Czym ogólna teoria względności różni się od szczególnej teorii względności?

Szczególna teoria względności (STR) (szczególna teoria względności; mechanika relatywistyczna) to teoria opisująca ruch, prawa mechaniki oraz zależności czasoprzestrzenne przy prędkościach ruchu bliskich prędkości światła. W ramach szczególnej teorii względności klasyczna mechanika Newtona jest przybliżeniem małych prędkości. Uogólnienie STR dla pól grawitacyjnych nazywa się ogólną teorią względności.

Ogólna teoria względności jest geometryczną teorią grawitacji, rozwijającą szczególną teorię względności (STR), opublikowaną przez Alberta Einsteina w latach 1915-1916. W ramach ogólnej teorii względności, podobnie jak w innych teoriach metryki, postuluje się, że efekty grawitacyjne powstają nie w wyniku oddziaływania siłowego ciał i pól znajdujących się w czasoprzestrzeni, ale w wyniku deformacji samej czasoprzestrzeni, co wiąże się w szczególności z obecnością energii masowej. Ogólna teoria względności różni się od innych metrycznych teorii grawitacji tym, że wykorzystuje równania Einsteina do powiązania krzywizny czasoprzestrzeni z obecną w niej materią.

Podaj eksperymentalne dowody na słuszność teorii Einsteina.

Dowody ogólnej teorii względności

Efekty związane z przyspieszaniem układów odniesienia

Pierwszym z tych efektów jest grawitacyjne wydłużenie czasu, w wyniku którego każdy zegar będzie chodził wolniej, im głębiej w dziurze grawitacyjnej (bliżej grawitującego ciała) się znajduje. Efekt ten został bezpośrednio potwierdzony w eksperymencie Hafele-Keatinga, a także w eksperymencie Gravity Probe A i jest stale potwierdzany w GPS.

Bezpośrednio powiązanym efektem jest grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni światła. Efekt ten rozumiany jest jako spadek częstotliwości światła w stosunku do zegara lokalnego (odpowiednio przesunięcie linii widma na czerwony koniec widma w stosunku do skali lokalnej), gdy światło rozchodzi się od studni grawitacyjnej na zewnątrz (od obszaru o niższym potencjale grawitacyjnym do obszaru o wyższym potencjale) /

Dylatacja czasu grawitacyjnego pociąga za sobą inny efekt zwany efektem Shapiro (znanym również jako opóźnienie sygnału grawitacyjnego). Z powodu tego efektu sygnały elektromagnetyczne przemieszczają się dłużej w polu grawitacyjnym niż w przypadku braku tego pola. Zjawisko to zostało odkryte poprzez monitorowanie radarowe planet Układu Słonecznego i statków kosmicznych przelatujących za Słońcem, a także obserwację sygnałów z podwójnych pulsarów.

Najsłynniejszy wczesny test ogólnej teorii względności stał się możliwy dzięki całkowitemu zaćmieniu słońca w 1919 roku. Arthur Eddington wykazał, że światło gwiazdy załamuje się w pobliżu Słońca dokładnie tak, jak przewiduje ogólna teoria względności.

Zakrzywienie ścieżki światła następuje w dowolnym przyspieszonym układzie odniesienia. Szczegółowy wygląd obserwowanej trajektorii i efektów soczewkowania grawitacyjnego zależy jednak od krzywizny czasoprzestrzeni. Einstein dowiedział się o tym efekcie w 1911 roku i kiedy heurystycznie obliczył wielkość krzywizny trajektorii, okazało się, że jest ona taka sama, jak przewidywana przez mechanikę klasyczną dla cząstek poruszających się z prędkością światła. W 1916 roku Einstein odkrył, że w ogólnej teorii względności przesunięcie kątowe w kierunku propagacji światła jest dwukrotnie większe niż w teorii Newtona, w przeciwieństwie do wcześniejszych rozważań. Zatem przewidywanie to stało się kolejnym sposobem testowania ogólnej teorii względności.

Od 1919 roku zjawisko to potwierdzają obserwacje astronomiczne gwiazd podczas zaćmień Słońca, a także z dużą dokładnością weryfikowane są radiointerferometrycznymi obserwacjami kwazarów przelatujących w pobliżu Słońca podczas jego drogi po ekliptyce.

Wreszcie, każda gwiazda może zwiększyć swoją jasność, gdy przed nią przejdzie zwarty, masywny obiekt. W tym przypadku obrazy odległej gwiazdy, powiększone i zniekształcone na skutek grawitacyjnego odchylenia światła, nie mogą zostać rozdzielone (są zbyt blisko siebie) i po prostu obserwuje się wzrost jasności gwiazdy. Efekt ten nazywany jest mikrosoczewkowaniem i jest obecnie regularnie obserwowany w ramach projektów badających niewidzialne ciała naszej Galaktyki poprzez mikrosoczewkowanie grawitacyjne światła gwiazd - MASNO, EROS (angielski) i inne.

Efekty orbitalne

Ogólna teoria względności koryguje przewidywania teorii mechaniki niebieskiej Newtona dotyczące dynamiki układów powiązanych grawitacyjnie: Układu Słonecznego, gwiazd podwójnych itp.

Pierwszym skutkiem ogólnej teorii względności była precesja peryheliów wszystkich orbit planet, ponieważ potencjał grawitacyjny Newtona miałby niewielki dodatek relatywistyczny, prowadzący do powstania orbit otwartych. Przewidywanie to było pierwszym potwierdzeniem ogólnej teorii względności, gdyż wartość precesji wyprowadzona przez Einsteina w 1916 roku całkowicie pokrywała się z anomalną precesją peryhelium Merkurego. W ten sposób rozwiązano znany wówczas problem mechaniki niebieskiej.

Później relatywistyczną precesję peryhelium zaobserwowano także w pobliżu Wenus, Ziemi, asteroidy Ikar oraz jako silniejszy efekt w układach podwójnych pulsarów. Za odkrycie i badania pierwszego podwójnego pulsara PSR B1913+16 w 1974 r. R. Hulse i D. Taylor otrzymali Nagrodę Nobla w 1993 r.

Dowód SRT

Szczególna teoria względności leży u podstaw całej współczesnej fizyki. Nie ma zatem osobnego eksperymentu, który „udowodniłby” SRT. Całość danych eksperymentalnych z fizyki wysokich energii, fizyki jądrowej, spektroskopii, astrofizyki, elektrodynamiki i innych dziedzin fizyki jest zgodna z teorią względności w granicach dokładności eksperymentalnej. Na przykład w elektrodynamice kwantowej (połączenie STR, teorii kwantowej i równań Maxwella) wartość anomalnego momentu magnetycznego elektronu pokrywa się z przewidywaniem teoretycznym ze względną dokładnością 10? 9.

W rzeczywistości SRT jest nauką inżynieryjną. Jego wzory są wykorzystywane w obliczeniach akceleratorów cząstek. Przetwarzanie ogromnych ilości danych dotyczących zderzeń cząstek poruszających się z relatywistycznymi prędkościami w polach elektromagnetycznych opiera się na prawach dynamiki relatywistycznej, od których nie wykryto odchyleń. Poprawki wynikające z SRT i GTR wykorzystywane są w systemach nawigacji satelitarnej (GPS). SRT jest podstawą energii jądrowej itp.

SRT, znana również jako szczególna teoria względności, to wyrafinowany model opisowy zależności czasoprzestrzeni, ruchu i praw mechaniki, stworzony w 1905 roku przez laureata Nagrody Nobla Alberta Einsteina.

Wchodząc na wydział fizyki teoretycznej Uniwersytetu w Monachium, Max Planck zwrócił się o poradę do profesora Philippa von Jolly, który w tym czasie kierował wydziałem matematyki na tej uczelni. Na co otrzymał radę: „w tym obszarze prawie wszystko jest już otwarte i pozostaje tylko załatać kilka niezbyt istotnych problemów”. Młody Planck odpowiedział, że nie chce odkrywać nowych rzeczy, a jedynie zrozumieć i usystematyzować już znaną wiedzę. W rezultacie z jednego takiego „mało istotnego problemu” wyłoniła się później teoria kwantowa, a z drugiego teoria względności, za którą Max Planck i Albert Einstein otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

W przeciwieństwie do wielu innych teorii opierających się na eksperymentach fizycznych, teoria Einsteina opierała się niemal wyłącznie na jego eksperymentach myślowych i dopiero później została potwierdzona w praktyce. Zatem już w 1895 roku (w wieku zaledwie 16 lat) zastanawiał się, co by się stało, gdyby poruszał się równolegle do wiązki światła z jej prędkością? W takiej sytuacji okazało się, że dla zewnętrznego obserwatora cząstki światła powinny oscylować wokół jednego punktu, co jest sprzeczne z równaniami Maxwella i zasadą względności (która głosiła, że ​​prawa fizyczne nie zależą od miejsca, w którym się znajdujesz i od prędkość, z jaką się poruszasz). W ten sposób młody Einstein doszedł do wniosku, że prędkość światła powinna być nieosiągalna dla ciała materialnego, i położył pierwszą cegłę pod podstawę przyszłej teorii.

Kolejny eksperyment przeprowadził przez niego w 1905 roku i polegał na tym, że na końcach jadącego pociągu znajdują się dwa pulsacyjne źródła światła, które zapalają się jednocześnie. Dla zewnętrznego obserwatora przejeżdżającego obok pociągu oba te zdarzenia zachodzą jednocześnie, natomiast dla obserwatora znajdującego się w środku pociągu będzie się wydawać, że zdarzenia te miały miejsce w różnym czasie, gdyż rozbłysk światła od początku wagonu dotrze wcześniej niż od jego końca (ze względu na stałą prędkość światła).

Wyciągnął z tego bardzo śmiały i daleko idący wniosek, że jednoczesność zdarzeń jest względna. Obliczenia uzyskane na podstawie tych eksperymentów opublikował w pracy „O elektrodynamice ciał ruchomych”. Co więcej, dla poruszającego się obserwatora jeden z tych impulsów będzie miał większą energię niż drugi. Aby w takiej sytuacji nie została naruszona zasada zachowania pędu przy przechodzeniu z jednego inercjalnego układu odniesienia do drugiego, konieczne było, aby obiekt jednocześnie z utratą energii utracił masę. W ten sposób Einstein doszedł do wzoru charakteryzującego związek pomiędzy masą i energią E=mc 2 - co jest obecnie chyba najsłynniejszym wzorem fizycznym. Wyniki tego eksperymentu zostały przez niego opublikowane jeszcze w tym samym roku.

Podstawowe postulaty

Stałość prędkości światła– do 1907 r. prowadzono eksperymenty mierzące z dokładnością ±30 km/s (czyli większą od prędkości orbitalnej Ziemi) i nie wykrywano jej zmian w ciągu roku. Był to pierwszy dowód na niezmienność prędkości światła, co zostało później potwierdzone przez wiele innych eksperymentów, zarówno eksperymentatorów na Ziemi, jak i automatycznych urządzeń w kosmosie.

Zasada względności– zasada ta określa niezmienność praw fizycznych w dowolnym punkcie przestrzeni i w każdym inercjalnym układzie odniesienia. Oznacza to, że niezależnie od tego, czy poruszasz się z prędkością około 30 km/s po orbicie Słońca wraz z Ziemią, czy też w statku kosmicznym daleko poza jej granicami – wykonując eksperyment fizyczny, zawsze trafisz na takie same wyniki (jeśli twój statek jest w tym czasie, nie przyspiesza ani nie zwalnia). Zasadę tę potwierdziły wszystkie eksperymenty na Ziemi, a Einstein mądrze uznał tę zasadę za prawdziwą dla reszty Wszechświata.

Konsekwencje

Na podstawie obliczeń opartych na tych dwóch postulatach Einstein doszedł do wniosku, że czas dla obserwatora poruszającego się na statku powinien zwalniać wraz ze wzrostem prędkości, a on wraz ze statkiem powinien zmniejszać się w kierunku ruchu (aby kompensując w ten sposób skutki ruchu i zachowując zasadę względności). Z warunku skończonej prędkości dla ciała materialnego wynikało także, że regułę dodawania prędkości (która w mechanice Newtona miała prostą postać arytmetyczną) należy zastąpić bardziej złożonymi transformacjami Lorentza – w tym przypadku nawet jeśli dodamy dwie prędkości do 99% prędkości światła, uzyskamy 99,995% tej prędkości, ale jej nie przekroczymy.

Stan teorii

Ponieważ stworzenie ogólnej wersji konkretnej teorii zajęło Einsteinowi zaledwie 11 lat, nie przeprowadzono żadnych eksperymentów, które bezpośrednio potwierdziłyby SRT. Jednak w tym samym roku, w którym została opublikowana, Einstein opublikował także swoje obliczenia wyjaśniające przesunięcie peryhelium Merkurego z dokładnością do ułamka procenta, bez konieczności wprowadzania nowych stałych i innych założeń, których wymagały inne teorie wyjaśnił ten proces. Od tego czasu poprawność ogólnej teorii względności została potwierdzona eksperymentalnie z dokładnością 10 -20 i na jej podstawie dokonano wielu odkryć, co jednoznacznie potwierdza poprawność tej teorii.

Mistrzostwo w otwarciu

Kiedy Einstein opublikował swoje pierwsze prace na temat szczególnej teorii względności i zaczął pisać jej ogólną wersję, inni naukowcy odkryli już znaczną część wzorów i idei leżących u podstaw tej teorii. Powiedzmy więc, że transformacje Lorentza w ogólnej formie zostały po raz pierwszy uzyskane przez Poincarégo w 1900 roku (5 lat przed Einsteinem) i nazwane na cześć Hendrika Lorentza, który otrzymał przybliżoną wersję tych transformacji, chociaż i w tej roli wyprzedził Waldemara Vogta.

Szczególna teoria względności

Większość paradoksalnych i sprzecznych z intuicją efektów zachodzących podczas poruszania się z prędkością bliską prędkości światła przewiduje szczególna teoria względności. Najbardziej znanym z nich jest efekt spowolnienia zegara, czyli efekt spowolnienia czasu. Zegar poruszający się względem obserwatora jedzie dla niego wolniej niż dokładnie ten sam zegar w jego rękach.

Czas w układzie współrzędnych poruszający się z prędkością bliską prędkości światła względem obserwatora ulega rozciągnięciu, a zakres przestrzenny (długość) obiektów wzdłuż osi kierunku ruchu, wręcz przeciwnie, ulega kompresji. Efekt ten, znany jako skrócenie Lorentza-Fitzgeralda, został opisany w 1889 r. przez irlandzkiego fizyka George'a Fitzgeralda (1851–1901) i rozszerzony w 1892 r. przez holenderskiego fizyka Hendricka Lorentza (1853–1928). Skrócenie Lorenza-Fitzgeralda wyjaśnia dlaczego Eksperyment Michelsona-Morleya określenie prędkości ruchu Ziemi w przestrzeni kosmicznej poprzez pomiary „eterycznego wiatru” dało wynik negatywny. Einstein włączył później te równania do szczególnej teorii względności i uzupełnił je podobnym wzorem na przeliczenie masy, zgodnie z którym masa ciała rośnie także w miarę zbliżania się prędkości ciała do prędkości światła. Zatem przy prędkości 260 000 km/s (87% prędkości światła) masa obiektu z punktu widzenia obserwatora znajdującego się w spoczynkowym układzie odniesienia podwoi się.

Od czasów Einsteina wszystkie te przewidywania, niezależnie od tego, jak sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem mogą się wydawać, znalazły pełne i bezpośrednie potwierdzenie eksperymentalne. W jednym z najbardziej odkrywczych eksperymentów naukowcy z Uniwersytetu Michigan umieścili ultraprecyzyjne zegary atomowe na pokładzie samolotu pasażerskiego wykonującego regularne loty transatlantyckie i po każdym powrocie na macierzyste lotnisko porównywali swoje odczyty z zegarem kontrolnym. Okazało się, że zegar w samolocie stopniowo coraz bardziej opóźniał się w stosunku do zegara sterującego (że tak powiem, jeśli mówimy o ułamkach sekundy). Przez ostatnie pół wieku naukowcy badali cząstki elementarne przy użyciu ogromnych kompleksów sprzętowych zwanych akceleratorami. W nich wiązki naładowanych cząstek subatomowych (takich jak protony i elektrony) są przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła, a następnie wystrzeliwane w różne cele nuklearne. W takich eksperymentach na akceleratorach należy wziąć pod uwagę wzrost masy przyspieszanych cząstek - w przeciwnym razie wyniki eksperymentu po prostu nie będą poddawać się rozsądnej interpretacji. I w tym sensie szczególna teoria względności już dawno przeszła z kategorii teorii hipotetycznych do dziedziny stosowanych narzędzi inżynierskich, gdzie jest stosowana wraz z Prawa mechaniki Newtona.

Wracając do praw Newtona, chciałbym szczególnie zauważyć, że szczególna teoria względności, choć zewnętrznie zaprzecza prawom klasycznej mechaniki Newtona, w rzeczywistości niemal dokładnie odtwarza wszystkie zwykłe równania praw Newtona, jeśli stosuje się ją do opisu ciał poruszających się z prędkościami znacznie mniejszymi od prędkości światła. Oznacza to, że szczególna teoria względności nie znosi fizyki Newtona, lecz ją rozszerza i uzupełnia (idea ta została omówiona szerzej we Wstępie).

Zasada względności pomaga także zrozumieć, dlaczego to właśnie prędkość światła, a nie jakakolwiek inna, odgrywa tak ważną rolę w tym modelu budowy świata – to pytanie zadaje sobie wielu z tych, którzy po raz pierwszy zetknęli się z teorią względności. Prędkość światła wyróżnia się i odgrywa szczególną rolę jako uniwersalna stała, ponieważ jest określona przez prawo nauk przyrodniczych (patrz równania Maxwella). Zgodnie z zasadą względności prędkość światła w próżni c jest taka sama w każdym układzie odniesienia. Wydawałoby się to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, okazuje się bowiem, że światło ze źródła poruszającego się (niezależnie od tego, jak szybko się porusza) i światła ze źródła stacjonarnego dociera do obserwatora w tym samym czasie. Jednak to prawda.

Ze względu na swoją szczególną rolę w prawach natury, prędkość światła zajmuje centralne miejsce w ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności

Ogólna teoria względności dotyczy wszystkich układów odniesienia (a nie tylko tych, które poruszają się względem siebie ze stałą prędkością) i wygląda matematycznie na znacznie bardziej skomplikowaną niż teoria szczegółowa (co wyjaśnia jedenastoletnią przerwę między ich publikacją). Obejmuje jako przypadek szczególny szczególną teorię względności (a zatem prawa Newtona). Jednocześnie ogólna teoria względności idzie znacznie dalej niż wszystkie jej poprzedniczki. W szczególności daje nową interpretację grawitacji.

Ogólna teoria względności czyni świat czterowymiarowym: do trzech wymiarów przestrzennych dodaje się czas. Wszystkie cztery wymiary są nierozłączne, więc nie mówimy już o odległości przestrzennej między dwoma obiektami, jak ma to miejsce w świecie trójwymiarowym, ale o odstępach czasoprzestrzennych pomiędzy zdarzeniami, które łączą ich odległość od siebie - obu w czasie i przestrzeni. Oznacza to, że przestrzeń i czas są uważane za czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne lub, po prostu, czasoprzestrzeń. W tym kontinuum obserwatorzy poruszający się względem siebie mogą nawet nie zgadzać się co do tego, czy dwa zdarzenia miały miejsce jednocześnie, czy też jedno poprzedzało drugie. Na szczęście dla naszego biednego umysłu nie dochodzi do naruszenia związków przyczynowo-skutkowych – czyli nawet ogólna teoria względności nie dopuszcza istnienia układów współrzędnych, w których dwa zdarzenia nie zachodzą jednocześnie i w różnych sekwencje.

Prawo powszechnego ciążenia Newtona mówi nam, że pomiędzy dowolnymi dwoma ciałami we Wszechświecie istnieje siła wzajemnego przyciągania. Z tego punktu widzenia Ziemia obraca się wokół Słońca, ponieważ działają między nimi wzajemne siły przyciągania. Ogólna teoria względności zmusza nas jednak do innego spojrzenia na to zjawisko. Zgodnie z tą teorią grawitacja jest konsekwencją odkształcenia („zakrzywienia”) elastycznej tkanki czasoprzestrzeni pod wpływem masy (im cięższe jest ciało, np. Słońce, tym bardziej czasoprzestrzeń „ugina się” pod wpływem masy). i odpowiednio, tym silniejsze jest jego pole sił grawitacyjnych). Wyobraź sobie ciasno naciągnięte płótno (rodzaj trampoliny), na którym umieszczona jest masywna piłka. Płótno odkształca się pod ciężarem kuli, a wokół niego tworzy się wgłębienie w kształcie lejka. Zgodnie z ogólną teorią względności Ziemia krąży wokół Słońca niczym mała kulka wystrzelona w celu toczenia się wokół stożka lejka powstałego w wyniku „wypychania” czasoprzestrzeni przez ciężką kulę – Słońce. A to, co wydaje nam się siłą grawitacji, jest w rzeczywistości czysto zewnętrznym przejawem krzywizny czasoprzestrzeni, a nie siłą w rozumieniu Newtona. Jak dotąd nie ma lepszego wyjaśnienia natury grawitacji niż daje nam ogólna teoria względności.

Testowanie ogólnej teorii względności jest trudne, ponieważ w normalnych warunkach laboratoryjnych jej wyniki są prawie dokładnie takie same, jak przewiduje prawo grawitacji Newtona. Niemniej jednak przeprowadzono kilka ważnych eksperymentów, a ich wyniki pozwalają uznać teorię za potwierdzoną. Ponadto ogólna teoria względności pomaga wyjaśnić zjawiska, które obserwujemy w kosmosie – na przykład niewielkie odchylenia Merkurego od orbity stacjonarnej, niewytłumaczalne z punktu widzenia klasycznej mechaniki Newtona, czy załamanie promieniowania elektromagnetycznego od odległych gwiazd podczas jego przelotu w bliskiej odległości od Słońca.

W rzeczywistości wyniki przewidywane przez ogólną teorię względności różnią się znacznie od wyników przewidywanych przez prawa Newtona tylko w obecności supersilnych pól grawitacyjnych. Oznacza to, że aby w pełni przetestować ogólną teorię względności, potrzebujemy albo ultraprecyzyjnych pomiarów bardzo masywnych obiektów, albo czarnych dziur, do których nie mają zastosowania żadne z naszych zwykłych intuicyjnych pomysłów. Dlatego opracowanie nowych metod eksperymentalnych sprawdzania teorii względności pozostaje jednym z najważniejszych zadań fizyki eksperymentalnej.

Szczególna teoria względności . Szczególna teoria względności (STR), opublikowana przez Einsteina w 1905 roku, opisuje procesy i zjawiska relatywistyczne i objawia się przy prędkościach bliskich prędkości światła. Aby stworzyć SRT, Einstein przyjął dwa postulaty: 1) prędkość światła we wszystkich inercjalnych układach odniesienia pozostaje stała; 2) prawa natury we wszystkich inercjalnych układach odniesienia są niezmienne (takie same). Ponadto zastosował transformacje holenderskiego fizyka teoretycznego Hendrika Lorenza.

Relacja między przestrzenią a czasem manifestuje się w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Zależność ta jest wyraźnie odzwierciedlona we wzorze na odległość (odległości) pomiędzy dwoma zdarzeniami w czterowymiarowy przestrzeń:

gdzie to czas, ∆ℓ to odległość między dwoma punktami trójwymiarowy przestrzeń.

Konwersja Lorenza zawiera także związek przestrzeni i czasu w postaci zależności pomiędzy współrzędnymi nieruchomego (K) i napędzającego (K 1) układu odniesienia x 1 = γּ(x─ ) i t 1 = γּ(t─ ), Gdzie γ = 1/- zwany współczynnik relatywistyczny. Lorentz znalazł wyrażenia dla γ w oparciu o liniowość transformacji i stałość prędkości światła w ruchomych (K 1) i nieruchomych (K) układach odniesienia.

Korzystając z transformacji Lorentza, Einstein stworzył ogólną teorię względności, według której długość poruszającego się ciała maleje według prawa:

Masa ciała poruszającego się z określoną prędkością wzrośnie według prawa:

Upływ czasu poruszającego się zegara zwalnia według prawa:

τ = τ 0 ּ ,

Poniższy przykład wyraźniej pokazuje spowolnienie czasu podczas poruszania się z dużymi prędkościami. Załóżmy, że statek kosmiczny wystartował z prędkością 0,99 km/s i powrócił po 50 latach. Jak podaje STO, według zegarka astronauty lot ten trwał tylko rok. Jeśli astronauta w wieku 20 lat pozostawi na Ziemi nowo narodzonego syna, wówczas 50-letni syn spotka się ze swoim 21-letnim ojcem.

SRT uzyskało następujący wzór zastępczy prawo sumowania prędkości:

1 = ( +u)/(1+ u/c 2) ,

jeśli ciało porusza się z prędkością światła = s. a układ odniesienia porusza się z prędkością światła u= C, wtedy otrzymujemy: 1 = Z. W rezultacie prędkość światła pozostawała stała, niezależnie od prędkości układu odniesienia.

Ogólna teoria względności . W układach odniesienia poruszających się z przyspieszeniem nie jest spełniona ani zasada bezwładności, ani prawa mechaniki. Pojawiła się potrzeba stworzenia teorii opisującej ruchy ciała w nieinercjalnych układach odniesienia. Einstein spełnił to zadanie, tworząc ogólna teoria względności(OTO).

W GTR Einsteina rozszerza zasadę względności na nieinercyjne układy odniesienia. Zakłada, że ​​masy grawitacyjne i bezwładnościowe ciała są sobie równe. Już w 1890 roku węgierski fizyk L. Eotvos z dużą dokładnością potwierdzono równoważność masy grawitacyjnej i bezwładności ciała do 10 -9. To stwierdzenie o równoważności masy grawitacyjnej i masy bezwładnościowej było podstawą ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności wykazała, że ​​przestrzeń wokół koncentracji masy, skręcone i ma charakter przestrzeni Riemanna. Ogólna teoria względności zastępuje prawo powszechnego ciążenia Newtona relatywistycznym prawem ciążenia Einsteina, z którego wynika prawo Newtona w konkretnym przypadku. W latach 1919 i 1922 badano podczas zaćmienia słońca ugięcie belki, pochodzące z odległych gwiazd, z prostoliniowości w polu grawitacyjnym Słońca. Eksperymenty wykazały zakrzywienie przestrzeni w pobliżu Słońca i tym samym udowodnił poprawność ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności opisuje relatywistyczne prawa grawitacji jako wpływ materii na właściwości przestrzeni i czasu. A właściwości przestrzeni i czasu wpływają na zachodzące w nich procesy fizyczne. Dlatego ruch punktu materialnego w przestrzeni czterowymiarowej następuje wzdłuż linii geodezyjnej zakrzywionej przestrzeni. W konsekwencji równanie ruchu punktu materialnego opisuje linię geodezyjną zakrzywionej przestrzeni. Einstein znalazł to równanie. Składa się ona z 10 równań. W równaniach tych pole grawitacyjne opisuje się za pomocą 10 potencjałów pola. Aparat matematyczny ogólnej teorii względności jest złożony, prawie wszystkie problemy związane z ogólną teorią względności nie mogą zostać jeszcze rozwiązane, z wyjątkiem najprostszych. Dlatego naukowcy wciąż próbują zrozumieć znaczenie ogólnej teorii względności.

Teorię względności wprowadził Albert Einstein na początku XX wieku. Jaka jest jego istota? Rozważmy główne punkty i opiszmy TOE jasnym językiem.

Teoria względności praktycznie wyeliminowała niespójności i sprzeczności fizyki XX wieku, wymusiła radykalną zmianę koncepcji budowy czasoprzestrzeni i została eksperymentalnie potwierdzona w licznych eksperymentach i badaniach.

W ten sposób TOE stworzyło podstawę wszystkich współczesnych podstawowych teorii fizycznych. W rzeczywistości jest to matka współczesnej fizyki!

Na początek warto zauważyć, że istnieją 2 teorie względności:

• Szczególna teoria względności (STR) – uwzględnia procesy fizyczne w obiektach poruszających się równomiernie.
• Ogólna teoria względności (GTR) - opisuje przyspieszające obiekty i wyjaśnia pochodzenie takich zjawisk jak grawitacja i istnienie.

Oczywiste jest, że STR pojawił się wcześniej i jest w zasadzie częścią GTR. Porozmawiajmy najpierw o niej.

STO w prostych słowach

Teoria opiera się na zasadzie względności, zgodnie z którą wszelkie prawa natury są takie same w odniesieniu do ciał nieruchomych i poruszających się ze stałą prędkością. A z tak pozornie prostej myśli wynika, że ​​prędkość światła (300 000 m/s w próżni) jest taka sama dla wszystkich ciał.

Wyobraź sobie na przykład, że dostałeś statek kosmiczny z odległej przyszłości, który może latać z dużą prędkością. Na dziobie statku zainstalowano działo laserowe, które może strzelać fotonami do przodu.

W stosunku do statku takie cząstki latają z prędkością światła, ale w stosunku do nieruchomego obserwatora wydaje się, że powinny lecieć szybciej, gdyż obie prędkości są sumowane.

Jednak w rzeczywistości tak się nie dzieje! Zewnętrzny obserwator widzi fotony poruszające się z prędkością 300 000 m/s, tak jakby nie dodano do nich prędkości statku kosmicznego.

Trzeba pamiętać: w stosunku do dowolnego ciała prędkość światła będzie stałą wartością, niezależnie od tego, jak szybko się porusza.

Z tego wynikają niesamowite wnioski, takie jak wydłużenie czasu, skrócenie podłużne i zależność masy ciała od prędkości. Więcej o najciekawszych konsekwencjach Szczególnej Teorii Względności przeczytasz w artykule pod linkiem poniżej.

Istota ogólnej teorii względności (GR)

Aby lepiej to zrozumieć, musimy ponownie połączyć dwa fakty:

• Żyjemy w przestrzeni czterowymiarowej

Przestrzeń i czas są przejawami tej samej istoty zwanej „kontinuum czasoprzestrzennym”. Jest to 4-wymiarowa czasoprzestrzeń z osiami współrzędnych x, y, z i t.

My, ludzie, nie jesteśmy w stanie jednakowo postrzegać czterech wymiarów. W istocie widzimy jedynie projekcje prawdziwego czterowymiarowego obiektu na przestrzeń i czas.

Co ciekawe, teoria względności nie stwierdza, że ​​ciała zmieniają się, gdy się poruszają. Obiekty 4-wymiarowe zawsze pozostają niezmienione, ale wraz z względnym ruchem ich rzuty mogą się zmieniać. I postrzegamy to jako spowolnienie czasu, zmniejszenie rozmiaru itp.

• Wszystkie ciała spadają ze stałą prędkością i nie przyspieszają

Zróbmy straszny eksperyment myślowy. Wyobraź sobie, że jedziesz zamkniętą windą i jesteś w stanie nieważkości.

Taka sytuacja może mieć miejsce tylko z dwóch powodów: albo jesteś w kosmosie, albo swobodnie spadasz wraz z kabiną pod wpływem ziemskiej grawitacji.

Bez wyjrzenia z kabiny absolutnie nie da się rozróżnić tych dwóch przypadków. Tyle, że w jednym przypadku lecisz równomiernie, a w drugim z przyspieszeniem. Będziesz musiał zgadnąć!

Być może sam Albert Einstein myślał o wyimaginowanej windzie i wpadł na jedną niesamowitą myśl: jeśli nie można rozróżnić tych dwóch przypadków, to upadek pod wpływem grawitacji również jest ruchem jednostajnym. Ruch jest po prostu jednolity w czterowymiarowej czasoprzestrzeni, ale w obecności masywnych ciał (na przykład) jest zakrzywiony, a jednolity ruch jest rzutowany na naszą zwykłą trójwymiarową przestrzeń w postaci przyspieszonego ruchu.

Spójrzmy na inny prostszy, choć nie do końca poprawny, przykład krzywizny przestrzeni dwuwymiarowej.

Można sobie wyobrazić, że każde masywne ciało tworzy pod sobą swego rodzaju lejek. Wtedy inne przelatujące obok ciała nie będą mogły kontynuować ruchu po linii prostej i zmienią swoją trajektorię zgodnie z zakrętami zakrzywionej przestrzeni.

Nawiasem mówiąc, jeśli ciało nie ma dużo energii, jego ruch może okazać się zamknięty.

Warto zauważyć, że z punktu widzenia poruszających się ciał, poruszają się one nadal po linii prostej, ponieważ nie czują niczego, co powoduje, że się obracają. Po prostu znaleźli się w zakrzywionej przestrzeni i, nie zdając sobie z tego sprawy, mają nieliniową trajektorię.

Należy zaznaczyć, że zakrzywione są 4 wymiary, w tym czas, dlatego do tej analogii należy podchodzić ostrożnie.

Zatem w ogólnej teorii względności grawitacja w ogóle nie jest siłą, a jedynie konsekwencją krzywizny czasoprzestrzeni. W tej chwili teoria ta jest działającą wersją pochodzenia grawitacji i doskonale zgadza się z eksperymentami.

Zaskakujące konsekwencje ogólnej teorii względności

Promienie świetlne mogą zostać załamane podczas lotu w pobliżu masywnych ciał. Rzeczywiście, w kosmosie znaleziono odległe obiekty, które „chowają się” za innymi, ale wokół nich załamują się promienie świetlne, dzięki czemu światło dociera do nas.

Zgodnie z ogólną teorią względności, im większa grawitacja, tym wolniej płynie czas. Fakt ten trzeba wziąć pod uwagę obsługując systemy GPS i GLONASS, gdyż ich satelity wyposażone są w najdokładniejsze zegary atomowe, które tykają nieco szybciej niż na Ziemi. Jeśli ten fakt nie zostanie uwzględniony, w ciągu jednego dnia błąd współrzędnych wyniesie 10 km.

To dzięki Albertowi Einsteinowi możesz zrozumieć, gdzie w pobliżu znajduje się biblioteka lub sklep.

I wreszcie ogólna teoria względności przewiduje istnienie czarnych dziur, wokół których grawitacja jest tak silna, że ​​czas po prostu się zatrzymuje. Dlatego światło wpadające do czarnej dziury nie może jej opuścić (odbić).

W centrum czarnej dziury w wyniku kolosalnej kompresji grawitacyjnej powstaje obiekt o nieskończenie dużej gęstości, który, jak się wydaje, nie może istnieć.

Zatem ogólna teoria względności może prowadzić do bardzo sprzecznych wniosków, w przeciwieństwie do , dlatego większość fizyków nie zaakceptowała jej całkowicie i nadal szukała alternatywy.

Ale wiele rzeczy udaje jej się z powodzeniem przewidzieć, na przykład niedawne sensacyjne odkrycie potwierdziło teorię względności i sprawiło, że po raz kolejny przypomnieliśmy sobie wielkiego naukowca z wywieszonym językiem. Jeśli kochasz naukę, przeczytaj WikiScience.