Cine a formulat teoria generală a relativității. Teoria specială a relativității a lui Einstein: pe scurt și în cuvinte simple

Introducere

2. Teoria generală a relativității a lui Einstein

Concluzie

Lista surselor utilizate

Introducere

Chiar și la sfârșitul secolului al XIX-lea, majoritatea oamenilor de știință erau înclinați spre punctul de vedere că imaginea fizică a lumii a fost construită în principiu și va rămâne de neclintit în viitor - au rămas doar detaliile de clarificat. Dar în primele decenii ale secolului al XX-lea, vederile fizice s-au schimbat radical. Aceasta a fost o consecință a „cascadei” descoperiri științifice realizate într-o perioadă istorică extrem de scurtă acoperind anul trecut Secolul al XIX-lea și primele decenii ale secolului XX, dintre care multe nu se încadrau în înțelegerea experienței umane obișnuite. Un exemplu izbitor poate servi drept teoria relativității creată de Albert Einstein (1879-1955).

Principiul relativității a fost stabilit pentru prima dată de Galileo, dar a primit formularea sa finală doar în mecanica newtoniană.

Principiul relativității înseamnă că în toate sistemele inerțiale toate procesele mecanice au loc în același mod.

Când imaginea mecanicistă a lumii domina în știința naturii, principiul relativității nu era supus niciunei îndoieli. Situația s-a schimbat dramatic când fizicienii au început să studieze serios fenomenele electrice, magnetice și optice. Insuficiența mecanicii clasice pentru a descrie fenomenele naturale a devenit evidentă pentru fizicieni. A apărut întrebarea: principiul relativității se aplică și fenomenelor electromagnetice?

Descriind cursul raționamentului său, Albert Einstein indică două argumente care au mărturisit în favoarea universalității principiului relativității:

Acest principiu este realizat cu mare precizie în mecanică și, prin urmare, se poate spera că va fi corect și în electrodinamică.

Dacă sistemele inerțiale nu sunt echivalente pentru descrierea fenomenelor naturale, atunci este rezonabil să presupunem că legile naturii sunt cel mai ușor descrise într-un singur sistem inerțial.

De exemplu, luați în considerare mișcarea Pământului în jurul Soarelui cu o viteză de 30 de kilometri pe secundă. Dacă principiul relativității în în acest caz, nu a fost îndeplinită, atunci legile mișcării corpurilor ar depinde de direcția și orientarea spațială a Pământului. Nimic de genul ăsta, adică inegalitatea fizică a diferitelor direcții nu a fost detectată. Totuși, aici există o aparentă incompatibilitate a principiului relativității cu principiul bine stabilit al constantei vitezei luminii în vid (300.000 km/s).

Apare o dilemă: respingerea fie a principiului constanței vitezei luminii, fie a principiului relativității. Primul principiu este stabilit atât de precis și lipsit de ambiguitate, încât abandonarea lui ar fi vădit nejustificată; nu mai puține dificultăți apar atunci când negăm principiul relativității în domeniul proceselor electromagnetice. De fapt, așa cum a arătat Einstein:

„Legea propagării luminii și principiul relativității sunt compatibile.”

Aparenta contradicţie a principiului relativităţii cu legea constanţei vitezei luminii apare deoarece mecanica clasica, potrivit lui Einstein, s-a bazat „pe două ipoteze nejustificate”: intervalul de timp dintre două evenimente nu depinde de starea de mișcare a corpului de referință și de distanța spațială dintre două puncte. solid nu depinde de starea de mișcare a corpului de referință. În cursul dezvoltării teoriei sale, el a trebuit să abandoneze: transformările galileene și să accepte transformările Lorentz; din conceptul lui Newton de spațiu absolut și definiția mișcării unui corp în raport cu acest spațiu absolut.

Fiecare mișcare a unui corp are loc relativ la un corp de referință specific și, prin urmare, toate procesele și legile fizice trebuie formulate în raport cu un sistem de referință sau coordonate precis specificate. Prin urmare, nu există distanță, lungime sau extensie absolută, așa cum nu poate exista un timp absolut.

Noile concepte și principii ale teoriei relativității au schimbat semnificativ conceptele fizice și științifice generale despre spațiu, timp și mișcare, care au dominat știința timp de mai bine de două sute de ani.

Toate cele de mai sus justifică relevanța temei alese.

Scopul acestei lucrări este un studiu cuprinzător și o analiză a creării teoriilor speciale și generale ale relativității de către Albert Einstein.

Lucrarea constă dintr-o introducere, două părți, o concluzie și o listă de referințe. Volumul total al lucrării este de 16 pagini.

1. Teoria specială a relativității a lui Einstein

În 1905, Albert Einstein, pe baza imposibilității detectării mișcării absolute, a ajuns la concluzia că toate sistemele de referință inerțiale sunt egale. El a formulat două postulate cele mai importante care au stat la baza unei noi teorii a spațiului și timpului, numită Teoria specială a relativității (STR):

1. Principiul relativității lui Einstein - acest principiu a fost o generalizare a principiului relativității lui Galileo la orice fenomene fizice. Se spune: toate procesele fizice în aceleași condiții în cadre de referință inerțiale (IRS) decurg în același mod. Aceasta înseamnă că nu experimente fizice realizat în interiorul unui ISO închis, este imposibil să se determine dacă este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu. Astfel, toate IFR-urile sunt complet egale, iar legile fizice sunt invariante în ceea ce privește alegerea IFR-urilor (adică, ecuațiile care exprimă aceste legi au aceeași formă în toate sistemele de referință inerțiale).

2. Principiul constanței vitezei luminii - viteza luminii în vid este constantă și nu depinde de mișcarea sursei și receptorului luminii. Este același în toate direcțiile și în toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii în vid - viteza limită în natură - este una dintre cele mai importante constante fizice, așa-numitele constante ale lumii.

O analiză profundă a acestor postulate arată că ele contrazic ideile despre spațiu și timp acceptate în mecanica newtoniană și reflectate în transformările lui Galileo. Într-adevăr, conform principiului 1, toate legile naturii, inclusiv legile mecanicii și electrodinamicii, trebuie să fie invariante în raport cu aceleași transformări de coordonate și timp efectuate la trecerea de la un sistem de referință la altul. Ecuațiile lui Newton satisfac această cerință, dar ecuațiile electrodinamicii lui Maxwell nu, adică. se dovedesc a fi neinvariante. Această împrejurare l-a condus pe Einstein la concluzia că ecuațiile lui Newton au nevoie de clarificări, drept urmare atât ecuațiile mecanicii, cât și ecuațiile electrodinamicii s-ar dovedi a fi invariante în raport cu aceleași transformări. Modificarea necesară a legilor mecanicii a fost efectuată de Einstein. Ca urmare, a apărut mecanica care era în concordanță cu principiul relativității al lui Einstein - mecanica relativistă.

Creatorul teoriei relativității a formulat principiul generalizat al relativității, care se extinde acum la fenomenele electromagnetice, inclusiv mișcarea luminii. Acest principiu prevede că niciun experiment fizic (mecanic, electromagnetic etc.) efectuat într-un anumit cadru de referință nu poate stabili diferența dintre stările de repaus și starea uniformă. mișcare rectilinie. Adăugarea clasică a vitezelor nu este aplicabilă pentru propagare undele electromagnetice, Sveta. Pentru toți procese fizice viteza luminii are proprietatea vitezei infinite. Pentru a da unui corp o viteză egală cu viteza luminii este nevoie de o cantitate infinită de energie și de aceea este fizic imposibil ca orice corp să atingă această viteză. Acest rezultat a fost confirmat de măsurători efectuate pe electroni. Energia cinetică a unei mase punctuale crește mai repede decât pătratul vitezei sale și devine infinită pentru viteză, viteză egală Sveta.

Viteza luminii este viteza maximă de propagare a influențelor materiale. Nu se poate acumula cu nicio viteză și se dovedește a fi constant pentru toate sistemele inerțiale. Toate corpurile în mișcare de pe Pământ au o viteză zero în raport cu viteza luminii. Într-adevăr, viteza sunetului este de doar 340 m/s. Aceasta este liniște în comparație cu viteza luminii.

Din aceste două principii - constanța vitezei luminii și principiul extins al relativității al lui Galileo - decurg din punct de vedere matematic toate prevederile teoriei speciale a relativității. Dacă viteza luminii este constantă pentru toate sistemele inerțiale și toate sunt egale, atunci mărimile fizice ale lungimii corpului, intervalului de timp, masei pentru sisteme diferite lecturile vor fi diferite. Astfel, lungimea unui corp într-un sistem în mișcare va fi cea mai mică în raport cu unul staționar. Conform formulei:

unde /" este lungimea unui corp dintr-un sistem în mișcare cu o viteză V în raport cu un sistem staționar; / este lungimea unui corp într-un sistem staționar.

Pentru o perioadă de timp, durata unui proces, este adevărat invers. Timpul, parcă se va întinde, va curge mai lent într-un sistem în mișcare în raport cu unul staționar, în care acest proces va fi mai rapid. Conform formulei:

Să ne amintim că efectele teoriei speciale a relativității vor fi detectate la viteze apropiate de lumina. La viteze semnificativ mai mici decât viteza luminii, formulele SRT se transformă în formulele mecanicii clasice.

Fig.1. Experimentul „Trenul lui Einstein”

Einstein a încercat să arate clar cum curgerea timpului încetinește într-un sistem în mișcare în raport cu unul staționar. Să ne imaginăm un peron de cale ferată, pe lângă care trece un tren cu o viteză apropiată de viteza luminii (Fig. 1).

Numai leneșii nu știu despre învățăturile lui Albert Einstein, care mărturisesc relativitatea a tot ceea ce se întâmplă în această lume a muritorilor. De aproape o sută de ani, dispute au loc nu numai în lumea științei, ci și în lumea fizicienilor practicanți. Teoria relativității a lui Einstein descrisă în cuvinte simple Este destul de accesibil și nu este un secret pentru cei neinițiați.

In contact cu

Câteva întrebări generale

Având în vedere particularitățile învățăturilor teoretice ale marelui Albert, postulatele sale pot fi evaluate în mod ambiguu de o varietate de mișcări ale fizicienilor teoreticieni, școli științifice destul de înalte, precum și adepții școlii iraționale de fizică și matematică.

La începutul secolului trecut, când a avut loc o creștere a gândirii științifice și pe fundalul schimbărilor sociale, au început să apară anumite mișcări științifice, a apărut teoria relativității a tot ceea ce trăiește o persoană. Indiferent cum evaluează contemporanii noștri această situație, toată lumea lumea reala chiar nu static, Teoria specială a relativității a lui Einstein:

• Se schimbă vremurile, se schimbă opiniile și părerea mentală a societății asupra anumitor probleme din punct de vedere social;
• Fundamente sociale și viziune asupra lumii cu privire la doctrina probabilității în diverse sisteme de stat iar la conditii speciale dezvoltarea societăţii s-a schimbat în timp şi sub influenţa altor mecanisme obiective.
• Cum au fost modelate opiniile societății asupra problemelor? dezvoltare sociala, aceeași a fost și atitudinea și părerea despre Teoriile lui Einstein despre timp.

Important! Teoria gravitației a lui Einstein a stat la baza unor dispute sistematice între cei mai reputați oameni de știință, atât la începutul dezvoltării sale, cât și pe parcursul finalizării sale. S-au vorbit despre asta, au fost numeroase dezbateri, a devenit subiect de conversație în saloanele de rang înalt din diferite țări.

Oamenii de știință au discutat despre asta, a fost subiectul conversației. Exista chiar și ipoteza că predarea era de înțeles doar de trei oameni din lumea științifică. Când a venit momentul, preoții celei mai misterioase științe - matematica euclidiană - au început să explice postulatele. Atunci s-a încercat să-și construiască modelul digital și aceleași consecințe verificate matematic ale acțiunii sale asupra spațiului mondial, autorul ipotezei a recunoscut că a devenit foarte greu de înțeles chiar și ceea ce a creat el. Deci, ce face teoria generală a relativității, Ce explorează si ce aplicație aplicată a găsit-o în lumea modernă?

Istoria și rădăcinile teoriei

Astăzi, în marea majoritate a cazurilor, realizările marelui Einstein sunt descrise pe scurt ca o negație completă a ceea ce a fost inițial o constantă de neclintit. Această descoperire a făcut posibilă respingerea a ceea ce este cunoscut de toți școlarii ca un binom fizic.

Majoritatea populației planetei, într-un fel sau altul, cu atenție și gândire sau superficial, chiar dacă doar o singură dată, s-a întors la paginile marii cărți - Biblia.

În ea puteți citi despre ceea ce a devenit o adevărată confirmare esenţa învăţăturii- la ce a lucrat un tânăr om de știință american la începutul secolului trecut. Faptele de levitație și alte lucruri destul de comune în istoria Vechiului Testament au devenit odată miracole în timpurile moderne. Eterul este un spațiu în care o persoană a trăit o viață complet diferită. Particularitățile vieții în aer au fost studiate de multe celebrități mondiale din domeniu Stiintele Naturii. ȘI Teoria gravitației a lui Einstein a confirmat că ceea ce a fost descris în cartea antică este adevărat.

Lucrările lui Hendrik Lorentz și Henri Poincaré au făcut posibilă descoperirea experimentală a anumitor trăsături ale eterului. În primul rând, aceasta este munca pentru crearea de modele matematice ale lumii. Baza a fost confirmarea practică că atunci când particulele materiale se mișcă în spațiul eteric, ele se contractă în raport cu direcția de mișcare.

Lucrările acestor mari oameni de știință au făcut posibilă crearea bazei principalelor postulate ale doctrinei. Acest fapt oferă material constant pentru afirmația că lucrările laureatului Nobel și teoria relativistă a lui Albert au fost și rămân plagiat. Mulți oameni de știință susțin astăzi că multe postulate au fost acceptate mult mai devreme, de exemplu:

• Conceptul de simultaneitate condiționată a evenimentelor;
• Principiile ipotezei binomului constant și criteriile pentru viteza luminii.

Ce să faci înțelege teoria relativității? Ideea stă în trecut. În lucrările lui Poincare a fost înaintată ipoteza că vitezele mari din legile mecanicii trebuie regândite. Datorită afirmațiilor unui fizician francez lumea științifică a învățat cât de relativă este mișcarea în proiecție față de teoria spațiului eteric.

În știința statică, un volum mare de procese fizice a fost luat în considerare pentru diferite obiecte materiale care se mișcau cu . Postulatele conceptului general descriu procesele care au loc cu obiectele care accelerează, explică existența particulelor de graviton și gravitația însăși. Esența teoriei relativitățiiîn explicarea acelor fapte care înainte erau un nonsens pentru oamenii de știință. Dacă este necesar să descriem trăsăturile mișcării și legile mecanicii, relațiile dintre spațiu și continuumul timpului în condiții de apropiere a vitezei luminii, postulatele doctrinei relativității ar trebui aplicate exclusiv.

Despre teorie pe scurt și clar

De ce este atât de diferită învățătura marelui Albert de ceea ce au făcut fizicienii înaintea lui? Anterior, fizica era o știință destul de statică, care lua în considerare principiile dezvoltării tuturor proceselor din natură în sfera sistemului „aici, azi și acum”. Einstein a făcut posibil să se vadă tot ceea ce se întâmplă în jur nu numai în spațiul tridimensional, ci și în relație cu diferite obiecte și momente în timp.

Atenţie!În 1905, când Einstein și-a publicat teoria relativității, mi-a permis să explic în opțiune disponibilă interpretarea mișcării dintre diferite sisteme de calcul inerțial.

Principalele sale prevederi sunt raportul vitezelor constante a două obiecte care se deplasează unul față de celălalt în loc să ia unul dintre obiecte, care poate fi luat ca unul dintre factorii de referință absoluti.

Caracteristica predării este că poate fi considerat în raport cu unul caz exceptional. Factori principali:

1. Rectitudinea direcției de mișcare;
2. Uniformitatea mișcării unui corp material.

Când se schimbă direcția sau alți parametri simpli, când un corp material poate accelera sau se poate întoarce în lateral, legile doctrinei statice a relativității nu sunt valabile. În acest caz, intră în vigoare legile generale ale relativității, care pot explica mișcarea corpurilor materiale în interior situatie generala. Astfel, Einstein a găsit o explicație pentru toate principiile interacțiunii corpurilor fizice între ele în spațiu.

Principiile relativității

Principii de predare

Afirmația despre relativitate a fost supusă celor mai aprinse discuții de o sută de ani. Majoritatea oamenilor de știință iau în considerare diverse opțiuni aplicarea postulatelor ca aplicare a două principii ale fizicii. Și această cale este cea mai populară în rândul fizicii aplicate. Postulatele de bază teoria relativitatii, Fapte interesante , care astăzi au găsit o confirmare de nerefuzat:

• Principiul relativității. Păstrarea relației corpurilor sub toate legile fizicii. Acceptându-le ca cadre de referință inerțiale care se mișcă la viteze constante unul față de celălalt.
• Postul despre viteza luminii. Ea ramane o constanta neschimbata in toate situatiile, indiferent de viteza si relatia cu sursele de lumina.

În ciuda contradicţiilor dintre noua învăţătură şi postulatele de bază ale unuia dintre cele mai științe exacte bazat pe indicatori statici constanți, noua ipoteza m-a atras cu o privire proaspătă lumea. Succesul omului de știință a fost asigurat, ceea ce a fost confirmat prin acordarea de Premiul Nobelîn domeniul ştiinţelor exacte.

Ce a cauzat o astfel de popularitate uimitoare și cum și-a descoperit Einstein teoria relativității? Tactica unui tânăr om de știință.

1. Până acum, oameni de știință de renume mondial au înaintat o teză și abia apoi au efectuat o serie de studii practice. Dacă la un moment dat s-au obținut date care nu se potriveau conceptului general, acestea au fost recunoscute ca eronate și s-au motivat.
2. Tânărul geniu a folosit tactici radical diferite, a efectuat experimente practice, au fost în serie. Rezultatele obţinute, în ciuda faptului că s-ar putea să nu se încadreze cumva în seria conceptuală, au fost construite într-o teorie coerentă. Și fără „greșeli” sau „inecizii”, toate momentele ipoteze de relativitate, exemple iar rezultatele observaţiilor se încadrează în mod clar în învăţătura teoretică revoluţionară.
3. Viitor laureat Nobel a respins nevoia de a studia eterul misterios, unde se propagă undele de lumină. Convingerea că eterul există a condus la o serie de concepții greșite semnificative. Postulatul principal este o modificare a vitezei fasciculului de lumină în raport cu observatorul care observă procesul în mediul eteric.

Relativitate pentru manechini

Relativitatea este cea mai simplă explicație

Concluzie

Principala realizare a omului de știință este dovada armoniei și unității unor astfel de cantități precum spațiul și timpul. Natura fundamentală a conexiunii dintre aceste două continuumuri în trei dimensiuni, combinată cu dimensiunea timpului, a făcut posibilă înțelegerea multor dintre secretele naturii lumii materiale. Mulțumită Teoria gravitației a lui Einstein studiul profunzimii și alte realizări ale științei moderne au devenit disponibile, deoarece posibilitățile de predare nu au fost utilizate pe deplin până astăzi.

material din cartea „O scurtă istorie a timpului” de Stephen Hawking și Leonard Mlodinow

relativitatea

Postulatul fundamental al lui Einstein, numit principiul relativității, afirmă că toate legile fizicii trebuie să fie aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. Dacă viteza luminii constant, atunci orice observator care se mișcă liber ar trebui să înregistreze aceeași valoare indiferent de viteza cu care se apropie sau se îndepărtează de sursa de lumină.

Cerința ca toți observatorii să fie de acord cu privire la viteza luminii obligă la o schimbare a conceptului de timp. Conform teoriei relativității, un observator care călătorește într-un tren și unul care stă pe peron vor diferi în estimarea distanței parcurse de lumină. Și deoarece viteza este distanța împărțită la timp, singura cale ca observatorii să fie de acord cu privire la viteza luminii înseamnă, de asemenea, să nu fie de acord cu privire la estimarea timpului. Cu alte cuvinte, teoria relativității a pus capăt ideii de timp absolut! S-a dovedit că fiecare observator trebuie să aibă propria măsură a timpului și că ceasurile identice pentru diferiți observatori nu vor afișa neapărat aceeași oră.

Când spunem că spațiul are trei dimensiuni, ne referim la faptul că poziția unui punct în el poate fi transmisă folosind trei numere - coordonate. Dacă introducem timpul în descrierea noastră, obținem spațiu-timp cu patru dimensiuni.

O altă consecință binecunoscută a teoriei relativității este echivalența masei și energiei, exprimată prin celebra ecuație a lui Einstein E = mс 2 (unde E este energia, m este masa corporală, c este viteza luminii). Datorită echivalenței energiei și masei, energia cinetică pe care o posedă un obiect material datorită mișcării sale își mărește masa. Cu alte cuvinte, obiectul devine mai greu de accelerat.

Acest efect este semnificativ doar pentru corpurile care se deplasează la viteze apropiate de viteza luminii. De exemplu, la o viteză egală cu 10% din viteza luminii, masa corporală va fi cu doar 0,5% mai mare decât în ​​repaus, dar la o viteză egală cu 90% din viteza luminii, masa va fi mai mult de două ori cel normal. Pe măsură ce se apropie de viteza luminii, masa unui corp crește din ce în ce mai rapid, astfel încât este necesară din ce în ce mai multă energie pentru a-l accelera. Conform teoriei relativității, un obiect nu poate atinge niciodată viteza luminii, deoarece în acest caz masa lui ar deveni infinită și, datorită echivalenței masei și energiei, ar fi necesară o energie infinită pentru a face acest lucru. Acesta este motivul pentru care teoria relativității condamnă pentru totdeauna pe oricare corp normal se deplasează cu o viteză mai mică decât viteza luminii. Doar lumina sau alte unde care nu au masă proprie pot călători cu viteza luminii.

Spațiu deformat

Teoria generală a relativității a lui Einstein se bazează pe presupunerea revoluționară că gravitația nu este o forță obișnuită, ci o consecință a faptului că spațiu-timp nu este plat, așa cum se credea anterior. În relativitatea generală, spațiu-timpul este îndoit sau curbat de masa și energia plasate în el. Corpuri precum Pământul se mișcă pe orbite curbe, nu sub influența unei forțe numite gravitație.

Deoarece o linie geodezică este cea mai scurtă linie dintre două aeroporturi, navigatorii ghidează avioanele de-a lungul acestor rute. De exemplu, puteți urmări citirile busolei și puteți zbura cei 5.966 de kilometri de la New York la Madrid aproape spre est de-a lungul paralelă geografică. Dar va trebui să parcurgeți doar 5.802 de kilometri dacă zburați de-a lungul cerc mare, mai întâi spre nord-est, apoi cotind treptat spre est și apoi spre sud-est. Vedere pe hartă a acestor două rute, unde suprafața pământului deformat (prezentat plat), înșelător. Deplasarea „dreaptă” spre est de la un punct la altul de-a lungul suprafeței glob, nu vă deplasați de fapt de-a lungul unei linii drepte sau, mai degrabă, nu de-a lungul celei mai scurte linii geodezice.

Dacă traiectoria nava spatiala, care se deplasează în spațiu în linie dreaptă, proiectată pe suprafața bidimensională a Pământului, se dovedește că este curbată.

Conform relativității generale, câmpurile gravitaționale ar trebui să îndoaie lumina. De exemplu, teoria prezice că lângă Soare, razele de lumină ar trebui să se îndoaie ușor spre acesta sub influența masei stelei. Aceasta înseamnă că lumina unei stele îndepărtate, dacă se întâmplă să treacă lângă Soare, se va abate cu un unghi mic, motiv pentru care un observator de pe Pământ va vedea steaua nu exact unde se află de fapt.

Să ne amintim că, conform postulatului de bază al teoriei relativității speciale, toate legile fizice sunt aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. În linii mari, principiul echivalenței extinde această regulă la acei observatori care se mișcă nu liber, ci sub influența unui câmp gravitațional.

În zone suficient de mici ale spațiului, este imposibil să judeci dacă ești în repaus într-un câmp gravitațional sau dacă te miști cu o accelerație constantă în spațiul gol.

Imaginați-vă că vă aflați într-un lift în mijlocul unui spațiu gol. Nu există gravitație, nu există „sus” și „jos”. Plutiți liber. Liftul începe apoi să se miște cu o accelerație constantă. Simți brusc greutate. Adică ești apăsat de unul dintre pereții liftului, care acum este perceput ca podea. Dacă ridici un măr și îi dai drumul, acesta va cădea pe podea. De fapt, acum că vă deplasați cu accelerație, totul în interiorul liftului se va întâmpla exact la fel ca și cum liftul nu s-ar fi mișcat deloc, ci ar fi în repaus într-un câmp gravitațional uniform. Einstein și-a dat seama că, la fel ca atunci când vă aflați într-un vagon de tren, nu puteți spune dacă acesta stă nemișcat sau se mișcă uniform, la fel și atunci când vă aflați în interiorul unui lift nu puteți spune dacă acesta se mișcă cu o accelerație constantă sau este în mișcare uniformă. Rezultatul acestei înțelegeri a fost principiul echivalenței.

Principiul echivalenței și exemplul dat al manifestării sale vor fi valabile numai dacă masa inerțială (parte a legii a doua a lui Newton, care determină cât de multă accelerație o forță aplicată unui corp o dă unui corp) și masa gravitațională (parte a legii lui Newton). de gravitație, care determină valoarea atracție gravitațională) sunt în esență același lucru.

Folosirea de către Einstein a echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale pentru a deriva principiul echivalenței și, în cele din urmă, întreaga teorie generală a relativității este un exemplu de dezvoltare persistentă și consecventă a concluziilor logice fără precedent în istoria gândirii umane.

Dilatarea timpului

O altă predicție a relativității generale este că timpul ar trebui să încetinească în jurul unor corpuri masive precum Pământul.

Acum că suntem familiarizați cu principiul echivalenței, putem urmări gândirea lui Einstein realizând un alt experiment de gândire care arată de ce gravitația afectează timpul. Imaginează-ți o rachetă care zboară în spațiu. Pentru comoditate, vom presupune că corpul său este atât de mare încât luminii ia o secundă întreagă pentru a trece de-a lungul ei de sus în jos. În cele din urmă, să presupunem că în rachetă sunt doi observatori: unul în sus, lângă tavan, celălalt în jos, pe podea, și ambii sunt echipați cu același ceas care numără secundele.

Să presupunem că observatorul de sus, după ce a așteptat ca ceasul său să facă numărătoarea inversă, trimite imediat un semnal luminos celui de jos. La următoarea numărare, trimite un al doilea semnal. Conform condițiilor noastre, va dura o secundă pentru ca fiecare semnal să ajungă la observatorul inferior. Deoarece observatorul superior trimite două semnale luminoase cu un interval de o secundă, observatorul inferior le va înregistra și el cu același interval.

Ce s-ar schimba dacă în acest experiment, în loc să plutească liber în spațiu, racheta s-ar afla pe Pământ, experimentând acțiunea gravitației? Conform teoriei lui Newton, gravitația nu va afecta în niciun fel starea de lucruri: dacă observatorul de deasupra transmite semnale cu un interval de o secundă, atunci observatorul de dedesubt le va primi la același interval. Dar principiul echivalenței prezice o dezvoltare diferită a evenimentelor. Pe care, o putem înțelege dacă, în conformitate cu principiul echivalenței, înlocuim mental acțiunea gravitației cu o accelerație constantă. Acesta este un exemplu al modului în care Einstein a folosit principiul echivalenței pentru a crea noua sa teorie a gravitației.

Deci, să presupunem că racheta noastră accelerează. (Vom presupune că accelerează încet, astfel încât viteza sa nu se apropie de viteza luminii.) Deoarece corpul rachetei se mișcă în sus, primul semnal va trebui să parcurgă o distanță mai mică decât înainte (înainte de a începe accelerația), și va ajunge la observatorul inferior mai devreme decât după dă-mi o secundă. Dacă racheta s-ar deplasa cu o viteză constantă, atunci al doilea semnal ar sosi exact la fel mai devreme, astfel încât intervalul dintre cele două semnale ar rămâne egal cu o secundă. Dar în momentul trimiterii celui de-al doilea semnal, din cauza accelerației, racheta se mișcă mai repede decât în ​​momentul trimiterii primului, așa că al doilea semnal va parcurge o distanță mai mică decât primul și va dura și mai puțin timp. Observatorul de mai jos, verificându-și ceasul, va înregistra că intervalul dintre semnale este mai mic de o secundă și va fi în dezacord cu observatorul de mai sus, care susține că a trimis semnalele exact o secundă mai târziu.

În cazul unei rachete care accelerează, acest efect probabil nu ar trebui să fie deosebit de surprinzător. La urma urmei, tocmai am explicat-o! Dar amintiți-vă: principiul echivalenței spune că același lucru se întâmplă atunci când racheta este în repaus într-un câmp gravitațional. În consecință, chiar dacă racheta nu accelerează, ci, de exemplu, stă pe rampa de lansare de pe suprafața Pământului, semnalele trimise de observatorul superior cu un interval de o secundă (conform ceasului său) vor ajunge către observator inferior cu un interval mai mic (după ceasul său) . Acest lucru este cu adevărat uimitor!

Gravitația schimbă curgerea timpului. Așa cum ne spune relativitatea specială timpul curge diferit pentru observatorii care se deplasează unul față de celălalt, teoria generală a relativității declară că trecerea timpului este diferită pentru observatorii aflați în câmpuri gravitaționale diferite. Conform relativității generale, observatorul inferior înregistrează un interval mai scurt între semnale, deoarece timpul trece mai lent la suprafața Pământului, deoarece gravitația este mai puternică acolo. Cu cât câmpul gravitațional este mai puternic, cu atât este mai mare acest efect.

Al nostru Ceasul biologic răspunde, de asemenea, la schimbările din trecerea timpului. Dacă unul dintre gemeni locuiește pe vârful unui munte, iar celălalt la malul mării, primul va îmbătrâni mai repede decât al doilea. În acest caz, diferența de vârstă va fi neglijabilă, dar va crește semnificativ de îndată ce unul dintre gemeni pleacă într-o călătorie lungă într-o navă spațială care accelerează la viteza luminii. Când rătăcitorul se va întoarce, va fi mult mai tânăr decât fratele său rămas pe Pământ. Acest caz este cunoscut sub numele de paradoxul gemenilor, dar este un paradox doar pentru cei care se agață de ideea timpului absolut. În teoria relativității nu există un timp absolut unic - fiecare individ are propria sa măsură de timp, care depinde de locul în care se află și de cum se mișcă.

Odată cu apariția sistemelor de navigație ultra-precise care primesc semnale de la sateliți, diferența de frecvență a ceasului de diverse înălțimi dobândit semnificație practică. Dacă echipamentul ar ignora predicțiile relativității generale, eroarea în determinarea locației ar putea fi de câțiva kilometri!

Apariția teoriei generale a relativității a schimbat radical situația. Spațiul și timpul au dobândit statutul de entități dinamice. Când corpurile se mișcă sau acționează forțele, ele provoacă curbura spațiului și timpului, iar structura spațiu-timpului, la rândul său, afectează mișcarea corpurilor și acțiunea forțelor. Spațiul și timpul nu numai că influențează tot ceea ce se întâmplă în Univers, dar ele însele depind de toate acestea.

Să ne imaginăm un astronaut îndrăzneț care rămâne pe suprafața unei stele care se prăbușește în timpul unei contracții catastrofale. La un moment dat, conform ceasului său, să zicem la ora 11:00, steaua se va micșora la o rază critică, dincolo de care câmpul gravitațional se intensifică atât de mult încât este imposibil să scape de el. Acum să presupunem că, conform instrucțiunilor, astronautul trebuie să trimită un semnal în fiecare secundă în ceasul său către o navă spațială care se află pe orbită la o anumită distanță fixă ​​de centrul stelei. Începe să transmită semnale la 10:59:58, adică cu două secunde înainte de 11:00. Ce va înregistra echipajul la bordul navei spațiale?

Anterior, după ce am făcut un experiment de gândire cu transmiterea semnalelor luminoase în interiorul unei rachete, am fost convinși că gravitația încetinește timpul și cu cât este mai puternică, cu atât efectul este mai semnificativ. Un astronaut de pe suprafața unei stele se află într-un câmp gravitațional mai puternic decât colegii săi de pe orbită, așa că o secundă din ceasul său va dura mai mult decât o secundă pe ceasul navei. Pe măsură ce astronautul se deplasează cu suprafața spre centrul stelei, câmpul care acționează asupra lui devine din ce în ce mai puternic, astfel încât intervalele dintre semnalele sale primite la bordul navei se prelungesc constant. Această dilatare a timpului va fi foarte uşoară până la ora 10:59:59, astfel încât pentru astronauţii aflaţi pe orbită intervalul dintre semnalele transmise la 10:59:58 şi la 10:59:59 va fi foarte puţin mai mare de o secundă. Dar semnalul trimis la 11:00 nu va mai fi primit pe navă.

Orice se întâmplă pe suprafața stelei între 10:59:59 și 11:00 pe ceasul astronautului se va întinde pe o perioadă infinită de timp pe ceasul navei spațiale. Pe măsură ce se apropie ora 11:00, intervalele dintre sosirea pe orbită a crestelor și jgheaburilor succesive ale undelor luminoase emise de stea vor deveni din ce în ce mai lungi; la fel se va întâmpla cu intervalele de timp dintre semnalele astronautului. Deoarece frecvența radiației este determinată de numărul de creste (sau jgheaburi) care sosesc pe secundă, nava spațială va înregistra frecvențe din ce în ce mai mici ale radiației stelei. Lumina stelei va deveni din ce în ce mai roșie și în același timp se va estompa. În cele din urmă, steaua va deveni atât de slabă încât va deveni invizibilă pentru observatorii de pe navă spațială; tot ce va rămâne este o gaură neagră în spațiu. Cu toate acestea, efectul gravitației stelei asupra navei spațiale va rămâne și va continua să orbiteze.

Teoria relativității a fost introdusă de Albert Einstein la începutul secolului al XX-lea. Care este esența lui? Să luăm în considerare punctele principale și să descriem TOE într-un limbaj clar.

Teoria relativității a eliminat practic inconsecvențele și contradicțiile fizicii secolului XX, a forțat o schimbare radicală în ideea structurii spațiu-timpului și a fost confirmată experimental în numeroase experimente și studii.

Astfel, TOE a stat la baza tuturor teoriilor fizice fundamentale moderne. De fapt, aceasta este mama fizicii moderne!

Pentru început, este de remarcat faptul că există 2 teorii ale relativității:

• Teoria specială a relativității (STR) – ia în considerare procesele fizice în obiecte în mișcare uniformă.
• Relativitatea generală (GTR) - descrie obiectele care accelerează și explică originea unor fenomene precum gravitația și existența.

Este clar că STR a apărut mai devreme și este în esență parte a GTR. Să vorbim mai întâi despre ea.

STO în cuvinte simple

Teoria se bazează pe principiul relativității, conform căruia orice legi ale naturii sunt aceleași cu privire la corpurile care sunt staționare și se mișcă cu o viteză constantă. Și dintr-un gând atât de simplu aparent rezultă că viteza luminii (300.000 m/s în vid) este aceeași pentru toate corpurile.

De exemplu, imaginați-vă că vi s-a oferit o navă spațială din viitorul îndepărtat care poate zbura cu viteză mare. Un tun laser este instalat pe prova navei, capabil să tragă fotoni înainte.

Față de navă, astfel de particule zboară cu viteza luminii, dar în raport cu un observator staționar, s-ar părea că ar trebui să zboare mai repede, deoarece ambele viteze sunt însumate.

Cu toate acestea, în realitate acest lucru nu se întâmplă! Un observator din exterior vede fotoni care călătoresc cu 300.000 m/s, ca și cum viteza navei spațiale nu li s-ar fi adăugat.

Trebuie să rețineți: în raport cu orice corp, viteza luminii va fi o valoare constantă, indiferent cât de repede se mișcă.

De aici rezultă concluzii uimitoare, cum ar fi dilatarea timpului, contracția longitudinală și dependența greutății corporale de viteză. Citiți mai multe despre cele mai interesante consecințe ale Teoriei Speciale a Relativității în articolul de la linkul de mai jos.

Esența relativității generale (GR)

Pentru a înțelege mai bine, trebuie să combinăm din nou două fapte:

• Trăim în spațiu cu patru dimensiuni

Spațiul și timpul sunt manifestări ale aceleiași entități numite „continuumul spațiu-timp”. Acesta este spațiu-timp cu 4 dimensiuni cu axele de coordonate x, y, z și t.

Noi, oamenii, nu suntem capabili să percepem cele 4 dimensiuni în mod egal. În esență, vedem doar proiecții ale unui obiect real cu patru dimensiuni în spațiu și timp.

Interesant este că teoria relativității nu afirmă că corpurile se schimbă atunci când se mișcă. Obiectele cu 4 dimensiuni rămân întotdeauna neschimbate, dar cu mișcare relativă proiecțiile lor se pot schimba. Și percepem acest lucru ca fiind încetinirea timpului, reducerea dimensiunii etc.

• Toate corpurile cad cu o viteză constantă și nu accelerează

Să facem un experiment de gândire înfricoșător. Imaginează-ți că mergi într-un lift închis și te afli într-o stare de imponderabilitate.

Această situație ar putea apărea doar din două motive: fie vă aflați în spațiu, fie cădeți liber împreună cu cabina sub influența gravitației pământului.

Fără a privi afară din cabină, este absolut imposibil să distingem aceste două cazuri. Doar că într-un caz zbori uniform, iar în celălalt cu accelerație. Va trebui să ghiciți!

Poate că Albert Einstein însuși se gândea la un lift imaginar și a avut un gând uimitor: dacă aceste două cazuri nu pot fi distinse, atunci căderea din cauza gravitației este, de asemenea, o mișcare uniformă. Mișcarea este pur și simplu uniformă în spațiu-timp cu patru dimensiuni, dar în prezența corpurilor masive (de exemplu) este curbată și mișcare uniformă este proiectat în spațiul nostru tridimensional obișnuit sub forma unei mișcări accelerate.

Să ne uităm la un alt exemplu mai simplu, deși nu în întregime corect, al curburii spațiului bidimensional.

Vă puteți imagina că orice corp masiv creează un fel de pâlnie în formă de sub el. Apoi alte corpuri care zboară pe lângă acestea nu își vor putea continua mișcarea în linie dreaptă și își vor schimba traiectoria în funcție de curbele spațiului curbat.

Apropo, dacă corpul nu are multă energie, atunci mișcarea sa se poate dovedi a fi închisă.

Este de remarcat faptul că din punctul de vedere al corpurilor în mișcare, acestea continuă să se miște în linie dreaptă, deoarece nu simt nimic care să le facă să se întoarcă. Au ajuns doar într-un spațiu curbat și, fără să-și dea seama, au o traiectorie neliniară.

Trebuie remarcat faptul că 4 dimensiuni sunt îndoite, inclusiv timpul, așa că această analogie trebuie tratată cu prudență.

Astfel, în teoria generală a relativității, gravitația nu este deloc o forță, ci doar o consecință a curburii spațiu-timpului. Pe acest moment această teorie este o versiune de lucru a originii gravitației și este în excelent acord cu experimentele.

Consecințele surprinzătoare ale relativității generale

Razele de lumină pot fi îndoite atunci când zboară lângă corpuri masive. Într-adevăr, în spațiu s-au găsit obiecte îndepărtate care „se ascund” în spatele altora, dar razele de lumină se îndoaie în jurul lor, datorită cărora lumina ajunge la noi.

Conform relativității generale, cu cât gravitația este mai puternică, cu atât timpul trece mai lent. Acest fapt trebuie luat în considerare atunci când se operează GPS și GLONASS, deoarece sateliții lor sunt echipați cu ceasuri atomice cele mai precise, care bifează puțin mai repede decât pe Pământ. Dacă acest fapt nu este luat în considerare, atunci în decurs de o zi eroarea de coordonate va fi de 10 km.

Datorită lui Albert Einstein, puteți înțelege unde se află o bibliotecă sau un magazin în apropiere.

Și, în sfârșit, relativitatea generală prezice existența găurilor negre în jurul cărora gravitația este atât de puternică încât timpul pur și simplu se oprește în apropiere. Prin urmare, lumina care cade într-o gaură neagră nu o poate părăsi (reflecta).

În centrul unei găuri negre, datorită compresiei gravitaționale colosale, se formează un obiect cu o densitate infinit de mare, iar acesta, se pare, nu poate exista.

Astfel, relativitatea generală poate duce la concluzii foarte contradictorii, spre deosebire de , motiv pentru care majoritatea fizicienilor nu au acceptat-o ​​complet și au continuat să caute o alternativă.

Dar ea reușește să prezică multe lucruri cu succes, de exemplu, o recentă descoperire senzațională a confirmat teoria relativității și ne-a făcut să ne amintim încă o dată de marele om de știință cu limba atârnată. Dacă îți place știința, citește WikiScience.

Acesta a explicat modelul de mișcare a două obiecte unul față de celălalt în același sistem de coordonate, supuse vitezei constante și omogenității mediului extern.

Justificarea fundamentală a SRT sa bazat pe două componente:

1. Date analitice obținute empiric. La observarea corpurilor în mișcare într-o paralelă structurală, au fost determinate natura mișcării lor, diferențele semnificative și caracteristicile;
2. Determinarea parametrilor de viteza. Singura cantitate neschimbabilă a fost luată ca bază - „viteza luminii”, care este egală cu 3*10^8 m/s.

Calea către formarea Teoriei Relativității

Apariția teoriei relativității a devenit posibilă datorită lucrări științifice Albert Einstein, care a fost capabil să explice și să demonstreze diferența de percepție a spațiului și a timpului în funcție de poziția observatorului și de viteza de mișcare a obiectelor. Cum sa întâmplat asta?

La mijlocul secolului al XVIII-lea, o structură misterioasă numită eter a devenit baza cheie pentru cercetare. Conform datelor preliminare și concluziilor grupului științific, această substanță este capabilă să pătrundă prin orice straturi fără a le afecta viteza. De asemenea, s-a sugerat că schimbările în percepția externă a vitezei schimbă viteza luminii în sine ( stiinta moderna constanța acestuia a fost dovedită).

Albert Einstein, după ce a studiat aceste date, a respins complet învățăturile eterului și a îndrăznit să sugereze că viteza luminii este o mărime determinantă care nu depinde de factori externi. Potrivit acestuia, se schimbă doar percepția vizuală, dar nu și esența proceselor care au loc. Mai târziu, pentru a-și demonstra convingerile, Einstein a efectuat un experiment diferențiat care a dovedit validitatea acestei abordări.

Principala caracteristică a studiului a fost introducerea factorilor umani. Mai multe persoane au fost rugate să treacă din punctul A în punctul B în paralel, dar cu la viteze diferite. Ajunși la punctul de plecare, acești oameni au fost rugați să descrie ceea ce au văzut în jurul lor și impresiile lor despre proces. Fiecare persoană din grupul selectat a făcut propriile concluzii și rezultatele nu au coincis. După același experiment a fost repetat, dar oamenii s-au mutat cu aceeasi vitezași într-o direcție, opiniile participanților la experiment au devenit similare. Astfel, rezultatul final a fost rezumat și Teoria lui Einstein a fost complet confirmată.

A doua etapă de dezvoltare a SRT – doctrina continuumului spațiu-timp

Baza doctrinei continuumului spațiu-timp a fost firul de legătură dintre direcția de mișcare a unui obiect, viteza și masa acestuia. Acest „indiciu” pentru cercetări ulterioare a fost oferit de primul experiment demonstrativ de succes, realizat cu participarea observatorilor din afară.

Universul material există în trei faze de măsurare direcțională: stânga-dreapta, sus-jos, înainte-înapoi. Dacă le adăugăm un indicator constant al măsurării timpului („viteza luminii”) menționată anterior, obținem o definiție a continuumului spațiu-timp.

Ce rol joacă fracția de masă a obiectului măsurat în acest proces? Toți școlarii și elevii sunt familiarizați cu formula fizică E=m*c², în care: E este energie, m este masa corporală, c este viteza. Conform legii de aplicare a acestei formule, masa unui corp crește semnificativ datorită creșterii vitezei luminii. De aici rezultă că cu cât viteza este mai mare, cu atât masa obiectului original va fi mai mare în orice direcție de mișcare. Iar continuumul spațiu-timp dictează doar ordinea creșterii și expansiunii, volumul spațiului (când vorbim despre particulele elementare pe care sunt construite toate corpurile fizice).

Dovadă a acestei abordări au fost prototipurile cu care oamenii de știință au încercat să atingă viteza luminii. Ei erau clar convinși că odată cu creșterea artificială a greutății corporale, atingerea accelerației dorite devine din ce în ce mai dificilă. Acest lucru a necesitat o sursă constantă, inepuizabilă de energie, care pur și simplu nu există în natură. După ce a primit concluzia Teoria lui Albert Einstein a fost complet dovedită.

Studiul teoriei relativității necesită o înțelegere semnificativă a proceselor fizice și a fundamentelor analizei matematice, care au loc în liceu și în primii ani de școli profesionale tehnice, superioare. institutii de invatamant profil tehnic. Stăpânește elementele de bază fără introducere informatii completeși pur și simplu este imposibil să apreciezi importanța cercetării unui fizician strălucit.