Содержание
Специальная теория относительности Эйнштейна – элементы, формулы кратко и понятно
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 94.
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 94.
В конце XIXв представления о пространстве и времени, существующие со времен И.Ньютона, начали входить в противоречие с некоторыми экспериментами. Потребовались дополнительные исследования, которые привели к созданию Специальной Теории Относительности Эйнштейна (СТО). Кратко рассмотрим основные ее положения.
Противоречия механики Ньютона и электродинамики Максвелла
Согласно сформулированному Г.Галилеем принципу относительности, все механические процессы в инерциальной Системе Отсчета происходят одинаково, вне зависимости от того, движется ли эта система или нет.
Однако, для процессов электродинамики этот принцип начал нарушаться. Дело в том, что из уравнений Дж. Максвелла следовало, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме постоянна ($c ≈ 3×10^8$м/с) и одинакова по всем направлениям.
А в соответствии с преобразованиями Галилея, если источник электромагнитных волн движется, то скорость распространения электромагнитных волн должна быть больше в направлении движения и меньше в противоположном направлении.
Рис. 1. Электродинамика Фарадея-Максвелла.
Поиск разрешения данного противоречия велся в двух направлениях.
Во-первых, можно предположить, что уравнения электродинамики неверны. Это направление разрабатывал Г. Герц. Он пытался преобразовать уравнения Максвелла так, чтобы они не входили в противоречия с принципом относительности, и правильно описывали скорость света при переходе между инерциальными системами. Такой подход потребовал введения «истиной» Системы Отсчета, относительно которой электродинамика бы описывала все явления.
Во-вторых, можно предположить, что сам принцип относительности не выполняется для механических Систем Отсчета. И здесь также нужна особая, «истинная» Система Отсчета, относительно которой принцип относительности будет справедлив.
Это направление разрабатывалось Х. Лоренцем.
Оба подхода требовали введения «истиной» Системы Отсчета, которая была названа «эфиром», после чего начались его поиски, и попытки определить скорость наблюдателей на Земле относительно эфира.
Опыт Майкельсона
Главным опытом по определению скорости в эфире стал опыт с интерферометром А.Майкельсона. Поскольку свет проходит расстояние «туда и обратно» поперек направления движения Земли быстрее, чем вдоль, эта разница должна фиксироваться по интерференционной картине, причем, картина должна изменяться при изменении ориентации интерферометра.
Рис. 2. Схема опыта Майкельсона.
Однако, многократное повторение опыта показало, что интерференционная картина не зависит от положения интерферометра.
Получалось, что никакого движения относительно эфира нет, а значит, само понятие «эфира» бессмысленно (оно вводилось как раз для объяснения движения относительно других Систем Отсчета).
Постулаты специальной теории относительности
Оставалась единственная возможность «примирить» электродинамику и принцип относительности – согласиться с тем, что они верны, а неверны сами наши представления о пространстве и времени.
В результате А. Эйнштейном была разработана теория, названная Специальной Теорией Относительности (СТО), в основе которой лежат два постулата:
- все процессы и законы (в том числе и законы электродинамики) одинаковы во всех инерциальных Системах Отсчета;
- скорость света в вакууме (с) одинакова для всех инерциальных систем отсчета.
Из этих постулатов следует, что и пространство и время не являются абсолютными, как принято в механике Ньютона, а зависят от Системы Отсчета. Расстояние и время, измеренные в одной Системе, будут отличаться от тех же величин, измеренных в другой. Размеры быстро движущегося тела с точки зрения наблюдателя будут сокращаться. Течение времени для этого тела также будет замедляться.
При этом с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри этого тела – все обстоит наоборот. Поскольку тело движется равномерно и прямолинейно, оно является инерциальной Системой Отсчета. А значит, этот наблюдатель может считать, что он покоится, а все остальные предметы быстро движутся.
И именно размеры всех остальных предметов уменьшаются, и время на них замедляется. Размеры и время же этого наблюдателя – остаются прежними.
Подчеркнем – и внешний и движущийся наблюдатель будут правы. Но для согласования результатов их измерений надо использовать не преобразования Галилея, а преобразования Лоренца, формулы которых учитывают скорость движения.
Рис. 3. Преобразования Лоренца.
Что мы узнали?
Изучение элементов Специальной Теории Относительности (СТО) позволяет понять принципы согласования электродинамики Максвелла и механики. В основе СТО лежат постулаты о том, что все процессы во всех Системах Отсчета идут одинаково, и скорость света во всех Системах Отсчета также одинакова. При этом, пространство и время относительны и зависят от скорости наблюдателя.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.
7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 94.
А какая ваша оценка?
Теория относительности и зачем она нужна: часть 1, СТО: yuritkachev — LiveJournal
Словосочетание «теория относительности», как и имя её автора Альберта Эйнштейна, слышал, наверное, каждый. Увы (хотя основы теории относительности и приходят в школе) многие слабо или не до конца понимают, о чём идёт речь. Попытаемся это дело исправить.
Итак, теория относительности, а точнее, специальная теория относительности, СТО (есть ещё общая теория относительности, ОТО, но о ней в следующий раз) описывает движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света – в отличие от классической механики, которая «работает» с привычными нам скоростями.
Точнее, даже не так. СТО описывает процессы, происходящие при любых скоростях. Но просто при малых скоростях некоторые эффекты, становящиеся значимыми при скоростях больших, себя практически не проявляют, и можно довольствоваться сравнительно более простыми формулами классической механики.
А если мы рассматриваем условия, в которых эти эффекты уже отбросить нельзя, то тут-то нам на помощь и приходит СТО. Если же в формулах СТО считать скорости пренебрежимо малыми по сравнению со скоростями света, то мы получим всё те же уравнения классической механики.
Иными словами, классическая механика является составной частью СТО, её упрощением для частного случая малых скоростей.
Интересно, что большинство эффектов теории относительности были открыты, что называется, на кончике пера, и лишь потом подтверждены экспериментально.
СТО стала результатом многолетних попыток состыковать два хороших, годных раздела физики, категорически не желавших «работать» вместе: классическую механику и электродинамику.
Одним из краеугольных камней классической механики является так называемый принцип относительности, который гласит: в двух системах отсчёта, покоящихся друг относительно друга или движущихся относительно друг друга равномерно или прямолинейно, все законы физики работают одинаково.
Если быть уж до конца точным, в классической механике этот принцип, ещё называющийся принципом Галилея, распространяется лишь на законы этой самой механики.
Тот самый Галилей
Однако Галилея и его современников можно понять: в их времена-то других отраслей физики, кроме механики, толком и не было. Откуда вопрос: а распространяется ли принцип относительности, к примеру, и на электродинамику? С одной стороны, было логично предположить, что да. С другой – такое предположение порождало ряд неприятных проблем.
В электродинамике ту же фундаментальную роль, которую в механике играют три закона Ньютона, играют четыре уравнения Максвелла. И в некоторые из них в качестве параметра входит скорость света. С точки зрения электродинамики Максвелла, скорость света – универсальная мировая константа, вроде заряда электрона или гравитационной постоянной.
Но это плохо согласуется с классической механикой, в которой скорость – понятие относительное, зависящее от системы отсчёта.
Если мы будем измерять скорость автомобиля, неподвижно стоя на земле, то мы получим одно значение. Если же проделаем все те же процедуры, находясь в другом движущемся авто, то получим и другое значение скорости. Пассажир, идущий по проходу в салоне авиалайнера, движется с одной скоростью относительно других пассажиров и совсем с другой – относительно людей в аэропорту, откуда этот лайнер вылетел. То есть, скорость в классической механике зависит от точки зрения – а точнее, от системы отсчёта.
Но с точки зрения электродинамики для скорости света это не работает. И если наш пассажир самолёта включит фонарик, то испускаемые им фотоны будут лететь с одной и той же скоростью как для самого пассажира, так и для наблюдателей в аэропорту.
Это может показаться парадоксальным, и, чтобы объяснить это, можно привлечь на помощь следующие рассуждения. Дело в том, что универсальной константой, по всей видимости, является не сама по себе скорость света в вакууме, а просто некая предельно достижимая в нашей Вселенной скорость.
И свет движется именно с этой максимальной скоростью ввиду того, что его частицы, фотоны, не имеют массы покоя. Соответственно, ни в одной системе отсчёта свет не может двигаться ни быстрее, ни медленнее – просто потому, что может двигаться только так.
Однако отсюда следует противоречие: в электродинамике скорость света абсолютна, в классической механике, где действует принцип Галилея – относительна. И если мы хотим совместить две теории, то нам надо отказаться либо от принципа Галилея, либо от постулата об абсолютности скорости света. Но оба утверждения казались верными и подтверждались экспериментально. И как быть?
Эйнштейн решил пойти другим путём: он решил признать оба постулата верными и попытаться на этом теоретическом базисе построить непротиворечивую теорию.
Итак, вот два постулата СТО, из которых следует всё остальное:
1. Законы физики и природы вообще одинаковы во всех системах отсчёта, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (классическая механика).
2. Скорость света – универсальная константа, независимая от выбора системы отсчёта (электродинамика).
Теперь дело было за теорией, которая позволяла совместить оба эти постулата без противоречий. Но для этого надо понять, о какого рода противоречиях идёт речь. Рассмотрим одно из них.
Представим себе космический корабль, отправившийся в полёт со скоростью в 0,5 скорости света. Представим себе также, что некий злоумышленник заложил на борт этого взрывного устройства бомбу с часовым механизмом, которая должна сработать через 1,7 года после старта корабля.
Предположим, что через год после старта спецслужбы поймали террориста и узнали о бомбе. Они хотят сообщить о ней экипажу корабля, чтобы взрывное устройство можно было бы найти и обезвредить. Они посылают в космос радиосообщение (которое летит, как понятно, со скоростью света). Вопрос: успеет ли сообщение достичь корабля?
Давайте посмотрим на ситуацию с точки зрения землян. До взрыва остаётся 0,7 года.
За это время корабль, движущийся со скоростью в 0,5 скорости света, пролетит 0,35 световых года и будет находиться на расстоянии в 0,85 световых года от Земли. Очевидно, что радиосигнал, движущийся со скоростью света, за оставшиеся до взрыва 0,7 года не успеет покрыть расстояния в 0,85 световых лет. Проще говоря, предупреждение не успеет. Корабль взорвётся.
Но теперь давайте посмотрим на ситуацию с точки зрения пассажиров корабля. В их системе отсчёта корабль неподвижен: не он удаляется от Земли, а Земля удаляется от него. Но для путешествия сигнала к кораблю факт удаления Земли от корабля уже не важен, ведь сигнал покинул Землю и движется независимо от неё с абсолютной скоростью света. Иными словами, с точки зрения наблюдателя на корабле сигнал дойдёт ровно за полгода. А значит, экипаж получит сообщение за 0,2 года до взрыва и успеет обезвредить бомбу.
А теперь давайте вдумаемся: в двух разных системах отсчёта мы получаем совершенно различный исход событий.
А этого не может быть ни с точки зрения принципа относительности, ни с точки зрения банального здравого смысла.
То есть, второй постулат СТО явно противоречит первому. А точнее, он противоречит ему во всех без исключения случаях, кроме одного: если для пассажиров корабля и наблюдателей на Земле течёт одинаково.
Вот это-то предположение и поставил под сомнение Эйнштейн.
Не знаю, что курил Эйнштейн, но он делал это правильно
Что если, предположил он, в движущейся системе отсчёта время движется медленнее, чем в неподвижной? В этом случае, действительно, парадокс с кораблём, который взрывается в одной системе отсчёта и остаётся целым в другой, можно разрешить.
Проще говоря, с точки зрения земных наблюдателей свет действительно достигнет корабля в тот момент, когда корабля на самом деле не должно уже существовать. Но в «замедленном» времени корабля (в котором, кстати, тикает и таймер бомбы!) на самом деле с момента старта пройдёт куда меньше времени.
И поэтому на самом деле никакого взрыва не произойдёт – бомбу успеют обезвредить.
Гипотеза о том, что время не является чем-то универсальным, а течёт по-разному для разных наблюдателей, является краеугольным камнем теории относительности. Собственно, Специальную теорию относительности в этом смысле можно считать расширением классической механики на ситуации, в которых время перестаёт быть абсолютным.
В своей фундаментальной работе «К электродинамике движущихся тел», с которой и началась Специальная теория относительности, Эйнштейн из достаточно простых по сути соображений вывел формулу для сокращения времени, а точнее, для соотношения временных промежутков, измеренных в движущейся и неподвижной системе координат. И хотя я обещал не «грузить» читателя формулами, это знаменитое соотношение я считаю нужным привести:
Здесь Δt0 – промежуток времени в покоящейся системе отсчёта, Δt – соответствующий промежуток времени в движущейся системе, V – скорость этой системы, а с – скорость света, одинаковая для всех систем.
Хорошо видно, что при скорости V существенно меньшей скорости света (классическая механика) никакого сокращения времени не происходит, но чем больше скорость, тем сильнее сокращается временной промежуток в движущейся системе.
Простая иллюстрация к рассуждениям Эйнштейна, с помощью которых он вывел свою формулу. Нет, правда, это на самом деле достаточно просто
Этот эффект называется релятивистским (от слова relativity — относительность) сокращением времени.
Но как может время, которое кажется нам некоей универсальной величиной, меняться в зависимости от такой малости, как скорость движения часов, это время измеряющих? На самом деле, это вовсе не так необъяснимо, как кажется. Для этого нужно представить себе время не как некий независимый параметр, а как четвёртое измерение нашего пространства, а точнее, пространства-времени. И говорить уже не о «течении времени», а о движении наблюдателя вдоль временной оси – подобно тому, как этот наблюдатель может передвигаться вдоль пространственных осей координат.
В этой аналогии действительно нет ничего странного в «неодинаковости» времени. Нас ведь не смущает, что перемещаться в пространстве можно с разной скоростью? Так почему же должна смущать возможность движения с разной скоростью «по оси» времени?
Собственно, теория относительности и «работает» с четырёхмерным пространством-временем. Фактически, математический аппарат СТО преимущественно состоит в переводе привычных нам трёхмерных процессов в четырёхмерную систему и наоборот. К примеру, вводится понятие расстояния между событиями не только в пространстве, но и во времени – так называемого пространственно-временного интервала, или просто интервала. И если рассмотреть нашу аналогию с ракетой с точки зрения такого подхода, окажется, что никаких противоречий и нет. А видели мы их лишь потому, что привыкли к «трёхмерной» логике – удобной и интуитивно-понятной, но, увы, неполной и не отражающей всех особенностей Вселенной.
Классический пример отличия СТО от привычной реальности – так называемая относительность одновременности.
Мы привыкли, что если два события происходят одновременно, то эта одновременность будет также сохраняться для всех систем отсчёта. Если в самолёте, о котором мы упоминали выше, пассажир уронит яблоко, то оно упадёт на пол одновременно и для пассажира, и для наблюдателя в аэропорту. Однако в СТО так уже не получается.
Действительно, представим себе вагон поезда, с релятивистской скоростью проезжающий мимо некоей платформы. В центре вагона сидит один наблюдатель. Второй стоит на платформе. В тот момент, когда оба наблюдателя находятся друг напротив друга, наблюдать-пассажир зажигает спичку.
С его точки зрения свет этой спички достигнет передней и задней стенки вагона за одно и то же время: в его системе отчёта вагон неподвижен, он находится в его центре.
Но в системе отсчёта наблюдателя на платформе всё произойдёт немного не так: свет от спички (скорость которого, напомним, одинакова и в системе отсчёа пассажира, и системе отсчёта наблюдателя на платформе) будет двигаться к обоим стенкам вагона с одинаковой скоростью, но, пока он это делает, стенки вагона сами будут двигаться: передняя – удаляться от наблюдателя, задняя – приближаться к нему.
И поэтому свет списки с точки зрения наблюдателя достигнет задней стенки быстрее, чем передней.
Это и есть относительность одновременности: событие (достижение светом стенок вагонов) происходит одновременно для одного наблюдателя и неодновременно – для другого.
На самом деле и при меньших скоростях происходит всё то же самое. Просто из-за малости скоростей релятивистские эффекты незаметны, и события кажутся нам примерно одинаковыми.
Но это ещё не всё. Оказывается, расстояния и размеры предметов в движущихся друг относительно друга системах отсчёта тоже изменяются!
Представим себе, что два человека решили измерить длину некоего протяжённого линейного объекта – скажем, некоей трубы длиной в несколько десятков километров. Для этого один из них отправляется в путь вдоль этой трубы на некоем транспортном средстве, движущимся с известной скоростью. Достаточно замерить время, которое понадобится на то, чтобы добраться с одного конца трубы до другого, умножить на скорость движения – и вот она, длина трубы!
Предположим, что наши наблюдатели для вящей точности решили засечь время независимо друг от друга.
В этом случае к их удивлению выяснится, что длина трубы у них получилась разная! Потому что из-за релятивистского сокращения времени часы у движущегося и неподвижного наблюдателя покажут разное время!
Действительно, пусть неподвижный наблюдатель получил, что путь занял промежуток времени Δt0, и с его точки зрения длина трубы будет равной Vx Δt0. Но для движущегося со скоростью V наблюдателя этот промежуток времени сократится по формуле сокращения времени. Соответственно, длина трубы покажется ему равной:
то есть, окажется меньшей, чем у неподвижного наблюдателя. Если теперь интерпретировать ситуацию в системе отсчёта двигавшегося наблюдателя, где он сам был неподвижен, а труба двигалась относительно него, то получится, что длина движущегося объекта для неподвижного наблюдателя уменьшилась по сравнению с длиной, измеренной в неподвижной системе отсчёта (её ещё называют собственной для этого предмета).
Впоследствии были получены релятивистские формулы для многих других процессов и законов динамики и механики.
Несмотря на всю свою красоту и математическую стройность, теория относительности была слишком революционной, и многими была воспринята в штыки. Сотни теоретиков искали «дыры» в этой теории, и сотни экспериментаторов задавались целью её опровергнуть. Эти усилия пошли на пользу науке: в настоящее время Специальная теория относительности является одной из лучше всего проработанных и экспериментально доказанных теорий современной физики.
К примеру, проведены эксперименты, доказывающие независимость скорости света от выбора системы отсчёта. В одном из них измерялась скорость фотонов, испущенных распадающейся частицей, которая сама была разогнана почти до половины скорости света. Никаких отличий этой скорости от известного значения скорости света в вакууме обнаружено не было.
В тех же ускорителях частиц отлично наблюдается релятивистское сокращение времени: короткоживущие частицы, разогнанные до высоких скоростей, живут существенно дольше времени, чем «отведено им природой».
Сегодня всерьёз опровергать Специальную теорию относительности могут только откровенные научные фрики. Положения и формулы СТО используются в десятках отраслей современной жизни, от ядерных реакторов до систем спутниковой навигации. И сам тот факт, что эти штуки работают, подтверждает теорию.
Другое дело, что у теории относительности, как и у любой другой теории, существуют свои границы применимости. Так, специальная теория относительности не будет работать в условиях сильных гравитационных полей. Расширить её на эти условия призвана Общая теория относительности. Но об этом – в следующий раз.
Теория относительности Эйнштейна Краткое изложение Х. А. (Хендрика Антуна) Лоренца — Электронная книга
Электронная книга48 страниц36 минут
Рейтинг: 3 из 5 звезд
Краткое изложение
Оценка: 2,9473684210526314 из 5 звезд
3/5
38 оценок2 отзыва
Предварительный просмотр книги
Теория относительности Эйнштейна
Краткое заявление — Х.
А. (Хендрик Антун) Лоренц
Электронная книга проекта Гутенберга Теория относительности Эйнштейна , H.A. Лоренц.
Эта электронная книга предназначена для использования кем угодно и где угодно бесплатно и почти без каких-либо ограничений. Вы можете копировать ее, отдавать или повторно использовать в соответствии с условиями лицензии Project Gutenberg, прилагаемой к этой электронной книге, или в Интернете по адресу www.gutenberg.net
Название: The Einstein Theory of Relativity
Автор: H.A. Лоренц.
Дата выпуска: февраль 2004 г. [Номер электронной книги: 11335]
Язык: английский (США).
Кодировка набора символов: UTF-8.
Теория относительности Эйнштейна
Краткое изложение
by
Проф. Х.А. Лоренца из Лейденского университета. постоянный спрос на информацию об этой широко обсуждаемой теме относительности. Книги, изданные на эту тему, настолько технические, что только человек, обученный чистой физике и высшей математике, способен полностью их понять.
Для того, чтобы сделать доступным популярное объяснение этой далеко идущей теории, настоящая книга опубликована.
Эйнштейн приписывает профессору Лоренцу участие в разработке его теории. Он, несомненно, лучше любого другого человека, за исключением самого автора, способен объяснить это научное открытие.
Издатели выражают признательность New York Times, The Review of Reviews и The Athenaeum за любезное разрешение перепечатывать статьи со своих страниц. Статья профессора Лоренца первоначально появилась в The Nieuwe Rotterdamsche Courant 9.0024 от 19 ноября 1919 г. стр. 7
Введение
Действия Королевского общества на собрании в Лондоне 6 ноября по признанию теории относительности д-ра Альберта Эйнштейна
вызвали большой резонанс в научных кругах. по обе стороны Атлантики. Доктор Эйнштейн выдвинул свою теорию почти пятнадцать лет назад. Нынешнее возрождение интереса к нему связано с замечательным подтверждением, которое он получил в отчете о наблюдениях, сделанных во время солнечного затмения в мае прошлого года, чтобы определить, отклоняются ли лучи света, проходящие близко к Солнцу, от своего курса.
Действительное отклонение лучей, открытое астрономами стр. 8, было именно тем, что теоретически предсказал Эйнштейн много лет назад. Это поразительное подтверждение побудило некоторых немецких ученых утверждать, что с тех пор, как была обнародована теория тяготения Ньютона, не было сделано ни одного научного открытия такой важности. Это предположение, однако, было отвергнуто самим доктором Эйнштейном, когда он дал интервью корреспонденту New York Times в своем доме в Берлине. Этому корреспонденту он выразил разницу между своей концепцией и законом тяготения в следующих терминах:0003
«Пожалуйста, представьте себе, что земля убрана, а на ее месте подвешена коробка размером с комнату или целый дом, а внутри человека, естественно, плавающего в центре, и никакой силы, тянущей его за собой, нет. Представьте себе, далее, это ящик, с помощью веревки или другого приспособления, внезапно дернулся к одному
Наслаждаетесь предварительным просмотром?
инвариантность скорости света
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Альберт Эйнштейн
Анри Пуанкаре
Бернхард Риманн
Артур Эддингтон
Герман Вейль
- Похожие темы:
- замедление времени
парадокс близнецов
специальная теория относительности
общая теория относительности
галилеева инвариантность
Просмотреть весь связанный контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
относительность , обширные физические теории, созданные физиком немецкого происхождения Альбертом Эйнштейном.
Своими теориями специальной теории относительности (1905 г.) и общей теории относительности (1915 г.) Эйнштейн опроверг многие предположения, лежащие в основе более ранних физических теорий, переопределив в процессе фундаментальные концепции пространства, времени, материи, энергии и гравитации. Наряду с квантовой механикой теория относительности занимает центральное место в современной физике. В частности, теория относительности обеспечивает основу для понимания космических процессов и геометрии самой Вселенной.
E = mc 2
Посмотреть все видео к этой статье друг друга так, что наблюдатель не может с помощью чисто механических экспериментов отличить одно от другого. Начав с поведения света (и всех других электромагнитных излучений), специальная теория относительности делает выводы, противоречащие повседневному опыту, но полностью подтверждаемые экспериментами. Специальная теория относительности показала, что скорость света — это предел, к которому может приблизиться, но не достичь любой материальный объект; это происхождение самого известного уравнения в науке, E = м c 2 ; и это привело к другим мучительным последствиям, таким как «парадокс близнецов».
«Общая теория относительности» занимается гравитацией, одной из фундаментальных сил Вселенной. (Другими являются электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.) Гравитация определяет макроскопическое поведение, поэтому общая теория относительности описывает крупномасштабные физические явления, такие как динамика планет, рождение и смерть звезд, черных дыр и эволюция Вселенная.
Специальная и общая теория относительности оказали глубокое влияние на физическую науку и на существование человечества, особенно в области применения ядерной энергии и ядерного оружия. Кроме того, относительность и ее переосмысление фундаментальных категорий пространства и времени послужили основой для определенных философских, социальных и художественных интерпретаций, которые по-разному повлияли на человеческую культуру.
Тест «Британника»
Физика и законы природы
Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.
Космология до теории относительности
Механическая вселенная
Теория относительности изменила научную концепцию Вселенной, которая началась с попыток понять динамическое поведение материи. В эпоху Возрождения великий итальянский физик Галилео Галилей вышел за рамки философии Аристотеля и представил современное изучение механики, которое требует количественных измерений тел, движущихся в пространстве и времени. Его работа и работы других привели к основным понятиям, таким как скорость, которая представляет собой расстояние, которое тело проходит в заданном направлении в единицу времени; ускорение, скорость изменения скорости; масса, количество вещества в теле; и сила, толчок или тяга к телу.
Следующий важный шаг произошел в конце 17 века, когда гениальный британский ученый Исаак Ньютон сформулировал свои три знаменитых закона движения, первый и второй из которых представляют особый интерес в теории относительности. Первый закон Ньютона, известный как закон инерции, гласит, что тело, на которое не действуют внешние силы, не испытывает никакого ускорения — либо остается в покое, либо продолжает двигаться прямолинейно с постоянной скоростью.
Второй закон Ньютона гласит, что сила, приложенная к телу, изменяет его скорость, вызывая ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное массе тела. При построении своей системы Ньютон также определил пространство и время, приняв и то, и другое за абсолюты, не подверженные влиянию чего-либо внешнего. Время, писал он, «течет равномерно», а пространство «всегда остается одинаковым и неподвижным».
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Законы Ньютона доказали свою применимость во всех приложениях, например, при расчете поведения падающих тел, но они также послужили основой для его выдающегося закона всемирного тяготения (термин, происходящий от латинского gravis , или «тяжелый», использовался по крайней мере с 16 века). Начав с наблюдения (возможно, мифического) падающего яблока, а затем рассматривая Луну, вращающуюся вокруг Земли, Ньютон пришел к выводу, что между Солнцем и его планетами действует невидимая сила.
Он сформулировал сравнительно простое математическое выражение для силы тяготения; в нем говорится, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, действующей через пустое пространство и зависящей от массы объектов и расстояния между ними.
Закон всемирного тяготения блестяще объяснил механизм кеплеровских законов движения планет, которые немецкий астроном Иоганн Кеплер сформулировал в начале XVII века. Механика Ньютона и закон всемирного тяготения вместе с его предположениями о природе пространства и времени казались полностью успешными в объяснении динамики Вселенной, от движения на Земле до космических событий.
Однако этот успех в объяснении явлений природы подвергся проверке с неожиданной стороны — поведения света, чья неосязаемая природа веками озадачивала философов и ученых. В 1865 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что свет представляет собой электромагнитную волну с колеблющимися электрическими и магнитными компонентами.
Уравнения Максвелла предсказывали, что электромагнитные волны будут распространяться в пустом пространстве со скоростью почти точно 3 × 10 8 метров в секунду (186 000 миль в секунду) — т. е. в соответствии с измеренной скоростью света. Эксперименты вскоре подтвердили электромагнитную природу света и установили его скорость как фундаментальный параметр Вселенной.
Замечательный результат Максвелла ответил на давние вопросы о свете, но поднял еще один фундаментальный вопрос: если свет — это движущаяся волна, какая среда поддерживает ее? Океанские волны и звуковые волны состоят из поступательного колебательного движения молекул воды и атмосферных газов соответственно. Но что вибрирует, создавая движущуюся световую волну? Или, другими словами, как энергия, воплощенная в свете, перемещается из точки в точку?
Для Максвелла и других ученых того времени ответ заключался в том, что свет распространяется в гипотетической среде, называемой эфиром (aether). Предположительно, эта среда пронизывала все пространство, не препятствуя движению планет и звезд; однако он должен был быть более жестким, чем сталь, чтобы световые волны могли проходить через него с высокой скоростью, подобно тому, как натянутая гитарная струна поддерживает быстрые механические колебания.