Теория относительности эйнштейна кратко: Теория относительности Эйнштейна: коротко и просто о сложном |

Содержание

Теория относительности Эйнштейна: коротко и просто о сложном

Альберт Эйнштейн — великий физик-теоретик, имя которого на слуху у каждого из нас еще со школьной скамьи. Обладатель Нобелевской премии, автор почти 500 книг, посвященных физике, философии и истории. Именно он перевернул научное представление о природе пространства и времени, движении и законах механики теорией относительности, которую открыл в 1905 году.

Согласно его теории, мир состоит из четырех измерений:

вправо-влево;
вверх-вниз;
вперед-назад.

Еще одно измерение – время. Эти четыре величины формируют пространственно–временную физическую модель.

Самое интересное в том, что восприятие времени и пространства напрямую зависит от скорости нашего движения.

Взаимосвязь трех составляющих объясняет специальная теория относительности: чем больше скорость движения объекта, тем больше искажение пространства и времени.

На основе данного учения позже Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности, но она понятна немногим, потому в школе мы изучали специальную теорию относительности. Именно о ней мы поговорим подробнее в статье.

Основные принципы учения

Как определить движется объект или стоит на месте? Просто оцените его состояние относительно других тел. Важно понимать, что наличие или отсутствие движения, а также скорость перемещения зависят от двух факторов: кто наблюдает за предметом и откуда наблюдает. Проще говоря, движение – это относительный параметр.

Давайте рассмотрим на простом примере. Представьте, что вы едете в метро после непростого рабочего дня и, сидя на одном из пассажирских мест, увлеченно изучаете нашу онлайн-программу «Психическая саморегуляция» через свой телефон (кстати, отличный выбор, если ваша цель — справиться со стрессом, трудными отношениями в коллективе и другими «тормозящими» эмоциями). Для вас все объекты в вагоне, такие как кресла, пассажиры (речь о тех, кто стоит или сидит) и, конечно, ваш телефон находятся в неподвижном состоянии, т.е. их скорость передвижения равно нулю.

Ваш друг решил встретить вас на платформе одной из станций и уже ожидает на месте. Для него поезд и все объекты, находящиеся в нем, движутся с одинаковой скоростью, например, 50 км/ч. А если кто-то из пассажиров вагона решит перейти на ходу поезда по направлению движения состава в другой вагон, то его скорость будет еще выше, т.к. она суммируется со скоростью поезда.

Но есть одно исключение из правила — свет фар поезда. Скорость света остается неизменна и будет равна скорости движения самого поезда.

Отсюда следуют два главных принципа специальной теории относительности:

Принцип относительности: если объекты неподвижны или имеют постоянную скорость (например, вы и ваш телефон), для них все физические явления протекают одинаково.
Принцип постоянства скорости света: данная величина не зависит от других данных (например, от источника света) и является постоянной для всех наблюдателей.

На первый взгляд, скорость света кажется молниеносной, но это не так. Рассмотрим на примере распространения света в космосе. Между Солнцем и Землей 150 миллионов километров, солнечный свет доходит до земного шара за 8 минут. Соответственно, если Солнце вдруг перестанет светить, ночь нас накроет не сразу, а через 8 минут.

Два главных принципа теории рождают другие важные факты о пространственно-временной среде. Расскажем о них в следующих разделах.

Следствия учения

Важно понять, как выше изложенные принципы относятся к пространству и времени. Благодаря им Альберт Эйнштейн пришел к трем выводам:

время замедляется;
пространство расширяется;
масса увеличивается.

Чтобы понимать, о чем речь, давайте рассмотрим подробнее каждое из заключений.

Время замедляется

Время — это не абсолютная величина, она зависит от системы отсчета, в которой находится на данный момент.

Интересный опыт был проведен с применением двух атомных часов: одно устройство было отправлено самолетом вокруг планеты, а другое осталось на Земле. После посадки самолета сравнили показатели часов: те, что облетели земной шар, отставали от других часов на тысячные секунды.

Отсюда можно сделать вывод, время идет медленнее относительно объектов, находящихся в движении. При этом оно становится еще медленнее, если скорость объекта приближается к скорости света. Если космический корабль достигнет скорости света, то астронавт попадет в будущее. В этом случае время также будет относительно: недели в космосе будут равны годам на Земле. На этой теории построены сюжеты многих фантастических фильмов о космосе и его исследователях.

Пространство уменьшается

Давайте представим, что наш космический путешественник отправляется в полет на своем корабле. Скорость летательного аппарата приближается к скорости света и если наблюдать за его полетом со стороны, то можно заметить, что по направлению движения он становится короче, а перпендикулярно пути сохраняет исходные размеры, т.е. его ширина не меняется. При этом с самим астронавтом все в порядке: он на прежнем месте и прежних параметров.

Данный пример наглядно показывает, что для наблюдателя движущийся объект с увеличением своей скорости становится короче по направлению движения, а перпендикулярно ему его размеры остаются неизменными.

Масса увеличивается

E = mc² — знакомая формула из школьной программы? Своим уравнением Альберт Эйнштейн наглядно показал, что масса пропорциональна энергии тела, т.е., если увеличить скорость движения объекта, увеличивается и его масса. Отсюда следует вывод, что одна часть энергии затрачивается на изменение массы, а другая – на увеличение скорости. Это объясняет тот факт, что на деле путешествие во времени, о котором говорилось в предыдущем разделе, невозможно. Судите сами: чем больше скорость корабля, тем труднее его подтолкнуть. В итоге, приближаясь к скорости света, он достигает таких показателей, что никакая энергия вселенной не сможет его передвинуть.

Подведем итог

Почему теория относительности носит такое название?

Если скорость объекта приближается к скорости света, то его время замедляется, а пространство сжимается. Но эти показатели относительны наблюдателя, т.е. так он видит картину со своей стороны. Но для астронавта, который летит в космическом корабле, меняется только масса тела, остальные показатели остаются неизменными. При этом обе точки зрения верны, отсюда и название теории.

Надеемся, что наша статья помогла вам в общих чертах понять основные положения теории относительности. Кстати, интересный факт: Альберт Эйнштейн посвятил изучению и описанию своей теории 10 лет. Для более точного понимания учения советуем прочитать книгу «Теория относительности» Шеддад Каид-Сала Феррона. Поверьте, она будет интересна каждому школьнику и взрослому благодаря простому и веселому изложению мысли, ярким картинкам и графикам.

Желаем удачи!

Ключевые слова:1Когнитивистика, 1ТРИЗ

Специальная теория относительности

Специальная
теория относительности

    Создание А. Эйнштейном
в 1905 году специальной теории относительности привело к радикальному пересмотру
представлений о свойствах пространства и времени, взглядов на характер электромагнитного
поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических
явлений.
    В основу специальной теории относительности положены две физические
концепции.
Первая — принцип относительности, который состоит в том, что понятие движения относительно.
Можно говорить о движении тела только по отношению к какому-то другому телу. Согласно
принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие
в них процессы.
Вторая связана со светом и свойством его распространения. Свет распространяется
в вакууме со скоростью c = 299792458 м/с. Скорость света в вакууме — предельная
скорость распространения взаимодействия. Скорость света является фундаментальной
константой современной теории.
    Если система (x’,y’,z’,t’) движется относительно неподвижной
системы (x,y,z) со скоростью v, направленной вдоль оси z, то связь между пространственными
и временными координатами при переходе от одной системы к другой в механике Ньютона
описывается с помощью преобразований Галилея, а в специальной теории относительности
Эйнштейна — с помощью преобразований

Лоренца.
Расстояние является характеристикой пространства. Длительность
(временной промежуток между двумя событиями) является характеристикой времени. Следовательно,
скорость связывает понятия пространства и времени.
Событие описывается четырьмя переменными: три определяют положение
тела в пространстве, четвертая — во времени.

Преобразование Галилея	Преобразование Лоренца
x’ = x, y’ = y, z’ = z — vt, t’ = t.	x’ = x, y’ = y, z’ = (z — vt), t’ = (t — z/c), где = v/c, = 1/(1 — ²)^1/2.

Преобразование Галилея

Преобразование Лоренца

x’ = x,
y’ = y,
z’ = z — vt,
t’ = t.

x’ = x,
y’ = y,
z’ =
(z
— vt),
t’ =
(t
—
z/c),
где
=
v/c,

= 1/(1 —
²)^1/2.

Полная энергия и импульс частицы зависят от системы отсчета.
Если энергия E и импульс p измеряются в двух различных системах, движущихся друг
относительно друга, то энергия и импульс будут иметь в этих системах различные значения.
Однако величина E² — p²c² будет в этих системах
одинаковой. Она является лоренцевым инвариантом. Полная энергия, импульс и масса
связаны соотношением

E² — p²c² = m²c⁴.

Масса не изменяется при переходе от одной инерциальной системы
отсчета к другой.

25.05.2017

8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Живая наука поддерживается аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Спутник GPS Навстар-2Ф
(Изображение предоставлено ВВС США)

Сформулированная Альбертом Эйнштейном начиная с 1905 года, теория относительности объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и ее можно использовать для предсказания таких вещей, как существование черных дыр , искривление света из-за гравитации и поведения планет на их орбитах.

Теория обманчиво проста. Во-первых, не существует «абсолютной» системы отсчета. Каждый раз, когда вы измеряете скорость объекта, его импульс или то, как он воспринимает время, это всегда связано с чем-то другим. Во-вторых, скорость света одинакова, независимо от того, кто ее измеряет или с какой скоростью движется измеряющий ее человек. В-третьих, ничто не может двигаться быстрее света.

Выводы из самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света всегда одинакова, это означает, что космонавт движется очень быстро относительно Земля будет измерять секунды медленнее, чем земной наблюдатель. Время существенно замедляется для космонавта — явление, называемое замедлением времени .

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Любой объект в большом гравитационном поле ускоряется, поэтому он испытывает замедление времени. Между тем, космический корабль астронавта испытывает сокращение длины на , а это означает, что если вы сфотографируете космический корабль во время его полета, он будет выглядеть так, как будто он «сплющивается» в направлении движения. Однако космонавту на борту все казалось бы нормальным. Кроме того, с точки зрения людей на Земле масса космического корабля могла бы увеличиться.

Но вам не обязательно нужен космический корабль , движущийся с околосветовой скоростью (откроется в новой вкладке), чтобы увидеть релятивистские эффекты. Действительно, есть несколько примеров относительности, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни и технологиях, которые мы используем сегодня, которые демонстрируют, что Эйнштейн был прав. Вот несколько способов увидеть относительность в действии.

Электромагниты

Крупный план рабочего, держащего электромагнитную катушку на заводе электромагнетиков. (Изображение предоставлено: Монти Ракусен через Getty Images)

Магнетизм — это релятивистский эффект, и вы можете увидеть это с помощью генераторов. Если вы возьмете проволочную петлю и проведете ее через магнитное поле, вы получите электрический ток. На заряженные частицы в проводе воздействует изменяющееся магнитное поле , которое заставляет некоторые из них двигаться и создает ток.

А теперь представьте провод в покое и вообразите, что магнит движется. В этом случае заряженные частицы в проводе (электроны и протоны) больше не двигаются, поэтому магнитное поле не должно на них влиять. Но это происходит, и ток все еще течет. Это показывает, что нет привилегированной системы отсчета.

Томас Мур, профессор физики Колледжа Помона в Клермонте, Калифорния, использует принцип относительности для демонстрации закона Фарадея , который гласит, что изменяющееся магнитное поле создает электрический ток.

«Поскольку это основной принцип трансформаторов и электрических генераторов, любой, кто использует электричество, испытывает эффекты относительности», — сказал Мур Live Science.

Электромагниты тоже работают по теории относительности. Когда постоянный ток электрического заряда течет по проводу, электроны дрейфуют через материал. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без положительного или отрицательного заряда, потому что в проводе примерно одинаковое количество протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). Но если положить рядом другой провод с постоянным током, провода притягиваются или отталкиваются друг от друга, в зависимости от направления, в котором движется ток, по данным физиков из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (открывается в новой вкладке).

Если предположить, что токи движутся в одном направлении, электроны во втором проводе неподвижны по сравнению с электронами в первом проводе. (Это предполагает, что токи примерно одинаковой силы.) Между тем, протоны в обоих проводах движутся по сравнению с электронами в обоих проводах. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на длину провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку как заряды отталкиваются, так и два провода отталкиваются.

Токи в противоположных направлениях приводят к притяжению, потому что по сравнению с первым проводом электроны в другом проводе более скучены, что создает общий отрицательный заряд, по данным Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (открывается в новая вкладка). Тем временем протоны в первом проводе создают суммарный положительный заряд, и противоположные заряды притягиваются.

GPS-навигация

GPS-навигация — отличный пример релятивистского замедления времени. (Изображение предоставлено: BlackJack3D через Getty Images)

Согласно PhysicsCentral , чтобы GPS-навигация вашего автомобиля функционировала так точно, спутники должны учитывать релятивистские эффекты. Это потому, что хотя спутники и не движутся близко к скорости света, они все равно движутся довольно быстро. Спутники также посылают сигналы наземным станциям на Земле. Эти станции (а также технология GPS в автомобиле или смартфоне) испытывают более высокие ускорения из-за гравитации, чем спутники на орбите.

Чтобы добиться такой высокой точности, спутники используют часы с точностью до нескольких наносекунд (миллиардных долей секунды). Поскольку каждый спутник находится на высоте 12 600 миль (20 300 километров) над Землей и движется со скоростью около 6 000 миль в час (10 000 км/ч), существует релятивистское замедление времени , которое увеличивается примерно на 4 микросекунды каждый день. Добавьте сюда эффекты гравитации, и эффект замедления времени увеличится примерно до 7 микросекунд (миллионных долей секунды).

Разница весьма реальна: если бы не учитывались никакие релятивистские эффекты, устройство GPS, которое сообщает вам, что до следующей заправки 0,8 км, расстояние до следующей заправки составило бы 5 миль (8 км), согласно в Центр физики.

Желтый цвет золота

(Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

Большинство металлов блестят, потому что электроны в атомах прыгают с разных энергетических уровней или «орбиталей». Некоторые фотоны, попавшие на металл, поглощаются и переизлучаются, хотя и с большей длиной волны. Однако большая часть видимого света отражается.

Золото является тяжелым элементом , поэтому внутренние электроны движутся достаточно быстро, чтобы релятивистское увеличение массы и сокращение длины было значительным, в соответствии с (открывается в новой вкладке) отчет (открывается в новой вкладке) из Гейдельбергского университета в Германии. В результате электроны вращаются вокруг ядра более короткими путями с большим импульсом. Электроны на внутренних орбиталях несут энергию, близкую к энергии внешних электронов, а длины волн, которые они поглощают и отражают, больше. Более длинные волны света означают, что часть видимого света, который обычно отражается, поглощается, и этот свет находится в синей части спектра. Белый свет это смесь всех цветов радуги , но в случае с золотом, когда свет поглощается и переизлучается, длина волны обычно больше. Это означает, что в смеси световых волн, которые мы видим, меньше синего и фиолетового. Поскольку длина волны желтого, оранжевого и красного света больше, чем у синего, золото кажется желтоватым, согласно BBC (открывается в новой вкладке).

Устойчивость золота к коррозии

Золото отлично подходит для использования в ювелирных изделиях, хотя изделия из чистого золота встречаются редко. (Изображение предоставлено Питером Дазели через Getty Images)

Релятивистский эффект на электроны золота также является одной из причин, по которой золото не подвергается коррозии и легко не реагирует ни с чем другим, согласно статье 1998 года в журнале Gold Bulletin .

У золота только один электрон на внешней оболочке, но оно не так реактивно, как кальций или литий. Вместо этого, поскольку электроны в золоте «тяжелее», чем они должны быть, поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, увеличивая свою массу, они удерживаются ближе к атомному ядру. Это означает, что самый дальний электрон вряд ли может вообще с чем-либо реагировать; с такой же вероятностью он может быть среди электронов, близких к ядру.

Жидкая ртуть

Ртуть используется в ЖК-экранах и мониторах. (Изображение предоставлено Питером Кейдом через Getty Images)

Меркурий также является тяжелым атомом, в котором электроны удерживаются близко к ядру из-за их скорости и последующего увеличения массы. Связи между атомами ртути слабы, поэтому ртуть плавится при более низких температурах и обычно является жидкостью, когда мы ее видим, согласно Chemistry World .

Ваш старый телевизор

Электронно-лучевая трубка, используемая в старом аналоговом осциллографе в лаборатории. (Изображение предоставлено: albln через Getty Images)

Примерно до начала 2000-х большинство телевизоров и мониторов имели экраны с электронно-лучевой трубкой. Электронно-лучевая трубка работает, запуская электроны на поверхность люминофора с помощью большого магнита. Каждый электрон образует подсвеченный пиксель, когда он попадает на заднюю часть экрана, и электроны вспыхивают, заставляя изображение двигаться со скоростью до 30% скорости света. Релятивистские эффекты заметны, и когда производители формировали магниты, они должны были учитывать эти эффекты, согласно PBS News Hour (открывается в новой вкладке).

Свет

Изображение гигантской галактики UGC 2885, полученное космическим телескопом Хаббл. (Изображение предоставлено NASA/ESAB. Holwerda (Университет Луисвилля))

Исаак Ньютон предположил, что существует абсолютная система покоя или внешняя совершенная система отсчета, с которой мы могли бы сравнить все другие системы отсчета. Если бы он был прав, нам пришлось бы придумать другое объяснение света, потому что его бы вообще не было.

«Не было бы не только магнетизма, но и света, потому что относительность требует, чтобы изменения в электромагнитном поле происходили с конечной скоростью, а не мгновенно», — сказал Мур. «Если бы теория относительности не навязывала это требование… изменения в электрических полях сообщались бы мгновенно… вместо электромагнитных волн, и и магнетизм, и свет были бы не нужны». 92 — солнце и остальные звезды не светили бы. В центре нашей родительской звезды интенсивные температуры и давления постоянно сжимают четыре отдельных атома водорода в один атом гелия, согласно Университета штата Огайо . Масса одного атома гелия лишь немногим меньше массы четырех атомов водорода. Что происходит с дополнительной массой? Он напрямую преобразуется в энергию, которая проявляется в виде солнечного света на нашей планете.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о том, как теория относительности влияет на изучение удаленных космических объектов (открывается в новой вкладке) , от НАСА.
См. , как теория относительности становится важной (открывается в новой вкладке) для ускорителей частиц от Fermilab.
Исследуйте историю теории относительности Эйнштейна и ее многочисленные подтвержденные предсказания от Европейского космического агентства.

Эта статья была обновлена 22 марта 2022 г. автором Live Science Адамом Манном.

Джесси Эмспак — автор статей для Live Science, Space.com и Toms Guide. Он занимается физикой, здоровьем человека и общей наукой. Джесси имеет степень магистра искусств Калифорнийского университета, Школы журналистики Беркли и степень бакалавра искусств Университета Рочестера. Джесси провел годы, освещая финансы, и набился зубами в местных газетах, работая с местными политиками и полицией. Джесси любит вести активный образ жизни и имеет черный пояс третьей степени по каратэ, что означает, что теперь он знает, как многому ему еще предстоит научиться.

При участии

Адам MannLive Science Contributor

8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Спутник GPS Навстар-2Ф
(Изображение предоставлено ВВС США)

Сформулирована Альбертом Эйнштейном начиная с 1905 года, теория относительности объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и его можно использовать для предсказания таких вещей, как существование черных дыр , искривление света из-за гравитации и поведение планет на их орбитах.

Выводы из самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света всегда одинакова, это означает, что астронавт, движущийся очень быстро относительно Земли , будет измерять секунды медленнее, чем земной наблюдатель. Время существенно замедляется для космонавта — явление, называемое замедлением времени .

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Любой объект в большом гравитационном поле ускоряется, поэтому он испытывает замедление времени. Тем временем космический корабль астронавта испытывает сокращение длины , что означает, что если вы сфотографируете космический корабль во время его полета, он будет выглядеть так, как будто он «сплющен» в направлении движения. Однако космонавту на борту все казалось бы нормальным. Кроме того, с точки зрения людей на Земле масса космического корабля могла бы увеличиться.

Но вам не обязательно нужен космический корабль , летящий с околосветовой скоростью (откроется в новой вкладке), чтобы увидеть релятивистские эффекты. Действительно, есть несколько примеров относительности, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни и технологиях, которые мы используем сегодня, которые демонстрируют, что Эйнштейн был прав. Вот несколько способов увидеть относительность в действии.

Электромагниты

Крупный план рабочего, держащего электромагнитную катушку на заводе по производству электромагнетиков. (Изображение предоставлено: Monty Rakusen через Getty Images)

Томас Мур, профессор физики в Колледже Помона в Клермонте, Калифорния, использует принцип относительности для демонстрации закона Фарадея , который гласит, что изменяющееся магнитное поле создает электрический ток.

Если предположить, что токи движутся в одном направлении, электроны во втором проводе неподвижны по сравнению с электронами в первом проводе. (Это предполагает, что токи примерно одинаковой силы. ) Между тем, протоны в обоих проводах движутся по сравнению с электронами в обоих проводах. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на длину провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку как заряды отталкиваются, так и два провода отталкиваются.

GPS-навигация

Желтый цвет золота

(Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

Устойчивость золота к коррозии

Жидкая ртуть

Ртуть используется в ЖК-экранах и мониторах. (Изображение предоставлено Питером Кейдом через Getty Images)

Ваш старый телевизор

Свет

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о том, как теория относительности влияет на изучение удаленных космических объектов (открывается в новой вкладке) , от НАСА.
См. , как теория относительности становится важной (открывается в новой вкладке) для ускорителей частиц от Fermilab.