Opća relativnost. Albert Einsteinova teorija relativnosti

28. 3. 2019.

Rečeno je o toj teoriji da je razumiju samo tri osobe na svijetu, a kada su matematičari pokušali izraziti u brojkama ono što iz toga slijedi, sam autor - Albert Einstein - našalio se da ga sada prestane razumjeti. opća teorija relativnosti Posebna i opća teorija relativnosti neodvojivi je dio nastave na kojoj se grade suvremeni znanstveni stavovi o strukturi svijeta.

"Godina čuda"

Godine 1905. vodeća znanstvena publikacija u Njemačkoj, Annalen der Physik (Annals of Physics), objavila je jedan za drugim četiri članka 26-godišnjeg Alberta Einsteina, koji je radio kao ekspert treće klase - sitni službenik - Federalni zavod za patentne izume u Bernu. Prethodno je surađivao s časopisom, ali objavljivanje toliko radova u jednoj godini bilo je izvanredan događaj. To je postalo još izraženije kada je vrijednost ideja sadržanih u svakoj od njih postala jasna. postulati teorije relativnosti

U prvom članku su izražene misli o kvantnoj prirodi svjetla, a razmatrani su procesi apsorpcije i emisije elektromagnetskog zračenja. Na temelju toga, prvo je objašnjen fotoelektrični efekt - emisija elektrona emitiranih od strane fotona svjetla tvari - te su predložene formule za izračunavanje količine energije koja se oslobađa u tom procesu. Za teorijski razvoj fotoelektričnog efekta, koji je započeo kvantnu mehaniku, a ne za postulate teorije relativnosti, Einstein će dobiti Nobelovu nagradu za fiziku 1922. godine.

Drugi je članak postavio temelje za primijenjena područja fizičke statistike na temelju istraživanja. Brownovo gibanje najmanje čestice suspendirane u tekućini. Einstein je predložio metode za pronalaženje obrazaca fluktuacija - slučajnih i slučajnih odstupanja fizičkih veličina od njihovih najvjerojatnijih vrijednosti.

I na kraju, članci “O elektrodinamici pokretnih tijela” i “Ovisi li inercija tijela o njegovom energetskom sadržaju?” Sadržavali su klice onoga što će biti označeno u povijesti fizike kao teorija relativnosti Alberta Einsteina, odnosno njegov prvi dio - SRT - posebna teorija. relativnosti.

Izvori i prethodnici

Na kraju 19. stoljeća mnogim se fizičarima činilo da je većina globalnih problema svemira riješena, da su osnovna otkrića napravljena, a čovječanstvo je samo moralo koristiti akumulirano znanje kako bi snažno ubrzalo tehnološki napredak. Samo su neke teorijske nedosljednosti pokvarile harmoničnu sliku Svemira, ispunjenu etrom i živeći prema nepokolebljivim Newtonovim zakonima.

Harmony je pokvario teorijska istraživanja Maxwella. Njegove jednadžbe, koje opisuju interakciju elektromagnetskih polja, u suprotnosti su s općeprihvaćenim zakonima klasične mehanike. Radi se o mjerenju. brzinu svjetlosti u dinamičkim referentnim sustavima, kada Galileov princip relativnosti prestane raditi, matematički model interakcije takvih sustava pri kretanju brzinom svjetlosti doveo je do nestanka elektromagnetski valovi.

Osim toga, nije reagirala na otkriće etera, koji je trebao pomiriti istodobno postojanje čestica i valova, makro i mikrokozmos. Pokus koji su 1887. proveli Albert Michelson i Edward Morley bio je usmjeren na otkrivanje "eterskog vjetra", koji je neizbježno morao biti fiksiran jedinstvenim instrumentom - interferometrom. Eksperiment je trajao cijelu godinu - vrijeme potpune revolucije Zemlje oko Sunca. Planet je morao pola godine kretati se protiv eterske struje, eter je morao pola godine "puhati u jedra" Zemlje, ali rezultat je bio nula: svjetlosni valovi nisu se mijenjali pod utjecajem etera, što je izazivalo samo postojanje etera.

Lorenz i Poincare

Fizičari su pokušali pronaći objašnjenje za rezultate eksperimenata na detekciji etera. Hendrick Lorenz (1853-1928) predložio je svoj matematički model. Vratila je u život eterično punjenje prostora, ali samo pod vrlo uvjetnom i umjetnom pretpostavkom da se objekti, dok se kreću kroz eter, mogu smanjiti u smjeru kretanja. Ovaj je model preinačio veliki Henri Poincaré (1854-1912).

U djelima ova dva znanstvenika po prvi put su se pojavili koncepti, koji su u velikoj mjeri predstavljali temeljna načela teorije relativnosti, a to ne dopušta da se Einsteinove optužbe o plagijatu smanji. To uključuje konvencionalnost pojma istovremenosti, hipotezu o postojanosti brzine svjetlosti. Poincaré je priznao da pri velikim brzinama, zakoni Newtonove mehanike zahtijevaju obradu, zaključio je da je gibanje relativno, ali primijenjeno na teoriju etera.

Posebna teorija relativnosti - SRT

Problemi ispravnog opisivanja elektromagnetskih procesa postali su motivacijski razlog za odabir teme za teorijski razvoj, a Einsteinovi članci objavljeni 1905. sadržavali su tumačenje određenog slučaja - jednoliko i pravocrtno. Do 1915. godine formirana je opća teorija relativnosti, koja je također objasnila interakcije gravitacijskih interakcija, ali prva je bila teorija zvan posebna.

Posebna teorija relativnosti Einstein se može sažeti kao dva osnovna postulata. Prvi se širi Galilejsko načelo relativnosti na sve fizičke pojave, a ne samo na mehaničke procese. U općenitijem obliku, glasi: Svi fizikalni zakoni su isti za sve inercijalne (gibajuće se ravnomjerno, pravocrtno ili u mirovanju) referentne sustave.

Druga tvrdnja, koja sadrži posebnu teoriju relativnosti: brzina svjetlosti u vakuumu za sve inercijalne referentne sustave je ista. Zatim se donosi više globalni zaključak: brzina svjetlosti je najveća moguća brzina prijenosa interakcija u prirodi.

formula teorije relativnosti U matematičkim izračunima SRT dobiva formulu E = mc², koja se ranije pojavljivala u fizičkim publikacijama, ali je zahvaljujući Einsteinu postala najpoznatija i najpopularnija u povijesti znanosti. Zaključak o ekvivalentnosti mase i energije je najrevolucionarnija formula teorije relativnosti. Koncept da svaki objekt s masom sadrži veliku količinu energije postao je temelj za razvoj uporabe nuklearne energije i, prije svega, doveo do pojave atomske bombe.

Učinci posebne teorije relativnosti

SRT podrazumijeva nekoliko posljedica, koje se nazivaju efekti relativnosti (relativnosti ili relativnosti). Vremenska dilatacija je jedna od najsjajnijih. Njezina je suština da u pokretnom okviru referentnog vremena ide sporije. Izračuni pokazuju da na svemirskoj letjelici koja je napravila hipotetički let do zvijezda Alpha Centauri i natrag brzinom od 0,95 s (c je brzina svjetlosti), to će trajati 7,3 godine, a na Zemlji će biti 12 godina. Takvi se primjeri često navode kada se objasni teorija relativnosti za čajnike, kao i paradoks blizanaca povezan s tim učinkom.

Drugi učinak je smanjenje linearnih dimenzija - to jest, sa stajališta promatrača, objekti koji se kreću u odnosu na njega pri brzini blizu c, imat će manje linearne dimenzije u smjeru kretanja od njihove vlastite duljine. Ovaj učinak predviđen relativističkom fizikom naziva se Lorentzova kontrakcija.

teorija relativnosti za čajnike Prema zakonima relativističke kinematike, masa pokretnog objekta veća je od mase ostatka. Ovaj učinak postaje posebno značajan u razvoju instrumenata za proučavanje elementarnih čestica - bez obzira na to, teško je zamisliti rad LHC-a (Large andron Collider).

Prostorno vrijeme

Jedna od najvažnijih komponenti posebne relativnosti je grafički prikaz relativističke kinematike, poseban koncept jedinstvenog prostora-vremena, koji je predložio njemački matematičar Hermann Minkowski, koji je nekoć bio učitelj matematike od učenika Alberta Einsteina.

Suština Minkovskog modela je potpuno novi pristup određivanju položaja objekata koji ulaze u interakciju. Posebna teorija relativnosti posvećuje posebnu pozornost. Vrijeme postaje ne samo četvrta koordinata klasičnog trodimenzionalnog koordinatnog sustava, vrijeme nije apsolutna vrijednost, već nerazdvojiva karakteristika prostora, koja poprima oblik prostorno-vremenskog kontinuuma, grafički izraženog kao stožac, u kojem se događaju sve interakcije.

Takav prostor u teoriji relativnosti, s njegovim razvojem do generalizirajućeg karaktera, kasnije je također bio podvrgnut zakrivljenosti, što je učinilo takav model prikladnim za opis i gravitacijske interakcije.

Daljnji razvoj teorije

SRT nije odmah pronašao razumijevanje među fizičarima, ali je postupno postao glavni instrument za opisivanje svijeta, osobito svijeta elementarnih čestica, koji je postao glavni predmet proučavanja fizikalne znanosti. Ali zadatak nadopunjavanja STR-a objašnjenjem snaga moći bio je vrlo hitan, a Einstein nije prestao raditi, usavršavajući načela opće teorije relativnosti - BRT. Matematička obrada ovih principa trajala je dosta dugo - oko 11 godina, au njoj su sudjelovali stručnjaci iz srodnih znanosti.

Velik doprinos dali je tadašnji vodeći matematičar David Hilbert (1862-1943), koji je postao jedan od koautora jednadžbi gravitacijskog polja. Oni su bili posljednji kamen u izgradnji lijepe zgrade, koja je dobila ime - opća teorija relativnosti, ili GR.

Opća relativnost - GR

Moderna teorija gravitacijskog polja, teorija prostorno-vremenske strukture, geometrija prostora-vremena, zakon fizičkih interakcija u ne-inercijskim sustavima izvještavanja različita su imena koja su dana Albert Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti.

Teorija svijeta rasprostranjena, koja je dugo vremena određivala poglede fizičke znanosti o gravitaciji, na interakciju objekata i polja različitih veličina. Paradoksalno, njegov je glavni nedostatak nematerijalnost, iluzornost, matematika njezine biti. Između zvijezda i planeta postojala je praznina, privlačnost između nebeskih tijela objašnjena je dalekometnim djelovanjem nekih sila i trenutnim. Opća teorija relativnosti Alberta Einsteina ispunila je gravitaciju fizičkim sadržajem, predstavila ga kao izravan kontakt različitih materijalnih objekata.

Geometrija gravitacije

Glavna ideja, uz pomoć koje je Einstein objasnio gravitacijske interakcije je vrlo jednostavna. Fizički izraz sila koje on izražava prostor-vrijeme, obdarena prilično opipljivim znakovima - metričkim i deformacijama, na koje utječe masa objekta, oko kojega se takva zakrivljenost. U jednom trenutku, Einstein je čak pripisan pozivima da se vrati teoriji univerzuma pojam etera kao elastičnog materijalnog medija koji ispunjava prostor. On je objasnio da je teško za njega nazvati tvar s mnoštvom kvaliteta koja se može opisati kao vakuum. Einsteinova teorija relativnosti je kratka

Dakle, gravitacija je manifestacija geometrijskih svojstava četverodimenzionalnog prostora-vremena, koja je u SRT označena kao neokrivljena, ali u općenitijim slučajevima obdaren je zakrivljenjem koje određuje kretanje materijalnih objekata, kojima je dano isto ubrzanje u skladu s Einsteinovim načelom ekvivalencije.

Ovo temeljno načelo teorije relativnosti objašnjava mnoga "uska grla" Newtonove teorije svjetske širine: zakrivljenost svjetlosti koja se promatra kada prolazi oko masivnih svemirskih objekata s nekim astronomskim fenomenima i, kako su je primijetili pradjedovi, isto ubrzanje pada tijela bez obzira na njihovu masu.

Modeliranje zakrivljenosti prostora

Uobičajeni primjer, koji objašnjava opću teoriju relativnosti za čajnike, je prikaz prostorno-vremenskog u obliku trampolina - elastične tanke membrane, na kojoj se nalaze objekti (najčešće lopte) koji simuliraju interakcijske objekte. Teške kugle savijaju membranu, stvarajući lijevak oko sebe. Manja kugla, lansirana na površinu, kreće se u punom skladu sa zakonima gravitacije, postupno se uvlačeći u žljebove formirane od masivnijih objekata.

Ali takav primjer je prilično proizvoljan. Stvarni prostor-vrijeme je višedimenzionalno, njegova zakrivljenost također ne izgleda tako elementarno, ali načelo formiranja gravitacijske interakcije i suština teorije relativnosti postaju jasne. U svakom slučaju, hipoteza, koja bi više grafički i koherentno objasnila teoriju gravitacije, još ne postoji.

Dokazi istine

GTR se brzo počeo shvaćati kao snažan temelj na kojem se može graditi moderna fizika. Teorija relativnosti od samog je početka bila upečatljiva u svojoj harmoniji i harmoniji, a ne samo stručnjacima, a ubrzo nakon pojavljivanja potvrđena je i opažanjima.

Najbliža točka Suncu - perihel - orbite Merkura postupno se pomiče u odnosu na orbite drugih planeta Sunčevog sustava, koji je otkriven sredinom 19. stoljeća. Takvo kretanje - precesija - nije našlo razumno objašnjenje u okviru Newtonove teorije svjetske širine, nego je precizno izračunato na temelju opće teorije relativnosti.

Pomrčina Sunca, koja se dogodila 1919., pružila je priliku za još jedan dokaz o GR-u. Arthur Eddington, koji se u šali nazvao drugim čovjekom od trojice, koji je razumio osnove teorije relativnosti, potvrdio je odstupanja koja je Einstein predvidio za vrijeme prolaska svjetlosnih fotona u blizini zvijezde: u vrijeme pomračenja, vidljivi je položaj nekih zvijezda.

Einstein je sam predložio eksperiment za otkrivanje usporenja sata ili gravitacijskog crvenog pomaka, među ostalim dokazima GR. Tek nakon mnogo godina uspio je pripremiti potrebnu eksperimentalnu opremu i provesti to iskustvo. Gravitacijski pomak frekvencija zračenja iz emitera i prijemnika, razdvojen visinom, bio je unutar granica koje je predvidio GR, dok su fizičari s Harvarda Robert Pound i Glen Rebka, koji su vodili ovaj eksperiment, kasnije samo povećali točnost mjerenja, a formula teorije relativnosti ponovno se pokazala ispravnom.

U dokazivanju najznačajnijih projekata istraživanja svemira, nužna je Einsteinova teorija relativnosti. Ukratko, može se reći da je postao inženjerski alat za stručnjake, posebno one koji su uključeni u satelitske navigacijske sustave - GPS, GLONASS, itd. Nemoguće je izračunati koordinate objekta s potrebnom točnošću, čak iu relativno malom prostoru, bez uzimanja u obzir usporavanja signala koje predviđa GTR. Pogotovo kada su u pitanju objekti odvojeni prostorom, gdje pogreška u navigaciji može biti velika.

Stvoritelj teorije relativnosti

Albert Einstein još je bio mladić kad je objavio osnove teorije relativnosti. Nakon toga, sam je postao jasan u svojim nedostacima i nedosljednostima. Konkretno, najvažniji problem opće relativnosti bio je nemogućnost njegovog rasta u kvantnu mehaniku, budući da se principi koji se radikalno razlikuju jedan od drugog koriste za opisivanje gravitacijskih interakcija. U kvantnoj mehanici razmatra se interakcija objekata u jednom prostoru-vremenu, dok za Einstein taj prostor sam formira gravitaciju. osnove teorije relativnosti

Pišući "formulu svih stvari" - jedinstvenu teoriju polja koja bi eliminirala kontradikcije GR i kvantne fizike, bio je Einsteinov cilj već dugi niz godina, on je radio na toj teoriji do posljednjeg sata, ali nije uspio. Problemi opće relativnosti postali su poticaj mnogim teoretičarima u potrazi za naprednijim modelima svijeta. Tako su se pojavile teorije struna, kvantna gravitacija petlje i mnogi drugi.

Osobnost autora UTO-a ostavila je trag u povijesti usporediv s vrijednošću za znanost same teorije relativnosti. Do sada nikoga ne ostavlja ravnodušnim. Einstein se pitao zašto se njemu i njegovom radu posvećuje toliko pažnje ljudi koji nemaju nikakve veze s fizikom. Zahvaljujući osobnim svojstvima, poznatoj duhovitosti, aktivnoj političkoj poziciji i čak izražajnom izgledu, Einstein je postao najpoznatiji fizičar na Zemlji, junak mnogih knjiga, filmova i računalnih igara. suština teorije relativnosti

Mnogi su dramatično opisali kraj njegova života: bio je usamljen, smatrao se odgovornim za pojavu najstrašnijeg oružja koje je postalo prijetnja svim živim bićima na planeti, njegova ujedinjena teorija polja ostala je nerealni san, ali najbolji rezultat može se smatrati riječima Einsteina. da je dovršio svoj zadatak na Zemlji. Teško je raspravljati s tim.