Суть теории относительности эйнштейна: Страница не найдена — ВикиНаука: интересно о сложном кратко простыми словами

В чём суть теории относительности?

В чём суть теории относительности?

Осенью 1905 года Альберт Эйнштейн публикует статью «К электродинамике движущихся тел» и навсегда меняет представление людей о пространстве и времени.

Представьте себе, что ночью, пока вы крепко спали, всё во вселенной стало в тысячу раз больше: электроны, атомы, вы сами, ваша кровать, ваш айфон, Земля, Солнце и прочие звёзды. Сможете ли вы сказать, когда проснётесь, что произошли какие-то изменения?

Подобный мысленный эксперимент провёл в XIX веке учёный-математик Анри Пуанкаре. Он сам ответил на свои вопросы — нет, нельзя. Бессмысленно говорить, что вселенная стала больше. «Больше» — это значит больше относительно чего-то другого. Это говорит о том, что размер относителен. Нельзя сказать, что какой-либо физический объект имеет какие-то абсолютные размеры.

Пуанкаре ввёл метод мысленного (или умозрительного) эксперимента. Такой эксперимент можно вообразить, но нельзя выполнить в действительности. На протяжении статьи мы не раз будем обращаться к этому методу.

Анри Пуанкаре

Французский математик, физик, механик, астроном и философ

То же самое справедливо и в отношении времени. Один интервал времени невозможно измерить иначе, как сравнивая его с каким-либо другим временным отрезком (например, год определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца). Время также относительно. Относительными являются понятия верх и низ, право и лево.
А что можно сказать о движении? Оно относительно или абсолютно? Существует ли какой-либо эксперимент, который бы показал, движется объект или покоится? Когда мы сидим в вагоне и нам кажется, что поезд тронулся, как узнать, движемся ли мы или движется железнодорожная станция за окном?
Такими же вопросами задавался Эйнштейн перед тем, как сформулировать свою теорию относительности. Но давайте по порядку.

До Эйнштейна

Старые абсолюты и светоносный эфир

В начале XX века, до того, как Эйнштейн представил миру свою теорию, мир жил в соответствии с законами классической механики Ньютона. Учёные были уверены, что пространство и время абсолютны, то есть должны существовать независимо от материи. Считалось само собой разумеющимся, что одно универсальное время течёт во всём космосе.
Вся наша вселенная, — также считали учёные, — заполнена невидимым и неподвижным веществом — эфиром, который проникает во все материальные тела и в котором распространяются электромагнитные волны.
Ещё в начале XIX века французский физик Огюстен Френель предложил считать свет волновым явлением, а не движением частиц (как думал Ньютон). Чтобы возникали колебания волн, нужна была особая «упругая среда», которую и предложил учёный, назвав её «светоносным эфиром». Для всех физиков того времени наличие «среды» казалось необходимым условием распространения света и электромагнитных полей, также как воздух необходим для распространения звука.

Учёные предположили, что раз Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, то это движение должно создавать «эфирный ветер», дующий навстречу Земле в промежутках между её атомами с такой же скоростью. Чтобы обнаружить этот ветер, нужно было лишь измерить скорость, с которой свет проходит определённое расстояние на земной поверхности туда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом, и эта скорость будет отличаться от установленной величины ≈ 300 000 км/с (это скорость световой волны в неподвижном эфире).
Однако никакие эксперименты не могли обнаружить движение Земли относительно эфира и изменение величины скорости света.
У Эйнштейна хватило смелости предположить: мы не можем обнаружить эфир, потому что его не существует, а величина скорости света неизменна и абсолютна.

Специальная теория относительности

Два постулата и одна знаменитая формула

Диалог из советской короткометражки «Что такое теория относительности» (1964 г.):

— А кто её знает? Пять с половиной человек во всём мире.
— Пять с половиной миллионов, вы хотели сказать. Если не больше.
— Пять с половиной притворяются, что понимают. Боятся прослыть дураками.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую статью «К электродинамике движущихся тел», которую впоследствии стали называть специальной теорией относительности (СТО). Новая теория базировалась на двух постулатах (принципах):

Принцип относительности Эйнштейна

Не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения относительно неподвижного пространства.

Принцип постоянства скорости света

Независимо от движения своего источника свет всегда движется через пустое пространство с одной и той же постоянной скоростью ≈ 300 000 км/с.

Чтобы понять, в чём смысл первого постулата, представьте два космических корабля, которые движутся навстречу друг другу с постоянной скоростью. В космосе нет ничего, что могло бы стать системой отсчёта. В каждом корабле находится по космонавту. Может ли каждый из космонавтов с абсолютной уверенностью утверждать, что движется только его корабль, либо движется только второй корабль, либо оба корабля находятся в движении?
Нет, отвечает Эйнштейн, не может. Говорить об абсолютном движении любого из кораблей — значит говорить о чём-то не имеющим смысла. Реально только одно: относительное движение, в результате которого корабли сближаются с постоянной скоростью.
Чтобы понять суть второго постулата и глубже понять суть первого, проведём два мысленных эксперимента.

Мысленный эксперимент № 1

Представьте, что вы находитесь в поезде, который движется с постоянной скоростью 80 км/ч. Вы решили прогуляться до вагона-ресторана и поэтому идёте по ходу движения поезда со скоростью 5 км/ч. Итак, с какой же скоростью вы движетесь на самом деле?
По отношению к поезду вы движетесь со скоростью 5 км/ч. Но с какой скоростью вы будете передвигаться с точки зрения наблюдателя на платформе, мимо которой проезжает поезд? Этот вопрос решается простым сложением вашей скорости и скорости поезда: 85 км/ч.
Так с какой же скоростью вы двигаетесь на самом деле? Такой вопрос является бессмысленным, если не уточняется система отсчёта.

Вывод: всякое прямолинейное равномерное движение относительно.

Мысленный эксперимент № 2

Теперь представьте движущийся поезд, на крыше которого установлен излучатель света. Как мы знаем, скорость света ≈ 300 000 км/с. То есть по отношению к поезду скорость светового луча будет приблизительно равной 300 000 км/с. Но с какой скоростью будет двигаться свет по отношению к тому же наблюдателю на платформе? Казалось бы, мы должны прибегнуть к той же самой формуле сложения скоростей. Однако Эйнштейн заявляет (а многочисленные эксперименты доказывают), что и по отношению к поезду, и по отношению к наблюдателю на платформе скорость остаётся приблизительно равной 300 000 км/с.

Вывод: Скорость света абсолютна и ≈ 300 000 км/с вне зависимости от выбора системы отсчёта (или скорости движения наблюдателя).

У СТО есть несколько интересных следствий, самое захватывающее из которых — относительность времени. Чтобы проиллюстрировать это следствие, давайте проведём ещё один мысленный эксперимент.

Мысленный эксперимент № 3

Представьте, что в вагоне движущегося поезда есть два выхода, двери на них автоматические, равноудалены от центра и открываются по световому сигналу. Свет зажигается ровно посередине вагона. Вопрос: какая из дверей откроется раньше?
Они откроются одновременно, скажете вы. Ведь свет пройдёт в обоих направлениях одинаковое расстояние с одинаковой скоростью (≈ 300 000 км/с).
Но это если наблюдатель находится в поезде. А что увидит человек, стоящий на платформе, мимо которой едет поезд? Для него задняя дверь вагона идёт навстречу сигналу и откроется раньше, а передняя (она уходит от луча) — позже. То есть для него эти события уже не будут одновременными.

Вывод: измерение времени зависит от относительного движения объекта и наблюдателя.

Утверждая это, Эйнштейн отказывается от понятия универсального космического времени. Имеются, говорил он, только местные времена. На Земле, например, каждый летит в пространстве с одной и той же скоростью, следовательно, все часы показывают одно и то же «земное время».

E = mc2 или ещё одно следствие СТО

Ещё одним важным следствием СТО является эквивалентность массы и энергии: при определённых условиях энергия переходит в массу, а при некоторых других условиях масса переходит в энергию.
Когда энергия сообщается чайнику путём нагревания (при этом ускоряются его молекулы), содержимое чайника действительно весит немного больше, чем прежде. Когда чайник остывает, его масса уменьшается.
Это увеличение и уменьшение массы бесконечно малы, и ими можно пренебречь (в обычных физических расчётах). Однако это превращение массы в энергию совсем не ничтожно, когда взрывается водородная бомба. Взрыв бомбы — это мгновенное превращение в энергию части массы материала бомбы. Формулу, выражающую соотношение между массой и энергией, знает любой школьник:

E = mc2

где Е — энергия; m — масса; с2 — квадрат скорости света.

Эйнштейн получил это выражение из своей специальной теории относительности. Из этой формулы видно, что чрезвычайно малое количество массы способно освободить чудовищное количество энергии.

Взрыв водородной бомбы — это мгновенное превращение в энергию части массы материала бомбы.

Общая теория относительности

Кое-что о гравитации и пространственно-временном континууме

Общая теория относительности была опубликована Эйнштейном в 1915 году. После того, как в 1919 году она была экспериментально подтверждена и признана учёным сообществом, лондонская газета Times напечатала статью под заголовком: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона отвергнуты».

Так что же революционного было в новой теории Эйнштейна?

Общую теорию относительности (ОТО) стало возможно применять не только к телам, движущихся равномерно и прямолинейно, но и к ускоряющимся объектам. Таким образом, ОТО включила в себя специальную теорию как частный случай. Самое важное — она дала новую интерпретацию гравитации.

ОТО сделала наш мир четырёхмерным: к трём пространственным (длина, высота, ширина) измерениям добавилось время. В трёхмерном мире мы можем говорить о пространственном расстоянии между двумя объектами. В четырёхмерном мире речь идёт уже о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удалённость друг от друга — как по времени, так и в пространстве (да, это сложно понять, а тем более представить!). Все четыре измерения неразрывны и составляют четырёхмерный пространственно-временной континуум или пространство-время.

Как же Эйнштейн интерпретирует гравитацию в этом четырёхмерном пространстве-времени?

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о том, что между любыми двумя телами во вселенной существует сила взаимного притяжения. Например, Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения или гравитационные силы.

Что по этому поводу говорит ОТО?

Согласно теории Эйнштейна, гравитация — это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы объекта. Чем тяжелее объект, тем сильнее искривляется пространство-время под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле.

За счёт своей массы Земля искривляет пространство-время под собой. Из-за этого искривления Луна «вынуждена» двигаться по определённой траектории вокруг нашей планеты.

Представьте себе туго натянутое полотно, в центр которого помещён апельсин. Полотно деформируется под тяжестью апельсина, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Если на полотно поместить маленький мраморный шарик, траектория его движения будет идти вокруг апельсина, постепенно спускаясь вниз по воронке. Апельсин не притягивает шарик. Он создаёт поле (впадину) такой структуры, что шарик, выбирая путь наименьшего сопротивления, скатывается к нему.
Точно так же Луна движется вокруг Земли: траектория движения нашего спутника задаётся искривлением пространства-времени под массивной планетой.

Масса Юпитера настолько велика, что планета создаёт мощное гравитационное поле или искривление пространства-времени под собой. Благодаря этому искривлению многочисленные астероиды «вынуждены» следовать по определенным орбитам вблизи орбиты самого Юпитера. Таким образом Юпитер не даёт астероидам вторгнуться в область орбит соседних планет.
Многие современные учёные считают, что именно этот феномен защищает нашу планету от метеоритного апокалипсиса.

Давайте резюмируем. Специальная теория относительности (СТО) рассматривает механику движения тел в пустом (не искривленном) пространстве-времени. В этой теории Эйнштейн ввёл два постулата. Один из них говорит о том, что не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения. Второй постулат утверждает, что скорость света одинакова для любого наблюдателя во вселенной. Общая теория относительности (ОТО) изучает явления гравитации и искривление пространства-времени объектами, обладающими массой.

ОТО предсказала существование чёрных дыр — невероятно массивных космических объектов.

Художники фильма «Интерстеллар» предположили, как может выглядеть чёрная дыра для космонавтов, наблюдающих её невооружённым глазом.

Теория относительности помогла людям понять, как небольшая масса вещества может переходить в огромное количество энергии и какие законы управляют чёрными дырами.
Однако у теории Эйнштейна есть следствие, не такое пугающее, как существование чёрных дыр, и не такое опасное, как водородная бомба, — а вполне мирное и сугубо прикладное. Речь о спутниковой системе навигации (GPS, ГЛОНАСС), которая позволяет самолётам ориентироваться в пространстве, такси объезжать городские пробки, а нам «привязать» фотографии в Facebook к месту, где они были сделаны.

Несмотря на всю красоту, логичность и экспериментальную подтверждённость, теория относительности пока не согласована с другой значимой теорией XX века — квантовой механикой. Самый большой вызов для современных физиков — объединить две теории в единую теорию квантовой гравитации, которая в итоге приведёт нас к возможности описать все известные фундаментальные взаимодействия или к «теории всего».

… Относительно теории относительности | Dagpravda.ru

Возможно ли создание машины времени, с помощью которой можно отправиться в прошлое и вернуться обратно? Последние достижения в области крионики наводят на мысль, что теоретически это было бы реально. Такой абсурд исходил из самой теории относительности Альберта Эйнштейна. Кстати, это всего лишь один из множества парадоксов этого, вне сомнения, великого человека.

Крест ставят на создании машины времени и дают ответы на все парадоксы всеобщая теория и универсальный метод. Беседуем на эту тему с экспертом «ДП», профессором Муртузали Муртузалиевым.

– Муртузали Магомедович, расскажите подробнее об этой теории.

– Всеобщая единая теория дает возможность однозначно ответить на многие спорные и сложные вопросы и объяснить некоторые до сих пор необъяснимые результаты опытов или явлений. Естественно, владение такой единой теорией может служить инструментом познания различных процессов, что в какой-то степени делает человека властелином окружающего мира. И единая теория освобождает память человека от необходимости механического запоминания бесконечно поступающей информации.

– На какие вопросы поможет ответить ваша теория?

– Более 60 лет ученые мира не могут найти однозначное физическое объяснение так называемого неоднородного псевдоожижения («кипящего слоя»). Теперь эта проблема решена. Впервые в мире дан физический анализ этого явления – он напечатан в академических журналах, доклады по этой работе опубликованы в США, Китае, Японии и других странах.

Теорию относительности Эйнштейна критикуют многие ученые мира. Но пока никто не нашел причины ее противоречий. Мне удалось выявить их в процессе исследования различных природных и технических процессов. К сожалению, до сих пор многие не хотят всерьез говорить на эту тему: ограничиваются шутками о парадоксах этой теории.

– О каких парадоксах?

– Их много. Приведу один, наиболее характерный. По эйнштейновской теории относительности следует, что если один из близнецов отправится в космос, то через год на земле он не узнает никого. Почему? Потому что в различных системах якобы различное измерение времени. Кстати, машина времени тоже родилась из теории относительности Эйнштейна. Как герой кинофильма может отправиться в прошлое, убить там своего деда и вернуться обратно?! Как же тогда он, герой, родился?

– Я почему-то думал, что машина времени – чистой воды фантазия. В чем же, если говорить кратко, суть теории относительности Эйнштейна?

– Важнейшей частью является физическое учение об относительности времени, пространства, массы. Считают, что время, масса, размеры тел или пространства (расстояние между двумя телами) зависят от скорости движения тел. Причем во всех этих изменениях основную роль играет скорость света, вакуумно-частное физическое явление, ставшее по воле создателей теории относительности «идолом поклонения» в «священном писании» теоретической физики.

– И как бы объяснил парадоксы своей теории сам Эйнштейн?

– А он это сделал, и весьма своеобразно, объясняя свои противоречия циничным отрицанием самого здравого смысла: «Здравый смысл – это предрассудки, которые вырабатываются в возрасте до 18 лет. Если не грешить против разума, то вообще невозможно прийти к чему-либо».

Естественно, существуют незыблемые законы сохранения, принципы соответствия и т. д. Если из этих законов что-то не согласуется, то, считает он, тем хуже самим фундаментальным законам. Ради своей теории в жертву приносятся и сами законы природы.

– Кто, кроме вас, выразил вотум недоверия теории относительности?

– В последние годы с критикой в адрес ее основ вышли работы академика А. А. Логунова, профессора В. А. Ацюковского. Последний пришел к убеждению, что положения и выводы теории относительности экспериментально не подтверждаются. Но в то же время ни один из этих ученых не был последователен до конца.

Логунов, с одной стороны, критикует теорию, а с другой считает специальную теорию относительности инженерной наукой, в которой не следует сомневаться. А Денисов в своей работе «Мифы теории относительности» показал только несостоятельность существующей теории, но без корректного решения задачи, связанной с опытом Майкельсона-Морли, от которого зависела судьба физики XX века.

– К каким выводам удалось прийти вам?

– Если, например, скорость поезда 50 км/ч., то это его скорость относительно точки отсчета на Земле. Но чтобы узнать скорость поезда относительно космического пространства, нужно к скорости поезда прибавить скорость движения Земли – 30 км/сек., скорость движения Солнца – 100 км/cек. И тогда скорость поезда будет равняться сумме этих скоростей. Это и есть иерархическая закономерность движения тел, которую упустили мои предшественники при решении задачи, связанной с опытом Майкельсона-Морли.

Впервые с учетом иерархии движения без единого допущения, предположения и постулата дано однозначное решение вопроса, объясняющее результаты опыта Майкельсона-Морли и других экспериментов. Таким образом, специальная теория относительности теряет самый важный в ее логической структуре экспериментальный фундамент.

Исчезает возможность появления каких-либо парадоксов, отпадает необходимость возведения скорости света в постулат. Распространение света тоже вполне подчиняется ньютоновской механике, то есть свет как материальное тело не становится исключением для законов природы.

– Где можно более подробно ознакомиться с вашей теорией?

– Мною готовится монография «Божественная физика». В работе сформулированы новые принципы энергии и силы, которые играют немаловажную роль в познании и анализе конкретных явлений.

На основе универсального метода анализа и единой теории процессов глубже раскрываются самые фундаментальные законы механики, термодинамики и электродинамики. Значительное внимание уделено понятию «инерциальная система».

В современной литературе в слишком запутанном состоянии находится это понятие, хотя это – начало начал, фундамент, исходная точка всей физической науки. С этого фактически начинается классическая механика Ньютона, вводятся понятия «точка бифуркации», «зона странного аттрактора».

Если до сих пор из-за отсутствия альтернативной теории невозможно было избавиться от множества парадоксов теории относительности, то сейчас можно вернуться от векового заблуждения в нормальное научное русло, которое проложили гиганты науки. Здесь уместно привести слова самого Эйнштейна: «…Не следует думать, что великое творение Ньютона можно реально ниспровергнуть… Его ясные и всеобъемлющие идеи навсегда сохранят свое уникальное значение как фундамент, на котором построено здание современной физики». Эти слова на самом деле не были дипломатическим жестом.

В последние годы жизни, в 70-летнем возрасте, Эйнштейн писал о себе: «Вам кажется, что я взираю на труд моей жизни со спокойным удовлетворением. Вблизи всё это выглядит иначе. Нет ни одного понятия, в устойчивости которого я был бы убежден. Я не уверен вообще, что нахожусь на правильном пути». И в этом не было ни капли ложной скромности.

Солнечное затмение, подтвердившее теорию относительности Эйнштейна. Границы для молодых умов

Abstract

В этой статье описывается одна из самых важных глав в истории науки, которая способствовала современному пониманию Вселенной. Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности в 1915 году. Эта теория изменила наше понимание понятий пространства, времени и гравитации, установленных Исааком Ньютоном. Одно из предсказаний новой теории заключалось в том, что лучи света, достигающие нас от далеких звезд, искривляются, когда проходят вблизи Солнца, из-за гравитации Солнца и природы пространства и времени. Это предсказание было подтверждено астрономическими наблюдениями за измерением света, достигающего Земли от далеких звезд. Когда этот результат был опубликован, он вызвал большое волнение и интерес в научном сообществе и широкой публике, и Эйнштейн в одночасье стал суперзвездой.

Драматическое объявление

7 ноября 1919 года в британской газете London Times была опубликована статья под сенсационным заголовком « Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона опровергнуты. » В статье сообщается о результатах астрономических наблюдений, проведенных ранее в том же году двумя экспедициями, одна из которых располагалась на острове Принсипи, недалеко от западного побережья Африки, а другая — в городе Собрал в Бразилии. Из этих двух мест можно было наблюдать полное солнечное затмение в один и тот же день. Целью этих наблюдений была проверка одного из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн утверждал, что пути световых лучей, исходящих от далеких звезд, будут искривляться, когда они проходят мимо Солнца на пути к Земле.

Как наблюдения за искривленными световыми лучами могут подтвердить теорию Эйнштейна и изменить взгляды людей на пространство, время и гравитацию? Начнем с предыстории.

Специальная теория относительности

1905 год был одним из самых продуктивных в научной карьере немецкого физика еврейского происхождения Альберта Эйнштейна. В том же году он сформулировал специальную теорию относительности. Эта теория основана на двух допущениях:

Во-первых, теория применима к системам, движущимся с постоянной скоростью по отношению друг к другу. Для простоты представим себе человека, сидящего в вагоне поезда. Окна закрыты, стука колес по гусеницам не слышно. Если поезд движется с постоянной скоростью, нет никакого эксперимента, который мог бы провести человек в поезде, чтобы определить скорость поезда или решить, движется он или стоит на месте относительно платформы.

Второе предположение говорит нам, что распространение света ведет себя иначе, чем движение других вещей. Скорость света всегда постоянна — она не зависит от скорости источника света или скорости наблюдателя. Например, когда я еду на своей машине и спрашиваю, с какой скоростью движется соседняя машина, ответ зависит от моей скорости. Если соседний автомобиль движется с той же скоростью, что и мой автомобиль, то он будет казаться покоящимся относительно моего автомобиля. Но если я буду ехать медленнее, то будет казаться, что другая машина удаляется от меня. Эйнштейн понял, что свет ведет себя по-разному: скорость света не зависит от состояния движения того, кто ее измеряет, и от скорости источника, из которого этот свет излучается.

Вам это кажется странным? Ну, это становится еще более странным! Из этих двух предположений следует, что если два человека движутся относительно друг друга и измеряют длину некоторого предмета, то они получат разные результаты! Далее, если они измерят время между двумя событиями, они не сойдутся во времени, прошедшем между ними. Иногда они даже не сойдутся в том, какое событие произошло первым! Измерения расстояния, времени и одновременности событий относительных , что означает, что они зависят от состояния движения того, кто проводит измерения. Понятия расстояния и времени в специальной теории относительности Эйнштейна сильно отличаются от мировоззрения, предложенного английским математиком и физиком Исааком Ньютоном. Согласно теориям Ньютона, пространство и время являются отдельными сущностями и абсолютны — результаты измерения времени и расстояния в пространстве не зависят от движения того, кто их проводит.

Один из известных выводов теории Эйнштейна состоит в том, что масса и энергия эквивалентны друг другу — вывод, который представлен самой известной в науке формулой E = mc 2 . E представляет энергию, m представляет массу, а c представляет собой скорость света. Согласно этой формуле небольшое количество массы может быть преобразовано в огромное количество энергии. В реакторах, обеспечивающих ядерную энергию, эти процессы протекают управляемым образом. В атомной бомбе они происходят неконтролируемым образом, что приводит к катастрофическому взрыву. В ядре Солнца четыре ядра водорода сливаются в сложном процессе, чтобы стать ядром гелия. Масса ядра гелия немного меньше массы четырех ядер водорода. Масса, которая теряется в этом процессе, становится энергией и является источником энергии Солнца и, следовательно, источником жизни на Земле.

Общая теория относительности

Специальная теория относительности имеет два основных ограничения: во-первых, эта теория относится только к системам, движущимся с постоянной скоростью; он не учитывает ускоренное движение, то есть движение, которое ускоряется или замедляется или меняет свое направление, как в карусели. Второе ограничение заключается в том, что специальная теория относительности не может принять во внимание гравитационную силу, центральную силу, которая удерживает Луну на фиксированной орбите вокруг Земли и планеты на их орбитах вокруг Солнца.

После завершения специальной теории относительности Эйнштейн начал поиск теории, которая была бы свободна от этих двух ограничений. Его 10-летние поиски привели к общей теории относительности. Основная идея этой теории состоит в том, что гравитационная сила — сила притяжения между двумя объектами — это не сила, как в теории Ньютона, а свойство пространства, точнее пространства и времени. В новой теории Эйнштейна пространство и время объединены в одно целое — пространство-время. В теории Ньютона пространство и время являются «сценой», на которой происходят все физические процессы. В теории Эйнштейна пространство и время принимают участие в этих процессах и находятся под их влиянием. Согласно Эйнштейну, массивные объекты во Вселенной, обладающие массой, такие как планеты и звезды, искривляют пространство-время вокруг себя. Это означает, что объекты и световые лучи, движущиеся во Вселенной, движутся через искривленное пространство-время. Очень сложно объяснить эту концепцию так, чтобы ее было легко понять. Даже физики, изучающие такие явления, с трудом могут представить себе искривленное пространство-время. Эти понятия лучше всего описываются на языке математики с использованием методов, разработанных математиками еще в девятнадцатом веке. Используя эти методы, в 1915 Эйнштейн нашел уравнения, описывающие влияние массы на структуру пространства-времени, и уравнения движения, следующие из этого влияния. Эти уравнения — величайшее достижение Эйнштейна, и они лежат в основе всего, что мы знаем о Вселенной — о том, как она возникла, как развивалась и какова ее структура.

Наблюдения за солнечным затмением подтвердили теорию Эйнштейна

Когда Эйнштейн начал развивать свою общую теорию относительности, он уже знал, что световые лучи искривляются вблизи Солнца. Еще до того, как у него появилась окончательная теория, Эйнштейн подсчитал, насколько искривляются эти световые лучи, но, хотя в то время он этого не знал, он получил результат, который был в два раза меньше правильного значения. В 1913 марта Эйнштейн отправил письмо астроному Джорджу Хейлу, который был директором обсерватории Маунт-Вильсон, крупнейшей обсерватории в Соединенных Штатах. Эйнштейн спросил Хейла, есть ли способ наблюдать за звездами вблизи Солнца в дневное время. Хейл ответил, что единственный способ наблюдать эти звезды — во время полного солнечного затмения.

Возможно, вам все еще интересно, почему для доказательства теории Эйнштейна понадобилось солнечное затмение. Во-первых, важно помнить, что для того, чтобы увидеть влияние гравитации Солнца на свет от далеких звезд, Солнце должно находиться между нами и звездами, за которыми мы наблюдаем, то есть это следует делать в дневное время. Обычно невозможно увидеть звезды днем, потому что солнце такое яркое! Но во время солнечного затмения, когда небо темное, эти звезды будут видны. Солнечное затмение происходит потому, что плоскость орбиты Луны вокруг Земли искривлена ​​относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Иногда Земля, Луна и Солнце пересекаются таким образом, что образуют прямую линию. Когда это происходит, луна закрывает солнце, и происходит солнечное затмение. Но Луна слишком мала, чтобы отбрасывать тень на всю землю, и поэтому есть районы, где происходит полное солнечное затмение, а в других районах только частичное.

Эйнштейн пришел к выводу, что если астрономы сравнили фотографии звезд, сделанные во время солнечного затмения, когда Солнце находилось между Землей и звездами, с фотографиями тех же звезд, сделанными в ночное время, когда Солнце не было между Землей и звездами. звезды, положение звезд должно казаться сдвинутым. Если бы положение звезд на двух фотографиях различалось, это означало бы, что гравитационное поле Солнца искривляет путь света от этих звезд (рис. 1).

  • Рисунок 1. Когда лучи света от далекой звезды проходят через гравитационное поле Солнца, лучи искривляются.
  • Наблюдатель на Земле увидит, что положение звезды сместилось, когда солнце находится на пути света звезды, по сравнению с тем, когда солнце находится в другой области неба, не на пути света.

Немецкая астрономическая экспедиция планировала провести наблюдения во время полного солнечного затмения 21 августа 1914 года в районе Крыма в России. Но тут началась первая мировая война и экспедиция попала в плен, а ее оборудование было конфисковано.

Исследователи наконец получили еще одну возможность во время солнечного затмения 29 мая 1919 года (рис. 2). В то время Эйнштейн уже имел окончательную общую теорию относительности и на ее основе предсказал, что скорость искривления в два раза сильнее, чем он предполагал ранее. Как указывалось ранее, эти наблюдения были получены из двух мест, Собрал и Принсипи. После нескольких месяцев анализа наблюдений, что было непростой задачей, с использованием имевшихся в то время ресурсов, руководители экспедиций Артур Эдингтон и Чарльз Дэвидсон вместе с королевским астрономом сэром Фрэнком Дайсоном заявили, что «результаты экспедиций на Собрал и Принсипи почти не оставляют сомнений в том, что искривление света вокруг Солнца действительно происходит и что его скорость соответствует той, которую требует теория относительности Эйнштейна». Тот факт, что это предсказание общей теории относительности было подтверждено независимыми измерениями в двух удаленных друг от друга точках, помог убедить научное сообщество в том, что этот вывод действительно верен.

  • Рисунок 2 – Солнечное затмение 1919 года и звезды вокруг него.
  • Расположение звезд на этой фотографии сравнивали с фотографиями, сделанными, когда солнце находилось в другой части неба. При этом исследователи обнаружили, что положение звезд, похоже, изменилось. Это происходит потому, что гравитация Солнца искривляет световые лучи звезд, как показано на рисунке 1.

Влияние теорий Эйнштейна

Это был чрезвычайно важный результат. Это не только подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна, но и помогло ученым понять ценное астрономическое явление, называемое гравитационным линзированием, которое может помочь ученым в изучении Вселенной. Степень искривления световых волн при прохождении вблизи Солнца очень мала. Объекты с гораздо большей массой, такие как черные дыры или даже целые галактики, могут вызывать гораздо более сильное искривление, до такой степени, что источники света позади этих массивных объектов можно увидеть в наши телескопы. Эйнштейн заметил возможность гравитационного линзирования еще в 1912, но он опубликовал свои идеи и связанные с ними расчеты только 24 года спустя.

Сенсационное название новостной статьи, сообщающей об успехах британских экспедиций, вызвало большой ажиотаж в научном сообществе. Это также вызвало ажиотаж у широкой публики, который был усилен из-за периода, когда статья была опубликована — всего через несколько лет после Первой мировой войны, унесшей миллионы жизней и приведшей к большим разрушениям. Статья напомнила людям об интеллекте человеческого разума и показала им, что в науке может быть международное сотрудничество. Это породило новую надежду. Интерес широкой публики к Эйнштейну и восхищение им были заоблачны, и он за одну ночь стал суперзвездой. Эйнштейн пользовался этим статусом до конца своей жизни, и его все еще хорошо знают и уважают сегодня.

Примечание автора

Ханох Гутфройнд также делится захватывающими мыслями о важности уникальной рукописи, которая была продана с аукциона в ноябре 2021 года. Эта рукопись показывает, как Альберт Эйнштейн и его давний друг Мишель Бессо работали вместе, чтобы изучить последствия предварительного теории, опубликованной Эйнштейном в 1913 году. Результат их работы помог Эйнштейну завершить свою общую теорию относительности 2 года спустя. Узнайте больше здесь!

Дополнительные показания

На сотый год истории, являющейся темой этой статьи, были опубликованы две книги, описывающие ее научный и исторический контекст: С. Джеймс Гейтс-младший и Кэти Пеллетье, Доказывая правоту Эйнштейна — смелые экспедиции, которые изменили то, как We Look at the Universe, Hachette Book Group, 2019. Дэниел Кеннефик, Ни тени сомнения — затмение 1919 года, которое подтвердило теорию относительности Эйнштейна, Princeton University Press, 2019.

Глоссарий

Солнечное затмение : ↑ Явление, происходящее, когда Луна находится прямо между Солнцем и Землей, так что Луна отбрасывает тень на часть Земли.

Специальная теория относительности : ↑ Теория, разработанная Альбертом Эйнштейном и опубликованная в 1905 году, которая ввела понятие относительности измерений пространства и времени.

Гравитационная сила : ↑ Одна из основных сил в природе. Это сила притяжения, действующая между объектами, и на нее влияют их массы и расстояние между ними.

Общая теория относительности : ↑ Теория, опубликованная Эйнштейном в 1915 году и являющаяся расширением специальной теории относительности для работы с системами, движущимися с изменяющейся скоростью и гравитацией.

Гравитационное линзирование : ↑ Явление, при котором гравитационная сила объекта с большой массой искривляет световые лучи от источников, расположенных позади этих объектов, так что они становятся видимыми для наших телескопов.

Конфликт интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Относительность

относительность



Эфир (также называемый эфиром): Вещество, которое предположительно пронизывает Вселенную и которое передает электромагнитные волны.

Эксперимент Майкельсона-Морли: Эксперимент был разработан для расчета скорости «эфирного ветра», в котором дрейфовала Земля. Они предложили рассчитать ожидаемые различия в скорости света с разных точек наблюдения по отношению к эфиру (когда Земля находится в разных положениях на своей орбите). Они не обнаружили разницы в скорости в любой ориентации или положении, которое пробовали.

Интерферометр: устройство, используемое Майкельсоном и Морли для измерения скорости света с использованием интерференционных картин световых волн.

Преобразование Галилея: правила, которые использовались до теории относительности, чтобы перейти от одного наблюдателя измерений к измерению другого наблюдателя, который движется с постоянной скоростью по отношению к первому.

Преобразование Лоренца: правила, которые необходимо использовать в соответствии с теорией относительности, чтобы перейти от одного наблюдателя измерений к другому наблюдателю, движущемуся с постоянной скоростью по отношению к первому.

Альберт Эйнштейн.

  • 1905 год был очень продуктивным, когда я работал в швейцарском патентном бюро.
    • Фотоэлектрический эффект.
    • Броуновское движение.
    • Специальная теория относительности.
  • Покинул Германию в 1933 году, чтобы переехать в США.
  • Добавил свою подпись к письму Рузвельту о возможности создания атомной бомбы.

Предположения, которые Эйнштейн использовал для разработки своей специальной теории относительности:

  1. Законы природы одинаковы в разных инерциальных системах отсчета.
  2. Скорость света постоянна в вакууме.

Некоторые свойства измерения, вытекающие из теории относительности. Предположим, что один наблюдатель O движется относительно другого наблюдателя O’.

  • Уменьшение длины; длины уменьшаются. Если О измеряет длину объекта, движущегося вместе с О’, то он измерит ее меньше, чем О’.
  • Замедление времени, время замедляется.