Касьянов Владимир 6. Кто создал теорию относительности? Отвечая на вопрос, почему теорию относительности создал все-таки он, а не кто-то другой, Эйнштейн утверждал: «Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я уже стал взрослым». Однако… Были и иные «ненормальные люди», которые всё-таки задумывались о пространстве и времени, а также о явлениях с ними связанными, не только в детском, но и зрелом возрасте. К таким учёным можно отнести Галилея, Максвелла, Физо, Майкельсона, Морли, Миллера, Пуанкаре, Лоренца и многих иных. Галилео Галилей ещё в 1632 году в книге «Диалоги», рассуждая о главнейших системах мира — птоломеевой и коперниковой, сформулировал принцип относительности, утверждающий эквивалентность различных инерциальных систем отсчёта. В 1818 году Френель, основываясь на волновой теории, успешно объяснил явление дифракции. К середине XIX века волновая природа света стала доминирующей концепцией. Так как все известные к тому времени волновые процессы протекали в той или иной среде (вода, воздух), достаточно естественной оказалась модель эфира, некоторой субстанции, возмущения которой проявляются как электромагнитные волны. В 1864 году Максвелл, обобщая экспериментальные открытия Эрстеда, Ампера и Фарадея в 1864 записал систему уравнений, описывающих эволюцию электромагнитного поля. Из этих уравнений следовало, что в пустом пространстве электромагнитные волны распространяются со скоростью света. На основании этого была выдвинута гипотеза о волновой, электромагнитной природе света. В 1851 г. Физо поставил эксперимент по измерению скорости света в движущейся среде, в качестве которой выступал поток воды. Серию следующих важных экспериментов в 1881 г. предпринял Майкельсон. При помощи интерферометра он измерял время прохождения света в двух перпендикулярных направлениях. Ориентация интерферометра изменялась в пространстве, поэтому при отсутствии увлечения эфира Землёй появлялась возможность по разности времён определить абсолютную скорость движения Земли относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Эксперимент дал отрицательный результат, смещение полос интерференционной картины не совпало с ожидаемым (теоретическим). Были и иные учёные, «приложившие голову и руку» с разработке и становлению теории относительности. Особо важную роль в окончательном формулировке СТО Эйнштейна, сыграли такие выдающиеся учёные как Пуанкаре и Лоренц. Об их вкладе в эту теории, как предшественников Эйнштейна, речь пойдёт ниже. *** Статья «К электродинамике движущихся тел», положившая начало теории относительности, была написана Эйнштейном за пять недель и завершена в июне 1905 года. Утверждают, что профессор физики Форстер, прочитав статью, честно признался: «Прочел, но ровно ничего не понял», а знаменитый Конрад Рентген долго удивлялся: «Все это никак не укладывается в голове». Физик-теоретик Эренфест полностью разделал его мнение: «Причудливые блики незаземленной мысли». Ну, а Поль Ланжевен даже умудрился подсчитать: мол, теорию относительности понимают только 12 человек в мире — так называемые «апостолы» теории относительности. Однако Эйнштейн, в ответ на такие «непонятности» напоминал о том, что «Воображение важнее знаний. Самое главное — не прекращать задавать вопросы». Мол, очень важно и жизненно необходимо, представлять (и как можно чаще) самое невероятное, — как это делали наши предки, фантазировавшие о коврах-самолётах, сапогах-скороходах, всевидящих зеркальцах и иных чудесах, которые изначально не существовали в природе. А дальше, мол, произойдёт настоящее чудо — материализация воображаемоего в реальное явление, процесс, продукт и прочее. В том числе, и в невероятную физическую теорию. Первым из крупных ученых, кто обратил внимание на статью Эйнштейна был Макс Планк (1858-1947) — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1918), один из руководителей немецкой науки. Планк написал Эйнштейну письмо, в котором сравнил значение его теории с открытием Коперника. Но потом, не без помощи того же Планка, Эйнштейн едва не лишился работы. Тот написал в Бернский университет о том, что в их городе живет гениальный физик, «некто Альберт Эйнштейн». Эйнштейн прославился и тем, что умел оригинально отвечать на вопросы журналистов. Однажды его спросили, ведет ли он картотеку своих идей. Эйнштейн ответил, что хорошие идеи так редко приходят в голову, что их можно помнить и без картотеки. |
Преобразования, связывающие результаты наблюдений относительно двух инерциальных систем отсчёта, получили название преобразования Галилея. Принцип относительности сыграл важную роль как в классической механике, так и в специальной теории относительности.
Уравнения Максвелла при этом интерпретировались как записанные относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Возник вопрос о взаимосвязи движущихся материальных тел и эфира. В частности, увлекается ли эфир движущимися сквозь него объектами, подобно увлечению воздуха в трюме корабля? Последовала серия экспериментов по выяснению характера увлечения эфира и определения скорости Земли относительно этой субстанции.
Это могло свидетельствовать либо о полном увлечении эфира, либо о неподвижности Земли. Последняя возможность была маловероятна, так как Земля со скоростью 30 км/c двигается, по крайней мере, вокруг Солнца. Привлечение же гипотезы полного увлечения эфира противоречило наблюдаемой годовой аберрации звёзд, которая в этом случае отсутствовала бы. В дальнейшем эксперименты Майкельсона неоднократно повторялись (Майкельсон и Морли (1887), Морли и Миллер (1902-1904), и т. д.). Для уменьшения потенциального эффекта увлечения эфира установка поднималась в горы, однако получался результат, не совпадающий с ожидаемым.
Вышла из печати объемом в 30 страниц в берлинском журнале «Annalen der Physik» («Анналы физики») в сентябре того же года. В статье не было ни одной библиографической ссылки, ни одной цитаты. К сожалению, ее рукопись затерялась в старых архивах этого журнала. И когда Фонд комитета друзей испанской свободы попросил Эйнштейна о материальной помощи, ему пришлось восстановить свою рукопись (переписать заново), чтобы продать ее коллекционерам. В 1944 году библиотека Конгресса США в Вашингтоне купила эти три десятка страничек за 6 миллионов долларов.
Университетское руководство предложило новоявленному гению предоставить свои научные работы. После ознакомления с содержанием статьи, было высказано единодушное мнение: «Теория какая-то странная. Мало что в ней понятно». И йнштейну было отказано в праве преподавания. И лишь после личного ходатайства Ганса Ладенбурга, — крупного ученого с европейским именем, Эйнштейну разрешили читать необязательный курс лекций в Бернском университете без оплаты. Его курс посещали три человека. Потом он получил место в университете Цюриха, где на его лекции записались 17 студентов. За чтение этих лекций уже платили жалование, хотя и меньшее, чем в патентном бюро. Да и преподавателем Эйштейн оказался не очень хорошим — не мог доступно излагать непростые вопросы физики тех времён.
В 1921 году Эйнштейну присудили Нобелевскую премию по физике. Но в научном мире было столько противников теории относительности, что Нобелевский комитет не осмелился присудить эту премию за теорию относительности. В формулировке сказано: «За открытие закона фотоэлектрических явлений и за другие работы по теоретической физике». Эйнштейн не смог присутствовать на церемонии вручения премии и свою Нобелевскую лекцию прочитал лишь год спустя.Буфеев В.А. Кто и как создал теорию относительности: история создания и развития понимания теории относительности (М., 2015)
Буфеев В.А. Кто и как создал теорию относительности: история создания и развития понимания теории относительности (М., 2015) — ОГЛАВЛЕНИЕ
|
А. Кто и как создал теорию относительности: история создания и развития понимания теории относительности. — М.: URSS: Ленанд, 2015. — 213 с. — (Физико-математическое наследие. Физика (история физики)) (Науку — всем! Шедевры научно-популярной литературы. Физика; N 96).
Принцип относительности
в формулировке А. Эйнштейна ................................. 28
4 Преобразования Лоренца. Преобразования Галилея .............. 62
5 Закон сложения скоростей .................................... 68
6 Релятивистский эффект сокращения длин отрезков и
замедления временных интервалов и его физический смысл ...... 73
Эффект лоренцева сокращения продольных размеров движущихся
отрезков .................................................... 74
Релятивистский эффект замедления временных интервалов ....... 74
О практическом выборе собственных масштабов длины и
времени и собственной одновременности в инерциальных
системах отсчета отсчета .................................... 82
7 Закон изменения массы со скоростью. Энергия и импульс в
теории относительности ...................................... 85
8 Закон взаимосвязи массы и энергии ........................... 90
9 Дефект массы .
............................................... 94
10 Закон сохранения энергии и массы в теории относительности ... 96
11 Релятивистский закон движения ............................... 99
12 Экспериментальные подтверждения теории относительности ..... 103
13 Вклад в теорию относительности Дж-Лармора .................. 111
14 Вклад в теорию относительности Г.А. Лоренца ................ 113
15 Вклад в теорию относительности П. Ланжевена ................ 131
16 Философские проблемы теории относительности ................ 137
17 Заключение ................................................. 163
18 Приложение. Новое в историографии релятивистской теории
тяготения (общей теории относительности) ................... 180
Список литературы ............................................. 200
Проведен анализ логических основ построения теории относительности А.Пуанкаре, Г.А.Лоренцем, Дж.Лармором, П.Ланжевеном и А.Эйнштейном. Показано, что физически наиболее общим, логически строгим, непротиворечивым и полным подходом при построении релятивистской теории является подход А.Пуанкаре, получивший в наше время дальнейшее развитие (А.А.Логунов, А.А.Тяпкин и др.). Приведены малоизвестные исторические факты по теории относительности и релятивистской теории гравитации (общей теории относительности). В частности, представлены важные подтверждения в пользу того мнения, что А.Эйнштейн до опубликования в 1905 г. статьи «К электродинамике движущегося тела» в журнале «Aimalen der Physik» был знаком с работами по теории относительности Г.А.Лоренца, А.Пуанкаре и других классиков релятивизма. В работе также описана драматичная история открытия и обнародования Д.Гильбертом (20 ноября 1915 г.) и А.Эйнштейном (25 ноября 1915 г.) релятивистских уравнений гравитации — уравнений Гильберта-Эйнштейна.
Отмечено, что А.Эйнштейн был заранее по своей просьбе ознакомлен Д.Гильбертом с полученными им уравнениями, но не упомянул имени Гильберта в своем публичном академическом докладе (25 ноября 1915 г.) и в последовавшей затем его публикации.
|
[О библиотеке | Академгородок | Новости | Выставки | Ресурсы | Библиография | Партнеры | ИнфоЛоция | Поиск | English] | |||||
| |||||
ruДокумент изменен: Wed Feb 27 14:27:38 2019 Размер: 10,082 bytes.
Посещение N 1961 c 16.06.2015
Общая теория относительности: 100 лет самой красивой из когда-либо созданных теорий
Наука —
Кто создал общую теорию относительности Эйнштейна? И действительно ли большинство
знают, что там написано?
Ли Филлипс
—
Альберт Эйнштейн в 1919 году, после полетов затмений, которые подтвердили общую теорию относительности.
Общественное достояние
Это одна из самых известных теорий, когда-либо созданных, но общая теория относительности не возникла из-за одной удивительной статьи, такой как специальная теория относительности в 19 году.05. Вместо этого рождение общей теории относительности было более хаотичным, с участием нескольких лекций, рукописей и более чем одного родителя.
Сто лет назад, этой осенью, эта мучительная работа заняла почти целый месяц в ноябре 1915 года. Закончив, Эйнштейн наконец представил теорию в совершенном виде, если не уже созревшую, и дрожащую от потенциала. Сегодня общая теория сохраняет свой статус нашей современной теории гравитации, и ее основные уравнения остаются неизменными.
Тем не менее, мы узнали гораздо больше о предыстории и последствиях общей теории относительности в прошлом столетии. Фактически, со временем эта модель гравитации, пространства и времени стала рассматриваться многими, кто знает ее, как, возможно, «самую красивую из всех существующих физических теорий».
Но чтобы в полной мере оценить всю сложность общей теории относительности — в сущности и творении — нужно начать с самого начала.
Все
знают относительность
Конечно, многие люди знакомы со знаменитой общей теорией относительности в том смысле, в каком они знакомы с любой знаменитостью. Но что заставляет теорию тикать не всегда так хорошо известен. Возможно, лучший подход к общей теории относительности — через Исаака Ньютона и его теорию гравитации. Гравитация Ньютона (в сочетании с его законами движения) точно предсказывала движение небесных тел на протяжении более 200 лет. Это было первое великое объединение в физике, связавшее наш земной опыт с падающими яблоками напрямую с силой, связывающей воедино Солнечную систему. Работа Ньютона — это начало современной науки, и лучший способ начать понимать теорию относительности — это попытаться понять, что Эйнштейн нашел неприемлемым в ньютоновской модели Вселенной.
Ньютон объяснил, что гравитация — это сила между любыми двумя объектами, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними: простая алгебраическая формула.
Эта сила была мгновенным действием на расстоянии без какой-либо среды или механизма.
Эйнштейн признал несколько концептуальных проблем классической теории гравитации. Его специальная теория относительности подразумевала, что предел космической скорости, скорость света, применяется ко всем воздействиям, сигналам и информации, а не только к физическим частицам. Это присуще симметрии пространства-времени и требованию, которое вызывает предшествующие эффекты. Но ньютоновская модель гравитации подразумевала, что ее силы включаются и выключаются мгновенно, когда появляются и исчезают массы; в классической теории нет ничего, что допускало бы конечную скорость распространения гравитации, как уравнения Максвелла описывали конечную и определенную скорость света в вакууме.
Рекламное объявление
Было также таинственное отождествление гравитационной массы с инертной массой, фигурирующей в законе движения Ньютона. Это многовековое кажущееся совпадение требовало объяснения.
Эйнштейн начал свое критическое исследование гравитации так же, как и со своей специальной теорией, — с мысленного эксперимента. Он представил себя в коробке без окон, наслаждающейся обычным гравитационным полем, но в остальном полностью изолированным от любой информации извне. После некоторого размышления становится ясно, что он никак не мог определить, находились ли он и его ящик в гравитационном поле, скажем, на поверхности Земли или в глубоком космосе, вдали от любого источника гравитации, но будучи равномерно ускоряется, скажем, ракетой, прикрепленной к днищу ящика. Не существует ни практического, ни принципиального эксперимента, который позволил бы различить две ситуации (пренебрегая небольшой неравномерностью земного притяжения, которую можно было бы измерить на конечном расстоянии, и рассматривая точку зрения одной точки в пространстве). .
Применяя максиму Уильяма Джеймса о том, что «различие, которое не имеет значения, вообще не является различием», Эйнштейн преобразовал это наблюдение в то, что он назвал своим принципом эквивалентности .
Его настойчивость в том, что теория гравитации и движений, которые она вызывает, уважает этот принцип в своей основе, стала краеугольным камнем общей теории. Методическая обработка его следствий в математической форме превратилась временами изнуряющей навязчивой идеей в течение многих лет, кульминацией которой стали уравнения поля 1915, которые выдержали все вызовы последующего столетия.
Может возникнуть вопрос, почему именно теория гравитации называется «общей теорией относительности». Что ж, Эйнштейн начал использовать этот титул еще до того, как теория была завершена. Он представлял это как обобщение своей специальной теории относительности. Специальная теория относится к движению, времени и пространству между системами отсчета, движущимися с постоянными скоростями. Он показал, как связать все движения с постоянной скоростью друг с другом, соблюдая универсальную постоянную скорость света, и сделал это, используя определенную формулу для преобразования одного кадра в другой.
Эйнштейн предположил, что он может сделать то же самое с произвольными системами отсчета, которые могут ускоряться или вращаться, применяя его принцип эквивалентности. В конце концов он понял, что это не совсем возможно — не существует общей теории относительности движения между ускоряющимися системами отсчета в том смысле, который нашел Эйнштейн в своей специальной теории относительности. Тем не менее, название прижилось.
Что там написано (относительно без математических расчетов)
Чтобы по-настоящему разобраться в общей теории относительности, как и во всех разделах теоретической физики, нужна математика. Хардкор математика. Суть дела в отражении структуры реальности в математических структурах. И в этом свете говорить о физической теории без ее уравнений — это все равно, что говорить о музыке — в некотором смысле это полезно, но каждый может признать, что чего-то не хватает.
Для упрощения теория гравитации Эйнштейна часто вводится словами, что она описывает «кривизну» пространства-времени.
Это вызывает воспоминания и, конечно, не является неправильным, но описание иногда вводит в заблуждение. Уравнения гравитации связывают массу и энергию с «метрическим тензором», который является математическим объектом, описывающим эту кривизну. Метрический тензор говорит нам, как измерять расстояние в разных точках пространства в разных направлениях; это похоже на набор линеек, которые растягиваются и сжимаются, когда мы двигаемся.
Рекламное объявление
В нормальном «плоском» пространстве-времени евклидовой геометрии эти линейки везде одинаковы: всегда верна теорема Пифагора, и отношение длины окружности к диаметру всегда равно π. Уравнения общей теории относительности связывают этот метрический тензор с распределением материи и энергии в пространстве. Массивный объект фактически меняет линейки в своем окружении (включая линейку, измеряющую время, которая смешивается с пространственными измерениями, образуя единое «пространство-время»). Рисунок здесь помогает воображению, показывая, как такое искривленное четырехмерное пространство-время вблизи планеты может быть представлено двухмерной проекцией трехмерной поверхности.
Увеличить / Искривление пространства-времени вблизи планеты.
Wikimedia Commons
Планеты и другие массы (а также безмассовые фотоны) вместо того, чтобы мгновенно реагировать на гравитационные «силы», как в теории Ньютона, следуют геодезическим или кратчайшим путям в этом искривленном пространстве-времени. Именно благодаря этому механизму разрешается тайна тождества инертной и гравитационной масс.
В этом суть красоты теории. Пространство-время больше не является чистым холстом, на котором таинственной рукой нарисованы векторы сил гравитации. Теперь масса и энергия во Вселенной сами создают податливое полотно пространства-времени, и находиться в изменяющемся движении в этом пространстве-времени — естественное состояние (точно так же, как пребывать в покое или равномерном движении было в ньютоновской Вселенной). Больше нет силы гравитации, есть только пространство-время и масса-энергия.
Поскольку вещи движутся из-за метрического тензора; это изменяет распределение массы во Вселенной.
Это, в свою очередь, изменяет метрический тензор, который определяет, как все движется. Эта неразделимость между движением и определяющей его природой пространства-времени является причиной нелинейности, из-за которой так сложно найти точные (и, если уж на то пошло, численные) решения уравнений. Любой студент-физик может использовать ньютоновскую физику для расчета орбиты Земли вокруг Солнца, но аналогичные проблемы в общей теории относительности являются исследовательскими проектами. (Одним из классов решений являются «сингулярности» или решения с бесконечной плотностью, называемые черными дырами.)
Эта ситуация напоминает вычислительно сложную область классической физики. Гидродинамика неразрешима из-за нелинейности аналогичного происхождения: когда порции жидкости движутся в ответ на поле давления, создаваемое жидкой средой, это движение изменяет поле давления, которое, в свою очередь, изменяет движение и т. д. Так же, как и в общей теории относительности трудно найти точные решения уравнений Навье-Стокса для гидродинамики, а их вычисление с помощью компьютера нетривиально.
Как вы можете себе представить, уравнения релятивистская гидродинамика довольно безумны.
Пытаясь придать конкретную форму принципу эквивалентности, Эйнштейн сразу же пришел в замешательство от сложного математического языка, которого, казалось, требовали эти новые физические идеи. Как и большинство физиков тогда и сейчас, он был хорошо знаком с многомерным исчислением и дифференциальными уравнениями, а также с более элементарными предметами, такими как евклидова геометрия. Но теперь он обнаружил, что его идеи привели его туда, где его математический язык был недостаточно богат — к счастью, у него были друзья, которые могли помочь.
Общая теория относительности Эйнштейна: гравитация как геометрия
Общая теория относительности — это теория гравитации Эйнштейна, опубликованная в 1915 году, которая расширила специальную теорию относительности, чтобы принять во внимание неинерциальных систем отсчета — области, которые ускоряются относительно друг друга .
Общая теория относительности принимает форму уравнений поля, описывающих кривизну пространства-времени и распределение материи в пространстве-времени. Воздействие материи и пространства-времени друг на друга — это то, что мы воспринимаем как гравитацию.
Теория пространственно-временного континуума уже существовала, но в общей теории относительности Эйнштейн смог описать гравитацию как искривление геометрии пространства-времени. Эйнштейн определил набор из уравнений поля , , которые отражали реакцию гравитации на материю в пространстве-времени. Эти уравнения поля можно было использовать для представления геометрии пространства-времени, которая лежала в основе общей теории относительности.
По мере того, как Эйнштейн разрабатывал свою общую теорию относительности, ему приходилось уточнять общепринятое понятие пространственно-временного континуума, придавая ему более точную математическую основу. Он также ввел еще один принцип, принцип ковариации .
Этот принцип гласит, что законы физики должны иметь одинаковую форму во всех системах координат.
Другими словами, все координаты пространства-времени трактуются законами физики одинаково — в форме уравнений поля Эйнштейна. Это похоже на принцип относительности, который утверждает, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью. На самом деле после того, как была разработана общая теория относительности, стало ясно, что принципы специальной теории относительности представляют собой особый случай.
Основным принципом Эйнштейна было то, что независимо от того, где вы находитесь — в Толедо, на горе Эверест, на Юпитере или в галактике Андромеды — действуют одни и те же законы. На этот раз, однако, законами были уравнения поля, и ваше движение могло совершенно определенно повлиять на решения, вытекающие из уравнений поля.
Применение принципа ковариации означало, что пространственно-временные координаты в гравитационном поле должны работать точно так же, как пространственно-временные координаты на ускоряющемся космическом корабле.
Если вы ускоряетесь в пустом пространстве (где поле пространства-времени плоское, как на левой картинке этого рисунка), геометрия пространства-времени будет казаться искривленной. Это означало, что если есть объект с массой, создающей гравитационное поле, он также должен искривлять пространственно-временное поле (как показано на правом рисунке).
Без материи пространство-время плоское (слева), но при наличии материи оно искривляется (справа).
Другими словами, Эйнштейну удалось объяснить ньютоновскую тайну происхождения гравитации! Гравитация возникает из-за того, что массивные объекты искривляют саму геометрию пространства-времени.
Поскольку пространство-время искривлено, объекты, движущиеся в пространстве, будут следовать «самому прямому» пути вдоль кривой, что объясняет движение планет. Они следуют по кривой траектории вокруг Солнца, потому что Солнце искривляет пространство-время вокруг себя.
Опять же, вы можете думать об этом по аналогии. Если вы летите на самолете по Земле, вы следуете по траектории, огибающей Землю.
На самом деле, если вы возьмете плоскую карту и проведете прямую линию между начальной и конечной точками поездки, кратчайшим путем будет , а не . Кратчайший путь на самом деле образован «большим кругом», который вы получили бы, если бы разрезали Землю пополам, с обеими точками вдоль внешней стороны разреза. Путешествие из Нью-Йорка в северную Австралию предполагает полет вдоль южной Канады и Аляски — нигде нет прямой линии на плоских картах, к которым мы привыкли.
Точно так же планеты в Солнечной системе следуют кратчайшими путями — теми, которые требуют наименьшего количества энергии — и это приводит к движению, которое мы наблюдаем.
В 1911 году Эйнштейн проделал достаточно работы по общей теории относительности, чтобы предсказать, насколько сильно должен искривляться свет в этой ситуации, что должно быть видно астрономам во время затмения.
Когда Эйнштейн опубликовал полную свою общую теорию относительности в 1915 году, он исправил несколько ошибок, и в 1919 году экспедиция отправилась наблюдать за отклонением света Солнцем во время затмения на западноафриканском острове Принсипи.