Теория относительности год открытия: Теория относительности • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

100 лет теории относительности – DW – 25.11.2015

Фото: ullstein bild — AISA

Элла Володина

25.11.201525 ноября 2015 г.

Революционные теории Альберта Эйнштейна открыли новую эру в физике и проложили дорогу технологиям, без которых невозможно представить себе современный мир.

https://www.dw.com/ru/100-%D0%BB%D0%B5%D1%82-%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B8-%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8/a-18873990

Реклама

Во времена английского физика Исаака Ньютона, сотни лет назад, мир представлялся еще относительно простым и понятным: время шло своим размеренным чередом и считалось столь же неизменным, как и окружающее нас пространство. Представление о том, что время и пространство могут быть подвержены деформациям, что часы вблизи массивных объектов идут медленнее, чем вдали от них, — все это современники Ньютона назвали бы ересью. И даже сегодня, 100 спустя после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал свою теорию относительности, ее постулаты представляются многим людям невероятными и малопонятными.

Ощущение тайны

Между тем, теория относительности давно уже многократно подтверждена наблюдениями и образует один из фундаментов современной физики. Суть ее ученый из южно-германского города Ульма, позднее провозглашенный непревзойденным гением, изложил Прусской Академии наук 25 ноября 1915 года. «Самое прекрасное, что мы можем испытать – это ощущение тайны», — напишет Эйнштейн позднее в одном из своих сочинений. Именно тайны мироздания стремился он раскрыть в течение всей своей жизни. «У меня нет никакого особенного таланта, — говорил Эйнштейн в 1952 году за три года до своей смерти, — я просто страстно любопытен».

Если у Ньютона пространство и время были абсолютными и неизменными, то у Эйнштейна пространственно-временные отношения становятся «релятивистскими», зависящими от позиции наблюдателя, четырехмерными, подверженными изменениям. Теоретически Эйнштейн доказал, что для экипажа космического корабля, который летит почти со скоростью света (300 000 километров в секунду) время течет медленнее, чем для находящегося в покое наблюдателя. Кроме того, как постулирует специальная теория относительности, не только время и пространство являются относительными величинами, но и масса тела: она увеличивается по мере увеличения скорости. Эйнштейну принадлежит и едва ли не самая известная из всех физических формул, в наиболее универсальной форме представляющая эквивалентность массы и энергии: E= mc².

В 1915 году Эйнштейн представил свою общую теорию относительности, которая, наконец, объяснила, что на протяжении двух веков до него не удавалось никому, что не силах была объяснить ньютоновская теория всемирного тяготения: как сила притяжения передавалась через совершенно пустое пространство, причем бесконечно быстро? Объяснение Эйнштейна было простым: материальным носителем тяготения является само пространство, а точнее соотношение пространства и времени.

Члены Нобелевского комитета долгое время не решались присудить премию автору столь революционных теорий. В конце концов, был найден дипломатичный выход: премия за 1921 год была присуждена Эйнштейну за теорию… фотоэффекта, то есть за наиболее бесспорную и хорошо проверенную в эксперименте работу; текст решения содержал нейтральное добавление: «… и за другие работы в области теоретической физики».

Начало всех начал

Найти, «за что» давать Нобелевку, было не так сложно. Ведь Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот целого ряда новых физических концепций и теорий. В первую очередь, это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени, и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской, благодаря чему получили объяснение явления, долгое время приводившее в недоумение астрономов, и были заложены основы нового толкования мира на основах квантовой физики.

Фото: picture alliance/akg-images

Практическое применение общая теория относительности нашла в системах глобального позиционирования GPS, где расчеты координат производятся с очень существенными релятивистскими поправками. Четким изображением на телевизионном экране мы тоже обязаны Эйнштейну: массивно ускоряемые электроны, согласно теории относительности, увеличивают свою массу. Без учета этого изображение на экране было бы размытым.

Эквивалентность массы и энергии играет большую роль в ядерной энергетике. Полимеры также отчасти обязаны своим появлением Эйнштейну, который соединил классическую гидродинамику с теорией диффузии и дал, таким образом, объяснение полной картине мира в трех агрегатных состояниях. Лазерные технологии — в проигрывателе компакт-дисков, в сканнере супермаркета или же в сложном медицинском оборудовании — тоже работают на принципах, сформулированных Эйнштейном, причем еще в 1924 году. Без Эйнштейна, возможно, не было бы солнечных батарей и цифровых фотоаппаратов, вообще никаких аппаратов, переводящих свет в электричество.

И сверхмощные квантовые компьютеры, если когда-нибудь они будут созданы, будут обязаны своим появлением Альберту Эйнштейну: в 1935 году совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном Эйнштейн описал мысленный эксперимент, в котором частицы могут находится одновременно в двух или нескольких состояниях, но эти состояния не поддаются одновременному наблюдению. Названный по имени авторов парадокс дал толчок еще одному в высшей степени плодотворному научному направлению.

Написать в редакцию

Реклама

Пропустить раздел Топ-тема

1 стр. из 3

Пропустить раздел Другие публикации DW

На главную страницу

Общая теория относительности: уже сто лет, но все еще полна сюрпризов

В 1913 году Альберт Эйнштейн застопорился в своих усилиях построить общую теорию относительности. Он обратился к своему другу Марселю Гроссману за математической поддержкой: «Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума». Спустя четыре года, когда Эйнштейн заканчивал статью о космических последствиях своей (наконец) завершенной теории, у него разболелась язва желудка, он страдал от расстройства печени. Измученный своими психическими усилиями, Эйнштейн думал, что умирает. Он писал физику Арнольду Зоммерфельду: «В последний месяц у меня было самое стимулирующее, исчерпывающее время в моей жизни, а также одно из самых успешных».

Но это чувство ускользало от большинства его коллег в те времена и до сих пор продолжает. Они изучают величайшее прозрение Эйнштейна, не принимая во внимание то, как он достиг его, или что оно для него значило; они просто «не чувствовали относительность в своих косточках», как говорит физик-теоретик Колумбийского университета Брайан Грин. Это отсутствие понимания проистекает из прилипчивого заблуждения о том, чем на самом деле является общая относительность, даже среди тех, кто потратил карьеру на ее изучение. Она широко описывает, как теория гравитации, но это не только теория. Она расписана в виде серии уравнений, описывающих движение объектов, но это не просто уравнения.

Общая теория относительности лучше всего воспринимается как пейзаж, буквально и фигурально. Это пространство понятий, которые описывают все возможные конфигурации пространства и времени, и все пути их изменения в присутствии материи. Это система, в которой все части реальности связаны. Первые походы Эйнштейна в этот пейзаж воодушевили и осушили его. Всякий раз, когда другие ученые пытались пройти по его стопам, они находили много новых областей. Именно поэтому, спустя сто лет после первой своей публикации, общая теория относительности все еще приносит удивительные открытия.

* * *

Нет лучше способа охватить идею относительности-как-пейзажа, чем взглянуть на самый большой пейзаж вообще: Вселенную. Эйнштейн понял, что пространство не является фиксированным фоном (неким невидимым полотном, относительно которого вы можете измерить движение), а является гибкой, динамичной вещью, которая искривляется и вытягивается в ответ на массу. Это искривление мы ощущаем как гравитационную тягу: она удерживает ваши ноги на земле и Землю на орбите. Ли Смолин — теоретик Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, штат Онтарио, и один из ярых учеников Эйнштейна — приветствует способность общей теории относительности обеспечивать единое, единственное описание всего пространства, определенного всей массой. «Это первая теория, которую можно применить ко Вселенной как к единому целому в замкнутой системе», — говорит он.

Вы наверняка слышали, что ученые говорят, что Вселенная расширяется, но что это означает на самом деле? В 1929 году Эдвин Хаббл наблюдал, что галактики, кажется, движутся прочь во всех направлениях. Заманчиво было бы предположить, что эти галактики летят через космос, подталкиваемые гигантским изначальным взрывом. В 1930-х годах британский астроном Э. Милн попытался описать открытие Хаббла именно в таких терминах. Но его анализ мрачно провалился. Единственный способ внести смысл в астрономические наблюдения, как показал Эйнштейн, это подумать о космосе как о чем-то огромном. Галактики не летят через пространство; это само пространство расширяется между ними.

Это понятие глубоко странное, но как только вы с ним примиритесь, все другие идеи встанут на свои места. Во-первых, есть Большой Взрыв, который был не взрывом в пространстве, а взрывом пространства. Все пространство было стянуто в единую точку в момент Большого Взрыва, и все пространство вытянулось из нее за последующие 13,7 миллиарда лет. Поскольку пространство расширяется во всех направлениях, любую точку можно считать центром Вселенной. Вы, здесь и сейчас, находитесь в центре Вселенной. (Чувствуете, как эго наливается соком?). Смоделировать происхождение элементов, образование галактик, прямой эволюционной путь от Большого Взрыва к современной Земле космологам помогло не что иное, как общая теория относительности.

И они до сих пор изучают новые уголки пейзажа относительности. Поскольку пространство динамично, оно может деформироваться самым немыслимым образом. Притяжение гравитации сжимает пространство; это сжатие вы чувствуете как свой вес. Уравнения Эйнштейна также допускают антигравитацию, энергию, которая толкает пространство прочь. На протяжении десятилетий эту возможность считали теоретическим любопытством. Но в 1998 году группа из двух астрономов обнаружила, что расширение Вселенной ускоряется. Это имеет смысл только в контексте относительности. Элемент антигравитации, подталкивающий ускорение, сейчас называется «темной энергией», и он настолько хорошо принят, что Нобелевскую премию по физике 2011 года присудили за его открытие.

Истинная природа темной энергии, впрочем, остается загадкой. Чтобы ее понять, международная группа астрономов запустила Dark Energy Survey, в настоящее время реализуемый в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. В течение пяти лет ученые будут фотографировать 300 миллионов галактик и записывать их распределение. Гравитация приводит к тому, что галактики собираются со временем, тогда как темная энергия их рассеивает. Паттерн, полученный в ходе исследования, покажет, работает ли темная энергия одинаково во всех местах и менялась ли ее интенсивность в течение космической истории. Темная энергия перевешивает все видимые галактики в соотношении 15 к 1, поэтому ее влияние может стать решающим для судьбы Вселенной.

Так же, как пространство может расширяться, оно может и покрываться рябью, взволнованное гравитацией движущегося объекта, подобно тому, как поверхность пруда покрывает рябью после падения камешка. Это еще одна пустыня относительности, которую ученые только сейчас начинают изучать. Поскольку гравитационные волны обтекают Землю на скорости света, они тонко хлюпают и растягивают все, что встречают на пути, в том числе и вас. Этот эффект невероятно слабый. Чтобы найти эти волны, ученые модернизируют пару 4-километровых детекторов — один в Вашингтоне, другой в Луизиане, США, — под названием Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), наряду с комплексным экспериментом под названием Virgo, расположенным в Италии. К концу десятилетия они надеются наблюдать гравитационные сигналы, излучаемые значительными, но по своей сути невидимыми событиями космоса, вроде столкновений черных дыр.

И, да, черные дыры — пожалуй, самая известная из всех странных особенностей, вытекающих из пейзажа уравнений Эйнштейна. Черные дыры — это места, где пространство искривляется само в себя; нигде больше топография относительности так не искажается и не интригует. На горизонте событий — границе черной дыры — время останавливается, а явления на атомных масштабах, описываемые квантовой механикой, растягиваются до размеров городов… или так кажется. Общая теория относительности также утверждает, что все части Вселенной должны быть продолжительными, то есть не должно быть никаких физических помех между внутренней и наружной частью черной дыры. Это кажущееся противоречие вдохновило целую бурю новых теорий, которые пытаются выйти за рамки современного понимания законов физики.

Даже в закрученном случае черных дыр, концепции, которые, похоже, проживают в отдаленных краях пейзажа относительности, могут быть доступными для наблюдения. Инструмент под названием Event Horizon Telescope, состоящий из девяти радиообсерваторий, разбросанных по миру, прямо сейчас собирает информацию для создания первых прямых снимков сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Эта черная дыра сама по себе никак не выглядит (она ведь черная), но измерения ее размеров и окружающих структур могут напрямую указать, как масса искажает структуру пространства. Любые отклонения от эйнштейновских ожиданий укажут путь в направлении совершенно новых физических понятий. Первые осмысленные изображения Event Horizon Telescope появятся скоро, возможно, уже в течение десяти лет.

* * *

Все эти идеи о расширяющейся Вселенной, гравитационных волнах и черных дырах потребовали мучительно много времени на разработку, поскольку скрывались глубоко внутри пейзажа относительности. Сам Эйнштейн медленно принял первые две и никто не примирился с черными дырами, называя аргументы в пользу их существования «неубедительными» и предполагая, что природные процессы не позволили бы им сформироваться. Многие писатели, в том числе знаменитый физик Георгий Гамов, представили сопротивление Эйнштейна этим идеям как «промахи» — места, где его великий ум сошел с пути. В реальности же Эйнштейн открыл настолько огромный пейзаж, что даже ему не хватило целой жизни, чтобы изучить его.

Даже современные физики недалеко ушли от Эйнштейна и считают, что общая теория относительности — это далеко не конец. Относительность расходится с квантовой механикой — набором правил, описывающих мир в атомных масштабах — в своем описании гравитации и экстремальных объектов вроде черных дыр. Вынужденные выбирать, многие современные теоретики называют квантовую механику более основательным описанием реальности, называя относительность крупномасштабным явлением, сотканным из маломасштабных квантовых эффектов. Физики очень хорошо проработали нижнюю часть (в которой свет представлен фотонами, а материя скоплениями атомов), но столетний опыт предполагает, что неразумно недооценивать силу эйнштейновской перспективы сверху вниз. Как сказал Ли Смолин, квантовая механика — это теория «подсистем», которая имеет смысл только в контексте своего окружения, в противоположность космическим масштабам относительности.

Целостный подход Эйнштейна делает общую теорию относительности уникальной в своем потенциале для объяснения и исследования. Безусловно, будут физики, которые зайдут еще дальше, чем он. Они могут отлично принять множество инструментов и техник из квантовой теории. Но точно так же этим гениям придется действовать на манер Эйнштейна — отступать от уравнений, чтобы увидеть пейзаж целиком — если они захотят достичь истинного просветления. Им придется почувствовать относительность своими косточками.

зачем нужна и как работает специальная теория относительности

Многие слышали об общей теории относительности, с помощью которой в 1915–1916 годах Альберт Эйнштейн изменил представление человечества о природе гравитации. Но этому научному открытию предшествовало создание специальной теории относительности. Вместе с аспирантом Нового физтеха Георгием Сизых разбираемся, как возникла эта теория, как с ее помощью человек может замедлить старение и как связаны время и пространство. А познакомится с математикой и числами, которые стоят за эффектами специальной теории относительности, вам помогут карточки в группе ИТМО «ВКонтакте». 

В конце XIX века у физиков накопился ряд наблюдений, которые не получалось объяснить классическими физическими теориями. Одно из них — постоянство скорости распространения света в различных системах отсчета, которое противоречило известному закону сложения скоростей. Согласно нему скорость света движущегося источника должна быть выше скорости излучения, испущенного неподвижным светилом. Основываясь на концепции эфира и факте постоянства скорости света, нидерландский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии (1902 год) Хендрик Лоренц вывел преобразования, связывающие координаты и время в движущихся друг относительно друга системах отсчета. Они отличались от привычных нам преобразований Галилея и предсказывали новые необычные эффекты при движении тел со скоростями, близкими к скорости света. А в 1905 году Альберт Эйнштейн объединил имеющиеся к тому времени идеи и математику в единую теорию — специальную теорию относительности.

Специальная теория относительности (СТО) кардинально меняет наше представление о том, что такое пространство и время. Теория базируется на двух постулатах. Первый — принцип относительности. Он утверждает, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) — системах, в которых все свободные тела движутся равномерно и прямолинейно. Второй постулат, принципиально новый, заключается в том, что скорость света постоянна, то есть она не зависит от выбора ИСО.

Согласно Ньютону, по закону сложения скоростей тело может двигаться с неограниченной скоростью. В СТО, наоборот, есть конечная скорость — скорость света. Из-за этого у специальной теории относительности возникает много интересных и, на первый взгляд, парадоксальных следствий. Один из наиболее ярких примеров проявления эффектов СТО — сокращение длины тела. Если пассажир измерит длину движущегося вагона, для него она будет одной. Но если ее попытается измерить человек, стоящий на перроне, ему покажется, что длина вагона меньше, чем она есть на самом деле. Но все эти эффекты становятся заметны, когда движение происходит на скоростях, близким к скорости света, поэтому в повседневной жизни мы их не замечаем. Это же следствие работает и в космосе. Путешествия к далеким звездам занимают много времени, однако с точки зрения путешественников движутся не они, а все пространство пролетает мимо них. Поэтому согласно эффекту сокращения длины расстояния в этом движущемся пространстве становятся меньше, и путешественники с их точки зрения долетят до пункта назначения раньше, чем нам будет казаться с Земли.

Непривычным для нас, движущихся со скоростями, значительно меньшими скорости света, будет замедление времени для движущихся тел. Например, если один человек сядет в космический корабль, который двигается с околосветовой скоростью относительно второго путешественника в другом, недвигающемся, корабле, время для обоих космонавтов будет идти по-разному. Для первого ― медленнее, чем для второго. Поэтому при встрече второй человек состарится быстрее, чем первый, летавший с огромной скоростью. Еще один пример: ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра находится на расстоянии примерно в 4,2 световых лет. Чтобы добраться до нее от Земли, потребуется примерно 4,2 года, если двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света. В то же время из-за эффекта замедления времени в системе отсчета космического корабля пройдет гораздо меньше времени. В зависимости от скорости движения транспорта это могут быть месяцы, недели или даже дни. Еще одно следствие СТО — относительность одновременности. Представим вагон поезда, в котором устройство открытия дверей выглядит следующим образом: посередине вагона стоит лампочка, которая загорается при нажатии кнопки. Как только свет от лампочки достигает датчика на дверях вагона, они открывается. Если пассажир в движущемся поезде нажмет на лампочку, обе двери в концах вагона откроются одновременно. В то же время наблюдатель на перроне увидит, что одна из дверей вагона движется навстречу свету от лампочки, а другая, наоборот, удаляется. С точки зрения наблюдателя двери вагона откроются в разные моменты времени — та, что ближе к голове поезда, откроется позже. Но при этом оба человека будут правы.

Приближение скорости летательных аппаратов к скорости света может помочь развить сферу космических путешествий. Например, люди смогут полететь на более далекие планеты и галактики и достичь их за разумное время. Также скорости, близкие к околосветовым, достигаются на ускорителях частиц, например на Большом адронном коллайдере. Но ученым интересна не скорость, которую могут набрать частицы, а их энергия. Благодаря ей при столкновении уже изученных частиц (протонов, электронов и позитронов) могут родиться новые. Они расширяют наше представление об устройстве семейства элементарных частиц, как это сделало открытие бозона Хиггса в 2012 году.

Помимо космических путешествий и экспериментов на Большом адронном коллайдере, есть еще несколько вариантов, как ученые используют специальную теорию относительности. Например, для объяснения попадания мюонов на Землю. Это маленькие частицы, которые рождаются в верхней части атмосферы. В среднем мюоны живут 2,2 микросекунды и в теории должны распасться прежде, чем преодолеют примерно 100 километров до поверхности планеты. Но на практике частицы успешно достигают Земли из-за того, что время для них замедляется, а длина дистанции сокращается. Это наблюдение ученые могут использовать для создания мюонного ускорителя частиц. Еще один пример — это движение искусственного спутника и работа GPS. По специальной теории относительности время у быстро движущихся спутников замедляется примерно на семь микросекунд относительно наблюдателей на планете. Но общая теория относительности говорит, что бортовые атомные часы идут быстрее на 45 микросекунд, потому что спутник находится далеко от массивного объекта — Земли. Поэтому чтобы уравнять разницу в измерениях двух теорий и определять местоположение с точностью до 5–10 метров, бортовые атомные часы должны идти быстрее часов на Земле на 38 микросекунд в день.

У любой физической теории есть границы, в рамках которых она работает, и СТО не исключение. Так как СТО — частный случай общей теории относительности, она не описывает движение тел в пространстве-времени, искривленном массивными объектами вроде черных дыр или Солнца.

К началу

Открытие Эйнштейном общей теории относительности, 1905-1915

Напряженный день заседаний, связанных с делами трех отдельных комитетов. (День начался хорошо, около 6:00 утра, с письма, а затем с двухчасового занятия по методам теории струн….) Но все это утомительно и требует много времени. Вздох….

….Зато день закончился чудесно. Мы пригласили Тилмана Зауэра из Проекта статей по Эйнштейну провести заключительный коллоквиум семестра, и он назывался «Открытие Эйнштейном общей теории относительности, 1905-1915». Он был задуман как мероприятие, посвященное празднованию Всемирного года физики или Года Эйнштейна. Аннотация:

Девяносто лет назад, 25 ноября 1915 года, Эйнштейн опубликовал уравнения гравитационного поля общей теории относительности, так называемые уравнения Эйнштейна. Это событие знаменует собой одно из самых значительных достижений Эйнштейна, даже по сравнению с тремя его самыми известными статьями его чудесного 1905 года. Оно также представляет собой конец долгого и извилистого пути, который начался вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности как неизвестную. патентный эксперт в 1905. В конце этого пути он поднялся по ступеням академической иерархии до члена Прусской академии наук в Берлине. Экспериментальное подтверждение его теории британской экспедицией по затмению в 1919 году необратимо принесло Эйнштейну мировую известность, сделав его первой знаменитостью в истории науки. В докладе я расскажу о поисках Эйнштейном теории гравитации и обобщенной теории относительности в те годы. Я покажу, как анализ некоторых исследовательских заметок Эйнштейна помогает нам понять его эвристику, а также прокомментирую его соперничество с математиком Дэвидом Гильбертом в последние дни открытия общей теории относительности.

(Можно спорить о том, действительно ли он был первой знаменитостью в истории науки, — вспоминается Галилей, — но я согласен с тем, что масштабы и размах Эйнштейна были действительно и беспрецедентно глобальны, учитывая современные средства связи и т. д…. но мы можем обсудить это, может быть, в другой раз…..)

Основное внимание в этом году уделялось «чудесному году» Эйнштейна 1905 г. , когда он написал серию из пяти фантастических статей. Но так получилось, что 25 ноября исполняется 90-летие его презентации уравнений поля общей теории относительности. Так что сегодня, 28-го, был хороший день, чтобы отпраздновать это событие.

Позвольте мне указать на веб-сайт проекта документов Эйнштейна и связанный с ним онлайн-архив, созданный в сотрудничестве с архивами Альберта Эйнштейна в Еврейском университете, который находится здесь. Это замечательный ресурс, и я должен также упомянуть книги проекта Einstein papers, которые проект выпускает, содержащие работы Эйнштейна с историческими комментариями.

Я подумал, что это отличный коллоквиум и идеальное завершение семестровых мероприятий. Хорошим признаком того, насколько хорошо он был принят публикой (снова был аншлаг), является тот факт, что я поднял несколько рук для вопросов — от студентов! — до того, как стихли аплодисменты, и до того, как я успел спросить: любые вопросы?». Обычно мне приходится умолять, публично плакать, обещать услуги или угрожать насилием (ладно, я преувеличиваю… немного), чтобы заставить студента задать вопрос на коллоквиуме, так что это было просто здорово.

Одним из самых ценных аспектов доклада, который всем хотелось увидеть и обдумать, был сам процесс исследования теоретической физики. Картина представляет собой Эйнштейна, который на протяжении десятилетия боролся за создание теории, пробуя то, что Зауэр называет иногда «физическим подходом», а иногда «математическим подходом». Замечательно видеть, как он боролся с идеями, и как он делал ошибки, неверные повороты, оплошности. Как он отклонился от правильного ответа в неправильном направлении (на самом деле у него были правильные линеаризованные уравнения поля прямо там, на страницах его блокнота в 1913…..два года назад, а потом отвернулся!), и как он учился у окружающих, внедряя в свои идеи то, что ему казалось хорошим, откуда только можно.

Это было хорошим напоминанием о том, как происходит такой процесс. Нам часто говорят (в нашей недавней борьбе за построение радикально новой теории Природы), что мы блуждаем вслепую и что нас не ведет сияющий свет по какому-то изящному пути к ответу, как это делал Эйнштейн. Ну, это было не так элегантно в разы. Он борется, как может, и иногда очень неизящно… он строит догадки и придумывает ad hoc «причины» для своих догадок, которые иногда оказываются просто чепухой (оглядываясь назад). Он публиковал статью за статьей (иногда с соавторами) с непродуманными, а иногда и ошибочными ответами. (Например, в попытке обосновать одну догадку (разработанную совместно с Гроссманом в 1913), он потратил добрую пару лет на поиски поддержки этой идеи, в которой он был готов отказаться от общей ковариантности (той, которую мы теперь считаем лежащей в основе гравитации) как просто несовместимой с физикой.)

Только в середине 1915 года (после того, как он привез свою выставку собак и пони в Геттинген, дом Дэвида Гильберта, Феликса Кляйна и Эмми Нётер, среди прочих) все начало кристаллизоваться. Большой кульминацией стала серия из четырех ноябрьских работ (каждая отделена от другой неделей: 4-я, 11-я, 18-я, 25-я!), в которых он шаг за шагом собирал воедино все, включая вычисление перигелия Орбита Меркурия правильная (наконец-то, после того, как несколько раз ошиблись). Забавно отметить, что его вычисление последнего было основано на его предпоследней версии уравнений поля — которая все еще была неверной — которая, к счастью, была правильной только для этого случая (члены, которые модифицируют вещи, чтобы дать правильные уравнения, фактически исчезают для этого случая). конкретное вычисление… уравнения в вакууме намного проще, чем с источниками).

(Да, он немного говорил о так называемом споре о том, опубликовал ли Гильберт правильные уравнения поля пятью днями ранее. Ну, он фактически вывел вариационный принцип, который эквивалентен уравнениям Эйнштейна (на самом деле он имел в виду только случай электромагнитных источников), и есть некоторые вопросы относительно даты. Но он совершенно упускает суть….. Гильберт вошел в эту игру довольно поздно и смог более ясно увидеть правильную математику….. но мы не должны забыть, что он смог развить все то, что Эйнштейн сделал за несколько лет, поставив на место все нужные инструменты, принципы и другие элементы… и мы не должны забывать огромные усилия Эйнштейна, чтобы сравнить то, что он делал с природой, когда он мог, пытаясь вывести наблюдаемые следствия в нескольких пунктах. Я отвлекся. В дополнение к книгам и другим материалам на уже упомянутом сайте (см. Princeton University Press сборники статей в нескольких томах) я рекомендую Паиса замечательную биографию Эйнштейна «Господь утончен» для обсуждения и этого, включая удивительный шквал открыток, которыми они обменивались в ноябре, продолжая швырять работы в соответствующие академии для скорейшей публикации.)

Это отличный урок, что эта борьба может занять много времени, и вы не можете знать, насколько вы близки к концу. Десять лет вполне могли быть двадцатью… или больше. Именно это я имел в виду в предыдущих постах и ​​комментариях, когда без стеснения говорил, что еще слишком рано осуждать программу исследований в области теории струн. Никто не знает, правильно это или нет. Громко крича в блогах здесь, там и в других местах, устраивая зрелища и взывая к популярной прессе, этого факта не изменишь. Я лично не думаю, что она еще готова сравниваться с Природой. Мы еще недостаточно хорошо это понимаем. Хотя было бы неплохо, если бы нам повезло, и нам нужны ориентиры в попытках провести сравнения, и именно поэтому важно иметь строгие и вдохновленные струнами феноменологические программы в этой области. Но мы не должны удивляться, если эти программы еще не являются окончательными, поскольку, в конце концов, мы даже не понимаем теорию настолько хорошо, чтобы сказать, что это такое. Скорее, нас следует воодушевить — учитывая дразнящие намеки, которые теория дала нам до сих пор, — что мы можем понять нечто довольно глубокое, что возникает в Природе, когда вы объединяете гравитацию и квант. Посмотрим, но не будем торопиться. Я надеюсь, что однажды мы приведем его в нужную форму, чтобы сделать набор предсказаний, которые мы сможем оспорить экспериментальными и/или наблюдательными данными. И тогда мы так или иначе узнаем, правильно это или нет. (А тем временем другие преимущества этой программы исследований в области физики и математики были многочисленны, и, несомненно, они будут продолжать накапливаться. )

Этот взгляд через плечо Эйнштейна за его десятилетнюю борьбу также является отличным уроком того, что эти битвы в конце концов того стоят. Я закончу замечательными вступительными строками его письма к (умирающей) матери в сентябре 1919 года**:

Дорогая мама,

Сегодня радостные новости. Г. А. Лоренц телеграфировал мне, что английские экспедиции недавно подтвердили отклонение света солнцем.

-cvj

(**Для тех, кто не знает, эти экспедиции отправились в Южную Америку (Бразилию) и на Принсипи, остров у западного побережья африканского континента, чтобы стать свидетелями солнечного затмения, что позволило им видим, что далекие звезды, которые можно увидеть, глядя вблизи края Солнца, немного смещены, потому что гравитация Солнца отклоняет свет от них.Отклонение — и его фактическая величина — было предсказано Эйнштейном.15 теория.)

Путь Эйнштейна к специальной теории относительности

Путь Эйнштейна к специальной теории относительности

Назад
на страницу основного курса

Джон
Д. Нортон
Кафедра истории и философии науки
Университет Питтсбурга

• Погоня за лучом света
• Магнит и проводник
• Эмиссионные теории света
• Кризис: относительность одновременности
• Поворот к принципам
• Три компонента
• Книга Эйнштейна 1905 г. «Об электродинамике
  Движущиеся тела»
• Что вы должны знать

Фоновое чтение: Дж. Шварц и М. МакГиннесс,
Эйнштейн для начинающих. Нью-Йорк: Пантеон.. стр. 1-82.

Мы рассмотрели достижения в области физики
движущихся тел, света, электричества и магнетизма, которые принесли
физика, которую обнаружил Эйнштейн, когда начал думать об эфире,
электричество, магнетизм и движение.

Обдумывание этих событий привело Эйнштейна к
открыть специальную теорию относительности в 1905. Открытие не было
мгновенный. Теория явилась результатом, по собственному подсчету Эйнштейна, семи
и более лет работы. Он даже помещает одну из своих ранних достопримечательностей
в мысленном эксперименте, который он провел в возрасте 16 лет, в 1896 году, девять лет
до чудесного 1905 года. К сожалению, у нас есть только
фрагментарные источники, документирующие годы этой борьбы. Ниже я
выделить несколько основных.

История открытия Эйнштейном специальной теории относительности
на многих оказывала почти непреодолимое очарование, несмотря на
недостаток источников. Итак, если вы читаете дальше
широко, вы увидите много предположений о том, как заполнить пробелы
между известными достопримечательностями и даже над которыми находятся важные
ориентиры. Некоторые из них ответственны; некоторые нет.

Погоня за лучом света

Эйнштейн в старшей школе

Пишет полвека спустя, в 1946 году, в своей автобиографической
Notes, Эйнштейн рассказал об мысленном эксперименте, проведенном в то время, когда он
был 16-летним студентом в 1896 году, что стало его первым
шаги к специальной теории относительности.

«…парадокс, на который я натолкнулся уже в возрасте
шестнадцать:

Если я преследую луч света со скоростью c (скорость света в
вакуум), я должен наблюдать такой луч света как электромагнитное поле
в состоянии покоя, хотя и колеблется в пространстве.

Такого вроде бы нет, однако ни на основании
опыта, ни по уравнениям Максвелла.

С самого начала мне казалось интуитивно ясным, что,
с точки зрения такого наблюдателя все должно было бы произойти
по тем же законам, что и для наблюдателя, который относительно земли
находился в покое. Ибо откуда первый наблюдатель должен знать или быть в состоянии
определить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?

В этом парадоксе можно увидеть зародыш специальной теории относительности.
уже содержится.»

Основная мысль ясна. Если бы Эйнштейн преследовал
после распространяющегося луча света c

он увидит застывшую световую волну

и что Эйнштейн считал невозможным.

Сначала кажется, что разобраться будет несложно
как раз то, что беспокоит Эйнштейна. Он называет несколько простых причин. Я не
хочу перейти к ним здесь, так как они на самом деле оказываются довольно сложными
распутать. Я прилагаю все усилия, чтобы распутать их.
«В погоне за лучом света: самый известный мысленный эксперимент Эйнштейна», http://www.pitt.edu/~jdnorton/Goodies/Chasing_the_light 9.0003

Магнит и проводник

Мышление Эйнштейна развилось из этого раннего, юношеского
полет в более богатые и технически более подробные
исследование движения в электродинамике Максвелла. Эйнштейн
первоначально серьезно отнесся к идее состояния покоя эфира и задумал
эксперименты, которые должны были выявить движение Земли через
эфир.

Эти мысли в конце концов приняли совсем другой оборот с
Эйнштейн решил, что состояние покоя эфира
нет места в электродинамике и что принцип относительности
должно было быть поддержано. Кажется, решающий момент наступил с мыслью
опыт, магнит и проводник, о чем рассказывается в открытии
параграф Эйнштейна 1905 бумага.

Это различие между двумя случаями, по-видимому, обеспечивает
недвусмысленный маркер движения через эфир — или
так
Казалось бы. Чтобы определить, движется ли магнит абсолютно через
эфир или нет, нужно просто искать это индуцированное электрическое поле, E .
Это легко сделать. Электрическое поле ускоряет электрические заряды, например
как проводящие электроны в куске проволоки, проводнике. Так что все это
необходимо поместить рядом с магнитом проводник, как показано на рисунках.
показать, и искать индуцированный электрический ток. Если он есть, то
есть индуцированное электрическое поле и движется магнит; если там
не одно, то магнит покоится в эфире.

Все кажется таким простым. Но это
делает
не работа. Чтобы понять, почему, мы более внимательно рассмотрим два случая.
покоя и движения в эфире. Простейшая ситуация возникает, если мы
прикрепите проводник к магниту так, чтобы он двигался или опирался на
магнит. Мы могли бы представить себе сборку магнитопровода как своего рода
Детектор движения сквозь эфир.

Если узел магнитопровода
в состоянии покоя в эфире, то тока в
проводник. Амперметр, измеряющий ток, покажет ноль, как показано на рисунке.
Это показание амперметра можно наблюдать непосредственно. Это как
наблюдатель может знать, что электрического поля нет.

Пока все ожидаемо. Теперь возьмем случай, когда
узел магнитопровода и наблюдатель движутся
вместе через эфир. Можно было бы ожидать, что индуцированный
электрическое поле теперь будет действовать на заряды в проводнике, так что
в проводнике течет ток что приведет к ненулевому амперметру
чтение. Этого не произойдет. В этом случае возникает дополнительное осложнение.
Поскольку проводник теперь движется абсолютно в магнитном поле,
вступает в силу другая часть теории Максвелла. Он говорит нам, что когда
электрический заряд движется в магнитном поле, возникает сила — сила Лоренца.
сила» — действующая на заряд.

Сила Лоренца вызывает второй ток в
проводник. Примечательно, что второй ток течет в противоположном направлении.
той, которая создается электрическим полем, и получается
точно отменить. Что эти двое должны так идеально балансировать
и компенсируют друг друга, безусловно, замечательный факт. это для эфира
теоретикам просто любопытство. Для Эйнштейна это была решающая подсказка. Это для
он не был курьезным несчастным случаем.

В результате проверка наличия электрического тока в
проводник терпит неудачу как средство различения абсолютного остального
магнит от его движения. В обоих случаях
ток тот же — тока нет вообще. Итак, Эйнштейн, едущий с
абсолютно движущийся магнит, обнаружит отсутствие тока и найдет ситуацию
быть неотличимым от абсолютного покоя в пределах наблюдаемого
волновали течения.

Ситуация поразительная. Как будто электрическое поле
просто не существует для наблюдателя, движущегося вместе с магнитом.

Но наблюдатель, покоящийся в эфире, сказал бы, что есть
электрическое поле присутствует.

Позже Эйнштейн описал, как это осознание повлияло на
ему довольно глубоко:

«В настройках специальной теории относительности, следующая. .. идея относительно магнитоэлектрической индукции Фарадея [эксперимент] сыграл направляющая роль для меня… [описан мысленный эксперимент с магнитным проводником]. …Идея, однако, в том, что это были два принципиально разных случаи были невыносимы для меня. Разница между ними, я был убежден, может быть только различием в выборе точки зрения, а не реальная разница. Судя по [движущемуся] магниту, конечно, никакого электрического поля нет. Судя по [эфирному состоянию остальные], конечно, один присутствовал. Таким образом, существование электрическое поле было относительным, в соответствии с состоянием движения используемой системы координат, и только электрические и магнитные поле вместе можно было бы приписать своего рода объективной реальности, отдельно от состояния движения наблюдателя или системы координат. Явление магнитоэлектрической индукции заставило мне постулировать (специальный) принцип относительности. [Сноска] Трудность, которую необходимо преодолеть, заключается в постоянстве скорость света в вакууме, которая, как я сначала полагал, должна была быть отвергнутым. Только после многих лет [jahrelang] нащупывания я заметил что трудность заключается в произвольности основных кинематических концепции.»

В общем, урок Эйнштейна был
это. Теория Максвелла использовала эфирное состояние покоя; но это состояние
остальные не могли быть выявлены наблюдением. Так как-то принцип
нужно было поддерживать относительность.

А второй моралью была неожиданная относительность. До Эйнштейна было считал, что наличие электрического поля в каком-либо месте абсолютный факт. Теперь Эйнштейн пришел к выводу, что это наблюдатель зависимым: некоторые наблюдатели сочтут, что электрическое поле подарок; другие в другом состоянии движения не будут. Это было первая эйнштейновская реорганизация наших идей, о которой количества абсолютные, а какие относительные.

Эмиссионные теории света

Мысленный эксперимент с магнитом и проводником указал путь
вперед за Эйнштейна. Он должен был отстаивать принцип относительности в
электродинамика. Непосредственная трудность, с которой столкнулся Эйнштейн, заключалась в том, что одна из
самые впечатляющие результаты электродинамики Максвелла. Это касалось
скорость распространения волн в
электромагнитное поле. Использование только результатов, полученных в результате экспериментов в
электричество и магнетизм, Максвелл смог показать, что эти волны
распространяются со скоростью 186 000 миль в секунду. Эта скорость совпадала с тогдашней
эмпирически известная скорость световых волн. Вывод неотразимый:

Световые волны просто есть
электромагнитные волны.

Это отождествление света с электромагнитными волнами
было одним из главных достижений теории Максвелла

К этому экстраординарному исходу был приложен основной
препятствием, с которым теперь столкнулся Эйнштейн в своем проекте отстаивания принципа
относительность в электродинамике: скорость света, определяемая Максвеллом
теория составляла 186 000 миль в секунду — с — относительно
к эфиру. Это никогда не было быстрее или медленнее, но всегда это
фиксированный номер. Свет всегда распространяется ровно с в вакууме с
отношение к эфиру. Это означало, что наблюдатели могли определить
их состояния движения, просто измеряя, двигался ли световой луч в точке с.
Если да, то они покоились в эфире. Если этого не произошло, то они
двигались в эфире.

Вот простой способ увидеть проблему и решение
Эйнштейн пытался. Автомобиль покоится в эфире.
Он проецирует световую волну вперед в точке c от своих фар.

Теперь, если автомобиль приводится в движение на высокой скорости в
направление световой волны, световая волна не будет зависеть от
движения фар автомобиля. Он по-прежнему будет распространяться в точке c относительно
к эфиру. Это был основной результат теории Максвелла. Что означает, что,
согласно ньютоновским представлениям о пространстве и времени, свет будет замедляться
в системе отсчета автомобиля. Принцип относительности
потерпит неудачу.

Этот сбой не возник бы, если бы распространение света работало как
предполагал Ньютон. Он предположил, что свет состоит из небольшого
корпускулы, которые вели себя как брошенные камешки. Кто-то бросает камешек
придало бы этому какое-то движение. Если этот человек также двигался, его
движение будет добавлено к тому из гальки. Если свет от автомобиля
фары действовали таким образом, движение автомобиля добавлялось бы к движению
свет:

В этом ньютоновском описании свет всегда движется
в c относительно автомобиля. Измерение скорости излучаемого
свет больше не позволяет наблюдателям в машине определить
их абсолютное движение по отношению к эфиру, если таковое существует.

Теперь Эйнштейн предположил, что тот же эффект сложения
относится к световым волнам

Скорость испускаемого света увеличивается на что угодно
скорость, которую может иметь автомобиль. Еще раз, измеряя скорость испускаемого
свет больше не является средством для определения
абсолютное движение.

То, что получается, называется «эмиссионной» теорией света.
определяющей характеристикой является то, что скорость
излучатель добавляется к скорости испускаемого света, чтобы получить
конечная скорость света.

Вальтер Ритц

Стремление к эмиссионной теории было естественным путь вперед. Но это была только идея. Трудность заключалась в определить, как модифицировать электродинамическую теории, так что распространение света и другие связанные электродинамические эффекты согласовывались с эмиссионной теорией. Это было непростая задача. Электродинамика Максвелла была довольно сложной теория. Каждое из его многочисленных уравнений было адаптировано к конкретным результаты экспериментов. Нельзя было легко изменить одну деталь без создание проблем в других частях. Оказывается, было перспективное направление модификации Теория Максвелла, которая, казалось, должна была привести к электродинамике в соответствии с эмиссионной теорией. Этот путь был найден вскоре после работы Эйнштейна 1905 года Вальтером Ритцем.

Позднее Эйнштейн вспоминал, что теория, которую он по сути был тот, который был опубликован Ritz в 1908 году. В теории Ритца — и, следовательно, вероятно, также и в теории Эйнштейна — все электродинамические действия, а не только свет, распространяется в вакууме при c с по отношению к источнику действия. Существенным изменением является показано в анимации:

Вот не анимированная версия:

Мои собственные усилия по восстановлению деталей
Теорию Эйнштейна можно найти
в «Исследованиях Эйнштейна галилеевой ковариантной электродинамики» до
до 1905 г. », Архив истории точных наук , 59 (2004), стр.
45-105.

Кризис: относительность одновременности

Теория выбросов неверна. Так что Эйнштейн нашел бы
себя в безвыходном положении. Скорость света не может меняться в зависимости от
скорость излучателя; по-видимому, это должно быть константой, как у Максвелла.
теория настаивала все это время. Кроме того, Эйнштейн был убежден, что
принцип относительности должен получить в электродинамической теории. Как
оба могут получить? Они требуют, чтобы скорость света была одинаковой
для всех инерциальных наблюдателей?

Уже процитированная сноска указывает нам на Эйнштейна.
следующий шаг.

«Трудность, которую необходимо преодолеть, заключается в постоянстве скорости
свет в вакууме, от которого, как я сначала полагал, нужно было отказаться. Только после
лет [jahrelang] ощупью заметил ли я, что трудность заключалась в произвольности
основных кинематических понятий.»

Ключом к разгадке является относительность одновременности.
Если Эйнштейн откажется от абсолютности одновременности, то принцип
относительности и постоянства скорости света совместимы
после всего. Плата за совместимость заключается в том, что мы должны
допустим, что пространство и время ведут себя несколько иначе, чем говорил нам Ньютон.

Более важным для борьбы Эйнштейна того времени является
дополнительный бонус: оказывается, что в рамках новой теории пространства и времени
специальной теории относительности электродинамика Максвелла делает
вообще не нужно модифицировать. Оказывается, совместимы
с принципом относительности как есть. Это было бы очень
удовлетворительный результат для Эйнштейна.

Эйнштейн рассказал позже момент
открытия. На лекции в Киото 14 декабря 19 г.22, он
как сообщает Ишивара, который делал записи на японском языке, сказал:

Дэвид Хьюм

Этот момент признания относительности одновременность — один из величайших моментов научных открытий и в этот момент ключевую роль сыграли философские размышления. Абсолютная одновременность кажется бесспорной частью мира. Как мы могли отказаться от него? Эйнштейн читал много философы, в том числе Юм и Мах. Они подчеркивали, что понятия — наши слуги, а не наши хозяева. и они оправданы только в той мере, в какой они могут быть основаны на опыт. Таким образом, абсолютная одновременность была должным образом обоснована в опыт? Эйнштейн начал думать об опыте, который мы использовать для установления одновременности событий, и он понял, что это было нет. Чтение этих философов придало ему смелости продолжать и отказаться от абсолютной одновременности. На его место пришла относительность одновременности.

Эрнст Мах

О том, как помогло чтение Юма и Маха, см.
мой «Как Юм и Мах помогли Эйнштейну найти специальную теорию относительности».

Поворот к принципам

Момент признания относительности
одновременность наступила, согласно приведенному выше описанию, за 5 недель до того, как Эйнштейн
завершение статьи 1905 г. (и еще через 5-6 недель). В этих пяти
до шести недель, за которые он собирал воедино кусочки готового
теории, Эйнштейн сделал еще один весьма значительный методологический
прогресс, который навсегда изменил бы наше представление о теории относительности.

Путь Эйнштейна к открытиям составил
признание того, что если вы серьезно относитесь к электродинамике Максвелла, вы
увидеть, что встроенный в него является одновременно
принцип относительности и новую кинематику пространства и времени,
поддерживает это. Тем не менее, Эйнштейн не просто утверждает это в
готовая бумага.

Причину нетрудно увидеть. До этого всего лишь за несколько месяцев до завершения его 1905 бумага по специальной теории относительности, Эйнштейн опубликовал статью, в которой предсказал конец электродинамики Максвелла! В его более раннем света, Эйнштейн выдвинул удивительное утверждение, что иногда свет ведет себя не как волна, как в теории Максвелла потребовал; иногда он вел себя как пространственно локализованная коллекция энергии.

Так как же теперь Эйнштейн мог обосновать новую теорию пространства и
время по теории Максвелла? Он знал, что что-то очень правильное в отношении Максвелла
теория. В этом тоже было что-то очень неправильное. Как можно
теоретизировать в такой нестабильной среде.
Ответ пришел к Эйнштейну, как он сообщил в своей автобиографической книге.
Примечания, в отличие от того, что он называл конструктивной теорией
из принципиальных теорий.

«Отражение этого
тип дал мне понять уже вскоре после 1900 г., т. е. вскоре
после новаторской работы Планка, что ни механика, ни
электродинамика могла (за исключением предельных случаев) претендовать на точную справедливость.
Постепенно я отчаялся в возможности открыть истинные законы путем
средства конструктивных усилий, основанных на известных фактах. Чем дольше и тем
чем отчаяннее я пытался, тем больше приходил к убеждению, что только
открытие универсального формального принципа могло бы привести нас к гарантированному
полученные результаты. Примером, который я видел перед собой, была термодинамика.
Общий принцип был дан там в теореме: Законы природы
таковы, что невозможно построить вечный двигатель (из
первого и второго рода). Как же тогда мог быть такой универсальный принцип?
нашли?»

По сути, Эйнштейн увидел, что на самом деле он не
нужна вся теория Максвелла для его нового описания пространства и времени. Он
нужно было всего несколько основных идей, достаточно надежных, чтобы
пережить грядущую квантовую революцию. Следуя модели
термодинамики, эти несколько основных идей будут выдвинуты как принципы из
из которого можно вывести всю теорию.

Какими могут быть эти принципы?
Сам принцип относительности был очевидным выбором. Он также нуждался
что-то, что дистиллировало соответствующую сущность Максвелла
электродинамика. А как насчет самого тяжелого урока за годы его работы?
к окончательной теории: признание того, что эмиссионная теория света
должен потерпеть неудачу? То есть, что теория Максвелла все-таки была права в том, что требовала
что этот свет всегда распространяется в точке с, независимо от того, насколько быстро излучатель может
двигаться? Это стало вторым принципом, постулатом света. Те
два принципа оказались достаточными для того, чтобы вся теория была
выведено. Эйнштейн изложил как свои постулаты, так и теорию, принятую
знакомая теперь форма.

Три компонента

Мы видели три компонента
в открытии Эйнштейна:

• Проницательный анализ новых и удивительных экспериментов.
• Глубоко рефлексивный философский анализ природы времени и
  физические теории.
• Решение неуместной и упущенной проблемы в основах
  электричество и магнетизм.

Хотя все трое сыграли роль в открытии Эйнштейна,
последний был самым решающим. К сожалению
это часто упускается из виду при описании происхождения теории Эйнштейна.
Участие Эйнштейна в текущих экспериментах и ​​его возможности в
важен философский анализ. Однако специальная теория относительности не
произошли бы вообще, если бы не особые проблемы в
электродинамика, которой занимался Эйнштейн и которая требовала радикального
решение.

Эйнштейн 1905 «На
Электродинамика движущихся тел»

Бумага состоит из нескольких частей. Во-первых, есть
введение. Он начинается с пересчета магнита
и проводник мысленного эксперимента. Затем он объявляет проект
решения возникшей проблемы с помощью новой теории пространства и времени, основанной
на принципе относительности и постулате света.

В первом «Кинематическом Часть» статьи, Эйнштейн развивает части теория посвящена только пространству и времени. Его первый раздел, «Определение одновременности», — дает Эйнштейн свой знаменитый анализ. относительности одновременности. Это один из самых знаменитых концептуальные анализы века и модель очень многие другие пытался следить.

Чтобы узнать больше об открытиях Эйнштейна 1905 года, посетите мой веб-сайт.

Что вы должны знать

• Как Эйнштейн в возрасте 16 лет представлял себе, что это будет погоня за светом.
• Его мысленный эксперимент с магнитом и проводником и чему он научился
  Это.
• Как он пытался использовать эмиссионные теории света.
• Важность его понимания одновременности.
• Почему он решил сформулировать специальную теорию в терминах двух
  принципы.

Авторское право Джон Д. Нортон. январь 2001 г., сентябрь
2002 г.; июль 2006 г.; 2 января 2007 г .; 21 января, 4 февраля 2008 г.; 15 января,
2010. 11 сентября 2020. 22 января 2022.

Эйнштейн, Эддингтон и затмение 1919 года

Ни тени сомнения: затмение 1919 года, подтвердившее теорию относительности Эйнштейна Дэниел Кеннефик Издательство Принстонского университета (2019)

Век гравитации: от затмения Эйнштейна до изображений черных дыр Рон Коуэн Первая война Мэтью Стэнли Даттон (2019)

В 1916 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности во всех математических деталях. Это открыло окно в радикально новую структуру физики, отменив устоявшиеся представления о пространстве и времени и заменив ньютоновскую формулировку законов гравитации. Революция Эйнштейна должна была изменить курс науки; но в первые годы после публикации не было окончательных наблюдательных доказательств того, что его теория верна.

Входит Артур Стэнли Эддингтон. Астроном, интересующийся теорией Эйнштейна из-за ее широкого применения в астрофизике и космологии, Эддингтон взял на себя задачу доказать ее. Используя полное солнечное затмение, он утверждал, что можно измерить отклонение или искривление света под действием гравитации Солнца. Это был критический тест, потому что теория Эйнштейна предсказывала отклонение, точно вдвое превышающее значение, полученное с использованием закона всемирного тяготения Исаака Ньютона. Нужное затмение наступило 100 лет назад, в 1919. Эддингтон теперь навсегда связан с двумя экспедициями для его осмотра: из Собрала в северной Бразилии и с острова Принсипи у берегов Западной Африки. Эти важные начинания составляют основу трех книг, посвященных столетию: « Нет тени сомнения» физика Дэниела Кеннефика, «Век гравитации» научного журналиста Рона Коуэна и « Война Эйнштейна » историка науки Мэтью Стэнли.

Теория Эйнштейна, разрабатывавшаяся восемь лет, возникла из идей, которые он развил после публикации своей специальной теории относительности в 1919 году.05. Одним из эффектов, предсказанных новой теорией, было то, что световые лучи, проходящие вблизи массивного тела, такого как звезда, должны искривляться под действием ее гравитационного поля. Этот эффект был качественно предсказан с помощью теории гравитации Ньютона. Как ни странно, сам Ньютон написал в своем опусе 1704 года « Opticks »: «Разве тела не воздействуют на свет на расстоянии и своим действием искривляют его лучи…?» Но нет никаких доказательств того, что он рассчитал величину эффекта (первый полный расчет был опубликован немецким математиком Иоганном Георгом фон Зольднером в 1804 году).

Ньютоновская теория гравитации, конечно, не формулировала гравитацию как следствие искривления пространства. Это было изобретение Эйнштейна. И когда он рассчитал эффект, то подтвердил, что свет отклоняется (как в ньютоновской теории), но через искривленное пространство. Именно эта кривизна удваивает прогиб.

Условия испытаний

Эйнштейн впервые публично представил общую теорию относительности Прусской академии наук в 1915 году. К тому времени Первая мировая война шла полным ходом, во всем ее ужасе. В следующем году, несмотря на разрыв каналов связи во время войны, Эддингтону и его коллеге-астроному Фрэнку Уотсону Дайсону — тогдашнему директору Кембриджской обсерватории и королевскому астроному соответственно — удалось получить опубликованные статьи Эйнштейна. Дайсон сразу понял, что полное солнечное затмение в 1919 оказался бы идеальным тестом.

Во время этого затмения Солнце будет находиться перед Гиадами, скоплением ярких звезд в созвездии Тельца. Таким образом, в целом вблизи затмеваемого диска будет видно много звезд. (Это было ключевым моментом, потому что предсказанный Эйнштейном эффект искривления света был наибольшим для звезд, наблюдаемых вблизи Солнца.) Положения звезд относительно Солнца можно было записывать и измерять на фотопластинках, а затем сравнивать с эталонными пластинами, показывающими звезды. когда Солнце не было далеко от поля зрения. Затем можно было рассчитать любые видимые сдвиги, вызванные гравитационным полем Солнца. Чем больше звезд измерено, тем больше у наблюдателей шансов исправить систематические ошибки и уменьшить случайные.

Это была идея. Но было много практических препятствий, которые нужно было преодолеть, как в технических особенностях проведения наблюдений, так и в экспедиционной логистике. Путь полного затмения пролегал из северной Бразилии через Атлантику в Западную Африку, что делало невозможным отправку экспедиции из Британии до тех пор, пока не прекратятся боевые действия. Перемирие в ноябре 1918 года оставило как раз достаточно времени, чтобы претворить план в жизнь. Дайсон, руководивший экспедициями, остался в Англии. Эддингтон отправился в Принсипи; В Собрал отправился Эндрю Кроммелин, работавший в Королевской Гринвичской обсерватории в Лондоне.

Детали двойных экспедиций предоставлены Без тени сомнения . Тщательно проработанный и ярко написанный отчет, несомненно, станет стандартным справочником по этому увлекательному примеру «Большой науки». Эддингтону, как рассказывает Кеннефик, ужасно повезло. Столкнувшись с плохой погодой в Принсипи, ему удалось провести меньше измерений, чем он надеялся. Затем предложенная пароходством забастовка означала, что он не мог оставаться в Принсипи достаточно долго, чтобы измерить положение звезд на своих пластинах на месте, и вместо этого должен был провести анализ после того, как вернулся в Англию.

У Кроммлена в Бразилии условия были намного лучше. Несмотря на технические проблемы с оборудованием, из-за которых многие пластины были сильно размыты, его измерения были решающими и были заметно ближе к предсказанию Эйнштейна, чем к предсказанию Ньютона. Результаты были объявлены коллективно в ноябре того же года на специальном совместном собрании Королевского общества и Королевского астрономического общества в Лондоне. Это попало на первые полосы новостей по всему миру.

Вопросы и подтверждение

Этот первоначальный вывод Дайсона, Эддингтона, Кроммелина и их групп впоследствии был подтвержден многими дальнейшими экспериментами с затмениями. Тем не менее, некоторые обвиняют Эддингтона в неправильном обращении с измерениями затмения. Название Кеннефика, No Shadow of a Doubt , таким образом, является одновременно каламбуром и заявлением о намерении развеять эти подозрения. Кеннефик довольно подробно обсуждает критические замечания. Могу добавить пару кратких замечаний.

Во-первых, Эддингтону пришлось принять план Б при анализе данных «Принсипи» после того, как неудача заставила его руку; но, по-моему, он не сделал ничего неразумного. Все 1919 измерений затмений сведены в таблицу (в FW Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220 , 291–333; 1920). Несложно, а также весьма поучительно проанализировать их с помощью современных статистических методов. Я сделал это и не нашел доказательств того, что Эддингтон «подтасовывал книги». Огромная беда, что ни одна из оригинальных пластин ни одной из экспедиций не сохранилась: в противном случае их можно было бы измерить с помощью более сложной технологии. Таблички Эддингтона были утеряны после его смерти в 1944 — его сестра, возможно, выбросила их, когда ей пришлось переехать из кембриджского дома, который они делили. Таблички Кроммелина, похоже, исчезли в ходе последовательных реорганизаций Королевской обсерватории.

Gravity’s Century больше концентрируется на более широких разветвлениях теории Эйнштейна в космологии и астрофизике, включая черные дыры и гравитационные волны. Книга Коуэна, состоящая менее чем из 200 страниц, — это легкое и приятное чтение, долгожданное дополнение к переполненной полке книг по этим темам.

Коуэн также входит в воплощение Эйнштейна как культурная икона. «Чудесный 1905 год», когда он опубликовал статьи о броуновском движении и фотоэлектрическом эффекте, а также о специальной теории относительности, сделал Эйнштейна звездой физики. Экспедиции затмения 1919 года сделали гораздо больше, укрепив его репутацию среди физиков и превратив его в международную суперзвезду. Тем не менее, на мой взгляд, по крайней мере отчасти причина такой внезапной славы в том, что экспедиция состоялась сразу после окончания войны. Более того, это был британский эксперимент по проверке идей немецкого теоретика. Возможно, после четырех ужасных лет смерти и разрушений люди нашли в триумфе Эйнштейна символ некоего примирения.

Стэнли разделяет эту точку зрения в Война Эйнштейна . Подробная и удобочитаемая книга дополняет No Shadow of a Doubt в качестве отчета об экспедициях затмения и их политической подоплеке.