A. TEORIA GENERALĂ A RELATIVITĂȚII LUI EINSTEIN

În cadrul teoriei, care a fost creată pe parcursul a zece ani, din 1906 până în 1916, A. Einstein s-a orientat către problema gravitației, care a atras de multă vreme atenția oamenilor de știință. Prin urmare, teoria generală a relativității este adesea numită și teoria gravitației. A descris noi dependențe ale relațiilor spațiu-timp de procesele materiale. Această teorie se bazează nu pe două, ci pe trei postulate:

- Primul postulat teoria generală a relativității - relativitatea extinsă, care afirmă invarianța legilor naturii în orice cadru de referință, atât inerțial cât și neinerțial, deplasându-se cu accelerație sau decelerare. El spune că este imposibil să atribui un caracter absolut nu numai vitezei, ci și accelerației, care are o semnificație specifică în raport cu factorul care o determină.

- Al doilea postulat-principiul vitezei constante a luminii- ramane neschimbat.

- Al treilea postulat-principiul echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale. Acest fapt era cunoscut în mecanica clasică. Astfel, în legea gravitației universale formulată de Newton, forța gravitației este întotdeauna proporțională cu masa corpului asupra căruia acționează. Dar în cea de-a doua lege a lui Newton, forța care imprimă accelerația unui corp este, de asemenea, proporțională cu masa acestuia. În primul caz, vorbim de masa gravitațională, care caracterizează capacitatea unui corp de a fi atras de un alt corp, în al doilea caz, vorbim de masă inerțială, care caracterizează comportamentul unui corp sub influența exterioară. forțe și este o măsură a inerției corpului. Dar în cazul căderii libere a unui corp, accelerația g = 9,8 m/s 2 nu depinde de masă. Galileo a stabilit acest lucru în experimentele sale. Mai exact, echivalența acestor mase a fost stabilită în 1890 de către fizicianul maghiar L. Eotvos. Astăzi, aceste concluzii au fost confirmate cu un grad ridicat de acuratețe - până la 10 -12.

După ce a creat teoria specială a relativității, Einstein s-a întrebat dacă proprietățile gravitaționale ale corpurilor se modifică dacă proprietățile lor inerțiale depind de viteza de mișcare. Analiza teoretică efectuată de om de știință a condus la concluzia că fizica nu cunoaște o modalitate de a distinge efectul gravitației de efectul accelerației. Cu alte cuvinte, efectele cinematice care apar sub influența forțelor gravitaționale sunt echivalente cu efectele care apar sub influența accelerației. Deci, dacă o rachetă decolează cu o accelerație de 2 g, atunci echipajul rachetei se va simți ca și cum s-ar afla în câmpul gravitațional de două ori mai mare al Pământului. În mod similar, un observator dintr-un lift închis nu va putea determina dacă liftul se mișcă cu o rată accelerată sau dacă forțele gravitaționale acționează în interiorul liftului. Pe baza principiului echivalenței a fost generalizat principiul relativității.

Cea mai importantă concluzie a teoriei generale a relativității a fost ideea că modificările caracteristicilor geometrice (spațiale) și temporale ale corpurilor au loc nu numai atunci când se deplasează cu viteze mari, așa cum a fost dovedit de teoria relativității speciale, ci și în cazul gravitației puternice. câmpuri. Concluzia trasă a legat în mod indisolubil teoria relativității generale cu geometria, dar geometria general acceptată a lui Euclid nu era potrivită pentru aceasta.

Geometria lui Euclid este de natură axiomatică, bazată pe cinci axiome și implică aceeași, omogenitate a spațiului, care este considerat plat. Dar, treptat, această geometrie a încetat să satisfacă mulți matematicieni, deoarece al cincilea postulat al ei nu era evident de la sine. Vorbim despre afirmația că printr-un punct situat în afara unei drepte se poate trasa o singură dreaptă paralelă cu cea dată. Asociată cu această axiomă este afirmația că suma unghiurilor unui triunghi este întotdeauna egală cu 180°. Dacă înlocuim această axiomă cu alta, atunci putem construi o nouă geometrie, diferită de geometria lui Euclid, dar la fel de consecventă intern. Este exact ceea ce au făcut independent unul de celălalt în secolul al XIX-lea matematicianul rus N. I. Lobachevsky, germanul B. Riemann și ungurul J. Bolyay. Riemann a folosit axioma că este imposibil să se deseneze chiar și o singură linie dreaptă paralelă cu una dată. Lobaciovski și Bolyay au pornit de la faptul că printr-un punct din afara unei linii se pot trasa un număr infinit de drepte paralele cu cea dată. La prima vedere, aceste afirmații sună absurd. Într-un avion sunt într-adevăr incorecte. Dar pot exista și alte suprafețe pe care au loc noi postulate.

Imaginați-vă, de exemplu, suprafața unei sfere. Pe ea, cea mai scurtă distanță dintre două puncte este măsurată nu de-a lungul unei linii drepte (nu există linii drepte pe suprafața unei sfere), ci de-a lungul arcului de cerc mare (așa-numitele cercuri ale căror raze sunt egale cu raza sferei). Pe glob, meridianele servesc drept linii similare cele mai scurte sau, așa cum sunt numite, linii geodezice. Toate meridianele, după cum se știe, se intersectează la poli și fiecare dintre ele poate fi considerat o linie dreaptă paralelă cu orice meridian. Sfera are propria geometrie sferică, în care afirmația este adevărată că suma unghiurilor unui triunghi este întotdeauna mai mare de 180°. Imaginează-ți un triunghi pe o sferă formată din două meridiane și arcul ecuatorului. Unghiurile dintre meridiane și ecuator sunt egale cu 90°, iar la suma lor se adaugă unghiul dintre meridiane cu vârful lor la pol. Astfel, nu există linii disjunse pe sferă.

Există și suprafețe pentru care postulatul lui Riemann se dovedește a fi adevărat. Aceasta este o suprafață în formă de șa, numită și pseudosferă. Pe ea, suma unghiurilor unui triunghi este întotdeauna mai mică de 180° și este imposibil să se tragă o singură linie dreaptă paralelă cu aceasta.

După ce Einstein a aflat despre existența acestor geometrii, au apărut îndoieli cu privire la caracterul euclidian al spațiu-timpului real. A devenit clar că era curbată. Cum se poate imagina curbura spațiului, care este descrisă de teoria generală a relativității? Să ne imaginăm o foaie de cauciuc foarte subțire și să presupunem că acesta este un model de spațiu. Să punem pe această foaie bile mari și mici - modele de stele și planete. Cu cât masa lor este mai mare, cu atât bilele vor îndoi mai mult foaia de cauciuc, ceea ce demonstrează în mod clar dependența curburii spațiu-timpului de masa corpului. Astfel, Pământul creează un spațiu-timp curbat în jurul său, care se numește câmp gravitațional. Acesta este cel care face ca toate corpurile să cadă pe Pământ. Dar cu cât suntem mai departe de planetă, cu atât efectul acestui câmp va fi mai slab. La o distanță foarte mare, câmpul gravitațional va fi atât de slab încât corpurile vor înceta să cadă pe Pământ și, prin urmare, curbura spațiu-timpului va fi atât de nesemnificativă încât poate fi neglijată și spațiu-timp poate fi considerat plat.

Curbura spațiului nu trebuie să fie înțeleasă ca curbura unui plan ca o sferă euclidiană, în care suprafața exterioară este diferită de cea interioară. Din interior suprafața sa pare concavă, din exterior pare convexă. Din punctul de vedere al geometriilor non-euclidiene, ambele părți ale unui plan curbat sunt aceleași. Curbura spațiului nu se manifestă vizual și este înțeleasă ca o abatere a metricii sale de la cea euclidiană, care poate fi descrisă cu precizie în limbajul matematicii.

Teoria relativității a stabilit nu numai curbura spațiului sub influența câmpurilor gravitaționale, ci și încetinirea timpului în câmpuri gravitaționale puternice. Chiar și gravitația Soarelui, o stea destul de mică după standardele cosmice, afectează ritmul timpului, încetinindu-l aproape de sine. Prin urmare, dacă trimitem un semnal radio la un moment dat, calea către care trece lângă Soare, călătoria semnalului radio va dura mai mult decât dacă nu există Soare pe calea acestui semnal. Întârzierea semnalului la trecerea în apropierea Soarelui este de aproximativ 0,0002 s. Astfel de experimente se desfășoară din 1966. Atât suprafețele planetelor (Mercur, Venus), cât și echipamentele stațiilor interplanetare au fost folosite ca reflector.

Una dintre cele mai fantastice predicții ale teoriei generale a relativității este oprirea completă a timpului într-un câmp gravitațional foarte puternic. Cu cât gravitația este mai puternică, cu atât dilatarea timpului este mai mare. Dilatarea timpului se manifestă prin deplasarea gravitațională spre roșu a luminii: cu cât gravitația este mai puternică, cu atât lungimea de undă crește și frecvența ei scade. În anumite condiții, lungimea de undă se poate grăbi la infinit, iar frecvența sa - la zero.

Cu lumina emisă de Soare, acest lucru s-ar putea întâmpla dacă steaua noastră s-ar micșora brusc și s-ar transforma într-o minge cu o rază de 3 km sau mai puțin (raza Soarelui este de 700.000 km). Din cauza acestei compresii, forța gravitațională de pe suprafața de la care vine lumina va crește atât de mult încât deplasarea gravitațională spre roșu va fi cu adevărat infinită. Soarele va deveni pur și simplu invizibil, niciun foton nu va zbura din el.

Să spunem imediat că acest lucru nu se va întâmpla niciodată cu Soarele. La sfârșitul existenței sale, după câteva miliarde de ani, va experimenta multe transformări; regiunea sa centrală se poate micșora semnificativ, dar încă nu atât de mult. Dar alte stele, a căror mase este de trei sau mai multe ori mai mare decât masa Soarelui, la sfârșitul vieții lor, cel mai probabil vor experimenta o comprimare catastrofală rapidă sub influența propriei gravitații. Acest lucru îi va duce la o stare de gaură neagră.

Gaură neagră - acesta este un corp fizic care creează o gravitație atât de puternică încât deplasarea spre roșu pentru lumina emisă în apropierea lui poate merge la infinit. Pentru ca o gaură neagră să apară, corpul trebuie să fie comprimat la o rază care să nu depășească raportul dintre masa corpului și masa Soarelui înmulțit cu 3 km. Această valoare critică a razei se numește raza gravitationala corpuri.

Fizicienii și astronomii sunt absolut siguri că găurile negre există în natură, deși până acum nu au fost detectate. Dificultățile căutărilor astronomice sunt asociate cu însăși natura acestor obiecte neobișnuite. La urma urmei, pur și simplu nu sunt vizibile, deoarece nu strălucesc, nu emit nimic în spațiu și, prin urmare, în sensul deplin al cuvântului, sunt negre. Numai printr-un număr de semne indirecte se poate spera să se observe o gaură neagră, de exemplu, într-un sistem stelar binar, unde partenerul său ar fi o stea obișnuită. Din observațiile privind mișcarea unei stele vizibile în câmpul gravitațional general al unei astfel de perechi, ar fi posibil să se estimeze masa stelei invizibile, iar dacă această valoare depășește masa Soarelui de trei sau mai multe ori, ar fi se poate afirma că a fost găsită o gaură neagră. Există acum câteva sisteme de stele duble bine studiate, în care masa partenerului invizibil este estimată la 5-8 mase solare. Cel mai probabil, acestea sunt găuri negre, dar până când aceste estimări sunt rafinate, astronomii preferă să numească aceste obiecte candidați pentru găuri negre.

Dilatarea gravitațională a timpului, a cărei măsură și dovezi este deplasarea către roșu, este foarte semnificativă în apropierea stelelor neutronice, iar în apropierea razei gravitaționale a unei găuri negre este atât de mare încât timpul acolo, din punctul de vedere al unui observator extern , pur și simplu îngheață. Pentru un corp care cade în câmpul gravitațional al unei găuri negre cu o masă egală cu trei mase solare, căderea de la o distanță de 1 milion de km pe raza gravitațională va dura doar aproximativ o oră. Dar conform ceasului, care va fi departe de gaura neagră, căderea liberă a corpului în câmpul său se va întinde în timp până la infinit. Cu cât corpul în cădere se apropie mai mult de raza gravitațională, cu atât acest zbor va apărea mai lent pentru un observator îndepărtat. Un corp observat de departe se va apropia de raza gravitațională pentru o perioadă infinit de timp și nu va ajunge niciodată la ea. Și la o anumită distanță de această rază, corpul îngheață pentru totdeauna - pentru un observator extern, timpul s-a oprit, la fel cum un moment înghețat al căderii unui corp este vizibil într-un cadru înghețat.

Ideile despre spațiu și timp formulate în teoria relativității a lui Einstein sunt de departe cele mai consistente. Dar sunt macroscopice, deoarece se bazează pe experiența studierii obiectelor macroscopice, distanțe mari și perioade lungi de timp. La construirea teoriilor care descriu fenomenele microlumii, această imagine geometrică, care presupune continuitatea spațiului și timpului (continuumul spațiu-timp), a fost transferată într-o nouă zonă fără nicio modificare. Nu există date experimentale care să contrazică aplicarea teoriei relativității în microlume. Dar însăși dezvoltarea teoriilor cuantice poate necesita o revizuire a ideilor despre spațiul fizic și timp.

Deja, unii oameni de știință vorbesc despre posibilitatea existenței unui cuantum al spațiului, o lungime fundamentală L. Prin introducerea acestui concept, știința va putea evita multe dintre dificultățile teoriilor cuantice moderne. Dacă se confirmă existența acestei lungimi, ea va deveni o altă constantă fundamentală în fizică. Existența unui cuantum de spațiu implică și existența unui cuantum de timp egal cu L/C, ceea ce limitează acuratețea determinării intervalelor de timp.

Teoria generală a relativității ia în considerare cadrele de referință non-inerțiale și afirmă posibilitatea identificării lor cu cele inerțiale (în prezența unui câmp gravitațional). Einstein formulează esența principiului principal al acestei teorii astfel: „Toate sistemele de referință sunt echivalente pentru a descrie natura (formularea legilor sale generale), indiferent în ce stare de mișcare se află.” Mai exact, principiul general al relativității spune că orice lege a fizicii este la fel de adevărată și aplicabilă atât în ​​cadrele de referință neinerțiale în prezența unui câmp gravitațional, cât și în cadrele de referință inerțiale, dar în absența acestuia.

Consecințele relativității generale:

1. Egalitatea masei inerțiale și gravitaționale este unul dintre rezultatele importante ale Relativității Generale, care consideră că toate sistemele de referință sunt echivalente, nu doar pe cele inerțiale.

2. Curbura unui fascicul de lumină într-un câmp gravitațional indică faptul că viteza luminii într-un astfel de câmp nu poate fi constantă, ci variază în direcție de la un loc la altul.

3. Rotația orbitei eliptice a planetelor care se deplasează în jurul Soarelui (de exemplu, pentru Mercur - 43° pe secol).

4. Dilatarea timpului în câmpul gravitațional al corpurilor masive sau super-dense.

5. Modificarea frecvenței luminii pe măsură ce aceasta se mișcă într-un câmp gravitațional.

Cel mai semnificativ rezultat al relativității generale este stabilirea dependenței proprietăților spațiu-timp ale lumii înconjurătoare de locația și densitatea maselor gravitatoare.

În concluzie, observăm că o serie de concluzii ale teoriei generale a relativității sunt calitativ diferite de concluziile teoriei gravitației lui Newton. Cele mai importante dintre ele sunt legate de existența găurilor negre, a singularităților spațiu-timp (locuri în care formal, conform teoriei, se termină existența particulelor și câmpurilor în forma obișnuită cunoscută nouă) și prezența undelor gravitaționale (gravitaționale). radiații). Limitările teoriei generale a gravitației a lui Einstein se datorează faptului că această teorie nu este cuantică; iar undele gravitaționale pot fi considerate ca un flux de cuante specifice – gravitoni.

Nu s-au găsit alte restricții privind aplicabilitatea teoriei relativității, deși s-a sugerat în mod repetat că la distanțe foarte mici conceptul de eveniment punctual și, prin urmare, teoria relativității, ar putea să nu fie aplicabil. Teoriile cuantice moderne ale interacțiunilor fundamentale (interacțiuni electromagnetice, slabe și puternice) se bazează tocmai pe geometria teoriei relativității spațiu-timp. Dintre aceste teorii, electrodinamica cuantică a leptonilor a fost testată cu cea mai mare acuratețe. Experimentele folosite pentru fundamentarea teoriei relativității în primele decenii de existență au fost repetate cu mare acuratețe. În zilele noastre, astfel de experimente prezintă un interes predominant istoric, deoarece principalul corp de dovezi pentru teoria generală a relativității constă din date legate de interacțiunile particulelor elementare relativiste.

Teoria generală a relativității, împreună cu teoria specială a relativității, este lucrarea genială a lui Albert Einstein, care la începutul secolului al XX-lea a schimbat modul în care fizicienii priveau lumea. O sută de ani mai târziu, relativitatea generală este teoria fundamentală și cea mai importantă a fizicii din lume și, împreună cu mecanica cuantică, pretinde a fi una dintre cele două pietre de temelie ale „teoriei tuturor lucrurilor”. Teoria generală a relativității descrie gravitația ca o consecință a curburii spațiu-timpului (unite în relativitatea generală într-un întreg) sub influența masei. Datorită relativității generale, oamenii de știință au obținut multe constante, au testat o grămadă de fenomene inexplicabile și au descoperit lucruri precum găurile negre, materia întunecată și energia întunecată, expansiunea Universului, Big Bang-ul și multe altele. De asemenea, GTR a refuzat depășirea vitezei luminii, prin urmare literalmente prinzându-ne în împrejurimile noastre (Sistemul Solar), dar a lăsat o portiță sub formă de găuri de vierme - căi posibile scurte prin spațiu-timp.

Un angajat al Universității RUDN și colegii săi brazilieni au pus sub semnul întrebării conceptul utilizării găurilor de vierme stabile ca portaluri către diferite puncte din spațiu-timp. Rezultatele cercetării lor au fost publicate în Physical Review D. - un clișeu destul de năstrușnic în science fiction. O gaură de vierme, sau „găură de vierme”, este un fel de tunel care conectează puncte îndepărtate din spațiu, sau chiar două universuri, prin curbura spațiu-timp.

Articolul descrie teoria relativității a lui Einstein fără formule sau cuvinte abstruse

Mulți dintre noi au auzit despre teoria relativității a lui Albert Einstein, dar unii nu pot înțelege sensul acestei teorii. Apropo, aceasta este prima teorie din istorie care ne îndepărtează de viziunea obișnuită asupra lumii. Să vorbim despre asta în cuvinte simple. Cu toții suntem obișnuiți cu percepția tridimensională: plan vertical, orizontal și adâncime. Dacă adăugăm timp aici și îl considerăm a patra cantitate, atunci obținem spațiu cu patru dimensiuni. Acest lucru se datorează faptului că timpul este și o valoare relativă. Deci, totul în lumea noastră este relativ. Ce înseamnă? De exemplu, să luăm doi frați gemeni, să-l trimitem pe unul dintre ei în spațiu cu viteza luminii timp de 20 de ani și să-l lăsăm pe celălalt pe Pământ. Când primul geamăn se va întoarce din spațiu, el va fi cu 20 de ani mai tânăr decât cel rămas pe Pământ. Acest lucru se datorează faptului că chiar și timpul este relativ în lumea noastră, ca orice altceva. Când un obiect se apropie de viteza luminii, timpul încetinește. Când se atinge o viteză egală cu viteza luminii, timpul se oprește complet. De aici putem concluziona că dacă depășești viteza luminii, atunci timpul se va întoarce, adică în trecut.

Totul este în teorie, dar în practică? Nu te poți apropia de viteza luminii, cu atât mai puțin să o depășești. În ceea ce privește viteza luminii, aceasta rămâne mereu constantă. De exemplu, o persoană stă pe peronul unei stații, iar a doua se deplasează cu trenul în direcția sa. Dacă cel care stă pe platformă strălucește o lanternă, atunci lumina de la aceasta va călători cu o viteză de 300.000 de kilometri pe secundă. Dacă persoana care merge în tren luminează și o lanternă, atunci viteza luminii sale nu va crește din cauza vitezei trenului; este întotdeauna egală cu 300.000 de kilometri pe secundă.

De ce este încă imposibil să depășești viteza luminii? Faptul este că atunci când se apropie de o viteză egală cu viteza luminii, masa obiectului crește, iar energia necesară pentru mișcarea obiectului crește în consecință. Dacă ajungem la viteza luminii, atunci masa obiectului va fi infinită, la fel ca, în principiu, energia, dar acest lucru este imposibil. Doar obiectele care nu au masa proprie se pot mișca cu viteza luminii, iar acest obiect este tocmai lumină.

În plus, gravitația este implicată în această chestiune; poate schimba timpul. Conform teoriei, cu cât gravitația este mai mare, cu atât timpul curge mai lent. Dar totul este în teorie, dar în practică? Sistemele moderne de navigație conectate la sateliți sunt atât de precise tocmai din această cauză. Dacă nu ar ține cont de teoria relativității, atunci diferența de măsurători ar putea fi de ordinul mai multor kilometri.

„Ce este teoria relativității?” - un scurt film științific popular filmat de regizorul Semyon Raitburt la a doua asociație de creație a studioului de film Mosnauchfilm în 1964.

Noua minte a regelui [Despre computere, gândire și legile fizicii] Roger Penrose

Teoria generală a relativității a lui Einstein

Să ne amintim marele adevăr descoperit de Galileo: toate corpurile aflate sub influența gravitației cad la fel de repede. (Aceasta a fost o presupunere genială, cu greu susținută de date empirice, deoarece din cauza rezistenței la aer, pene și pietre încă nu cad simultan! Galileo și-a dat seama brusc că, dacă rezistența aerului ar putea fi redusă la zero, atunci pene și pietre ar cadea pe Pământ în același timp.) Au fost nevoie de trei secole până când semnificația profundă a acestei descoperiri să fie pe deplin realizată și să devină piatra de temelie a unei mari teorii. Mă refer la teoria generală a relativității a lui Einstein - o descriere uluitoare a gravitației, care, după cum vom vedea în curând, a necesitat introducerea conceptului. spatiu-timp curbat !

Ce legătură are descoperirea intuitivă a lui Galileo cu ideea de „curbură spațiu-timp”? Cum a fost posibil ca acest concept, atât de clar diferit de schema lui Newton, conform căreia particulele sunt accelerate de forțele gravitaționale obișnuite, nu numai că ar putea egala acuratețea descrierii teoriei lui Newton, ci chiar să o depășească? Și apoi, cât de adevărată este afirmația că a existat ceva în descoperirea lui Galileo nu a avut încorporat mai târziu în teoria lui Newton?

Permiteți-mi să încep cu ultima întrebare pentru că este cel mai ușor de răspuns. Ce controlează, conform teoriei lui Newton, accelerația unui corp sub influența gravitației? În primul rând, forța gravitațională acționează asupra corpului forta , care, conform legii gravitației universale descoperită de Newton, ar trebui să fie proporțional cu greutatea corporală. În al doilea rând, cantitatea de accelerație experimentată de un corp aflat sub influență dat forte, conform celei de-a doua legi a lui Newton, invers proporțional cu greutatea corporală. Uimitoarea descoperire a lui Galileo depinde de faptul că „masa” inclusă în legea gravitației universale a lui Newton este, de fapt, aceeași „masă” care este inclusă în a doua lege a lui Newton. (În loc de „la fel,” s-ar putea spune „proporțional.”) Ca urmare, accelerația corpului sub influența gravitației nu depinde din masa sa. Nu există nimic în schema generală a lui Newton care să indice că cele două concepte de masă sunt aceleași. Această asemănare numai Newton postulat. Într-adevăr, forțele electrice sunt similare cu forțele gravitaționale prin faptul că ambele sunt invers proporționale cu pătratul distanței, dar forțele electrice depind de incarcare electrica, care are o cu totul altă natură decât greutateîn a doua lege a lui Newton. „Descoperirea intuitivă a lui Galileo” nu ar fi aplicabilă forțelor electrice: corpurile (corpurile încărcate) aruncate într-un câmp electric nu se poate spune că „cade” cu aceeași viteză!

Doar pentru un timp hai sa acceptam Descoperirea intuitivă a lui Galileo cu privire la mișcarea sub acțiune gravitatieși să încercăm să aflăm la ce consecințe duce. Să ne imaginăm pe Galileo aruncând două pietre din Turnul înclinat din Pisa. Să presupunem că o cameră video este atașată rigid de una dintre pietre și este îndreptată către cealaltă piatră. Apoi, următoarea situație va fi surprinsă pe film: piatra plutește în spațiu, parcă fără a experimenta efectele gravitației (Fig. 5.23)! Și asta se întâmplă tocmai pentru că toate corpurile sub influența gravitației cad cu aceeași viteză.

Orez. 5.23. Galileo aruncă două pietre (și o cameră video) din Turnul înclinat din Pisa

În imaginea descrisă mai sus, neglijăm rezistența aerului. În zilele noastre, zborurile spațiale ne oferă cea mai bună oportunitate de a testa aceste idei, deoarece nu există aer în spațiul cosmic. Mai mult, „căderea” în spațiul cosmic înseamnă pur și simplu deplasarea pe o anumită orbită sub influența gravitației. O astfel de „cădere” nu trebuie să aibă loc neapărat în linie dreaptă în jos - spre centrul Pământului. Poate avea o componentă orizontală. Dacă această componentă orizontală este suficient de mare, atunci corpul poate „cădea” pe o orbită circulară în jurul Pământului fără a se apropia de suprafața sa! Călătoria pe orbita liberă a Pământului sub influența gravitației este o metodă foarte sofisticată (și foarte costisitoare!) de „cădere”. Ca și în înregistrarea video descrisă mai sus, un astronaut care face o „plimbare în spațiul cosmic” își vede nava spațială plutind în fața lui și aparent că nu experimentează efectele gravitației de pe globul imens al Pământului de sub el! (Vezi Fig. 5.24.) Astfel, trecând la „cadru accelerat de referință” al căderii libere, putem elimina local efectul gravitației.

Orez. 5.24. Un astronaut își vede nava spațială plutind în fața lui, aparent neafectată de gravitație

Vedem că căderea liberă permite exclude gravitația deoarece efectul câmpului gravitațional este același cu cel al accelerației. Într-adevăr, dacă vă aflați într-un lift care accelerează în sus, atunci pur și simplu simțiți că câmpul gravitațional aparent crește, iar dacă liftul accelerează în jos, atunci tu câmpul gravitațional pare să fie în scădere. Dacă cablul de care este suspendată cabina s-ar rupe, atunci (ignorând rezistența aerului și efectele frecării) accelerația rezultată îndreptată în jos (spre centrul Pământului) ar distruge complet efectul gravitației, iar oamenii din vagonul liftului ar pluti liber în spațiu, ca un astronaut în timpul unei plimbări în spațiu, până când cabina lovește Pământul! Chiar și într-un tren sau la bordul unui avion, accelerațiile pot fi de așa natură încât experiența pasagerului cu privire la magnitudinea și direcția gravitației să nu coincidă cu locul în care experiența normală arată că „sus” și „jos” ar trebui să fie. Acest lucru se explică prin faptul că efectele accelerației și gravitației asemănătoare atât de mult încât simțurile noastre sunt incapabile să distingă una de alta. Acest fapt – că manifestările locale ale gravitației sunt echivalente cu manifestările locale ale unui cadru de referință accelerat – este ceea ce Einstein a numit principiul echivalenței .

Considerațiile de mai sus sunt „locale”. Dar dacă se permite să se facă (nu numai locale) măsurători cu o precizie suficient de mare, atunci în principiu este posibil să se stabilească diferențăîntre câmpul gravitațional „adevărat” și accelerația pură. În fig. 5 25 Am descris într-o formă ușor exagerată modul în care o configurație sferică inițial staționară a particulelor, care cad liber sub influența gravitației, începe să se deformeze sub influența eterogenitate câmp gravitațional (newtonian).

Orez. 5.25. Efect de maree. Săgețile duble indică accelerația relativă (WEIL)

Acest domeniu este eterogen din două puncte de vedere. În primul rând, deoarece centrul Pământului este situat la o anumită distanță finită de corpul care căde, particulele situate mai aproape de suprafața Pământului se deplasează în jos cu o accelerație mai mare decât particulele situate deasupra (amintim legea lui Newton a proporției inverse cu pătratul distanței) . În al doilea rând, din același motiv, există diferențe ușoare în direcția de accelerație pentru particulele care ocupă poziții orizontale diferite. Din cauza acestei eterogenități, forma sferică începe să se deformeze ușor, transformându-se într-un „elipsoid”. Sfera originală se prelungește spre centrul Pământului (și, de asemenea, în direcția opusă), deoarece acele părți ale acesteia care sunt mai aproape de centrul Pământului se mișcă cu o accelerație puțin mai mare decât acele părți care sunt mai îndepărtate de centrul Pământului. și se îngustează pe orizontală, deoarece accelerațiile părților sale situate la capetele diametrului orizontal sunt ușor înclinate „în interior” - în direcția către centrul Pământului.

Această acțiune de deformare este cunoscută ca efect de maree gravitatie. Dacă înlocuim centrul Pământului cu Luna, iar sfera particulelor materiale cu suprafața Pământului, obținem o descriere exactă a acțiunii Lunii în producerea mareelor ​​pe Pământ, cu „cocoașe” formându-se spre de Lună și departe de Lună. Efectul de maree este o caracteristică generală a câmpurilor gravitaționale care nu poate fi „eliminată” prin cădere liberă. Efectul de maree servește ca măsură a neomogenității câmpului gravitațional newtonian. (Valoarea deformației mareelor ​​scade de fapt invers cu cubul, nu cu pătratul distanței de la centrul de greutate.)

Legea gravitației universale a lui Newton, conform căreia forța este invers proporțională cu pătratul distanței, permite, după cum se dovedește, o interpretare simplă în ceea ce privește efectul de maree: volum elipsoid în care sfera este inițial deformată, egală volumul sferei originale - în ipoteza că sfera este înconjurată de un vid. Această proprietate de conservare a volumului este caracteristică legii inversului pătratului; Nu se aplică altor legi. Să presupunem în continuare că sfera inițială nu este înconjurată de un vid, ci de o anumită cantitate de materie cu o masă totală M . Apoi apare o componentă suplimentară de accelerație, direcționată în interiorul sferei datorită atracției gravitaționale a materiei din interiorul sferei. Volumul elipsoidului în care este inițial deformată sfera noastră de particule materiale este este în scădere- cu suma proporţional M . Am întâlni un exemplu de efect de reducere a volumului unui elipsoid dacă am alege sfera noastră astfel încât să înconjoare Pământul la o înălțime constantă (Fig. 5.26). Atunci accelerația obișnuită, cauzată de gravitație și îndreptată în jos (adică, în interiorul Pământului), va fi tocmai motivul pentru care volumul sferei noastre se micșorează.

Orez. 5.26. Când o sferă înconjoară o substanță (în acest caz, Pământul), are loc o accelerație netă, îndreptată spre interior (RICCI)

Această proprietate a compresiei volumului conține restul legii lui Newton a gravitației universale, și anume că forța este proporțională cu masa. atrăgând corpuri.

Să încercăm să obținem o imagine spațio-temporală a unei astfel de situații. În fig. În Fig. 5.27, am descris liniile lumii ale particulelor de pe suprafața noastră sferică (reprezentate în Fig. 5.25 sub formă de cerc), iar pentru descriere am folosit cadrul de referință în care apare punctul central al sferei. a fi în repaus („cădere liberă”).

Orez. 5.27. Curbura spațiu-timp: efect de maree reprezentat în spațiu-timp

Poziția relativității generale este de a considera căderea liberă ca fiind „mișcare naturală” – analogă cu „mișcarea liniară uniformă” întâlnită în absența gravitației. Astfel, noi noi incercam descrie căderea liberă cu linii de lume „dreapte” în spațiu-timp! Dar dacă te uiți la fig. 5.27, atunci devine clar că utilizarea cuvinte „drept” în raport cu aceste linii de lume poate induce în eroare cititorul, așa că, în scopuri terminologice, vom numi liniile lumii de particule care căde liber în spațiu-timp - geodezic .

Dar cât de bună este această terminologie? Ce se înțelege de obicei printr-o linie „geodezică”? Să luăm în considerare o analogie pentru o suprafață curbă bidimensională. Curbele geodezice sunt cele care servesc (local) drept „cele mai scurte rute” pe o suprafață dată. Cu alte cuvinte, dacă vă imaginați o bucată de fir întinsă pe suprafața specificată (și nu prea lungă pentru a nu aluneca), atunci firul va fi situat de-a lungul unei linii geodezice de pe suprafață.

Orez. 5.28. Linii geodezice în spațiu curbat: liniile converg în spațiu cu curbură pozitivă și diverg în spațiu cu curbură negativă

În fig. 5.28 Am dat două exemple de suprafețe: prima (în stânga) este o suprafață a așa-numitei „curburi pozitive” (ca suprafața unei sfere), a doua este o suprafață cu „curbură negativă” (o șa-curbură). suprafata modelata). Pe o suprafață cu curbură pozitivă, două linii geodezice adiacente care ies din punctele inițiale paralele între ele încep ulterior să se îndoaie către reciproc; iar pe o suprafață cu curbură negativă se îndoaie laturi unul de altul.

Dacă ne imaginăm că liniile mondiale ale particulelor în cădere liberă se comportă într-un anumit sens ca linii geodezice pe o suprafață, atunci se dovedește că există o analogie strânsă între efectul de maree gravitațional discutat mai sus și efectele curburii suprafeței - ambele curburi pozitive, deci si negativ. Aruncă o privire la fig. 5,25, 5,27. Vedem că în spațiu-timp încep liniile geodezice divergeîntr-o singură direcție (când se „aliniază” spre Pământ) - așa cum se întâmplă la suprafață negativ curbura din fig. 5.28 - și Vino mai aproapeîn alte direcții (când se mișcă orizontal față de Pământ) – ca la suprafață pozitiv curbura din fig. 5.28. Astfel, se pare că spațiu-timpul nostru, ca și suprafețele menționate mai sus, are și o „curbură”, doar mai complexă, întrucât datorită dimensiunii mari a spațiu-timpului în timpul diferitelor mișcări poate fi de natură mixtă, nu fiind pur pozitiv, nici pur negativ.

Rezultă că conceptul de „curbură” spațiu-timp poate fi folosit pentru a descrie acțiunea câmpurilor gravitaționale. Posibilitatea de a folosi o astfel de descriere decurge în cele din urmă din descoperirea intuitivă a lui Galileo (principiul echivalenței) și ne permite să eliminăm „forța” gravitațională folosind căderea liberă. Într-adevăr, nimic din ceea ce am spus până acum nu depășește teoria newtoniană. Imaginea tocmai desenată dă simplu reformulare această teorie. Dar când încercăm să combinăm noua imagine cu ceea ce oferă descrierea lui Minkowski a teoriei relativității speciale - geometria spațiului-timp, care, după cum știm, este aplicată în absenta gravitația - intră în joc o nouă fizică. Rezultatul acestei combinații este teoria generală a relativității Einstein.

Să ne amintim ce ne-a învățat Minkowski. Avem (în absența gravitației) spațiu-timp dotat cu un tip special de măsură de „distanță” între puncte: dacă avem o linie de lume în spațiu-timp care descrie traiectoria unei particule, atunci „distanța” în simțul lui Minkowski, măsurat de-a lungul liniilor acestei linii mondiale, dă timp , trăită de fapt de particule. (De fapt, în secțiunea anterioară am considerat această „distanță” doar pentru acele linii de lume care constau din segmente de linie dreaptă – dar afirmația de mai sus este valabilă și pentru liniile de lume curbe dacă „distanța” este măsurată de-a lungul curbei.) Minkowski geometria este considerată exactă dacă nu există câmp gravitațional, adică dacă spațiu-timp nu are curbură. Dar în prezența gravitației, considerăm geometria Minkowski doar ca una aproximativă - similar cu modul în care o suprafață plană corespunde doar aproximativ cu geometria unei suprafețe curbe. Să ne imaginăm că, în timp ce studiem o suprafață curbată, luăm un microscop care oferă o mărire crescândă - astfel încât geometria suprafeței curbe să pară din ce în ce mai întinsă. În același timp, suprafața ni se va părea din ce în ce mai plată. Prin urmare, spunem că o suprafață curbă are structura locală a unui plan euclidian. În mod similar, putem spune că în prezența gravitației, spațiu-timp pe plan local este descrisă de geometria Minkowski (care este geometria spațiu-timpului plat), dar permitem o oarecare „curbură” la scari mai mari (Fig. 5.29).

Orez. 5.29. Imagine a spațiu-timp curbat

În special, ca și în spațiul Minkowski, orice punct din spațiu-timp este un vârf con de lumină- dar în acest caz aceste conuri de lumină nu mai sunt situate în mod egal. În capitolul 7 ne vom familiariza cu modele individuale de spațiu-timp, în care această eterogenitate în locația conurilor de lumină este clar vizibilă (vezi Fig. 7.13, 7.14). Liniile mondiale de particule materiale sunt întotdeauna direcționate interior conuri de lumină și linii fotonice - de-a lungul conuri de lumină. De-a lungul oricărei astfel de curbe putem introduce o „distanță” în sensul Minkowski, care servește ca măsură a timpului trăit de particule în același mod ca în spațiul Minkowski. Ca și în cazul unei suprafețe curbe, această măsură a „distanței” determină geometrie suprafață, care poate diferi de geometria planului.

Liniile geodezice din spațiu-timp pot primi acum o interpretare similară cu cea a liniilor geodezice pe suprafețe bidimensionale, ținând cont de diferențele dintre geometriile Minkowski și euclidiene. Astfel, liniile noastre geodezice în spațiu-timp nu sunt (local) cele mai scurte curbe, ci, dimpotrivă, curbe care sunt (local) maximiza„distanță” (adică timp) de-a lungul liniei lumii. Liniile lumii de particule care se mișcă liber sub influența gravitației, conform acestei reguli, de fapt sunt geodezic. În special, corpurile cerești care se mișcă într-un câmp gravitațional sunt bine descrise de linii geodezice similare. În plus, razele de lumină (liniile lumii de fotoni) în spațiul gol servesc și ca linii geodezice, dar de data aceasta - nul„lungimi”. Ca exemplu, am desenat schematic în Fig. 5.30 linii mondiale ale Pământului și Soarelui. Mișcarea Pământului în jurul Soarelui este descrisă de o linie „tibușon” care se înfășoară în jurul liniei lumii Soarelui. Acolo am înfățișat și un foton care vine pe Pământ de la o stea îndepărtată. Linia sa lumii pare ușor „îndoită” datorită faptului că lumina (conform teoriei lui Einstein) este de fapt deviată de câmpul gravitațional al Soarelui.

Orez. 5.30. Liniile lumii ale Pământului și Soarelui. Un fascicul de lumină de la o stea îndepărtată este deviat de Soare

Mai trebuie să ne dăm seama cum poate fi încorporată legea inversului pătratului a lui Newton (după modificarea corespunzătoare) în teoria relativității generale a lui Einstein. Să ne întoarcem din nou la sfera noastră de particule materiale care cad într-un câmp gravitațional. Să ne amintim că, dacă în interiorul unei sfere este conținut doar un vid, atunci, conform teoriei lui Newton, volumul sferei nu se modifică inițial; dar dacă în interiorul sferei există materie cu o masă totală M , atunci are loc o reducere a volumului proporțională cu M . În teoria lui Einstein (pentru o sferă mică) regulile sunt exact aceleași, cu excepția faptului că nu toată modificarea volumului este determinată de masă M ; există o contribuție (de obicei foarte mică) din presiune, ivit în materialul înconjurat de sferă.

Expresia matematică completă pentru curbura spațiu-timpului cu patru dimensiuni (care se presupune că descrie efectele mareelor ​​pentru particulele care se deplasează în orice punct dat în toate direcțiile posibile) este dată de așa-numita Tensorul de curbură Riemann . Acesta este un subiect oarecum complex; pentru a-l descrie, este necesar să indicați douăzeci de numere reale în fiecare punct. Aceste douăzeci de numere sunt numite ale lui componente . Componente diferite corespund unor curburi diferite în direcții diferite ale spațiu-timpului. Tensorul de curbură Riemann este de obicei scris sub forma R tjkl, dar din moment ce nu vreau să explic aici ce înseamnă acești sub-indici (și, bineînțeles, ce este un tensor), îl voi scrie simplu astfel:

RIMAN .

Există o modalitate de a împărți acest tensor în două părți, numite, respectiv, tensor WEIL și tensor RICCI (fiecare cu zece componente). În mod convențional, voi scrie această partiție după cum urmează:

RIMAN = WEIL + RICCI .

(O înregistrare detaliată a tensorilor Weyl și Ricci este complet inutilă pentru scopurile noastre acum.) Tensorul Weyl WEIL servește drept măsură deformarea mareelor sfera noastră de particule care căde liber (adică modificări ale formei inițiale, nu ale dimensiunii); pe când tensorul Ricci RICCI servește ca măsură a modificării volumului inițial. Amintiți-vă că teoria gravitației a lui Newton cere asta greutate , conținută în sfera noastră de cădere, a fost proporțională cu această modificare a volumului original. Aceasta înseamnă că, în linii mari, densitatea mase materie - sau, echivalent, densitate energie (deoarece E = mc 2 ) - ar trebui să echivala tensorul Ricci.

În esență, aceasta este exact ceea ce afirmă ecuațiile de câmp ale relativității generale, și anume - Ecuațiile de câmp ale lui Einstein . Adevărat, există câteva subtilități tehnice aici, în care este mai bine să nu intrăm acum. Este suficient să spunem că există un obiect numit tensor energie-impuls , care reunește toate informațiile esențiale despre energia, presiunea și impulsul materiei și câmpurile electromagnetice. Voi numi acest tensor ENERGIE . Atunci ecuațiile lui Einstein pot fi reprezentate foarte schematic în următoarea formă,

RICCI = ENERGIE .

(Este prezența „presiunii” în tensor ENERGIE împreună cu unele cerințe pentru consistența ecuațiilor în ansamblu, conduc la necesitatea de a lua în considerare presiunea în efectul de reducere a volumului descris mai sus.)

Se pare că relația de mai sus nu spune nimic despre tensorul Weyl. Cu toate acestea, reflectă o proprietate importantă. Efectul de maree produs în spațiul gol se datorează VAILEM . Într-adevăr, din ecuațiile Einstein de mai sus rezultă că există diferenţial ecuații care relaționează WEIL Cu ENERGIE - aproape ca în ecuațiile Maxwell pe care le-am întâlnit mai devreme. Într-adevăr, punctul de vedere conform căruia WEIL ar trebui considerat ca un fel de analog gravitațional al câmpului electromagnetic (de fapt, tensorul - tensorul lui Maxwell), descris de perechea ( E , ÎN ), se dovedește a fi foarte fructuoasă. În acest caz WEIL servește ca un fel de măsură a câmpului gravitațional. „Sursa” pentru WEIL este ENERGIE - similar cu sursa pentru câmpul electromagnetic ( E , ÎN ) este ( ? , j ) - un set de sarcini și curenți în teoria lui Maxwell. Acest punct de vedere ne va fi util în capitolul 7.

Poate părea destul de surprinzător că, cu diferențe atât de semnificative în formulare și idei de bază, este destul de dificil să găsim diferențe observabile între teoriile lui Einstein și teoria prezentată de Newton cu două secole și jumătate mai devreme. Dar dacă vitezele în cauză sunt mici în comparație cu viteza luminii Cu , iar câmpurile gravitaționale nu sunt prea puternice (deci vitezele de evacuare sunt mult mai mici Cu , vezi capitolul 7, „Dinamica lui Galileo și Newton”), atunci teoria lui Einstein dă în esență aceleași rezultate ca și teoria lui Newton. Dar în situațiile în care predicțiile acestor două teorii diverge, predicțiile teoriei lui Einstein sunt mai precise. Până în prezent, au fost efectuate o serie de teste experimentale foarte impresionante, care ne permit să considerăm că noua teorie a lui Einstein este complet justificată. Ceasurile, potrivit lui Einstein, merg puțin mai încet într-un câmp gravitațional. Acest efect a fost acum măsurat direct în mai multe moduri. Semnalele luminoase și radio se îndoaie de fapt în apropierea Soarelui și sunt ușor întârziate pentru un observator care se deplasează spre ele. Aceste efecte, prezise inițial de teoria generală a relativității, au fost acum confirmate de experiență. Mișcarea sondelor spațiale și a planetelor necesită mici corecții ale orbitelor newtoniene, după cum reiese din teoria lui Einstein - aceste corecții au fost acum verificate și experimental. (În special, o anomalie în mișcarea planetei Mercur cunoscută sub numele de „schimbarea periheliului”, care a tulburat astronomii din 1859, a fost explicată de Einstein în 1915.) Poate că cea mai impresionantă dintre toate este o serie de observații ale unui sistem numit pulsar dublu, care constă din două stele mici și masive (posibil două „stele neutronice”, vezi capitolul 7 „Găuri negre”). Această serie de observații concordă foarte bine cu teoria lui Einstein și servește drept test direct al unui efect complet absent din teoria lui Newton - emisia valuri gravitationale. (O undă gravitațională este un analog unei unde electromagnetice și se deplasează cu viteza luminii Cu .) Nu există observații verificate care să contrazică teoria generală a relativității a lui Einstein. În ciuda întregii sale ciudățeni (la prima vedere), teoria lui Einstein funcționează încă și astăzi!

Din cartea Modern Science and Philosophy: Paths of Fundamental Research and Prospects for Philosophy autorul Kuznetsov B.G.

Din cartea Dansurile Mitkovo autor Shinkarev Vladimir Nikolaevici

Teoria generală a dansului Mitki 1. MICI INTERPRETI Nu mai este un secret pentru nimeni că dansul, sau mai precis, dansul, este cel mai răspândit tip de creativitate printre Mitki; acest lucru este de netăgăduit. Interpretările fenomenului de dans Mitkovo sunt controversate

Din cartea Modern Science and Philosophy: Paths of Fundamental Research and Prospects for Philosophy autorul Kuznetsov B.G.

Teoria relativității, mecanica cuantică și începutul erei atomice În anii 20 și 30 ai secolului nostru, oamenii vorbeau adesea despre impactul mai profund al ideilor cuantice, despre natura mai radicală a concluziilor din principiul incertitudinii și din mecanica cuantică. în general comparativ

Din cartea Dicționar filozofic al minții, materiei, moralității [fragmente] de Russell Bertrand

107. Teoria generală a relativității Teoria generală a relativității (GR) – publicată în 1915, la 10 ani după apariția Teoriei Speciale (SRT) – a fost în primul rând o teorie geometrică a gravitației. Această parte a teoriei poate fi considerată ferm stabilită. Cu toate acestea, ea

Din cartea Scurtă istorie a filosofiei [O carte plictisitoare] autor Gusev Dmitri Alekseevici

108. Teoria relativității speciale Teoria specială își pune sarcina de a face legile fizicii aceleași în raport cu oricare două sisteme de coordonate care se mișcă unul față de celălalt rectiliniu și uniform. Aici a fost necesar să se țină cont

Din cartea Lovers of Wisdom [Ce ar trebui să știe o persoană modernă despre istoria gândirii filozofice] autor Gusev Dmitri Alekseevici

12.1. La viteza luminii... (Teoria relativității) Apariția celui de-al doilea tablou științific al lumii a fost asociată în primul rând cu înlocuirea geocentrismului cu heliocentrism. A treia imagine științifică a lumii a abandonat deloc orice centrism. Conform ideilor noi, Universul a devenit

Din cartea Fizica si Filosofia autor Heisenberg Werner Karl

Teoria relativitatii. La viteza luminii Apariția celei de-a doua imagini științifice a lumii a fost asociată în primul rând cu înlocuirea geocentrismului cu heliocentrism. A treia imagine științifică a lumii a abandonat deloc orice centrism. Conform ideilor noi, Universul a devenit

Din cartea The Far Future of the Universe [Eschatology in Cosmic Perspective] de Ellis George

VII. TEORIA RELATIVITĂȚII Teoria relativității a jucat întotdeauna un rol deosebit de important în fizica modernă. A fost primul care a arătat necesitatea unor schimbări periodice în principiile fundamentale ale fizicii. Prin urmare, discutarea problemelor care au fost ridicate și

Din cartea Odată ce Platon a intrat într-un bar... Înțelegerea filozofiei prin glume de Cathcart Thomas

17.2.1. Teoria generală a relativității (GTR) a lui Einstein / Cosmologia Big Bang În 1915, Albert Einstein a publicat ecuațiile de câmp ale GTR, relaționând curbura spațiu-timpului cu energia distribuită în spațiu-timp: R?? - ?Rg?? = 8?T??. În simplificat

Din cartea Chaos and Structure autor Losev Alexey Fedorovich

17.5.2.3. Timpul fluid în fizică: relativitate specială, relativitate generală, mecanică cuantică și termodinamică O scurtă prezentare a patru domenii ale fizicii moderne: relativitate specială (SRT), relativitate generală (GR), cuantică

Din cartea Filosofie uimitoare autor Gusev Dmitri Alekseevici

IX Teoria relativității Ce putem spune aici? Fiecare persoană înțelege acest termen în mod diferit. Dimitri: Prietene, problema ta este că gândești prea mult. Tasso: În comparație cu cine? Dimitri: De exemplu, în comparație cu Ahile. Tasso: Și în comparație cu

Din cartea The King's New Mind [Despre computere, gândire și legile fizicii] de Penrose Roger

TEORIA GENERALĂ A NUMĂRULUI § 10. Introducere Numărul este o categorie atât de de bază și de profundă a ființei și conștiinței încât pentru a-l defini și caracteriza nu se pot lua decât momentele cele mai inițiale, cele mai abstracte din ambele. Matematica - știința numerelor - există deja

Din cartea Întoarcerea timpului [De la cosmogonia antică la cosmologia viitoare] de Smolin Lee

Cu viteza luminii. Teoria relativității Apariția celei de-a doua imagini științifice a lumii a fost asociată în primul rând cu înlocuirea geocentrismului cu heliocentrism. A treia imagine științifică a lumii a abandonat deloc orice centrism. Conform ideilor noi, Universul a devenit

Din cartea Limbă, ontologie și realism autor Makeeva Lolita Bronislavovna

Teoria relativității speciale a lui Einstein și Poincaré Să ne amintim principiul relativității al lui Galileo, care afirmă că legile fizice ale lui Newton și Galileo vor rămâne complet neschimbate dacă trecem de la un cadru de referință de repaus la altul, mișcându-se uniform.

Din cartea autorului

Capitolul 14 Relativitatea și întoarcerea timpului Astfel, recunoașterea realității timpului deschide noi abordări pentru înțelegerea modului în care Universul își alege legile, precum și modalități de a rezolva dificultățile mecanicii cuantice. Totuși, mai avem de depășit serios

Din cartea autorului

2.4. Teoria relativității ontologice și a realismului Din teza incertitudinii traducerii și ideea de obligații ontologice urmează relativitatea ontologică, ceea ce înseamnă în primul rând că referința este de neînțeles, că nu putem ști ce

La începutul secolului al XX-lea a fost formulată teoria relativității. Ce este și cine este creatorul ei, fiecare școlar știe astăzi. Este atât de fascinant încât chiar și oameni departe de știință sunt interesați de ea. Acest articol descrie teoria relativității într-un limbaj accesibil: ce este, care sunt postulatele și aplicația ei.

Se spune că Albert Einstein, creatorul său, a avut o epifanie într-o clipă. Omul de știință ar fi mers cu tramvaiul în Berna, Elveția. S-a uitat la ceasul străzii și și-a dat deodată seama că acest ceas s-ar opri dacă tramvaiul ar accelera până la viteza luminii. În acest caz, nu ar mai fi timp. Timpul joacă un rol foarte important în teoria relativității. Unul dintre postulatele formulate de Einstein este că diferiți observatori percep realitatea în moduri diferite. Acest lucru se aplică în special timpului și distanței.

Contabilizarea poziţiei observatorului

În acea zi, Albert și-a dat seama că, vorbind în limbajul științei, descrierea oricărui fenomen sau eveniment fizic depinde de cadrul de referință în care se află observatorul. De exemplu, dacă un pasager de tramvai își scăpa ochelarii, aceștia vor cădea vertical în jos în raport cu ea. Dacă priviți din poziția unui pieton care stă pe stradă, atunci traiectoria căderii lor va corespunde unei parabole, deoarece tramvaiul se mișcă și ochelarii cad în același timp. Astfel, fiecare are propriul său cadru de referință. Ne propunem să luăm în considerare mai detaliat principalele postulate ale teoriei relativității.

Legea mișcării distribuite și principiul relativității

În ciuda faptului că atunci când sistemele de referință se schimbă, descrierile evenimentelor se schimbă, există și lucruri universale care rămân neschimbate. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să ne întrebăm nu scăderea din pahare, ci legea naturii care provoacă scăderea. Pentru orice observator, indiferent dacă se află într-un sistem de coordonate în mișcare sau staționar, răspunsul rămâne același. Această lege se numește legea mișcării distribuite. Functioneaza la fel atat in tramvai cat si pe strada. Cu alte cuvinte, dacă descrierea evenimentelor depinde întotdeauna de cine le observă, atunci acest lucru nu se aplică legilor naturii. Ele sunt, așa cum se exprimă de obicei în limbajul științific, invariante. Acesta este principiul relativității.

Cele două teorii ale lui Einstein

Acest principiu, ca orice altă ipoteză, a trebuit mai întâi testat prin corelarea lui cu fenomenele naturale care operează în realitatea noastră. Einstein a derivat 2 teorii din principiul relativității. Deși legate, sunt considerate separate.

Teoria particulară sau specială a relativității (SRT) se bazează pe propoziția că pentru toate tipurile de sisteme de referință, a căror viteză este constantă, legile naturii rămân aceleași. Teoria generală a relativității (GTR) extinde acest principiu la orice cadru de referință, inclusiv la cele care se mișcă cu accelerație. În 1905, A. Einstein a publicat prima teorie. Al doilea, mai complex în ceea ce privește aparatura matematică, a fost finalizat până în 1916. Crearea teoriei relativității, atât STR cât și GTR, a devenit o etapă importantă în dezvoltarea fizicii. Să aruncăm o privire mai atentă la fiecare dintre ele.

Teoria specială a relativității

Ce este, care este esența lui? Să răspundem la această întrebare. Această teorie este cea care prezice multe efecte paradoxale care contrazic ideile noastre intuitive despre modul în care funcționează lumea. Vorbim despre acele efecte care se observă atunci când viteza de mișcare se apropie de viteza luminii. Cel mai faimos dintre ele este efectul de dilatare a timpului (mișcarea ceasului). Un ceas care se mișcă în raport cu observatorul merge mai încet pentru el decât cel care este în mâinile lui.

În sistemul de coordonate, atunci când se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii, timpul este întins în raport cu observatorul, iar lungimea obiectelor (întinderea spațială), dimpotrivă, este comprimată de-a lungul axei direcției acestei mișcări. . Oamenii de știință numesc acest efect contracția Lorentz-Fitzgerald. În 1889, a fost descrisă de George Fitzgerald, un fizician italian. Și în 1892, Hendrik Lorenz, un olandez, l-a extins. Acest efect explică rezultatul negativ dat de experimentul Michelson-Morley, în care viteza planetei noastre în spațiul cosmic este determinată prin măsurarea „vântului eteric”. Acestea sunt postulatele de bază ale teoriei relativității (speciale). Einstein a completat aceste transformări de masă prin analogie. Potrivit acesteia, pe măsură ce viteza unui corp se apropie de viteza luminii, masa corpului crește. De exemplu, dacă viteza este de 260 mii km/s, adică 87% din viteza luminii, din punctul de vedere al unui observator care se află într-un cadru de referință în repaus, masa obiectului se va dubla.

Confirmări ale stațiilor de service

Toate aceste prevederi, oricât de contrare bunului simț ar fi, au fost direct și complet confirmate în multe experimente de pe vremea lui Einstein. Una dintre ele a fost condusă de oameni de știință de la Universitatea din Michigan. Acest experiment curios confirmă teoria relativității în fizică. Cercetătorii au plasat ceasuri ultra-precise la bordul unui avion de linie care făcea în mod regulat zboruri transatlantice.De fiecare dată după ce acesta s-a întors la aeroport, citirile acestor ceasuri au fost verificate cu cele de control. S-a dovedit că ceasul din avion cădea din ce în ce mai mult în spatele ceasului de control de fiecare dată. Desigur, vorbeam doar despre numere nesemnificative, fracțiuni de secundă, dar faptul în sine este foarte indicativ.

În ultima jumătate de secol, cercetătorii au studiat particulele elementare folosind acceleratoare - complexe hardware uriașe. În ele, fasciculele de electroni sau protoni, adică cele încărcate, sunt accelerate până când viteza lor se apropie de viteza luminii. După aceasta, trag în ținte nucleare. În aceste experimente, este necesar să se țină cont de faptul că masa particulelor crește, altfel rezultatele experimentului nu pot fi interpretate. În acest sens, SRT nu mai este doar o teorie ipotetică. A devenit unul dintre instrumentele folosite în inginerie aplicată, alături de legile mecanicii lui Newton. Principiile teoriei relativității și-au găsit o mare aplicație practică astăzi.

SRT și legile lui Newton

Apropo, vorbind despre (portretul acestui om de știință este prezentat mai sus), trebuie spus că teoria relativității speciale, care pare să le contrazică, reproduce de fapt ecuațiile legilor lui Newton aproape exact dacă este folosită pentru a descrie corpuri. a căror viteză de mișcare este mult mai mică viteza luminii. Cu alte cuvinte, dacă se aplică relativitatea specială, fizica newtoniană nu este deloc abandonată. Această teorie, dimpotrivă, o completează și o extinde.

Viteza luminii este o constantă universală

Folosind principiul relativității, se poate înțelege de ce în acest model al structurii lumii viteza luminii joacă un rol foarte important și nu orice altceva. Această întrebare este pusă de cei care abia încep să se familiarizeze cu fizica. Viteza luminii este o constantă universală datorită faptului că este definită ca atare de legea științelor naturale (puteți afla mai multe despre acest lucru studiind ecuațiile lui Maxwell). Viteza luminii în vid, datorită principiului relativității, este aceeași în orice cadru de referință. Ai putea crede că acest lucru este contraintuitiv. Se dovedește că observatorul primește simultan lumină atât de la o sursă staționară, cât și de la una în mișcare (indiferent de cât de repede se mișcă). Cu toate acestea, nu este. Viteza luminii, datorită rolului său special, i se acordă un loc central nu numai în relativitatea specială, ci și în relativitatea generală. Să vorbim și despre ea.

Teoria generală a relativității

Este folosit, așa cum am spus deja, pentru toate sistemele de referință, nu neapărat pentru cele a căror viteză de mișcare unul față de celălalt este constantă. Din punct de vedere matematic, această teorie pare mult mai complicată decât cea specială. Așa se explică faptul că între publicațiile lor au trecut 11 ani. Relativitatea generală include special ca caz special. Prin urmare, legile lui Newton sunt incluse și în el. Cu toate acestea, relativitatea generală merge mult mai departe decât predecesorii săi. De exemplu, explică gravitația într-un mod nou.

A patra dimensiune

Datorită relativității generale, lumea devine patrudimensională: timpul se adaugă la trei dimensiuni spațiale. Toate sunt inseparabile, prin urmare, nu mai trebuie să vorbim despre distanța spațială care există în lumea tridimensională între două obiecte. Vorbim acum despre intervale spațio-temporale dintre diverse evenimente, combinând atât distanța lor spațială, cât și cea temporală unul față de celălalt. Cu alte cuvinte, timpul și spațiul în teoria relativității sunt considerate ca un fel de continuum cu patru dimensiuni. Poate fi definit ca spațiu-timp. În acest continuum, acei observatori care se mișcă unul față de celălalt vor avea opinii diferite chiar dacă două evenimente au avut loc simultan sau dacă unul dintre ele l-a precedat pe celălalt. Cu toate acestea, relațiile cauză-efect nu sunt încălcate. Cu alte cuvinte, nici măcar relativitatea generală nu permite existența unui astfel de sistem de coordonate, unde două evenimente au loc în secvențe diferite și nu simultan.

Relativitatea generală și legea gravitației universale

Conform legii gravitației universale, descoperită de Newton, forța de atracție reciprocă există în Univers între oricare două corpuri. Pământul din această poziție se rotește în jurul Soarelui, deoarece între ele există forțe de atracție reciprocă. Cu toate acestea, relativitatea generală ne obligă să privim acest fenomen dintr-o perspectivă diferită. Gravitația, conform acestei teorii, este o consecință a „curburii” (deformației) spațiu-timpului, care se observă sub influența masei. Cu cât corpul este mai greu (în exemplul nostru, Soarele), cu atât mai mult spațiu-timp „se îndoaie” sub el. În consecință, câmpul său gravitațional este mai puternic.

Pentru a înțelege mai bine esența teoriei relativității, să trecem la o comparație. Pământul, conform Relativității Generale, se rotește în jurul Soarelui ca o mică minge care se rostogolește în jurul conului unei pâlnii creată ca urmare a „împingerii Soarelui prin spațiu-timp”. Și ceea ce suntem obișnuiți să considerăm forța gravitației este de fapt o manifestare externă a acestei curburi, și nu o forță, în înțelegerea lui Newton. Până în prezent, nu a fost găsită o explicație mai bună a fenomenului gravitației decât cea propusă în Relativitatea Generală.

Metode de verificare a GTR

Rețineți că relativitatea generală nu este ușor de verificat, deoarece rezultatele sale în condiții de laborator corespund aproape legii gravitației universale. Cu toate acestea, oamenii de știință au efectuat încă o serie de experimente importante. Rezultatele lor ne permit să concluzionam că teoria lui Einstein este confirmată. Relativitatea generală, în plus, ajută la explicarea diferitelor fenomene observate în spațiu. Acestea sunt, de exemplu, mici abateri ale lui Mercur de la orbita sa staționară. Din punctul de vedere al mecanicii clasice newtoniene, acestea nu pot fi explicate. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care radiațiile electromagnetice care provin de la stelele îndepărtate sunt îndoite atunci când trec în apropierea Soarelui.

Rezultatele prezise de relativitatea generală diferă de fapt semnificativ de cele date de legile lui Newton (portretul său este prezentat mai sus) numai atunci când sunt prezente câmpuri gravitaționale superputernice. Prin urmare, pentru o verificare completă a relativității generale, sunt necesare fie măsurători foarte precise ale obiectelor de masă enormă, fie ale găurilor negre, deoarece conceptele noastre obișnuite nu sunt aplicabile acestora. Prin urmare, dezvoltarea metodelor experimentale pentru testarea acestei teorii este una dintre sarcinile principale ale fizicii experimentale moderne.

Mințile multor oameni de știință și chiar și ale oamenilor departe de știință sunt ocupate de teoria relativității creată de Einstein. Am explicat pe scurt despre ce este vorba. Această teorie răstoarnă ideile noastre obișnuite despre lume, motiv pentru care interesul pentru ea încă nu se estompează.