Теорията на относителността - какво е това? Постулатите на теорията на относителността. Време и пространство в теорията на относителността

Още в началото на 20-ти век е формулирана теорията за относителността. Какво е и кой е неговият създател, днес познава всеки ученик. Толкова е очарователно, че дори хора, които са далеч от науката, се интересуват от това. В тази статия наличният език описва теорията на относителността: какво е това, какви са нейните постулати и приложение.

Те казват, че богослужението дойде в Алберт Айнщайн, неговия създател, за миг. Ученият твърди, че е карал с трамвай в швейцарския Берн. Той погледна уличния часовник и изведнъж осъзна, че часовникът ще спре, ако трамваят се ускори до скоростта на светлината. В този случай времето не би било. Времето в теорията на относителността играе много важна роля. Един от постулатите, формулирани от Айнщайн, е, че различните наблюдатели възприемат реалността по различни начини. Това се отнася по-специално за времето и разстоянието.

Отчитане на позицията на наблюдателя

На този ден Алберт осъзна, че на езика на науката, описанието на всеки физически феномен или събитие зависи от каква рамка е наблюдателят. Например, ако някой пътник на трамвай пусне очилата си, те ще паднат вертикално надолу към нея. Ако погледнете от гледна точка на пешеходец, който стои на улицата, траекторията на тяхното падане ще съответства на параболата, когато трамваят се движи и в същото време очите й падат. По този начин всеки има собствена референтна рамка. Предлагаме да разгледаме по-подробно основните постулати на теорията на относителността.

Законът за разпределеното движение и принципът на относителността

Въпреки факта, че при смяната на референтните системи се променят описанията на събитията, има универсални неща, които остават непроменени. За да разберем това, не трябва да се питаме за падането на очилата, а за природата, който предизвиква тази есен. За всеки наблюдател, независимо дали е в подвижна или фиксирана координатна система, отговорът на него остава непроменен. Този закон се нарича закон за разпределено движение. Той действа еднакво в трамвайна и на улицата. С други думи, ако описанието на събитията винаги зависи от това кой ги спазва, това не се отнася за законите на природата. Те са, както се казва на научния език, инвариантни. Това е принципът на относителността.

Две теории за Айнщайн

Този принцип, както и всяка друга хипотеза, трябва първо да се провери, като се свърже с природните феномени, действащи в нашата реалност. Айнщайн изведе 2 теории от принципа на относителността. Въпреки че са свързани, те се считат за отделни.

Частната или специалната теория на относителността (SRT) се основава на твърдението, че за всички възможни еталонни рамки, чиято скорост на движение е постоянна, законите на природата остават същите. Общата теория на относителността (GTR) разширява този принцип към всяка референтна рамка, включително тези, които се движат с ускорение. През 1905 г. А. Айнщайн публикува първата теория. Вторият, по-сложен по отношение на математическия апарат, завършен до 1916 г. Създаването на теорията на относителността, както SRT, така и GRT, се превърна във важен етап в развитието на физиката. Нека да разгледаме по-подробно всеки един от тях.

Специална теория на относителността

Какво е това, каква е същността му? Нека да отговоря на този въпрос. Това е тази теория, която прогнозира много парадоксални ефекти, които противоречат на нашите интуитивни схващания за това как работи светът. Това са ефекти, които се наблюдават, когато скоростта на движение се приближава скоростта на светлината. Най-известният сред тях е ефектът от забавянето на времето (хода на часовете). Часовете, които се движат по отношение на наблюдателя, за него са по-бавни от тези, които са в ръцете му.

В координатната система движи със скорост близо до скоростта на светлината, се разтяга по отношение на наблюдателя, а дължината на обектите (площта), напротив, се пресова по посока на оста на това движение. Този ефект учените наричат ​​свиването на Лоренц-Фицджералд. През 1889 г. той е описан от Джордж Фицджералд, италиански физик. И през 1892 г. Хендрик Лоренц, холандец, го допълва. Този ефект обяснява отрицателен резултат, който дава Майкелсън-Morley експеримента, в който скоростта на планетата в космическото пространство се определя чрез измерване на "етерна вятъра". Това са основните постулати на теорията на относителността (специални). Айнщайн ги допълва на уравнението по формула преобразуване на маса, направено по аналогия. Според нея, тъй като скоростта на тялото приближава скоростта на светлината, тялото се увеличава. Например, ако скоростта е 260 000 км / сек., Т.е. 87% от скоростта на светлината, от гледна точка на наблюдателя, която е в стационарната опорна рамка, масата на обекта ще се удвои.

Потвърждения на SRT

Всички тези разпоредби, независимо как те противоречат на здравия разум, тъй като времето на Айнщайн директно и напълно се потвърждава в различни експерименти. Една от тях е била проведена от учените в Мичиганския университет. Това любопитно преживяване потвърждава теорията на относителността във физиката. Изследователите настаняват на борда на самолет, който редовно извършва трансатлантически полети, атомен часовник. Всеки път, когато се връща на летището, свидетелските показания на този часовник се проверяват срещу контрола. Оказа се, че часовникът на самолета всеки път все повече и повече изостава от контрола. Разбира се, това беше само въпрос на незначителни цифри, части от секунда, но самият факт е много разкриващ.

През изминалото половин век изследователите изучават елементарни частици върху ускорители - огромни хардуерни комплекси. В тях греди на електрони или протони, т.е. заредени субатомични частици, се ускоряват, докато скоростта им се приближи скоростта на светлината. След това изстрелват ядрени цели. В тези експерименти трябва да се вземе предвид факта, че масата на частиците се увеличава, в противен случай експерименталните резултати не могат да бъдат интерпретирани. В това отношение SRT отдавна е просто хипотетична теория. Той се превърна в един от инструментите, използвани в приложното инженерство, заедно с Нютоновите закони на механика. Принципите на теорията на относителността са намерили голямо практическо приложение в наши дни.

Законите на SRT и Нютон

Говорейки за Законите на Нютон (Портрет на учения, представена по-горе), следва да се отбележи, че специалната теория на относителността, която на пръв поглед им противоречи, всъщност възпроизвежда уравненията на законите на Нютон почти точно, ако то се използва, за да опише органите, скоростта е много по-малка от скоростта на светлината. С други думи, ако се използва специална теория на относителността, Нютоновата физика изобщо не се премахва. Тази теория, напротив, я допълва и разширява.

Скоростта на светлината е универсална константа

Използвайки принципа на относителността, можем да разберем защо в този модел на структурата на света много важна роля играе скоростта на светлината, а не нещо друго. Този въпрос се задават от тези, които едва сега започват да се запознават с физиката. Скоростта на светлината е универсална константа поради факта, че тя е определена като такава от природно-научния закон (за повече подробности, виж уравненията на Максуел). Скоростта на светлината във вакуум, по силата на действието на принципа на относителността, е една и съща във всяка референтна рамка. Може би си мислите, че това противоречи на здравия разум. Оказва се, че както стационарният източник, така и движещата се светлина достигат до наблюдателя едновременно (независимо колко бързо се движат). Това обаче не е така. Скоростта на светлината, поради своята специална роля, е поставена на централно място не само в специалния, но и в OTO. Ще говорим и за това.

Обща теория на относителността

Използва се, както вече казахме, за всички референтни рамки, не непременно тези, чиято скорост на движение една спрямо друга е постоянна. Математически тази теория изглежда много по-сложна от специалната. Това обяснява факта, че между публикациите им са изминали 11 години. GTR включва специален случай като специален случай. Вследствие на това влизат и законите на Нютон. Въпреки това, UTO отива много по-далеч от предшествениците си. Например, тя обяснява тежестта по нов начин.

Четвъртото измерение

Благодарение на OTO, светът става четириизмерен: времето се добавя към три пространствени измерения. Всички те са неделими, затова не трябва да говорим за пространственото разстояние, съществуващо в триизмерния свят между два предмета. Вече е въпрос на интервал от време-пространство между различните събития, които обединяват пространственото и времевото разстояние един от друг. С други думи, времето и пространството в теорията на относителността се разглеждат като един вид четириизмерен континуум. Тя може да бъде определена като пространство-време. В този континуум наблюдателите, които се движат относително един към друг, ще имат различни мнения, дори и за това дали две събития са се появили едновременно, или един от тях е предхождал друг. Въпреки това, причинно-следствената връзка не е нарушена. С други думи, дори обща теория на относителността не позволява съществуването на координатна система, в която две събития се появяват в различни последователности, а не едновременно.

OTO и закона за универсалното гравитация

Според закона на универсалната гравитация, открит от Нютон, силата на взаимното привличане съществува във Вселената между всички две тела. Земята от тази позиция се върти около Слънцето, защото между тях има сили на взаимно привличане. Независимо от това, OTO ни принуждава да погледнем този феномен от другата страна. Гравитацията, според тази теория, е следствие от "кривината" (деформация) на пространството-време, която се наблюдава под въздействието на масата. Тялото е по-тежко (в нашия пример, Слънцето), колкото повече пространство-време "завои" под него. Съответно гравитационното му поле е по-силно.

За да разберем по-добре същността на теорията на относителността, нека се обърнем към сравнение. Парцелът, в съответствие с общата теория на относителността, се върти около Слънцето, както и малка топка, която се търкаля около кратера на конуса, образувани в резултат на "принуждава" пространство-времето слънце. И това, което вярвахме на силата на гравитацията, всъщност е външно проявление на това кривина, а не сила, в разбирането на Нютон. Най-доброто обяснение за феномена на гравитацията, отколкото предложеното в UTO, не е било установено досега.

Методи за изпитване на GRT

Следва да се отбележи, че GRT е трудно да се провери, тъй като резултатите му в лабораторни условия почти съответстват на закона за универсалното гравитация. Учените все пак провеждаха редица важни експерименти. Техните резултати ни позволяват да заключим, че теорията на Айнщайн е потвърдена. GTR, освен това, помага да се обяснят различните явления, наблюдавани в космоса. Това, например, малки отклонения на Меркурий от стационарната орбита. От гледна точка на Нютоновата класическа механика те не могат да бъдат обяснени. Ето защо електромагнитното излъчване, излъчвано от далечни звезди, се изкривява, когато минава близо до Слънцето.

Резултатите, предсказани от GRT, всъщност се различават значително от тези, които дават законите на Нютон (портретът му е представен по-горе), само когато са налице свръхтънки гравитационни полета. Следователно, за цялостна проверка на общата теория на относителността са необходими много точни измервания на обекти с огромна маса или черни дупки, тъй като нашите обичайни идеи по отношение на тях са неприложими. Поради това разработването на експериментални методи за тестване на тази теория е една от основните задачи на съвременната експериментална физика.

Умовете на много учени и дори на далечни хора от науката са заети от теорията на относителността, създадена от Айнщайн. Какво имаме, казахме накратко. Тази теория превръща нашите обичайни понятия за света, така че интересът към нея все още не е угасен.