Содержание
Относительность времени – теория Эйнштейна кратко простымисловами с примерами и формулами
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 272.
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 272.
Одним из следствий постулатов Специальной Теории Относительности является вывод об относительности времени. Ход времени неабсолютен, и зависит от Системы Отсчета. Кратко рассмотрим теорию относительности времени Эйнштейна.
Одновременность событий
Одновременными называют события, которые произошли в один и тот же момент времени. Когда эти события произошли рядом – установить одновременность несложно. Однако, когда события удалены друг от друга в пространстве – проверить одновременность сложнее. Для того, чтобы информация о произошедшем событии достигла наблюдателя, требуется некоторое время, а значит, наблюдатель получит информацию о событии позже его совершения. Если таких событий несколько, то узнать, одновременно ли они произошли или нет, можно только расчетным путем, учтя скорость движения сигнала и расстояние до события.
При небольших скоростях проблемы не возникает. Так, например, если мы слышим звук сразу двух выстрелов, пришедших с разных сторон, то мы заключаем, что они были одновременны, если расстояния до источников были одинаковы. По тому же принципу определяется расстояние до молнии.
Рис. 1. Определение расстояния до молнии.
Если источники звука и наблюдатель двигаются – это усложняет расчеты, однако, не создает противоречий, одновременность событий определяется однозначно.
Относительность одновременности
Однако, для больших скоростей ситуация меняется. Скорость света для всех Систем Отсчета постоянна. Следствием этого является лоренцево сокращение длины движущегося тела, описываемое следующими формулами:
Рис. 2. Преобразования Лоренца.
Но, если скорость сигнала одинакова, а расстояния разные, то вычисление момента, когда произошло событие, даст разные результаты. События, произошедшие одновременно для одной Системы Отсчета, оказываются неодновременными для другой. Более того, с точки зрения внешнего наблюдателя, в быстро движущейся ракете происходит замедление хода времени.
Рассмотрим классический пример.
На быстро летящей ракете установлены две вспышки – на носу и на корме. В центре ракеты – наблюдатель. Также имеется покоящийся наблюдатель вне ракеты. Обе вспышки дают сигналы, которые достигают наблюдателя в центре ракеты одновременно. Расстояние до вспышек одинаково, скорость света одинакова, следовательно, наблюдатель в ракете делает вывод, что и вспышки произошли одновременно.
А вот с точки зрения внешнего наблюдателя произошло все иначе. Если покоящийся наблюдатель также увидит одновременное достижение вспышками центра ракеты (допустим, как раз в это время центр ракеты поравнялся с ним), то с его точки зрения, сигналу от носа ракеты надо было пройти расстояние меньше половины ракеты, а сигналу от кормы ракеты надо было пройти расстояние больше. Скорость света одинакова, значит, вспышка на корме произошла раньше.
Внешний наблюдатель может зафиксировать одновременность сигналов вспышек. Но, тогда, по его мнению, сигналы достигнут центра ракеты неодновременно, сигналу от носа ракеты требуется пройти меньшее расстояние, он придет раньше. Хотя, движущийся наблюдатель будет не согласен, по его мнению, сигналы достигнут его одновременно.
При этом все Системы Отсчета равноправны, указать «истинную» среди них невозможно. Ход времени зависит от Системы Отсчета, и события, одновременные в одной из них – будут неодновременны в другой. В этом, «простыми словами», заключается относительность времени.
Рис. 3. Одновременность событий.
Что мы узнали?
Одним из следствий постулатов Теории Относительности является относительность понятия одновременности. Из-за того, что максимальная скорость распространения сигнала для всех Систем Отсчета одинакова, отрезки времени, измеренные по часам в покоящихся и движущихся Системах Отсчета, будут разными. События, одновременные в одной Системе Отсчета, будут неодновременными в другой.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Марина Иванова
5/5
Оценка доклада
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 272.
А какая ваша оценка?
Эйнштейн ошибался. Физики допускают, что времени может не существовать
Исследователи говорят, что времени уже нет места в новых формулах, призванных объединить квантовую механику и теорию относительности.
Related video
Физики считают, что времени может не существовать вовсе, и это открывает новые возможности, к которым необходимо отнестись серьезно. Об этом сообщает SciTechDaily.
«Физика пребывает в кризисе. На протяжении прошлого века мы объясняли Вселенную с помощью двух чрезвычайно успешных теорий: общей теории относительности и квантовой механики», – говорит автор новой книги «Вне времени», физик из Австралийского католического университета Сэм Барон.
По его словам, квантовая механика успешно описывает, как все работает в невероятно крошечном мире частиц и их взаимодействия. В свою очередь, общая теория относительности описывает общую картину гравитации и того, как движутся объекты.
Обе теории достаточно хороши сами по себе, но во многом противоречат друг другу. Ученые соглашаются с тем, что обе теории необходимо заменить одной новой, общей теорией.
Речь идет о теории «квантовой гравитации», которая могла бы заменить прежние две теории и сохранить успех их обеих. Новая теория должна объяснить, как гравитация работает в самом миниатюрном масштабе.
Но создать новую теорию квантовой гравитации чрезвычайно сложная задача. Одной из таких попыток была теория струн. Она заменила частицы струнами, вибрирующими в 11 измерениях.
Однако теория струн столкнулась с некоторыми сложностями. Теория описывает Вселенную, схожую с нашей, но не предоставляет никаких четких предсказаний, которые можно было бы проверить в ходе экспериментов. Таким образом, выдвинутую теорию невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть.
Поэтому в 1990-х годах большинство физиков отказались от теории струн и предложили ряд новых подходов.
Самой известной стала петлевая квантовая гравитация, которая говорит, что ткань пространства и времени состоит из сети очень маленьких дискретных фрагментов, иными словами «петлей». Одной из самых весомых особенностей петлевой квантовой гравитации является упразднение времени.
Петлевая квантовая гравитация
Фото: Naked Science
«Петлевая квантовая гравитация не единственная теория, которая исключает время. Ряд других подходов также упраздняет время как фундаментальные аспект реальности», – отмечает Барон.
Если предположить, что одна из таких теорий окажется верной, как жить без времени?
«В теориях физики нет никаких столов, стульев и даже людей, и тем не менее мы по-прежнему знаем, что все это существует. Мы отлично знаем, что все перечисленное состоит из фундаментальных частиц, но понятия не имеем, из чего может «состоять» время. Пока мы не сможем дать четкое объяснение того, как возникает время, неясно, можем ли мы утверждать, что оно существует», – подчеркивает автор книги.
По его словам, исходя из таких умозаключений, время может не существовать ни в одной из имеющихся теорий.
Жизнь в мире без времени кажется нереальной. Все наше существование построено вкруг времени. Люди привыкли планировать свое будущее в свете того, что знают о прошлом.
«Мы считаем себя индивидами отчасти потому, что можем планировать действия, которые приводят к изменениям в будущем. Но какой смысл менять будущее, если его не существует?», – пишет ученый.
По его словам, открытие того, что времени не существует, казалось бы, может остановить весь мир. Но выход все же есть.
Несмотря на то, что физика может упразднить время, теории оставляют нетронутой причинно-следственную связь. Таким образом, физика говорит, что причинность, а не время, является основной характеристикой нашей вселенной.
«Мы считаем, что открытие того, что время не существует, может не иметь большого влияния на нашу жизнь, но сможет вывести физику в новую эру», – подытожил автор.
Теория относительности
Теория относительности – краткая история
Теория относительности, предложенная еврейским физиком Альбертом Эйнштейном (1879-1955) в начале 20-го века, является одной из самых значительных научных достижения нашего времени. Хотя понятие относительности не было введено Эйнштейном, его главным вкладом было признание того, что скорость света в вакууме постоянна и является абсолютной физической границей движения. Это не оказывает существенного влияния на повседневную жизнь человека, поскольку мы путешествуем со скоростью, намного меньшей скорости света. Однако для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, теория относительности утверждает, что объекты будут двигаться медленнее и сокращаться в длину с точки зрения наблюдателя на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E = mc 2 , , что показывает эквивалентность массы и энергии.
Когда Эйнштейн применил свою теорию к гравитационным полям, он вывел «искривленный пространственно-временной континуум», который описывает измерения пространства и времени как двумерную поверхность, на которой массивные объекты создают впадины и провалы. Этот аспект теории относительности объяснил явление искривления света вокруг Солнца, предсказал появление черных дыр, а также космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — открытие, объясняющее фундаментальные аномалии классической гипотезы стационарного состояния. За работы по теории относительности, фотоэлектрическому эффекту и излучению абсолютно черного тела Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1919 г.21.
Теория относительности – Основы
Физики обычно делят теорию относительности на две части.
- Первая — это специальная теория относительности, которая по существу занимается вопросом о том, являются ли покой и движение относительными или абсолютными, а также последствиями гипотезы Эйнштейна об их относительности.
- Вторая — это общая теория относительности, которая в первую очередь применяется к частицам по мере их ускорения, особенно из-за гравитации, и выступает в качестве радикального пересмотра теории Ньютона, предсказывая важные новые результаты для быстро движущихся и/или очень массивных тел. Общая теория относительности правильно воспроизводит все проверенные предсказания теории Ньютона, но расширяет наше понимание некоторых ключевых принципов. Ньютоновская физика ранее выдвинула гипотезу о том, что гравитация действует в пустом пространстве, но этой теории не хватало объяснительной силы в отношении того, как расстояние и масса данного объекта могут передаваться через пространство. Общая теория относительности сглаживает этот парадокс, поскольку показывает, что объекты продолжают двигаться по прямой линии в пространстве-времени, но мы наблюдаем движение как ускорение из-за искривленной природы пространства-времени.
В последние годы было подтверждено, что как специальная, так и общая теория относительности Эйнштейна очень точны, и было показано, что данные подтверждают многие ключевые предсказания; наиболее известным из них является солнечное затмение 1919 года, свидетельствующее о том, что свет звезд действительно отклоняется Солнцем, когда свет проходит вблизи Солнца на пути к Земле. Полное солнечное затмение впервые позволило астрономам проанализировать свет звезд вблизи края Солнца, который ранее был недоступен для наблюдателей из-за интенсивной яркости Солнца. Он также предсказал скорость, с которой две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг друг друга, будут двигаться навстречу друг другу. Когда это явление было впервые задокументировано, общая теория относительности доказала свою точность с точностью до триллионной доли процента, что сделало ее одним из наиболее подтвержденных принципов во всей физике.
Применение принципа общей теории относительности к нашей Вселенной показывает, что она не статична. Эдвин Хаббл (1889-1953) продемонстрировал в 1928 г., что Вселенная расширяется, показав, вне всяких разумных сомнений, что Вселенная возникла конечное время назад. Наиболее распространенная современная интерпретация этого расширения заключается в том, что оно началось с момента Большого взрыва около 13,7 миллиардов лет назад. Однако это не единственная правдоподобная космологическая модель, существующая в академических кругах, и многие физики-креационисты, такие как Рассел Хамфрис и Джон Хартнетт, разработали модели, работающие с библейской структурой, которые на сегодняшний день выдержали испытание критикой со стороны самых ярость противников.
Теория относительности – свидетельство сотворения мира
Используя наблюдаемое космическое расширение совместно с общей теорией относительности, мы можем сделать вывод из данных, что чем дальше в прошлое мы смотрим, тем больше Вселенная должна соответственно уменьшаться в размерах. Однако это нельзя экстраполировать до бесконечности. Расширение Вселенной помогает нам оценить направление, в котором течет время. Это называется космологической стрелой времени и подразумевает, что будущее — по определению — направление, в котором Вселенная увеличивается в размерах. Расширение Вселенной также порождает второй закон термодинамики, который утверждает, что общая энтропия (или беспорядок) во Вселенной может только увеличиваться со временем, потому что количество энергии, доступной для работы, со временем уменьшается. Следовательно, если бы Вселенная была вечной, количество доступной для работы энергии уже было бы исчерпано. Отсюда следует, что в какой-то момент значение энтропии было равно абсолютному 0 (наиболее упорядоченное состояние в момент сотворения), и с тех пор энтропия увеличивается, то есть Вселенная в какой-то момент была полностью «заведена» и с тех пор сворачивается. Это имеет глубокое теологическое значение, поскольку показывает, что само время обязательно конечно. Если бы Вселенная была вечной, тепловая энергия во Вселенной была бы равномерно распределена по всему космосу, оставляя каждую область космоса с одинаковой температурой (очень близкой к абсолютному 0), что делало бы невозможной дальнейшую работу.
Общая теория относительности показывает, что время связано или связано с материей и пространством, и поэтому измерения времени, пространства и материи составляют то, что мы бы назвали континуумом. Они должны возникнуть в одно и то же мгновение. Само время не может существовать без материи и пространства. Из этого мы можем заключить, что беспричинная первопричина должна существовать вне четырех измерений пространства и времени и обладать вечными, личностными и разумными качествами, чтобы обладать способностями преднамеренного пространства, материи — и даже самого времени. — в существование.
Более того, сама физическая природа времени и пространства также предполагает Творца, поскольку бесконечность и вечность обязательно должны существовать с логической точки зрения. Существование времени подразумевает вечность (так как время имеет начало и конец), а существование пространства подразумевает бесконечность. Сами понятия бесконечности и вечности предполагают Творца, потому что они находят само свое состояние бытия в Боге, который превосходит их обоих и просто есть.
Подробнее!
Подробнее
- Каковы некоторые достижения Альберта Эйнштейна?
- Почему теория относительности Эйнштейна стала таким монументальным открытием?
- Что такое общая теория относительности?
- Что мы можем сделать из теории относительности относительно характера Бога?
- Что такое специальная теория относительности?
Узнайте больше!
Общая теория относительности Эйнштейна подвергается сомнению, но «пока» остается в силе, сообщает команда
По словам Андреа Гез, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, спустя более 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал свою культовую общую теорию относительности, она начинает давать сбои. Теперь, когда Гез и ее исследовательская группа проводят самую полную проверку общей теории относительности возле чудовищной черной дыры в центре нашей галактики, сообщают в журнале Science 25 июля, что теория Эйнштейна подтверждается.
«Эйнштейн прав, по крайней мере, на данный момент», — сказал Гез, один из ведущих авторов исследования. «Мы можем абсолютно исключить закон всемирного тяготения Ньютона. Наши наблюдения согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна. Однако его теория определенно демонстрирует уязвимость. Она не может полностью объяснить гравитацию внутри черной дыры, и в какой-то момент нам нужно будет выйти за рамки теории Эйнштейна и перейти к более всеобъемлющей теории гравитации, объясняющей, что такое черная дыра».
Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года утверждает, что то, что мы воспринимаем как силу гравитации, возникает из-за искривления пространства и времени. Ученый предположил, что такие объекты, как Солнце и Земля, изменяют эту геометрию. Теория Эйнштейна — лучшее описание того, как работает гравитация, сказал Гез, чья команда астрономов под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе провела прямые измерения явления вблизи сверхмассивной черной дыры — исследование, которое Гез называет «экстремальной астрофизикой».
Андреа Гез: Чувство притяжения. Видео Джули Винокур
Законы физики, включая законы гравитации, должны действовать повсюду во Вселенной, сказала Гез, добавив, что ее исследовательская группа является одной из двух групп в мире, которые наблюдают за звездой, известной как S0-. 2 совершает полную трехмерную орбиту вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Полный оборот занимает 16 лет, а масса черной дыры примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца.
Исследователи говорят, что их работа является самым подробным исследованием сверхмассивной черной дыры и общей теории относительности Эйнштейна.
Ключевыми данными в исследовании были спектры, которые команда Гез проанализировала в апреле, мае и сентябре, когда ее «любимая звезда» максимально приблизилась к огромной черной дыре. Спектры, которые Гез назвал «радугой света» от звезд, показывают интенсивность света и дают важную информацию о звезде, от которой исходит свет. Спектры также показывают состав звезды. Эти данные были объединены с измерениями, которые Гез и ее команда провели за последние 24 года.
Spectra — собрано в W.M. Обсерватория Кека на Гавайях с помощью спектрографа, созданного в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе командой под руководством коллеги Джеймса Ларкина, обеспечивает третье измерение, раскрывая движение звезды с недостижимым ранее уровнем точности. (Изображения звезды, сделанные исследователями в обсерватории Кека, обеспечивают два других измерения.) Инструмент Ларкина берет свет от звезды и рассеивает его, подобно тому, как капли дождя рассеивают солнечный свет, создавая радугу, сказал Гез.
«Что особенного в S0-2, так это то, что у нас есть его полная орбита в трех измерениях», — сказал Гез, заведующий кафедрой астрофизики Лорен Б. Лейхтман и Артур Э. Левайн. «Вот что дает нам входной билет в тесты общей теории относительности. Мы спросили, как ведет себя гравитация вблизи сверхмассивной черной дыры и дает ли теория Эйнштейна полную картину. Наблюдение за тем, как звезды проходят свою полную орбиту, дает первую возможность проверить фундаментальную физику, используя движения этих звезд».
Анимация Зины Дерецкой/Национальный научный фонд. «В ньютоновской версии гравитации пространство и время разделены и не смешиваются; при Эйнштейне они полностью смешиваются возле черной дыры», — сказала она.
«Для измерения такой фундаментальной важности потребовались годы терпеливых наблюдений, обеспечиваемых самыми современными технологиями», — сказал Ричард Грин, директор отдела астрономических наук Национального научного фонда. На протяжении более двух десятилетий подразделение поддерживало Ghez, а также несколько технических элементов, критически важных для открытия исследовательской группы. «Благодаря своим неустанным усилиям Гез и ее сотрудники добились важного подтверждения идеи Эйнштейна о сильной гравитации».
Директор обсерватории Кека Хилтон Льюис назвал Гез «одним из наших самых страстных и упорных пользователей Кека». «Ее последнее новаторское исследование, — сказал он, — является кульминацией непоколебимой приверженности последних двух десятилетий раскрытию тайн сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь».
Исследователи изучали фотоны — частицы света — во время их путешествия с S0-2 на Землю. S0-2 движется вокруг черной дыры с молниеносной скоростью более 16 миллионов миль в час при максимальном сближении. Эйнштейн сообщил, что в этой области вблизи черной дыры фотонам приходится выполнять дополнительную работу. Их длина волны, когда они покидают звезду, зависит не только от того, насколько быстро движется звезда, но и от того, сколько энергии фотоны тратят, чтобы покинуть мощное гравитационное поле черной дыры. Вблизи черной дыры гравитация гораздо сильнее, чем на Земле.
Свет из центра галактики
Запечатлейте орбиту звезды с помощью этой красочной интерактивной веб-визуализации.
Гез получила возможность представить частичные данные прошлым летом, но решила не делать этого, чтобы ее команда могла сначала тщательно проанализировать данные. «Мы изучаем, как работает гравитация. Это одна из четырех фундаментальных сил, которую мы меньше всего проверяли», — сказала она. «Есть много регионов, где мы просто не спрашивали, как здесь работает гравитация? Легко быть самонадеянным, и есть много способов неправильно интерпретировать данные, много способов, которыми небольшие ошибки могут накапливаться в серьезные ошибки, поэтому мы не торопились с нашим анализом».
Гез, получивший в 2008 году стипендию Макартура «Гений», изучает более 3000 звезд, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры. Сотни из них молодые, сказала она, в регионе, где астрономы не ожидали их увидеть.
Фотонам из S0-2 требуется 26 000 лет, чтобы достичь Земли. «Мы так взволнованы и годами готовились к этим измерениям», — сказал Гез, который руководит группой Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Для нас это интуитивно, это сейчас — но на самом деле это произошло 26 000 лет назад!»
Это первый из многих тестов общей теории относительности, которые исследовательская группа Гез проведет на звездах вблизи сверхмассивной черной дыры. Среди звезд, которые ее больше всего интересуют, есть S0-102, у которой самая короткая орбита: полный оборот вокруг черной дыры занимает 11 1/2 лет. Большинство звезд, которые изучает Гез, имеют орбиты, намного превышающие продолжительность жизни человека.
Команда Гез проводила измерения примерно каждые четыре ночи в критические периоды 2018 года с помощью обсерватории Кека, которая находится на вершине спящего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях и содержит один из крупнейших и лучших в мире оптических и инфракрасных телескопов. Измерения также проводятся с помощью оптико-инфракрасного телескопа в обсерватории Джемини и телескопа Субару, также на Гавайях. Она и ее команда использовали эти телескопы как на месте на Гавайях, так и удаленно из комнаты наблюдения на факультете физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Плотность черных дыр настолько высока, что ничто не может избежать их гравитационного притяжения, даже свет. (Их нельзя увидеть напрямую, но их влияние на близлежащие звезды видно и дает сигнатуру. Как только что-то пересекает «горизонт событий» черной дыры, оно не сможет убежать. Однако звезда S0-2 все еще довольно далеко от горизонта событий, даже при самом близком приближении, поэтому его фотоны не втягиваются внутрь.)
Итан Твиди
Лазеры двух телескопов Кека направлены в направлении центра нашей галактики. Каждый лазер создает «искусственную звезду», которую астрономы могут использовать для коррекции размытия, вызванного атмосферой Земли.
Среди соавторов Гез Туан До, ведущий автор научной статьи, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и заместитель директора группы Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Орельен Хис, бывший докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ныне научный сотрудник Парижской обсерватории; Марк Моррис, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Эрик Беклин, почетный профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Смадар Наоз, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Джессика Лу, бывшая аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ныне доцент кафедры астрономии Калифорнийского университета в Беркли; аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Девин Чу; Грег Мартинес, ученый проекта Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Шоко Сакаи, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Сёго Нишияма, доцент Японского педагогического университета Мияги; и Райнер Шедель, исследователь испанского Института астрофизики Андалусии.
Национальный научный фонд финансировал исследования Гез в течение последних 25 лет. Совсем недавно ее исследование было поддержано W.M. Фонд Кека, Фонд Гордона и Бетти Мур и Фонд Хейзинга-Саймонса; а также Лорен Лейхтман и Артур Левин, а также Ховард и Астрид Престон.
В 1998 году Гез ответил на один из самых важных вопросов астрономии, помогая показать, что в центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра. Этот вопрос был предметом многочисленных споров среди астрономов более четверти века.
Мощная технология, которую Гез помог разработать, называется адаптивной оптикой и корректирует искажающие эффекты атмосферы Земли в режиме реального времени. С помощью адаптивной оптики в обсерватории Кека Гез и ее коллеги открыли много сюрпризов в отношении среды, окружающей сверхмассивные черные дыры. Например, они обнаружили молодые звезды там, где их не ожидали увидеть, и отсутствие старых звезд там, где ожидалось их появление.