiginys, kad atradus Galilėjus buvo kažkas tokio neturėjo vėliau įtraukta į Niutono teoriją?

Pradėsiu nuo paskutinio klausimo, nes į jį lengviausia atsakyti. Kas, remiantis Niutono teorija, valdo kūno pagreitį veikiant gravitacijai? Pirma, gravitacinė jėga veikia kūną. stiprumas , kuris pagal Niutono visuotinės gravitacijos dėsnį turi būti proporcingas kūno svoriui. Antra, pagreičio dydis, kurį patiria kūnas veikiant duota jėga, pagal antrąjį Niutono dėsnį, atvirkščiai proporcingas kūno svoriui. Nuostabus Galilėjaus atradimas priklauso nuo to, kad „masė“, patenkanti į Niutono visuotinės gravitacijos dėsnį, iš tikrųjų yra ta pati „masė“, kuri patenka į antrąjį Niutono dėsnį. (Vietoj „to paties“ galima sakyti „proporcingas“.) Dėl to kūno pagreitis veikiamas gravitacijos. nepriklauso nuo savo masės. Niutono bendrojoje schemoje nėra nieko, kas rodytų, kad abi masės sąvokos yra vienodos. Šis panašumas tik Niutonas postuluota. Iš tiesų, elektrinės jėgos yra panašios į gravitacines, nes abi yra atvirkščiai proporcingos atstumo kvadratui, tačiau elektrinės jėgos priklauso nuo elektros krūvis, kuris yra visiškai kitokio pobūdžio nei svorio antrajame Niutono dėsnyje. „Intuityvus Galilėjaus atradimas“ nebūtų taikomas elektrinėms jėgoms: apie kūnus (įkrautus kūnus), įmestus į elektrinį lauką, negalima sakyti, kad jie „krenta“ tokiu pat greičiu!

Tik trumpam priimti Galilėjaus intuityvus atradimas apie judėjimą veikiant gravitacija ir pabandykite išsiaiškinti, kokias pasekmes tai sukelia. Įsivaizduokite, kad Galilėjus meta du akmenis iš Pizos bokšto. Tarkime, kad vaizdo kamera yra standžiai pritvirtinta prie vieno iš akmenų ir nukreipta į kitą akmenį. Tada filme bus užfiksuota tokia situacija: akmuo tarsi sklendžia erdvėje nepatiria gravitacija (5.23 pav.)! Ir taip atsitinka būtent todėl, kad visi gravitacijos veikiami kūnai krenta vienodu greičiu.

Ryžiai. 5.23. Galilėjus meta du akmenis (ir vaizdo kamerą) iš Pizos bokšto

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje mes nepaisome oro pasipriešinimo. Mūsų laikais kosminiai skrydžiai suteikia mums geriausią galimybę išbandyti šias idėjas, nes kosmose nėra oro. Be to, „nukristi“ kosminėje erdvėje tiesiog reiškia judėjimą tam tikra orbita veikiant gravitacijai. Toks „kritimas“ nebūtinai turi įvykti tiesia linija žemyn – į Žemės centrą. Jis gali turėti horizontalų komponentą. Jei šis horizontalus komponentas yra pakankamai didelis, kūnas gali „nukristi“ žiedine orbita aplink Žemę nepriartėdamas prie jos paviršiaus! Kelionės laisva Žemės orbita veikiant gravitacijai yra labai sudėtingas (ir labai brangus!) „nukritimo“ būdas. Kaip ir aukščiau aprašytame vaizdo įraše, astronautas, „vaikščiodamas kosmose“, pamato priešais save sklandantį savo erdvėlaivį ir tarsi nepatiria gravitacijos iš didžiulio po juo esančio Žemės rutulio! (Žr. 5.24 pav.) Taigi, pereinant prie laisvojo kritimo „pagreitinto atskaitos rėmo“, galima lokaliai atmesti gravitacijos poveikį.

Ryžiai. 5.24. Astronautas mato priešais save sklandantį erdvėlaivį, tarsi jo nepaveiktų gravitacija.

Matome, kad laisvas kritimas leidžia Neįtraukti gravitacija, nes gravitacinio lauko veikimo poveikis yra toks pat kaip ir pagreičio. Iš tiesų, jei esate lifte, kuris juda su pagreičiu aukštyn, tuomet tiesiog jaučiate, kad tariamasis gravitacinis laukas didėja, o jei liftas juda su pagreičiu žemyn, tada jums atrodo, kad gravitacinis laukas mažėja. Jei trosas, ant kurio pakabinama kabina, nutrūktų, tada (neatsižvelgiant į oro pasipriešinimą ir trinties poveikį) atsirandantis pagreitis, nukreiptas žemyn (Žemės centro link), visiškai sunaikintų gravitacijos poveikį, o žmonės, įstrigę Lifto kabina pradėtų laisvai plūduriuoti.kosmose,kaip astronautas kosmose, kol kabina atsitrenks į žemę! Netgi traukinyje ar lėktuve pagreičiai gali būti tokie, kad keleivio gravitacijos dydžio ir krypties pojūtis gali nesutapti su tuo, kur įprasta patirtis rodo „aukštyn“ ir „žemyn“. Tai paaiškinama tuo, kad pagreičio ir gravitacijos veiksmai panašus tiek, kad mūsų pojūčiai nepajėgia atskirti vieno nuo kito. Šį faktą – kad vietinės gravitacijos apraiškos yra lygiavertės vietinėms pagreitinto atskaitos sistemos apraiškoms – pavadino Einšteinas. lygiavertiškumo principas .

Pirmiau minėti svarstymai yra „vietiniai“. Bet jei leidžiama atlikti (ne tik vietinius) matavimus pakankamai dideliu tikslumu, tai iš esmės galima nustatyti skirtumas tarp „tikrojo“ gravitacinio lauko ir grynojo pagreičio. Ant pav. 5 25 Šiek tiek perdėtai pavaizdavau, kaip iš pradžių stacionari sferinė dalelių konfigūracija, laisvai krintanti veikiama gravitacijos, pradeda deformuotis veikiama nehomogeniškumai(Niutono) gravitacinis laukas.

Ryžiai. 5.25. Potvynių poveikis. Dvigubos rodyklės rodo santykinį pagreitį (WEIL)

Šis laukas yra nevienalytis dviem aspektais. Pirma, kadangi Žemės centras yra tam tikru atstumu nuo krintančio kūno, dalelės, esančios arčiau Žemės paviršiaus, juda žemyn didesniu pagreičiu nei dalelės, esančios aukščiau (prisiminkime Niutono atvirkštinio proporcingumo Niutono atstumo kvadratui dėsnį). Antra, dėl tos pačios priežasties yra nedideli dalelių, užimančių skirtingas horizontalias padėtis, pagreičio krypčių skirtumai. Dėl šio nehomogeniškumo sferinė forma pradeda nežymiai deformuotis, virsdama „elipsoidu“. Pradinė sfera yra pailginta link Žemės centro (ir priešinga kryptimi), nes tos jos dalys, kurios yra arčiau Žemės centro, juda šiek tiek didesniu pagreičiu nei tos dalys, kurios yra toliau nuo Žemės centro. Žemė, o siaurėja horizontaliai, nes jos dalių, esančių horizontalaus skersmens galuose, pagreičiai yra šiek tiek pasvirę „į vidų“ – į Žemės centrą.

Šis deformuojantis veiksmas yra žinomas kaip potvynių efektas gravitacija. Jei Žemės centrą pakeistume Mėnuliu, o materialių dalelių sferą – Žemės paviršiumi, gautume tiksliai aprašytą Mėnulio, sukeliančio potvynius ir potvynius Žemėje, veikimo aprašymą, link besiformuojančių „kuprotų“. Mėnulis ir toli nuo Mėnulio. Potvynių efektas yra įprastas gravitacinių laukų bruožas, kurio negalima „pašalinti“ laisvu kritimu. Potvynių efektas yra Niutono gravitacinio lauko nehomogeniškumo matas. (Potvynių metmenų kiekis iš tikrųjų mažėja atvirkštiniu kubu, o ne atstumo nuo traukos centro kvadratu.)

Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis, pagal kurį jėga yra atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui, kaip paaiškėjo, gali būti lengvai interpretuojamas potvynių ir atoslūgių poveikiu: apimtis elipsoidas, į kurį iš pradžių deformuojasi rutulys, lygus pradinės sferos tūris – darant prielaidą, kad sfera supa vakuumą. Ši tūrio išsaugojimo savybė būdinga atvirkštinio kvadrato dėsniui; tai negalioja jokiems kitiems įstatymams. Tarkime, kad pradinė sfera yra apsupta ne vakuumo, o tam tikro kiekio medžiagos, kurios bendra masė M . Tada yra papildomas pagreičio komponentas, nukreiptas į sferos vidų dėl gravitacinio materijos traukos sferoje. Elipsoido tūris, į kurį iš pradžių deformuojasi mūsų medžiagos dalelių sfera, mažėja- pagal sumą proporcingas M . Elipsoido tūrio mažėjimo efekto pavyzdžiu susidurtume, jei savo sferą pasirinktume taip, kad ji suptų Žemę pastoviame aukštyje (5.26 pav.). Tada įprastas pagreitis dėl gravitacijos ir nukreiptas žemyn (ty į Žemės vidų) bus pati priežastis, kodėl mūsų sferos tūris mažėja.

Ryžiai. 5.26. Kai sfera supa kokią nors medžiagą (šiuo atveju Žemę), yra grynasis pagreitis, nukreiptas į vidų (RICCI).

Šioje tūrio susitraukimo savybėje slypi likusioji Niutono visuotinės gravitacijos dėsnio dalis, būtent, kad jėga yra proporcinga masei. traukiantis kūnas.

Pabandykime susidaryti tokios situacijos erdvės ir laiko vaizdą. Ant pav. 5.27 paveiksle nubrėžiau mūsų sferinio paviršiaus dalelių pasaulio linijas (5.25 paveiksle pavaizduotas kaip apskritimas) ir aprašiau atskaitos sistemą, kurioje sferos vidurio taškas atrodo ramybės būsenoje. ("laisvas kritimas").

Ryžiai. 5.27. Erdvės laiko kreivumas: potvynio efektas, pavaizduotas erdvėlaikyje

Bendrosios reliatyvumo teorijos pozicija yra tokia, kad laisvasis kritimas yra „natūralus judėjimas“ – analogiškas „vienodam tiesiniam judėjimui“, kuris sprendžiamas nesant gravitacijos. Taigi, mes bando apibūdinkite laisvąjį kritimą "tiesiomis" pasaulio linijomis erdvėje-laikyje! Bet jei pažvelgsite į pav. 5.27, tampa aišku, kad naudojimas žodžiai „tiesios linijos“ šių pasaulio linijų atžvilgiu gali suklaidinti skaitytoją, todėl terminologiniais tikslais pasaulio linijas vadinsime laisvai krintančių dalelių erdvėlaikyje – geodezinis .

Bet kuo gera ši terminija? Kas paprastai suprantama kaip „geodezinė“ linija? Apsvarstykite dvimačio lenkto paviršiaus analogiją. Geodezika yra tos kreivės, kurios tam tikrame paviršiuje (lokaliai) tarnauja kaip „trumpiausi keliai“. Kitaip tariant, jei įsivaizduosime sriegio gabalą, ištemptą per nurodytą paviršių (ir ne per ilgą, kad jis negalėtų paslysti), tada siūlas išsidės išilgai tam tikros geodezinės linijos paviršiuje.

Ryžiai. 5.28. Geodezinės linijos išlenktoje erdvėje: linijos susilieja erdvėje su teigiamu kreivumu ir skiriasi erdvėje su neigiamu kreivumu

Ant pav. 5.28 Pateikiau du paviršių pavyzdžius: pirmasis (kairėje) yra vadinamojo „teigiamo kreivumo“ paviršius (kaip ir sferos paviršius), antrasis – „neigiamo kreivumo“ paviršius (balno paviršius). Teigiamo kreivumo paviršiuje dvi gretimos geodezinės linijos, prasidedančios lygiagrečiai viena kitai nuo pradinių taškų, vėliau pradeda lenkti link vienas kitą; o neigiamo kreivumo paviršiuje jie įlinksta pusės vienas nuo kito.

Jei įsivaizduosime, kad laisvai krintančių dalelių pasaulio linijos tam tikra prasme elgiasi kaip geodezinės linijos ant paviršiaus, tada paaiškėtų, kad yra glaudi analogija tarp aukščiau aptarto gravitacinio potvynio efekto ir paviršiaus kreivumo poveikio, be to, kaip teigiamas kreivumas, taip neigiamas. Pažvelkite į pav. 5.25, 5.27. Matome, kad mūsų erdvėlaikyje prasideda geodezinės linijos skirtis viena kryptimi (kai jie „išsirikiuoja“ link Žemės) – kaip tai vyksta paviršiuje neigiamas kreivumas pav. 5.28 - ir metodas kitomis kryptimis (kai jie juda horizontaliai Žemės atžvilgiu) – kaip ir paviršiuje teigiamas kreivumas pav. 5.28. Taigi panašu, kad mūsų erdvėlaikis, kaip ir minėti paviršiai, taip pat turi „kreivumą“, tik sudėtingesnį, nes dėl didelio erdvėlaikio matmens su įvairiais poslinkiais jis gali būti mišraus pobūdžio, be yra grynai teigiamas, o ne vien neigiamas.

Iš to išplaukia, kad erdvėlaikio „kreivumo“ sąvoka gali būti naudojama gravitacinių laukų veikimui apibūdinti. Galimybė panaudoti tokį apibūdinimą galiausiai išplaukia iš intuityvaus Galilėjaus atradimo (ekvivalentiškumo principo) ir leidžia mums pašalinti gravitacinę „jėgą“ laisvojo kritimo pagalba. Iš tiesų, niekas, ką iki šiol sakiau, neperžengia Niutono teorijos ribų. Ką tik nupieštas paveikslas suteikia paprastai performulavimasši teorija. Tačiau kai bandome sujungti naują paveikslą su Minkovskio specialiosios reliatyvumo teorijos aprašymu, mums žinoma erdvės ir laiko geometrija taikoma. nebuvimas gravitacija – atsiranda nauja fizika. Šio derinio rezultatas yra bendroji reliatyvumo teorija Einšteinas.

Prisiminkime, ko Minkovskis mus išmokė. Mes turime (nesant gravitacijos) erdvėlaikį, turintį ypatingą „atstumo“ tarp taškų matą: jei erdvėlaikyje turime pasaulio liniją, apibūdinančią kokios nors dalelės trajektoriją, tai „atstumas“ ta prasme. Minkovskio, matuojant pagal šią pasaulio linijos linijas, suteikia laikas , iš tikrųjų gyveno dalelė. (Tiesą sakant, ankstesniame skyriuje šį „atstumą“ vertinome tik toms pasaulio linijoms, kurios susideda iš tiesių linijų atkarpų, tačiau aukščiau pateiktas teiginys galioja ir lenktoms pasaulio linijoms, jei „atstumas“ matuojamas išilgai kreivės.) Minkovskio geometrija laikoma tikslia, jei nėra gravitacinio lauko, t.y. jei erdvėlaikis neturi kreivumo. Tačiau esant gravitacijai, Minkovskio geometriją vertiname tik kaip apytikslę – lygiai taip pat, kaip plokščias paviršius tik apytiksliai atitinka lenkto paviršiaus geometriją. Įsivaizduokime, kad tirdami lenktą paviršių paimame mikroskopą, kuris duoda vis didesnį padidinimą – taip atrodo, kad lenkto paviršiaus geometrija vis labiau ištempta. Tokiu atveju paviršius mums atrodys vis lygesnis. Todėl sakome, kad išlenktas paviršius turi vietinę Euklido plokštumos struktūrą. Lygiai taip pat galime pasakyti, kad esant gravitacijai, erdvėlaikiui lokaliai aprašomas Minkovskio geometrija (tai yra plokščiosios erdvės-laiko geometrija), tačiau leidžiame tam tikrą „kreivumą“ didesnėmis mastelėmis (5.29 pav.).

Ryžiai. 5.29. Išlenktos erdvės-laiko paveikslas

Visų pirma, kaip ir Minkovskio erdvėje, bet kuris erdvės laiko taškas yra viršūnė šviesos kūgis- bet šiuo atveju šie šviesos kūgiai išsidėsto ne taip pat. 7 skyriuje susipažinsime su atskirais erdvės laiko modeliais, kuriuose aiškiai matomas šis šviesos kūgių išsidėstymo nehomogeniškumas (žr. 7.13, 7.14 pav.). Pasaulinės medžiagos dalelių linijos visada yra nukreiptos viduje šviesos kūgiai ir fotonų linijos - kartu šviesos kūgiai. Pagal bet kurią tokią kreivę galime įvesti „atstumą“ Minkovskio prasme, kuris yra dalelių pragyvento laiko matas taip pat, kaip ir Minkovskio erdvėje. Kaip ir lenkto paviršiaus atveju, ši „atstumo“ priemonė lemia geometrija paviršius, kuris gali skirtis nuo plokštumos geometrijos.

Geodezines linijas erdvėlaikyje dabar galima interpretuoti panašiai kaip dvimačių paviršių geodezines linijas, kartu atsižvelgiant į Minkovskio ir Euklido geometrijų skirtumus. Taigi mūsų erdvėlaikio geodezinės linijos yra ne (lokaliai) trumpiausios kreivės, o, priešingai, kreivės, kurios yra (lokaliai) maksimaliai padidinti„atstumas“ (t. y. laikas) pagal pasaulio liniją. Pasaulinės dalelių linijos, laisvai judančios veikiant gravitacijai, pagal šią taisyklę iš tiesų yra yra geodezinis. Visų pirma, dangaus kūnai, judantys gravitaciniame lauke, yra gerai aprašyti panašiomis geodezinėmis linijomis. Be to, šviesos spinduliai (fotonų pasaulio linijos) tuščioje erdvėje taip pat tarnauja kaip geodezinės linijos, tačiau šį kartą - nulinis"ilgis". Kaip pavyzdį schematiškai nubraižiau pav. 5.30 Žemės ir Saulės pasaulio linijos. Žemės judėjimas aplink Saulę apibūdinamas „kamščiatraukio“ linija, vingiuojančia aplink pasaulinę Saulės liniją. Toje pačioje vietoje pavaizdavau fotoną, ateinantį į Žemę iš tolimos žvaigždės. Jo pasaulio linija atrodo šiek tiek „išlenkta“ dėl to, kad šviesą (pagal Einšteino teoriją) iš tikrųjų nukreipia Saulės gravitacinis laukas.

Ryžiai. 5.30.Žemės ir Saulės pasaulinės linijos. Šviesos spindulį iš tolimos žvaigždės nukreipia saulė

Vis dar turime išsiaiškinti, kaip Niutono atvirkštinis kvadratas gali būti įtrauktas (po atitinkamos modifikacijos) į Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Grįžkime prie mūsų gravitaciniame lauke krentančių materialių dalelių sferos. Prisiminkite, kad jei sferos viduje yra tik vakuumas, tai pagal Niutono teoriją sferos tūris iš pradžių nekinta; bet jei sferos viduje yra materijos, turinčios bendrą masę M , tada tūris sumažėja proporcingai M . Einšteino teorijoje (mažai sferai) taisyklės yra visiškai vienodos, išskyrus tai, kad ne visus tūrio pokyčius lemia masė M ; yra (dažniausiai labai mažas) įnašas iš spaudimas kylantis sferos apsuptoje medžiagoje.

Išsamią matematinę keturmačio erdvėlaikio kreivumo išraišką (kuri turėtų apibūdinti potvynio poveikį dalelėms, judančioms bet kuriuo tašku visomis įmanomomis kryptimis) suteikia vadinamoji. Riemano kreivumo tenzorius . Tai gana sudėtingas objektas; norint jį apibūdinti, kiekviename taške būtina nurodyti dvidešimt realiųjų skaičių. Šie dvidešimt skaičių vadinami jo komponentai . Skirtingi komponentai atitinka skirtingus kreivumus skirtingomis erdvės ir laiko kryptimis. Riemano kreivumo tenzorius paprastai rašomas kaip R tjkl, bet kadangi nesinori paaiškinti, ką čia reiškia šie subindeksai (ir, žinoma, kas yra tenzorius), tai parašysiu tiesiog taip:

RIMANAS .

Yra būdas padalyti šį tenzorių į dvi dalis, atitinkamai vadinamas tenzoriumi WEIL ir tenzoras RIČIS (kiekvienas iš dešimties komponentų). Paprastai šį skaidinį parašysiu taip:

RIMANAS = WEIL + RIČIS .

(Dabar mūsų tikslams visiškai nereikalingas išsamus Weylio ir Ricci tenzorių įrašas.) Weil tenzoras WEIL tarnauja kaip matas potvynių deformacija mūsų laisvai krintančių dalelių sfera (t.y. keičiasi pradinė forma, o ne dydis); o Ricci tenzoras RIČIS yra pradinio tūrio kitimo matas. Prisiminkite, kad Niutono gravitacijos teorija to reikalauja svorio esantis mūsų krintančioje sferoje buvo proporcingas šiam pradinio tūrio pokyčiui. Tai reiškia, kad, grubiai tariant, tankis masės materija arba, lygiaverčiai, tankis energijos (nes E = mc 2 ) – seka prilyginti Ricci tenzoras.

Iš esmės būtent taip yra bendrosios reliatyvumo teorijos lauko lygtys, būtent - Einšteino lauko lygtys . Tiesa, čia yra tam tikrų techninių subtilybių, į kurias, tačiau, dabar geriau nesigilinti. Pakanka pasakyti, kad yra objektas, vadinamas tenzoriumi energija-momentas , kuriame yra visa esminė informacija apie medžiagos ir elektromagnetinių laukų energiją, slėgį ir impulsą. Aš tai pavadinsiu tenzoriumi ENERGIJA . Tada Einšteino lygtis gali būti labai schematiškai pavaizduota tokia forma:

RIČIS = ENERGIJA .

(Tai yra „slėgio“ buvimas tenzoryje ENERGIJA kartu su tam tikrais lygčių, kaip visumos, nuoseklumo reikalavimais, reikia atsižvelgti į slėgį aukščiau aprašytame tūrio mažinimo efekte.)

Atrodo, kad aukščiau pateiktas ryšys nieko nesako apie Weyl tenzorių. Tačiau tai atspindi vieną svarbią savybę. Potvynių efektas, atsirandantis tuščioje erdvėje, yra dėl to WEILEM . Iš tiesų, iš aukščiau pateiktų Einšteino lygčių matyti, kad yra diferencialas susijusias lygtis WEIL Su ENERGIJA - beveik kaip Maksvelo lygtyse, su kuriomis susidūrėme anksčiau. Iš tiesų, požiūris, kad WEIL turėtų būti laikomas tam tikru gravitaciniu elektromagnetinio lauko (iš tikrųjų tenzoriaus - Maksvelo tenzoriaus) analogu, aprašytu pora ( E , AT ) atrodo labai vaisingas. Tokiu atveju WEIL tarnauja kaip tam tikras gravitacinio lauko matas. „šaltinis“. WEIL yra ENERGIJA - kaip elektromagnetinio lauko šaltinis ( E , AT ) yra ( ? , j ) – Maksvelo teorijos krūvių ir srovių rinkinys. Šis požiūris mums bus naudingas 7 skyriuje.

Gali atrodyti gana stebėtina, kad esant tokiems reikšmingiems formulavimo ir pagrindinių idėjų skirtumams, gana sunku rasti pastebimų skirtumų tarp Einšteino teorijų ir teorijos, kurią Niutonas iškėlė prieš du su puse šimtmečio. Bet jei nagrinėjami greičiai yra maži, palyginti su šviesos greičiu Su , o gravitaciniai laukai nėra per stiprūs (todėl pabėgimo greitis yra daug mažesnis Su 7 skyrių „Galileo ir Niutono dinamika“), tada Einšteino teorija iš esmės duoda tuos pačius rezultatus kaip ir Niutono teorija. Tačiau tose situacijose, kai šių dviejų teorijų prognozės skiriasi, Einšteino teorijos prognozės pasirodo tikslesnės. Iki šiol buvo atlikta daugybė labai įspūdingų eksperimentinių bandymų, kurie leidžia manyti, kad nauja Einšteino teorija yra pagrįsta. Laikrodžiai, pasak Einšteino, gravitaciniame lauke veikia šiek tiek lėčiau. Šis poveikis dabar buvo tiesiogiai matuojamas keliais būdais. Šviesos ir radijo signalai linksta prie Saulės ir šiek tiek vėluoja, kad stebėtojas juda link jų. Šiuos efektus, kuriuos iš pradžių numatė bendroji reliatyvumo teorija, dabar patvirtino patirtis. Kosminiams zondams ir planetoms judėti reikia atlikti nedidelius Niutono orbitų pataisymus, kaip matyti iš Einšteino teorijos – šios pataisos dabar taip pat patikrintos empiriškai. (Ypač Merkurijaus planetos judėjimo anomaliją, vadinamą „perihelio poslinkiu“, kuri astronomus kamuoja nuo 1859 m., Einšteinas paaiškino 1915 m.) Galbūt įspūdingiausias iš visų yra sistemos stebėjimų serija. paskambino dvigubas pulsaras, kurį sudaro dvi mažos masyvios žvaigždės (galbūt dvi „neutroninės žvaigždės“, žr. 7 skyrių „Juodosios skylės“). Ši stebėjimų serija labai gerai sutampa su Einšteino teorija ir yra tiesioginis efekto, kurio visiškai nėra Niutono teorijoje – emisijos – testas. gravitacinės bangos. (Gravitacinė banga yra elektromagnetinės bangos analogas ir sklinda šviesos greičiu Su .) Nėra patikrintų stebėjimų, kurie prieštarautų bendrajai Einšteino reliatyvumo teorijai. Nepaisant visų keistumo (iš pirmo žvilgsnio), Einšteino teorija veikia iki šiol!

Iš knygos Šiuolaikinis mokslas ir filosofija: Fundamentinių tyrimų būdai ir filosofijos perspektyvos autorius Kuznecovas B. G.

Iš knygos Mitkovskio šokiai autorius Vladimiras Nikolajevičius Shinkarevas

Bendroji Mitkovo šokio teorija 1. Sumanūs vertėjai Jau niekam ne paslaptis, kad šokiai, tiksliau, šokiai, yra labiausiai paplitusi mitkų kūrybos forma; tai nepaneigiama. Mitkovo šokio fenomeno interpretacija yra prieštaringa.

Iš knygos Šiuolaikinis mokslas ir filosofija: Fundamentinių tyrimų būdai ir filosofijos perspektyvos autorius Kuznecovas B. G.

Reliatyvumo teorija, kvantinė mechanika ir atominio amžiaus pradžia XX amžiaus trečiajame ir trečiajame dešimtmetyje dažnai buvo kalbama apie gilesnį kvantinių idėjų poveikį, apie radikalesnį neapibrėžtumo principo ir kvantinės mechanikos išvadų pobūdį. , palyginti su

Iš knygos Filosofinis proto, materijos, moralės žodynas [fragmentai] pateikė Russellas Bertrandas

107. Bendroji reliatyvumo teorija Bendroji reliatyvumo teorija (GR) – paskelbta 1915 m., praėjus 10 metų po Specialiosios teorijos (STR) atsiradimo – pirmiausia buvo geometrinė gravitacijos teorija. Ši teorijos dalis gali būti laikoma tvirtai nusistovėjusia. Tačiau ji

Iš knygos „Trumpa filosofijos istorija“ [Non Boring Book] autorius Gusevas Dmitrijus Aleksejevičius

108. Specialioji reliatyvumo teorija. Čia reikėjo atsižvelgti

Iš knygos Lovers of Wisdom [Ką šiuolaikinis žmogus turėtų žinoti apie filosofinės minties istoriją] autorius Gusevas Dmitrijus Aleksejevičius

12.1. Šviesos greičiu... (Reliatyvumo teorija) Antrojo mokslinio pasaulio paveikslo atsiradimas pirmiausia buvo siejamas su geocentrizmo pakeitimu heliocentrizmu. Trečiasis mokslinis pasaulio paveikslas apskritai atsisakė bet kokio centrizmo. Pagal naujas idėjas Visata tapo

Iš knygos „Fizika ir filosofija“. autorius Heisenbergas Verneris Karlas

Reliatyvumo teorija. Šviesos greičiu Antrojo mokslinio pasaulio paveikslo atsiradimas pirmiausia buvo susijęs su geocentrizmo kaita heliocentrizmu. Trečiasis mokslinis pasaulio paveikslas apskritai atsisakė bet kokio centrizmo. Pagal naujas idėjas Visata tapo

Iš knygos Tolimoji Visatos ateitis [Eschatologija kosminėje perspektyvoje] pateikė Ellis George

VII. RELIatyvumo teorija Reliatyvumo teorija visada vaidino ypač svarbų vaidmenį šiuolaikinėje fizikoje. Jame pirmą kartą buvo parodyta būtinybė periodiškai keisti esminius fizikos principus. Todėl iškeltų klausimų aptarimas ir

Iš knygos Kartą Platonas įėjo į barą ... Filosofijos supratimas per juokelius autorius Cathcart Thomas

17.2.1. Einšteino bendroji reliatyvumo teorija (GR) / Didžiojo sprogimo kosmologija 1915 m. Albertas Einšteinas paskelbė GR lauko lygtis, susiejančias erdvėlaikio kreivumą su erdvėlaikyje paskirstyta energija: R?? - ?Rg?? = 8?T??. Supaprastinta

Iš knygos Chaosas ir struktūra autorius Losevas Aleksejus Fiodorovičius

17.5.2.3. Tekantis laikas fizikoje: specialioji reliatyvumo teorija, bendroji reliatyvumo teorija, kvantinė mechanika ir termodinamika Greita keturių šiuolaikinės fizikos sričių apžvalga: specialusis reliatyvumas (SRT), bendrasis reliatyvumas (GR), kvantinis.

Iš knygos „Nuostabi filosofija“. autorius Gusevas Dmitrijus Aleksejevičius

IX Reliatyvumo teorija Ką čia galima pasakyti? Kiekvienas žmogus šį terminą supranta skirtingai. Dimitri: Mano drauge, tavo problema ta, kad tu per daug galvoji. Tasso: Palyginti su kuo? Dimitri: Palyginus, pavyzdžiui, su Achilu Tasso: Ir lyginant su

Iš knygos The New Mind of the King [Apie kompiuterius, mąstymą ir fizikos dėsnius] autorius Penrose'as Rogeris

BENDROJI SKAIČIŲ TEORIJA § 10. Įvadas Skaičius yra tokia pagrindinė ir gili būties ir sąmonės kategorija, kad ją apibrėžti ir apibūdinti galima imti tik pačius pradinius, abstraktiausius abiejų momentus. Matematika yra skaičių mokslas

Iš knygos Laiko sugrįžimas [Iš senovės kosmogonijos į ateities kosmologiją] autorius Smolin Lee

Šviesos greičiu. Reliatyvumo teorija Antrojo mokslinio pasaulio paveikslo atsiradimas pirmiausia buvo siejamas su geocentrizmo kaita heliocentrizmu. Trečiasis mokslinis pasaulio paveikslas apskritai atsisakė bet kokio centrizmo. Pagal naujas idėjas Visata tapo

Iš knygos Kalba, ontologija ir realizmas autorius Makeeva Lolita Bronislavovna

Specialioji Einšteino ir Puankarės reliatyvumo teorija Prisiminkite Galilėjaus reliatyvumo principą, teigiantį, kad Niutono ir Galilėjaus fiziniai dėsniai išliks visiškai nepakitę, jei pereisime nuo ramybės atskaitos sistemos prie kitos, judėdami tolygiai.

Iš autorės knygos

14 skyrius Reliatyvumo teorija ir laiko sugrįžimas Taigi laiko tikrovės pripažinimas atveria naujus būdus suprasti, kaip visata pasirenka dėsnius, taip pat būdus, kaip išspręsti kvantinės mechanikos sunkumus. Tačiau vis tiek turime įveikti rimtą

Iš autorės knygos

2.4. Ontologinio reliatyvumo ir realizmo teorija Iš vertimo neapibrėžtumo tezės ir ontologinių įsipareigojimų idėjos seka ontologinis reliatyvumas, o tai visų pirma reiškia, kad nuoroda yra nesuprantama, kad negalime žinoti, kas

Dar XX amžiaus pradžioje buvo suformuluota reliatyvumo teorija. Kas tai yra ir kas yra jo kūrėjas, šiandien žino kiekvienas studentas. Tai taip žavu, kad juo domisi net nuo mokslo nutolę žmonės. Šiame straipsnyje reliatyvumo teorija aprašoma prieinama kalba: kas tai yra, kokie jos postulatai ir taikymas.

Jie sako, kad Albertas Einšteinas, jo kūrėjas, akimirksniu išgyveno epifaniją. Atrodė, kad mokslininkas važiavo tramvajumi Šveicarijos Berne. Jis pažvelgė į gatvės laikrodį ir staiga suprato, kad laikrodis sustos, jei tramvajus įsibėgėtų iki šviesos greičio. Tokiu atveju nebūtų laiko. Laikas vaidina labai svarbų vaidmenį reliatyvumo teorijoje. Vienas iš Einšteino suformuluotų postulatų yra tas, kad skirtingi stebėtojai skirtingai suvokia tikrovę. Tai ypač pasakytina apie laiką ir atstumą.

Stebėtojo padėties apskaita

Tą dieną Albertas suprato, kad, kalbant mokslo kalba, bet kokio fizinio reiškinio ar įvykio aprašymas priklauso nuo to, kokioje atskaitos sistemoje yra stebėtojas. Pavyzdžiui, jei tramvajaus keleivė numes akinius, jie jos atžvilgiu nukris vertikaliai žemyn. Jei pažvelgsite iš gatvėje stovinčio pėsčiojo padėties, tada jų kritimo trajektorija atitiks parabolę, nes tramvajus juda ir tuo pačiu metu krenta stiklai. Taigi kiekvienas turi savo atskaitos sistemą. Siūlome išsamiau apsvarstyti pagrindinius reliatyvumo teorijos postulatus.

Paskirstytojo judėjimo dėsnis ir reliatyvumo principas

Nepaisant to, kad keičiantis atskaitos rėmams įvykių aprašymai keičiasi, yra ir universalių dalykų, kurie nesikeičia. Norint tai suprasti, reikia kelti ne akinių kritimo klausimą, o gamtos dėsnį, sukeliantį šį kritimą. Bet kuriam stebėtojui, nepriklausomai nuo to, ar jis yra judančioje ar nejudančioje koordinačių sistemoje, atsakymas į jį lieka nepakitęs. Šis dėsnis vadinamas paskirstyto judėjimo dėsniu. Vienodai gerai veikia tiek tramvajuje, tiek gatvėje. Kitaip tariant, jei įvykių aprašymas visada priklauso nuo to, kas juos stebi, tai gamtos dėsniams tai negalioja. Jie, kaip įprasta sakyti moksline kalba, yra nekintami. Tai yra reliatyvumo principas.

Dvi Einšteino teorijos

Šį principą, kaip ir bet kurią kitą hipotezę, pirmiausia reikėjo patikrinti, susiejant jį su gamtos reiškiniais, veikiančiais mūsų tikrovėje. Einšteinas išvedė 2 teorijas iš reliatyvumo principo. Nors jie yra susiję, jie laikomi atskirais.

Privatioji, arba specialioji, reliatyvumo teorija (SRT) remiasi nuostata, kad visoms galimoms atskaitos sistemoms, kurių greitis yra pastovus, gamtos dėsniai išlieka tie patys. Bendroji reliatyvumo teorija (GR) išplečia šį principą bet kokiai atskaitos sistemai, įskaitant tuos, kurie juda su pagreičiu. 1905 metais A. Einšteinas paskelbė pirmąją teoriją. Antrąjį, sudėtingesnį matematinio aparato atžvilgiu, jis baigė iki 1916 m. Reliatyvumo teorijos, tiek SRT, tiek GR, sukūrimas tapo svarbiu fizikos raidos etapu. Pažvelkime į kiekvieną iš jų atidžiau.

Specialioji reliatyvumo teorija

Kas tai yra, kokia jo esmė? Atsakykime į šį klausimą. Būtent ši teorija numato daugybę paradoksalių padarinių, kurie prieštarauja mūsų intuityvioms idėjoms apie tai, kaip veikia pasaulis. Kalbame apie tuos efektus, kurie pastebimi judėjimo greičiui artėjant prie šviesos greičio. Garsiausias iš jų yra laiko išsiplėtimo efektas (laikrodžiai). Laikrodžiai, kurie juda stebėtojo atžvilgiu, jam yra lėtesni nei tie, kurie yra jo rankose.

Koordinačių sistemoje judant greičiu, artimu šviesos greičiui, laikas ištempiamas stebėtojo atžvilgiu, o objektų ilgis (erdvinis mastas), priešingai, suspaudžiamas išilgai šio judėjimo krypties ašies. . Mokslininkai šį efektą vadina Lorentzo-Fitzgeraldo susitraukimu. 1889 m. jį aprašė italų fizikas George'as Fitzgeraldas. O 1892 metais ją papildė olandas Hendrikas Lorencas. Šis efektas paaiškina neigiamą rezultatą, kurį duoda Michelson-Morley eksperimentas, kuriame mūsų planetos greitis kosmose nustatomas matuojant „eterinį vėją“. Tai yra pagrindiniai reliatyvumo teorijos postulatai (specialieji). Einšteinas papildė šias masines transformacijas pagal analogiją. Anot jos, kūno greičiui artėjant prie šviesos greičio, kūno masė didėja. Pavyzdžiui, jei greitis yra 260 tūkstančių km / s, tai yra 87% šviesos greičio, stebėtojo, kuris yra ramybės atskaitos sistemoje, požiūriu, objekto masė padvigubės.

Degalinių patvirtinimai

Visos šios pozicijos, kad ir kaip jos prieštarautų sveikam protui, nuo Einšteino laikų surado tiesioginį ir visišką patvirtinimą įvairiais eksperimentais. Vieną iš jų atliko Mičigano universiteto mokslininkai. Ši įdomi patirtis patvirtina fizikos reliatyvumo teoriją. Į lėktuvą, reguliariai vykdantį transatlantinius skrydžius, mokslininkai įsodino itin tiksliai, kiekvieną kartą grąžinus jį į oro uostą, šių laikrodžių rodmenys buvo lyginami su kontrolinių. Paaiškėjo, kad lėktuvo laikrodis kaskart vis labiau atsilikdavo nuo valdymo. Žinoma, buvo kalbama tik apie nereikšmingus skaičius, sekundės dalis, bet pats faktas yra labai orientacinis.

Pastarąjį pusę amžiaus mokslininkai tiria elementarias daleles greitintuvuose – didžiuliuose aparatūros kompleksuose. Juose elektronų arba protonų, tai yra įkrautų, pluoštai greitinami tol, kol jų greitis priartėja prie šviesos greičio. Po to jie šaudo į branduolinius taikinius. Šiuose eksperimentuose būtina atsižvelgti į tai, kad dalelių masė didėja, kitaip eksperimento rezultatai negali būti interpretuojami. Šiuo atžvilgiu SRT jau seniai nebėra tik hipotetinė teorija. Kartu su Niutono mechanikos dėsniais jis tapo vienu iš taikomosios inžinerijos įrankių. Reliatyvumo teorijos principai mūsų dienomis surado puikų praktinį pritaikymą.

SRT ir Niutono dėsniai

Beje, kalbant apie (šio mokslininko portretas pateiktas aukščiau), reikia pasakyti, kad specialioji reliatyvumo teorija, kuri, atrodytų, joms prieštarauja, iš tikrųjų beveik tiksliai atkuria Niutono dėsnių lygtis, jei taip yra. naudojamas apibūdinti kūnus, kurių greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį. Kitaip tariant, jei taikoma specialioji reliatyvumo teorija, Niutono fizika visai neatšaukiama. Ši teorija, priešingai, ją papildo ir išplečia.

Šviesos greitis yra universali konstanta

Naudojant reliatyvumo principą, galima suprasti, kodėl šiame pasaulio sandaros modelyje labai svarbų vaidmenį vaidina šviesos greitis, o ne kažkas kita. Šį klausimą užduoda tie, kurie dar tik pradeda pažintį su fizika. Šviesos greitis yra universali konstanta dėl to, kad ją kaip tokią apibrėžia gamtos mokslų dėsnis (daugiau apie tai galima sužinoti tyrinėjant Maksvelo lygtis). Šviesos greitis vakuume dėl reliatyvumo principo yra vienodas bet kurioje atskaitos sistemoje. Galite manyti, kad tai prieštarauja sveikam protui. Pasirodo, stebėtojas vienu metu gauna šviesą ir iš nejudančio šaltinio, ir iš judančio šaltinio (nepriklausomai nuo to, kaip greitai jis juda). Tačiau taip nėra. Šviesos greičiui dėl savo ypatingo vaidmens skiriama pagrindinė vieta ne tik specialiojoje, bet ir bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Pakalbėkime apie ją.

Bendroji reliatyvumo teorija

Jis naudojamas, kaip jau minėjome, visoms atskaitos sistemoms, nebūtinai toms, kurių greitis vienas kito atžvilgiu yra pastovus. Matematiškai ši teorija atrodo daug sudėtingesnė nei specialioji. Tai paaiškina faktą, kad tarp jų publikacijų praėjo 11 metų. Bendrasis reliatyvumas apima specialųjį kaip specialų atvejį. Todėl į jį įtraukti ir Niutono dėsniai. Tačiau bendrasis reliatyvumas yra daug toliau nei jo pirmtakai. Pavyzdžiui, tai nauju būdu paaiškina gravitaciją.

Ketvirta dimensija

Bendrojo reliatyvumo dėka pasaulis tampa keturmatis: laikas pridedamas prie trijų erdvinių dimensijų. Visi jie yra neatsiejami, todėl nebereikia kalbėti apie erdvinį atstumą, egzistuojantį trimačiame pasaulyje tarp dviejų objektų. Dabar kalbame apie erdvinius-laikinius intervalus tarp įvairių įvykių, sujungiančius jų erdvinį ir laikinį nutolimą vienas nuo kito. Kitaip tariant, laikas ir erdvė reliatyvumo teorijoje laikomi savotišku keturmačiu kontinuumu. Jį galima apibrėžti kaip erdvėlaikį. Tam tikrame kontinuume tie stebėtojai, kurie juda vienas kito atžvilgiu, turės skirtingas nuomones net apie tai, ar du įvykiai įvyko tuo pačiu metu, ar vienas iš jų buvo prieš kitą. Tačiau priežastinis ryšys nėra pažeistas. Kitaip tariant, tokios koordinačių sistemos egzistavimas, kai du įvykiai vyksta skirtinga seka, o ne vienu metu, neleidžia net bendrojo reliatyvumo.

Bendrasis reliatyvumas ir visuotinės gravitacijos dėsnis

Pagal Niutono atrastą visuotinės gravitacijos dėsnį, Visatoje tarp bet kurių dviejų kūnų egzistuoja abipusės traukos jėga. Žemė iš šios padėties sukasi aplink Saulę, nes tarp jų yra abipusės traukos jėgos. Nepaisant to, bendrasis reliatyvumas verčia pažvelgti į šį reiškinį kitu kampu. Gravitacija, pagal šią teoriją, yra erdvėlaikio „kreivumo“ (deformacijos), stebimo veikiant masei, pasekmė. Kuo sunkesnis kūnas (mūsų pavyzdyje – Saulė), tuo labiau po juo „lenkiasi“ erdvėlaikis. Atitinkamai, jo gravitacinis laukas yra stipresnis.

Norėdami geriau suprasti reliatyvumo teorijos esmę, pereikime prie palyginimo. Žemė, pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, sukasi aplink Saulę, kaip mažas rutulys, kuris rieda aplink piltuvo kūgį, susidariusį Saulei „permušus“ erdvėlaikį. Ir tai, ką mes laikėme gravitacijos jėga, iš tikrųjų yra išorinė šio kreivumo apraiška, o ne jėga, Niutono supratimu. Geresnio gravitacijos reiškinio paaiškinimo nei siūloma bendrojoje reliatyvumo teorijoje iki šiol nerasta.

Bendrojo reliatyvumo tikrinimo metodai

Atkreipkite dėmesį, kad bendrąjį reliatyvumą nėra lengva patikrinti, nes jo rezultatai laboratorinėmis sąlygomis beveik atitinka visuotinės gravitacijos dėsnį. Tačiau mokslininkai vis tiek atliko keletą svarbių eksperimentų. Jų rezultatai leidžia daryti išvadą, kad Einšteino teorija pasitvirtina. Bendroji reliatyvumo teorija taip pat padeda paaiškinti įvairius erdvėje stebimus reiškinius. Tai, pavyzdžiui, nedideli Merkurijaus nukrypimai nuo stacionarios orbitos. Niutono klasikinės mechanikos požiūriu jų negalima paaiškinti. Dėl šios priežasties tolimų žvaigždžių elektromagnetinė spinduliuotė yra sulenkta, kai ji keliauja arti Saulės.

Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozuojami rezultatai iš tikrųjų labai skiriasi nuo Niutono dėsnių (jo portretas pateiktas aukščiau), tik tada, kai yra ypač stiprūs gravitaciniai laukai. Todėl norint visiškai patikrinti bendrąjį reliatyvumą, reikia arba labai tikslių didžiulės masės objektų, arba juodųjų skylių matavimų, nes mūsų įprastos idėjos jiems netaikomos. Todėl šios teorijos tikrinimo eksperimentinių metodų kūrimas yra vienas pagrindinių šiuolaikinės eksperimentinės fizikos uždavinių.

Daugelio mokslininkų ir net nuo mokslo nutolusių žmonių protus užima Einšteino sukurta reliatyvumo teorija. Kas tai yra, trumpai papasakojome. Ši teorija apverčia mums įprastas idėjas apie pasaulį, todėl susidomėjimas ja vis tiek neblėsta.