Кто изобрел теория относительности: Теория относительности • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания» |

Содержание

Теория относительности или закон всемирного тяготения?. Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Надо сказать, что Эйнштейн безо всякого восторга встретил геометрическую идею Минковского: мало ли какие фокусы делают математики с законами физики… Он изменил свое отношение, когда взялся за новую проблему, порожденную его же успехом. Теория относительности, преодолев «асимметрию» электродинамики Максвелла, вошла в конфликт с законом гравитации Ньютона.

Прежде чем перейти к этому конфликту, посмотрим на создание теории относительности с такой высоты, с какой видна вся история фундаментальной физики. При этом воспользуемся уже знакомой эйнштейновской схемой:

В данном случае эмпирически наблюдаемая реальность Э — «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“». Крутым взлетом свободной интуиции Эйнштейн поднял странные результаты единичных искусных опытов до общего аксиоматического принципа А — о неизменности скорости света. До того же уровня он поднял Галилеев принцип относительности, убрав неработающую аксиому о существовании эфира. Из двух его аксиом последовало новое понимание одновременности, «странный» закон сложения скоростей и другие утверждения У, доступные опытной проверке.

Все просто и логично, если не считать интуиции, о которой Эйнштейн сказал: «Понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом… Не согрешив против логики, никуда не придешь». Нарушать приходится логику старой теории, и требуется огромная сила духа, чтобы из «нелогично» изобретенных аксиом настойчиво извлекать логические следствия, сверяя их с эмпирической реальностью, и выяснять логику новой теории.

Драматизм такого соединения логики и интуиции проявился в авторстве теории относительности. 26-летний патентный эксперт третьего класса был не единственным, кто в 1905 году размышлял об электродинамике движущихся тел, о пространстве и времени. Больше других в этой области сделали тогда уже знаменитые Х. ?Лоренц (голландский физик и нобелевский лауреат 1902 года) и А.?Пуанкаре (французский математик с глубоким интересом к физике). Их имена не зря вошли в нынешние термины теории относительности — «преобразования Лоренца» и «группа Пуанкаре». Эйнштейн изучал их труды, идеи которых вошли в теорию относительности. Лоренца и Пуанкаре можно назвать соавторами Эйнштейна, однако целостную и ясную физическую теорию относительности создал именно он.

Какую-то роль сыграл, вероятно, грустный закон Планка о смене поколений в науке. Лоренцу и Пуанкаре было уже за 50, и оба они — даже после эйнштейновской статьи 1905 года — держались за понятие эфира и придумывали сложные механизмы взаимодействия эфира и вещества, чтобы обеспечить правильные соотношения пространственных и временных величин. А Эйнштейн, опираясь на результаты опытов — те самые «неудавшиеся попытки», изобрел странный, но простой принцип постоянства скорости света — аксиому, которая вместе с принципом относительности безо всяких эфирных механизмов логически вела к новым важным результатам. Он стремился не к «понятности» объяснения, а к раскрытию устройства природы. «Понять» обычно означает «свести к знакомому, привычному», и эфир был привычным. Держась за привычное, легче идти в неведомое. Но невозможно взлететь.

Об этом писал Галилей: «Природа не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия». И Максвелл видел опасность предвзятой физической гипотезы, когда через ее узкий окуляр рассматриваются экспериментальные факты. Стремление к предвзятой «понятности» скрытых причин ограничивает свободу взлета изобретательной интуиции. Эйнштейн показал это не хуже великих предшественников. Можно сказать, что великое физическое открытие — подлинно новое слово в науке — требует великого физика, каким и оказался 26-летний патентный эксперт.

На лаврах молодой великий физик не почил, у него было дело поинтереснее и, как оказалось, потруднее. Новорожденная теория относительности поставила суровую проблему — она была несовместима с великим законом всемирного тяготения. Созданная Ньютоном теория гравитации уже более двух веков служила образцом в физике, а образцом научного триумфа стало открытие планеты Нептун «на кончике пера», которым водил, можно сказать, закон Ньютона.

Однако, согласно этому закону, сила притяжения между массами зависит от расстояния между ними — расстояния между точками ПРОСТРАНСТВА, в которых находятся эти массы в ДАННЫЙ — ОДИН И ТОТ ЖЕ — МОМЕНТ ВРЕМЕНИ. Фраза, еще недавно вполне научная, перестала быть таковой в свете теории относительности. Ведь для разных наблюдателей, движущихся по-разному, величина силы была бы разной. Значит, великий закон всемирного тяготения неверен?!

Эту проблему Пуанкаре осознал раньше Эйнштейна и предложил решение, точнее, даже два — два варианта обновить закон тяготения Ньютона: гравитация должна была распространяться со скоростью света, а при малых скоростях тел совпадать с Ньютоновой. В физике, однако, два варианта хуже, чем один, поскольку устройство природы лишь одно. Великий математик предложил новые формулы, выбрав физически хлипкую точку опоры. Он опирался на понятие эфира:

То, что гравитация распространяется со скоростью света, не может быть результатом каких-либо случайных обстоятельств, а должно быть обусловлено одним из свойств эфира; тогда возникает задача проникнуть в природу этого свойства и связать ее с другими свойствами эфира.

Искомый закон гравитации великий математик ограничил скучным условием:

Так как астрономические наблюдения, по-видимому, не обнаруживают заметных уклонений от закона Ньютона, выберем решение, наименее расходящееся с этим законом для малых скоростей тел.

Работа Пуанкаре в гравитации напоминает то, что делали теоретики в электромагнетизме до Максвелла. Тогда, в первой половине девятнадцатого века, старались обобщить закон взаимодействия электрических зарядов на случай их движения, хотя Фарадей уже открыл совершенно новое явление. Пуанкаре же исходил из того, что никаких новых явлений в гравитации, «по-видимому, не обнаружено». К размышлениям его побудила логическая неувязка, но физика все же основана на реально наблюдаемых явлениях.

Физик Эйнштейн молчал по поводу гравитации два года, пока не «придумал» новые явления. Придумал, еще не имея новой теории, но опираясь на новейшие достижения современной физики и… на ее самый первый результат — закон свободного падения, то есть опираясь на себя самого и на Галилея.

Неувязка теории относительности с законом Ньютона, похоже, побудила Эйнштейна спросить себя: а что, собственно, физика знает о гравитации, кроме этого закона? Ответ известен каждому школьнику, кто решал задачи о камне, брошенном под углом к горизонту: движение камня зависит только от его начальной скорости, но не зависит от массы. Движение тела под действием электричества очень даже зависит от его электрического заряда, а движение под действием гравитации совсем не зависит от массы тела, то есть гравитационного заряда.

Образованный школьник знает, что если в закон движения

ma = F

подставить силу

F?= GmM/r²,

то масса камня m сократится. Но не странно ли это? От массы зависит гравитационная сила, которая определяет движение, а само движение от массы не зависит?! Движется по одной и той же параболе и малая песчинка, и огромная глыба. Прямо не физика, а какая-то геометрия. Там тоже, какие бы линейку и циркуль ни взять — обычные или на основе натянутой нити, — свойства прямой и окружности от инструментов не зависят.

В 1907 году Эйнштейну физика была еще гораздо интереснее геометрии, и он в Галилеевом законе падения увидел путеводный принцип для поиска новой теории гравитации и назвал его принципом эквивалентности. Фактически Эйнштейн использовал еще одну придумку Галилея — опыты в каюте без окон, но каюту эту поместил в лифт.

Хотя первый лифт изобрел еще Архимед, обычным этот вид транспорта стал лишь к концу девятнадцатого века, когда решили наконец проблему безопасности — чтобы лифт не сорвался в свободное падение. Однако Эйнштейна интересовало как раз свободное падение лифта. Пока тот падает, физик-теоретик успеет мысленно проделать в нем любые опыты и убедится, что тяжесть вовсе не заметна. В наше время каждый может увидеть это на телеэкране — невесомость в свободно летящем лифте, названном Международной космической станцией. А Эйнштейн еще сто лет назад мысленно приделал к лифту реактивный двигатель, обеспечил — в полной пустоте — ускорение 9,8 м/сек² и понял, что мысленный пассажир-экспериментатор обнаружит в лифте настоящую земную тяжесть. Таким образом, свободно падая вместе со своей лабораторией в каюте без окон, экспериментатор устраняет влияние гравитации, а, ускоренно двигаясь в полной пустоте, гравитацию обнаруживает. Эти соображения, доступные старшекласснику, стали важнейшим исследовательским инструментом Эйнштейна.

В предыдущих двух школьных формулах участвует одна и та же буква m, которая поэтому легко сокращается. Формулы более глубоко теоретические включали бы разные буквы — m_и и m_г, обозначающие массу инертную и массу гравитационную. Тогда закон свободного падения выразился бы равенством:

m_и = m_г,

отражающим экспериментальный факт, обнаруженный Галилеем: движение маятника (в пустоте) не зависит от того, какой груз висит на нити. Ньютон подтвердил этот факт с точностью до одной тысячной, а ко времени Эйнштейна точность повысилась до стомиллионной. Так же, как и с неудачными попытками обнаружить изменение скорости света, теоретик Эйнштейн доверился этой точности (и своей интуиции) и получил в руки принцип эквивалентности.

Принцип этот позволил Эйнштейну исследовать действие гравитации, не обращаясь к закону всемирного тяготения. Особенно интересно действие гравитации на движение при скорости, близкой к скорости света, когда без теории относительности не обойтись. Эйнштейн взялся за сам свет, к чему был подготовлен лучше других. Ведь в 1905 году свет был его главным инструментом в создании теории относительности, а идея квантов света объяснила явление фотоэффекта.

Воздействие гравитации на свет можно оценить двумя способами. Во-первых, свет, летящий в пустоте прямолинейно, попадая в ускоренно падающий лифт поперек его движению, очевидным образом движется относительно лифта по параболе, то есть искривляется. Во-вторых, энергия кванта света E = h?, согласно релятивистскому закону E = mc², дает вполне определенную массу m, подвластную гравитации. Так, с помощью принципа эквивалентности Эйнштейн обнаружил два новых эффекта гравитации — искривление луча света и изменение его частоты. Однако, подсчитав эффект, понял, что «влияние гравитации Земли слишком мало, чтобы сравнить теорию с опытом». Четыре года спустя он придумает, как можно увеличить эффект, чтобы его наблюдать. Но уже в 1907 году он убедился в работоспособности принципа эквивалентности.

Инструмент этот не был всемогущим. Помимо предсказания новых эффектов гравитации, Эйнштейн пытался объяснить эффект, уже известный астрономам, но непонятый: орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклонялась от законов небесной механики Ньютона. Отклонялась очень мало, всего на одну десятимиллионную, но в пределах досягаемости для астрономической точности. Отклонение это выявил за полвека до того У. ?Леверье, прославленный открытием Нептуна. Поведение Меркурия пытались объяснить влиянием еще одной незамеченной планеты или космической пыли, но безуспешно. В 1907 году не удалось это объяснить и Эйнштейну, одного его инструмента — принципа эквивалентности — оказалось мало.

Второй важный инструмент Эйнштейн нашел два года спустя в короткой заметке неизвестного ему П.?Эренфеста. Тот обнаружил парадокс в простом вращении диска вокруг своей оси. Согласно теории относительности размеры тела сокращаются вдоль движения, а поперечные остаются неизменными. Значит, длина окружности вращающегося диска уменьшится, а радиус остается, каким был в покое. Но тогда отношение длины окружности к радиусу станет меньше 2, вопреки Евклидовой геометрии?! Обсуждался и более общий вопрос: как понимать релятивистское сокращение, оно реально или субъективно? Эйнштейн изложил свое понимание в заметке 1911 года «К парадоксу Эренфеста»: сокращение нереально, поскольку его нет для наблюдателя, движущегося вместе с диском; однако оно вполне измеримо внешним наблюдателем.

С этого началась переписка и дружба двух физиков. Год спустя они встретились, и вот впечатление Эренфеста: «Неисчерпаемость идей, с одной стороны, абсолютная точность и аскетизм мышления — с другой… К тому же чрезвычайно простая, жизнерадостная, здоровая естественность, полная остроумия, — он необычайно душевен и одарен музыкально». Так выглядел Эйнштейн в 1912 году, когда к нему, после четырех лет размышлений, пришла величайшая его идея: гравитация — это переменная геометрия пространства-времени.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

4. Общая теория относительности

4. Общая теория относительности
Остановимся теперь в нескольких словах на общей теории относительности. Вначале теория относительности была создана Эйнштейном лишь для инерционных систем координат, т е. для систем координат, движущихся прямолинейно и равномерно

Общая теория относительности

Общая теория относительности
Остается выяснить еще один момент. Пока еще не решен один из наиболее фундаментальных вопросов: существует ли инерциальная система? Мы узнали кое-что о законах природы, их инвариантности по отношению к преобразованиям Лоренца и их

Закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения
Я опять хочу подчеркнуть, что законы сохранения, которые были описаны, в действительности не «законы», а просто обобщения. Производя разнообразные измерения, ученые убеждались каждый раз, что импульс, момент количества движения, масса и

Теория относительности

Теория относительности
С изобретением прибора, названного масс-спектрографом появилась возможность измерить массу отдельных атомных ядер с такой точностью, чтобы обнаружить несостоятельность закона сохранения массы. Прибор был сконструирован английским физиком

Гримасы «всемирного тяготения».

Гримасы «всемирного тяготения».
Согласно концепции всемирного тяготения, математически выраженной Ньютоном, каждая массочка во Вселенной притягивает всех остальных массочек. Ньютон честно говорил, что он не понимает физического механизма этой притягивающей

Мог ли Галилей открыть закон всемирного тяготения?

Мог ли Галилей открыть закон всемирного тяготения?
Выдающийся физик и веселый человек Ричард Фейнман так изложил предысторию закона гравитации:
Во времена Кеплера некоторые считали, что планеты движутся вокруг Солнца, потому что невидимые ангелы толкают их вдоль

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Теория относительности или закон всемирного тяготения?
Надо сказать, что Эйнштейн безо всякого восторга встретил геометрическую идею Минковского: мало ли какие фокусы делают математики с законами физики… Он изменил свое отношение, когда взялся за новую проблему,

Глава 3 Закон всемирного тяготения

Глава 3
Закон всемирного тяготения
Творенья интеллекта переживают шумную суету поколений и на протяжении веков озаряют мир светом и теплом.
Альберт Эйнштейн «Исаак

Как Ньютон открыл закон всемирного тяготения

Как Ньютон открыл закон всемирного тяготения
Джеймс Э. МИЛЛЕР
Огромный рост числа молодых энергичных работников, подвизающихся на научной ниве, есть счастливое следствие расширения научных исследований в нашей стране, поощряемых и лелеемых Федеральным

5. Общая теория относительности

5. Общая теория относительности
В начале гл. 2 мы указывали, что есть два пути обнаружить абсолютное движение: измерять движение по отношению к пучку света и использовать явление инерции, возникающее при ускорении предмета. Опыт Майкельсона — Морли показал, что первый

Закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения
Первый вопрос, который задал себе Ньютон, был таков: чем отличается ускорение Луны от ускорения яблока? Иначе говоря, каково различие между ускорением g, которое земной шар создает на своей поверхности, т. е. на расстоянии r от центра, и ускорением,

Теория относительности

Теория относительности
Теория относительности, которая произвела революцию в наших представлениях о времени и пространстве, и которая приводит к очень важным следствиям, до 1918 г. (до конца конец Первой мировой войны) оставалась неизвестной широким кругам, за исключением

Специальная теория относительности | Granite of science

Вашему вниманию статья бакалавра физика Муханнада Касима Мухаммада Аль-Хунаиди

Специальная теория относительности была сформулирована Альбертом Эйнштейном в 1905 году и изучает движение объектов, движущихся с постоянной скоростью по прямой линии.

Теория была построена на следующих двух предположениях:

1 — Скорость света в вакууме имеет одинаковое значение во всех координатных группах, движущихся относительно друг друга с одинаковой скоростью

2 — Законы природы одинаковы во всех координатных группах, движущихся с одинаковой скоростью относительно друг друга.

Эта теория не могла быть применена Альбертом Эйнштейном к движению планет и звезд, поскольку они движутся с ускорением по круговым или эллиптическим траекториям.

Из этой теории вытекают следующие явления:

1 — Увеличение массы тела с увеличением его скорости. Если принять, что масса покоящегося тела равна m₀ и тело движется со скоростью v, то его новая масса m известна по соотношению:

где с — скорость света в вакууме

Заметим здесь, что масса тела увеличивается с увеличением скорости, а когда скорость тела достигает скорости света, масса тела становится бесконечной, а потому требуется бесконечное сила, чтобы придать телу скорость, равную скорости света.

2 — Длина тела в направлении его движения определяется как расстояние между его начальным и конечным положениями, если принять, что реальная длина покоящегося тела равна L₀, а направление его движения по оси x известно, мы имеем:

Где с — скорость света в вакууме.

Заметим здесь, что длина тела, которое движется и измеряемо внешним наблюдателем, уменьшается с увеличением скорости только в направлении своего движения и ни в каком другом направлении и когда скорость тела достигает скорости света, длина тела равна нулю

3 — Дилатация Тимо. Разница во времени в системе отсчета, движущейся со скоростью v ее величины, относительно разницы во времени t₀∆ в неподвижной системе отсчета определяется уравнением:

Следовательно, мы находим, что разница во времени, измеренная в движущейся системе отсчета, показывает некоторое отставание от разницы во времени, измеренной в фиксированной системе отсчета.

Это называется дилатацией Тимо (Timo Dilation), и в результате явления дилатации Тимо появился парадокс, называемый парадоксом близнецов, и он был разрешен только с появлением общей теории относительности.

Парадокс близнецов — это дилемма, связанная с явлением растяжения времени.

Время, вытекающее из специальной теории относительности в этом выпуске, показывает разницу между возрастами двух близнецов, один из которых предпочитал сидеть на Земле, наблюдая, как его брат путешествует в космосе с высокой скоростью, приближающейся к скорости света, и когда путешествующий брат возвращается, он обнаруживает, что моложе своего брата, оставшегося на Земле

4 — Эквивалентность массы и энергии, которая выражается следующим известным уравнением энергии:

где E — энергия m, масса c, скорость света в вакууме.

Это результат квадрата скорости света в уравнении.

Муханнад Касим Мухаммад Аль-Хунаиди, бакалавр физики (провинция Салах аль-Дин, округ Самарра, Ирак).

Прим.: редакция не несет отвественности за утверждения автора статьи и может быть не согласна с его мнением

✒️Подписывайетсь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]

Как Эйнштейн пришел к общей теории относительности ‹ Literary Hub

В 1905 году физики кое-что поняли о законах, управляющих двумя типами сил: электричеством, магнетизмом и гравитацией. Мы видели, что законы электричества и магнетизма, закодированные в уравнениях Максвелла, заставили переосмыслить самые основные концепции пространства и времени. А как же закон всемирного тяготения Ньютона? Как можно очистить его от понятий абсолютного пространства и абсолютного времени?

В 1907 году, через два года после выдвижения своей специальной теории относительности, Эйнштейна попросили написать рецензию на эту тему. В ходе этого проекта он столкнулся с вопросом: как теория гравитации Ньютона согласуется с его принципами? Простой ответ: нет. На самом деле это было связано с недостатком закона тяготения Ньютона, который был очевиден с момента его обнародования.

Ньютон — и, возможно, что более важно, его критики — были очень обеспокоены особенностью его теории, называемой действие на расстоянии . Согласно законам Ньютона, если бы, скажем, Солнце внезапно «подпрыгнуло» (возьмем пока неправдоподобную возможность того, что какой-нибудь космический захватчик прикрепит к нему ракеты), воздействие на планеты Солнечной системы было бы мгновенным. И это несмотря на то, что планеты находятся далеко. Нептун, например, находится так далеко, что свету от Солнца требуется четыре часа, чтобы добраться до него, но он будет двигаться немедленно в ответ на внезапное движение Солнца.

Ньютона критиковали за это — не предполагал ли он, что некое высшее существо ответственно за взаимодействие между звездами и планетами? Но его закон оказался чрезвычайно успешным, и почти на два столетия этот вопрос был в значительной степени отложен. Действительно, только в начале 20 века удалось серьезно проверить эту тревожную особенность.

Но со специальной теорией относительности уже нельзя было отвести взгляд. Не имело смысла применять этот принцип к электромагнетизму, но не к силе гравитации. Трудно было понять, почему утверждение Эйнштейна о том, что события в одном месте и в одно время могут влиять на события в другом только после того, как прошло достаточно времени, чтобы свет прошел от одного к другому, не должно было применяться ни к какому закону природы. Это не был кризис в смысле очевидной экспериментальной или наблюдательной проблемы. Теория Ньютона работает так хорошо, потому что скорость света очень велика. Свет движется настолько быстро, что в большинстве ситуаций, с которыми астрономы столкнулись в течение двух столетий после того, как Ньютон выдвинул свой закон, эффекты конечной (в отличие от бесконечной!) скорости распространения информации и взаимодействий было невозможно увидеть.

Процесс создания того, что Эйнштейн назвал своей общей теорией относительности, потребовал восьмилетней борьбы и сочетания экстраординарной научной проницательности и упорного труда.

Тем не менее Эйнштейн начал обдумывать, как можно изменить теорию Ньютона, чтобы сохранить ее огромные успехи и при этом учесть принцип относительности. Другими словами, новые законы в ситуациях, когда изучаемые объекты движутся значительно медленнее скорости света или когда сила тяжести не слишком сильное , должно уменьшиться до Ньютона.

Процесс создания того, что Эйнштейн назвал своей общей теорией относительности, длился восемь лет и сочетал в себе исключительную научную проницательность и упорный труд. По пути было много оплошностей. Но эта теория еще полнее раскрыла гениальность Эйнштейна, чем его достижения 1905 года. Эйнштейн мог бы подойти к проблеме, заметив, что закон силы тяготения Ньютона почти такой же, как закон силы Кулона для заряженных частиц. Просто замените электрические заряды массами, и они будут похожи. Электрическая сила описывается уравнениями Максвелла. Так что он мог бы попытаться написать уравнения, подобные уравнениям Максвелла, но для гравитационной силы.

Скорее всего, я поступил бы так, и результатом был бы провал. Но Эйнштейн думал гораздо глубже, прежде чем начать свою борьбу. Его поразил тот факт, что планеты, звезды и другие небесные объекты притягиваются друг к другу; они никогда не расталкивают друг друга. Это отличается от электрических сил, когда протон притягивает электрон — притягивает электрон к себе — два протона отталкиваются друг от друга. Сила тяжести всегда кажется притягательной и никогда не отталкивающей. Это трудно воспроизвести с помощью закона Кулона. Вместо этого Эйнштейн взял пример с наблюдений, предшествовавших Ньютону.

Среди самых известных экспериментов Галилея были его исследования падающих предметов. Архимед, древнегреческий философ, утверждал, что тяжелые предметы падают быстрее, чем более легкие.

Это было правдоподобное предположение, но не утверждение, основанное на тщательных наблюдениях. Галилей был настроен скептически и исследовал вопрос экспериментально. Действительно ли он сбрасывал предметы разной массы с Пизанской башни, является предметом научных дискуссий, но он провел эксперименты, в которых установил, что предметы разной массы падают на землю с одинаковой скоростью, пренебрегая тем фактом, что воздух стремится чтобы все замедлить. (На поверхность земли лист бумаги падает намного медленнее, чем кирпич, из-за сопротивления воздуха, но вы можете легко провести вариант этого эксперимента, сбросив два тяжелых предмета разного веса с одного и того же высота.)

За прошедшие века эти наблюдения были улучшены различными исследователями, включая Ньютона. Очень чувствительные эксперименты были проведены в конце 19 века бароном Лорандом Этвешем, венгерским физиком, который использовал другую стратегию, прикрепляя различные предметы к стержню. Устройство было настроено так, чтобы оно двигалось, если объекты разных типов по-разному реагировали на гравитацию, но не иначе. Этвёш установил, что для ряда веществ эти ответы были одинаковыми или лучше, чем одна миллионная; нынешние эксперименты в тысячи раз лучше.

В законах Ньютона масса связана с инерцией, скоростью, с которой вещи ускоряются под действием силы. Но это также связано с силой притяжения между двумя объектами. Ньютон, по-видимому, под влиянием Галилея, предположил, что эти два вида массы одинаковы. Но с точки зрения Ньютона это был просто факт; никакие глубокие принципы не навязывали эти отношения. Этвёш (и другие) установили, что инерционная масса такая же, как гравитационная масса с высокой степенью точности.

Теория Эйнштейна представила радикально новую концепцию пространства и времени. Они больше не были закреплены навечно, но откликались на присутствие материи.

Эйнштейн начал с этого наблюдения и предположил, что эквивалентность равна . Затем он провел очень простой, но очень оригинальный мысленный эксперимент в условиях повседневной жизни. Разрабатывая специальную теорию относительности, Эйнштейн рассуждал по аналогии с опытом одной важной технологии того времени — железных дорог. Теперь он рассуждал, ссылаясь на другую, более новую технологию — лифты.

Он представил, как перерезает трос лифта, чтобы лифт мог свободно падать (довольно страшная перспектива). Он отметил, что из-за этой предполагаемой эквивалентности инертной и гравитационной масс наблюдатели в лифте при свободном падении будут испытывать то, что мы сейчас называем невесомостью. Они могли бы, например, плавать в лифте или передавать мяч туда-сюда без чувства гравитации. Как если бы на объекты в лифтах не действовала гравитационная сила. К сожалению, для пассажиров это продлится только до тех пор, пока лифт не упадет на дно шахты.

Но в наши дни мы регулярно достигаем невесомости в космических путешествиях. Международная космическая станция, когда она вращается вокруг Земли, находится в состоянии свободного падения . Он падает из-за земного притяжения. Он остается на орбите, потому что нисходящая гравитация конкурирует с энергией движения, обеспечиваемой первоначальным запуском, чтобы космический корабль постоянно вращался вокруг Земли. Эффект свободного падения также может быть достигнут с самолетом путем отключения двигателей на определенный период времени. Обычно это делается в рамках подготовки космонавтов. Известно, что Стивен Хокинг, один из великих теоретиков гравитации, участвовал в таком полете в 2007 г.

У Эйнштейна не было такого преимущества, а самые высокие здания того времени допускали падение всего за 4–5 секунд. Но он понял, что явление невесомости следует из наблюдений Галилея и Этвеша. Эйнштейн назвал свою реализацию «самой счастливой мыслью в моей жизни» и возвел ее в принцип: ни один эксперимент не может отличить свободное падение в гравитационном поле от движения с равномерным ускорением (как в лифте). Он выдвинул гипотезу, свой «Принцип эквивалентности», что это должно применяться ко всем законам природы: гравитации, электромагнетизму и законам, которые еще предстоит открыть.

Отсюда до математических уравнений шла долгая борьба. Эйнштейн приблизительно знал, что он ищет, но когда он отправился в путешествие, у него не было подходящей математики для достижения этой цели. Давид Гильберт, профессор из Геттингена, Германия, и один из величайших математиков того времени, действительно знал необходимую математику и тоже искал теорию гравитации; вполне вероятно, что если бы он полностью разбирался в вопросах физики, то первым добрался бы до общей теории относительности, и он действительно почти это сделал.

Однако в 1915 году Эйнштейн завершил и опубликовал свою общую теорию. Теория отвечала его основным требованиям. Во-первых, это соответствовало принципам специальной теории относительности. Например, гравитационное взаимодействие распространяется со скоростью света; на расстоянии действия не было. Во-вторых, он включал принцип эквивалентности. Наконец, она сводилась к законам Ньютона, за исключением очень исключительных обстоятельств. Вокруг типичных звезд и планет поправки были бы очень малы.

Теория Эйнштейна представила радикально новую концепцию пространства и времени. Они больше не были закреплены навечно, но откликались на присутствие материи. Пространство может быть искривлено, время может течь быстрее или медленнее вблизи больших или меньших концентраций материи. Большинство физиков и математиков, знакомых с этой теорией, описали бы ее как прекрасную, но хотя принципы просты, математика довольно сложна, а расчеты могут быть сложными. Эйнштейн, однако, сосредоточился не только на великих принципах и прекрасной математике, но и на наблюдаемых следствиях теории. Поскольку в большинстве случаев поправки к законам Ньютона чрезвычайно малы, ему пришлось искать ситуации, когда эти эффекты, хотя и небольшие, были бы достаточно заметными, чтобы их можно было обнаружить. Он сделал три предсказания, которые можно было реально проверить с помощью доступных тогда технологий.

Одно из этих предсказаний правильнее было бы описать как «постдиктион», объясняющий уже известную загадку движения планеты Меркурий. Солнце оказывает доминирующее влияние на каждую из планет; планеты также притягиваются друг к другу, но эти эффекты относительно невелики. Принимая во внимание, во-первых, только силу Солнца, Ньютон показал, что планеты будут двигаться по орбитам в форме эллипсов, как это наблюдал Кеплер. Согласно Ньютону, эти орбиты должны сохранять свою форму и ориентацию на все времена, игнорируя притяжение других планет.

Еще во времена Ньютона астрономы с точностью изучали движение планет. Они тщательно вычисляли орбиты на бумаге, делая поправки на всевозможные мелкие эффекты, такие как притяжение планет друг к другу. Они сравнили эти расчеты с такими же тщательными наблюдениями. Они пришли к выводу, что небольшие поправки, связанные с другими планетами и другими эффектами, приведут к медленному отклонению от результатов Ньютона; эллипс будет постепенно вращаться с течением времени. Это называют (те, у кого память на школьную аналитическую геометрию лучше, чем у меня) прецессией перигелия. Уже в 1850-х годах астрономы заметили, что прецессия Меркурия не была вполне на скоростях, предсказываемых законами Ньютона; было небольшое отклонение. Они предложили множество объяснений, таких как маленькая невидимая планета или пыль, но ни одно из них не было убедительным.

Эйнштейн знал о несоответствии в движении Меркурия. Он понял, что Меркурий, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самую сильную силу гравитации и, таким образом, был многообещающим полигоном для проверки его теории. Эйнштейн решил вычислить поправку к результату Ньютона. Он обнаружил, что это именно то, что нужно для объяснения наблюдаемой прецессии. Я могу только представить, что он чувствовал. Для физика открытие нового закона природы является высшим достижением. Я предположил несколько, но вероятность того, что кто-то из них верен, как правило, невелика. Эйнштейн действительно вспомнил, что был чрезвычайно взволнован — он сказал, что у него учащенное сердцебиение, — и, получив правильный результат для перигелия Меркурия, убедился, что его теория верна.

Но изобретение теорий для объяснения возможных расхождений в наблюдениях все еще находится в сфере более «рутинной» науки. Еще лучше было впереди. Второе предсказание было настоящим предсказанием в том смысле, что он предложил измерение, которое еще не было выполнено, и предсказал результат. В теории Ньютона сила тяжести описывается как действующая на массу. Траектория спутника, проходящего рядом с Солнцем, будет искривляться под действием гравитации Солнца. Но в специальной теории относительности масса — это просто форма энергии, а в общей теории гравитация действует на все формы энергии. Свет не имеет массы, но несет энергию. Таким образом, пути световых лучей должны измениться с простых прямых линий, когда они проходят вблизи объектов с сильной гравитацией. В 1911, прежде чем теория была полностью разработана, Эйнштейн попытался рассчитать эффект. Он обнаружил, что во время солнечного затмения можно увидеть небольшое изменение положения звезд, выстроившихся вдоль Солнца.

Эйнштейн был гением — и ему тоже повезло. Как я уже сказал, математика общей теории относительности сложна и в то время была довольно незнакомой. Оказалось, что в своих первых расчетах отклонения света Солнцем, до того, как его теория была окончательно оформлена, Эйнштейн допустил ошибку. Он фактически получил значение, которое получил бы Ньютон, если бы энергия света рассматривалась как эквивалентная массе, через E = mc2.

Уже в 1912, а затем в 1914 году экспедиции по наблюдению за искривлением света во время затмений не дали результатов, первый раз из-за дождя, второй, когда он был отменен в связи с началом Первой мировой войны. В 1915 году, когда он опубликовал окончательную версию общей теории, он получил правильный результат для искривления света, найдя двойное ньютоновское значение. Война препятствовала дальнейшим измерениям до 1919 года.

В том же году двум экспедициям, одной на остров Принсипи под руководством английского астронома Артура Эддингтона, и одной в Бразилию под руководством Эндрю Кроммелина из Гринвичской обсерватории, удалось наблюдать эффект. Результаты были оглашены на совместном заседании Королевского общества и Королевского астрономического общества: предсказание Эйнштейна подтвердилось. К этому времени Эйнштейн был уже хорошо известен в научном сообществе, и отдельные статьи о нем появлялись в популярной печати, но теперь его имя стало нарицательным.

Заголовок London Times от 17 ноября 1919 года был типичен: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Ньютоновские идеи ниспровергнуты».

Когда я был студентом, общая теория относительности Эйнштейна была предметом восхищения — это то, о чем должен кое-что знать любой самопровозглашенный физик-теоретик. В то же время, говоря о том, что вы могли бы работать над этим , вы закатывали бы глаза. В те дни существовало лишь очень ограниченное свидетельство того, что теория верна — кроме перигелия и искривления света, только явление, называемое красное смещение — и казалось, что только мечтатели могли вообразить, что будут новые испытания.

Хуже того, теория в сочетании с квантовой механикой, предметом следующей главы, казалась бессмысленной. Атака на проблему поставила вас на грань еще большего. Тем не менее, большинство великих теоретиков той эпохи пытались решить эти вопросы, в том числе Ричард Фейнман и Лев Ландау (один из величайших русских физиков-теоретиков 20-го века). В 19В 80-х годах Стивен Хокинг поднял вопросы, которые оспаривали представление о том, что общая теория относительности и квантовая механика могут быть согласованы, и утверждал, что потребуется переформулировка квантовой механики.

За время моей карьеры все резко изменилось. Теория Эйнштейна теперь хорошо проверена. Наше понимание общей теории относительности является важным инструментом в наших исследованиях Вселенной. Наблюдение за черными дырами стало почти рутиной. Общая теория относительности — важнейший инструмент для определения состава нынешней Вселенной и, как мы увидим, необходимый для нашего понимания Большого взрыва. Недавнее открытие гравитационных волн, предсказанных теорией более века назад, открыло новое окно в астрофизические явления. Общая теория относительности даже играет роль в наших навигационных приложениях (через Глобальную систему позиционирования или GPS). Что касается квантовой механики, мы тоже многому научились, хотя экспериментальная проверка того, что мы действительно понимаем (и подсказки относительно того, чего мы не понимаем), вероятно, не за горами.

________________________________________________

Очень краткая история теории относительности – Physics World

Взято из августовского номера журнала Physics World за 2015 г.9hb 240pp

Кривые геометрии

25 ноября 1915 года, когда по всей Европе бушевала опустошительная война, Альберт Эйнштейн представил Прусской академии наук статью Die Feldgleichungen der Gravitation («Уравнения гравитационного поля»). Эта статья, последняя в серии из четырех, ознаменовала собой первую последовательную формулировку его общей теории относительности, задачу, которая ставила перед Эйнштейном задачу почти десятилетие. Золотой гусь теоретической физики, заманенный в Берлин в 1914, доставил бесценное яйцо.

Среди физиков общая теория считается величайшей работой Эйнштейна — шедевром, превосходящим даже его новаторские работы 1905 года по атомной гипотезе, квантовому свету и специальной теории относительности. Действительно, общая теория долгое время считалась одним из величайших триумфов науки 20-го века, проявлением силы , которое остается непревзойденным с точки зрения своей оригинальности, глубины и предсказательной силы. Заменив ньютоновский закон всемирного тяготения «действие на расстоянии» революционно новым взглядом на гравитацию как на искривление пространства-времени, Эйнштейн заложил основы нашего современного взгляда на мир в самых больших масштабах, исходя из нашего понимания черные дыры к модели Большого взрыва эволюции Вселенной.

В своей теории относительности 1905 года (позже названной «специальной теорией») Эйнштейн настаивал на том, что законы физики должны казаться идентичными для наблюдателей в равномерном относительном движении, что привело к предсказанию, что пространство и время не являются ни независимыми, ни абсолютными. Вместо этого наблюдатели, движущиеся с высокой скоростью относительно друг друга, будут по-разному воспринимать данный интервал в пространстве и времени. Задолго до того, как это поразительное предсказание удалось проверить экспериментально, Эйнштейн приступил к поиску более универсальной теории относительности, то есть теории, которая могла бы описывать тела в неравномерном (ускоренном) движении. Обеспокоенный тем, что новая теория будет включать гравитационные эффекты, он к своему удовольствию осознал в 1907, что эти две амбиции были одним и тем же. Это великое открытие — принцип эквивалентности — направило Эйнштейна на долгий и трудный путь к общей теории относительности.

В Шедевр Эйнштейна: 1915 год и Общая теория относительности Джон Гриббин представляет своевременный, краткий и очень доступный отчет о величайшей теории Эйнштейна и ее наследии сегодня. Приглашенный научный сотрудник в области астрономии в Университете Сассекса, Гриббин наиболее известен как плодотворный научный писатель. Более ранние заголовки включают популярные истории современной науки ( Наука: История ), квантовая теория ( В поисках кота Шредингера ) и космология ( В поисках Большого взрыва ), а также несколько научных биографий.

Здесь он обращает внимание на историю общей теории относительности, которую он рассказывает в контексте жизни и работы Эйнштейна до и после 1915 года. Во многих отношениях это логичный подход. Помимо создания повествования, которое в высшей степени удобочитаемо, наука представлена в историческом контексте таким образом, чтобы ее было легко усвоить.

Например, описав молодость Эйнштейна и студенческие годы, Гриббин обсуждает его ранние исследования в области статистической механики. Эта работа часто упускается из виду в популярных отчетах, но она заложила основу для новаторских работ Эйнштейна 1905 года. Точно так же автор объясняет, как Эйнштейн не мог продвинуться дальше своего принципа эквивалентности до появления геометризации специальной теории относительности Германа Минковского — или до того, как он приобрел достаточное мастерство в дифференциальной геометрии, чтобы применить подход Минковского к криволинейным геометриям.

Долгий путь Эйнштейна к общей теории относительности в последние годы был предметом многочисленных исследований ученых Эйнштейна, таких как Джон Стахель, Дон Ховард и Юрген Ренн, и отчеты об этой истории были даны на популярном уровне в таких книгах, как книга Амира Акзеля. Уравнение Бога , Любопытная история теории относительности Жана Эйзенштадта и Совершенная теория Педро Феррейры . Гриббин занимает свое место в этой литературе; хотя его повествование менее подробно, чем в любой из вышеперечисленных книг, оно ловко передает основные моменты на пути Эйнштейна к общей теории в характерно ясной и сжатой прозе.

Однако следует признать, что, помещая историю общей теории относительности в более широкий контекст жизни и творчества Эйнштейна, автор рискует рассказать историю, которая уже много раз рассказывалась прежде, не в последнюю очередь во множестве биографий Эйнштейна. Действительно, есть значительное совпадение с собственной книгой автора 1993 года «Эйнштейн: жизнь в науке» , написанной в соавторстве с Майклом Уайтом.

В принципе это не проблема, благодаря свежести письма и сверхъестественной способности автора передать глубокие научные идеи в нескольких четких предложениях. Однако, несомненно, бывают моменты, когда книга больше похожа на биографию Эйнштейна, чем на биографию его величайшей теории.

Например, глава, посвященная наследию общей теории относительности (от классических наблюдательных тестов до основополагающей роли теории в современной астрофизике и космологии), необычайно коротка, за ней следует глава, описывающая жизнь и науку Эйнштейна в его более поздние годы. Этому рецензенту показалось, что раздел «наследие» был бы лучше последней главы и мог бы быть более содержательным.

В частности, обсуждение Гриббином эволюции релятивистской космологии чрезвычайно кратко, учитывая центральное значение общей теории относительности в современной космологии. В то время как «статические» космические модели Эйнштейна и Виллема де Ситтера упоминаются вскользь, не обсуждается сопротивление Эйнштейна изменяющимся во времени космологиям Александра Фридмана и Жоржа Леметра, когда они были впервые предложены (и не проводится никакого различия между их очень разные подходы). Автор также не различает 19 лет Леметра.27 модели космического расширения и его более поздней гипотезы происхождения Вселенной, и нет обсуждения обращения Эйнштейна к изменяющимся во времени моделям космоса после наблюдений Эдвина Хаббла за галактиками. Эти упущения вызывают сожаление, поскольку недавние исследования показали, что космология Эйнштейна дает много информации о его мыслях как относительно относительности, так и относительно релятивистской космологии.

Также вызывает недоумение тот факт, что великий поиск Эйнштейном единой теории поля упоминается очень кратко, учитывая центральную роль общей теории относительности в этом долгом поиске. Как отмечают многие историки науки, именно большой успех геометрического подхода Эйнштейна к общей теории относительности заложил основу его непоколебимой убежденности в том, что путь к унификации лежит в дальнейших обобщениях уравнений поля (убеждение, которое разделял Эрвин Шредингер). . Наконец, я нашел возражение автора против сокращенного термина «общая теория относительности» несколько неисторичным и был разочарован тем, что знаменитые уравнения поля G _μ ν = — κ T _μ ν никогда не показывались.

Однако это незначительная критика, которая не должна отпугивать читателя от этой превосходной и информативной книги.