Содержание
Общая теория относительности: Простое объяснение | by Сергей Базанов | Space Review
Червоточины — это туннели в пространстве-времени, существование которых предсказывается Общей теорией относительности.
Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы он это сделал. В ответ он создал свое величайшее творение — Общую теорию относительности.
Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжения действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.
Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации всё еще использовались в течение десятилетий, как основа для универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движения планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую теорию тяготения и на то, где она не дотягивает.
Перо и шар для боулинга в вакууме, при отсутствии сопротивления воздуха, падают с одинаковой скоростью.
Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают», а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.
Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, — это орбиты небесных тел, почему Луна вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца. В конечном счете, ответ Ньютона на это заключался в том, что гравитация — это сила, пропорциональная массе объекта. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.
Но, как мы уже упоминали ранее, проблема ньютоновской гравитации заключается в её действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстояния между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Также проблема в том, что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжения, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.
В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью.
Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.
В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.
Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый пространственно-временной континуум.
Внедрение любой массы в пространство искажает окружающее её пространство.
В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.
Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.
Большим шаром здесь является Солнце, превращающее пространство-время в чашу, которая заставляет Землю двигаться по круговой (точнее эллиптической) орбите.
Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени — три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле.
Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.
Откуда мы знаем, что Общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.
Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.
Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву.
С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.
Как выразился физик-теоретик Джон Уилер (John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться».
Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.
Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.
Einstein was told two things when he mentioned wanting to solve the problem of gravity: one was that it simply couldn’t…
medium.com
сложное простыми словами — Детская энциклопедия Потому.ру
Наше сознание не всегда легко воспринимает некоторые теории и понятия. К ним относится и Теория относительности Эйнштейна. Если объяснить теорию просто, понять ее получится. Главное, иметь основы математики и физики. Речь будет идти о времени, скорости, расстоянии.
Альберт Эйнштейн в 1905 году подарил науке специальную теорию относительности. Также ее называют СТО. Эта теория рассказывает, как трактовать движения между объектами, которые движутся с неизменной скоростью относительно друг друга. Ученый предложил изучать движение объектов в соотношении друг с другом, а не как абсолютную систему отсчета одного из них. При одновременности происходящего события могут иметь разное время или скорость: в зависимости от того, кто наблюдает происходящее.
Например, пассажир поезда будет видеть одну картинку, а человек, стоящий на перроне – иную.
Главное, для понимания специальной теории относительности — она применима в единственном случае — движение равномерно и прямолинейно. Во всех остальных ситуациях – при ускорение движения или смены направление, законы теории не работают. Здесь используют общую теорию относительности. Она поясняет движения материальных объектов в общих случаях.
- Физические законы сохраняются для тел, которые двигаются на постоянной скорости относительно друг друга.
Поясним. Например, Иван и Петр рассекают пространство на космических кораблях. Для сравнения их наблюдений необходимо знать только скорость Ивана относительно скорости корабля Петра.
Если скорость движения Ивана больше скорости Петра, его наблюдения времени и пространства отличны от наблюдений Петра, который перемещается медленнее.
Представим эксперимент.
Иван в движущемся корабле.
В руках у него мощный прожектор, он посылает луч света в зеркало, прикрепленное на потолке. Отраженный в зеркале свет устремляется вниз, на специальный экран-фиксатор.
Получается схема:
зеркало
И ↑ ↓
В ↑ ↓
А ↑ ↓
Н ↑ ↓
Экран-фиксатор
Для Ивана, движущегося с постоянной скоростью внутри корабля ничего не меняется, свет падает перпендекулярно вниз.
Вот что видит Петр, который находится в покоящемся космическом корабле и наблюдает за кораблем Ивана:
Зеркало
И / \
В / \
А / \
Н / \
Экран-фиксатор
Петр увидит луч света, поднимающийся вверх и падающий на экран по диагонали.Это происходит из-за движения корабля Ивана.
Для Ивана и Петра траектория света, длина луча (!) и время нужное для прохождения от зеркала к фиксатору — разные.
“Замедление времени” — так называется это явление: время на корабле Ивана (а корабль этот движется с бОльшей скоростью) с позиции наблюдателя с земли протекает медленнее.
Эйнштейн в своих экспериментах доказал, что время и пространство наблюдатели воспринимают по-иному, восприятие зависит от того, с какой скоростью перемещаются объекты.
- Скорость света одинакова для всех. Не важно, какова скорость наблюдающего по отношению к источнику света.
Для понимания практическое объяснение. Ни одно тело не может приблизиться к скорости света и или стать быстрее ее. Допустим, что мы имеем два источника света: неподвижный фонарь. Обозначим скорость фонаря х1. Время, за которое свет достигнет стены — В1. Второй источник – фонарь, закрепленный на поезде. Поезд движется со скоростью х2. Парадоксом является то, что оба потока света достигнут условной точки В ОДНО ВРЕМЯ. Почему так? Ведь фонарь1 не движется, а к скорости света фонаря 2 прибавляется скорость поезда х2. Теорема Эйнштейна объясняет это тем, что скорость света невозможно превысить. Вопрос: почему? Объясняется это так: если предмет приблизится к скорости света, его масса будет увеличиваться, а значит, будет и увеличиваться энергия, нужная для движения этого предмета.
Если скорость света будет достигнута, то масса предмета станет бесконечной, как и энергия, необходимая для движения этого предмета. А это невозможно. Со скоростью света могут двигаться только те предметы, которые массы не имеют. Таким предметом и является свет.
При достижении скорости света движущиеся предметы становятся короче.
Это еще один эффект того, что скорость света не изменятся. Объясним его мысленным экспериментом. Представим, что скорость света гораздо меньше 300 000 км в секунду. Медленная скорость. Иван едет в поезде и устанавливает лампу посередине вагона. Иван включает лампу.
← ← ←лампа со светом→ → →
Включенный свет начнет движение и в одно время осветит (достигнет) переднюю и заднюю стенку вагона. Вместе с Иваном мы измерим длину вагона, зная, сколько времени понадобилось свету, чтобы достичь обеих стен.
Предположим, что для пути в 10 метров, свету нужна 1 секунда. И что в нашем эксперименте для освещения вагона потребовалась одна секунда.
Узнаем, что лампа быдла помещена в 10 метрах от каждой стороны вагона. Получаем: 10*2=20. Длина вагона составила 20 метров.
В рамках эксперимента представим, что Петр находится на перроне и наблюдает за поездом, в котором едет Иван. Мы помним, что Петр видит наблюдаемое иначе. Для Петра задняя стенка вагона движется к лампе. Передняя стенка отодвигается от лампы. Это значит, что задняя стена осветится раньше, чем передняя.
← движение поезда
Передняя стенка← ← ←лампа со светом→ → →задняя стенка
В результате эксперимента видно: при измерении скорости распространения света Иван и Петр будут иметь различные результаты. Для науки расчеты Ивана и Петра будут верны. При этом длина вагона для Ивана будет одна, а для Петра – другая, что важно – меньше.
Еще несколько слов об относительности
Краткие выводы.
Согласно теории относительности Эйнштейна, описание чего -либо зависит от наблюдателя. Картинка у человека , находящегося в движении будет одна. У находящегося в покое – другая. Речь будет идти об одном и том же явлении. Обе картинки будут правдивы. Законы природы от наблюдателя не зависят.
Наглядный пример, что все относительно:
На изображении выше — один и тот же предмет. На синей стене зритель видит квадрат, на желтой — круг. Тень дает предмет цилиндрической формы. Три разных взгляда на одну вещь. Три разных правды.
Не бойтесь размышлять и познавать новое. Даже то, что не умещается в голове!
относительности — Студенты | Britannica Kids
Введение
Дорис Ульманн/Библиотека Конгресса, Вашингтон, округ Колумбия (LC-USZC4-4940)
Среди выдающихся достижений в науке навсегда останутся теории относительности Альберта Эйнштейна — проблема того, как меняются физические законы и измерения, когда их рассматривают наблюдатели в различных состояниях движения.
Эти теории заставили пересмотреть все фундаментальные представления о времени и пространстве. Они внесли изменения во многие формулировки законов природы, включая закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. И эти теории дали ученым математическую основу, необходимую им для атомных исследований и высвобождения ядерной энергии.
Эйнштейн выдвинул свою первую теорию относительности, названную специальной теорией относительности, в 1905 году. Она показала, что ни один материальный объект не может двигаться со скоростью света, который имеет постоянную скорость для всех наблюдателей, независимо от их движения. Таким образом, скорость света является «пределом скорости» Вселенной. Специальная теория относительности также показала, что масса и энергия являются одной и той же физической сущностью и могут превращаться друг в друга.
Эйнштейн разработал свою вторую теорию относительности, названную общей теорией относительности, в 1916. Эта теория касается гравитации, одной из фундаментальных сил Вселенной.
Гравитация — очень слабая сила. По этой причине его отличительные эффекты проявляются только на очень массивных объектах. Таким образом, общая теория относительности описывает такие крупномасштабные физические явления, как движение планет, рождение и смерть звезд, черных дыр и эволюцию Вселенной.
Сначала говорили, что только дюжина человек в мире может понять эти революционные теории. Это было правильно лишь отчасти. Это правда, что теории относительности используют высшие разделы математики. Но сегодня тысячи ученых разбираются в теориях, и каждый может получить хорошее представление об теории относительности, если все хорошенько обдумает.
Мышление Эйнштейна выросло из ряда научных загадок, особенно о свете. Многие годы ученые считали, что свет распространяется в пространстве в виде волн в упругой, невесомой и невидимой среде, называемой светоносным эфиром. Они думали, что Земля движется («дрейфует») в эфире, и в 1887 г. А.А. Майкельсон и Э. У. Морли попытались измерить этот дрейф.
Но никаких признаков движения не появлялось. Если свет переносится эфиром, Земля как бы стоит в нем на месте.
Из всех попыток объяснить этот результат наиболее многообещающая была предложена голландским физиком Х.А. Лоренц. Он предположил, что материя, движущаяся в эфире, может немного укорачиваться в направлении движения. Если бы это повлияло на инструмент Майкельсона в нужной степени, это аннулировало бы эксперимент.
Само предположение вызвало сомнение в достоверности любого научного измерения, и было предпринято много усилий, чтобы обнаружить такое сокращение. Но ни один не преуспел. Ученые оставались с этим навязчивым сомнением в точности всех измерений, пока Эйнштейн не предложил свою специальную теорию относительности в качестве ответа.
Подход Эйнштейна к проблеме
Encyclopædia Britannica, Inc.
Эйнштейн начал с вопроса о существующем методе измерения движения. Этот метод показан на рисунке 1. Неподвижный наблюдатель может проверить движение непосредственно в своей системе отсчета.
Движущийся наблюдатель должен был бы измерить наблюдаемое движение относительно системы отсчета, которую он носил с собой, а затем учесть его движение относительно некоторой неподвижной системы отсчета. Это дало бы истинную запись, если бы стационарная система отсчета оставалась фиксированной и неизменной в пространстве и времени.
В то время все ученые предполагали, что система отсчета, созданная пустым пространством, остается фиксированной и неизменной (за исключением тревожного предположения Лоренца). Но теперь Эйнштейн спросил, можем ли мы быть в этом так уверены? Мы сталкиваемся с загадкой, и, несмотря на все наши усилия, мы не можем решить ее в таких рамках. Поэтому не будет ли мудрым исследовать саму рамку, чтобы увидеть, так ли она прочна, как мы думаем?
Поскольку люди во все времена безоговорочно принимали трехмерное пространство и ход времени, предложение Эйнштейна на первый взгляд кажется немыслимым. Но простой пример покажет, почему и как можно поставить под сомнение предполагаемую неизменность пространства и времени.
Предположим, что где-то в реальном трехмерном пространстве есть обширный план, населенный точечными существами, которые не могут ничего понять, кроме двух измерений x и y своего плана. Назовем этих существ обитателями Флатландии по названию знаменитой книги, когда-то написанной о них Эдвином Эбботом; и давайте проследим за одним таким существом, пока оно проводит некоторые эксперименты.
Эксперименты во Флатландии и Кривой земле
Encyclopædia Britannica, Inc.
Предположим, что это существо движется по прямой линии между двумя городами Флатландии, A и B, на рис. 2. Оно движется в постоянном темпе и использует линейку для измерения расстояния. Он берет 100 дней для путешествия; и его мерка дает расстояние в 1000 миль.
Теперь он пробует еще один тест. Он использует радар, чтобы получить отраженный сигнал от А, и обнаруживает, что сигнал проходит через промежуточное пространство в обе стороны за 1 / 186 секунды.
Поскольку сигналы радара распространяются со скоростью света — 186 000 миль (299 792 458 метров) в секунду — это означает расстояние в 1000 миль. Испытание радара подтвердило меру, сделанную с помощью эталона.
А теперь представьте, что это существо перенесено на поверхность огромной полой сферы, по размерам сравнимой с Землей. Сфера находится в трехмерном пространстве, и радиосигналы пересекают это пространство. Перенесенный флатландец не может осознать этот или другие аспекты своего реального положения, но он будет чувствовать себя как дома, потому что сфера огромна, а ее изогнутая поверхность кажется плоской. Предположим, мы назовем его новое окружение Curvedland и посмотрим, что произойдет, если он повторит свои тесты расстояния между городами C и D Curvedland.0005
Теперь он не может двигаться по фактическому кратчайшему расстоянию между C и D. Оно лежит внутри искривленной поверхности в третьем измерении пространства, как показано на рис. 3. Кратчайшее расстояние, которое он сможет найти, будет большой окружностью между C и D.
D на поверхности сферы ( см. навигация).
Предположим, что время в пути составляет 120 дней, а расстояние составляет 1200 миль. Теперь он делает тест радара, и результат его удивляет. Как показано на рисунке 3, сигнал будет следовать по фактическому кратчайшему расстоянию и даст меру (скажем) всего в 1000 миль.
Это загадочный результат, и как он может его объяснить? Во-первых, он может предположить, что его критерий и показания часов верны, и попытаться объяснить, что произошло с сигналом радара. Но он, безусловно, потерпит неудачу, потому что он никогда не может себе представить, что произошло на самом деле, то есть сигнал покинул его двумерный мир и прошел через третье измерение (непостижимое для него) пространства внутри поверхности сферы. Во-вторых, после того, как его первое объяснение потерпело неудачу, он может принять результат проверки радара как правильный и изменить другие свои измерения, чтобы они были последовательными. Это он может сделать, предположив, что, когда он переместился из Флатландии в Кривидленд, его мерка уменьшилась ровно настолько, чтобы измерить 1000 миль как 1200.
(Это соответствует сокращению Лоренца.) Ему также пришлось бы предположить, что дни, которые он использовал в качестве меры времени в пути, каким-то образом сократились и дали ему счет 120 вместо 100. Тогда все его экспериментальные результаты были бы непротиворечивыми.
Эта головоломка — лишь одна из многих, которые возникли бы, если бы Флатландец продолжал путешествовать по Изогнутой земле и проводить испытания. Возможно, самое странное, что если бы он продолжал идти достаточно долго, то пришел бы к своему собственному черному ходу. Это произошло бы потому, что его якобы плоское пространство на самом деле замкнуто и ограничено. Большие круги, которые он принимает за прямые линии, замыкаются сами на себя и имеют ограниченную длину.
Теперь предположим, что какой-нибудь «Эйнштейн Флатландии», математический гений, изучает эти вопросы. Он может использовать любое количество пространственных измерений в рабочих задачах, хотя может визуализировать только два. Поэтому он придумывает объяснение, используя укороченный критерий и укороченные дни.
Это не только объясняет сигнал радара: это объясняет гораздо большие загадки, которые возникли бы в более длинном путешествии. Его объяснение на самом деле сводится к рассмотрению всех событий как происходящих в трехмерном пространстве. Но он должен сформулировать это в математических терминах, потому что ни он, ни любой другой флатландец не могут мыслить в терминах актуального третьего измерения, которое они могут «видеть» как существующее.
Фундаментальное предложение Эйнштейна
Эйнштейн предложил почти такой же курс в отношении эксперимента Майкельсона-Морли. В эксперименте с эфирным ветром ученые ожидали, что свет будет казаться ускоренным всякий раз, когда он движется внутри аппарата против движения Земли. Кажущаяся новая скорость будет суммой фактической скорости света в пустом пространстве плюс скорость Земли, движущейся ему навстречу.
Им не удалось обнаружить такой эффект. Свет, казалось, имел одинаковую скорость, независимо от направления, в котором он двигался по отношению к движению Земли.
И единственный шанс объяснить это и при этом сохранить теорию эфира не удался, так как не удалось найти никаких свидетельств лоренцевского сокращения. Поэтому ученым пришлось принять другое объяснение. Поскольку скорость света остается постоянной, измерения движения необходимо сделать изменчивыми, чтобы проблемы по-прежнему «решались» в соответствии с наблюдаемыми фактами.
Переменное пространство и время
Это означало принятие лоренцева сокращения (соответствующего сокращенной мерке Флатландца), за исключением того, что Эйнштейн убрал недоказуемое свойство. Лоренц предположил сжатие материи, но оно не было обнаружено. Эйнштейн предположил, что размеры самого пространства меняются со скоростью наблюдателя.
© Открытый университет
Затем Эйнштейн доказал, что следует принять и остальную часть второго объяснения флатландца. Он показал острым математическим аргументом, что если скорость света неизменна, а само пространство изменяется со скоростью движения, то должна меняться и человеческая мера времени.
На первый взгляд может показаться, что это разрушает всякую уверенность в науке. Как можно с уверенностью измерить любую скорость движения, если сами единицы, используемые для ее измерения, могут быть изменчивы? «Очень легко», — сказал Эйнштейн. Оставался один неизменный факт природы — постоянная скорость света. Все остальные скорости могут быть выражены в виде его частей. Соответствующие «поправочные коэффициенты» могут быть применены к различным измерениям пространства или времени, которые могут возникнуть в задачах движения.
© МинутФизикс
Перед Эйнштейном оставалась одна великая задача. Необходимо было бы найти, какие математические формы должны принимать «поправочные коэффициенты», чтобы расчетные движения согласовывались с наблюдаемыми фактами. В своей атаке на эту проблему Эйнштейн решил, что, поскольку и пространство, и время следует рассматривать как переменные, он будет рассматривать их вместе как аспекты четырехмерного пространственно-временного континуума.
Его лечение невозможно полностью объяснить без использования высшей математики.
Также нельзя привести полезные наглядные примеры полного значения. Их пришлось бы рисовать в четырех измерениях, а это невозможно. Но достаточно хорошее представление о континууме можно дать на примере, ограниченном тремя измерениями.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Рассмотрим сначала самолет, летящий по кругу в горизонтальном полете (рис. 4). Обратите внимание, что только два пространственных размера, x и и , необходимо использовать для записи последовательного положения самолета в пространстве. Третье измерение ( z ) может использоваться для времени. Теперь трехмерный континуум можно построить следующим образом:
Каждую минуту фотографируйте самолет снизу. Распечатайте фотографии и сложите их по порядку. Затем соедините последовательные положения самолета непрерывной линией. Стопку фотографий можно назвать трехмерным континуумом. Линия, соединяющая позиции самолета, проходит сквозь него штопором, показывая движение самолета в двух измерениях пространства и в «измерении» времени.
Линия такого рода легла в основу трактовки Эйнштейна (за исключением того, что его линии были построены в четырехмерном континууме и имеют смысл только в математических терминах). Хороший термин для них — мировые линии. В четырехмерном континууме траектория движущегося объекта, такого как самолет, или орбита планеты, или траектория светового луча — это мировая линия.
Остальная часть задачи Эйнштейна состояла в том, чтобы заново сформулировать ранее принятые законы природы в виде мировых линий и посмотреть, согласуются ли новые утверждения со всеми наблюдаемыми фактами. В этом он преуспел блестяще. Его уравнения и формулы работали идеально. И там, где они предсказывали результат, противоречащий старой теории, тесты подтвердили правильность формул Эйнштейна.
Преобразуя старые законы природы в релятивистские термины, Эйнштейн счел необходимым рассматривать массу (материю) и энергию как потенциально взаимозаменяемые. Его специальная теория относительности включает знаменитое уравнение E = mc 2 , в котором E — это энергия вещества с массой m , а c — это скорость света.
Это уравнение выражает тот факт, что масса и энергия физически одинаковы, и поэтому одно может быть преобразовано в другое. До специальной теории относительности масса и энергия считались двумя отдельными сущностями. Формула Эйнштейна оказалась бесценной в атомных исследованиях ( см. ядерная энергия).
Теория гравитации Эйнштейна
Работа Эйнштейна о движении в четырехмерном континууме называется специальной теорией относительности, потому что она описывает только частный случай. Он ограничен объектами, которые движутся с постоянной скоростью по прямой линии. Эйнштейн распространил эту работу на другие явления своей общей теории относительности. Эта вторая теория включает объекты, которые ускоряются.
Выдающимся триумфом общей теории относительности стало новое объяснение гравитации. Со времен Ньютона «сила тяготения» отличалась от всех других сил природы тем, что она действовала одинаково на все виды материи, тогда как действие всех других сил различалось в зависимости от рода материи.
Были предприняты бесчисленные безуспешные попытки объяснить это различие.
Эйнштейн попробовал совершенно другой подход. Опять же, его метод был математическим и может быть полностью объяснен только в таких терминах. Но грубо говоря, это сводилось к предположению, что материя искажает континуум в соответствии с количеством (массой), существующим в любой местности. Тогда все движения по мировым линиям поблизости должны следовать за варпом.
Британская энциклопедия, Inc.
Другими словами, Эйнштейн показал, что гравитация возникает из-за формы пространства-времени. В то время как Ньютон считал гравитацию силой, Эйнштейн раскрыл ее геометрическую природу. Каждая масса во Вселенной изгибает вокруг себя саму структуру пространства-времени. Эту концепцию трудно визуализировать, но аналогия может дать некоторое представление. Считайте пространство-время плоским резиновым листом. Представьте, что на листе лежит шар для боулинга (представляющий Солнце). Шар будет искривлять лист (пространство-время) вокруг себя, создавая углубление в виде чаши.
Далее представьте, что на лист также кладут шарик. Вокруг мрамора образуется небольшое углубление. Если шарик поместить рядом с углублением шара для боулинга, он покатится вниз по склону к шару, как если бы его притянуло силой. Если шарик толкнуть вбок, он будет двигаться вокруг шара для боулинга, как планета вокруг Солнца. Это как если бы постоянное притяжение к мячу отбрасывало шарик на замкнутый путь.
Расчет задач с использованием эйнштейновской теории искривления пространства-времени обычно давал те же результаты, что и расчет задач с использованием ньютоновской «силы гравитации». Но различия возникали, если задействованная гравитация была очень сильной, и в каждом случае теория Эйнштейна работала лучше. Во-первых, это прояснило загадочный аспект движения планеты Меркурий в космосе. Эта планета движется по эллиптической орбите вокруг Солнца; а сам эллипс вращается за 547 угловых секунд (около 1 / 6 градусов) век. Расчеты, основанные на законе Ньютона, не смогли учесть 43 секунды этого движения.
Теория Эйнштейна объясняла все это.
Экспериментальные данные
Обе теории относительности Эйнштейна были подтверждены экспериментально. Например, в одном эксперименте сверхточные часы были установлены на различных коммерческих авиалайнерах, летающих со скоростью в одну миллионную скорости света. После двух дней непрерывного полета время, показываемое бортовыми часами, отличалось на доли микросекунды от времени, показываемого синхронизированными часами, оставшимися на Земле, как и предсказывала специальная теория относительности. Другое свидетельство в поддержку специальной теории относительности получено в результате экспериментов с очень быстрыми субатомными частицами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света.
Британская энциклопедия, Inc.
Другой триумф пришел в связи со светом. Общая теория относительности предсказывает, что световые лучи преломляются вблизи массивного тела. Если мировые линии должны следовать искривлениям в пространстве, лучи света, проходящие вблизи Солнца, должны слегка отклоняться.
Это предсказание звездного смещения было подтверждено наблюдениями за солнечными затмениями в 1919 и 1922 годах.
© MinutePhysics
Как упоминалось выше, дополнительные доказательства, подтверждающие общую теорию относительности, были получены с орбиты Меркурия. Еще одно подтвержденное предсказание общей теории относительности состоит в том, что время замедляется — или течет медленнее — в гравитационном поле. Это означает, что часы идут медленнее по мере приближения к массе, создающей гравитационное поле. Этот эффект был измерен напрямую, а также по «гравитационному красному смещению» света. Замедление времени заставляет свет вибрировать на более низкой частоте в гравитационном поле; таким образом, свет смещается в сторону большей длины волны, то есть в сторону красного цвета.
Предоставлено Северо-Западным университетом
Самое поразительное предсказание общей теории относительности касается гравитационных волн. Гравитационные волны — это «рябь в пространстве-времени», распространяющаяся со скоростью света.
Они относятся к гравитационному полю так же, как электромагнитные волны, такие как видимый свет и радиоволны, к электромагнитному полю. Электромагнитные волны вызываются ускоренными электрическими зарядами и обнаруживаются, когда они приводят в движение другие заряды. Точно так же гравитационные волны вызываются движущимися массами и обнаруживаются, когда они инициируют движение других масс. Однако гравитация очень слаба по сравнению с электромагнетизмом. Только огромное космическое событие, такое как столкновение двух звезд, может генерировать обнаруживаемые гравитационные волны. Попытки обнаружить гравитационные волны начались в 19 в.60-е годы. Такие волны были впервые обнаружены непосредственно в 2015 году лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), расположенной в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана. Он обнаружил гравитационные волны, создаваемые двумя черными дырами, находящимися на расстоянии 1,3 миллиона световых лет от нас и спиралевидно набегающими друг на друга.
Начиная с 20-го века многие ученые пытались расширить принципы относительности, чтобы объяснить все силы в рамках единой теории, называемой единой теорией поля. Сам Эйнштейн провел последнюю часть своей жизни в безуспешных попытках связать электромагнетизм и гравитацию. ( См. также космология; физика; квантовая механика; единая теория поля.)
Ф. Вагнер Шлезингер
Изд.
Факты об общей теории относительности для детей
Факты из детской энциклопедии
Согласно общей теории относительности, объекты в гравитационном поле ведут себя так же, как объекты внутри ускоряющейся оболочки. Например, наблюдатель увидит, что шарик в ракете (слева) падает так же, как и на Земле (справа), при условии, что ускорение ракеты равно 90,8 м/с (ускорение свободного падения у поверхности Земли).
Общая теория относительности , которую часто называют просто общей теорией относительности , была опубликована Альбертом Эйнштейном в 1915 году, через десять лет после создания специальной теории относительности.
Общая теория относительности Эйнштейна использует идею пространства-времени. Пространство-время — это тот факт, что у нас есть четырехмерная Вселенная, имеющая три пространственных (пространственных) измерения и одно временное (временное) измерение. Любое физическое событие происходит в каком-то месте внутри этих трех пространственных измерений и в какой-то момент времени. Согласно общей теории относительности, любая масса вызывает искривление пространства-времени, и любая другая масса следует этим кривым. Большая масса вызывает большее искривление. Это был новый способ объяснить гравитацию (гравитацию).
Общая теория относительности объясняет гравитационное линзирование, то есть искривление света, когда он приближается к массивному объекту. Это объяснение подтвердилось во время солнечного затмения, когда из-за темноты затмения можно было измерить отклонение солнечного света от далеких звезд.
Общая теория относительности также подготовила почву для космологии (теории строения нашей Вселенной на больших расстояниях и в течение длительного времени).
Эйнштейн считал, что Вселенная может немного искривляться как в пространстве, так и во времени, так что вселенная всегда существовала и всегда будет существовать, и что если объект движется через вселенную, ни на что не натыкаясь, он возвращается на исходное место. , с другой стороны, спустя очень долгое время. Он даже изменил свои уравнения, включив в них «космологическую постоянную», чтобы создать математическую модель неизменной Вселенной. Общая теория относительности также позволяет Вселенной расширяться (увеличиваться и уменьшаться в плотности) вечно, и большинство ученых считают, что астрономия доказала, что именно это и происходит. Когда Эйнштейн понял, что хорошие модели Вселенной возможны даже без космологической постоянной, он назвал использование космологической постоянной своей «самой большой ошибкой», и эта постоянная часто не учитывается в теории. Однако сейчас многие ученые считают, что космологическая постоянная необходима, чтобы соответствовать всему, что мы сейчас знаем о Вселенной.
Популярная космологическая теория называется Большим Взрывом. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная образовалась 15 миллиардов лет назад в так называемой «гравитационной сингулярности». Эта сингулярность была маленькой, плотной и очень горячей. Согласно этой теории, вся материя, известная нам сегодня, вышла из этой точки.
У самого Эйнштейна не было идеи «черной дыры», но позже ученые использовали это название для объекта во Вселенной, который настолько искривляет пространство-время, что даже свет не может выйти из него. Они думают, что эти сверхплотные объекты образуются, когда умирают гигантские звезды, по крайней мере в три раза превышающие размер нашего Солнца. Это событие может последовать за тем, что называется сверхновой. Формирование черных дыр может быть основным источником гравитационных волн, поэтому поиск доказательств существования гравитационных волн стал важным научным занятием.
Примеры
Иллюстрация искривления пространства-времени
Эйнштейн сказал, что время и масса изменяются во время движения.
Представьте, что вы летите по космосу в космической гонке с другом. Вы оба носите одинаковые часы. Если вы будете двигаться намного быстрее, приблизиться к скорости света и обогнать своего друга, ваши часы будут идти медленнее, чем их часы. Ваш друг увидит, что его часы тикают быстрее, чем ваши (физики называют этот эффект «замедлением времени»). Ваш друг также увидит, как вы станете меньше, а вы увидите, как ваш друг станет больше.
Эти изменения размера и времени присутствуют при любых скоростях, но заметны только при очень высоких скоростях, близких к скорости света (186 000 миль (299 000 км) в секунду), поэтому мы не замечаем их в повседневной жизни. жизнь.
Эйнштейн также говорил, что объекты на самом деле искривляют пространство вокруг себя. Как они это делают? Если вы бросите мяч рядом со слоном, его путь будет изгибаться в сторону слона, когда он будет проходить мимо слона. Это связано с тем, что масса слона создает вокруг себя «гравитацию», искривляя пространство.
Кроме того, чем больше масса чего-либо, тем больше эффект. Таким образом, у слона предметы будут изгибаться к нему больше, чем к вам, потому что у вас меньше массы.
Все объекты искривляют пространство вокруг себя (даже дети в классе), но визуально это становится заметно только для очень больших объектов, таких как планеты и звезды.
Связанные страницы
- Специальная теория относительности
Картинки для детей
Схематическое изображение гравитационного красного смещения световой волны, выходящей с поверхности массивного тела
Отклонение света (исходящего из места, показанного синим цветом) вблизи компактного тела (показанного серым цветом)
Кольцо пробных частиц, деформированных проходящей (линеаризованной, усиленной для наглядности) гравитационной волной
Распад орбиты PSR J0737−3039: сдвиг во времени (в с), отслеженный за 16 лет (2021 г.).
Проекция многообразия Калаби-Яу, один из способов компактификации дополнительных измерений, постулируемых теорией струн
Все содержимое статей энциклопедии Kiddle (включая изображения статей и факты) можно свободно использовать по лицензии Attribution-ShareAlike, если не указано иное.