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

Как Эйнштейн однажды потерялся, чуть не потеряв и общую теорию относительности / Хабр

К 1913 году Альберт Эйнштейн почти закончил общую теорию относительности. Но одна простая ошибка привела к тому, что он два года мучительно пересматривал свою теорию. И сегодня математики всё ещё сражаются с теми трудностями, что встали у него на пути.

Альберт Эйнштейн выпустил свою общую теорию относительности в конце 1915 года. А должен был бы закончить её на два года раньше. Когда исследователи изучали его записи того периода, они увидели практически законченные уравнения, в которых не хватало лишь парочки деталей. «Это должна была быть окончательная теория», — сказал Джон Нортон, эксперт по Эйнштейну и историк науки из Питтсбургского университета.

Но Эйнштейн в последний момент допустил критическую ошибку, отправившую его на путь сомнений и открытий – такой сложный, что тот едва не стоил ему его величайшего научного достижения. Последствия его решения продолжают отзываться в математике и физике сегодняшнего дня.

И вот эта ошибка. ОТО должна была вытеснить ньютоновскую гравитацию. Это значит, то она должна была объяснить те же самые физические явления, с которыми справлялись уравнения Ньютона, а также иные явления, которые ньютоновская теория объяснить не могла. Однако в середине 1913 года Эйнштейн убедил себя, и это было его ошибкой, что его новая теория не описывает те случаи, при которых гравитация оказывается слабой – а эти случаи теория Ньютона описывала хорошо. «Оглядываясь назад, эта ошибка кажется очень странной», — сказал Нортон.

Эйнштейн считал, что для исправления кажущегося недостатка нужно было отказаться от того, что составляло основу его новой теории.

Эйнштейновские уравнения гравитационного поля – уравнения ОТО – описывают, как форма пространства-времени реагирует на присутствие материи и энергии. Для описания этих изменений необходимо назначить пространству-времени систему координат – нечто вроде линий широты и долготы – обозначающую, где какие точки находятся.

Самое важное, что необходимо уяснить по поводу координатных систем – они придуманы людьми. В одной системе точка может иметь координаты (0, 0, 0), а в другой — (1, 1, 1). Физические свойства не менялись, мы просто пометили точку по-другому. «Эти метки имеют отношение к нам, а не к окружающему миру», — сказал Джеймс Везерол, философ науки из Калифорнийского университета в Ирвине.

Сначала Эйнштейн хотел, чтобы его уравнения не зависели от координат (он называл это принципом общей ковариантности), то есть, чтобы они выдавали правильные и непротиворечивые описания Вселенной вне зависимости от того, какую систему координат вы используете. Но Эйнштейн убедил себя, что для исправления ошибки, которую, как он считал, он совершил, необходимо было отказаться от общей ковариантности.

Ему это не только не удалось, он ещё и преумножил ошибки: он попытался показать, что его теория не могла бы обладать независимостью от координат даже в принципе, поскольку это нарушало бы законы причины и следствия. Как указывалось в одной из исследовательских работ по Эйнштейну, «для первоклассного разума нет ничего легче, чем придумать благовидные причины, по которым то, что не может сделать он, не может сделать никто».

Но Эйнштейн выбрался из этой ситуации как раз вовремя. К концу 1915 года ему уже было известно, что влиятельный немецкий математик Давид Гильберт очень близко подошёл к завершению своей общей теории относительности. За несколько беспокойных недель в ноябре 1915 Эйнштейн вернулся к тем уравнениям ОТО, что у него были изначально, и добавил несколько финальных штрихов. В ноябре 1915-го, на первой из четырёх лекций в Прусской академии наук, он объявил о своём достижении. И с тех пор наши взгляды на физический мир изменились навсегда.

Сегодняшние эйнштейновские уравнения подчиняются принципу общей ковариантности. Они выдают одинаковые физические истины о вселенной – как пространство-время искривляется в присутствии энергии и материи – вне зависимости от того, какие координаты вы используете для разметки.

Однако математики и физики до сих пор сражаются с теми трудностями, связанными с координатными системами, что замедлили Эйнштейна 100 лет назад. К примеру, монументальная попытка помирить ОТО с квантовой теорией спотыкается, в частности, из-за трудностей, связанных с разработкой теории квантовой гравитации, обладающей такой же ковариантностью, которой достигли уравнения Эйнштейна. «В каком-то смысле можно говорить, что у нас нет адекватной квантовой теории гравитации потому, что мы не знаем, как выразить решения уравнений Эйнштейна так, чтобы в них пропала зависимость от координат», — сказал Везерол.

На практике сложности обычно возникают с тем, чтобы нарушить ковариантность уравнений Эйнштейна – то есть, выбрать определённую координатную систему, хорошо подходящую для решения определённой проблемы. Эта трудность особенно сильно мешает математикам, изучающим гипотезу стабильности чёрной дыры. Для каждой определённой задачи какая-то одна координатная система подходит лучше других – и выбор координатной системы и её подстроек к изменению решения находится в области математического искусства.

Новые доказательства были бы получены гораздо проще, если бы существовала одна, универсальная система координат, хорошо подходящая для любой задачи и любой конфигурации пространства-времени. Но, как обнаружил Эйнштейн в течение тех лет обременительных странствий, Вселенная не признаёт какого-то привилегированного выбора координат.

«Дело не просто в том, что у нас нет такого выбора, — сказал Везерол. – Дело в том, что один из уроков, данных нам Эйнштейном, заключается в том, что было бы ошибкой ожидать наличия такого выбора».

Открыл теорию относительности, 8 (восемь) букв

Вопрос с кроссворда

Ответ на вопрос «Открыл теорию относительности «, 8 (восемь) букв:
эйнштейн

Альтернативные вопросы в кроссвордах для слова эйнштейн

Альберт … (теория относительности)

В честь какого выдающегося учёного Эмметт Браун, главный герой трилогии «Назад в будущее», назвал свою собаку?

В 1919 году Артур Эддингтон во время полного солнечного затмения доказал, что свет звёзд отклоняется вблизи Солнца на величину, предсказанную этим физиком

Русский физик

Герой Зиновия Гердта в фильме «Бегство Мак-Кинли»

Его вывод о том, что нельзя двигаться быстрее скорости света, Константин Циолковский не принял как противоречащий планам по заселению космоса

Говоря о «принципе неопределённости» в квантовой механике он сказал, что Господь Бог не играет в кости

Определение слова эйнштейн в словарях

Энциклопедический словарь, 1998 г.

Значение слова в словаре Энциклопедический словарь, 1998 г.

ЭЙНШТЕЙН (Einstein) Альберт (14 марта 1879, Ульм, Германия — 18 апреля 1955, Принстон, США) физик-теоретик, один из основателей современной физики, создатель теории относительности, автор основополагающих трудов по квантовой теории и статистической физике. …

Википедия

Значение слова в словаре Википедия

Эйнште́йн (русское обозначение: Э ; международное: E ) — внесистемная единица количества квантов света ( фотонов ) определённой частоты , используемая в фотохимии . Аналогична единице количества вещества в Международной системе единиц — молю . В одном эйнштейне …

Примеры употребления слова эйнштейн в литературе.

В улее Великого Белого Братства формировались Гермес Трисмегист, влияние которого на итальянское Возрождение было неопровержимым, как и на гностицизм Принстона, Гомер, галльские друиды, Соломон, Солон, Пифагор, Плотин, Иосиф Аримафейский, Алкуин, король Дагобер, святой Томас, Бэкон, Шекспир, Спиноза, Яков Беме, Дебюсси, Эйнштейн.

Об этом наскоке широко оповестило агентство Ассошиэйтед пресс, и давнишний друг Эйнштейна послал ему из Лондона отчет о нем, появившийся в Берлине.

Эйнштейна: ведь Спиноза был атеист и материалист — об этом можно узнать из любой отечественной книги последних лет, посвященной спинозовской философии.

Как же найти критерий выбора, если Бор спорит с Эйнштейном или Брауэр с Гильбертом?

Такую позицию, в частности, занимал первооткрыватель корпускулярно-волнового дуализма Эйнштейн.

Когда Сцилард и Вигнер блуждали по знойному побережью Лонг-Айленда, не помня точного адреса летнего пристанища Эйнштейна, их выручил семилетний малыш на обочине дороги: имя знаменитого дачника он знал отлично.

Источник: библиотека Максима Мошкова

ESA Science & Technology – 100 лет общей теории относительности

Ноябрь 2015 года ознаменовался заметным юбилеем в истории физики: сто лет назад Альберт Эйнштейн представил свою общую теорию относительности в виде четырех статей Прусской академии наук в Берлине 4, 11, 18 и 25 ноября. 1915. Революционный подход того времени, общая теория относительности остается на сегодняшний день лучшей физической теорией для описания гравитации, особенно в космических масштабах.

Новое настроение

До общей теории относительности ведущей теорией тяготения был закон всемирного тяготения Исаака Ньютона, который объединял описание движущихся массивных тел как на Земле, так и в Солнечной системе. В рамках Ньютона гравитация — это дальнодействующая сила притяжения, действующая между любыми двумя массивными объектами. Оно прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату их расстояния. В то время как теория Ньютона по-прежнему является отличным приближением к гравитации в различных ситуациях, особенно в нашей повседневной жизни, новый подход Эйнштейна позволяет более полно объяснить поведение гравитации, особенно в экстремальных случаях.

На рубеже двадцатого века единственной физической проблемой, которая оставалась необъясненной в рамках ньютоновской гравитации, был крошечный сдвиг орбиты Меркурия. После каждого оборота ближайшая точка планеты к Солнцу, или перигелий, оказывалась в несколько ином положении — это явление известно как прецессия. Теория Ньютона не могла полностью объяснить величину этой прецессии, вплоть до того, что астрономы предположили существование невидимой планеты на орбите Меркурия.

Однако не это было главной причиной того, что Эйнштейн разработал новую теорию гравитации. В 1905 году он разработал свою специальную теорию относительности, показав, что пространство и время не независимы, а тесно переплетены в четырехмерном пространственно-временном континууме. Кроме того, они не являются абсолютными, но можно видеть, что они сжимаются или расширяются в зависимости от скорости наблюдателя. В 1907 году Эйнштейн начал работать над теорией, которая включала бы и гравитацию, но он не смог найти способ обратиться к ней в «плоском» пространстве-времени специальной теории относительности. В конце концов он понял, что ему необходимо расширить описание пространства-времени и его структуры за пределы правил классической геометрии, где параллельные линии никогда не пересекаются, а сумма углов треугольника равна 180°.

Используя сложный математический формализм неевклидовой геометрии, разработанный Бернхардом Риманом и другими математиками в 19 веке, Эйнштейн смог более гибко описать пространство-время, указав гравитацию как источник его искривления. В общей теории относительности пространство-время не является «плоским», а искривлено наличием массивных тел, которые, перемещаясь в пространстве-времени, постоянно изменяют его кривизну. Затем гравитация обеспечивает описание динамического взаимодействия между материей и пространством-временем.

От предсказания к эксперименту

Общая теория относительности успешно объяснила дополнительное смещение прецессии перигелия Меркурия, которое нельзя было объяснить гравитацией Ньютона. Кроме того, он предсказал ряд новых физических явлений, которые позже найдут экспериментальное подтверждение.

В искривленном пространстве-времени общей теории относительности свободно падающие объекты, подверженные только гравитации, движутся по геодезическим линиям — эквиваленту прямых линий в криволинейной геометрии. Фотоны, безмассовые частицы света, путешествуют по особым геодезическим линиям, очерчивающим минимальный путь между двумя объектами.

Эти траектории, как правило, не прямые, но могут искривляться, если на пути присутствуют массивные объекты. С точки зрения удаленного наблюдателя, это искажение пути света эффективно похоже на фокусировку света обычной стеклянной линзой и поэтому известно как гравитационное линзирование.

Определенная степень искажения света предсказывается и в рамках теории Ньютона, и Эйнштейн получил такое же значение в 1911 году, когда его теория еще не была завершена. Однако при полной трактовке общей теории относительности гравитационное линзирование, оказываемое массивным телом на близлежащий проходящий свет, вдвое больше.

Двойное изображение далекого квазара, свет которого гравитационно линзируется галактикой на переднем плане; галактика видна как более слабый источник в центре. Авторы и права: НАСА, ЕКА и Дж.А. Муньос (Университет Валенсии)

Несколько групп астрономов пытались измерить во время солнечного затмения, насколько Солнце вызывает отклонение пути света от фоновых звезд, но безуспешно до 1919 года. Затем экспедиция под руководством Артура Эддингтона на Принсипи, небольшой остров на западе побережья Африки, а параллельная экспедиция под руководством его коллеги Эндрю Кроммелина в Собрал, на северо-востоке Бразилии, измерила положения звезд на участке неба вблизи затменного Солнца 29Май 1919 года. Звезды оказались сдвинутыми по отношению к их обычному положению на величину, которую Эйнштейн предсказал с помощью своей общей теории относительности.

Измерение гравитационного линзирования во время затмения 1919 года стало первым экспериментальным доказательством теории гравитации Эйнштейна. Гравитационное линзирование в настоящее время является процветающей областью астрофизики с момента открытия в 1979 году первого астрономического источника, свет которого настолько сильно искажен присутствием галактики на переднем плане, что он выглядит как два разных изображения.

Черные дыры, расширяющаяся Вселенная и не только

Другие предсказания общей теории относительности касаются черных дыр, небесных тел настолько плотных, что ничто, даже свет, не может избежать их гравитационного притяжения. Эти объекты выдвигались гипотезами и изучались теоретически в течение многих десятилетий, пока в 1970-х годах массив данных наблюдений не стал ошеломляющим.

Многочисленные черные дыры были обнаружены путем изучения пекулярного движения звезд и газа в их окрестностях. С одной стороны, существуют относительно небольшие черные дыры с массой в несколько раз больше массы Солнца, возникшие в результате коллапса массивных звезд; с другой стороны, сверхмассивные черные дыры массой от миллионов до миллиардов солнечных находятся в центре большинства массивных галактик, включая наш Млечный Путь.

Публикация общей теории относительности также знаменует собой рождение современной космологии, поскольку эта теория предоставила подходящую основу для изучения гравитации в самых больших масштабах. Вскоре после 1915 года Эйнштейн и другие физики, включая Александра Фридмана, Виллема де Ситтера и Жоржа Леметра, начали применять уравнения общей теории относительности для изучения динамики Вселенной в целом. Эти расчеты выявили нестабильную Вселенную, либо сжимающуюся, либо расширяющуюся, которая не соответствовала общепринятому в то время представлению о стационарном космосе, однородном как в пространстве, так и во времени. Эйнштейн попытался приспособить свои уравнения к стационарной Вселенной, добавив дополнительный член — космологическую постоянную.

Интересно, что вскоре астрономические наблюдения Весто Слайфера, Милтона Хьюмасона и особенно Эдвина Хаббла показали в 1929 году, что галактики за пределами нашей галактики, по-видимому, постоянно удаляются друг от друга в общем космическом расширении — точно так же, как это было раньше. было предсказано несколькими годами ранее.

Но есть еще одно предсказание общей теории относительности, которое ускользает от доказательства: излучение гравитационных волн — ряби в ткани пространства-времени — любым массивным телом, ускоренным подходящим образом. В то время как косвенные доказательства были обнаружены в конце 1970-х годов путем наблюдения слабого ускорения двух звездных остатков, пульсара и нейтронной звезды, в двойной системе, физики все еще пытаются напрямую обнаружить гравитационные волны с помощью наземных экспериментов и, в Будущие космические обсерватории.

(Обновление от 12 февраля 2016 г.: высокочастотная гравитационная волна, излучаемая парой сливающихся черных дыр, была впервые обнаружена напрямую с помощью усовершенствованной гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром. )

Миссия ESA LISA Pathfinder тестирует технологии обнаружения гравитационных волн из космоса, присоединяясь к увлекательному поиску подтверждения еще одного предсказания общей теории относительности Эйнштейна.

Написано Клаудией Миньоне

Последнее обновление: 1 сентября 2019 г.

Эйнштейн в поисках единой теории

Прославившись несколькими блестящими прорывами в физике фотоэлектрических эффектов, теории движения и теории движения, специальной и общей теорий относительности, Альберт Эйнштейн провел последние тридцать лет своей жизни в бесплодных поисках способа объединить гравитацию и электромагнетизм в единую элегантную теорию.

Эйнштейн руководствовался интеллектуальной потребностью объединить силы природы. Он очень сильно чувствовал, что вся природа должна быть описана одной теорией. «Интеллект, ищущий интегрированную теорию, не может удовлетвориться предположением, что существуют две отдельные области, полностью независимые друг от друга по своей природе», — сказал Эйнштейн в своей Нобелевской лекции в 1923 году. между необходимостью разрешить кажущиеся парадоксы квантовой механики и необходимостью объединить электромагнетизм и гравитацию. Эйнштейн всегда настаивал на том, что квантовую механику можно вывести из какой-то более полной теории. Для Эйнштейна, который никогда не был удовлетворен причудливостью и случайностью, присущими квантовой теории, любая приемлемая единая теория поля должна была иметь следствием квантовую механику.

В 1920-х годах, когда Эйнштейн начал свою работу над единой теорией поля, электромагнетизм и гравитация были единственными известными силами, а электрон и протон были единственными известными субатомными частицами. Большинство физиков того времени были в восторге от недавно открытой квантовой теории и проводили время, поглощенные изучением ее причудливых и интересных следствий. Они не видели большой потребности в теории, объединяющей электромагнетизм и гравитацию.

Но Эйнштейн и несколько других ученых работали над проблемой объединения. В 1918 Герман Вейль предложил схему объединения, основанную на обобщении римановой геометрии. Вдохновленный работой Вейля, Теодор Калуца ​​показал, что, расширив пространство-время до пяти измерений, можно получить уравнения Эйнштейна в четырех измерениях, а также дополнительный набор уравнений, эквивалентный уравнениям Максвелла для электромагнетизма. Пятое измерение было бы компактным, свернутым настолько маленьким, что мы не могли бы его обнаружить. Позже Оскар Клейн усовершенствовал эту идею.

Эйнштейну понравился пятимерный подход. В 1919 году он писал Калуце: «Идея достижения объединения с помощью пятимерного цилиндрического мира никогда бы не пришла мне в голову . .. На первый взгляд, ваша идея мне чрезвычайно нравится». Калуца ​​опубликовал свою статью в 1921 г., а Эйнштейн опубликовал свою первую статью по единой теории поля вместе с Джейкобом Громмером, следуя аналогичному подходу, в 1919 г.22.

Другой подход, который пробовал Эйнштейн, заключался в расширении общей теории относительности за счет включения уравнений электромагнетизма путем обобщения метрического тензора при сохранении четырехмерной геометрии.

Эйнштейн упорно работал над этими двумя основными подходами в течение последних тридцати лет своей жизни, но ни один из методов так и не привел к созданию полной единой теории, которую он искал.

Он преследовал и вскоре отвергал идею за идеей. «Большинство моих интеллектуальных отпрысков оказываются очень молодыми на кладбище обманутых надежд», — писал Эйнштейн в письме в 1919 году.38.

Но он никогда не отказывался от своих поисков единой теории. Даже лежа на смертном одре, он продолжал свою работу. За день до смерти он попросил принести ему его последние записи.

Одной из причин того, что Эйнштейну не удалось открыть единую теорию, может быть его неприятие квантовой механики, что заставило его игнорировать новые достижения в физике и дистанцироваться от остального физического сообщества. Эйнштейн знал о своей позиции и в 1954 году заметил, что «я должен выглядеть как страус, который навсегда прячет голову в релятивистский песок, чтобы не столкнуться со злыми квантами». Но чем больше он работал над объединением, тем дальше Эйнштейн отдалялся от остального физического сообщества.

Он также все больше и больше погружался в формальные математические рассуждения, вместо того чтобы следовать физической интуиции, которая в юности привела его к великим открытиям.

Многие говорят, что Эйнштейн потерпел неудачу, потому что просто опередил свое время. Знания и инструменты, необходимые для завершения единой теории, просто не были разработаны до смерти Эйнштейна в 1955 году.

Сегодня многие физики берутся за его поиски. Наиболее многообещающим подходом представляется теория струн, которая требует 10 или более измерений и описывает все элементарные частицы как колеблющиеся струны, причем разные режимы вибрации производят разные частицы.