Teorija relativnosti - kaj je to? Postulati teorije relativnosti. Čas in prostor v teoriji relativnosti

Že v začetku 20. stoletja je bila formulirana teorija relativnosti. Kaj je to in kdo je njegov ustvarjalec, danes pozna vsakega šolarja. Zelo zanimivo je, da se zanjo zanimajo tudi ljudje, ki so daleč od znanosti. V tem članku razpoložljivi jezik opisuje teorijo relativnosti: kaj je to, kakšne so njegove postulacije in uporaba.

Pravijo, da je Epifan prišel Albertju Einsteinu, svojemu ustvarjalcu, v trenutku. Znanstvenik je domnevno pripeljal tramvaj v švicarskem Bernu. Pogledal je ulično uro in nenadoma ugotovil, da bi se ta ura ustavila, če bi se tramvaj pospešil s hitrostjo svetlobe. V tem primeru čas ne bi bil. Čas v teoriji relativnosti igra zelo pomembno vlogo. Eden od postulatov, ki jih je oblikoval Einstein, je, da različni opazovalci dojemajo resničnost na različne načine. To velja zlasti za čas in razdaljo.

Obračunavanje položaja opazovalca

Tisti dan je Albert spoznal, da je v jeziku znanosti opis vsakega fizičnega pojava ali dogodka odvisen od tega, na kakšen okvir je opazovalec. Na primer, če nekateri tramvajski potniki spustijo očala, bodo navzdol navzdol navzdol proti njej. Če gledate s stališča pešca, ki stoji na cesti, bo potek njihovega padca ustrezal paraboli, saj se tramvaj premakne in hkrati pade očala. Tako ima vsak svoj referenčni okvir. Predlagamo, da podrobneje preučimo osnovne postavke teorije relativnosti.

Zakon porazdeljenega gibanja in načelo relativnosti

Kljub dejstvu, da se ob spremembi referenčnih sistemov spreminjajo opisi dogodkov, obstajajo univerzalne stvari, ki ostajajo nespremenjene. Da bi to razumeli, se ne smemo vprašati za padec očal, temveč za naravo, ki povzroča ta padec. Za vsakega opazovalca, ne glede na to, ali je v gibljivem ali fiksnem koordinatnem sistemu, odgovor na to ostane nespremenjen. Ta zakon se imenuje zakon o porazdeljenem gibanju. Enako deluje na tramvaj in na ulici. Z drugimi besedami, če je opis dogodkov vedno odvisen od tega, kdo jih opazuje, potem to ne velja za zakone narave. Kot so povedali v znanstvenem jeziku, so invariantni. To je načelo relativnosti.

Dve teoriji Einsteina

To načelo, tako kot vse druge hipoteze, je bilo treba najprej preveriti, tako da ga povezujemo z naravnimi pojavov, ki delujejo v naši realnosti. Einstein je izpeljal dve teoriji iz načela relativnosti. Čeprav so povezani, se štejejo za ločene.

Zasebni ali posebna teorija relativnosti (SRT), ki temelji na predpostavki, da so naravni zakoni so za vse vrste referenčnih sistemih, ki so konstantna hitrost enaka. Splošna teorija relativnosti (GTR) razširja to načelo na vsak referenčni okvir, vključno s tistimi, ki se premikajo s pospeševanjem. Leta 1905 je A. Einstein objavil prvo teorijo. Druga, bolj zapletena v matematičnem aparatu, dokončana do leta 1916. Ustvarjanje teorije relativnosti, SRT in GRT, je postalo pomemben korak v razvoju fizike. Dovolite nam, da se podrobneje obdržimo na vsakem od njih.

Posebna teorija relativnosti

Kaj je to, kakšno je njegovo bistvo? Odgovori na to vprašanje. Tej teoriji predvidevamo številne paradoksalne učinke, ki nasprotujejo našim intuitivnim predstavam o tem, kako deluje svet. To so učinki, ki se opazijo pri približevanju hitrosti gibanja hitrost svetlobe. Najbolj znan med njimi je učinek upočasnitve (čas ur). Ure, ki se gibljejo glede na opazovalca, so za njega počasnejše od tistih, ki so v njegovih rokah.

V koordinatni sistem giblje s hitrostjo blizu hitrosti svetlobe, ki se raztegne glede na opazovalca, in dolžino predmetov (prostorske razsežnosti), v nasprotju s tem, je stisnjen vzdolž smeri osi tega gibanja. Ta učinek znanosti imenujemo Lorentz-Fitzgerald krčenje. Leta 1889 ga je opisal George Fitzgerald, italijanski fizik. Leta 1892 ga je dopolnil Hendrik Lorentz, Nizozemec. Ta učinek pojasnjuje negativen rezultat, ki daje Michelson-Morley poskus, v katerem je hitrost planeta v vesolju z meritvijo "Eter veter". To so temeljni postulati teorije relativnosti (posebni). Einstein jih je dopolnil enačbe s formulo pretvorba mase, izdelana po analogiji. Po njenem mnenju, ko se hitrost telesa približuje hitrosti svetlobe, se telesna masa povečuje. Na primer, če je hitrost 260 tisoč km / s, kar je 87% hitrosti svetlobe, s stališča opazovalca, ki je v stacionarnem referenčnem okvirju, se bo masa predmeta podvojila.

Potrditve SRT

Vse te določbe, ne glede na to, kako so v nasprotju z zdravim razumom, saj so čas Einsteina neposredno in v celoti potrjeni v različnih eksperimentih. Eden od njih so vodili znanstveniki na Michiganski univerzi. Ta radovedna izkušnja potrjuje teorijo relativnosti v fiziki. Raziskovalci, ki so bili vkrcani na letalo, ki je redno opravljal čezatlantske lete, atomska ura. Vsakič, ko se je vrnil na letališče, je bila pričevanje te ure preverjeno pred kontrolo. Izkazalo se je, da je ura na letalu vedno bolj zaostajala za kontrolo. Seveda je bilo to le vprašanje manjših številk, delcev sekunde, toda zelo dejstvo je zelo razkrivalo.

V zadnjih pol stoletja raziskovalci preučujejo elementarne delce na pospeševalce - ogromne strojne komplekse. V njih se pospešujejo žarki elektronov ali protonov, to je zaračunanih subatomskih delcev, dokler se njihove hitrosti ne približajo hitrost svetlobe. Po tem streljajo jedrske cilje. V teh eksperimentih je treba upoštevati dejstvo, da se masa delcev povečuje, sicer se eksperimentalni rezultati ne morejo razlagati. V tem pogledu je SRT že dolgo hipotetična teorija. Postalo je eno od orodij, ki se uporabljajo pri uporabnem inženirstvu, skupaj z Newtonovimi zakoni mehanike. Principi teorije relativnosti so v današnjem času našli veliko praktično uporabo.

SRT in Newtonovi zakoni

Govorimo o Newtonovi zakoni (Portret znanstvenika predstavili zgoraj), je treba opozoriti, da je posebna teorija relativnosti, ki jih navidezno nasprotuje, pravzaprav povzema enačbe zakonov Newton je skoraj točno, če se uporablja za opis telesa, hitrost je precej manjša od hitrosti svetlobe. Z drugimi besedami, če uporabimo posebno teorijo relativnosti, njujtonska fizika sploh ni odpravljena. Ta teorija, nasprotno, dopolnjuje in širi.

Hitrost svetlobe je univerzalna konstanta

Z uporabo načela relativnosti lahko razumemo, zakaj v tem modelu svetovne strukture zelo pomembno vlogo igra hitrost svetlobe in ne nekaj drugega. To vprašanje postavljajo tisti, ki se šele začenjajo spoznavati s fiziko. Hitrost svetlobe je univerzalna konstanta zaradi dejstva, da jo kot tako definira naravno-znanstvena zakonodaja (za več podrobnosti glej Maxwellove enačbe). Hitrost svetlobe v vakuumu je zaradi delovanja načela relativnosti enaka v vseh referenčnih okvirih. Morda mislite, da je to v nasprotju z zdravim razumom. Izkazalo se je, da hkrati stacionarni vir in premikajoča se svetloba hkrati opazita opazovalec (ne glede na to, kako hitro se premikajo). Vendar to ni tako. Hitrost svetlobe je zaradi svoje posebne vloge osrednjega mesta ne samo v posebnem, temveč tudi v OTO. O tem bomo tudi govorili.

Splošna teorija relativnosti

Uporablja se, kot smo že povedali, za vse referenčne okvire, ne nujno tiste, katerih hitrost gibanja je relativno drug z drugim konstantna. Matematično, ta teorija izgleda veliko bolj zapletena od posebne. To pojasnjuje dejstvo, da je med njihovimi publikacijami minilo 11 let. GTR vključuje poseben kot poseben primer. Posledično tudi vstopajo Newtonovi zakoni. Toda UTO gre veliko dlje od svojih predhodnikov. Na primer, na nov način pojasni gravitacijo.

Četrta dimenzija

Zahvaljujoč OTO, svet postane štiri-dimenzionalen: čas se doda v treh prostorskih dimenzijah. Vsi so neločljivi, zato ne smemo več govoriti o prostorski razdalji, ki obstaja v tridimenzionalnem svetu med dvema predmetoma. Zdaj gre za časovno-prostorske intervale med različnimi dogodki, ki združujejo prostorsko in časovno razdaljo med seboj. Z drugimi besedami, čas in prostor v teoriji relativnosti štejemo za neke vrste štiridimenzionalni kontinuum. Lahko ga opredelimo kot prostor-čas. V tem kontinuumu bodo opazovalci, ki se premikajo drug proti drugemu, imeli drugačno mnenje tudi o tem, ali so se pojavila dva dogodka istočasno, ali pa je eden od njih pred drugim. Vendar vzročno razmerje ni kršeno. Z drugimi besedami, celo splošna relativnost ne dopušča obstoja koordinatnega sistema, v katerem se dva dogodka pojavita v različnih zaporedjih in ne hkrati.

OTO in zakon univerzalne gravitacije

V skladu z zakonom univerzalne gravitacije, ki jo odkrije Newton, prisotnost vzajemne privlačnosti obstaja v vesolju med katerima koli telesa. Zemlja s tega položaja se vrti okrog Sonca, saj med njimi obstajajo sile vzajemne privlačnosti. Kljub temu OTO prisili, da gledamo na ta pojav z druge strani. Gravitacija je po tej teoriji posledica "ukrivljenosti" (deformacije) prostora-časa, ki jo opazimo pod vplivom mase. Telo je težje (v našem primeru, Sonce), bolj prostorsko-časovno "zavija" pod njim. Zato je njegovo gravitacijsko polje močnejše.

Da bi bolje razumeli bistvo teorije relativnosti, se obrnite na primerjavo. Zemljišča, po splošni teoriji relativnosti, se vrti okoli sonca, kot majhno žogo, ki zvitkih okoli kraterja stožca, nastane kot posledica "prisili" prostor-časa sonce je. In kar smo verjeli gravitacije, je dejansko zunanji manifest te ukrivljenosti, in ne sile, v Newtonovem razumevanju. Najboljša razlaga težiščnega pojava, kot je predlagana v UTO, še ni bila najdena.

Metode za testiranje GRT

Treba je opozoriti, da je GRT težko preveriti, saj rezultati v laboratorijskih pogojih skoraj ustrezajo zakonu univerzalne gravitacije. Vendar so znanstveniki še vedno izvedli številne pomembne eksperimente. Njihovi rezultati nam omogočajo, da zaključimo, da je Einsteinova teorija potrjena. GTR poleg tega pomaga razložiti različne pojave v vesolju. To je na primer majhna odstopanja Merkurja z njegove stacionarne orbite. Z vidika novetonske klasične mehanike jih ni mogoče razložiti. To je tudi razlog, zakaj je elektromagnetno sevanje, ki izvira iz oddaljenih zvezd, napeto, ko gre blizu Sonca.

Rezultati, ki jih splošne relativnosti predvidene, v resnici, bistveno razlikujejo od tistih, ki dajejo zakone Newton (njegov portret je predstavljena zgoraj) samo takrat, ko obstajajo superstrong gravitacijsko polje. Zato, da zaključi preverjanje splošne relativnosti zahteva bodisi zelo natančne meritve velike mase objektov, ali črno luknjo, ker naše običajne navedbe v zvezi z njimi ni mogoče uporabiti. Zato je razvoj eksperimentalnih metod za testiranje te teorije ena glavnih nalog sodobne eksperimentalne fizike.

V mislih mnogih znanstvenikov in celo ljudi, ki so daleč od znanosti, zaseda teorija relativnosti, ki jo je ustvaril Einstein. Kaj je, smo na kratko povedali. Ta teorija pretvori naše običajne pojme o svetu, zato se zanimanje za to še vedno ne ugasne.