Splošna relativnost. Albert Einsteinova teorija relativnosti

28. 3. 2019

Rečeno je bilo o tej teoriji, da jo razumejo samo trije ljudje na svetu, in ko so matematiki poskušali v številu izraziti, kar izhaja iz njega, se je avtor sam - Albert Einstein - šalil, da ga zdaj ni več razumel. splošna teorija relativnosti Posebna in splošna teorija relativnosti je neločljiv del pouka, na katerem se gradijo sodobni znanstveni pogledi na strukturo sveta.

"Leto čudežev"

Leta 1905 je vodilna znanstvena publikacija v Nemčiji, Annalen der Physik (Annals of Physics), objavila eno po eno štiri članke 26-letnega Alberta Einsteina, ki je delal kot strokovnjak tretjega razreda - mali uradnik - Zvezni urad za patentne izume v Bernu. Pred tem je sodeloval z revijo, vendar je bila objava toliko del v enem letu izjemen dogodek. Postalo je še bolj izjemno, ko je postala jasna vrednost idej, ki jih vsebuje vsaka od njih. postulati teorije relativnosti

V prvem članku so bile izražene misli o kvantni naravi svetlobe, upoštevani pa so bili procesi absorpcije in emisije elektromagnetnega sevanja. Na tej osnovi je bil najprej pojasnjen fotoelektrični učinek - emisija elektronov, ki jih oddajajo fotoni svetlobe s snovjo, in predlagane formule za izračun količine energije, sproščene v tem procesu. Za teoretični razvoj fotoelektričnega učinka, ki je začel kvantno mehaniko, in ne za postulate teorije relativnosti, bo Einstein leta 1922 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

Drugi članek je postavil temelje za uporabna področja fizične statistike, ki temeljijo na raziskavah. Brownovo gibanje najmanjših delcev, suspendiranih v tekočini. Einstein je predlagal metode za iskanje vzorcev fluktuacij - naključnih in naključnih odstopanj fizikalnih veličin od njihovih najverjetnejših vrednosti.

In končno, članki »O elektrodinamiki gibajočih se teles« in »Ali je inertnost telesa odvisna od njene energetske vsebine?« Vsebuje klice, ki jih bo v zgodovini fizike označila kot teorija relativnosti, Albert Einstein, oziroma njen prvi del - SRT - posebna teorija. relativnosti.

Viri in predhodniki

Ob koncu 19. stoletja se je mnogim fizikom zdelo, da je bila večina globalnih problemov vesolja rešena, da so bila odkrita glavna odkritja, človeštvo pa je moralo le z akumuliranim znanjem pospešiti tehnološki napredek. Le nekatere teoretske nedoslednosti so pokvarile harmonično sliko vesolja, napolnjeno z etrom in živijo v skladu z nespremenljivimi newtonskimi zakoni.

Harmony je pokvarila teoretične študije Maxwella. Njegove enačbe, ki opisujejo interakcijo elektromagnetnih polj, so v nasprotju s splošno sprejetimi zakoni klasične mehanike. Gre za merjenje. hitrost svetlobe v dinamičnih referenčnih sistemih, ko Galileovo načelo relativnosti preneha delovati, je matematični model interakcije takih sistemov pri gibanju s hitrostjo svetlobe povzročil izginotje elektromagnetna valovanja.

Poleg tega se ni odzval na odkritje etra, ki naj bi uskladil hkratni obstoj delcev in valov, makro in mikrokozmos. Poskus, ki so ga leta 1887 izvedli Albert Michelson in Edward Morley, je bil namenjen odkrivanju »etrskega vetra«, ki ga je bilo treba nujno določiti z edinstvenim instrumentom - interferometer. Poskus je trajal celo leto - čas popolne revolucije Zemlje okoli Sonca. Planet se je moral pol ure gibati proti etrskemu toku, eter je moral pol leta "udarec v zemljo", rezultat pa je bil nič: svetlobni valovi se niso premaknili pod vplivom etra, kar je izzvalo obstoj etra.

Lorenz in Poincare

Fiziki so poskušali najti razlago za rezultate poskusov za odkrivanje etra. Hendrick Lorenz (1853-1928) je predlagal svoj matematični model. Oživila je eterično polnjenje prostora, vendar le pod zelo pogojno in umetno predpostavko, da se lahko predmeti, ko se premikajo skozi eter, krčijo v smeri gibanja. Ta model je spremenil velik Henri Poincaré (1854-1912).

V delih teh dveh znanstvenikov so se prvič pojavili koncepti, ki so večinoma predstavljali glavna načela teorije relativnosti, in to ne dopušča, da bi Einsteinove obtožbe o plagiarizmu umiril. Ti vključujejo konvencionalnost koncepta istočasnosti, hipotezo o stalnosti hitrosti svetlobe. Poincaré je priznal, da pri visokih hitrostih zakoni Newtonove mehanike zahtevajo obdelavo, je sklenil, da je gibanje relativno, vendar se uporablja za teorijo etra.

Posebna teorija relativnosti - SRT

Problemi pravilnega opisovanja elektromagnetnih procesov so postali motivacijski razlog za izbiro teme za teoretski razvoj, Einsteinovi članki, objavljeni leta 1905, pa so vsebovali razlago posameznega primera - enakomerno in ravnega premika. Leta 1915 je bila oblikovana splošna teorija relativnosti, ki je razložila tudi interakcije gravitacijskih interakcij, prva pa je bila teorija, imenovana posebna.

Posebna teorija relativnosti Einstein lahko povzamemo kot dva temeljna postulata. Prva razširi dejanje Galilejsko načelo relativnosti na vseh fizikalnih pojavih in ne samo na mehanskih procesih. V bolj splošni obliki se glasi: Vsi fizikalni zakoni so enaki za vse inercialne (gibajoče se enakomerne, pravokotne ali mirovne) referenčne sisteme.

Druga izjava, ki vsebuje posebno teorijo relativnosti: hitrost svetlobe v vakuumu za vse inercialne referenčne sisteme je ista. Sledi globalni zaključek: hitrost svetlobe je najvišja možna stopnja prenosa interakcij v naravi.

formula teorije relativnosti Pri matematičnih izračunih je SRT dobil formulo E = mc², ki se je prej pojavljala v fizikalnih publikacijah, vendar je zaradi Einsteina postala najbolj znana in priljubljena v zgodovini znanosti. Sklep o enakovrednosti mase in energije je najbolj revolucionarna formula teorije relativnosti. Koncept, da vsak predmet z maso vsebuje ogromno energije, je postal osnova za razvoj uporabe jedrske energije in predvsem je pripeljal do nastanka atomske bombe.

Učinki posebne teorije relativnosti

SRT pomeni več posledic, ki se imenujejo učinki relativnosti (relativnosti ali relativnosti). Časovna dilacija je ena najsvetlejših. Njegovo bistvo je, da v gibljivem okvirju referenčnega časa poteka počasneje. Izračuni kažejo, da bo na vesoljskem plovilu, ki je naredilo hipotetični let v zvezdni sistem Alpha Centauri in nazaj s hitrostjo 0,95 s (c hitrost svetlobe), trajalo 7,3 leta, na Zemlji pa bo trajalo 12 let. Takšni primeri se pogosto navajajo, ko je pojasnjena teorija relativnosti za čajnike, kot tudi dvojni paradoks, povezan s tem učinkom.

Drugi učinek je zmanjšanje linearnih dimenzij - to je, z vidika opazovalca, predmeti, ki se gibljejo glede na njega pri hitrosti blizu c, imajo manjše linearne dimenzije v smeri gibanja kot njihova lastna dolžina. Ta učinek, ki ga predvideva relativistična fizika, se imenuje Lorentzova kontrakcija.

teorija relativnosti za čajnike V skladu z zakoni relativistične kinematike je masa premikajočega se predmeta večja od mase mirovanja. Ta učinek postane še posebej pomemben pri razvoju instrumentov za proučevanje elementarnih delcev - brez upoštevanja tega je težko predstavljati delo LHC (Large andron Collider).

Vesoljski čas

Ena najpomembnejših komponent posebne relativnosti je grafični prikaz relativistične kinematike, posebnega koncepta poenotenega prostora-časa, ki ga je predlagal nemški matematik Hermann Minkowski, ki je bil nekoč učitelj matematike od študenta Alberta Einsteina.

Bistvo modela Minkowskega je popolnoma nov pristop k določanju položaja predmetov, ki vstopajo v interakcijo. Posebna teorija relativnosti namenja posebno pozornost. Čas ne postane samo četrta koordinata klasičnega tridimenzionalnega koordinatnega sistema, čas ni absolutna vrednost, temveč neločljiva značilnost prostora, ki ima obliko prostorsko-časovnega kontinuuma, grafično izraženega kot stožec, v katerem se pojavijo vse interakcije.

Tak prostor v teoriji relativnosti, z razvojem do bolj posplošujočega značaja, je bil pozneje tudi podvržen ukrivljenosti, zaradi česar je tak model primeren za opis in gravitacijske interakcije.

Nadaljnji razvoj teorije

SRT ni takoj našel razumevanja med fiziki, vendar je postopoma postal glavni instrument za opisovanje sveta, zlasti sveta elementarnih delcev, ki je postal glavni predmet študija fizike. Toda naloga dopolnjevanja STR z razlago sil moči je bila zelo nujna, Einstein pa ni prenehal delovati in izpopolnil načela splošne teorije relativnosti - BRT. Matematična obdelava teh načel je trajala precej dolgo - okoli 11 let, v njej so sodelovali strokovnjaki s področja fizike.

Velik prispevek je imel takratni vodilni matematik David Hilbert (1862-1943), ki je postal eden od soavtorjev enačb gravitacijskega polja. Bili so zadnji kamen v gradnji lepe stavbe, ki je dobila ime - splošno teorijo relativnosti, ali GR.

Splošna relativnost - GR

Sodobna teorija gravitacijskega polja, teorija prostorsko-časovne strukture, geometrija prostora-časa, zakon fizičnih interakcij v ne-inercialnih sistemih poročanja so različna imena, ki so bila dana Albert Einsteinovi splošni teoriji relativnosti.

Teorija sveta je zelo razširjena, ki je dolgo časa določala poglede fizikalne znanosti na gravitacijo, na interakcijo predmetov in polj različnih velikosti. Paradoksalno je, da je njegova glavna pomanjkljivost nematerialnost, iluzivnost, matematika njenega bistva. Med zvezdami in planeti je bila praznina, privlačnost med nebesnimi telesi je bila razložena z delovanjem nekaterih sil na dolge razdalje in trenutnim. Splošna teorija relativnosti Alberta Einsteina je napolnila gravitacijo s fizično vsebino in jo predstavila kot neposreden stik različnih materialnih objektov.

Gravitacijska geometrija

Glavna ideja, s pomočjo katere je Einstein pojasnil gravitacijske interakcije, je zelo preprosta. Fizično izražanje sil je razglasil prostor-čas, obdarjen s precej oprijemljivimi znaki - metriko in deformacijami, na katere vpliva masa predmeta, okoli katerega se oblikujejo takšne ukrivljenosti. Nekoč je bil Einsteinu celo pripisan poziv k vrnitvi k teoriji vesolja pojem etra kot elastičnega materialnega medija, ki zapolnjuje prostor. Pojasnil je, da je težko imenovati snov z množico kvalitet, ki jih lahko opišemo kot vakuum. Einsteinova teorija relativnosti je kratka

Zato je gravitacija manifestacija geometrijskih lastnosti štiridimenzionalnega prostora-časa, ki je bila v SRT označena kot neokrivljena, v bolj splošnih primerih pa je opremljena z ukrivljenostjo, ki določa gibanje materialnih objektov, ki imajo enak pospešek v skladu z Einsteinovim načelom enakovrednosti.

To temeljno načelo teorije relativnosti razlaga številna "ozka grla" Newtonove teorije svetovne širine: ukrivljenost svetlobe, ki jo opazimo, ko prehaja okrog masivnih vesoljskih objektov z nekaterimi astronomskimi pojavi, in z opazovanjem starih, enak pospešek padanja teles, ne glede na njihovo maso.

Modeliranje ukrivljenosti prostora

Običajen primer, ki pojasnjuje splošno teorijo relativnosti za čajnike, je prikaz prostora-časa v obliki trampolina - elastične tanke membrane, na kateri so predmeti (najpogosteje kroglice), ki simulirajo medsebojno povezane objekte. Močne kroglice upogibajo membrano in tvorijo lijak okoli sebe. Manjša krogla, ki se je začela na površini, se premika v popolni skladnosti z zakonitostmi gravitacije in se postopoma valja v utore, ki jih tvorijo masivnejši objekti.

Toda takšen primer je precej samovoljen. Dejanski prostor-čas je večdimenzionalen, njegova ukrivljenost tudi ni videti tako elementarna, ampak načelo oblikovanja gravitacijske interakcije in bistvo teorije relativnosti postaneta jasna. Vsekakor hipoteza, ki bi bolj grafično in koherentno pojasnila teorijo gravitacije, še ne obstaja.

Dokazi resnice

GTR se je kmalu začel zaznati kot močan temelj, na katerem je mogoče zgraditi sodobno fiziko. Teorija relativnosti je že od samega začetka presenetljiva v svoji harmoniji in harmoniji, ne le strokovnjaki, in kmalu po njeni pojavnosti je bila potrjena z opažanji.

Najbližja točka Sonca - perihelija - Merkurjeve orbite se postopoma premika glede na orbite drugih planetov Sončnega sistema, ki so jih odkrili sredi 19. stoletja. Takšno gibanje - precesija - v okviru newtonske teorije svetovne širine ni našlo razumne razlage, temveč je bilo natančno izračunano na podlagi splošne teorije relativnosti.

Sončev mrk, ki se je pojavil leta 1919, je bil priložnost za še en dokaz GR. Arthur Eddington, ki se je v šali imenoval za drugega človeka od treh, ki je razumel osnove teorije relativnosti, je potrdil odstopanja, ki jih je napovedal Einstein med prehodom svetlobnih fotonov v bližini zvezde: v času mrka se je vidno videlo nekaj zvezd.

Einsteinov predlog je med drugim dokaz splošne teorije relativnosti predlagal eksperiment za zaznavanje zaostalosti ur ali gravitacijskega rdečega premika. Šele po mnogih letih je uspelo pripraviti potrebno eksperimentalno opremo in opraviti to izkušnjo. Gravitacijski premik frekvenc sevanja iz oddajnika in sprejemnika, ločenih z višino, je bil v mejah, ki jih je napovedal GR, medtem ko so fiziki iz Harvarda Robert Pound in Glen Rebka, ki so vodili ta eksperiment, kasneje samo povečali natančnost meritev, formula teorije relativnosti pa se je ponovno izkazala za pravilno.

Pri dokazovanju najpomembnejših projektov raziskovanja vesolja je nujno prisotna Einsteinova teorija relativnosti. Skratka, lahko rečemo, da je postalo inženirsko orodje za strokovnjake, zlasti tiste, ki so vključeni v satelitske navigacijske sisteme - GPS, GLONASS itd. Koordinate objekta z zahtevano natančnostjo ni mogoče izračunati niti v relativno majhnem prostoru, ne da bi upoštevali upočasnitev signalov, ki jih predvideva GTR. Še posebej, ko gre za predmete, ločene s presledkom, kjer je lahko napaka v navigaciji velika.

Ustvarjalec teorije relativnosti

Albert Einstein je bil še mlad, ko je objavil osnove teorije relativnosti. Kasneje je sam postal jasen pri svojih pomanjkljivostih in nedoslednostih. Predvsem je bil najpomembnejši problem splošne teorije relativnosti nezmožnost njegove rasti v kvantni mehaniki, saj se načela, ki se med seboj korenito razlikujejo, uporabljajo za opis gravitacijskih interakcij. V kvantni mehaniki se upošteva interakcija objektov v enem prostoru-času, za Einstein pa ta prostor oblikuje gravitacijo. osnove teorije relativnosti

Pisanje "formule vseh stvari" - enotne teorije polj, ki bi odpravila protislovja GR in kvantne fizike, je bil dolgoletni Einsteinov cilj, ki je delal na tej teoriji do zadnje ure, vendar ni uspel. Problemi GR so postali spodbuda številnim teoretikom pri iskanju naprednejših modelov sveta. Tako so se pojavile strune teorije, kvantna gravitacija zanke in mnogi drugi.

Osebnost avtorja UTO je v zgodovini pustila pečat primerljiv z vrednostjo za znanost same teorije relativnosti. Do sedaj nikogar ne pušča ravnodušnega. Einstein se je spraševal, zakaj so mu in njegovemu delu namenili toliko pozornosti ljudi, ki nimajo nič s fiziko. Zahvaljujoč njegovim osebnim lastnostim, znani duhovitosti, aktivni politični poziciji in celo ekspresivnemu videzu, je Einstein postal najbolj znan fizik na Zemlji, junak mnogih knjig, filmov in računalniških iger. bistvo teorije relativnosti

Mnogi so dramatično opisali konec njegovega življenja: bil je osamljen in se je zdel sam odgovoren za pojav najhujšega orožja, ki je postalo grožnja vsem živim bitjem na planetu, njegova enotna teorija polj pa je ostala nerealna sanja, vendar je najboljši rezultat Einsteinova beseda. da je opravil svojo nalogo na Zemlji. Težko se je s tem prepirati.