Теория относительности кто открыл: Два мифа о создании общей теории относительности / / Независимая газета |

Содержание

«Теория относительности простыми словами?» — Яндекс Кью

почему E=mc2 или как Эйнштейн пришел к теории относительности — T&P

Построив модель пространства и времени, Эйнштейн проложил путь к пониманию того, как загораются и светят звезды, открыл глубинные причины работы электродвигателей и генераторов электрического тока и, по сути, заложил фундамент всей современной физики. В своей книге «Почему Е=mc2?» ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу не ставят под сомнение теорию Эйнштейна, а учат не доверять тому, что мы называем здравым смыслом. Публикуем главы о пространстве и времени, а, вернее, о том, почему нам нужно отказаться от сложившихся о них представлениях.

«Почему Е=mc2?».

Что для вас значат слова «пространство» и «время»? Возможно, вы представляете себе пространство как тьму между звездами, которую видите, глядя на небо холодной зимней ночью? Или как пустоту между Землей и Луной, в которой мчится космический корабль со звездами и полосами, пилотируемый парнем по имени Базз (Buzz Aldrin, пилот лунного модуля «Аполлон-11»)? Время можно представить как тиканье ваших часов или осеннее превращение листьев из зеленых в красные и желтые, когда Солнце проходит по небу все ниже в пятимиллиардный раз. Мы все интуитивно ощущаем пространство и время; они — неотъемлемая часть нашего существования. Мы движемся через пространство на поверхности голубой планеты, пока время ведет свой отсчет.

Ряд научных открытий, сделанных в последние годы XIX столетия на первый взгляд в совершенно не связанных между собой областях, побудил физиков пересмотреть простые и интуитивные картины пространства и времени. В начале XX века Герман Минковский, коллега и учитель Альберта Эйнштейна, написал свой знаменитый некролог древней сфере с орбитами, по которым путешествовали планеты: «Отныне пространство само по себе и время само по себе превратились не более чем в тени, и имеется только своего рода смешение этих двух понятий». Что Минковский подразумевал под смешением пространства и времени? Чтобы разобраться в сути этого почти мистического утверждения, необходимо понять специальную теорию относительности Эйнштейна, которая представила миру наиболее известное из всех уравнений, E = mc2, и навсегда поместила в центр нашего понимания устройства Вселенной величину, обозначаемую символом c — скорость света.

Специальная теория относительности Эйнштейна — это фактически описание пространства и времени. Центральное место в ней занимает понятие особой скорости, которую невозможно превзойти никаким ускорением, каким бы сильным оно ни было. Эта скорость — скорость света в вакууме, составляющая 299 792 458 метров в секунду. Путешествуя с такой скоростью, луч света, покинувший Землю, через восемь минут пролетит мимо Солнца, за 100 тысяч лет пересечет нашу Галактику Млечный Путь, а через два миллиона лет достигнет ближайшей соседней галактики — Туманности Андромеды. Сегодня ночью крупнейшие телескопы Земли будут вглядываться в черноту межзвездного пространства и ловить древние лучи света от дальних, давно умерших звезд на краю наблюдаемой Вселенной. Эти лучи начали свое путешествие более 10 миллиардов лет назад, за несколько миллиардов лет до возникновения Земли из сжимающегося облака межзвездной пыли. Скорость света велика, но далеко не бесконечна. По сравнению c огромными расстояниями между звездами и галактиками она может казаться удручающе низкой — настолько, что мы в состоянии ускорить очень малые объекты до скоростей, отличающихся от скорости света на доли процента, с помощью такой техники, как 27-километровый Большой адронный коллайдер в Европейском центре ядерных исследований в Женеве.

Если бы можно было превышать скорость света, то мы могли бы построить машину времени, переносящую нас в любую точку истории

Существование специальной, предельной космической скорости — достаточно странная концепция. Как мы узнаем позже из этой книги, связь этой скорости со скоростью света — своего рода подмена понятий. Предельная космическая скорость играет гораздо более важную роль во Вселенной Эйнштейна, и есть веская причина, по которой луч света перемещается именно с данной скоростью. Однако мы к этому еще вернемся. А пока достаточно сказать, что по достижении объектами этой особой скорости начинают происходить странные вещи. Как можно предотвратить превышение объектом этой скорости? Это выглядит так, словно существует универсальный закон физики, не позволяющий вашей машине разогнаться свыше 90 километров в час, независимо от мощности двигателя. Но в отличие от ограничения скорости автомобиля выполнение этого закона обеспечивается не какой-то неземной полицией. Его нарушение становится абсолютно невозможным благодаря самому построению ткани пространства и времени, и это исключительное везение, поскольку в противном случае мы имели бы дело с очень неприятными последствиями. Позже мы увидим, что если бы можно было превышать скорость света, то мы могли бы построить машину времени, переносящую нас в любую точку истории. Например, мы могли бы отправиться в период до нашего рождения и случайно или преднамеренно помешать встрече родителей.

Это неплохой сюжет для фантастической литературы, но не для создания Вселенной. И действительно, Эйнштейн выяснил, что Вселенная устроена совсем не так. Пространство и время настолько тонко переплетены, что подобные парадоксы недопустимы. Однако все имеет свою цену, и в данном случае эта цена — наш отказ от глубоко укоренившихся представлений о пространстве и времени. Во Вселенной Эйнштейна движущиеся часы идут медленнее, движущиеся объекты сокращаются в размере и мы можем путешествовать на миллиарды лет в будущее. Это Вселенная, где человеческая жизнь может растянуться почти до бесконечности. Мы могли бы наблюдать угасание Солнца, испарение океанов, погружение Солнечной системы в вечную ночь, рождение звезд из облаков межзвездной пыли, формирование планет и, возможно, зарождение жизни в новых, пока еще не сформировавшихся мирах. Вселенная Эйнштейна позволяет нам путешествовать в далекое будущее, вместе с тем удерживая двери в прошлое плотно закрытыми.

К концу этой книги мы увидим, как Эйнштейн был вынужден прийти к столь фантастической картине Вселенной и как ее корректность была неоднократно доказана в ходе большого количества научных экспериментов и технологического применения. Например, спутниковая навигационная система в автомобиле разработана с учетом того факта, что время на орбите спутников и на земной поверхности движется с разной скоростью. Картина Эйнштейна радикальна: пространство и время — совсем не то, чем нам кажутся.

Представьте, что вы читаете книгу во время полета в самолете. В 12:00 вы взглянули на часы и решили сделать перерыв и прогуляться по салону, чтобы поговорить с другом, сидящим на десять рядов впереди. В 12:15 вы вернулись на место, сели и вновь взяли в руки книгу. Здравый смысл подсказывает, что вы вернулись на то же место: то есть прошли те же десять рядов назад, а когда вернулись, ваша книга находилась там же, где вы ее оставили. А теперь давайте немного задумаемся над концепцией «то же самое место». Поскольку интуитивно понятно, что мы имеем в виду, говоря о некоем месте, все это может восприниматься как чрезмерный педантизм. Мы можем пригласить друга на бокал пива в бар, и бар никуда не переедет к тому времени, когда мы до него дойдем. Он будет на том же месте, где мы его оставили, вполне возможно, накануне вечером. В этой вводной главе многие вещи наверняка покажутся вам излишне педантичными, но все же продолжайте читать. Тщательное обдумывание этих на первый взгляд очевидных концепций проведет нас по стопам Аристотеля, Галилео Галилея, Исаака Ньютона и Эйнштейна.

Если вы ляжете вечером в постель и проспите восемь часов, то к моменту пробуждения переместитесь более чем на 800 тысяч километров

Так как же точно определить, что мы подразумеваем под «тем же самым местом»? Мы уже знаем, как сделать это на поверхности Земли. Земной шар покрыт воображаемыми линиями параллелей и меридианов, так что любое место на его поверхности можно описать двумя числами, представляющими собой координаты. Например, британский город Манчестер расположен в точке с координатами 53 градуса 30 минут северной широты и 2 градуса 15 минут западной долготы. Эти два числа говорят нам о том, где именно находится Манчестер, при условии согласования положения экватора и нулевого меридиана. Следовательно, положение любой точки как на поверхности Земли, так и за ее пределами можно зафиксировать с помощью воображаемой трехмерной сетки, распространяющейся от поверхности Земли вверх. На самом деле такая сетка может проходить и вниз, через центр Земли, и выходить на другой ее стороне. С ее помощью можно описать положение любой точки — на поверхности Земли, под землей или в воздухе. В действительности нам нет необходимости останавливаться на нашей планете. Сетку можно протянуть до Луны, Юпитера, Нептуна, за пределы Млечного Пути, вплоть до самого края наблюдаемой Вселенной. Такая большая, возможно, бесконечно большая сетка позволяет вычислить местоположение любого объекта во Вселенной, что, перефразируя Вуди Аллена, может очень пригодиться тому, кто не в состоянии вспомнить, куда что положил. Стало быть, эта сетка определяет область, где находится все сущее, своего рода гигантскую коробку, содержащую все объекты Вселенной. У нас даже может возникнуть соблазн назвать эту гигантскую область пространством.

Но вернемся к вопросу, что означает «одно и то же место», и к примеру с самолетом. Можно предположить, что в 12:00 и 12:15 вы находились в одной и той же точке пространства. Теперь представим, как выглядит последовательность событий с позиции человека, который наблюдает за самолетом с поверхности Земли. Если самолет пролетает над его головой со скоростью, скажем, около тысячи километров в час, то за период с 12:00 до 12:15 вы переместились, с его точки зрения, на 250 километров. Другими словами, в 12:00 и 12:15 вы находились в разных точках пространства. Так кто же прав? Кто двигался, а кто оставался на одном и том же месте?

Если вы не в состоянии ответить на этот будто бы простой вопрос, то вы оказались в хорошей компании. Аристотель, один из величайших мыслителей Древней Греции, был бы абсолютно неправ, поскольку однозначно бы заявил, что движется пассажир самолета. Аристотель считал, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг Земли, будучи закреплены на 55 концентрических прозрачных сферах, вложенных друг в друга, как матрешки. Таким образом, Аристотель разделял наше интуитивное представление о пространстве как некой области, в которой размещены Земля и небесные сферы. Для современного человека картина Вселенной, состоящей из Земли и вращающихся небесных сфер, выглядит совершенно нелепой. Но подумайте сами, к какому выводу вы могли прийти, если бы никто не сказал вам, что Земля вращается вокруг Солнца, а звезды представляют собой не что иное, как очень удаленные солнца, среди которых есть звезды в тысячи раз ярче ближайшей к нам звезды, хотя они и расположены в миллиардах километров от Земли? Безусловно, у нас не было бы ощущения, что Земля дрейфует в невообразимо огромной Вселенной. Наше современное мировоззрение сформировалось ценой больших усилий и зачастую противоречит здравому смыслу. Если бы картина мира, которую мы создавали на протяжении тысячелетий экспериментов и размышлений, была очевидной, то великие умы прошлого (такие как Аристотель) сами бы разгадали эту загадку. Стоит вспомнить об этом, когда какая-либо из описанных в книге концепций покажется вам слишком сложной. Величайшие умы прошлого согласились бы с вами.

стол Эйнштейна через несколько часов после его смерти

Чтобы найти изъян в ответе Аристотеля, давайте на минуту примем его картину мира и посмотрим, к чему это приведет. Согласно Аристотелю, мы должны заполнить пространство линиями воображаемой сетки, связанной с Землей, и определить с ее помощью, кто где находится и кто движется, а кто нет. Если представить себе пространство как заполненный объектами ящик, с Землей, зафиксированной в центре, то будет очевидно, что именно вы, пассажир самолета, меняете свое местоположение в ящике, тогда как наблюдающий за вашим полетом человек стоит не шевелясь на поверхности Земли, неподвижно висящей в пространстве. Другими словами, имеется абсолютное движение, а значит, и абсолютное пространство. Объект пребывает в абсолютном движении, если со временем меняет свое местоположение в пространстве, которое вычисляется с помощью воображаемой сетки, привязанной к центру Земли.

Безусловно, проблема такой картины в том, что Земля не покоится неподвижно в центре Вселенной, а представляет собой вращающийся шар, движущийся по орбите вокруг Солнца. Фактически Земля движется относительно Солнца со скоростью около 107 тысяч километров в час. Если вы ляжете вечером в постель и проспите восемь часов, то к моменту пробуждения переместитесь более чем на 800 тысяч километров. Вы даже вправе заявить, что примерно через 365 дней ваша спальня вновь окажется в той же точке пространства, так как Земля завершит полный оборот вокруг Солнца. Следовательно, вы можете решить лишь немного изменить картину Аристотеля, оставив нетронутым сам дух его учения. Почему бы просто не перенести центр координатной сетки на Солнце? Увы, эта достаточно простая мысль тоже неверна, поскольку Солнце также движется по орбите вокруг центра Млечного Пути. Млечный Путь — это наш локальный остров во Вселенной, состоящий из более чем 200 миллиардов звезд. Только представьте, насколько велика наша Галактика и сколько времени требуется, чтобы ее обойти. Солнце с Землей на буксире двигается по Млечному Пути со скоростью около 782 тысячи километров в час на расстоянии примерно в 250 квадриллионов километров от центра Галактики. При подобной скорости понадобится около 226 миллионов лет, чтобы совершить полный оборот. В таком случае, может, достаточно будет еще одного шага, чтобы сохранить картину мира Аристотеля? Разместим начало сетки в центре Млечного Пути и посмотрим, что же было в вашей спальне, когда место, в котором она находится, пребывало в этой точке пространства в прошлый раз. А в прошлый раз на этом месте динозавр ранним утром поглощал листья доисторических деревьев. Но и эта картина ошибочна. В действительности галактики «разбегаются», удаляясь друг от друга, и чем дальше от нас расположена галактика, тем быстрее она удаляется. Наше движение среди мириады галактик, образующих Вселенную, представить себе крайне трудно.

Наука приветствует неопределенность и признает, что это ключ к новым открытиям

Так что в картине мира Аристотеля наблюдается явная проблема, поскольку она не позволяет точно определить, что значит «оставаться в неподвижности». Другими словами, невозможно рассчитать, где нужно разместить центр воображаемой координатной сетки, а стало быть, и решить, что находится в движении, а что стоит на месте. Самому Аристотелю не приходилось сталкиваться с данной проблемой, потому что его картина неподвижной Земли, окруженной вращающимися сферами, не оспаривалась почти две тысячи лет. Наверное, это следовало сделать, но, как мы уже говорили, подобные вещи не всегда очевидны даже для величайших умов. Клавдий Птолемей, которого мы знаем как просто Птолемея, работал во II столетии в великой Александрийской библиотеке и внимательно изучал ночное небо. Ученого беспокоило на первый взгляд необычное движение пяти известных на то время планет, или «блуждающих звезд» (название, от которого произошло слово «планета»). Многомесячные наблюдения с Земли показывали, что планеты не движутся на фоне звезд по ровному пути, а выписывают странные петли. Это необычное движение, обозначаемое термином «ретроградное», было известно за много тысячелетий до Птолемея. Древние египтяне описывали Марс как планету, которая «движется назад». Птолемей был согласен с Аристотелем в том, что планеты вращаются вокруг неподвижной Земли, но, чтобы объяснить ретроградное движение, ему пришлось прикрепить планеты к эксцентричным вращающимся колесам, которые, в свою очередь, были прикреплены к вращающимся сферам. Такая весьма сложная, но далеко не элегантная модель позволяла объяснить движение планет по небу. Истинного объяснения ретроградного движения пришлось ждать до середины XVI века, когда Николай Коперник предложил более изящную (и более точную) версию, заключавшуюся в том, что Земля не покоится в центре Вселенной, а вращается вокруг Солнца вместе с остальными планетами. У работы Коперника нашлись серьезные противники, поэтому она была запрещена католической церковью, и запрет был снят только в 1835 году. Точные измерения Тихо Браге и работы Иоганна Кеплера, Галилео Галилея и Исаака Ньютона не только полностью подтвердили правоту Коперника, но и привели к созданию теории движения планет в виде законов Ньютона о движении и гравитации. Эти законы представляли собой лучшее описание движения «блуждающих звезд» и вообще всех объектов (от вращающихся галактик до артиллерийских снарядов) под воздействием гравитации. Такую картину мира не ставили под сомнение до 1915 года, когда была сформулирована общая теория относительности Эйнштейна.

Постоянно меняющееся представление о положении Земли, планет и их движении по небу должно послужить уроком для тех, кто абсолютно убежден в каком-то своем знании. Есть много теорий об окружающем мире, которые на первый взгляд кажутся самоочевидной истиной, и одна из них — о нашей неподвижности. Будущие наблюдения могут нас удивить и озадачить, что во многих случаях и происходит. Хотя мы не должны болезненно реагировать на то, что природа часто вступает в противоречие с интуитивными представлениями племени наблюдательных потомков приматов, представляющих собой углеродную форму жизни на небольшой каменной планете, вращающейся вокруг ничем не примечательной немолодой звезды на задворках Млечного Пути. Теории пространства и времени, которые мы обсуждаем в этой книге, на самом деле могут оказаться (и, скорее всего, окажутся) не более чем частными случаями пока еще не сформулированной более глубокой теории. Наука приветствует неопределенность и признает, что это ключ к новым открытиям.

Частная теория относительности | это… Что такое Частная теория относительности?

Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) (англ. special theory of relativity; ча́стная тео́рия относи́тельности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей образует общую теорию относительности.

Отклонения в протекании физических процессов, описываемые теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой, называют релятивистскими эффектами, скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями.

Содержание

1 Создание СТО
2 Постулаты Эйнштейна
3 Сущность СТО
- 3. 1 Четырёхмерный континуум — пространство-время
4 Отношения теории относительности с другими физическими понятиями
- 4.1 Гравитация
- 4.2 Классическая механика
- 4.3 Квантовая механика
5 Эффекты СТО
- 5.1 Замедление времени
- 5.2 Сокращение линейных размеров
- 5.3 О Релятивистской массе
6 Исторический очерк
7 Комментарии
8 Литература
- 8.1 Работы основоположников
- 8.2 Доп. литература
- 8.3 Разное
9 Ссылки
10 Примечания

Создание СТО

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Другим следствием развития электродинамики стал переход от ньютоновской концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействующие на расстоянии тела воздействуют друг на друга через пустоту, причём взаимодействие осуществляется с бесконечной скоростью, то есть «мгновенно» к концепции близкодействия, предложенной Майклом Фарадеем, в которой взаимодействие передаётся с помощью промежуточных агентов — полей, заполняющих пространство — и при этом встал вопрос о скоростях распространения как взаимодействий, переносимых полями, так и самих полей. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света.

Однако в связи с этим встал вопрос — относительно чего постоянна скорость света? В максвелловой электродинамике скорость распространения электромагнитных волн оказалась не зависящей от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя. Аналогичной оказалась и ситуация с магнитостатическими решениями, вытекающими из уравнений Максвелла: статические магнитные поля и силы Лоренца, действующие на движущиеся в магнитных полях заряды, зависят от скоростей зарядов по отношению к наблюдателю, то есть уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно принципа относительности и преобразований Галилея — что противоречило ньютоновской концепции абсолютного пространства классической механики.

Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна, см. ниже исторический очерк. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона, который дал результат измерения, неожиданный для классической физики своего времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка проинтерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений не только электромагнетизма, но и всей механики вообще, и привела к созданию релятивистских физических теорий.

Постулаты Эйнштейна

СТО полностью выводится на физическом уровне строгости из трёх постулатов (предположений):

Справедлив принцип относительности Эйнштейна — расширение принципа относительности Галилея.
Скорость света не зависит от скорости движения источника во всех инерциальных системах отсчёта.
Пространство и время однородны, пространство является изотропным.

Формулировка второго постулата может быть шире: «Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта», но для вывода СТО достаточно его исходной формулировки Эйнштейном, записанной выше. Приписывание постулатов Эйнштейну правомерно в той степени, что до его работы эти уже сформулированные отдельно друг от друга (в частности, А. Пуанкаре) утверждения в совокупности явным образом никем не рассматривались.

Иногда в постулаты СТО также добавляют условие синхронизации часов по А. Эйнштейну, но принципиального значения оно не имеет: при других условиях синхронизации лишь усложняется математическое описание экспериментальной ситуации без изменения предсказываемых и измеряемых эффектов (см. по этому поводу работы в списке литературы).

Тем не менее, опора на достижения экспериментальной физики позволяет утверждать, что в пределах своей области применимости — при пренебрежении эффектами гравитационного взаимодействия тел — СТО является справедливой с очень высокой степенью точности (до 10⁻¹² и выше) (см. список литературы). По меткому замечанию Л. Пэйджа, «в наш век электричества вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь уметь слушать».

Сущность СТО

Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта.

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела уже имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости.

Четырёхмерный континуум — пространство-время

С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно интерпретировать как результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Именно инвариантная структура этого пространства, задаваемая постулатами СТО, не меняется при переходах от одного условия синхронизации часов к другому, и гарантирует независимость результатов экспериментов от принятого условия.

Аналог расстояния между событиями в пространстве Минковского, называемый интервалом, при введении наиболее простых координат, аналогичных декартовым координатам трёхмерного пространства, даётся выражением

Обратите внимание: «квадрат расстояния» между двумя разными событиями может быть не только положительным, но и отрицательным и даже нулём. Именно незнакоопределённость метрики определяет свойства пространства-времени, делая его геометрию псевдоевклидовой (см. напр. световой конус).

Отношения теории относительности с другими физическими понятиями

Гравитация

Основная статья: Общая теория относительности

Для описания гравитации разработано особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Тем не менее, динамика даже в рамках СТО может включать гравитационное взаимодействие, пока потенциал гравитационного поля много меньше c².

Следует также заметить, что специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей Вселенной, требуя замены на ОТО.

Классическая механика

Теория относительности входит в существенное противоречие с некоторыми аспектами классической механики. Например, парадокс Эренфеста показывает несовместимость СТО с понятием абсолютно твёрдого тела. Надо отметить, что даже в классической физике предполагается, что механическое воздействие на твёрдое тело распространяется со скоростью звука, а отнюдь не с бесконечной (как должно быть в воображаемой абсолютно твёрдой среде).

Квантовая механика

Специальная теория относительности (в отличие от общей) полностью совместима с квантовой механикой. Их синтезом является квантовая теория поля. Более того, такое квантовомеханическое явление как спин без привлечения теории относительности не имеет разумного объяснения. Однако, обе теории вполне независимы друг от друга. Возможно построение как квантовой механики, основанной на нерелятивистском принципе относительности Галилея (см. уравнение Шрёдингера), так и теорий на основе СТО, полностью игнорирующих квантовые эффекты.

Развитие квантовой теории всё ещё продолжается, и многие физики считают, что будущая полная теория ответит на все вопросы, имеющие физический смысл, и даст в пределах как СТО в сочетании с квантовой теорией поля, так и ОТО. Скорее всего СТО ожидает такая же судьба, как и механику Ньютона — будут точно очерчены пределы её применимости. В то же время такая максимально общая теория пока является очень отдалённой перспективой.

Эффекты СТО

Пусть система отсчёта K‘ движется со скоростью V относительно системы отсчёта K₀, соответственно, штрихованные величины относятся к K‘, а величины с индексом 0 — к K₀. К наиболее распространённым эффектам СТО, также называемым релятивистскими эффектами, относят:

Замедление времени

Время в движущейся системе отсчёта течёт медленнее:

С этим эффектом связан так называемый парадокс близнецов.

Сокращение линейных размеров

Линейные размеры тел в движущейся системе отсчёта сокращаются:

, для длины.

, для объёма.

Такое сокращение размеров ещё называют лоренцевым сокращением.

О Релятивистской массе

Релятивистская масса движущегося объекта больше массы покоя:

Однако, в современной физической литературе по СТО m — масса частицы (инвариантная масса) не зависит от скорости, являясь инвариантом относительно преобразований Лоренца, и является величиной неаддитивной. В данной формуле речь идёт о так называемой «релятивистской массе», которая возрастает с увеличением скорости. «Утяжеление» следует понимать лишь условно. В современной физической литературе понятие «релятивистской массы» не используется, хотя встречается в ранних работах по теории относительности.

Подробнее смотри статью Окуня Л. Б. «Понятие массы» в УФН, 1989, Выпуск 7. стр.511-530. http://www.ufn.ru/ufn89/ufn89_7/Russian/r897f.pdf

Исторический очерк

В 1728 году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: все звёзды описывают на небосводе малые круги с периодом в один год. С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение (при движении Земли вокруг Солнца) по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд. Френель, однако, допускал, что внутри вещества эфир частично увлекается. Эта точка зрения, казалось, нашла подтверждение в опытах Физо, который обнаружил, что скорость света в воде зависит от направления её движения: вдоль течения скорость света больше, чем против течения.

Максвелл в 1868 году предложил схему решающего опыта, который после изобретения интерферометра смог осуществить в 1881 году американский физик Майкельсон. Позже Майкельсон и Эдуард Морли повторили опыт несколько раз с возрастающей точностью, но результат был неизменно отрицательным — «эфирного ветра» не существовало.

В 1892 году Лоренц и (независимо от него) Джордж Фитцджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Одновременно изучался вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор (1900) и Пуанкаре (1905), последний доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца.

Пуанкаре также дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. Тем не менее он продолжал признавать эфир, хотя придерживался мнения, что его никогда не удастся обнаружить — см. доклад Пуанкаре на физическом конгрессе, 1900 год^[1]. В этом же докладе Пуанкаре впервые высказывает мысль, что одновременность событий не абсолютна, а представляет собой условное соглашение («конвенцию»). Было высказано также предположение о предельности скорости света.

Под влиянием критики Пуанкаре Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории. В ней он предположил, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках. В 1905 году Пуанкаре далеко развил эти идеи в статье «О динамике электрона». Предварительный вариант статьи появился в 1895 году в Comptes Rendus, развёрнутый был закончен в июле 1905 года, опубликован в январе 1906 года, почему-то в малоизвестном итальянском математическом журнале.

В этой итоговой статье формулируется всеобщий принцип относительности с преобразованиями Лоренца для всех явлений (не только электромагнитных). Пуанкаре нашёл выражение для четырёхмерного интервала как инварианта преобразований Лоренца: r² + (ict)². Он даже предложил нечто вроде релятивистского обобщения теории гравитации; в его теории тяготение распространялось в эфире со скоростью света.

Таким образом, в начале XX века существовали две несовместимые кинематики: классическая, с преобразованиями Галилея, и электромагнитная, с преобразованиями Лоренца. Эйнштейн, размышляя на эти темы, предположил, что первая есть приближённый случай второй для малых скоростей, а то, что считалось свойствами эфира, есть на деле проявление объективных свойств пространства и времени.^[2] Эйнштейн пришёл к выводу, что нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения. В своей основополагающей статье «К электродинамике движущихся сред» (1905) он предложил два постулата: специальный принцип относительности и постоянство скорости света; из них без труда выводятся лоренцево сокращение, формулы преобразования Лоренца, относительность одновременности, ненужность эфира, новая формула суммирования скоростей, возрастание инерции со скоростью и т. д. В последующих работах появилась и формула E₀ = mc² — масса определяется энергией покоя.

Часть учёных сразу приняли СТО: Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику. Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО, в которой преобразования Лоренца вытекают из геометрии четырёхмерного псевдоевклидова пространства: в пространства Минковского лоренцевы преобразования являются преобразовании при поворотах координат.

Были, однако, и критики новых концепций. Они указывали на то, что теория относительности не предсказывает новых фактов, которые можно проверить экспериментально, и ничем не лучше теории Лоренца. Появились попытки найти в СТО внутренние противоречия. Концепцию эфира продолжали поддерживать Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж и другие известные физики. Сам Лоренц прекратил критику СТО только к концу жизни; свои разногласия с теорией относительности он сам сформулировал так:^[3]

Основная причина, по которой я не смог предложить теории относительности, заключается в том, что я придерживался представления, будто лишь переменная t может считаться истинным временем, а предложенное мной местное время t‘ должно рассматриваться только в качестве вспомогательной математической величины.

С 1911 года Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности (ОТО), включающую гравитацию, на основе принципа эквивалентности, которую завершил в 1916 году.

В 1930-е годы был проведен ряд экспериментов для проверки главного постулата СТО — постоянства скорости света. Некоторые измерения (Миллер и др.) поставили его под сомнение, однако точные эксперименты Мак-Кеннеди подтвердили этот факт.^[4] Постепенно накапливались опытные подтверждения СТО. На ней основаны квантовая теория поля, теория ускорителей, она учитывается при проектировании и работе (здесь оказались нужны даже поправки общей теории относительности) и др.

Ряд экспериментов по проверке эффектов СТО и ОТО был проведен в конце XX века; их результаты находятся в полном согласии с теорией. Тем не менее исследования с целью найти границы применимости теории относительности продолжаются.^[5]

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности, то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок.

О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки «опровергнуть СТО» обречены на провал потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена ньютонова механика, а также на дополнительный постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета. Все четыре не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных измерений: лучше 10 ^{− 12}, а в некоторых аспектах — до 10 ^{− 15}. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра — единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями.

Литература

Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
Паули В. Теория относительности. Изд. 2-е, испр. и доп. Перев. с нем. — М.: Наука, 1983. — 336 с.
Спасский Б. И.. История физики. Том 2, часть 2-я. М.: Высшая школа, 1977.
Эйнштейн А. Сущность теории относительности. — М.: Изд. ин. лит., 1955. — 157 с.
Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Современные теории 1900-1926. Пер с англ. Москва, Ижевск: ИКИ, 2004. 464с. ISBN 5-93972-304-7 (Глава 2)
Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900–1915). М.: Наука, 1981. — 352c.

Работы основоположников

Принцип относительности. Сб. работ по специальной теории относительности. М.: Атомиздат, 1973.
Г. А. Лоренц. Интерференционный опыт Майкельсона. Из книги «Versucheiner Theoriederelektrischenundoptischen Erscheinungeninbewegten Korpern. Leiden, 1895, параграфы 89…92.
А. Пуанкаре. Измерение времени. «Revuede Metaphysiqueetde Morale», 1898, t. 6, p. 1…13.
А. Пуанкаре. Оптические явления в движущихся телах. ElectriciteetOptique, G. CarreetC. Naud, Paris, 1901, p. 535…536.
А. Пуанкаре. О принципе относительности пространства и движения. Главы 5…7 из книги «Наука и гипотеза»(H. Poinrare. Scienceand Hypothesis. Paris, 1902.)
А. Пуанкаре. Настоящее и будущее математической физики. Доклад, напечатанный в журнале «Bulletindes Sciences Mathematiques», 1904, v. 28, ser. 2, p. 302.
Г. А. Лоренц. Электромагнитные явления в системе движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света. Proc Acad., Amsterdam, 1904, v 6, p. 809.
А. Эйнштейн. К электродинамике движущихся тел. Ann. d. Phys.,1905 (рукопись поступила 30 июня 1905 г.), b. 17, s. 89.
Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. Работы по теории относительности 1905-1920. М.: Наука, 1965.
А. Пуанкаре. О динамике электрона. Rendicontidel Circolo Matematicodi Palermo, 1906 (рукопись поступила 23 июля 1905 г.) v. XXI, p. 129 Однако, краткое сообщение о полученных результатах было сделано Пуанкаре 5 июня 1905 г. и под этой же датой напечатано в докладах Французской Академии наук. ^[6]

Доп. литература

Угаров В. А. Специальная теория относительности. 2-е изд. М.: Наука, 1977.
Тоннела М. А. Основы электромагнетизма и теории относительности. М.: ИЛ, 1962.
Толмен Р. Относительность, термодинамика и космология. М.: Наука, 1974.

Разное

Кузьмичёв В. Е. Законы и формулы физики/ Отв. ред. В. К. Тартаковский. — Киев: Наук. думка, 1989. — С.84-88. — ISBN 5120004938. Кузьмичёв В. Е. Законы и Формулы физики.
Селезнев Ю. А. Основы элементарной физики. Учебное пособие. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1974 г. — С.78 — 79. Сайт для высылки книги в электронном виде.
Физическая энциклопедия, т.2 — М.: Большая Российская Энциклопедия. Физическая энциклопедия.

Ссылки

Общая и специальная теория относительности на сайте «Мир математических уравнений» EqWorld
Раздел по СТО на сайте «Вся Физика».
www.relativity.ru — теория относительности на русском языке: грамотные статьи, вопросы-ответы, анимации.
Работы, описывающие структуру СТО и относительности синхронизации часов в ней: arxiv:gr-qc/0510024; arxiv:gr-qc/0510017; arxiv:gr-qc/0205039.
Статья о вкладе А. Пуанкаре в создание СТО: T. Damour: Poincare, Relativity, Billiards and Symmetry.

Примечания

↑ Пуанкаре Анри. О науке. М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983 г., с.524.
↑ Пуанкаре рассматривал свою математическую модель, формально совпадающую с эйнштейновской, как отражение не физической реальности, а субъективных (конвенциональных) понятий физиков; см. подробнее о различии их подходов в: Роль Пуанкаре в создании теории относительности.
↑ * Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989, стр. 161.
↑ См. Повторения опыта Майкельсона
↑ См., например, Эфир возвращается?
↑ А.А.Тяпкин «Об истории возникновения „теории относительности“»

Разделы физики
Экспериментальная физика \| Теоретическая физика
Механика \| Специальная теория относительности \| Общая теория относительности \| Космология \| Молекулярная физика \| Термодинамика \| Статистическая физика \| Физическая кинетика \| Электродинамика \| Оптика \| Акустика \| Физика плазмы \| Физика конденсированного состояния \| Атомная физика \| Квантовая физика \| Квантовая механика \| Квантовая теория поля \| Ядерная физика \| Физика элементарных частиц \| Теория колебаний \| Нелинейная динамика \| Метрология \| Астрофизика \| Геофизика \| Биофизика \| Радиофизика \| Материаловедение \| Физика атмосферы \| Химическая физика \| Физическая химия \| Математическая физика

Разделы физики

Экспериментальная физика | Теоретическая физика

Общая теория относительности Эйнштейна подвергается сомнению, но по-прежнему актуальна «пока», сообщает команда

Спустя более 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал свою культовую общую теорию относительности, она начинает давать сбои, говорит Андреа Гез, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. физики и астрономии. Теперь, когда Гез и ее исследовательская группа проводят самую полную проверку общей теории относительности возле чудовищной черной дыры в центре нашей галактики, сообщают в журнале Science 25 июля, что теория Эйнштейна подтверждается.

«Эйнштейн прав, по крайней мере, на данный момент», — сказал Гез, один из ведущих авторов исследования. «Мы можем абсолютно исключить закон всемирного тяготения Ньютона. Наши наблюдения согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна. Однако его теория определенно демонстрирует уязвимость. Она не может полностью объяснить гравитацию внутри черной дыры, и в какой-то момент нам нужно будет выйти за рамки теории Эйнштейна и перейти к более всеобъемлющей теории гравитации, объясняющей, что такое черная дыра».

Эйнштейна 1915 Общая теория относительности утверждает, что то, что мы воспринимаем как силу гравитации, возникает из-за искривления пространства и времени. Ученый предположил, что такие объекты, как Солнце и Земля, изменяют эту геометрию. Теория Эйнштейна — лучшее описание того, как работает гравитация, сказал Гез, чья команда астрономов под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе провела прямые измерения явления вблизи сверхмассивной черной дыры — исследование, которое Гез называет «экстремальной астрофизикой».

Андреа Гез: Чувство притяжения. Видео Джули Винокур

Законы физики, включая законы гравитации, должны действовать повсюду во Вселенной, сказала Гез, добавив, что ее исследовательская группа — одна из двух групп в мире, наблюдающих за звездой, известной как S0-2, совершающей полное вращается в трех измерениях вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Полный оборот занимает 16 лет, а масса черной дыры примерно в 4 миллиона раз превышает массу Солнца.

Исследователи говорят, что их работа является самым подробным исследованием сверхмассивной черной дыры и общей теории относительности Эйнштейна из когда-либо проводившихся.

Ключевыми данными в исследовании были спектры, которые команда Гез проанализировала в апреле, мае и сентябре, когда ее «любимая звезда» максимально приблизилась к огромной черной дыре. Спектры, которые Гез назвал «радугой света» от звезд, показывают интенсивность света и дают важную информацию о звезде, от которой исходит свет. Спектры также показывают состав звезды. Эти данные были объединены с измерениями, которые Гез и ее команда провели за последние 24 года.

Spectra — собрано в W.M. Обсерватория Кека на Гавайях с помощью спектрографа, созданного в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе командой под руководством коллеги Джеймса Ларкина, обеспечивает третье измерение, раскрывая движение звезды с недостижимым ранее уровнем точности. (Изображения звезды, сделанные исследователями в обсерватории Кека, обеспечивают два других измерения.) Инструмент Ларкина берет свет от звезды и рассеивает его, подобно тому, как капли дождя рассеивают солнечный свет, создавая радугу, сказал Гез.

«Что особенного в S0-2, так это то, что у нас есть его полная орбита в трех измерениях», — сказал Гез, заведующий кафедрой астрофизики Лорен Б. Лейхтман и Артур Э. Левайн. «Вот что дает нам входной билет в тесты общей теории относительности. Мы спросили, как ведет себя гравитация вблизи сверхмассивной черной дыры и дает ли теория Эйнштейна полную картину. Наблюдение за тем, как звезды проходят свою полную орбиту, дает первую возможность проверить фундаментальную физику, используя движения этих звезд».

Анимация Зины Дерецкой/Национального научного фонда. «В ньютоновской версии гравитации пространство и время разделены и не смешиваются; при Эйнштейне они полностью смешиваются возле черной дыры», — сказала она.

«Для измерения такой фундаментальной важности потребовались годы терпеливых наблюдений, что стало возможным благодаря современным технологиям», — сказал Ричард Грин, директор отдела астрономических наук Национального научного фонда. На протяжении более двух десятилетий подразделение поддерживало Ghez, а также несколько технических элементов, критически важных для открытия исследовательской группы. «Благодаря своим неустанным усилиям Гез и ее сотрудники добились важного подтверждения идеи Эйнштейна о сильной гравитации».

Директор обсерватории Кека Хилтон Льюис назвал Гез «одним из наших самых страстных и упорных пользователей Кека». «Ее последнее новаторское исследование, — сказал он, — является кульминацией непоколебимой приверженности последних двух десятилетий раскрытию тайн сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь».

Исследователи изучали фотоны — частицы света — во время их путешествия с S0-2 на Землю. S0-2 движется вокруг черной дыры с молниеносной скоростью более 16 миллионов миль в час при максимальном сближении. Эйнштейн сообщил, что в этой области вблизи черной дыры фотонам приходится выполнять дополнительную работу. Их длина волны, когда они покидают звезду, зависит не только от того, насколько быстро движется звезда, но и от того, сколько энергии фотоны тратят, чтобы покинуть мощное гравитационное поле черной дыры. Вблизи черной дыры гравитация гораздо сильнее, чем на Земле.

Свет из центра галактики

Запечатлейте орбиту звезды с помощью этой красочной интерактивной веб-визуализации.

Гез получила возможность представить частичные данные прошлым летом, но решила не делать этого, чтобы ее команда могла сначала тщательно проанализировать данные. «Мы изучаем, как работает гравитация. Это одна из четырех фундаментальных сил, которую мы меньше всего проверяли», — сказала она. «Есть много регионов, где мы просто не спрашивали, как здесь работает гравитация? Легко быть самонадеянным, и есть много способов неправильно интерпретировать данные, много способов, которыми небольшие ошибки могут накапливаться в серьезные ошибки, поэтому мы не торопились с нашим анализом».

Гез, получивший в 2008 году стипендию Макартура «Гений», изучает более 3000 звезд, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры. Сотни из них молодые, сказала она, в регионе, где астрономы не ожидали их увидеть.

Фотонам из S0-2 требуется 26 000 лет, чтобы достичь Земли. «Мы так взволнованы и годами готовились к этим измерениям», — сказал Гез, который руководит группой Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Для нас это интуитивно, это сейчас — но на самом деле это произошло 26 000 лет назад!»

Это первый из многих тестов общей теории относительности, которые исследовательская группа Гез проведет на звездах вблизи сверхмассивной черной дыры. Среди звезд, которые ее больше всего интересуют, есть S0-102, у которой самая короткая орбита: полный оборот вокруг черной дыры занимает 11 1/2 лет. Большинство звезд, которые изучает Гез, имеют орбиты, намного превышающие продолжительность жизни человека.

Команда Гез проводила измерения примерно каждые четыре ночи в критические периоды 2018 года с помощью обсерватории Кека, которая находится на вершине спящего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях и содержит один из крупнейших и лучших в мире оптических и инфракрасных телескопов. Измерения также проводятся с помощью оптико-инфракрасного телескопа в обсерватории Джемини и телескопа Субару, также на Гавайях. Она и ее команда использовали эти телескопы как на месте на Гавайях, так и удаленно из комнаты наблюдения на факультете физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Плотность черных дыр настолько высока, что ничто не может избежать их гравитационного притяжения, даже свет. (Их нельзя увидеть напрямую, но их влияние на близлежащие звезды видно и дает сигнатуру. Как только что-то пересекает «горизонт событий» черной дыры, оно не сможет убежать. Однако звезда S0-2 все еще довольно далеко от горизонта событий, даже при самом близком приближении, поэтому его фотоны не втягиваются.)

Итан Твиди

Лазеры двух телескопов Кека направлены в направлении центра нашей галактики. Каждый лазер создает «искусственную звезду», которую астрономы могут использовать для коррекции размытия, вызванного атмосферой Земли.

Среди соавторов Гез Туан До, ведущий автор научной статьи, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и заместитель директора группы Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Орельен Хис, бывший докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ныне научный сотрудник Парижской обсерватории; Марк Моррис, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Эрик Беклин, почетный профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Смадар Наоз, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Джессика Лу, бывшая аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ныне доцент кафедры астрономии Калифорнийского университета в Беркли; аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Девин Чу; Грег Мартинес, ученый проекта Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Шоко Сакаи, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Сёго Нишияма, доцент Японского педагогического университета Мияги; и Райнер Шедель, исследователь испанского Института астрофизики Андалусии.

Национальный научный фонд финансировал исследования Гез в течение последних 25 лет. Совсем недавно ее исследование было поддержано W.M. Фонд Кека, Фонд Гордона и Бетти Мур и Фонд Хейзинга-Саймонса; а также Лорен Лейхтман и Артур Левин, а также Ховард и Астрид Престон.

В 1998 году Гез ответил на один из самых важных вопросов астрономии, помогая показать, что в центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра. Этот вопрос был предметом многочисленных споров среди астрономов более четверти века.

Мощная технология, которую Гез помог разработать, называется адаптивной оптикой и корректирует искажающие эффекты атмосферы Земли в режиме реального времени. С помощью адаптивной оптики в обсерватории Кека Гез и ее коллеги открыли много сюрпризов в отношении среды, окружающей сверхмассивные черные дыры. Например, они обнаружили молодые звезды там, где их не ожидали увидеть, и отсутствие старых звезд там, где ожидалось их появление. По словам Гез, неясно, молод ли S0-2 или просто маскируется под молодую звезду.

В 2000 году она и ее коллеги сообщили, что астрономы впервые увидели ускорение звезд вокруг сверхмассивной черной дыры. В 2003 году Гез сообщил, что аргументы в пользу черной дыры Млечного Пути были существенно усилены и что все предложенные альтернативы могут быть исключены.

В 2005 году Гез и ее коллеги сделали первый четкий снимок центра Млечного Пути, включая область, окружающую черную дыру, в обсерватории Кека. А в 2017 году исследовательская группа Гез сообщила, что у S0-2 нет звезды-компаньона, решив еще одну загадку.

Первая жена Эйнштейна помогала ему в работе? Это сложно

Кем была настоящая Милева Эйнштейн-Марик, жена знаменитого физика Альберта Эйнштейна? Обучаясь физике и математике вместе с Эйнштейном, какую роль она сыграла, если вообще сыграла, в знаменитых работах своего мужа, изменивших современную физику? Была ли она невоспетым участником или даже соавтором, рупором, главной скрипкой, прославленной помощницей, непрославленной домохозяйкой, тем, кто сделал все это возможным?

Какая разница? Это, конечно, важно, потому что работа Эйнштейна и его теории относительности, квантовой теории и теории атома легли в основу современной физики. Без истинной истории того, что произошло на самом деле — как возникли эти фундаментальные теории, — мы не можем полностью понять их историческое значение. Более того, мы не можем воздать должное этим достижениям, особенно когда мы признаем, как часто вклад женщин-ученых, особенно научных жен и партнеров знаменитых ученых-мужчин, игнорируется, забывается и даже подавляется.

Многое было написано за последние десятилетия в поддержку одной или нескольких из вышеперечисленных точек зрения на Милеву Эйнштейн-Марик, часто с пылкой уверенностью.

Общеизвестно, что всемирно известный ученый Альберт Эйнштейн, признанный журналом TIME «человеком века», был женат. Но до 1990-х мало кто знал, что у него две жены, первая из которых по образованию математик и физик. Вторая ненаучная жена Эйнштейна, Эльза, действительно стала широко известна, особенно в Соединенных Штатах, когда она сопровождала своего мужа во время нескольких получивших широкую огласку визитов в течение 19-го века.20-х годов, затем поселилась с ним в Принстоне в 1933 году (умерла через три года). Они поженились в 1919 году, в том же году, когда первое публичное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна, одного из величайших достижений 20-го века, принесло ему всемирную известность.

Но именно его первая жена, Милева Эйнштейн-Марич (приблизительно произносится как Мар-итч ), сопровождала и поддерживала его интеллектуально и эмоционально на протяжении трудных первых лет его восхождения от начинающего студента-физика в 189 году.6 к вершине своей профессии к 1914 году. Мало что было известно о ней или его детях с ней — и мало было интереса к выяснению — до тех пор, пока обнаружение в 1986 году ее переписки с Эйнштейном не привлекло внимание широкой общественности к Милеве Эйнштейн-Марич. Письма находились во владении первого сына Эйнштейнов, Ганса Альберта Эйнштейна, и его семьи в Беркли, Калифорния. в науке, как показало наблюдение за одной женщиной, пытающейся реализовать свои мечты о научной карьере, и изучение научного и личного партнерства супружеской пары, которое, к сожалению, не увенчалось успехом.

Широкое общественное признание захватывающей истории жены Эйнштейна Милевы Эйнштейн-Марик появилось в годы, последовавшие за публикацией первого тома Сборник статей Альберта Эйнштейна в 1987 году. 1879–1902 , задокументировал юность, образование и начало карьеры молодого Эйнштейна. Особый интерес в томе представляла первая публикация 51 из недавно обнаруженных писем Эйнштейна-Марика, находившихся во владении семьи Ганса Альберта. Последующие письма появились в более поздних томах.

Исправьте свою историю в одном месте: подпишитесь на еженедельный информационный бюллетень TIME History

Этот первый том Эйнштейна Сборник статей также привлек внимание общественности к ранее малоизвестной, но впоследствии очень влиятельной биографии Милевы Эйнштейн. Марич сербского профессора науки Десанки Трбухович-Гьюрич, Im Schatten Albert Einsteins: Das tragische Leben der Mileva Einstein-Maric (В тени Альберта Эйнштейна: Трагическая жизнь Милевы Эйнштейн-Марич). Первоначально опубликовано на сербском языке в 1969, он прошел два немецких издания и четыре издания, а также один французский перевод с 1982 по 1995 год, но никогда не публиковался в английском переводе. Тем не менее, ее биография (через своих посредников) помогла больше, чем любая другая работа, сформировать доминирующую публичную историю Милевы Эйнштейн-Марич и ее личных и научных отношений с Альбертом Эйнштейном.

Прослеживая историю жизни Милевы Эйнштейн-Марич, Трбухович-Гьюрич утверждала, часто без ссылки на источник или веских доказательств, что Марич была блестящим математиком, превзошедшим Эйнштейна в математике, если не в физике. Более того, благодаря профессиональному сотрудничеству с Эйнштейном Марич якобы была непризнанным соавтором знаменитой работы своего мужа по теории относительности от 1905. Если это правда, такие утверждения означают, что еще раз, как это часто бывает в прошлом (и настоящем), вклад, сделанный женой великого человека, был печально проигнорирован общественностью, забыт историей и, по-видимому, даже подавлен. ее мужем.

18 февраля 1990 г., почти через три года после публикации первого тома сборника статей Эйнштейна , состоялась сессия «Молодой Эйнштейн» во время ежегодного собрания Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS). в Новом Орлеане привлекла внимание широкой общественности к Милеве Эйнштейн-Марик и ее браку с Эйнштейном. Большинство выступавших на сессии AAAS представили научные переоценки ранней биографии Эйнштейна, его культурной среды и философии. Но двое спикеров, оба из которых ранее не занимались исследованиями Эйнштейна, ухватились за возможность создать полномасштабную интерпретацию Марич и ее научных отношений с Эйнштейном для англоязычной аудитории.

Основываясь на письмах Трбуховича-Гьюрича и Эйнштейна-Марича для своих отдельных статей, они убедительно аргументировали поразительный вывод о том, что Милева Эйнштейн-Марич внесла существенный вклад в ранние работы Эйнштейна.

Опрометчивые и неожиданные утверждения о Милеве Эйнштейн-Марич и ее муже вызвали огромный интерес общественности и средств массовой информации, а также излияние книг и статей о явной несправедливости, от которой пострадала «первая жена Эйнштейна». Она казалась самым выдающимся и самым вопиющим примером того, как история забыла, даже преднамеренно, вклад женщин-женщин-ученых, супругов и партнеров, в великие достижения ученых-мужчин. Таким образом, ранняя история современной физики требовала немедленной корректировки. Многие из получившихся в результате популярных произведений беспрекословно повторяли и даже приукрашивали утверждения своих предшественников, в некоторых случаях явно не принимая во внимание общепринятые стандарты документальной литературы. Спустя годы то, что можно было бы назвать «Историей Милевы», появилось и стало достоянием общественности как общепринятое описание непризнанного сотрудничества Милевы Эйнштейн-Марич с ее бывшим мужем и ее вклада в его работу. Но в то же время при ближайшем рассмотрении исследователи Эйнштейна в целом отвергли большую часть этой истории на основании имеющихся документальных свидетельств. Как писал историк физики Альберто Мартинес: «Я хочу, чтобы она была тайным соавтором. Но мы должны отбросить наши спекулятивные предпочтения и вместо этого взглянуть на доказательства».

Возражения историков против истории Милевы находят все большую поддержку с 1990 года благодаря обилию новых документальных материалов и информации о Марич, Эйнштейне и их отношениях. Ввиду растущего количества первичных и вторичных материалов представляется уместным в настоящее время, спустя почти три десятилетия после обнародования истории Милевы, переоценить многие элементы столь важного исторического утверждения на основе всех имеющихся свидетельств. новый и старый.

Этот подход показывает, как далеко можно зайти не так, если не соблюдаются стандарты написания исторической и научно-популярной литературы. Но что еще более важно, он раскрывает очень человечную, реальную историю склонной к ошибкам, но смелой и решительной молодой женщины, которая по разным причинам не смогла осуществить свои мечты о карьере и замужестве, на которые она надеялась. Эта более реалистичная и убедительная история Милевы Марич приносит ей гораздо большую пользу — и способствует признанию читателями ее международной новаторской роли в содействии открытию науки и естественнонаучного образования для студенток, — чем любые преувеличенные или необоснованные утверждения о ее деятельности.

, адаптированная с Жена Эйнштейна: реальная история о Милева Эйнштейн-Марич B Y Allen Esterson и David C. Cassidy

9 и David C. Cassidy

9 9 и David C. Cassidy

9 9 и . , Массачусетский технологический институт.

Свяжитесь с нами по телефону по адресу [email protected].

Относительность

Относительность

Относительность :

Чтения:
Шнайдер и Арни: Отряд 53

Теория относительности Эйнштейна имеет дело с ньютоновской физикой, когда энергии или
скорости близки к скорости света. Относительность обычно рассматривается как
современная физика, так как она была разработана в начале 20-го века и
могут быть проверены только в области, доступной ученым с помощью высоких технологий.
Однако теория относительности прежде всего завершает ту революцию, которую начал Ньютон.
также в высшей степени детерминистична, как и большая часть классической физики.

С целостной точки зрения
В теории относительности такие понятия, как длина, масса и время, приобретают гораздо большее значение.
более туманный аспект, чем в кажущейся жесткой реальности нашего
повседневный мир. Однако то, что относительность отнимает одной рукой, она
отдает в виде новых и действительно фундаментальных констант и
концепции.

Теория относительности
традиционно разбивается на две части: специальную и общую теорию относительности. Специальный
теория относительности обеспечивает основу для перевода физических явлений и законов в
формы, подходящие для любой инерциальной системы отсчета. Общая теория относительности
решает проблему ускоренного движения и гравитации.

Специальная теория относительности :

К концу 1800-х годов стало очевидно, что существуют серьезные
проблемы ньютоновской физики, касающиеся необходимости абсолютного пространства и
время, когда речь идет о событиях или взаимодействиях (системы отсчета). В
В частности, вновь сформулированная теория электромагнитных волн потребовала
что распространение света происходит в среде (волны должны быть волнами на чем-то).

В ньютоновской Вселенной не должно быть разницы ни в пространстве, ни во времени.
независимо от того, где вы находитесь или как быстро вы двигаетесь. Во всех местах а
метр это метр, а секунда это секунда. И вы должны быть в состоянии
двигайтесь так быстро, как хотите, с достаточным ускорением (т. е. силой).

В 1890-х годах два физика (Майкельсон и Морли) пытались
измерить скорость Земли вокруг Солнца относительно ньютоновской
Абсолютное пространство и время. Это также позволит проверить, как распространяются световые волны.
так как все волны должны проходить через среду. Для света эта гипотетическая среда была
называется эфиром.

Результаты теста Майкельсона-Морли.
Эксперимент состоял в том, что скорость света была постоянной независимо от
как эксперимент был наклонен по отношению к движению Земли. Этот
подразумевал, что не было эфира и, следовательно, абсолютного пространства. Таким образом,
объекты или системы координат, движущиеся с постоянной скоростью (называемой
инерциальные системы отсчета) относились только к себе.

В ньютоновской механике такие величины, как скорость и расстояние, могут быть
трансформируется из одной системы отсчета в другую при условии, что
кадры находятся в равномерном движении (т.е. не ускоряются).

Рассмотрение результатов эксперимента Майкельсона-Морли привело Эйнштейна к
развивать теорию
специальная теория относительности. Ключевая предпосылка специальной теории относительности состоит в том, что
скорость света (называемая c = 186 000 миль в секунду) постоянна в
все системы отсчета, независимо от их движения. Что это значит может
лучше всего демонстрируется следующим сценарием:

Это устраняет парадокс по отношению к ньютоновской физике и
электромагнетизм того, как «выглядит» световой луч, когда наблюдатель
движется со скоростью света. Решение состоит в том, что только безмассовое
фотоны могут двигаться со скоростью света, и эта материя должна оставаться ниже
скорость света независимо от того, какое ускорение приложено.

В специальной теории относительности существует естественный верхний предел скорости.
скорость света. И скорость света одинакова во всех направлениях с
отношение к любому кадру. Удивительный результат ограничения скорости света
что часы могут идти с разной скоростью, просто когда они движутся
разные скорости.

Это означает, что время (и пространство) различаются для систем отсчета, движущихся со скоростью
с разной скоростью относительно друг друга. Изменение во времени есть
называется замедлением времени, когда кадры, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, имеют
медленные часы.

Точно так же пространство укорачивается в высокоскоростных кадрах, что называется
Лоренцево сокращение.

Пространство-время
Лаборатория

Замедление времени приводит к знаменитому парадоксу близнецов, который не является
парадокс, а скорее простой факт специальной теории относительности. Поскольку часы идут
медленнее в системах отсчета при высокой скорости, то можно представить себе
сценарий был возрастом близнецов с разной скоростью, когда они были разлучены при рождении из-за
путешествие к звездам.

Важно отметить, что все предсказания спец.
относительность, сокращение длины, замедление времени и двойник
парадокс, были подтверждены прямыми экспериментами, в основном с использованием
субатомных частиц в ускорителях высоких энергий. Эффекты
относительности драматичны, но только когда скорости приближаются к
скорость света. При нормальной скорости изменения часов и
линейки слишком малы, чтобы их можно было измерить. Однако, близкое к крайнему
объекты, такие как относительность черных дыр и нейтронных звезд
доминирует над ньютоновской физикой.

Специальная теория относительности описывает изменения размеров и времени через
использование преобразований Лоренца. Для события, которое длится
t _o секунд в вашем кадре, одно и то же событие будет
кажутся последними t в кадре, который движется со скоростью
v such that:

t _o = t /(1-( v / c ) ² ) ^1/2

где c — скорость света.

Пространство-время :

Специальная теория относительности показала, что существует связь между пространственными
координаты и временные координаты. Что мы больше не можем ссылаться, где
без какой-либо ссылки на то, когда. Хотя время остается физически отличным от
пространство, время и трехмерные пространственные координаты так тесно связаны
вместе в их свойствах, что имеет смысл описывать их только совместно
как четырехмерный континуум.

Эйнштейн ввел новую концепцию, согласно которой существует неотъемлемая связь между
Геометрия Вселенной и ее временные свойства. Результат — четверка
пространственный (три пространства, один временной) континуум, называемый пространством-временем, который лучше всего
продемонстрировано с помощью диаграмм Минковского и мировых линий.

Пространство-время имеет смысл из специальной теории относительности, поскольку было показано, что
пространственные координаты (лоренцево сокращение) и временные координаты (время
расширение) различаются между системами отсчета. Обратите внимание, что под пространством-временем время
не «происходит» в восприятии людей, а все время существует,
растянутый, как пространство во всей своей полноте. Время просто «там».

Массово-энергетический эквивалент :

Поскольку специальная теория относительности показывает, что пространство и время являются переменными понятиями из разных
системы отсчета,
тогда скорость (которая представляет собой пространство, деленное на время) также становится переменной. Если
скорость изменяется от системы отсчета к системе отсчета, а затем понятия, которые включают
скорость тоже должна быть относительной. Одним из таких понятий является импульс, энергия движения.

Импульс, согласно определению Ньютона, не может сохраняться от кадра к кадру при
специальная теория относительности. Пришлось определить новый параметр, названный релятивистским.
импульс, который сохраняется, но только если масса объекта добавляется к
уравнение импульса.

Это оказывает большое влияние на классическую физику, поскольку означает, что существует эквивалентность
между массой и энергией, резюмируемой знаменитым уравнением Эйнштейна:

Последствия этого не осознавались в течение многих лет. Например,
было показано, что производство энергии в ядерных реакциях (т.е. делении и синтезе)
превращение небольшого количества атомной массы в энергию. Это привело к
развитие ядерной энергетики и оружия.

Когда объект разгоняется до скорости, близкой к скорости света, начинаются релятивистские эффекты.
доминировать. В частности, добавление большего количества энергии к объекту не заставит его двигаться.
быстрее, так как скорость света является пределом. Энергия должна куда-то деваться, поэтому она
добавляется к массе объекта, если смотреть из остальной системы отсчета. Таким образом, мы говорим
что наблюдаемая масса объекта поднимается с повышенной скоростью. Итак,
космический корабль, казалось бы, набирает массу города, затем планеты, чем звезды, поскольку
его скорость увеличилась.

Точно так же эквивалентность массы и энергии позволила Эйнштейну предсказать, что
фотон имеет импульс, хотя его масса равна нулю. Это позволяет развивать
световые паруса и фотоэлектрические детекторы.

Пространство-время и энергия :

Специальная теория относительности и E=mc ² привели к
мощнейшее объединение физических понятий со времен Ньютона.
Были связаны прежде отдельные представления о пространстве, времени, энергии и массе.
специальной теорией относительности, хотя и без ясного понимания того, как они
были связаны.

Вопрос о том, как и почему, остался в сфере того, что называется общим
относительность, полная теория гравитации, использующая геометрию пространства-времени.
Происхождение общей теории относительности лежит в попытке Эйнштейна применить
специальная теория относительности в ускоренных системах отсчета. Помните, что
выводы теории относительности были основаны для инерциальных систем отсчета, т. е.
двигаться только с постоянной скоростью. Добавление ускорения было усложнением
на формулировку которой у Эйнштейна ушло 10 лет.

Принцип эквивалентности :

Эквивалентность
Принципом было эйнштейновское понимание гравитации как «яблока Ньютона». Его
мысленный эксперимент состоял в следующем: представьте себе два лифта, один в
Поверхность Земли, ускоряющаяся в космосе. Наблюдателю внутри лифта
(без окон) нет физического эксперимента, который он мог бы провести, чтобы
различать два сценария.

Непосредственным следствием принципа эквивалентности является то, что гравитация искривляет свет. К
визуализируйте, почему это так, представьте фотон, пересекающий лифт
разгоняется в космос. Когда фотон пересекает лифт, пол
ускоряется вверх, и кажется, что фотон падает вниз. То же самое должно
в гравитационном поле по принципу эквивалентности.

Принцип эквивалентности делает гравитационное поле принципиально
отличается от всех других силовых полей, встречающихся в природе. Новый
теория гравитации, общая теория относительности, принимает это
характеристика гравитационного поля как его основы.

Общая теория относительности :

Вторая часть теории относительности – это общая теория относительности.
и основывается на двух эмпирических выводах, которые он возвел в ранг основных
постулаты. Первый постулат — это принцип относительности: локальная физика
руководствуется специальной теорией относительности. Второй постулат –
Принцип эквивалентности: наблюдатель не может различить локально
между гравитацией и ускорением.

Эйнштейн обнаружил, что существует связь между массой,
гравитация и пространство-время. Масса искажает пространство-время, заставляя его искривляться.

Гравитацию можно описать как движение, вызванное искривленным пространством-временем.

Таким образом, основной результат общей теории относительности состоит в том, что гравитация является чисто
геометрическое следствие свойств пространства-времени. Специальная теория относительности
разрушил представление классической физики об абсолютном пространстве и времени, общую теорию относительности
опровергает идею о том, что пространство-время описывается евклидовой или плоской геометрией.
В этом смысле общая теория относительности — это теория поля, связывающая закон Ньютона с
гравитации к полевой природе пространства-времени, которое может быть искривлено.

Гравитация в общей теории относительности описывается в терминах искривленного пространства-времени.
Идея о том, что пространство-время искажается движением, как в специальной теории относительности,
распространяется на гравитацию по принципу эквивалентности. Гравитация исходит из материи,
поэтому присутствие материи вызывает искажения или искривления пространства-времени. Иметь значение
говорит пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит материи, как двигаться (по орбитам).

Было два классических теста общей теории относительности, первый заключался в том, что свет
следует отклонить, пройдя близко
к массивному телу. Первая возможность появилась во время полного затмения
Солнца в 1919.

Измерения положения звезд вблизи затемненного края Солнца доказали
Эйнштейн был прав. Прямое подтверждение гравитационного
линзирование было получено космическим телескопом Хаббла в прошлом году.

Второй тест состоит в том, что общая теория относительности предсказывает замедление времени в
гравитационное поле, так что по отношению к кому-то вне поля,
часы (или атомарные процессы) идут медленно. Это было подтверждено атомной
часы летающих самолетов в середине 1970-х годов.

Общая теория относительности построена таким образом, что ее результаты
примерно такие же, как и в теориях Ньютона, пока скорости
всех тел, взаимодействующих друг с другом гравитационно, малы по сравнению
со скоростью света, т. е. до тех пор, пока задействованные гравитационные поля
слабый. Последнее требование можно грубо сформулировать в терминах скорости убегания. А
гравитационное поле считается сильным, если скорость убегания приближается к
скорость света, слабая, если она намного меньше.

«Теория относительности простыми словами?» — Яндекс Кью

почему E=mc2 или как Эйнштейн пришел к теории относительности — T&P

Частная теория относительности | это… Что такое Частная теория относительности?

Содержание

Создание СТО

Постулаты Эйнштейна

Сущность СТО

Четырёхмерный континуум — пространство-время

Отношения теории относительности с другими физическими понятиями

Гравитация

Классическая механика

Квантовая механика

Эффекты СТО

Замедление времени

Сокращение линейных размеров

О Релятивистской массе

Исторический очерк

Комментарии

Литература

Работы основоположников

Доп. литература

Разное

Ссылки

Примечания

Общая теория относительности Эйнштейна подвергается сомнению, но по-прежнему актуальна «пока», сообщает команда

Свет из центра галактики

Первая жена Эйнштейна помогала ему в работе? Это сложно

Относительность