Rozdíly mezi obecnou a speciální relativitou. Speciální teorie relativity
Jak se obecná teorie relativity liší od speciální teorie relativity?
Speciální teorie relativity (STR) (speciální teorie relativity; relativistická mechanika) je teorie, která popisuje pohyb, zákony mechaniky a časoprostorové vztahy při rychlostech pohybu blízkých rychlosti světla. V rámci speciální teorie relativity je klasická newtonovská mechanika nízkorychlostní aproximací. Zobecnění STR pro gravitační pole se nazývá obecná teorie relativity.
Obecná teorie relativity je geometrická teorie gravitace, rozvíjející speciální teorii relativity (STR), publikovanou Albertem Einsteinem v letech 1915-1916. V rámci obecné teorie relativity, stejně jako v jiných metrických teoriích, se postuluje, že gravitační účinky nejsou způsobeny silovou interakcí těles a polí nacházejících se v časoprostoru, ale deformací samotného časoprostoru, která je spojena zejména s přítomností hmoty-energie. Obecná teorie relativity se liší od jiných metrických teorií gravitace tím, že používá Einsteinovy rovnice ke spojení zakřivení časoprostoru s hmotou v něm přítomnou.
Uveďte experimentální důkaz platnosti Einsteinovy teorie.
Důkazy obecné relativity
Efekty spojené se zrychlením referenčních snímků
Prvním z těchto efektů je gravitační dilatace času, díky které půjdou hodiny tím pomaleji, čím hlouběji v gravitační díře (blíže ke gravitujícímu tělu) jsou. Tento efekt byl přímo potvrzen v experimentu Hafele-Keating, stejně jako v experimentu Gravity Probe A, a je neustále potvrzen v GPS.
Přímo související efekt je gravitační červený posuv světla. Tento efekt je chápán jako pokles frekvence světla vzhledem k místním hodinám (podle toho posun čar spektra k červenému konci spektra vzhledem k místní stupnici), když se světlo šíří z gravitační studny směrem ven (od oblast s nižším gravitačním potenciálem do oblasti s vyšším potenciálem) /
Gravitační dilatace času s sebou nese další efekt zvaný Shapiro efekt (také známý jako zpoždění gravitačního signálu). Kvůli tomuto efektu se elektromagnetické signály pohybují déle v gravitačním poli než v nepřítomnosti tohoto pole. Tento jev byl objeven radarovým sledováním planet sluneční soustavy a kosmických lodí projíždějících za Sluncem a také pozorováním signálů z dvojitých pulsarů.
Nejslavnější raný test obecné teorie relativity umožnilo úplné zatmění Slunce v roce 1919. Arthur Eddington ukázal, že světlo z hvězdy bylo ohnuto blízko Slunce přesně podle předpovědi obecné teorie relativity.
K ohybu dráhy světla dochází v jakékoli zrychlené vztažné soustavě. Detailní vzhled pozorované trajektorie a efektů gravitační čočky však závisí na zakřivení časoprostoru. Einstein se o tomto efektu dozvěděl v roce 1911, a když heuristicky vypočítal velikost zakřivení trajektorií, ukázalo se, že je to stejné, jaké předpověděla klasická mechanika pro částice pohybující se rychlostí světla. V roce 1916 Einstein zjistil, že ve skutečnosti je v obecné relativitě úhlový posun ve směru šíření světla dvakrát větší než v newtonovské teorii, na rozdíl od předchozí úvahy. Tato předpověď se tak stala dalším způsobem testování obecné teorie relativity.
Od roku 1919 je tento jev potvrzován astronomickými pozorováními hvězd při zatmění Slunce a také s vysokou přesností ověřován radiointerferometrickými pozorováními kvasarů procházejících poblíž Slunce při jeho dráze po ekliptice.
A konečně, každá hvězda může zvýšit jas, když před ní projde kompaktní hmotný objekt. V tomto případě obrazy vzdálené hvězdy, zvětšené a zkreslené v důsledku gravitační odchylky světla, nelze rozlišit (jsou příliš blízko u sebe) a jednoduše je pozorován nárůst jasnosti hvězdy. Tomuto efektu se říká mikročočka a dnes je pravidelně pozorován v rámci projektů studujících neviditelná tělesa naší Galaxie gravitační mikročočkou světla z hvězd - MASNO, EROS (anglicky) a dalších.
Orbitální účinky
Obecná teorie relativity koriguje předpovědi Newtonovy teorie nebeské mechaniky týkající se dynamiky gravitačně vázaných systémů: Sluneční soustavy, dvojhvězd atd.
Prvním efektem obecné teorie relativity bylo, že perihelia všech planetárních drah by precesovala, protože Newtonův gravitační potenciál by měl malý relativistický přírůstek, což vedlo k vytvoření otevřených drah. Tato předpověď byla prvním potvrzením obecné teorie relativity, protože hodnota precese odvozená Einsteinem v roce 1916 se zcela shodovala s anomální precesí Merkurova perihelia. Tím byl vyřešen v té době známý problém nebeské mechaniky.
Později byla relativistická periheliová precese pozorována také u Venuše, Země, asteroidu Icarus a jako silnější efekt v systémech dvojitých pulsarů. Za objev a výzkum prvního dvojitého pulsaru PSR B1913+16 v roce 1974 obdrželi R. Hulse a D. Taylor v roce 1993 Nobelovu cenu.
Důkaz SRT
Speciální teorie relativity je základem celé moderní fyziky. Proto neexistuje žádný samostatný experiment, který by „prokázal“ SRT. Celý soubor experimentálních dat ve fyzice vysokých energií, jaderné fyzice, spektroskopii, astrofyzice, elektrodynamice a dalších oblastech fyziky je v souladu s teorií relativity v mezích experimentální přesnosti. Například v kvantové elektrodynamice (kombinace STR, kvantové teorie a Maxwellových rovnic) se hodnota anomálního magnetického momentu elektronu shoduje s teoretickou předpovědí s relativní přesností 10? 9.
Ve skutečnosti je SRT inženýrská věda. Jeho vzorce se používají při výpočtu urychlovačů částic. Zpracování obrovského množství dat o srážkách částic pohybujících se relativistickou rychlostí v elektromagnetických polích je založeno na zákonech relativistické dynamiky, jejichž odchylky nebyly zjištěny. Korekce vyplývající z SRT a GTR se používají v systémech satelitní navigace (GPS). SRT je základem jaderné energie atd.
SRT, také známá jako speciální teorie relativity, je sofistikovaný popisný model vztahů časoprostoru, pohybu a zákonů mechaniky, který v roce 1905 vytvořil nositel Nobelovy ceny Albert Einstein.
Při nástupu na katedru teoretické fyziky na univerzitě v Mnichově se Max Planck obrátil o radu na profesora Philippa von Jollyho, který v té době vedl katedru matematiky na této univerzitě. K čemuž dostal radu: „V této oblasti je již téměř vše otevřené a zbývá jen opravit některé nepříliš důležité problémy.“ Mladý Planck odpověděl, že nechce objevovat nové věci, ale chce pouze porozumět a systematizovat již známé poznatky. Výsledkem je, že z jednoho takového „nepříliš důležitého problému“ následně vznikla kvantová teorie a z dalšího teorie relativity, za kterou dostali Max Planck a Albert Einstein Nobelovu cenu za fyziku.
Na rozdíl od mnoha jiných teorií, které se opíraly o fyzikální experimenty, byla Einsteinova teorie založena téměř výhradně na jeho myšlenkových experimentech a v praxi byla potvrzena až později. Takže v roce 1895 (ve věku pouhých 16 let) přemýšlel o tom, co by se stalo, kdyby se pohyboval rovnoběžně s paprskem světla jeho rychlostí? V takové situaci se ukázalo, že pro vnějšího pozorovatele měly částice světla oscilovat kolem jednoho bodu, což odporovalo Maxwellovým rovnicím a principu relativity (který tvrdil, že fyzikální zákony nezávisí na místě, kde se nacházíte a rychlost, kterou se pohybujete). Mladý Einstein tak dospěl k závěru, že rychlost světla by pro hmotné tělo měla být nedosažitelná a první cihla byla položena do základu budoucí teorie.
Další experiment provedl v roce 1905 a spočíval v tom, že na koncích jedoucího vlaku jsou dva pulzní světelné zdroje, které svítí současně. Pro vnějšího pozorovatele projíždějícího vlakem se obě tyto události odehrávají současně, ale pro pozorovatele nacházejícího se ve středu vlaku se tyto události budou zdát, že k těmto událostem došlo v různých časech, protože záblesk světla od začátku vozu dorazí dříve než ze svého konce (kvůli konstantní rychlosti světla).
Z toho vyvodil velmi odvážný a dalekosáhlý závěr, že simultánnost událostí je relativní. Výpočty získané na základě těchto experimentů publikoval v práci „O elektrodynamice pohybujících se těles“. Navíc pro pohybujícího se pozorovatele bude mít jeden z těchto pulzů větší energii než druhý. Aby v takové situaci při pohybu z jedné inerciální vztažné soustavy do druhé nedošlo k porušení zákona zachování hybnosti, bylo nutné, aby objekt současně se ztrátou energie ztrácel i hmotnost. Einstein tak dospěl ke vzorci charakterizujícímu vztah mezi hmotností a energií E=mc 2 – což je v současnosti možná nejznámější fyzikální vzorec. Výsledky tohoto experimentu publikoval později téhož roku.
Základní postuláty
Stálost rychlosti světla– do roku 1907 byly prováděny experimenty na měření s přesností ±30 km/s (což byla větší než oběžná rychlost Země) a nezaznamenaly její změny v průběhu roku. Jednalo se o první důkaz neměnnosti rychlosti světla, který byl následně potvrzen mnoha dalšími experimenty, jak experimentátory na zemi, tak automatickými zařízeními ve vesmíru.
Princip relativity– tento princip určuje neměnnost fyzikálních zákonů v libovolném bodě prostoru a v jakékoli inerciální vztažné soustavě. Tedy bez ohledu na to, zda se pohybujete rychlostí kolem 30 km/s na oběžné dráze Slunce spolu se Zemí nebo v kosmické lodi daleko za jejími hranicemi – při fyzikálním experimentu vždy dojdete k stejné výsledky (pokud je vaše loď v této době nezrychluje ani nezpomaluje). Tento princip byl potvrzen všemi experimenty na Zemi a Einstein moudře považoval tento princip za pravdivý pro zbytek Vesmíru.
Důsledky
Prostřednictvím výpočtů založených na těchto dvou postulátech dospěl Einstein k závěru, že čas pro pozorovatele pohybujícího se v lodi by se měl s rostoucí rychlostí zpomalovat a on by se měl spolu s lodí zmenšovat ve směru pohybu (aby se tím kompenzovat účinky pohybu a zachovat princip relativity). Z podmínky konečné rychlosti pro hmotné těleso také vyplynulo, že pravidlo pro sčítání rychlostí (které mělo v newtonovské mechanice jednoduchý aritmetický tvar) by mělo být nahrazeno složitějšími Lorentzovými transformacemi – v tomto případě, i když sečteme dvě rychlosti na 99 % rychlosti světla, dostaneme 99,995 % této rychlosti, ale nepřekročíme ji.
Stav teorie
Protože Einsteinovi trvalo pouhých 11 let, než vytvořil obecnou verzi konkrétní teorie, nebyly provedeny žádné experimenty, které by přímo potvrdily SRT. Ve stejném roce, kdy byla zveřejněna, však Einstein také zveřejnil své výpočty, které vysvětlovaly posun perihélia Merkuru na zlomek procenta, aniž by bylo nutné zavádět nové konstanty a další předpoklady, které vyžadovaly jiné teorie, které vysvětlil tento proces. Od té doby byla správnost obecné teorie relativity potvrzena experimentálně s přesností 10 -20 a na jejím základě bylo učiněno mnoho objevů, které správnost této teorie jasně dokazují.
Mistrovství v otevírání
Když Einstein publikoval své první práce o speciální teorii relativity a začal psát její obecnou verzi, další vědci již objevili významnou část vzorců a myšlenek, které jsou základem této teorie. Řekněme tedy, že Lorentzovy transformace v obecné podobě poprvé získal Poincaré v roce 1900 (5 let před Einsteinem) a byly pojmenovány po Hendriku Lorentzovi, který obdržel přibližnou verzi těchto transformací, i když i v této roli byl před Waldemarem Vogtem.
Speciální teorie relativity
Většinu paradoxních a kontraintuitivních efektů, které vznikají při pohybu rychlostí blízkou rychlosti světla, předpovídá speciální teorie relativity. Nejznámější z nich je efekt zpomalení hodin, neboli efekt zpomalení času. Hodiny pohybující se vzhledem k pozorovateli pro něj jdou pomaleji než úplně stejné hodiny v jeho rukou.
Čas v souřadnicovém systému pohybujícím se rychlostí blízkou rychlosti světla vůči pozorovateli se natahuje a prostorový rozsah (délka) objektů podél osy směru pohybu se naopak stlačuje. Tento efekt, známý jako Lorentzova-Fitzgeraldova kontrakce, popsal v roce 1889 irský fyzik George Fitzgerald (1851–1901) a rozšířil v roce 1892 nizozemský fyzik Hendrick Lorentz (1853–1928). Lorenz-Fitzgeraldova kontrakce vysvětluje proč Michelsonův-Morleyho experiment k určení rychlosti pohybu Země v kosmickém prostoru měřením „éterického větru“ byl výsledek negativní. Einstein později zahrnul tyto rovnice do speciální teorie relativity a doplnil je podobným převodním vzorcem pro hmotnost, podle kterého se hmotnost tělesa také zvětšuje, když se rychlost tělesa blíží rychlosti světla. Při rychlosti 260 000 km/s (87 % rychlosti světla) se tedy hmotnost objektu z pohledu pozorovatele umístěného v klidové vztažné soustavě zdvojnásobí.
Od dob Einsteina všechny tyto předpovědi, bez ohledu na to, jak se mohou zdát v rozporu se zdravým rozumem, našly úplné a přímé experimentální potvrzení. V jednom z nejodhalujících experimentů vědci z University of Michigan umístili na palubu dopravního letadla, které provádělo pravidelné transatlantické lety, ultra přesné atomové hodiny a po každém návratu na domovské letiště porovnávali své hodnoty s kontrolními hodinami. Ukázalo se, že hodiny v letadle postupně stále více zaostávaly za řídicími hodinami (abychom tak řekli, když se bavíme o zlomcích vteřin). Poslední půlstoletí vědci zkoumali elementární částice pomocí obrovských hardwarových komplexů zvaných urychlovače. V nich jsou svazky nabitých subatomárních částic (jako jsou protony a elektrony) urychlovány na rychlosti blízké rychlosti světla a poté vystřelovány na různé jaderné cíle. Při takových experimentech na urychlovačích je nutné počítat s nárůstem hmotnosti urychlených částic – jinak se výsledky experimentu prostě nedají rozumně interpretovat. A v tomto smyslu se speciální teorie relativity již dávno přesunula z kategorie hypotetických teorií do oblasti aplikovaných inženýrských nástrojů, kde se používá spolu s Newtonovy zákony mechaniky.
Vrátím-li se k Newtonovým zákonům, chtěl bych zvláště poznamenat, že speciální teorie relativity, i když navenek odporuje zákonům klasické Newtonovy mechaniky, ve skutečnosti téměř přesně reprodukuje všechny obvyklé rovnice Newtonových zákonů, pokud je použita k popisu pohybujících se těles. při rychlostech výrazně nižších než je rychlost světla. To znamená, že speciální teorie relativity newtonovskou fyziku neruší, ale rozšiřuje a doplňuje (tato myšlenka je podrobněji rozebrána v Úvodu).
Princip relativity také pomáhá pochopit, proč právě rychlost světla, a ne žádná jiná, hraje v tomto modelu struktury světa tak důležitou roli – tuto otázku si kladou mnozí z těch, kteří se s teorií poprvé setkali relativity. Rychlost světla vyniká a hraje zvláštní roli jako univerzální konstanta, protože je určena přírodovědným zákonem (viz Maxwellovy rovnice). Na základě principu relativity je rychlost světla ve vakuu c stejná v jakékoli vztažné soustavě. Zdá se, že to odporuje zdravému rozumu, protože se ukazuje, že světlo z pohybujícího se zdroje (bez ohledu na to, jak rychle se pohybuje) a ze stacionárního zdroje dopadá k pozorovateli současně. Nicméně je to pravda.
Vzhledem ke své zvláštní roli v přírodních zákonech zaujímá rychlost světla ústřední místo v obecné teorii relativity.
Obecná teorie relativity
Obecná teorie relativity platí pro všechny referenční systémy (a nejen pro ty, které se vůči sobě pohybují konstantní rychlostí) a vypadá matematicky mnohem komplikovaněji než ta speciální (což vysvětluje jedenáctiletou mezeru mezi jejich zveřejněním). Zahrnuje jako speciální případ speciální teorii relativity (a tedy Newtonovy zákony). Obecná teorie relativity jde přitom mnohem dále než všichni její předchůdci. Zejména poskytuje nový výklad gravitace.
Obecná teorie relativity dělá svět čtyřrozměrným: ke třem prostorovým rozměrům se přidává čas. Všechny čtyři dimenze jsou neoddělitelné, takže se už nebavíme o prostorové vzdálenosti mezi dvěma objekty, jako je tomu v trojrozměrném světě, ale o časoprostorových intervalech mezi událostmi, které spojují svou vzájemnou vzdálenost – oba v čase a prostoru. To znamená, že prostor a čas jsou považovány za čtyřrozměrné časoprostorové kontinuum nebo jednoduše časoprostor. V tomto kontinuu se pozorovatelé pohybující se vůči sobě mohou dokonce neshodnout na tom, zda dvě události nastaly současně – nebo zda jedna předcházela druhé. Naštěstí pro naši ubohou mysl nedochází k narušení vztahů příčina-následek – tedy existenci souřadnicových systémů, v nichž dvě události neprobíhají současně a v různých posloupnostech, nepřipouští ani obecná teorie relativita.
Newtonův zákon univerzální gravitace nám říká, že mezi jakýmikoli dvěma tělesy ve vesmíru existuje síla vzájemné přitažlivosti. Z tohoto pohledu se Země otáčí kolem Slunce, protože mezi nimi působí vzájemné přitažlivé síly. Obecná teorie relativity nás však nutí dívat se na tento jev jinak. Podle této teorie je gravitace důsledkem deformace („zakřivení“) elastické tkaniny časoprostoru pod vlivem hmoty (čím je těleso těžší, např. Slunce, tím více se časoprostor „prohýbá“ pod tím silnější je jeho gravitační silové pole). Představte si pevně napnuté plátno (jakýsi druh trampolíny), na kterém je umístěn masivní míč. Plátno se pod tíhou koule zdeformuje a kolem něj se vytvoří trychtýřovitá prohlubeň. Podle obecné teorie relativity se Země otáčí kolem Slunce jako malá koule vypuštěná, aby se kutálela kolem kužele trychtýře vzniklého v důsledku „tlačení“ časoprostoru těžkou koulí – Sluncem. A to, co se nám jeví jako síla gravitace, je ve skutečnosti v podstatě čistě vnějším projevem zakřivení časoprostoru a vůbec ne silou v newtonovském chápání. Dodnes nám nedává lepší vysvětlení podstaty gravitace než obecná teorie relativity.
Testování obecné teorie relativity je obtížné, protože za normálních laboratorních podmínek jsou její výsledky téměř přesně stejné, jako předpovídá Newtonův gravitační zákon. Přesto bylo provedeno několik důležitých experimentů a jejich výsledky nám umožňují považovat teorii za potvrzenou. Obecná teorie relativity navíc pomáhá vysvětlit jevy, které pozorujeme ve vesmíru, jako jsou drobné odchylky Merkuru od jeho stacionární dráhy, nevysvětlitelné z pohledu klasické newtonovské mechaniky, nebo ohyb elektromagnetického záření vzdálených hvězd při jeho blízkém průchodu. blízkost ke Slunci.
Ve skutečnosti se výsledky předpovězené obecnou teorií relativity výrazně liší od výsledků předpovídaných Newtonovými zákony pouze v přítomnosti supersilných gravitačních polí. To znamená, že k úplnému otestování obecné teorie relativity potřebujeme buď ultrapřesná měření velmi hmotných objektů, nebo černých děr, na které nelze aplikovat žádnou z našich obvyklých intuitivních představ. Vývoj nových experimentálních metod pro testování teorie relativity tedy zůstává jedním z nejdůležitějších úkolů experimentální fyziky.
Speciální teorie relativity . Speciální teorie relativity (STR), publikovaná Einsteinem v roce 1905, popisuje relativistické procesy a jevy a projevuje se rychlostí blízkou rychlosti světla. K vytvoření SRT přijal Einstein dva postuláty: 1) rychlost světla ve všech inerciálních vztažných soustavách zůstává konstantní; 2) přírodní zákony ve všech inerciálních vztažných soustavách jsou invariantní (stejné). Kromě toho uplatnil transformace nizozemského teoretického fyzika Hendrik Lorenz.
Vztah mezi prostorem a časem se projevuje ve čtyřrozměrném časoprostoru. Tento vztah se jasně odráží ve vzorci pro vzdálenost (s) mezi dvěma událostmi v čtyřrozměrný plocha:
kde je čas, ∆ℓ je vzdálenost mezi dvěma body v trojrozměrný plocha.
Konverze Lorenz obsahuje také vztah mezi prostorem a časem ve formě vztahu mezi souřadnicemi nepohyblivé (K) a řídící (K 1) referenční soustavy x 1 = γּ(x─ ) a t 1 = γּ(t─ ), kde γ = 1/- volal relativistický koeficient. Lorentz našel výrazy pro γ na základě linearity transformace a stálosti rychlosti světla v pohyblivých (K 1) a nepohybujících se (K) referenčních systémech.
Pomocí Lorentzovy transformace vytvořil Einstein obecnou relativitu, podle níž je délka pohybujícího se tělesa klesá v právu:
Hmotnost tělesa pohybujícího se rychlostí se zvýší v právu:
Časový tok pohyblivých hodin zpomaluje v právu:
τ = τ 0 ּ ,
Následující příklad jasněji ukazuje dilataci času při pohybu vysokou rychlostí. Řekněme, že kosmická loď odstartovala rychlostí 0,99 km/s a vrátila se po 50 letech. Podle STO, podle astronautových hodinek, tento let trval pouze jeden rok. Pokud astronaut ve věku 20 let nechal na Zemi nově narozeného syna, pak se 50letý syn setká se svým 21letým otcem.
SRT získal následující náhradní vzorec zákon o součtu rychlostí:
1 = ( +u)/(1+ u/c 2),
pokud se těleso pohybuje rychlostí světla =s. a referenční soustava se pohybuje rychlostí světla u= C, pak dostaneme: 1 = S. V důsledku toho zůstala rychlost světla konstantní, bez ohledu na rychlost referenční soustavy.
Obecná teorie relativity . V referenčních systémech pohybujících se zrychlením není splněn ani princip setrvačnosti, ani zákony mechaniky. Bylo potřeba vytvořit teorii, která popisuje pohyb tělesa v neinerciálních vztažných soustavách. Einstein tento úkol splnil, když tvořil obecná teorie relativity(OTO).
V GTR Einstein rozšiřuje princip relativity na neinerciální vztažné soustavy. Předpokládá, že gravitační a setrvačné hmotnosti tělesa jsou ekvivalentní. V roce 1890 maďarský fyzik L. Eotvos s vysokou přesností byla potvrzena ekvivalence gravitační a setrvačné hmotnosti tělesa do 10 -9. Toto tvrzení o ekvivalenci gravitační a setrvačné hmoty bylo základem obecné teorie relativity.
Obecná teorie relativity ukázala, že prostor kolem koncentrace hmoty, zkroucený a má charakter Riemannova prostoru. Obecná teorie relativity nahrazuje Newtonův zákon univerzální gravitace Einsteinovým relativistickým gravitačním zákonem, ze kterého Newtonův zákon v konkrétním případě vyplývá. V letech 1919 a 1922 studoval během zatmění Slunce vychýlení paprsku, pocházející ze vzdálených hvězd, z přímosti v gravitačním poli Slunce. Experimenty ukázaly zakřivení prostoru blízko Slunce a tím dokázala správnost obecné teorie relativity.
Obecná teorie relativity popisuje relativistické zákony gravitace jako vliv hmoty na vlastnosti prostoru a času. A vlastnosti prostoru a času ovlivňují fyzikální procesy v nich probíhající. Pohyb hmotného bodu ve čtyřrozměrném prostoru proto nastává podél geodetické linie zakřiveného prostoru. V důsledku toho pohybová rovnice hmotného bodu popisuje geodetickou linii zakřiveného prostoru. Einstein našel tuto rovnici. Skládá se z 10 rovnic. V těchto rovnicích je gravitační pole popsáno pomocí 10 potenciálů pole. Matematický aparát obecné relativity je složitý téměř všechny problémy spojené s obecnou teorií relativity, kromě těch nejjednodušších. Vědci se proto stále snaží pochopit význam obecné teorie relativity.
Teorii relativity zavedl Albert Einstein na počátku 20. století. Jaká je její podstata? Podívejme se na hlavní body a popišme TOE jasným jazykem.
Teorie relativity prakticky odstranila nesrovnalosti a rozpory fyziky 20. století, vynutila si radikální změnu v představě o struktuře časoprostoru a byla experimentálně potvrzena v četných experimentech a studiích.
TOE tak vytvořilo základ všech moderních základních fyzikálních teorií. Ve skutečnosti je to matka moderní fyziky!
Pro začátek stojí za zmínku, že existují 2 teorie relativity:
- Speciální teorie relativity (STR) – uvažuje o fyzikálních procesech v rovnoměrně se pohybujících objektech.
- Obecná teorie relativity (GTR) - popisuje zrychlující se objekty a vysvětluje původ takových jevů, jako je gravitace a existence.
Je jasné, že STR se objevil dříve a je v podstatě součástí GTR. Promluvme si nejprve o ní.
STO jednoduchými slovy
Teorie je založena na principu relativity, podle kterého jsou všechny přírodní zákony stejné vzhledem k tělesům, která jsou nehybná a pohybují se konstantní rychlostí. A z takové zdánlivě jednoduché úvahy vyplývá, že rychlost světla (300 000 m/s ve vakuu) je pro všechna tělesa stejná.
Představte si například, že jste dostali vesmírnou loď z daleké budoucnosti, která může létat velkou rychlostí. Na přídi lodi je instalováno laserové dělo schopné vystřelovat fotony dopředu.
Ve vztahu k lodi takové částice létají rychlostí světla, ale vzhledem k nehybnému pozorovateli by se zdálo, že by měly letět rychleji, protože obě rychlosti jsou sečteny.
To se však ve skutečnosti neděje! Vnější pozorovatel vidí, že se fotony pohybují rychlostí 300 000 m/s, jako by k nim nebyla přičtena rychlost kosmické lodi.
Musíte si pamatovat: vzhledem k jakémukoli tělesu bude rychlost světla konstantní, bez ohledu na to, jak rychle se pohybuje.
Z toho plynou úžasné závěry jako dilatace času, podélná kontrakce a závislost tělesné hmotnosti na rychlosti. Přečtěte si více o nejzajímavějších důsledcích Speciální teorie relativity v článku na odkazu níže.
Podstata obecné teorie relativity (GR)
Abychom to lépe pochopili, musíme znovu spojit dvě skutečnosti:
- Žijeme ve čtyřrozměrném prostoru
Prostor a čas jsou projevy stejné entity zvané „časoprostorové kontinuum“. Toto je 4-rozměrný časoprostor se souřadnicovými osami x, y, z a t.
My lidé nejsme schopni vnímat 4 dimenze stejně. V podstatě vidíme pouze projekce skutečného čtyřrozměrného objektu do prostoru a času.
Zajímavé je, že teorie relativity neuvádí, že se tělesa při pohybu mění. 4-rozměrné objekty zůstávají vždy nezměněny, ale s relativním pohybem se mohou měnit jejich projekce. A to vnímáme jako zpomalení času, zmenšení velikosti atd.
- Všechna tělesa padají konstantní rychlostí a nezrychlují
Udělejme děsivý myšlenkový experiment. Představte si, že jedete v uzavřené kabině výtahu a jste ve stavu beztíže.
Tato situace může nastat pouze ze dvou důvodů: buď jste ve vesmíru, nebo volně padáte spolu s kabinou pod vlivem zemské gravitace.
Bez pohledu z kabiny je absolutně nemožné tyto dva případy rozlišit. Jde jen o to, že v jednom případě letíte rovnoměrně a ve druhém se zrychlením. Budete muset hádat!
Možná sám Albert Einstein uvažoval o pomyslném výtahu a napadla ho jedna úžasná myšlenka: nelze-li tyto dva případy rozlišit, pak pád vlivem gravitace je také rovnoměrný pohyb. Pohyb je prostě ve čtyřrozměrném časoprostoru rovnoměrný, ale v přítomnosti hmotných těles (např.) je zakřivený a rovnoměrný pohyb se promítá do pro nás obvyklého trojrozměrného prostoru ve formě zrychleného pohyb.
Podívejme se na další jednodušší, i když ne zcela správný příklad zakřivení dvourozměrného prostoru.
Dokážete si představit, že jakékoli masivní těleso pod sebou vytváří nějaký tvarovaný trychtýř. Pak ostatní tělesa prolétající kolem nebudou schopna pokračovat ve svém pohybu po přímce a budou měnit svou trajektorii podle ohybů zakřiveného prostoru.
Mimochodem, pokud tělo nemá mnoho energie, pak může být jeho pohyb obecně uzavřen.
Stojí za zmínku, že z pohledu pohybujících se těles se i nadále pohybují přímočaře, protože necítí nic, co by je nutí otáčet. Prostě skončili v zakřiveném prostoru a aniž by si to uvědomovali, mají nelineární trajektorii.
Je třeba poznamenat, že 4 rozměry jsou ohnuté, včetně času, takže s touto analogií je třeba zacházet opatrně.
V obecné teorii relativity tedy gravitace vůbec není silou, ale pouze důsledkem zakřivení časoprostoru. V tuto chvíli je tato teorie pracovní verzí původu gravitace a je ve výborné shodě s experimenty.
Překvapivé důsledky obecné teorie relativity
Světelné paprsky se mohou ohýbat při letu v blízkosti masivních těles. Ve vesmíru byly skutečně nalezeny vzdálené objekty, které se „skrývají“ za ostatními, ale kolem nich se ohýbají světelné paprsky, díky nimž se k nám světlo dostává.
Podle obecné teorie relativity platí, že čím silnější je gravitace, tím pomaleji plyne čas. S tímto faktem je třeba počítat při provozu GPS a GLONASS, protože jejich satelity jsou vybaveny nejpřesnějšími atomovými hodinami, které tikají o něco rychleji než na Zemi. Pokud se tato skutečnost nezohlední, bude chyba souřadnic během jednoho dne 10 km.
Díky Albertu Einsteinovi můžete pochopit, kde se v okolí nachází knihovna nebo obchod.
A konečně, obecná teorie relativity předpovídá existenci černých děr, kolem kterých je gravitace tak silná, že se čas jednoduše zastaví poblíž. Proto světlo, které dopadá do černé díry, ji nemůže opustit (odrazit).
Ve středu černé díry se vlivem kolosální gravitační komprese vytvoří objekt s nekonečně vysokou hustotou, který, jak se zdá, nemůže existovat.
Obecná teorie relativity tedy může vést k velmi rozporuplným závěrům, na rozdíl od , a proto ji většina fyziků zcela nepřijala a nadále hledala alternativu.
Mnoho věcí se jí ale daří předpovídat úspěšně, například nedávný senzační objev potvrdil teorii relativity a znovu nás přiměl připomenout si velkého vědce s vyplazeným jazykem. Pokud máte rádi vědu, přečtěte si WikiScience.