Содержание
основные формулы, доказательства и расчеты
В этой статье речь пойдет о самой знаменитой формуле в мире и о теории, которая лежит во главе современной физической науки. Попробуем рассказать просто о сложном, объясним, что означают основные термины и формулы.
Формула Эйнштейна — краткое описание
Началось все с закона сохранения энергии, который постулирует, что энергия существует всегда и везде, количество ее постоянно, меняется только форма, в которой она проявляется. Закон сохранения массы — это частный случай закона сохранения энергии, согласно которому масса может превращаться в энергию, а энергии соответствует определенная масса.
Каким же образом возможно превращение материи в энергию? Все просто. Что такое излучение? Верно, это энергия. А с другой стороны, излучение — это частицы (материя), которые движутся с огромной скоростью, скоростью света. Таким образом, частица, движущаяся со скоростью света, есть энергия. Частица, находящаяся в состоянии покоя или перемещающаяся медленно — это материя.
Знаменитая формула Эйнштейна как раз описывает преобразование материи в энергию и показывает зависимость материи и энергии от скорости света.
История открытия
Источник: infourok.ru
В 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности. Данная теория описывает движение при скоростях, меньших и близких к скорости света в вакууме.
Основное отличие теории Эйнштейна от классических представлений механики заключается в зависимости пространства и времени от скорости.
В специальной теории относительности Эйнштейном рассматриваются следующие понятия:
- Система отсчета. Это система координат, в которой происходит измерение времени. Ее цель — определить начало, относительно которого будет определено положение искомого объекта.
- Инерциальная система отсчета — такая система отсчета, относительно которой объект движется равномерно и по прямой.
- Событие — это любой физический процесс, который может быть охарактеризован координатами: x, y, z и временем t.
Специальная теория относительности позволяет преобразовать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерциальной системе к другой. Другими словами, она описывает геометрию четырехмерного пространства (куда, помимо привычного нам трехмерного измерения, добавлено время) и основывается на неискривленном или плоском пространстве.
Позже положения специальной теории относительности были применены Эйнштейном к теории гравитации и получили название общей теории относительности.
Предпосылками создания теории относительности послужили 2 причины:
- Развитие электродинамики, в которой эксперименты Максвелла в области электричества и магнетизма вступили в явное противоречие с классической механикой. В исследованиях Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равняется скорости света, не зависит ни от наблюдателя, ни от скорости движения источника.
- Формированию специальной теории относительности способствовали разработки многих ученых конца XIX – начала XX веков (Лоренц, Пуанкаре, Майкельсон и др. ).
Сам Эйнштейн объяснял свое открытие двумя примерами, которые заставили его задуматься об устройстве пространства-времени и навели на верные мысли:
- Ученый обратил внимание, что два автомобиля, движущиеся в одном направлении с одинаковой скоростью, остаются неподвижными по отношению друг к другу, при этом перемещаясь относительно других объектов и планеты в целом.
- Он увидел как луч света ведет себя в опускающемся лифте: доходит до дальней стенки и по мере снижения кабины, пересекает ее и начинает изгибаться вверх. Альберт Эйнштейн предположил, что луч на самом деле никак не изгибается, а так кажется наблюдателю, потому что время и пространство в лифте искажено силой, которая тянет лифт вниз.
По другой версии, прозрение пришло к физику одномоментно. Ученый ехал в трамвае и случайно посмотрел на уличные часы. И его внезапно осенила мысль, что если бы трамвай смог разогнаться до скорости света, то в его восприятии уличные часы остановились, и время перестало бы для него существовать. Осознание этого привело его к формулировке одного из постулатов теории: каждый конкретный наблюдатель по-разному воспринимает действительность, включая такие понятия, как расстояние и время.
Влияние формулы
Уравнение Эйнштейна — это основа современной физики. Значение открытия немецкого физика признано величайшим прорывом в физической науке. На основных положениях теории относительности (материя обладает энергией, массу можно преобразовать в энергию) позволили ученым в XX веке совершить следующие открытия:
- Объяснить возникновение Вселенной, обнаружив фундаментальные частицы, которые составляют ее основу.
- Сделать прорыв в изучении ядерной энергии и изобрести ядерное оружие.
- Открыть теорию гравитации, которая описывает взаимодействие всех объектов во Вселенной.
Как Эйнштейн вывел формулу E=mc²
В 1905 году после публикации статьи «К электродинамике движущихся тел», в которой были сформулированы положения специальной теории относительности, Эйнштейн написал статью «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», в которой вывел уравнение E = mc2, опираясь на эффект Доплера.
Эффект Доплера формулируется так:
Длина волны излучения, воспринимаемая наблюдателем, меняется вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя.
Источник: 5klass.net
Три составляющие формулы
Несколько сотен лет ученые считали, что масса вещества остается постоянной, независимо от воздействия внешних факторов и реакции с другими веществами. Теория Эйнштейна и главное ее уравнение опровергают это утверждение.
Формула, которая изменила мир: \(E=mc²\) — содержит 3 составляющих:
- \(E\) — полная энергия физической системы, тела или объекта.
- \(m\) — масса (количество составляющего тело вещества), которая связана с энергией по коэффициенту пересчета.
- \(c²\) — скорость света (в вакууме) в квадрате или постоянный коэффициент, который уравнивает массу и энергию. Скорость света = 299 792 458 м/с.
Из уравнения Эйнштейна следует, что масса и энергия — это разные проявления одного и того же. И зная массу тела, можно рассчитать, чему будет равняться энергия этого тела.
Источник: ppt-online.org
Важнейшие выводы из уравнения
Из уравнения Эйнштейна следуют 3 важнейших следствия:
- Массы в покое имеют присущую им энергию. Это важный вывод для понимания того, как устроена Вселенная. Согласно ему, гравитация, которая существует между любыми двумя массами во Вселенной, работает на основе энергии, эквивалентной массе через формулу Эйнштейна.
- Масса может быть преобразована в чистую энергию. Уравнение помогает точно рассчитать, сколько энергии будет получено в процессе преобразования массы. Примером может служить процесс ядерной реакции: в ходе реакции получается, что начальная масса больше конечной. Разницей в количестве масс как раз является высвобожденная энергия. Количество уменьшающейся массы в данном примере становится энергией, которая рассчитывается по формуле E\;=\;mc².
- Энергию можно использовать для того чтобы сделать массу из ничего. Именно этим занимаются ученые, которые в Большом адронном коллайдере в CERN ищут новые, высокоэнергетические частицы, создавая их из чистой энергии. Получаемая масса частиц исходит из имеющейся энергии, рассчитываемой по формуле Эйнштейна.
Общая теория относительности
Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности в 1905 году. Согласно этой теории, законы природы являются одинаковыми для всех систем отсчета, которые движутся с постоянной скоростью. Общая теория относительности была сформулирована ученым в 1915-1916 гг. Согласно ее положениям, принцип относительности распространяется на любые системы отсчета, независимо от того, движутся они равномерно или с ускорением.
До возникновения общей теории относительности в научном мире считали, что гравитация возникает между объектами, которые обладают массой. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, Вселенная состоит из трех пространственных измерений и одного временного, т.е. является четырехмерной. Объекты, обладающие массой, производят искривление в четырехмерном пространстве-времени. А гравитация является следствием этого искривления под воздействием массы. Причем, чем тяжелее тело, тем сильнее пространство-время искривляется под ним и тем сильнее будет его гравитационное поле.
Если следовать положениям общей теории относительности, получается, что сравнительно маленький “шарик” Земля движется вокруг Солнца по конусу воронки, образованной в результате искривления пространства-времени самим тяжелым Солнцем. Сегодня в мире нет лучшего объяснения гравитации, чем то, которое в начале века предложил гениальный физик. Доказательство верности его теории на протяжении последних лет подтверждалось открытиями современных астрофизиков.
Источник: medium.com
Примеры решения уравнения Эйнштейна
Источник: infourok. ru
Источник: infourok.ru
Теория относительности Эйнштейна — одна из самых сложных тем в физике. Простой, на первый взгляд, выглядит только формула. Чтобы разобраться в теме досконально, понадобится много времени и помощь людей, которые детально разбираются в этом вопросе. Помните, на образовательном ресурсе Феникс.Хелп помощь готовы оказать только квалифицированные эксперты.
Почему теория относительности Эйнштейна не получила Нобеля
Как у многих озарений человечества у этой формулы удивительная судьба. Она появилась на свет 110 лет назад, трудно выходила в люди, но постепенно завоевала мир. Она не только открыла новую физику, она изменила жизнь обычных людей. Сейчас трудно даже представить, что Нобелевский комитет десять лет упорно отвергал кандидатуру Эйнштейна, хотя ее выдвигали такие крупные ученые, как Лоренц, Планк, Бор, Камерлинг-Оннесс. И все же члены комитета не решались присудить премию. Их главный аргумент? Теория относительности не подтверждена экспериментально. В конце концов был найден дипломатический выход: в 1921 году Эйнштейн получил премию за другую свою теорию — фотоэффекта. А теория относительности так и осталась без наград.
Что же открыл Эйнштейн? Почему всего три буквы его формулы изменили мир? Говоря попросту, он показал место, где спрятана гигантская энергия. Куда до него никто не заглядывал, хотя оно было у всех под носом. Это масса! Всегда считалось, что масса и энергия никак не связаны между собой. По сути, это два разных мира. Между ними в физике существовал непреодолимый барьер.
Эйнштейн нашел туннель между ними. Самое поразительное, что он не сделал ни одного эксперимента, ничего не измерял, ничего не взвешивал. Он размышлял о природе и скорости света. Что она равна 300 000 км/сек. было установлено еще в XVII веке датчанином Оле Ремером. Он изучал движение Юпитера и его спутника Ио. Эйнштейн совершил следующий шаг, который можно назвать озарением. Он понял, что ничто во Вселенной не может двигаться быстрей скорости света. Это не просто цифра, а физический предел. Такой же как, например, абсолютный ноль при температуре минус 273,15 градуса Цельсия.
Именно этот предел скорости света и позволил Эйнштейну прорыть туннель, через который масса и энергия переходят друг в друга. Он доказал, что энергия законсервирована в массе. И при определенных условиях эта «банка» вскрывается и преобразованная через коэффициент с2 (в 900 000!!! раз) масса даже в один грамм превращается в гигантскую энергию. Поэтому, кстати, даже атомная бомба, начинка которой поместилась бы на ладони руки, может разрушить небольшой город.
Статья с этой формулой никому не известного скромного сотрудника патентного бюро в сентябре 1905 года была опубликована в журнале «Анналы физики». Она во многом была необычна. В ней всего 30 листов, а главное — ни одной ссылки на работы коллег. Подобное в научной среде не принято. Автор словно пришел из другого мира и не знает законов научного общежития. Статья прошла совершенно незаметно. Скорей всего тогда никто не понял, о чем там, собственно, идет речь. Но «научный камень» был брошен, и по воде пошли круги. Постепенно физики стали «просыпаться», заговорили о статье. Потянулись к неизвестному автору, чтобы познакомиться и прояснить суть формулы. Долгое время ее мало кто понимал.
Сегодня теория относительности — один из краеугольных камней науки. По формуле Е=mc2 живут Солнце и прочие звезды, выбрасывая гигантские потоки энергии, извлеченной из массы. Благодаря этой формуле возникли все химические элементы и планеты. Она объясняет появление «черных дыр», позволяет подсчитать, когда потухнет Солнце и закончится наш мир. Формула добралась и до каждого человека. Она работает в телевизоре, в позитронно-эмиссионном томографе, который диагностирует рак на ранних стадиях, в способах его лечения и т.д.
Сам Эйнштейн во многом остается загадкой, феноменом. Многое в его жизни кажется парадоксальным. В детстве не был вундеркиндом. Многие вообще сомневались в его полноценности, считали ленивым и замкнутым. В школе выглядел ни на что не способным, над ним постоянно смеялись. Он так и не получил аттестат об окончании гимназии. В Высшее техническое училище смог поступить только со второго раза. Учился спустя рукава, вышел с очень низкими оценками — 4.91 при среднем 6. Он постоянно слышал фразу «из вас ничего путного не выйдет». Ему выдали характеристику, с которой на приличную работу не устроиться. Так он попал в патентное бюро на самую низкооплачиваемую должность.
Считается, что ученый должен постоянно вариться в научном бульоне, общаться с коллегами, участвовать в «мозговых штурмах». Эйнштейн был одиночкой. Ему хватало общения с самим собой. А думал он ни много ни мало о Пространстве и Времени, читая научные журналы. Поражает время, за которое он совершил свое открытие. Восемь месяцев! А всего в том же 1905 году он опубликовал четыре статьи, каждая из которых стала фундаментальным вкладом в физику. Одна из них — та самая теория фотоэффекта, за которую он все же получил Нобелевскую премию.
Как Эйнштейн создал теорию относительности
Ему много раз задавали этот вопрос. Полушутя, полувсерьез он отвечал: «Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой Пространства и Времени. По его мнению, он уже думал об этом в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что Пространство и Время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями».
Специальная теория относительности Эйнштейна
(Изображение предоставлено: Getty Images)
Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 года — одна из самых важных статей, когда-либо опубликованных в области физики. Специальная теория относительности объясняет, как скорость влияет на массу, время и пространство. Теория включает в себя способ для скорости света определить взаимосвязь между энергией и материей — небольшие количества массы (m) могут быть взаимозаменяемы огромными количествами энергии (E), как определяется классическим уравнением E = mc^ 2.
Специальная теория относительности применима к «особым» случаям — она в основном используется при обсуждении огромных энергий, сверхвысоких скоростей и астрономических расстояний, и все это без сложностей гравитации . Эйнштейн официально добавил гравитацию к своим теориям в 1915 году, опубликовав свою статью по общей теории относительности .
Когда объект приближается к скорости света, масса объекта становится бесконечной, как и энергия, необходимая для его перемещения. Это означает, что ни одна материя не может двигаться быстрее, чем скорость света. Этот космический предел скорости вдохновляет новые области физики и научной фантастики, поскольку люди думают о путешествиях на огромные расстояния.
Какой была физика до теории относительности?
До Эйнштейна астрономы (по большей части) понимали Вселенную в терминах трех законов движения , представленных Исааком Ньютоном в 1686 году. Вот эти три закона:
- Объекты в движении или в покое остаются в одном и том же состоянии если внешняя сила не навязывает изменения. Это также известно как концепция инерции .
- Сила, действующая на объект, равна произведению массы объекта на его ускорение. Другими словами, вы можете вычислить, сколько сила необходима для перемещения объектов различной массы с разной скоростью.
- На каждое действие есть равное и противоположное противодействие .
Согласно Британской энциклопедии законы Ньютона оказались применимы почти во всех приложениях физики. Они легли в основу нашего понимания механики и гравитации.
Но некоторые вещи не могли быть объяснены работой Ньютона: Например, свет.
Чтобы впихнуть странное поведение света в ньютоновскую модель физики, ученые в 1800-х годах предположили, что свет должен проходить через некую среду, которую они назвали «светоносным эфиром». Этот гипотетический эфир должен был быть достаточно жестким, чтобы передавать световые волны, как гитарная струна, вибрирующая от звука, но при этом совершенно незаметным в движении планет и звезд.
Это была трудная задача. Исследователи приступили к попытке обнаружить этот загадочный эфир, надеясь лучше понять его. В 1887 году астрофизик Итан Сигал написал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang , физик Альберт А. Майкельсон и химик Эдвард Морли рассчитали, как движение Земли через эфир влияет на измерение скорости света, и неожиданно обнаружили, что скорость света одинакова независимо от того, как движется Земля.
Если скорость света не изменилась, несмотря на движение Земли в эфире, заключили они, то эфира не должно быть с самого начала: свет в космосе движется через вакуум.
Это означало, что его нельзя объяснить с помощью классической механики. Физике нужна была новая парадигма.
Как Эйнштейн придумал специальную теорию относительности?
По словам Эйнштейна, в своей книге 1949 года « Автобиографические заметки » (Open Court, 1999, Centennial Edition) подающий надежды физик начал сомневаться в поведении света, когда ему было всего 16 лет. В мысленном эксперименте подростка, писал он, он представил себе погоню за лучом света.
Классическая физика подразумевала бы, что по мере того, как воображаемый Эйнштейн ускорялся, чтобы поймать свет, световая волна в конечном итоге достигала относительной нулевой скорости — человек и свет двигались бы вместе со скоростью, и он мог бы видеть свет как застывшее электромагнитное поле . Но, как писал Эйнштейн, это противоречит работе другого ученого, Джеймса Клерка Максвелла, чьи уравнения требовали, чтобы электромагнитные волны всегда двигались в вакууме с одной и той же скоростью: 186 282 мили в секунду (300 000 километров в секунду).
Философ физики Джон Д. Нортон поставил под сомнение историю Эйнштейна в своей книге « Эйнштейн для всех » (Nullarbor Press, 2007), отчасти потому, что в 16 лет Эйнштейн еще не сталкивался с уравнениями Максвелла. Но поскольку он появился в мемуарах самого Эйнштейна, этот анекдот до сих пор широко известен.
Если бы человек теоретически мог поймать луч света и увидеть его застывшим относительно собственного движения, должна ли физика в целом меняться в зависимости от скорости человека и его точки обзора? Вместо этого, по словам Эйнштейна, он искал единую теорию, которая сделала бы законы физики одинаковыми для всех, везде и всегда.
Это, как писал физик, привело к его размышлениям о специальной теории относительности, которые он разбил на другой мысленный эксперимент: человек стоит рядом с железнодорожным полотном и сравнивает наблюдения грозы с человеком внутри поезда. . И поскольку это физика, конечно же, поезд движется почти со скоростью света.
Эйнштейн представил себе поезд в точке на пути, ровно между двумя деревьями. Если бы молния ударила в оба дерева одновременно, человек рядом с дорожкой увидел бы одновременные удары. Но поскольку они движутся к одной молнии и от другой, человек в поезде сначала увидит молнию впереди поезда, а потом молнию позади поезда.
Эйнштейн пришел к выводу, что одновременность не является абсолютной, или, другими словами, что одновременные события, как их видит один наблюдатель, могут происходить в разное время с точки зрения другого. Он понял, что меняется не скорость света, а само время относительно. Для движущихся объектов время течет иначе, чем для объектов, находящихся в покое. 2? 92, переводится как «энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате». Другими словами, пишет PBS Nova , энергия (E) и масса (m) взаимозаменяемы. На самом деле это просто разные формы одного и того же.
Но их нелегко обменять. Поскольку скорость света уже является огромным числом, и уравнение требует, чтобы оно было умножено само на себя (или возведено в квадрат), чтобы стать еще больше, небольшое количество массы содержит огромное количество энергии. Например, PBS Nova объяснила: «Если бы вы могли превратить каждый атом в скрепке в чистую энергию, не оставив никакой массы, скрепка произвела бы [энергию, эквивалентную] 18 килотоннам тротила. бомбы, разрушившей Хиросиму в 1945″.
Замедление времени
Одно из многих следствий специальной теории относительности Эйнштейна заключается в том, что время движется относительно наблюдателя. Объект в движении испытывает замедление времени, а это означает, что когда объект движется очень быстро, время движется медленнее.
Например, когда астронавт Скотт Келли провел почти год на борту Международной космической станции , начиная с 2015 года, он двигался намного быстрее, чем его брат-близнец, астронавт Марк Келли, который провел год на борту поверхности планеты Из-за замедления времени Марк Келли стареет чуть быстрее, чем Скотт — «на пять миллисекунд», по словам земного близнеца. Поскольку Скотт не двигался со скоростью света, фактическая разница в старении из-за замедления времени была незначительной. На самом деле, учитывая, сколько стресса и радиации испытал близнец на борту МКС, некоторые утверждают, что Скотт Келли увеличил скорость своего старения.
Но при скоростях, приближающихся к скорости света, эффекты замедления времени могут быть гораздо более очевидными. Представьте, что 15-летняя девушка покидает школу, путешествуя в 9 лет.9,5% скорости света в течение пяти лет (с точки зрения юного астронавта). Когда 15-летняя девушка вернется на Землю, она состарит те 5 лет, что провела в путешествиях. Однако ее одноклассникам было бы по 65 лет — на гораздо более медленно движущейся планете прошло бы 50 лет.
В настоящее время у нас нет технологии, позволяющей двигаться с такой скоростью. Но с точностью современных технологий замедление времени на самом деле влияет на человеческую инженерию.
Устройства GPS работают, вычисляя положение на основе связи по крайней мере с тремя спутниками на удаленных околоземных орбитах. Эти спутники должны отслеживать невероятно точное время, чтобы определить местоположение на планете, поэтому они работают на основе атомных часов. Но поскольку эти атомные часы находятся на борту спутников, которые постоянно летят в космосе со скоростью 8 700 миль в час (14 000 км/ч), специальная теория относительности означает, что они отсчитывают дополнительные 7 микросекунд, или 7 миллионных долей секунды, каждый день, согласно данным American Physical. Публикация общества Центр физики . Чтобы идти в ногу с земными часами, атомные часы на спутниках GPS должны каждый день вычитать 7 микросекунд.
Благодаря дополнительным эффектам общей теории относительности (расширение Эйнштейном специальной теории относительности, включающей гравитацию), часы ближе к центру большой гравитационной массы, такой как Земля, идут медленнее, чем те, что дальше. Этот эффект добавляет микросекунды к каждому дню на атомных часах GPS, поэтому в конце концов инженеры вычитают 7 микросекунд и добавляют еще 45. Часы GPS не переходят на следующий день, пока они не пройдут в общей сложности на 38 микросекунд дольше, чем сопоставимые часы на Земле.
Специальная теория относительности и квантовая механика
Специальная теория относительности и квантовая механика — две наиболее широко принятые модели того, как устроена наша Вселенная. Но специальная теория относительности в основном касается чрезвычайно больших расстояний, скоростей и объектов, объединяя их в «гладкую» модель Вселенной. События в специальной (и общей) теории относительности непрерывны и детерминированы, писал Кори Пауэлл для The Guardian , что означает, что каждое действие приводит к прямому, конкретному и локальному последствию. Это отличается от квантовой механики, продолжил Пауэлл: квантовая физика «кусочна», в ней события происходят скачками или «квантовыми скачками», которые имеют вероятностные, а не определенные результаты.
Исследователи, объединяющие специальную теорию относительности и квантовую механику — гладкую и массивную, очень большую и очень маленькую — придумали такие области, как релятивистская квантовая механика и, совсем недавно, квантовая теория поля, чтобы лучше понять субатомные частицы и их взаимодействия.
Исследователи, стремящиеся соединить квантовую механику и общую теорию относительности, напротив, считают это одной из величайших нерешенных проблем в физике. На протяжении десятилетий многие просматривали теория струн должна стать наиболее многообещающей областью исследований единой теории всей физики. Теперь существует множество дополнительных теорий. Например, одна группа предлагает петли пространства-времени , чтобы связать крошечный квантовый мир с широкой релятивистской вселенной.
Дополнительные ресурсы
- Ознакомьтесь с этим калькулятором замедления времени из Omni Calculator .
- Исследуйте мысленные эксперименты Эйнштейна в этом видео от PBS Nova .
- Вернитесь к источнику и прочитайте объяснение Эйнштейна в этом переведенном издании его книги Относительность: специальная и общая теория (открывается в новой вкладке) (Dover, 2001).
Эта статья была первоначально написана Элизабет Хауэлл и с тех пор была обновлена.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Вики Стейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г. ). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.
Специальная теория относительности Эйнштейна 92.
Специальная теория относительности применима к «особым» случаям — она в основном используется при обсуждении огромных энергий, сверхвысоких скоростей и астрономических расстояний, и все это без осложнений гравитации . Эйнштейн официально добавил гравитацию к своим теориям в 1915 году, опубликовав свою статью по общей теории относительности .
Когда объект приближается к скорости света, масса объекта становится бесконечной, как и энергия, необходимая для его перемещения. Это означает, что ни одна материя не может двигаться быстрее, чем скорость света. Этот космический предел скорости вдохновляет новые области физики и научной фантастики, поскольку люди думают о путешествиях на огромные расстояния.
Какой была физика до теории относительности?
До Эйнштейна астрономы (по большей части) понимали Вселенную в терминах трех законов движения , представленных Исааком Ньютоном в 1686 году. Вот эти три закона:
- Объекты в движении или в покое остаются в одном и том же состоянии если внешняя сила не навязывает изменения. Это также известно как концепция инерции .
- Сила, действующая на объект, равна произведению массы объекта на его ускорение. Другими словами, вы можете вычислить, сколько сила необходима для перемещения объектов различной массы с разной скоростью.
- На каждое действие есть равное и противоположное противодействие .
Согласно Британской энциклопедии законы Ньютона оказались применимы почти во всех приложениях физики. Они легли в основу нашего понимания механики и гравитации.
Но некоторые вещи не могли быть объяснены работой Ньютона: Например, свет.
Чтобы впихнуть странное поведение света в ньютоновскую модель физики, ученые в 1800-х годах предположили, что свет должен проходить через некую среду, которую они назвали «светоносным эфиром». Этот гипотетический эфир должен был быть достаточно жестким, чтобы передавать световые волны, как гитарная струна, вибрирующая от звука, но при этом совершенно незаметным в движении планет и звезд.
Это была трудная задача. Исследователи приступили к попытке обнаружить этот загадочный эфир, надеясь лучше понять его. В 1887 году астрофизик Итан Сигал написал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang , физик Альберт А. Майкельсон и химик Эдвард Морли рассчитали, как движение Земли через эфир влияет на измерение скорости света, и неожиданно обнаружили, что скорость света одинакова независимо от того, как движется Земля.
Если скорость света не изменилась, несмотря на движение Земли в эфире, заключили они, то эфира не должно быть с самого начала: свет в космосе движется через вакуум.
Это означало, что его нельзя объяснить с помощью классической механики. Физике нужна была новая парадигма.
Как Эйнштейн придумал специальную теорию относительности?
По словам Эйнштейна, в своей книге 1949 года « Автобиографические заметки » (Open Court, 1999, Centennial Edition) подающий надежды физик начал сомневаться в поведении света, когда ему было всего 16 лет. В мысленном эксперименте подростка, писал он, он представил себе погоню за лучом света.
Классическая физика подразумевала бы, что по мере того, как воображаемый Эйнштейн ускорялся, чтобы поймать свет, световая волна в конечном итоге достигала относительной нулевой скорости — человек и свет двигались бы вместе со скоростью, и он мог бы видеть свет как застывшее электромагнитное поле . Но, как писал Эйнштейн, это противоречит работе другого ученого, Джеймса Клерка Максвелла, чьи уравнения требовали, чтобы электромагнитные волны всегда двигались в вакууме с одной и той же скоростью: 186 282 мили в секунду (300 000 километров в секунду).
Философ физики Джон Д. Нортон поставил под сомнение историю Эйнштейна в своей книге « Эйнштейн для всех » (Nullarbor Press, 2007), отчасти потому, что в 16 лет Эйнштейн еще не сталкивался с уравнениями Максвелла. Но поскольку он появился в мемуарах самого Эйнштейна, этот анекдот до сих пор широко известен.
Если бы человек теоретически мог поймать луч света и увидеть его застывшим относительно собственного движения, должна ли физика в целом меняться в зависимости от скорости человека и его точки обзора? Вместо этого, по словам Эйнштейна, он искал единую теорию, которая сделала бы законы физики одинаковыми для всех, везде и всегда.
Это, как писал физик, привело к его размышлениям о специальной теории относительности, которые он разбил на другой мысленный эксперимент: человек стоит рядом с железнодорожным полотном и сравнивает наблюдения грозы с человеком внутри поезда. . И поскольку это физика, конечно же, поезд движется почти со скоростью света.
Эйнштейн представил себе поезд в точке на пути, ровно между двумя деревьями. Если бы молния ударила в оба дерева одновременно, человек рядом с дорожкой увидел бы одновременные удары. Но поскольку они движутся к одной молнии и от другой, человек в поезде сначала увидит молнию впереди поезда, а потом молнию позади поезда.
Эйнштейн пришел к выводу, что одновременность не является абсолютной, или, другими словами, что одновременные события, как их видит один наблюдатель, могут происходить в разное время с точки зрения другого. Он понял, что меняется не скорость света, а само время относительно. Для движущихся объектов время течет иначе, чем для объектов, находящихся в покое. 2? 92, переводится как «энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате». Другими словами, пишет PBS Nova , энергия (E) и масса (m) взаимозаменяемы. На самом деле это просто разные формы одного и того же.
Но их нелегко обменять. Поскольку скорость света уже является огромным числом, и уравнение требует, чтобы оно было умножено само на себя (или возведено в квадрат), чтобы стать еще больше, небольшое количество массы содержит огромное количество энергии. Например, PBS Nova объяснила: «Если бы вы могли превратить каждый атом в скрепке в чистую энергию, не оставив никакой массы, скрепка произвела бы [энергию, эквивалентную] 18 килотоннам тротила. бомбы, разрушившей Хиросиму в 1945″.
Замедление времени
Одно из многих следствий специальной теории относительности Эйнштейна заключается в том, что время движется относительно наблюдателя. Объект в движении испытывает замедление времени, а это означает, что когда объект движется очень быстро, время движется медленнее.
Например, когда астронавт Скотт Келли провел почти год на борту Международной космической станции , начиная с 2015 года, он двигался намного быстрее, чем его брат-близнец, астронавт Марк Келли, который провел год на борту поверхности планеты Из-за замедления времени Марк Келли стареет чуть быстрее, чем Скотт — «на пять миллисекунд», по словам земного близнеца. Поскольку Скотт не двигался со скоростью света, фактическая разница в старении из-за замедления времени была незначительной. На самом деле, учитывая, сколько стресса и радиации испытал близнец на борту МКС, некоторые утверждают, что Скотт Келли увеличил скорость своего старения.
Но при скоростях, приближающихся к скорости света, эффекты замедления времени могут быть гораздо более очевидными. Представьте, что 15-летняя девушка покидает школу, путешествуя в 9 лет.9,5% скорости света в течение пяти лет (с точки зрения юного астронавта). Когда 15-летняя девушка вернется на Землю, она состарит те 5 лет, что провела в путешествиях. Однако ее одноклассникам было бы по 65 лет — на гораздо более медленно движущейся планете прошло бы 50 лет.
В настоящее время у нас нет технологии, позволяющей двигаться с такой скоростью. Но с точностью современных технологий замедление времени на самом деле влияет на человеческую инженерию.
Устройства GPS работают, вычисляя положение на основе связи по крайней мере с тремя спутниками на удаленных околоземных орбитах. Эти спутники должны отслеживать невероятно точное время, чтобы определить местоположение на планете, поэтому они работают на основе атомных часов. Но поскольку эти атомные часы находятся на борту спутников, которые постоянно летят в космосе со скоростью 8 700 миль в час (14 000 км/ч), специальная теория относительности означает, что они отсчитывают дополнительные 7 микросекунд, или 7 миллионных долей секунды, каждый день, согласно данным American Physical. Публикация общества Центр физики . Чтобы идти в ногу с земными часами, атомные часы на спутниках GPS должны каждый день вычитать 7 микросекунд.
Благодаря дополнительным эффектам общей теории относительности (расширение Эйнштейном специальной теории относительности, включающей гравитацию), часы ближе к центру большой гравитационной массы, такой как Земля, идут медленнее, чем те, что дальше. Этот эффект добавляет микросекунды к каждому дню на атомных часах GPS, поэтому в конце концов инженеры вычитают 7 микросекунд и добавляют еще 45. Часы GPS не переходят на следующий день, пока они не пройдут в общей сложности на 38 микросекунд дольше, чем сопоставимые часы на Земле.
Специальная теория относительности и квантовая механика
Специальная теория относительности и квантовая механика — две наиболее широко принятые модели того, как устроена наша Вселенная. Но специальная теория относительности в основном касается чрезвычайно больших расстояний, скоростей и объектов, объединяя их в «гладкую» модель Вселенной. События в специальной (и общей) теории относительности непрерывны и детерминированы, писал Кори Пауэлл для The Guardian , что означает, что каждое действие приводит к прямому, конкретному и локальному последствию. Это отличается от квантовой механики, продолжил Пауэлл: квантовая физика «кусочна», в ней события происходят скачками или «квантовыми скачками», которые имеют вероятностные, а не определенные результаты.
Исследователи, объединяющие специальную теорию относительности и квантовую механику — гладкую и массивную, очень большую и очень маленькую — придумали такие области, как релятивистская квантовая механика и, совсем недавно, квантовая теория поля, чтобы лучше понять субатомные частицы и их взаимодействия.
Исследователи, стремящиеся соединить квантовую механику и общую теорию относительности, напротив, считают это одной из величайших нерешенных проблем в физике. На протяжении десятилетий многие просматривали теория струн должна стать наиболее многообещающей областью исследований единой теории всей физики. Теперь существует множество дополнительных теорий. Например, одна группа предлагает петли пространства-времени , чтобы связать крошечный квантовый мир с широкой релятивистской вселенной.