Год теория относительности эйнштейна: Теория относительности • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Сто лет назад теория общей теории относительности Эйнштейна озадачила прессу и общественность

Когда начался 1919 год, Альберт Эйнштейн был практически неизвестен за пределами мира профессиональных физиков. Однако к концу года он стал нарицательным во всем мире. Ноябрь 1919 года стал месяцем превращения Эйнштейна в «Эйнштейна», началом превращения бывшего патентного клерка в международную знаменитость.

6 ноября ученые на совместном заседании Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества объявили, что измерения, проведенные во время полного солнечного затмения в начале этого года, подтверждают смелую новую теорию гравитации Эйнштейна, известную как общая теория относительности. Газеты с энтузиазмом подхватили эту историю. «Революция в науке» , — прокомментировала Times of London; «Ньютоновские идеи свергнуты». Несколько дней спустя газета «Нью-Йорк таймс» взяла на себя шестиступенчатый заголовок — действительно редкий случай для научной истории. «Все загорается на небесах, — трубил главный заголовок. Чуть дальше: «Триумфы теории Эйнштейна» и «Звезды не там, где они казались или были рассчитаны, но беспокоиться никому не нужно».

Центр внимания останется на Эйнштейне и его, казалось бы, непробиваемой теории до конца его жизни. Как он заметил другу в 1920 году: «В настоящее время каждый кучер и каждый официант спорят о том, верна ли теория относительности». В Берлине представители общественности толпились в классе, где преподавал Эйнштейн, к ужасу платящих за обучение студентов. И тогда он покорил Соединенные Штаты.

В 1921 году, когда пароход «Роттердам» прибыл в Хобокен, штат Нью-Джерси, с Эйнштейном на борту, его встретили около 5000 приветствующих ньюйоркцев. Репортеры в маленьких лодках тянулись вдоль корабля еще до того, как он пришвартовался. Еще более захватывающий эпизод десять лет спустя, когда Эйнштейн прибыл в Сан-Диего, по пути в Калифорнийский технологический институт, где ему предложили временную должность. Эйнштейна встретили на пристани не только обычная толпа репортеров, но и ряды ликующих студентов, поющих имя ученого.

Интенсивная общественная реакция на Эйнштейна уже давно заинтриговала историков. Кинозвезды всегда привлекали восхищение, конечно, и 40 лет спустя мир оказался бы погружен в Битлманию—но физик? Ничего подобного раньше не видели, и—за исключением Стивена Хокинга, который испытал более мягкую форму знаменитости с тех пор его тоже никто не видел.

За эти годы появилось стандартное, хотя и неполное, объяснение того, почему мир сошел с ума из-за физика и его работы: в результате ужасной глобальной войны — конфликта, который привел к падению империй и оставил миллионы мертвыми — люди были в отчаянии для чего-то возвышающего, чего-то, что возвышалось над национализмом и политикой. Эйнштейн, родившийся в Германии, был гражданином Швейцарии, живущим в Берлине, евреем, а также пацифистом и теоретиком, работа которого была подтверждена британскими астрономами. И это была не просто теория, а теория, которая двигала или, казалось, двигала звезды. После многих лет окопных войн и хаоса революции теория Эйнштейна появилась как молния, вернув мир к жизни.

Как бы мифологически ни звучала эта история, она содержит зерно истины, говорит Диана Кормос-Бухвальд, историк науки в Калтехе и директор и главный редактор проекта Einstein Papers . Сразу после войны идея немецкого ученого, получившего признание от англичан, была поразительной.

«Немецкие ученые были в подвешенном состоянии», — говорит Кормос-Бухвальд. «Их не приглашали на международные конференции; им не разрешали публиковаться в международных журналах. И замечательно, как Эйнштейн вмешивается, чтобы решить эту проблему. Он использует свою славу, чтобы восстановить контакты между учеными из стран бывшего противника».

Заголовок в New York Times о недавно подтвержденной общей теории относительности Эйнштейна, 10 ноября 1919 г. (Архив «Нью-Йорк Таймс» / Дэн Фальк)

В то время, добавляет Кормос-Бухвальд, идея известного ученого была необычной. Мария Кюри была одним из немногих широко известных имен. (У нее уже было две Нобелевские премии к 1911 году; Эйнштейн не получал его до 1922 года, когда он был задним числом награжден премией 1921 года.) Однако в Британии также было что-то вроде ученого-знаменитости в лице сэра Артура Эддингтона, астронома. кто организовал экспедиции затмения, чтобы проверить общую относительность. Эддингтон был квакером и, как и Эйнштейн, был против войны. Что еще более важно, он был одним из немногих людей в Англии, кто понимал теорию Эйнштейна, и он признал важность проверки ее.

«Эддингтон был великим популяризатором науки в Великобритании. Он был Карлом Саганом своего времени », — говорит Марсия Бартусяк, автор естественных наук и профессор в программе MIT Science Writing. «Он сыграл ключевую роль в привлечении внимания СМИ к Эйнштейну».

Известности Эйнштейна также способствовало то, что его новая теория была представлена как своего рода состязание между ним и Исааком Ньютоном, чей портрет висел в том самом зале Королевского общества, где был объявлен триумф теории Эйнштейна.

«Все знают, как яблоки падают на голову Ньютона, — говорит Бартусяк. «А здесь был немецкий ученый, который, как говорили, опрокинул Ньютона и сделал предсказание, которое действительно было проверено — это был поразительный момент».

Много было сделано из предполагаемой непостижимости новой теории. В Нью-Йорк Таймс история от 10 ноября 1919 года — издание «Lights All Askew» — репортер перефразирует президента Королевского общества Дж. Дж. Томпсона, утверждая, что детали теории Эйнштейна «являются чисто математическими и могут быть выражены только в строго научных терминах» и что «бесполезно пытаться детализировать их для человека на улице». В той же статье цитируется астроном В.Д.Локер, который говорит, что уравнения новой теории, «хотя и очень важные», «не влияют ни на что на этой земле» , Они лично не касаются обычных людей; это влияет только на астрономов». (Если бы Локер мог бы путешествовать во времени до наших дней, он открыл бы мир, в котором миллионы простых людей регулярно перемещаются с помощью спутников GPS, которые напрямую зависят как от специальной, так и от общей теории относительности. )

Идея о том, что горстка умных ученых могла бы понять теорию Эйнштейна, но что такое понимание было недоступно простым смертным, не подходила всем, в том числе и сотрудникам New York Times . На следующий день после того, как вышла статья «Lights All Askew», передовая статья спросила, что «простой народ» должен сделать из теории Эйнштейна, набор идей, которые «нельзя выразить понятным для них языком». В заключение они выражают смесь разочарования и сарказм: «если бы мы отказались от этого, никакого вреда не было бы, потому что мы привыкли к этому, но чтобы отказаться от этого для нас — ну, просто немного раздражает.”

Портрет Альберта Эйнштейна, опубликованный на обложке Berliner Illustrirte Zeitung 14 декабря 1919 года. (Ullstein Bild через Getty Images)

В Лондоне дела шли не совсем гладко, где редакторы «Таймс» признавались в своем невежестве, но также возлагали вину на самих ученых. ” Мы не можем утверждать, что следим за деталями и выводами новой теории с полной уверенностью, — писали они 28 ноября, — но нас утешает мысль о том, что главные герои дебатов, включая даже самого доктора Эйнштейна, находят немалые трудности в прояснении их смысла. ”

Читатели «Таймс» того дня были обращены к собственному объяснению Эйнштейна, переведенному с немецкого языка. Он звучал под заголовком «Эйнштейн о своей теории». Самый понятный абзац был последним, в котором Эйнштейн шутил о своей «относительной» идентичности: ”Сегодня в Германии меня называют немецким человеком науки, а в Англии — Я представлен как швейцарский еврей. Описания меняются местами, и я стану швейцарским евреем для немцев и немецким человеком науки для англичан”.

Не желая отставать, “Нью-Йорк Таймс «послала корреспондента навестить самого Эйнштейна в Берлине, обнаружив его «на верхнем этаже модного жилого дома». И снова они пытаются — и репортер, и Эйнштейн — осветить теорию. Отвечая на вопрос, почему она называется “относительностью”, Эйнштейн объясняет, как Галилей и Ньютон представляли себе работу Вселенной и как требуется новое видение, в котором время и пространство рассматриваются как относительные. Но лучше всего был еще раз финал, в котором репортер излагает теперь уже избитый анекдот, который был бы свеж в 1919 году: “именно тогда старые дедушкины часы в библиотеке пробили полдень, напомнив доктору Эйнштейну о какой-то встрече в другой части Берлина, и старомодные время и пространство усилили их победившую абсолютную тиранию над ним, который так презрительно говорил об их существовании, таким образом завершив интервью. ”

Усилия по «объяснению Эйнштейна» продолжались. Эддингтон писал об относительности в Illustrated London News и, в конце концов, в популярных книгах. То же самое делали и такие знаменитости, как Макс Планк, Вольфганг Паули и Бертран Рассел. Эйнштейн тоже написал книгу, и она остается в печати по сей день. Но в народном воображении теория относительности оставалась глубоко загадочной. Через десять лет после первого шквала интереса СМИ, редакционная статья в The New York Times «бесчисленные учебники по теории относительности предприняли смелую попытку объяснения и в лучшем случае преуспели в передаче смутного чувства аналогии или метафоры, смутно воспринимаемого, когда человек болезненно следует аргументации слово за словом и теряется, когда он отрывает свой ум от текста.”

В конце концов, предполагаемая непонятность теории Эйнштейна стала точкой продажи, скорее особенностью, чем ошибкой. Толпы продолжали следовать за Эйнштейном, скорее всего, не для того, чтобы понять искривленное пространство-время, а для того, чтобы быть в присутствии кого-то, кто, очевидно, действительно понимал такие высокие вопросы. Возможно, это почтение объясняет, почему так много людей пришло, чтобы услышать, как Эйнштейн прочитал серию лекций в Принстоне в 1921 году. Классная комната была переполнена — по крайней мере, в начале, говорит Кормос-Бухвальд. «В первый день там было 400 человек, включая женщин с меховыми воротниками в первом ряду. На второй день их было 200, на третий день — 50, а на четвертый день комната была почти пуста».

Из отчета сэра Артура Эддингтона об экспедиции, чтобы проверить предсказание Альберта Эйнштейна об изгибе света вокруг солнца.

Если среднестатистический гражданин не мог понять, что говорит Эйнштейн, то почему так много людей жаждут услышать это от него? Бартисуак предполагает, что Эйнштейн можно рассматривать как современный аналог древнего шамана, который бы загипнотизировал наших палеолитических предков. Шаман «предположительно имел внутреннее представление о назначении и природе Вселенной”, — говорит она. «На протяжении веков, было это увлечение людьми, которые, как вы думаете, имеют это тайное знание о том, как работает мир. И Эйнштейн был высшим символом этого.”

Физик и историк науки Авраам Паис описал Эйнштейна аналогичным образом. Многим людям Эйнштейн казался «новым Моисеем, спустившимся с горы, чтобы принести закон, и новым Иисусом, управляющим движением небесных тел». Он был «божественным человеком» 20-го века.

Внешний вид и личность Эйнштейна помогли ему. Это был веселый, мягкий человек с глубоко посаженными глазами, который немного говорил по-английски. (У него еще не было диких волос его поздних лет, хотя это произойдет достаточно скоро.) С его футляром для скрипки и сандалиями — он классно избегал носков — Эйнштейн был достаточно эксцентричным, чтобы восхищать американских журналистов. (Позже он пошутил, что его профессия — «модель фотографа».)

Согласно биографии Уолтера Айзексона 2007 года, «Эйнштейн: его жизнь и Вселенная» репортеры, которые догнали ученого, “были взволнованы тем, что недавно обнаруженный гений был не серым или сдержанным ученым”, а скорее “очаровательным 40-летним человеком, просто переходящим от красивого к отличительному, с дикой вспышкой волос, взъерошенной неформальностью, мерцающими глазами и готовностью делиться мудростью в небольших остротах и цитатах. ”

Время появления новой теории Эйнштейна также помогло повысить его известность. Газеты процветали в начале 20-го века, и появление черно-белых кинохроник только начало делать возможным быть международной знаменитостью. Как отмечает Томас Левенсон в своей книге «Эйнштейн» в Берлине 2004 года, Эйнштейн знал, как играть на камеры. “Еще лучше и полезнее в эпоху немого кино, он не ожидал, что станет понятным. … Он был первым ученым (и во многих отношениях последним), который достиг поистине знакового статуса, по крайней мере, отчасти потому, что впервые появились средства для создания таких идолов.”

У Эйнштейна, как и у многих знаменитостей, были отношения любви и ненависти со славой, которые он однажды охарактеризовал как «ослепительное страдание». Постоянные вторжения в его личную жизнь вызывали раздражение, но он был счастлив использовать свою славу, чтобы привлечь внимание к разнообразию. О причинах, которые он поддерживал, включая сионизм, пацифизм, ядерное разоружение и расовое равенство.

Портрет Альберта Эйнштейна, сделанный в Принстоне в 1935 году. (Софи Делар)

Конечно, не все любили Эйнштейна. У различных групп были свои особые причины возражать против Эйнштейна и его работы, сказал в интервью 2004 года Джон Штахель, основатель проекта «статьи Эйнштейна» и профессор Бостонского университета. Некоторые американские философы отвергали относительность как слишком абстрактную и метафизическую, в то время как некоторые русские мыслители считали ее слишком идеалистической. Некоторые просто ненавидели Эйнштейна, потому что он был евреем.

«Многие из тех, кто выступал против Эйнштейна по философским соображениям, были также антисемитами, а затем и сторонниками того, что нацисты называли Deutsche Physic — «немецкая физика», которая была «хорошей» арийской физикой, в отличие от этого юдишского шпицфиндигкейта — Еврейская тонкость, — говорит Стахел. «Таким образом, можно получить сложные смеси, но миф о том, что все любили Эйнштейна, безусловно, не соответствует действительности. Его ненавидели как еврея, как пацифиста, как социалиста и, по крайней мере, как релятивиста». По мере того, как продолжались 1920-е годы, с ростом антисемитизма, с течением времени угрозы смерти Эйнштейну стали обычным делом. К счастью, он был на рабочем отдыхе в Соединенных Штатах, когда Гитлер пришел к власти. Он никогда не вернется в страну, где совершил свой величайший труд.

Всю оставшуюся жизнь Эйнштейн был озадачен тем, что на него постоянно обращали внимание. Как он писал в 1942 году: “я никогда не понимал, почему теория относительности с ее концепциями и проблемами, столь далекими от практической жизни, так долго встречала живой или даже страстный резонанс среди широких кругов общественности. … Что же могло произвести такой великий и стойкий психологический эффект? Я никогда еще не слышал по-настоящему убедительного ответа на этот вопрос.”

Сегодня, спустя целое столетие после его восхождения к суперзвезде, феномен Эйнштейна продолжает сопротивляться полному объяснению. Физик-теоретик ворвался на мировую арену в 1919 году, излагая теорию, которая, по выражению газет, «смутно воспринималась». И все же, несмотря на непрозрачность теории — или, весьма вероятно, из-за этого, — Эйнштейн был поднят на высокий постамент, где он остается по сей день.

Общественность, возможно, не поняла уравнения, но, как говорили, эти уравнения открывали новую правду о вселенной, и этого, кажется, было достаточно.

Специальная теория относительности Эйнштейна / 100 великих событий XX века

Немецко-швейцарско-американский физик Альберт Эйнштейн родился в Ульме (земля Баден-Вюртенберг в Германии), в семье Германа Эйнштейна и Паулины Эйнштейн, урождённой Кох. Вырос он в Мюнхене, где у его отца и дяди был небольшой электрохимический завод. Эйнштейн был тихим, рассеянным мальчиком, который питал склонность к математике, но терпеть не мог школу с её механической зубрёжкой и казарменной дисциплиной.

В юные годы, проведённые в мюнхенской гимназии Луитпольда, Эйнштейн самостоятельно читал книги по философии, математике, космологии, научно-популярную литературу. После того как дела отца в 1895 году пришли в упадок, семья переселилась в Милан. Эйнштейн оставил гимназию, так и не получив аттестата.

Шестнадцатилетнего Эйнштейна поразила та атмосфера свободы и культуры, которую он нашёл в Италии. Отец настаивал на том, чтобы сын избрал инженерное поприще и в будущем смог поправить шаткое финансовое положение семьи. Эйнштейн попытался сдать вступительные экзамены в Федеральный технологический институт в Цюрихе, для поступления в который не требовалось свидетельства об окончании средней школы. Не обладая достаточной подготовкой, он провалился на экзаменах, но директор училища, оценив математические способности Эйнштейна, направил его в Аарау, в двадцати милях к западу от Цюриха, чтобы тот закончил там гимназию.

Через год, летом 1896 года, Эйнштейн успешно выдержал вступительные экзамены в Федеральный технологический институт. В Аарау он расцвёл, наслаждаясь тесным контактом с учителями и либеральным духом, царившим в гимназии. Всё прежнее вызывало у него настолько глубокое неприятие, что он подал официальное прошение о выходе из германского подданства, на что его отец согласился весьма неохотно.

В Цюрихе Эйнштейн изучал физику, больше полагаясь на самостоятельное чтение, чем на обязательные курсы. Сначала он намеревался преподавать физику, но после окончания Федерального института в 1901 году и получения швейцарского гражданства не смог найти постоянной работы. В 1902 году Эйнштейн стал экспертом Швейцарского патентного бюро в Берне, в котором прослужил семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Он опубликовал одну работу о капиллярности (о том, что происходит с поверхностью жидкости, если её заключить в узкую трубку). Хотя жалованья едва хватало, работа в патентном бюро оставляла Эйнштейну достаточно сил и времени для теоретических исследований. Его первые работы были посвящены силам взаимодействия между молекулами и приложениям статистической термодинамики. Одна из них — «Новое определение размеров молекул» — была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом, и в 1905 году Эйнштейн стал доктором наук. В том же году он опубликовал небольшую серию работ, которые изменили лицо всей физики.

Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения — хаотического зигзагообразного движения частиц, взвешенных в жидкости. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с невидимыми молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объёме. Через несколько лет это было подтверждено Жаном Перреном.

В другой работе предлагалось объяснение фотоэлектрического эффекта — испускания электронов металлической поверхностью под действием электромагнитного излучения в ультрафиолетовом или каком-либо другом диапазоне. Филипп де Ленард высказал предположение, что свет выбивает электроны с поверхности металла. Предположил он и то, что при освещении поверхности более ярким светом электроны должны вылетать с большей скоростью. Но эксперименты показали, что прогноз Ленарда неверен. Между тем в 1900 году Максу Планку удалось описать излучение, испускаемое горячими телами. Он принял радикальную гипотезу о том, что энергия испускается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Физический смысл квантов оставался неясным, но величина кванта равна произведению некоторого числа (постоянной Планка) и частоты излучения.

Идея Эйнштейна состояла в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантом электромагнитной энергии) и энергией выбитого с поверхности металла электрона. Каждый фотон выбивает один электрон. Кинетическая энергия электрона (энергия, связанная с его скоростью) равна энергии, оставшейся от энергии фотона за вычетом той её части, которая израсходована на то, чтобы вырвать электрон из металла. Чем ярче свет, тем больше фотонов и больше число выбитых с поверхности металла электронов, но не их скорость. Более быстрые электроны можно получить, направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотоны такого излучения содержат больше энергии.

Эйнштейн выдвинул ещё одну смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственной природой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптические эксперименты, свет ведёт себя как волна, но, как свидетельствует фотоэлектрический эффект, может вести себя и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейном интерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально, причём не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения.

Необходимо отметить, что в изучении фотоэффекта самое непосредственное участие принимала жена Эйнштейна, талантливый физик-экспериментатор.

В 1924 году Луи де Бройль сделал ещё один шаг в преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствами обладает не только свет, но и материальные объекты, например электроны. Идея де Бройля также нашла экспериментальное подтверждение и заложила основы квантовой механики. Работы Эйнштейна позволили объяснить флуоресценцию, фотоионизацию и загадочные вариации удельной теплоёмкости твёрдых тел при различных температурах.

Третья, поистине замечательная работа Эйнштейна, опубликованная всё в том же 1905 году, — специальная теория относительности, революционизировавшая все области физики. В то время большинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире — загадочном веществе, которое, как принято было думать, заполняет всю Вселенную. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось.

Поставленный в 1887 году Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперёк направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из неё, подобно тому как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на вёслах по течению или против течения.

В основу специальной теории относительности Эйнштейна были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника.

Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает; чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру.

Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y, z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени с точки зрения другого. Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, с которой связана соотношением E = mc², где c — скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.

Релятивистские эффекты, как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительными только при больших скоростях, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы, связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддаётся измерению даже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными.

Почти через сорок лет после создания теории относительности физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при её взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.

После публикации статей в 1905 году к Эйнштейну пришло академическое признание. В 1909 году он стал адъюнкт-профессором Цюрихского университета, в следующем году профессором Немецкого университета в Праге, а в 1912 году — цюрихского Федерального технологического института. В 1914 году Эйнштейн был приглашён в Германию на должность профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка). Германское подданство Эйнштейна было восстановлено, и он был избран членом Прусской академии наук.

После напряжённых усилий Эйнштейну удалось в 1915 году создать общую теорию относительности, выходившую далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными. Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т. е. происходящие с переменной скоростью).

Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона (XVII–XVIII веков), становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введённых Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причём сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения. Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяется инертной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться под действием данной силы. Эйнштейна заинтересовало, почему эти две массы совпадают.

Он произвёл так называемый «мысленный эксперимент». Допустим, один наблюдатель находится в кабине лифта небоскрёба, другой снаружи. Внезапно канат, поддерживающий кабину, обрывается, и она свободно падает. Экспериментатор в кабине проводит следующий опыт: вынимает из своего кармана платок и часы и выпускает их из рук. Относительно небоскрёба падает экспериментатор, часы и платок.

Посмотрим, каким путём оба наблюдателя, внутренний и внешний, описывают то, что происходит в лифте.

Внутренний наблюдатель-экспериментатор. Пол лифта медленно начинает уходить из-под ног. Часы с платком медленно движутся вверх относительно экспериментатора. Платок движется вверх быстрее, чем часы. Экспериментатор делает вывод: все тела к земле движутся с разным ускорением. Самое большее ускорение у лифта, затем у него самого, потом следуют часы, и медленнее всех падает платок. Вывод — система неинерциальная (в инерциальной системе тело, на которое не действуют никакие силы, находится в покое или движется равномерно и прямолинейно).

Внешний наблюдатель. Все четыре тела: лифт, экспериментатор, часы и платок падают с различным ускорением к земле. Его вывод также совпадает с мнением внутреннего наблюдателя — система неинерциальная.

Внутренний и внешний наблюдатель Эйнштейна рассуждает иначе: «Внешний наблюдатель замечает движение лифта и всех тел в нём, и находит его соответствующим закону тяготения Ньютона. Для него движение является не равномерным, а ускоренным, вследствие поля тяготения Земли.

Однако физик рождённый и воспитанный в лифте, рассуждал бы совершенно иначе. Он был бы уверен в том, что обладает инерциальной системой, и относил бы все законы природы к своему лифту, заявляя с уверенностью, что законы принимают особенно простую форму в его системе координат. Для него было бы естественным считать свой лифт покоящимся и свою систему координат — инерциальной.

Один из друзей Эйнштейна заметил по поводу такой ситуации, что человек в лифте не мог бы отличить, находится ли он в гравитационном поле или движется с постоянным ускорением. Эйнштейновский принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные и инерциальные эффекты неотличимы, объяснил совпадение гравитационной и инертной массы в механике Ньютона. Затем Эйнштейн расширил картину, распространив ее на свет. Если луч света пересекает кабину лифта «горизонтально», в то время как лифт падает, то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чем входное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки к стенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдатель в лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для Эйнштейна это означало, что в реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно малом расстоянии от массивного тела.

Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел.

Но в тот период Эйнштейн работал не только над теорией относительности. Например, в 1916 году он ввёл в квантовую теорию понятие индуцированного излучения. В 1913 году Нильс Бор разработал модель атома, в которой электроны вращаются вокруг центрального ядра (открытого несколькими годами ранее Эрнестом Резерфордом) по орбитам, удовлетворяющим определённым квантовым условиям. Согласно модели Бора, атом испускает излучение, когда электроны, перешедшие в результате возбуждения на более высокий уровень, возвращаются на более низкий. Разность энергии между уровнями равна энергии, поглощаемой или испускаемой фотонами.

Возвращение возбуждённых электронов на более низкие энергетические уровни представляет собой случайный процесс. Эйнштейн предположил, что при определённых условиях электроны в результате возбуждения могут перейти на определённый энергетический уровень, затем, подобно лавине, возвратиться на более низкий. Этот процесс лежит в основе действия современных лазеров.

Хотя и специальная, и общая теории относительности были слишком революционны, чтобы снискать немедленное признание, они вскоре получили ряд подтверждений. Одним из первых было объяснение прецессии орбиты Меркурия, которую не удавалось полностью понять в рамках ньютоновской механики. Во время полного солнечного затмения в 1919 году астрономам удалось наблюдать звезду, скрытую за кромкой Солнца. Это свидетельствовало о том, что лучи света искривляются под действием гравитационного поля Солнца. Всемирная слава пришла к Эйнштейну, когда сообщения о наблюдении солнечного затмения 1919 года облетели весь мир. Относительность стала привычным словом.

В 1920 году Эйнштейн стал приглашённым профессором Лейденского университета. Однако в самой Германии он подвергался нападкам из-за своих антимилитаристских взглядов и революционных физических теорий, названных некоторыми его коллегами «еврейской физикой».

В 1922 году Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 года «за заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

В то время как большинство физиков начало склоняться к принятию квантовой теории, Эйнштейна все более не удовлетворяли следствия, к которым она приводила. В 1927 году он выразил своё несогласие со статистической интерпретацией квантовой механики, предложенной Нильсом Бором и Максом Борном. Согласно этой интерпретации, принцип причинно-следственной связи неприменим к субатомным явлениям. Эйнштейн был глубоко убеждён, что статистика является не более чем средством и что фундаментальная физическая теория не может быть статистической по своему характеру. По словам Эйнштейна, «Бог не играет в кости» со Вселенной.

До конца жизни он стремился построить единую теорию поля, которая могла бы выводить квантовые явления из релятивистского описания природы. Осуществить эти замыслы Эйнштейну так и не удалось.

Теория относительности Эйнштейна: коротко и просто о сложном

Альберт Эйнштейн — великий физик-теоретик, имя которого на слуху у каждого из нас еще со школьной скамьи. Обладатель Нобелевской премии, автор почти 500 книг, посвященных физике, философии и истории. Именно он перевернул научное представление о природе пространства и времени, движении и законах механики теорией относительности, которую открыл в 1905 году.

Согласно его теории, мир состоит из четырех измерений:

• вправо-влево;
• вверх-вниз;
• вперед-назад.

Еще одно измерение – время. Эти четыре величины формируют пространственно–временную физическую модель.

Самое интересное в том, что восприятие времени и пространства напрямую зависит от скорости нашего движения.

Взаимосвязь трех составляющих объясняет специальная теория относительности: чем больше скорость движения объекта, тем больше искажение пространства и времени.

На основе данного учения позже Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности, но она понятна немногим, потому в школе мы изучали специальную теорию относительности. Именно о ней мы поговорим подробнее в статье.

Основные принципы учения

Как определить движется объект или стоит на месте? Просто оцените его состояние относительно других тел. Важно понимать, что наличие или отсутствие движения, а также скорость перемещения зависят от двух факторов: кто наблюдает за предметом и откуда наблюдает. Проще говоря, движение – это относительный параметр.

Давайте рассмотрим на простом примере. Представьте, что вы едете в метро после непростого рабочего дня и, сидя на одном из пассажирских мест, увлеченно изучаете нашу онлайн-программу «Психическая саморегуляция» через свой телефон (кстати, отличный выбор, если ваша цель — справиться со стрессом, трудными отношениями в коллективе и другими «тормозящими» эмоциями). Для вас все объекты в вагоне, такие как кресла, пассажиры (речь о тех, кто стоит или сидит) и, конечно, ваш телефон находятся в неподвижном состоянии, т.е. их скорость передвижения равно нулю.

Ваш друг решил встретить вас на платформе одной из станций и уже ожидает на месте. Для него поезд и все объекты, находящиеся в нем, движутся с одинаковой скоростью, например, 50 км/ч. А если кто-то из пассажиров вагона решит перейти на ходу поезда по направлению движения состава в другой вагон, то его скорость будет еще выше, т.к. она суммируется со скоростью поезда.

Но есть одно исключение из правила — свет фар поезда. Скорость света остается неизменна и будет равна скорости движения самого поезда.

Отсюда следуют два главных принципа специальной теории относительности:

1. Принцип относительности: если объекты неподвижны или имеют постоянную скорость (например, вы и ваш телефон), для них все физические явления протекают одинаково.
2. Принцип постоянства скорости света: данная величина не зависит от других данных (например, от источника света) и является постоянной для всех наблюдателей.

На первый взгляд, скорость света кажется молниеносной, но это не так. Рассмотрим на примере распространения света в космосе. Между Солнцем и Землей 150 миллионов километров, солнечный свет доходит до земного шара за 8 минут. Соответственно, если Солнце вдруг перестанет светить, ночь нас накроет не сразу, а через 8 минут.

Два главных принципа теории рождают другие важные факты о пространственно-временной среде. Расскажем о них в следующих разделах.

Следствия учения

Важно понять, как выше изложенные принципы относятся к пространству и времени. Благодаря им Альберт Эйнштейн пришел к трем выводам:

• время замедляется;
• пространство расширяется;
• масса увеличивается.

Чтобы понимать, о чем речь, давайте рассмотрим подробнее каждое из заключений.

Время замедляется

Время — это не абсолютная величина, она зависит от системы отсчета, в которой находится на данный момент.

Интересный опыт был проведен с применением двух атомных часов: одно устройство было отправлено самолетом вокруг планеты, а другое осталось на Земле. После посадки самолета сравнили показатели часов: те, что облетели земной шар, отставали от других часов на тысячные секунды.

Отсюда можно сделать вывод, время идет медленнее относительно объектов, находящихся в движении. При этом оно становится еще медленнее, если скорость объекта приближается к скорости света. Если космический корабль достигнет скорости света, то астронавт попадет в будущее. В этом случае время также будет относительно: недели в космосе будут равны годам на Земле. На этой теории построены сюжеты многих фантастических фильмов о космосе и его исследователях.

Пространство уменьшается

Давайте представим, что наш космический путешественник отправляется в полет на своем корабле. Скорость летательного аппарата приближается к скорости света и если наблюдать за его полетом со стороны, то можно заметить, что по направлению движения он становится короче, а перпендикулярно пути сохраняет исходные размеры, т.е. его ширина не меняется. При этом с самим астронавтом все в порядке: он на прежнем месте и прежних параметров.

Данный пример наглядно показывает, что для наблюдателя движущийся объект с увеличением своей скорости становится короче по направлению движения, а перпендикулярно ему его размеры остаются неизменными.

Масса увеличивается

E = mc² — знакомая формула из школьной программы? Своим уравнением Альберт Эйнштейн наглядно показал, что масса пропорциональна энергии тела, т.е., если увеличить скорость движения объекта, увеличивается и его масса. Отсюда следует вывод, что одна часть энергии затрачивается на изменение массы, а другая – на увеличение скорости. Это объясняет тот факт, что на деле путешествие во времени, о котором говорилось в предыдущем разделе, невозможно. Судите сами: чем больше скорость корабля, тем труднее его подтолкнуть. В итоге, приближаясь к скорости света, он достигает таких показателей, что никакая энергия вселенной не сможет его передвинуть.

Подведем итог

Почему теория относительности носит такое название?

Если скорость объекта приближается к скорости света, то его время замедляется, а пространство сжимается. Но эти показатели относительны наблюдателя, т.е. так он видит картину со своей стороны. Но для астронавта, который летит в космическом корабле, меняется только масса тела, остальные показатели остаются неизменными. При этом обе точки зрения верны, отсюда и название теории.

Надеемся, что наша статья помогла вам в общих чертах понять основные положения теории относительности. Кстати, интересный факт: Альберт Эйнштейн посвятил изучению и описанию своей теории 10 лет.  Для более точного понимания учения советуем прочитать книгу «Теория относительности» Шеддад Каид-Сала Феррона. Поверьте, она будет интересна каждому школьнику и взрослому благодаря простому и веселому изложению мысли, ярким картинкам и графикам.

Желаем удачи!

Ключевые слова:1Когнитивистика, 1ТРИЗ

Теория относительности

Теория относительности – краткая история
Теория относительности, предложенная еврейским физиком Альбертом Эйнштейном (1879-1955) в начале 20-го века, является одной из самых значительных научных достижения нашего времени. Хотя понятие относительности не было введено Эйнштейном, его главным вкладом было признание того, что скорость света в вакууме постоянна и является абсолютной физической границей движения. Это не оказывает существенного влияния на повседневную жизнь человека, поскольку мы путешествуем со скоростью, намного меньшей скорости света. Однако для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, теория относительности утверждает, что объекты будут двигаться медленнее и сокращаться в длину с точки зрения наблюдателя на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E = mc ² , , что показывает эквивалентность массы и энергии.

Когда Эйнштейн применил свою теорию к гравитационным полям, он вывел «искривленный пространственно-временной континуум», который описывает измерения пространства и времени как двумерную поверхность, на которой массивные объекты создают впадины и провалы. Этот аспект теории относительности объяснил явление искривления света вокруг Солнца, предсказал появление черных дыр, а также космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — открытие, объясняющее фундаментальные аномалии классической гипотезы стационарного состояния. За работы по теории относительности, фотоэлектрическому эффекту и излучению абсолютно черного тела Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1919 г.21.

Теория относительности – Основы
Физики обычно делят теорию относительности на две части.

• Первая — это специальная теория относительности, которая по существу занимается вопросом о том, являются ли покой и движение относительными или абсолютными, а также последствиями гипотезы Эйнштейна об их относительности.
• Вторая — это общая теория относительности, которая в первую очередь применяется к частицам по мере их ускорения, особенно из-за гравитации, и выступает в качестве радикального пересмотра теории Ньютона, предсказывая важные новые результаты для быстро движущихся и/или очень массивных тел. Общая теория относительности правильно воспроизводит все проверенные предсказания теории Ньютона, но расширяет наше понимание некоторых ключевых принципов. Ньютоновская физика ранее выдвинула гипотезу о том, что гравитация действует в пустом пространстве, но этой теории не хватало объяснительной силы в отношении того, как расстояние и масса данного объекта могут передаваться через пространство. Общая теория относительности сглаживает этот парадокс, поскольку показывает, что объекты продолжают двигаться по прямой линии в пространстве-времени, но мы наблюдаем движение как ускорение из-за искривленной природы пространства-времени.

В последние годы было подтверждено, что как специальная, так и общая теория относительности Эйнштейна очень точны, и было показано, что данные подтверждают многие ключевые предсказания; наиболее известным из них является солнечное затмение 1919 года, свидетельствующее о том, что свет звезд действительно отклоняется Солнцем, когда свет проходит вблизи Солнца на пути к Земле. Полное солнечное затмение впервые позволило астрономам проанализировать свет звезд вблизи края Солнца, который ранее был недоступен для наблюдателей из-за интенсивной яркости Солнца. Он также предсказал скорость, с которой две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг друг друга, будут двигаться навстречу друг другу. Когда это явление было впервые задокументировано, общая теория относительности доказала свою точность с точностью до триллионной доли процента, что сделало ее одним из наиболее подтвержденных принципов во всей физике.

Применение принципа общей теории относительности к нашей Вселенной показывает, что она не статична. Эдвин Хаббл (1889-1953) продемонстрировал в 1928 г., что Вселенная расширяется, показав, вне всяких разумных сомнений, что Вселенная возникла конечное время назад. Наиболее распространенная современная интерпретация этого расширения заключается в том, что оно началось с момента Большого взрыва около 13,7 миллиардов лет назад. Однако это не единственная правдоподобная космологическая модель, существующая в академических кругах, и многие физики-креационисты, такие как Рассел Хамфрис и Джон Хартнетт, разработали модели, работающие с библейской структурой, которые на сегодняшний день выдержали испытание критикой со стороны самых ярость противников.

Теория относительности – свидетельство сотворения мира
Используя наблюдаемое космическое расширение совместно с общей теорией относительности, мы можем сделать вывод из данных, что чем дальше в прошлое мы смотрим, тем больше Вселенная должна соответственно уменьшаться в размерах. Однако это нельзя экстраполировать до бесконечности. Расширение Вселенной помогает нам оценить направление, в котором течет время. Это называется космологической стрелой времени и подразумевает, что будущее — по определению — направление, в котором Вселенная увеличивается в размерах. Расширение Вселенной также порождает второй закон термодинамики, который утверждает, что общая энтропия (или беспорядок) во Вселенной может только увеличиваться со временем, потому что количество энергии, доступной для работы, со временем уменьшается. Следовательно, если бы Вселенная была вечной, количество доступной для работы энергии уже было бы исчерпано. Отсюда следует, что в какой-то момент значение энтропии было равно абсолютному 0 (наиболее упорядоченное состояние в момент сотворения), и с тех пор энтропия увеличивается, то есть Вселенная в какой-то момент была полностью «заведена» и с тех пор сворачивается. Это имеет глубокое теологическое значение, поскольку показывает, что само время обязательно конечно. Если бы Вселенная была вечной, тепловая энергия во Вселенной была бы равномерно распределена по всему космосу, оставляя каждую область космоса с одинаковой температурой (очень близкой к абсолютному 0), что делало бы невозможной дальнейшую работу.

Общая теория относительности показывает, что время связано или связано с материей и пространством, и поэтому измерения времени, пространства и материи составляют то, что мы бы назвали континуумом. Они должны возникнуть в одно и то же мгновение. Само время не может существовать без материи и пространства. Из этого мы можем заключить, что беспричинная первопричина должна существовать вне четырех измерений пространства и времени и обладать вечными, личностными и разумными качествами, чтобы обладать способностями преднамеренного пространства, материи — и даже самого времени. — в существование.

Более того, сама физическая природа времени и пространства также предполагает Творца, поскольку бесконечность и вечность обязательно должны существовать с логической точки зрения. Существование времени подразумевает вечность (так как время имеет начало и конец), а существование пространства подразумевает бесконечность. Сами понятия бесконечности и вечности предполагают Творца, потому что они находят само свое состояние бытия в Боге, который превосходит их обоих и просто есть.

Подробнее!

Подробнее

• Каковы некоторые достижения Альберта Эйнштейна?
• Почему теория относительности Эйнштейна стала таким монументальным открытием?
• Что такое общая теория относительности?
• Что мы можем сделать из теории относительности относительно характера Бога?
• Что такое специальная теория относительности?

Узнайте больше!

Альберт Эйнштейн и теория относительности

Альберт Эйнштейн и теория относительности

Ньютоновская теория тяготения вскоре была принята безоговорочно.
остался
бесспорно до тех пор, пока
начало этого века. затем
Альберт Эйнштейн
потрясла основы
физики с введением его специальной теории относительности в 1905 году, и
его Общая теория относительности в 1915
Первый показал, что Ньютон
Три
Законы движения были верны лишь приблизительно и нарушались, когда скорости
приближался к свету. Второй показал, что закон Ньютона
Гравитация также была лишь приблизительно
правильно, ломается в присутствии
очень сильные гравитационные поля.

Специальная теория относительности

Работая патентным клерком в Швейцарии, Эйнштейн начал думать о том, как
движущиеся наблюдатели видят события иначе, чем неподвижные наблюдатели.
Его привели в

ПЕРВЫЙ ПОСТУЛАТ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ:
наблюдатели никогда не смогут обнаружить равномерное движение, кроме относительного
к другим объектам.

Это часть нашего общего опыта. Когда вы сидите в поезде
ждет, пока он уйдет, и поезд на соседнем пути тронется
двигаться, иногда бывают моменты, когда вы не уверены, какой
поезд движется. Только после того, как вы увидите свое отсутствие
движение по отношению к фоновым объектам, которое вы осознаете другим поездом
двигается.

Но если вы находитесь в состоянии покоя или
двигаясь с постоянной скоростью в глубоком космосе, и вы видите другую
космический корабль пройдет мимо вас, двигаясь с постоянной скоростью, вы бы не
быть в состоянии сказать, какой космический корабль действительно движется. Это значит там
НЕТ ТАКОЙ ВЕЩИ КАК АБСОЛЮТНЫЙ ОТДЫХ, «все относительно».
Другой способ сказать это состоит в том, что законы физики не различают
между наблюдателями, движущимися с ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ относительно
друг друга.

ВТОРОЙ ПОСТУЛАТ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ:
В отличие от скорости массивных тел, скорость
света постоянна и одинакова для
все наблюдатели, независимо от их ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ к или от
источник света.

Хотите верьте, хотите нет, но всего вышеперечисленного было достаточно для Эйнштейна
чтобы вывести свое знаменитое уравнение E=mc ² .
(Я оставляю это как домашнее задание, чтобы вы сделали то же самое — шучу!)

Частично причина такого результата
заключается в том, что если массивный объект движется с точки зрения
одного наблюдателя, а в состоянии покоя так, как его видит другой наблюдатель, то
один наблюдатель, казалось бы, измеряет нулевую энергию объекта, в то время как
другой наблюдатель будет измерять конечную энергию.
Получается, что по законам физики
быть последовательным в двух «системах отсчета» двух
наблюдатели движутся с постоянной скоростью относительно друг друга
должна быть энергия, связанная с телом в состоянии покоя, а не только с телом
в движении.

Все эти эффекты проявляются только тогда, когда скорость
объекты приближаются к скорости света. Эффекты
трудно понять и почувствовать в нашей повседневной жизни, потому что
мы всегда испытываем гораздо меньшие скорости, при которых
Ньютоновская физика доминирует.

Общая теория относительности

Общая теория относительности еще более тонкая.
и даже дальше за рамками этого курса.
Тем не менее некоторые из
основные идеи могут быть описаны.

Во-первых, обратите внимание, что эффекты СПЕЦИАЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ проявляются для
быстро движущиеся объекты, находящиеся в
относительное движение, но где относительное движение имеет ПОСТОЯННУЮ СКОРОСТЬ.
ОБЩАЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ВКЛЮЧАЕТ БЫСТРЫЕ ДВИЖЕНИЯ И УСКОРЕНИЯ.

Эйнштейн впервые заметил, что свободно падающее в гравитационном поле
поле приводит к постоянному ускорению (скорость изменяется, но
по постоянной ставке). Потом он понял, что это невозможно
чтобы наблюдатель различал свободно падающие в гравитационном поле
поле и какой-либо другой механизм равномерного ускорения, например ракета.
Это ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ

Затем Эйнштейн пришел к выводу, что, поскольку ускорение
описывает, как объекты перемещаются в пространстве и времени,
и свободное падение в гравитации, и любое равномерное ускорение были неразличимы,
что воздействие гравитации на объекты может быть описано с помощью
это прямое влияние на само пространство. Это оказалось глубоким
в поле зрения.

Физическая картина происходящего выглядит примерно так:
Рассмотрим очень большой батут, на батутной площадке которого ничего нет.
Площадка для батута остается плоской и параллельной земле.
Теперь поместите тяжелый шар для боулинга в центр площадки для батута.
Центр подушки провиснет вниз.
Если мы примем аналогию с тем, что площадка для батута представляет
пространство-время, а шар для боулинга — гравитирующий объект, то
провисание батута представляет искривление пространства
время под действием силы тяжести. Теперь мы можем видеть, что если
берем более легкий мяч, и кладем его на край батута
плохо, он скатится к шару для боулинга. Эта достопримечательность
к шару для боулинга, потому что путь к шару для боулинга
через пространство выгодно искривлен. В общей теории относительности
однако не только шарики будут следовать за этим изогнутым
путь, но и свет.

Последствия принципа эквивалентности

Другими словами, когда свет проходит через массивный объект,
путь света на самом деле искривляется гравитационным полем.
Этот эффект можно измерить даже во время солнечного затмения.
Звезды, расположение которых, как мы знаем, находится за положением солнца
на самом деле можно наблюдать во время солнечного затмения, потому что свет
сгибается по кривой траектории!

Здесь я резюмирую различия между ньютоновской теорией гравитации и
теория гравитации, вытекающая из общей теории относительности. Они
делать практически идентичные прогнозы до тех пор, пока сила
гравитационное поле слабое, что является нашим обычным опытом. Однако есть
решающие предсказания, в которых две теории расходятся и, таким образом, могут быть
проверено тщательными экспериментами.

1. Обнаружено, что ориентация орбиты Меркурия прецессирует в пространстве с течением времени.
   как показано на соседнем рисунке (величина эффекта значительно
   преувеличены на этом рисунке). Это обычно называют
   «прецессия перигелия», потому что она вызывает положение
   перигелий двигаться. Только часть этого может быть объяснена
   возмущения в теории Ньютона. Есть дополнительные 43 угловых секунды на
   века в этой прецессии, предсказываемой Теорией общего
   Относительность и наблюдаемое явление (секунда дуги составляет 1/3600 углового
   степень). Этот эффект чрезвычайно мал, но измерения очень точны.
   и может очень хорошо обнаруживать такие небольшие эффекты.
2. Теория Эйнштейна предсказывает, что направление распространения света должно быть
   измененный
   в гравитационном поле, вопреки предсказаниям Ньютона. Точный
   наблюдения показывают, что Эйнштейн прав как в отношении эффекта, так и в отношении его
   величина. Поразительным последствием является
   гравитационное линзирование.
3. Общая теория относительности предсказывает, что свет исходит от сильного
   гравитационное поле должно иметь длину волны, сдвинутую в сторону больших значений (что
   астрономы называют «красным смещением»), что снова противоречит теории Ньютона. Снова,
   подробные наблюдения указывают на такое красное смещение, и что его величина
   правильно дается теорией Эйнштейна.

Современная теория гравитации

И стоит по сей день. Наша лучшая современная теория гравитации
это общая теория относительности. Однако только если скорости
сопоставимы со светом, или гравитационные поля намного больше, чем те,
встречаются на Земле, различаются ли теория относительности и теории Ньютона
в своих предсказаниях. В большинстве случаев три Ньютона
законы и его теория
гравитация адекватная. Мы еще вернемся к этому вопросу
в нашем последующем обсуждении
космология.

Для заинтересованных студентов, больше об Эйнштейне
и его работы см.
Альберт Эйнштейн онлайн

Что такое относительность? Невероятная теория Эйнштейна объяснила

Когда в начале 1900-х годов появилась теория относительности, она перевернула столетия науки и дала физикам новое понимание пространства и времени. Исаак Ньютон считал пространство и время фиксированными, но в новой картине, представленной специальной и общей теорией относительности, они были текучими и податливыми.

Кто придумал теорию относительности?

Альберт Эйнштейн. Он опубликовал первую часть своей теории — специальную теорию относительности — в немецком физическом журнале Annalen der Physik в 1905 году и завершил свою общую теорию относительности только после еще одного десятилетия напряженной работы. Он представил последнюю теорию в серии лекций в Берлине в конце 1915 года и опубликовал в Annalen в 1916 году.

Что такое специальная теория относительности?

Теория основана на двух ключевых концепциях.

• Во-первых, мир природы не допускает «привилегированных» систем отсчета. Пока объект движется по прямой с постоянной скоростью (то есть без ускорения), законы физики одинаковы для всех. Это немного похоже на то, когда вы смотрите в окно поезда и видите, что соседний поезд движется, но это это в движении, или это ты ? Это может быть трудно сказать. Эйнштейн понял, что если движение совершенно однородно, сказать об этом буквально невозможно, и определил это как центральный принцип физики.
• Во-вторых, свет движется с неизменной скоростью 186 000 миль в секунду. Независимо от того, как быстро движется наблюдатель или как быстро движется излучающий свет объект, измерение скорости света всегда дает один и тот же результат.

Исходя из этих двух постулатов, Эйнштейн показал, что пространство и время переплетаются таким образом, что ученые никогда раньше не осознавали. С помощью серии мысленных экспериментов Эйнштейн продемонстрировал, что следствия специальной теории относительности часто нелогичны и даже поразительны.

Страница с оригинальными рукописями теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном, на выставке в Израильской национальной академии наук и гуманитарных наук в Иерусалиме 7 марта 2010 года. Ури Ленц / EPA файл

Если вы летите на ракете и облетите друга в такой же, но более медленной ракете, например, вы увидите, что часы вашего друга идут медленнее, чем ваши (физики называют это «замедлением времени»).

Более того, ракета вашего друга будет казаться короче вашей. Если ваша ракета ускорится, ваша масса и масса ракеты увеличатся. Чем быстрее вы движетесь, тем тяжелее становятся объекты, и тем больше ваша ракета будет сопротивляться вашим усилиям заставить ее двигаться быстрее. Эйнштейн показал, что ничто, имеющее массу, никогда не может достичь скорости света.

Другим следствием специальной теории относительности является то, что материя и энергия взаимозаменяемы в соответствии со знаменитым уравнением E = mc² (в котором E обозначает энергию, m — массу, а c² — скорость света, умноженную на себя). Поскольку скорость света — такое большое число, даже небольшое количество массы эквивалентно — и может быть преобразовано — в очень большое количество энергии. Вот почему атомные и водородные бомбы такие мощные.

Что такое общая теория относительности?

По сути, это теория гравитации. Основная идея состоит в том, что вместо того, чтобы быть невидимой силой, притягивающей объекты друг к другу, гравитация представляет собой искривление или деформацию пространства. Чем массивнее объект, тем больше он искажает пространство вокруг себя.

Например, Солнце достаточно массивно, чтобы деформировать пространство в нашей Солнечной системе — примерно так, как тяжелый мяч, лежащий на резиновом листе, искривляет лист. В результате Земля и другие планеты движутся вокруг нее по кривым траекториям (орбитам).

Это искажение также влияет на измерения времени. Мы склонны думать, что время течет с постоянной скоростью. Но точно так же, как гравитация может растягивать или деформировать пространство, она также может замедлять время. Если ваш друг заберется на вершину горы, вы увидите, что его часы тикают быстрее, чем ваши; у другого друга, на дне долины, часы будут идти медленнее из-за разницы в силе гравитации в каждом месте. Последующие эксперименты доказали, что это действительно происходит.

Как теория относительности выглядит «под капотом»?

Специальная теория относительности — это, в конечном счете, набор уравнений, которые связывают то, как вещи выглядят в одной системе отсчета, с тем, как они выглядят в другой — растяжение времени и пространства и увеличение массы. Уравнения не содержат ничего более сложного, чем школьная математика.

Общая теория относительности сложнее. Его «уравнения поля» описывают взаимосвязь между массой, кривизной пространства и замедлением времени и обычно преподаются на курсах физики в университетах для выпускников.

Проверка специальной и общей теории относительности

За последнее столетие многие эксперименты подтвердили справедливость как специальной, так и общей теории относительности. В ходе первой крупной проверки общей теории относительности астрономы в 1919 году измерили отклонение света от далеких звезд, когда свет звезд проходил мимо нашего Солнца, доказав, что гравитация действительно искажает или искривляет пространство.

В 1971 году ученые проверили обе части теории Эйнштейна, поместив точно синхронизированные атомные часы в авиалайнеры и облетев на них кругосветное путешествие. Проверка часов после приземления самолетов показала, что часы на борту авиалайнеров шли немного медленнее (менее одной миллионной секунды), чем часы на земле.