Pentru o lungă perioadă de timp niciun om de știință din lume nu se putea compara cu Isaac Newton în influența pe care a avut-o asupra ideilor omenirii despre natură. O astfel de persoană s-a născut în 1879 în orașul german Ulm, iar numele său era Albert Einstein.

Einstein s-a născut în familia unui comerciant de produse electrice și a studiat la gimnaziu obișnuit la München, nu a fost deosebit de harnic, apoi nu a putut trece examenele de admitere la Politehnica din Zurich și a absolvit școala cantonală din orașul Aarau. Abia la a doua încercare a intrat la Politehnică. Pentru un tânăr Limbile și istoria au fost dificile pentru el, dar devreme a arătat abilități mari în matematică, fizică și muzică, devenind un bun violonist.

În vara anului 1900, Einstein a primit o diplomă de profesor de fizică. Doar doi ani mai târziu, la recomandarea prietenilor, s-a angajat loc de muncă permanent expert la Oficiul Federal de Brevete din Berna. Einstein a lucrat acolo din 1902 până în 1909. Îndatoririle sale oficiale i-au lăsat suficient timp să se gândească la problemele științifice. Anul 1905 s-a dovedit a fi cel mai de succes pentru Einstein - fizicianul în vârstă de 26 de ani a publicat cinci articole, care au fost ulterior recunoscute drept capodopere ale gândirii științifice. Lucrarea „Dintr-un punct de vedere euristic asupra apariției și transformării luminii” conținea o ipoteză despre cuantele de lumină - particule elementare radiatii electromagnetice. Ipoteza lui Einstein a făcut posibilă explicarea efectului fotoelectric: apariția unui curent atunci când o substanță este iluminată cu radiații de unde scurte. Efectul a fost descoperit în 1886 de Hertz și nu s-a încadrat în cadrul noua teorie Sveta. Pentru această lucrare, Einstein a primit mai târziu Premiul Nobel. Descoperirea lui Einstein a creat baza ideologică pentru modelul Rutherford-Bohr al atomului, conform căruia lumina este emisă și absorbită în porțiuni (quanta), și conceptul lui Louis de Broglie de „unde de materie”. Nu cu mult timp înainte, Max Planck a descoperit că căldura este emisă și de cuante. S-a realizat o sinteză din două puncte de vedere aparent incompatibile asupra naturii luminii, exprimate la un moment dat de Huygens și Newton.

Articolul lui Einstein „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”, publicat în același 1905, poate fi considerat o introducere în teoria relativității speciale, care a revoluționat ideile despre spațiu și timp.

Ideile științifice naturale despre spațiu și timp au parcurs un drum lung în dezvoltare. Multă vreme, principalele au fost ideile de zi cu zi despre spațiu și timp, ca un fel de conditii externe ființe în care este plasată materia și care ar supraviețui chiar dacă materia ar dispărea. Această viziune a făcut posibilă formularea conceptului de spațiu și timp absolut, care a primit formularea cea mai clară în lucrarea lui Newton „Principiile matematice ale filosofiei naturale”.

Teoria specială a relativității, creată în 1905 de Einstein, a fost rezultatul unei generalizări și sinteze a mecanicii clasice a lui Galileo - Newton și a electrodinamicii lui Maxwell - Lorentz. Descrie legile tuturor proceselor fizice la viteze apropiate de viteza luminii, dar fără a ține cont de câmpul gravitațional. Pe măsură ce viteza de mișcare scade, se reduce la mecanica clasică, care se dovedește a fi cazul său special. Punctul de plecare al acestei teorii a fost principiul relativității, din care rezultă că nu există o diferență fundamentală între repaus și mișcare – dacă este uniformă și rectilinie. Conceptele de repaus și mișcare capătă sens numai atunci când este indicat un punct de referință. În conformitate cu teoria relativității speciale, care unește spațiul și timpul într-un singur continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni, proprietățile spațiu-timp ale corpurilor depind de viteza mișcării lor. Dimensiunile spațiale sunt reduse în direcția mișcării pe măsură ce viteza corpurilor se apropie de viteza luminii în vid (300 mii km/s), procesele de timp încetinesc în sistemele cu mișcare rapidă și masa corporală crește.

Fiind într-un cadru de referință comoving, adică deplasându-se paralel și la aceeași distanță de sistemul măsurat, este imposibil de observat aceste efecte, care se numesc relativiste, deoarece toate scările și părțile spațiale utilizate în măsurători se vor schimba exact în același mod. . Conform principiului relativității, toate procesele din sistemele de referință inerțiale decurg în același mod. Dar dacă sistemul este non-inerțial, atunci efectele relativiste pot fi observate și modificate. Deci, dacă o navă relativistă imaginară merge către stele îndepărtate, atunci după ce se întoarce pe Pământ, va trece mai puțin timp în sistemul navei decât pe Pământ, iar această diferență va fi mai mare cu cât zborul este mai departe și viteza navei. va fi mai aproape de viteza luminii. Teoria lui Einstein a folosit poziția de bază conform căreia nimic din Univers nu se poate mișca mai repede decât lumina în vid și viteza luminii rămâne constantă pentru toți observatorii, indiferent de viteza propriei mișcări în spațiu.

Articolul „Inerția unui corp depinde de conținutul de energie din acesta?” a finalizat crearea teoriei relativiste (din latină relativus - „rudă”). Aici, pentru prima dată, a fost dovedită legătura dintre masă și energie, în notație modernă – E = mc2. Einstein a scris: „...dacă un corp emite energie E sub formă de radiație, atunci masa lui scade cu E/c2... Masa unui corp este o măsură a energiei conținute în el.” Această descoperire a depășit granițele fizicii, tehnologiei și filosofiei și determină, în mod indirect, până astăzi, soarta umanității. Deci, energia atomică este, strict vorbind, masă transformată în energie.

Apariția unor astfel de lucrări de epocă nu i-a adus lui Einstein recunoaștere imediată, el a fost încă obligat să lucreze în oficiul de brevete. Abia în primăvara anului 1909 Einstein a fost ales profesor de fizică teoretică la Politehnica din Zurich și a putut să părăsească biroul. În 1913, omul de știință a fost ales membru al Academiei Prusace de Științe. La Berlin, Einstein a primit condiții favorabile pentru a-și continua activitatea științifică. În 1916 a publicat „Fundamentals of the General Theory of Relativity”. Ideile lui Einstein erau, în ochii oamenilor de știință teoreticieni și cu atât mai mult în propriii lui ochi, nu atât de strict practice, cât sens filozofic. El a creat o imagine armonioasă a Universului.

În 1921 Einstein a primit Premiul Nobel pentru „servicii în domeniul fizicii teoretice și mai ales pentru descoperirea legii efectului fotoelectric”. Acordarea acestui premiu unui evreu a dus la o creștere bruscă a sentimentului antisemit în Germania. Atacurile asupra lui Einstein s-au intensificat, dar el a continuat să fie activ munca stiintifica, a ținut multe prelegeri publice.

În 1932, fizicianul a plecat într-o altă călătorie în SUA și nu s-a mai întors acasă - Hitler a ajuns la putere acolo, iar geniul recunoscut internațional nu se aștepta la nimic bun de la el. De atunci, Einstein a lucrat în America. În 1939, el a trimis o scrisoare președintelui Roosevelt prin care cere crearea unei bombe atomice cât mai repede posibil pentru a elimina monopolul Germaniei. Ultimul nu a primit-o niciodată teribilă armă, dar proiectul, susținut de guvernul SUA, după cum știm, s-a încheiat „cu succes”, iar Einstein are foarte mult de-a face cu asta. Cu toate acestea, el a condamnat ferm bombardamentele de la Hiroshima și Nagasaki. Omul de știință a murit la Princeton în 1955. El a fost amintit de contemporanii săi nu numai pentru teoria relativității, care, de fapt, este cel puțin aproximativ înțeleasă de un procent nesemnificativ din populația lumii, ci și pentru excentricitatea și umorul inimitabil.

Una dintre perle gândirii științifice din tiara cunoașterii umane cu care am intrat în secolul XXI este Teoria Generală a Relativității (denumită în continuare GTR). Această teorie a fost confirmată de nenumărate experimente. Voi spune mai multe, nu există un singur experiment în care observațiile noastre să difere măcar puțin, chiar puțin, de predicțiile Teoriei Generale a Relativității. În limitele aplicabilității sale, desigur.

Astăzi vreau să vă spun ce fel de fiară este această Teorie Generală a Relativității. De ce este atât de dificil și de ce De fapt e atât de simplă. După cum ați înțeles deja, explicația va merge pe degetele tale™, prin urmare, vă rog să nu judecați prea aspru pentru interpretări foarte libere și alegorii nu în întregime corecte. Vreau ca oricine să citească această explicație umanitar, fără nicio cunoaștere a calculului diferențial și a integrării suprafeței, a fost capabil să înțeleagă elementele de bază ale relativității generale. La urma urmei, din punct de vedere istoric, acesta este unul dintre primele teorii științifice, începând să se îndepărteze de experiența umană cotidiană obișnuită. Cu mecanica newtoniană totul este simplu, trei degete sunt suficiente pentru a explica - aici este forța, aici este masa, aici este accelerația. Iată un măr care ți cade în cap (a văzut toată lumea cum cad merele?), iată accelerația căderii sale libere, iată forțele care acționează asupra lui.

Cu relativitatea generală, nu totul este atât de simplu - curburi ale spațiului, dilatarea gravitațională a timpului, găurile negre - toate acestea ar trebui să provoace (și fac!) multe suspiciuni vagi la o persoană nepregătită - îmi încurci urechile, frate? Care sunt curburele spațiului? Cine a văzut aceste distorsiuni, de unde vin, cum poate fi chiar imaginat așa ceva?

Să încercăm să ne dăm seama.

După cum se poate înțelege din denumirea de Teoria Generală a Relativității, esența ei este aceea în general, totul în lume este relativ. Glumă. Nu chiar totuși.

Viteza luminii este cantitatea relativă la care toate celelalte lucruri din lume sunt relative. Orice cadre de referință sunt egale, indiferent unde se mișcă, indiferent de ceea ce fac, chiar și se rotesc în loc, chiar și se mișcă cu accelerație (ceea ce este o lovitură gravă pentru intestinele lui Newton și Galileo, care credeau că numai cadrele care se mișcă uniform și rectiliniu) de referință poate fi relativă și egală și chiar și atunci, numai în cadrul mecanicii elementare) - cu toate acestea, puteți găsi întotdeauna truc inteligent(din punct de vedere științific, aceasta se numește transformarea coordonatelor), cu ajutorul căruia se va putea trece fără durere de la un cadru de referință la altul, practic fără a pierde nimic pe parcurs.

Un postulat l-a ajutat pe Einstein să ajungă la o astfel de concluzie (dați-mi voie să vă reamintesc - o afirmație logică luată pe credință fără dovezi datorită evidenței sale) „despre egalitatea gravitației și a accelerației”. (Atenție, există o simplificare puternică a formulării aici, dar în schiță generală Așa este - echivalența efectelor mișcării uniform accelerate și gravitației se află în centrul Relativității Generale).

Demonstrați acest postulat, sau cel puțin mental gustă-l destul de simplu. Bun venit la Liftul Einstein.

Ideea acestui experiment de gândire este că, dacă ai fost încuiat într-un lift fără ferestre și uși, atunci nu există nici cea mai mică, absolut nici un singur mod de a ști în ce situație te afli: fie liftul continuă să stea așa. a stat la parter și tu (și toate celelalte conținuturi ale liftului) forța obișnuită de atracție acționează, de exemplu. forța de gravitație a Pământului sau întreaga planetă Pământ a fost îndepărtată de sub picioarele tale, iar liftul a început să se ridice în sus, cu o accelerație egală cu accelerația căderii libere. g=9,8m/s2.

Indiferent de ceea ce faci, indiferent de experimentele pe care le desfășurați, indiferent de măsurătorile obiectelor și fenomenelor din jur, este imposibil să faceți distincția între aceste două situații, iar în primul și al doilea caz, toate procesele din lift vor are loc exact la fel.

Cititorul cu un asterisc (*) cunoaște probabil o cale dificilă de ieșire din această dificultate. Forțele mareelor. Dacă liftul este foarte (foarte, foarte) mare, cu o lungime de 300 de kilometri, teoretic este posibil să distingem gravitația de accelerație prin măsurarea forței gravitației (sau a mărimii accelerației, nu știm încă care este care) la diferite capetele liftului. Un astfel de ascensor uriaș va fi ușor comprimat de forțele de maree în secțiune transversală și ușor întins de acestea în plan longitudinal. Dar acestea sunt deja trucuri. Dacă liftul este suficient de mic, nu veți putea detecta nicio forță de maree. Deci, să nu vorbim despre lucruri triste.

În total, într-un lift destul de mic putem presupune că gravitația și accelerația sunt același lucru. S-ar părea că ideea este evidentă, și chiar banală. Ce este atât de nou sau de complicat aici, ați putea spune, chiar și un copil ar trebui să înțeleagă! Da, in principiu, nimic complicat. Nu Einstein a inventat acest lucru;

Einstein a decis să afle cum s-ar comporta un fascicul de lumină într-un astfel de lift. Dar această idee a avut consecințe de mare anvergură, la care nimeni nu s-a gândit serios până în 1907. Adică, să fiu sinceră, mulți oameni s-au gândit la asta, dar doar unul a decis să se implice atât de profund.

Să ne imaginăm că luminăm o lanternă asupra lui Einstein în liftul nostru mental. O rază de lumină a zburat dintr-un perete al liftului, din punctul 0) și a zburat paralel cu podeaua spre peretele opus. În timp ce liftul stă nemișcat, este logic să presupunem că fasciculul luminos va lovi peretele opus exact opus punctului de pornire 0), adică. va ajunge la punctul 1). Razele de lumină călătoresc în linie dreaptă, toată lumea mergea la școală, toți au învățat asta la școală, la fel și tânărul Albertik.

Este ușor de ghicit că, dacă liftul ar urca, atunci în timpul în care fasciculul a zburat peste cabină, ar avea timp să se miște puțin în sus.
Și dacă liftul se mișcă cu o accelerație uniformă, atunci fasciculul va lovi peretele în punctul 2), adică când este privit din lateral se va părea că lumina s-a mișcat ca într-o parabolă.

Ei bine, este clar că De fapt nu există parabolă. Faza a zburat drept și încă face. Doar că în timp ce zbura în linie dreaptă, liftul a reușit să urce puțin, așa că iată-ne Se pare că fasciculul s-a deplasat într-o parabolă.

Totul este exagerat și exagerat, desigur. Un experiment de gândire, de ce lumina noastră zboară încet, iar ascensoarele merg repede. Încă nu este nimic deosebit de cool aici, toate acestea ar trebui să fie de înțeles și pentru orice școlar. Puteți efectua un experiment similar acasă. Trebuie doar să găsiți „grinzi foarte lente” și lifturi bune și rapide.

Dar Einstein a fost cu adevărat un geniu. Astăzi mulți îl certau, ca și cum ar fi un nimeni și nimic, a stat în biroul său de brevete, și-a țesut conspirațiile evreiești și a furat idei de la adevărați fizicieni. Majoritatea celor care spun asta nu înțeleg deloc cine este Einstein și ce a făcut el pentru știință și umanitate.

Einstein a spus - deoarece „gravitația și accelerația sunt echivalente” (repet încă o dată, nu a spus exact asta, exagerez și simplific în mod deliberat), înseamnă că în prezența unui câmp gravitațional (de exemplu, lângă planeta Pământ), lumina va zbura, de asemenea, nu în linie dreaptă, ci de-a lungul unei curbe. Gravitația va îndoi fasciculul de lumină.

Ceea ce în sine era o erezie absolută pentru acea vreme. Orice țăran ar trebui să știe că fotonii sunt particule fără masă. Aceasta înseamnă că lumina „nu cântărește” nimic. Prin urmare, luminii nu ar trebui să-i pese de gravitație, nu ar trebui să fie „atrasă” de Pământ, deoarece sunt atrase pietrele, mingile și munții. Dacă cineva își amintește formula lui Newton, gravitația este invers proporțională cu pătratul distanței dintre corpuri și direct proporțională cu masele lor. Dacă o rază de lumină nu are masă (și lumina într-adevăr nu are nici una), atunci nu ar trebui să existe atracție! Aici contemporanii au început să-l privească cu suspiciune pe Einstein.

Și el, infecția, a mers și mai departe. El spune că nu vom sparge capetele țăranilor. Să credem grecii antici (bună ziua, grecii antici!), lăsați lumina să se răspândească ca înainte strict în linie dreaptă. Să presupunem mai bine că spațiul însuși din jurul Pământului (și orice corp cu masă) se îndoaie. Și nu doar spațiu tridimensional, ci spațiu-timp cu patru dimensiuni.

Aceste. Lumina a zburat în linie dreaptă și încă face. Numai că această linie dreaptă este acum desenată nu pe un plan, ci se află pe un fel de prosop mototolit. Și în 3D. Și prezența apropiată a masei este cea care mototolește acest prosop. Ei bine, mai precis prezența energiei-impuls, pentru a fi absolut precis.

Tot pentru el - „Albertik, conduci, oprește-te cu opiu cât mai curând posibil Pentru că LSD-ul nu a fost încă inventat și cu siguranță nu te-ai gândi la așa ceva pe un cap treaz! despre care vorbești?”

Și Einstein a spus: „Îți voi arăta din nou!”

Te-ai închis în turnul tău alb (în biroul de brevete, adică) și hai să adaptăm matematica la idei. Am împins timp de 10 ani până am dat naștere la asta:

Mai exact, aceasta este chintesența a ceea ce a născut. În versiunea mai detaliată există 10 formule independente, iar în versiunea completă există două pagini de simboluri matematice cu litere mici.

Dacă decideți să urmați un curs real de relativitate generală, partea introductivă se încheie aici și apoi trebuie să urmeze două semestre de studiu a limbajului dur. Și pentru a te pregăti să studiezi această matematică, ai nevoie de încă cel puțin trei ani de matematică superioară, având în vedere că ai absolvit liceuși sunt deja familiarizați cu calculul diferențial și integral.

Mâna pe inimă, matanul de acolo nu este atât de complicat, cât de plictisitor. Calculul tensorului în spațiul pseudo-riemannian nu este un subiect foarte confuz de înțeles. Aceasta nu este cromodinamică cuantică sau, Doamne ferește, nu este teoria corzilor. Totul este clar aici, totul este logic. Iată un spațiu Riemann, iată o varietate fără rupturi sau pliuri, iată un tensor metric, iată o matrice nedegenerată, scrieți formule pentru dvs. și echilibrați indicii, asigurându-vă că reprezentările covariante și contravariante ale vectorilor de pe ambele părți ale ecuația corespund între ele. Nu este greu. Este lung și plictisitor.

Dar haideți să nu mergem la așa lungimi și să revenim la la degetele noastre™. În opinia noastră, într-un mod simplu, formula lui Einstein înseamnă aproximativ următoarele. În stânga semnului egal în formulă sunt tensorul Einstein plus tensorul metric covariant și constanta cosmologică (Λ). Acest lambda este în esență energie întunecată pe care o avem și astăzi nu stim nimic, dar iubim și respectăm. Și Einstein nici măcar nu știe despre asta încă. Există unul aici poveste interesantă demn de un post cu totul separat.

Pe scurt, totul în stânga semnului egal arată cum se schimbă geometria spațiului, adică. cum se îndoaie și se răsucește sub influența gravitației.

Și în dreapta, pe lângă constantele obișnuite ca π , viteza luminii c și constantă gravitațională G există o scrisoare T- tensor energie-impuls. În termenii lui Lammer, putem considera că aceasta este configurația modului în care masa este distribuită în spațiu (mai precis, energia, deoarece ce masă sau energie este aceeași pătrat emtse) pentru a crea gravitația și a îndoi spațiul cu ea pentru a corespunde cu partea stângă a ecuației.

Aceasta este, în principiu, întreaga Teorie Generală a Relativității pe degetele tale™.

Teoria relativității este o teorie fizică care ia în considerare modelele spațiu-timp care sunt valabile pentru orice proces fizic. Cea mai generală teorie a spațiului-timp este numită teoria generală a relativității (GTR) sau teoria gravitației. În teoria relativității parțiale (sau specială) (STR) sunt studiate proprietățile spațiului-timp care sunt valabile cu precizia cu care efectul gravitației poate fi neglijat. (Fizic dicţionar enciclopedic, 1995)

Timp și masă Corpul se contractă de-a lungul axei de mișcare pe măsură ce se apropie de viteza luminii

Dezintegrarea atomică Masa atomică atomi noi și cantitatea de energie de mișcare generată este echivalentă cu masa atomului original

La sfârșitul secolului al XIX-lea, legile mișcării și gravitației, descoperit de Newton, au fost utilizate pe scară largă pentru calcule și au găsit din ce în ce mai multe confirmări experimentale. Nimic nu părea să prefigureze o revoluție în acest domeniu. Cu toate acestea, problema nu s-a limitat mult timp doar la mecanică: ca urmare, activități experimentale Mulți oameni de știință din domeniul electricității și magnetismului au dezvoltat ecuațiile lui Maxwell. De aici au început problemele cu legile fizicii. Ecuațiile lui Maxwell reunesc electricitatea, magnetismul și lumina. Din acestea rezultă că viteza undelor electromagnetice, inclusiv a celor ușoare, nu depinde de mișcarea emițătorului și este egală cu aproximativ 300 mii km/s în vid. Acest lucru nu este în niciun fel în concordanță cu mecanica lui Newton și Galileo. Presupune balon zboară în raport cu Pământul cu o viteză de 100 mii km/s. Să tragem înainte dintr-un pistol ușor cu un glonț ușor, a cărui viteză este de 300 mii km/s. Apoi, conform formulelor lui Galileo, vitezele ar trebui pur și simplu adăugate, ceea ce înseamnă că glonțul va zbura față de Pământ cu o viteză de 400 mii km/s. Nu există constantă a vitezei luminii!

S-au făcut multe eforturi pentru a detecta schimbarea vitezei luminii atunci când emițătorul se mișcă, dar niciunul dintre experimentele ingenioase nu a reușit. Chiar și cel mai precis dintre ele, experimentul Michelson-Morley, a dat un rezultat negativ. Deci este ceva în neregulă cu ecuațiile lui Maxwell? Dar ele descriu perfect toate fenomenele electrice și magnetice. Și atunci Henri Poincaré a exprimat ideea că punctul nu este în ecuații, ci în principiul relativității: toate legile fizice, nu numai mecanice, precum Newton, ci și electrice, ar trebui să fie aceleași în sistemele care se mișcă unul față de celălalt uniform. și rectiliniu . În 1904, danezul Hendrik Anton Lorenz, special pentru ecuațiile lui Maxwell, a obținut noi formule pentru recalcularea coordonatelor unui sistem în mișcare față de unul staționar și invers. Dar acest lucru a ajutat doar parțial: s-a dovedit că pentru legile lui Newton era necesar să se folosească anumite transformări, iar pentru ecuațiile lui Maxwell altele. Întrebarea a rămas deschisă.

Teoria specială a relativității

Transformările propuse de Lorenz au fost pline de două consecințe importante. S-a dovedit că atunci când treceți de la un sistem la altul, este necesar să suferiți transformări nu numai de coordonate, ci și de timp. Și, în plus, dimensiunea unui corp în mișcare, calculată folosind formulele lui Lorentz, s-a schimbat - a devenit mai mică pe direcția mișcării! Prin urmare, vitezele care depășesc viteza luminii și-au pierdut orice semnificație fizică, deoarece în acest caz corpurile au fost comprimate la dimensiuni zero. Mulți fizicieni, inclusiv însuși Lorentz, au considerat aceste concluzii ca fiind pur și simplu un incident matematic. Până când Einstein a trecut la treabă.

De ce este numită teoria relativității după Einstein, dacă principiul relativității a fost formulat de Poincaré, constanța vitezei luminii a fost derivată de Maxwell, iar regulile pentru transformarea coordonatelor au fost inventate de Lorentz? În primul rând, să spunem că tot ce am vorbit până acum se referă doar la așa-numita „teorie specială a relativității” (STR). Contrar credinței populare, contribuția lui Einstein la această teorie nu sa limitat în niciun caz la o simplă generalizare a rezultatelor. În primul rând, a reușit să obțină toate ecuațiile bazate pe doar două postulate - principiul relativității și principiul constanței vitezei luminii. Și în al doilea rând, a înțeles ce modificare ar trebui adusă legii lui Newton, astfel încât aceasta să nu iasă din tablou nou a lumii și nu s-a schimbat sub transformările Lorentz. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să aruncăm o privire critică asupra a două fundamente de neclintit anterior ale mecanicii clasice - absolutitatea timpului și constanța masei corporale.

Nimic absolut

În mecanica newtoniană timp sideral a fost identificat în mod tacit cu timpul absolut, iar în teoria lui Einstein, fiecare cadru de referință corespunde timpului său „local” și nu există ceasuri care să măsoare timpul pentru întregul Univers. Dar concluziile despre relativitatea timpului nu au fost suficiente pentru a elimina contradicțiile dintre electrodinamică și mecanica clasică. Această problemă a fost rezolvată când a căzut un alt bastion clasic - constanța masei. Einstein a introdus modificări în legea fundamentală a lui Newton privind proporționalitatea forței cu accelerația și a constatat că masa crește la infinit pe măsură ce se apropie de viteza luminii. Într-adevăr, din postulatele SRT rezultă că o viteză mai mare decât viteza luminii nu are sens fizic, ceea ce înseamnă că nicio forță nu mai poate crește viteza unui corp care zboară deja cu viteza luminii, adică sub aceste condiționează forța nu mai provoacă accelerație! Cu cât viteza unui corp este mai mare, cu atât este mai dificil să-l accelerezi.

Și întrucât coeficientul de proporționalitate este masa (sau inerția), rezultă că masa unui corp crește odată cu creșterea vitezei.

Este remarcabil că această concluzie a fost făcută într-un moment în care nu existau contradicții și inconsecvențe evidente între rezultatele experimentale și legile lui Newton. ÎN conditii normale modificarea masei este nesemnificativa, si poate fi detectata experimental doar la viteze foarte mari, apropiate de viteza luminii. Chiar și pentru un satelit care zboară cu o viteză de 8 km/s, corecția la masă nu va fi mai mare de o parte din două miliarde. Dar deja în 1906, concluziile STR au fost confirmate de studiul electronilor care se mișcă la viteze mari: în experimentele lui Kaufman, a fost înregistrată o schimbare a masei acestor particule. Dar pur și simplu nu este posibilă accelerarea particulelor folosind acceleratoare moderne dacă calculele sunt efectuate folosind metoda clasică fără a lua în considerare teoria relativității speciale.

Dar apoi s-a dovedit că inconstanța masei ne permite să tragem o concluzie și mai fundamentală. Pe măsură ce viteza crește, masa crește, energia mișcării crește... Nu este același lucru? Calculele matematice au confirmat presupunerea despre echivalența masei și energiei, iar în 1907 Einstein a primit celebra sa formulă E = mc2. Aceasta este concluzia principală a SRT. Masa și energia sunt același lucru și se transformă una în alta! Și dacă un corp (de exemplu, un atom de uraniu) se rupe brusc în două, care în total au mai puțină masă, atunci restul masei se transformă în energie de mișcare. Einstein însuși a presupus că ar fi posibil să se observe o modificare a masei doar cu degajări enorme de energie, deoarece coeficientul c2 din formula pe care a obținut-o era foarte, foarte mare. Dar probabil că nu se aștepta ca aceste considerații teoretice să ducă umanitatea atât de departe. Creare bombă atomică a confirmat valabilitatea teoriei speciale a relativității, dar la un cost prea mare.

S-ar părea că nu există niciun motiv să ne îndoim de corectitudinea teoriei. Dar aici este timpul să ne amintim cuvintele lui Einstein: „Experiența nu va spune niciodată „da” unei teorii, dar în cel mai bun caz spune „poate”, dar în cea mai mare parte spune pur și simplu „nu”. Ultimul, cel mai precis experiment pentru a testa unul dintre postulatele SRT, constanța vitezei luminii, a fost efectuat destul de recent, în 2001, la Universitatea din Konstanz (Germania). O undă laser în picioare a fost plasată într-o „cutie” de safir ultra-pur, răcită la temperatura heliului lichid, iar schimbarea frecvenței luminii a fost monitorizată timp de șase luni. Dacă viteza luminii ar depinde de viteza de mișcare a laboratorului, atunci frecvența acestei unde s-ar schimba pe măsură ce Pământul se mișcă pe orbită. Dar până acum nu am putut observa nicio schimbare.

Teoria generală a relativității

După ce a publicat celebra sa lucrare „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”, dedicată SRT, în 1905, Einstein a mers mai departe. Era convins că benzinăria era doar o parte a călătoriei. Principiul relativității trebuie să fie valabil în orice cadru de referință, și nu doar în cele care se mișcă uniform și rectiliniu. Această credință a lui Einstein nu era doar o presupunere, ci se baza pe un fapt experimental, respectarea principiului echivalenței. Să explicăm ce este. Legile mișcării includ așa-numita masă „inerțială”, care arată cât de dificil este accelerarea unui corp, iar legile gravitației includ masa „grea”, care determină forța de atracție dintre corpuri. Principiul echivalenței presupune că aceste mase sunt exact egale între ele, dar numai experiența poate confirma dacă acest lucru este de fapt așa. Din principiul echivalenței rezultă că toate corpurile trebuie să se miște într-un câmp gravitațional cu aceeași accelerație. Galileo a testat și această împrejurare aruncând, conform legendei, diverse corpuri cu Turnul înclinat din Pisa. Atunci precizia de măsurare a fost de 1%, Newton a adus-o la 0,1% și, conform ultimelor date din 1995, putem fi siguri că principiul echivalenței este satisfăcut cu o precizie de 5 x 10−13.

Luând ca bază principiul echivalenței și principiul relativității, după zece ani de muncă grea, Einstein și-a creat teoria gravitației, sau teoria generală a relativității (GR), care până în prezent continuă să încânte teoreticienii cu frumusețea sa matematică. Spațiul și timpul în teoria gravitației a lui Einstein s-au dovedit a fi supuse unor metamorfoze uimitoare. Câmpul gravitațional pe care corpurile cu masă îl creează în jurul lor îndoaie spațiul înconjurător. Imaginează-ți o minge întinsă pe o trambulină. Cu cât mingea este mai grea, cu atât plasa trambulinei se va îndoi mai mult. Iar timpul, transformat în dimensiunea a patra, nu stă deoparte: cu cât câmpul gravitațional este mai mare, cu atât timpul curge mai lent.

Prima predicție confirmată a relativității generale a fost făcută de Einstein însuși în 1915. Se referea la mișcarea lui Mercur. Periheliul acestei planete (adică punctul de cea mai apropiată apropiere de Soare) își schimbă treptat poziția. Peste o sută de ani de observații de pe Pământ, deplasarea a fost de 43,1 secunde de arc. Doar teoria generală a relativității ar putea oferi uimitor predicție precisă această valoare este de 43 de secunde de arc. Următorul pas au început observațiile de deviere a razelor de lumină în câmpul gravitațional al Soarelui în timpul total eclipsa de soare 1919. De atunci, multe astfel de experimente au fost efectuate și toate confirmă relativitatea generală - în ciuda faptului că precizia crește constant. De exemplu, în 1984 era de 0,3%, iar în 1995 era sub 0,1%.

Odată cu apariția ceasurilor atomice, lucrurile s-au redus la timpul însuși. Este suficient să așezi un ceas în vârful unui munte, altul la poalele acestuia - și poți să prinzi diferența în trecerea timpului! Și odată cu apariția sistemelor de poziționare globală prin satelit, teoria relativității a trecut în cele din urmă de la categoria divertismentului științific într-un domeniu pur practic. Sateliții GPS, de exemplu, zboară la o altitudine de aproximativ 20 de mii de km cu o viteză de aproximativ 4 km/s. Deoarece sunt destul de departe de Pământ, ceasurile lor, conform relativității generale, sunt rapide cu aproximativ 45 de microsecunde (μs) pe zi, dar din moment ce zboară cu viteză mare, din cauza SR, aceleași ceasuri sunt întârziate cu aproximativ 7 μs. în fiecare zi. Dacă aceste modificări nu sunt luate în considerare, atunci întregul sistem va deveni lipsit de valoare în câteva zile! Înainte de a fi trimise pe orbită, ceasurile atomice de pe sateliți sunt reglate astfel încât să funcționeze mai lent cu aproximativ 38 de microsecunde pe zi. Și faptul că, după astfel de ajustări, simplul meu receptor GPS, zi de zi, îmi arată corect coordonatele pe vastul suprafata pamantului, îmi întărește serios încrederea în teoria relativității.

Toate aceste succese nu fac decât să provoace vânători de relativitate. Astăzi, fiecare universitate care se respectă are un laborator pentru căutarea undelor gravitaționale, care, conform teoriei gravitației lui Einstein, ar trebui să se propage cu viteza luminii. Încă nu am reușit să le găsim. O altă piatră de poticnire este legătura dintre relativitatea generală și mecanica cuantică. Ambele sunt în acord excelent cu experimentul, dar sunt complet incompatibile între ele. Nu amintește oarecum de mecanica clasică și electromagnetismul de la sfârșitul secolului al XIX-lea? Poate ar trebui să așteptăm schimbări.

Chiar și la sfârșitul secolului al XIX-lea, majoritatea oamenilor de știință erau înclinați spre punctul de vedere că imaginea fizică a lumii a fost construită în principiu și va rămâne de neclintit în viitor - au rămas doar detaliile de clarificat. Dar în primele decenii ale secolului al XX-lea, vederile fizice s-au schimbat radical. Aceasta a fost o consecință a „cascadei” descoperiri științifice realizate într-o perioadă istorică extrem de scurtă acoperind ultimii ani Secolul al XIX-lea și primele decenii ale secolului XX, dintre care multe nu se încadrau în înțelegerea experienței umane obișnuite. Un exemplu izbitor poate servi drept teorie a relativității creată de Albert Einstein (1879-1955).

Teoria relativității- teoria fizică a spațiu-timpului, adică o teorie care descrie proprietățile universale spațiu-timp ale proceselor fizice. Termenul a fost introdus în 1906 de Max Planck pentru a sublinia rolul principiului relativității
în relativitatea specială (și, mai târziu, în relativitatea generală).

Într-un sens restrâns, teoria relativității include relativitatea specială și generală. Teoria specială a relativității(în continuare - SRT) se referă la procese în studiul cărora câmpurile gravitaționale pot fi neglijate; teoria generală a relativității(denumită în continuare GTR) este o teorie a gravitației care generalizează cea a lui Newton.

Special, sau teoria specială a relativității este o teorie a structurii spațiu-timpului. A fost introdus pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein în lucrarea sa „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Teoria descrie mișcarea, legile mecanicii, precum și relațiile spațiu-timp care le determină, cu orice viteză de mișcare,
inclusiv cele apropiate de viteza luminii. Mecanica newtoniană clasică
în cadrul SRT, este o aproximare pentru viteze mici.

Unul dintre motivele succesului lui Albert Einstein este că a apreciat datele experimentale în detrimentul celor teoretice. Când o serie de experimente au dezvăluit rezultate care contrazic teoria general acceptată, mulți fizicieni au decis că aceste experimente erau greșite.

Albert Einstein a fost unul dintre primii care au decis să construiască o nouă teorie bazată pe noi date experimentale.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicienii căutau eterul misterios - un mediu în care, conform ipotezelor general acceptate, undele luminoase ar trebui să se propage, precum undele acustice, a căror propagare necesită aer sau alt mediu - solid, lichid sau gazos. Credința în existența eterului a dus la credința că viteza luminii ar trebui să varieze în funcție de viteza observatorului în raport cu eterul. Albert Einstein a abandonat conceptul de eter și a presupus că toate legile fizice, inclusiv viteza luminii, rămân neschimbate indiferent de viteza observatorului - așa cum au arătat experimentele.

SRT a explicat cum să interpreteze mișcările între diferite cadre de referință inerțiale - mai simplu spus, obiecte care se mișcă cu o viteză constantă unul față de celălalt. Einstein a explicat că atunci când două obiecte se mișcă cu o viteză constantă, ar trebui să se ia în considerare mișcarea lor unul față de celălalt, mai degrabă decât să se ia pe unul dintre ele ca un cadru absolut de referință. Deci, dacă doi astronauți zboară pe două nave spațiale și doresc să-și compare observațiile, singurul lucru pe care trebuie să-l știe este viteza unul față de celălalt.

Teoria relativității speciale ia în considerare un singur caz special (de unde și denumirea), când mișcarea este rectilinie și uniformă.

Pe baza imposibilității detectării mișcării absolute, Albert Einstein a concluzionat că toate sistemele de referință inerțiale sunt egale. El a formulat două postulate cele mai importante care au stat la baza unei noi teorii a spațiului și timpului, numită Teoria specială a relativității (STR):

1. Principiul relativității al lui Einstein - acest principiu a fost o generalizare a principiului relativității lui Galileo (afirmă același lucru, dar nu pentru toate legile naturii, ci doar pentru legile mecanicii clasice, lăsând deschisă problema aplicabilității principiului relativității la optică și electrodinamică) la oricare dintre cele fizice. Se citește: toate procesele fizice în aceleași condiții în sistemele de referință inerțiale (IRS) decurg în același mod. Aceasta înseamnă că niciun experiment fizic efectuat în interiorul unui ISO închis nu poate determina dacă acesta este în repaus sau se mișcă uniform și în linie dreaptă. Astfel, toate IFR-urile sunt complet egale, iar legile fizice sunt invariante în ceea ce privește alegerea IFR-urilor (adică, ecuațiile care exprimă aceste legi au aceeași formă în toate sistemele de referință inerțiale).

2. Principiul constanței vitezei luminii- viteza luminii in vid este constanta si nu depinde de miscarea sursei si receptorului de lumina. Este același în toate direcțiile și în toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii în vid este viteza limită în natură - aceasta este una dintre cele mai importante constante fizice, așa-numitele constante ale lumii.

Cea mai importantă consecință a SRT a fost celebra formula lui Einstein despre relația dintre masă și energie E=mc 2 (unde C este viteza luminii), care a arătat unitatea spațiului și timpului, exprimată într-o modificare comună a caracteristicilor acestora în funcție de concentrația maselor și de mișcarea lor și confirmată de datele fizicii moderne. Timpul și spațiul au încetat să fie considerate independent unul de celălalt și a apărut ideea unui continuum cu patru dimensiuni spațiu-timp.

Conform teoriei marelui fizician, atunci când viteza unui corp material crește, apropiindu-se de viteza luminii, crește și masa acestuia. Aceste. Cu cât un obiect se mișcă mai repede, cu atât devine mai greu. Dacă se atinge viteza luminii, masa corpului, precum și energia acestuia, devin infinite. Cu cât corpul este mai greu, cu atât este mai dificil să-i crești viteza; Accelerarea unui corp cu masă infinită necesită o cantitate infinită de energie, deci este imposibil ca obiectele materiale să atingă viteza luminii.

În teoria relativității, „două legi – legea conservării masei și a conservării energiei – și-au pierdut valabilitatea independentă și s-au găsit combinate într-o singură lege, care poate fi numită legea conservării energiei sau a masei”. Datorită legăturii fundamentale dintre aceste două concepte, materia poate fi transformată în energie și invers - energia în materie.

Teoria generală relativitatea- o teorie a gravitației publicată de Einstein în 1916, la care a lucrat timp de 10 ani. este dezvoltare ulterioară teoria specială a relativității. Dacă un corp material accelerează sau se întoarce în lateral, legile STR nu se mai aplică. Apoi intră în vigoare GTR, care explică mișcările corpurilor materiale în cazul general.

Teoria generală a relativității postulează că efectele gravitaționale sunt cauzate nu de interacțiunea forțelor dintre corpuri și câmpuri, ci de deformarea spațiului-timp însuși în care sunt situate. Această deformare este legată, parțial, de prezența masei-energie.

Relativitatea generală este în prezent cea mai de succes teorie a gravitației, bine susținută de observații. GR a generalizat SR la cele accelerate, i.e. sisteme non-inerțiale. Principiile de bază ale relativității generale se rezumă la următoarele:

- limitarea aplicabilității principiului constanței vitezei luminii în regiunile în care forțele gravitaționale pot fi neglijate(unde gravitația este mare, viteza luminii încetinește);

- extinderea principiului relativității la toate sistemele în mișcare(și nu doar cele inerțiale).

În relativitatea generală, sau teoria gravitației, ea pornește și de la faptul experimental al echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale, sau echivalența câmpurilor inerțiale și gravitaționale.

Principiul echivalenței joacă rol important in stiinta. Putem calcula oricând direct efectul forțelor inerțiale asupra oricărui sistem fizic, iar acest lucru ne oferă posibilitatea de a cunoaște efectul câmpului gravitațional, făcând abstracție de eterogenitatea acestuia, care este adesea foarte nesemnificativă.

Un număr de concluzii importante au fost obținute din relativitatea generală:

1. Proprietățile spațiului-timp depind de materia în mișcare.

2. O rază de lumină, care are o masă inertă și, prin urmare, gravitațională, trebuie să fie îndoită în câmpul gravitațional.

3. Frecvența luminii sub influența câmpului gravitațional ar trebui să se schimbe spre valori mai mici.

Multă vreme, au existat puține dovezi experimentale ale relativității generale. Acordul dintre teorie și experiment este destul de bun, dar puritatea experimentelor este încălcată de diferite efecte secundare complexe. Cu toate acestea, efectele curburii spațiu-timp pot fi detectate chiar și în câmpuri gravitaționale moderate. Ceasurile foarte sensibile, de exemplu, pot detecta dilatarea timpului pe suprafața Pământului. Pentru extinderea bazei experimentale a relativității generale, în a doua jumătate a secolului al XX-lea au fost efectuate noi experimente: a fost testată echivalența maselor inerțiale și gravitaționale (inclusiv prin distanțarea laser a Lunii);
folosind radar, a fost clarificată mișcarea periheliului lui Mercur; a fost măsurată deviația gravitațională a undelor radio de către Soare, a fost efectuat radar planetar sistem solar; influenţa câmpului gravitaţional al Soarelui asupra comunicaţiilor radio cu nave spațiale, care a mers pe planetele îndepărtate ale sistemului solar etc. Toate, într-un fel sau altul, au confirmat predicțiile obținute pe baza relativității generale.

Deci, teoria relativității speciale se bazează pe postulatele constantei vitezei luminii și pe aceleași legi ale naturii în toate sistemele fizice, iar principalele rezultate la care ajunge sunt următoarele: relativitatea proprietăților spațiului. -timp; relativitatea masei si energiei; echivalența maselor grele și inerte.

Cel mai semnificativ rezultat al teoriei generale a relativității din punct de vedere filozofic este stabilirea dependenței proprietăților spațiu-timp ale lumii înconjurătoare de localizarea și mișcarea maselor gravitatoare. Se datorează influenței corpurilor
Cu mase mari, căile razelor de lumină sunt îndoite. În consecință, câmpul gravitațional creat de astfel de corpuri determină în cele din urmă proprietățile spațiu-timp ale lumii.

Teoria specială a relativității face abstracție din acțiunea câmpurilor gravitaționale și, prin urmare, concluziile sale sunt aplicabile numai pentru zone mici de spațiu-timp. Diferența cardinală dintre teoria generală a relativității și teoriile fizice fundamentale care au precedat-o este respingerea unui număr de concepte vechi și formularea altora noi. Merită spus că teoria generală a relativității a făcut o adevărată revoluție în cosmologie. Pe baza ei, au apărut diverse modele ale Universului.

Într-un discurs din 27 aprilie 1900 la Instituția Regală a Marii Britanii, Lordul Kelvin a spus: „Fizica teoretică este un edificiu armonios și complet. Pe cer senin fizicienii există doar doi nori mici - aceasta este constanța vitezei luminii și curba intensității radiației în funcție de lungimea de undă. Cred că aceste două întrebări particulare vor fi rezolvate în curând și fizicienii secolului al XX-lea nu vor mai avea nimic de făcut.” Lordul Kelvin s-a dovedit a avea absolut dreptate în a indica domeniile cheie ale cercetării în fizică, dar nu a apreciat corect importanța acestora: teoria relativității și teoria cuantică care s-au născut din ele s-au dovedit a fi spații nesfârșite pentru cercetare care au ocupat minți științifice de mai bine de o sută de ani.

Deoarece nu a descris interacțiunea gravitațională, Einstein, la scurt timp după finalizarea acesteia, a început să dezvolte o versiune generală a acestei teorii, a cărei creație a petrecut-o în perioada 1907-1915. Teoria a fost frumoasă prin simplitate și consistență cu fenomene naturale cu excepția unui singur punct: la momentul în care Einstein a alcătuit teoria, nu se știa încă despre expansiunea Universului și chiar despre existența altor galaxii, prin urmare oamenii de știință din acea vreme credeau că Universul a existat pentru o perioadă de timp infinit de lungă. și era staționar. Mai mult, din lege gravitația universală Newton a urmărit că stelele fixe trebuie la un moment dat să fie pur și simplu strânse la un loc.

Nu găsim un fenomen pentru asta cea mai buna explicatie, a introdus Einstein în ecuațiile sale , care compensau numeric și astfel permiteau Universului staționar să existe fără a încălca legile fizicii. Ulterior, Einstein a început să considere introducerea constantei cosmologice în ecuațiile sale ca pe propria sa. mare greseala, deoarece nu era necesar pentru teorie și nu a fost confirmat de nimic altceva decât Universul aparent staționar la acea vreme. Și în 1965, a fost descoperită radiația cosmică de fond cu microunde, ceea ce a însemnat că Universul a avut un început și constanta din ecuațiile lui Einstein s-a dovedit a fi complet inutilă. Cu toate acestea, constanta cosmologică a fost totuși găsită în 1998: conform datelor obținute de telescopul Hubble, galaxiile îndepărtate nu și-au încetinit expansiunea din cauza atracției gravitaționale, ci chiar și-au accelerat expansiunea.

Teoria de bază

Pe lângă postulatele de bază ale teoriei speciale a relativității, aici a fost adăugat ceva nou: mecanica newtoniană a oferit o evaluare numerică a interacțiunii gravitaționale a corpurilor materiale, dar nu a explicat fizica acestui proces. Einstein a reușit să descrie acest lucru prin curbura spațiului-timp cu 4 dimensiuni de către un corp masiv: corpul creează o perturbare în jurul său, ca urmare a căreia corpurile înconjurătoare încep să se miște de-a lungul liniilor geodezice (exemple de astfel de linii sunt liniile de latitudinea și longitudinea pământului, care pentru un observator intern par a fi linii drepte, dar în realitate sunt ușor curbate). În același mod, razele de lumină se înclină, ceea ce distorsionează imagine vizibilăîn spatele unui obiect masiv. Cu o coincidență reușită a pozițiilor și a maselor de obiecte, aceasta duce la (când curbura spațiu-timpului acționează ca o lentilă uriașă, făcând sursa de lumină îndepărtată mult mai strălucitoare). Dacă parametrii nu se potrivesc perfect, acest lucru poate duce la formarea unei „cruci Einstein” sau „cercului Einstein” în imaginile astronomice ale obiectelor îndepărtate.

Printre predicțiile teoriei s-a numărat și dilatarea timpului gravitațional (care, la apropierea unui obiect masiv, acționa asupra corpului în același mod ca dilatarea timpului datorată accelerației), gravitațională (atunci când un fascicul de lumină emis de un corp masiv pleacă). în partea roșie a spectrului ca urmare a pierderii de energie pentru funcția de lucru de ieșire din „puțul gravitațional”), precum și undele gravitaționale (perturbarea spațiu-timpului care este produsă de orice corp cu masă în timpul mișcării sale) .

Statutul teoriei

Prima confirmare a teoriei generale a relativității a fost obținută de însuși Einstein în același 1915, când a fost publicată: teoria descria cu o acuratețe absolută deplasarea periheliului lui Mercur, care anterior nu putea fi explicată folosind mecanica newtoniană. De atunci, au fost descoperite multe alte fenomene care au fost prezise de teorie, dar la momentul publicării sale erau prea slabe pentru a fi detectate. Cea mai recentă astfel de descoperire pe în acest moment a fost descoperirea undelor gravitaționale pe 14 septembrie 2015.