Теория относительности кто открыл: Теория относительности • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Второй отец Эйнштейна // Jewish.Ru — Глобальный еврейский онлайн центр

Он учил Эйнштейна – и считал его лентяем. Но легко отдал ему теорию относительности – к тому моменту Герман Минковский открыл уже много чего другого.

«Тот еще лентяй!» – сказал как-то Герман Минковский о своем ученике Альберте Эйнштейне. Последний, впрочем, никогда этого не отрицал. Вспоминая о годах учебы в Цюрихском университете, сейчас это Швейцарская высшая техническая школа, он признавал: «В студенческие годы я плохо понимал, что куда более основательное понимание базовых принципов физики напрямую связано с самыми изощренными методами в математике».

Минковский как раз преподавал математику и геометрию – и ему стоило больших трудов заманить одаренного студента в свою аудиторию: Эйнштейн вел в Цюрихе «исключительно богемный» образ жизни и не интересовался ничем, кроме полюбившейся ему физики. Но даже когда они оба почти одновременно опубликовали работы о пространстве и времени, ставшие основой теории относительности, Минковский не покушался на авторитет своего ученика: забыл его университетские прогулы и восхвалял на всех ученых собраниях.

Герман Минковский родился в 1864 году в Августовской губернии – тогда это была территория Российской империи, а позже она стала польской. Его отец Левин Минковский видел смысл жизни в двух занятиях. Он торговал и строил синагогу. Преуспевающий купец первой гильдии годами делал пожертвования на возведение хоральной синагоги в Ковно – ныне литовский Каунас. Ради этого проекта Минковский-старший перевез в город семью и перевел в Ковно все торговые дела. Он выкупил участок земли, нашел архитекторов, согласовал проект в стиле модного тогда необарокко – и контролировал строительство здания едва ли не на каждом этапе. Следует сказать, что синагога в Каунасе, построенная на деньги Левина Минковского, существует и сегодня – несмотря на повреждения от снарядов Второй мировой войны и расистский инцидент 2011 года, когда неизвестные оклеили стены плакатами с призывами к евреям «убираться вон».

Строительство синагоги завершили в 1872 году. После этого Левин Минковский сразу же потерял интерес к городу и перевез семью в Кенигсберг – ныне Калининград. К тому времени у него на руках были уже пятеро детей – Герман был его третьим сыном. Но не дети занимали купца первой гильдии. После переезда он открыл в себе новую страсть – к механике. И уже вскоре запатентовал механизм, приводящий в действие оловянные игрушки. Шагающими игрушками были полны лавка отца и дом, вспоминал Герман Минковский. Отец уверовал в механику, как в чудо – и это не в последнюю очередь определило судьбу его детей.

Вслед за старшими братьями Германа отдали в престижную Альтштадскую гимназию. Занятия математикой и физикой – ведь именно их законы приводили в действие механические игрушки – всячески поощрялись в доме купца Минковского. Очень скоро оказалось, что у Германа призвание к точным наукам. А вместе с ним ему досталось и качество, которое сегодня назвали бы талантом шоумена – им он будет пользоваться в разные годы, презентуя свои доклады так, что у слушателей открывались рты.

В 1879-м Герман поступил в университет Кенигсберга, а затем уехал учиться в Берлин. Там в 1881-м студент Минковский впервые заставил заговорить о себе ученый мир. Он послал статью на конкурс Парижской Академии наук. В то время конкурс был, вероятно, самым серьезным смотром научных достижений – сопоставимым с современной Нобелевкой. В архиве академии есть протоколы заседаний с 1666 года, а полюбоваться на «ученых» некогда приходил со своей свитой сам Людовик XIV. Статья 17-летнего Минковского касалась теории квадратичных форм – одной из функций в структуре векторного пространства. По правилам академии, на конкурс принимали только работы, написанные по-французски. Но Минковский то ли не знал об этом требовании, то ли сознательно проигнорировал его. Его статья была написана на немецком – и она все равно прошла отбор, вызвала переполох, а в 1883-м получила Гран-при академии.

Позже Минковский развил доклад о квадратичных формах и получил за него докторскую степень. Он стал преподавать в университетах Бонна и Кенигсберга, а в 1896-м получил приглашение занять профессорскую кафедру в Цюрихе. Именно здесь и состоялось его знакомство с «лентяем-студентом» Альбертом Эйнштейном. Коллега Минковского профессор Жан Перне пребывал в ярости из-за халатного отношения Эйнштейна к ряду предметов. «Тот неизменно “залипал” на чисто теоретическом уровне исследований и почти не интересовался практическими экспериментами, – писал Дэниэл Смит в книге “Думай как Эйнштейн”. – Перне накатал в ректорат докладную с требованием объявить “лоботрясу” выговор. А через несколько месяцев очередной опыт Эйнштейна в лаборатории профессора закончился взрывом, и незадачливый экспериментатор угодил в больницу с серьезно пораненной рукой».

Сам Эйнштейн вспоминал, что многие профессора третировали его, «невзлюбили за независимость» и «постарались закрыть путь в науку». Все это, впрочем, не касалось Минковского, о котором будущий нобелевский лауреат всегда отзывался с почтением. В первом десятилетии ХХ века оба независимо друг от друга начали работать над теорией относительности – физической теорией пространства-времени. Эйнштейн опубликовал ряд работ в 1905-м – этот год в его биографии называют «Годом чудес», так много в нем было открытий. Минковский выступил с подобным докладом в 1908-м – он, кажется, вообще не знал, что его бывший студент уже совершил прорыв в этой области. Но узнав, не обиделся и позже всегда подчеркивал, что «Эйнштейн был первым».

Тот доклад 1908 года на съезде естествоиспытателей в Кельне Минковский обставил в духе почти циркового представления. Он метался у доски, расчерчивая ее формулами, его волосы разметались, роскошные усы торчали вверх. «Уважаемые господа, – объявил он. – С этого часа независимые понятия пространства и времени должны полностью уйти в прошлое, а мы должны думать лишь о том или ином виде их союза. Трехмерная геометрия становится главой четырехмерной физики!» «После него о новой физике заговорили не только ученые, но и люди, далекие от науки. Даже не понимая сути теории относительности, общество почувствовало, что мир накануне серьезных перемен», – писало, вспоминая речь Минковского, издание «КоммерсантЪ».

В честь «отца Эйнштейна» свои названия получили, по меньшей мере, пятнадцать научных терминов. Современная наука пользуется «диаграммой Минковского», «гипотезой Минковского», «кривой Минковского». А еще – его «пространством», «размерностью», «расстоянием», «суммой» и тремя теоремами. В 1970-м фамилию ученого дали кратеру на Луне. Но сам он, увы, умер задолго до этих времен. Буквально сразу после того выдающегося доклада в Кельне. Ученый и шоумен, человек, который пришел к пониманию теории относительности через механические игрушки и талмудические книги в кабинете своего отца, умер совсем молодым – в 44 года от воспаления аппендицита.

Tэги:
ГЕРМАН МИНКОВСКИЙ
АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН
НАУКА
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ

Какие теории открыл Альберт Эйнштейн?

Пропустить и перейти к содержимому

Альберт Эйнштейн был физиком, родившимся в Германии, который стал известен после получения докторской степени. и публикации научных статей. Его теории относительности и фотоэлектрического эффекта — его самые известные открытия.

Специальная теория относительности
Многие знакомы с общей теорией относительности Эйнштейна, но его первое открытие было на самом деле названо специальной теорией относительности. Эта теория была расширением относительной теории, впервые обсужденной Галилеем. Специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что скорость света одинакова независимо от источника движения. Теория также охватывает временное расширение и сокращение длины, заявляя, что движущийся человек, кажется, сжимается в направлении своего движения, и время замедляется с уменьшением времени и сокращением длины, что становится более заметным, поскольку объект приближается к скорости свет. Особая часть этой теории относится к ограничению объектов в постоянном относительном движении.

Общая теория относительности
Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности в 1915 году и стал одной из наиболее важных теорий, разработанных для современной астрофизики. Общая теория расширилась по его предыдущей специальной теории. Эта теория считает, что гравитация и движение влияют на время и пространство. Эйнштейн использовал свою теорию эквивалентности, чтобы помочь сформировать основу своей теории относительности. Теория эквивалентности утверждает, что тяготение гравитации на объект в одном направлении эквивалентно скорости ускорения в противоположном направлении. Это помогло ему открыть теорию относительности, объяснив, как если свет согнут ускорением, он также должен быть согнут под действием силы тяжести. В 1919 году две отдельные космические экспедиции доказали правильность Эйнштейна. Эти экспедиции отметили, как звездный свет согнулся из-за силы тяжести, создаваемой солнцем во время солнечного затмения. Эта теория также доказала, что в мире существует антигравитационная сила, которая мешала всему сворачиваться в себе. Эйнштейн назвал это космологической постоянной.

Энергия отдыха
E = MC2 — это знакомая формула, разработанная Эйнштейном. Формула означает, что энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате вакуума. Это эквивалентная формула, которая доказала, что частицы имеют энергию покоя вместе с кинетической и потенциальной энергиями. Это открытие означает, что гравитация может изгибать свет. Эта формула также вычисляет количество выделяемой или потребляемой энергии во время ядерной реакции. Именно эта формула энергии покоя помогла создать первую атомную бомбу, и Эйнштейну дали кредит на письмо президенту Франклин Рузвельт, в котором он призвал его финансировать уран для совершения ядерной войны во время Второй мировой войны.

Нобелевская премия
Хотя большинство людей знают Эйнштейна за свою теорию относительности, он фактически выиграл Нобелевскую премию мира по физике в 1921 году за работу над фотоэлектрическим эффектом. Эйнштейн изучил шаги, необходимые для того, чтобы металлическая поверхность излучала электроны при воздействии электромагнитного излучения, открытие, приписываемое Генриху Герцу, но излагаемое Эйнштейном, что привело к открытию двойственности волновых частиц. Противоречие вокруг его теорий относительности мешало его теориям рассматриваться как Нобелевская премия мира, поэтому он был удостоен чести за свою работу по фотоэлектрическому магнетизму.

Без Эйнштейна понимание гравитации заняло бы на десятилетия больше времени

Это был 1905 год, и Альберт Эйнштейн только что перевернул теоретическую физику с ног на голову, опубликовав статью о том, что позже стало известно как специальная теория относительности. Это показало, что пространство и время нельзя рассматривать в абсолютном выражении: время может ускоряться или замедляться; стандартные длины могли сократиться; и массы могут увеличиваться.

И, что наиболее известно, энергия была эквивалентна массе, пропорциональна друг другу на основе известного уравнения E = мс² .

Хотя гениальность Эйнштейна в формулировании специальной теории относительности не вызывает сомнений, общепризнанно, что если бы Эйнштейн не опубликовал эту теорию в 1905 году, вскоре после этого это сделал бы какой-нибудь другой физик.

«Крест Эйнштейна» — это на самом деле четыре изображения одного и того же далекого квазара, изогнутые вокруг более близкой галактики, которая действует как гравитационная линза.
НАСА, ЕКА и STScI

Не было до 1915 видно, что беспримерная гениальность Эйнштейна была продемонстрирована, когда он опубликовал свою общую теорию относительности. Эта теория утверждала, что искривление пространства-времени пропорционально и вызвано «плотностью энергии-импульса», то есть энергией и импульсом, связанными со всем и любым видом материи в единице объема пространства.

Это утверждение было впоследствии подтверждено, когда было показано, что оно согласуется с наблюдениями за необычной орбитой Меркурия и отклонением звездного света вокруг Солнца.

В течение прошлого века общая теория относительности проверялась с удивительной точностью и каждый раз выдерживала критику. Общая теория относительности была таким гигантским скачком вперед, что можно утверждать, что если бы Эйнштейн не сформулировал теорию, она могла бы оставаться неоткрытой в течение очень долгого времени.

Путь к общей теории относительности

В 1907 году Эйнштейну пришла в голову «самая счастливая мысль в моей жизни», когда он сидел в кресле в патентном бюро в Берне:

Если человек свободно падает, он не чувствует собственного веса.

Это привело его к постулату «принципа эквивалентности», который гласит, что невозможно отличить ускоряющуюся систему отсчета от гравитационного поля. Например, стояние на Земле ощущается так же, как стояние в космическом корабле, ускоряющемся со скоростью 9,81 метра в секунду за секунду, что является ускорением, вызванным гравитацией на поверхности Земли.

Это был решающий первый шаг в формулировке Эйнштейном новой теории гравитации.

Далее Эйнштейн считал, что «вся физика — это геометрия». Под этим он подразумевал, что мы можем мыслить пространство-время и всю вселенную в терминах геометрии. Самый поразительный вывод специальной теории относительности — динамическая природа времени и пространства — должен был привести Эйнштейна к тому, что он начал рассматривать «геометрическое» пространство-время как нуждающееся в модификации.

Затем Эйнштейн приступил к серии тщательных мысленных экспериментов, сравнивая наблюдения, сделанные наблюдателями в инерциальной и вращающейся системах отсчета.

Эйнштейн сделал вывод, что для наблюдателей во вращающейся системе отсчета пространство-время не может быть евклидовым, т. е. оно не может быть похоже на плоскую геометрию, которую мы все изучаем в школе. Скорее нам нужно ввести «искривленное пространство», чтобы объяснить аномалии, предсказанные теорией относительности. Таким образом, кривизна стала вторым ключевым предположением, лежащим в основе его общей теории.

Чтобы описать искривленное пространство-время, Эйнштейн обратился к более ранней работе Бернхарда Римана, математика XIX века. А с помощью своего друга Марселя Гроссмана, тоже математика, Эйнштейн провел несколько утомительных лет, изучая математику искривленных пространств, или то, что математики называют «дифференциальной геометрией». Как заметил Эйнштейн, «по сравнению с пониманием гравитации специальная теория относительности была просто детской игрой».

Теперь у Эйнштейна были математические инструменты, чтобы завершить свою теорию. Его принцип эквивалентности гласил, что ускоряющая система отсчета эквивалентна гравитационному полю. Из своих геометрических исследований он пришел к выводу, что гравитационное поле — это просто проявление искривления пространства-времени. Следовательно, Эйнштейн смог показать, что ускоряющие системы отсчета представлены неевклидовым пространством.

Отсюда следует

Третий ключевой шаг Эйнштейна заключался в разрешении сложностей, возникших при применении специальной теории относительности к ньютоновской гравитационной физике. В специальной теории относительности постоянство скорости света во всех системах отсчета и вывод о том, что скорость света устанавливает универсальный предел скорости, прямо противоречили ньютоновской теории гравитации, которая постулировала мгновенное действие гравитации.

Проще говоря: ньютоновская гравитация предсказала, что если бы солнце было удалено от центра солнечной системы, гравитационное воздействие на Землю было бы мгновенным. Однако специальная теория относительности говорит, что даже гравитационный эффект исчезновения Солнца должен распространяться со скоростью света.

Эйнштейн также знал, что гравитационная сила между двумя телами прямо пропорциональна их массам, из уравнения Ньютона F = GMm/r². Так что масса явно определяла силу гравитационного поля. Специальная теория относительности говорит нам, что масса эквивалентна энергии, поэтому плотность энергии-импульса также должна определять гравитационную силу.

Таким образом, Эйнштейн использовал три ключевых допущения для формулировки своей теории:

Следовательно, Эйнштейн смог заключить, что плотность энергии-импульса вызывает кривизну пространства-времени и пропорциональна ей.

Неясно, когда у Эйнштейна был «момент лампочки», момент, когда он смог собрать головоломку и связать массу/энергию с искривлением пространства.

С 1913 по 1915 год Эйнштейн опубликовал несколько статей, работая над завершением общей теории. Некоторые из этих работ содержали ошибки и уводили Эйнштейна по теоретическому пути, который в конечном счете оказался непродуктивным.

Но окончательный результат состоит в том, что плотность энергии-импульса материи искривляет пространство-время, как шар для боулинга изгибает плоский лист резины, и что движение массы в гравитационном поле основано на искривлении пространства-времени. , точно так же, как шар для боулинга свободно движется по изогнутому резиновому листу, несомненно, является одним из величайших открытий человеческого интеллекта.

Преимущество

Сколько времени потребовалось бы нам, чтобы понять гравитацию, если бы не гений Эйнштейна? Возможно, нам пришлось бы ждать многие десятилетия.

Однако в 1979 году кот был бы из мешка. В том же году астрономы открыли «двойной квазар», QSO 0957+561, первый квазар с гравитационной линзой.

Открытие «двойного квазара», вероятно, натолкнуло бы физиков на мысль о кривизне пространства-времени, если бы Эйнштейн не опередил их.
НАСА/ЕКА

Это удивительное открытие могло бы иметь смысл только в том случае, если бы пространство-время было искривлено. Это наверняка привлекло бы Нобелевскую премию, если бы не гений Эйнштейна. Может быть, все же следует.

Астрономы доказали вековую теорию относительности Эйнштейна открытием черной дыры.

Когда мы думаем о черной дыре, в уме может возникнуть мысленная картина: гигантская темная дыра, всасывающая все окружающее вещество и свет по хаотической спирали. Это область пространства-времени, где гравитация настолько велика, что даже свет не может вырваться из ее хватки.

Действительно странное и интригующее место во вселенной.

Но когда ученые выследили сверхмассивную черную дыру в центре далекой галактики с броским названием I Zwicky 1 примерно в 800 миллионах световых лет от нас, они увидели нечто совершенно неожиданное.

Опубликовано в журнале Nature , ученые обнаружили свет, исходящий от задницы Цвикки — первое в истории открытие того, что свет излучается из-за черной дыры, что также еще раз подтвердило сценарий, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна.

Странные наблюдения в странном месте во Вселенной.

Во главе с астрофизиком из Стэнфордского университета доктором Дэниелом Уилкинсом международная группа исследователей должна была выяснить, почему горячие газы, попадающие в черные дыры, перегреваются и интенсивно светятся, делая черные дыры совсем не такими черными.

Но когда они изучали черную дыру с помощью телескопов НАСА NuSTAR и XMM-Newton ЕКА, их ждало необычное удовольствие. Исследователи зафиксировали дополнительные вспышки рентгеновского излучения, которые были меньше, позже и другого цвета, чем яркие вспышки, которые обычно излучаются черными дырами, поглощающими все вокруг себя.

После тщательного анализа «эха» вспышки исследователи пришли к неожиданному выводу, что наблюдаемое ими рентгеновское излучение на самом деле исходило от дальней стороны черной дыры.

«Любой свет, попадающий в черную дыру, не выходит наружу, поэтому мы не должны видеть ничего, что находится за черной дырой», — сказал доктор Уилкинс. «Причина, по которой мы можем видеть этот [свет], заключается в том, что черная дыра искажает пространство, искривляет свет и закручивает магнитные поля вокруг себя», — объяснил доктор Уилкинс. По сути, колоссальная черная дыра искажает пространственно-временные среды вокруг себя (то есть гравитацию), позволяя свету огибать ее и выходить из-за черной дыры.

Эйнштейн всегда опережал свое время.

Более века назад Эйнштейн предложил две взаимосвязанные теории: специальную теорию относительности и общую теорию относительности. Они полностью охватывались теорией относительности.

Общая теория относительности предполагает, что массивный объект может искажать пространство-время вокруг себя, создавая то, что мы воспринимаем как гравитацию. Этот аспект теории был доказан бесчисленное количество раз, возможно, самым известным из них стало солнечное затмение в 1919 году, когда астроном сэр Артур Эддингтон подтвердил, что гравитация Солнца может отклонять свет от звезд — как и предсказывал Эйнштейн.

Хотя с тех пор астрономы использовали это явление, также известное как гравитационное линзирование, для наблюдения за отклонением света от далеких галактик, новое исследование доктора Уилкина выводит это явление на совершенно новый уровень.

«Это гравитационное линзирование в самом крайнем его проявлении, — говорит доктор Уилкинс.

Новое знание представляет собой еще одну часть головоломки общей теории относительности, позволяя астрономам во всем мире лучше понять мириады объектов во Вселенной, включая галактики, звезды и сами черные дыры.

Удивительно, что Альберт Эйнштейн, один из величайших умов когда-либо живших, так далеко опередил свое время. Также унизительно быть свидетелем прогресса, достигнутого человечеством за такой короткий промежуток времени в раскрытии тайн огромной вселенной.

Теперь у нас даже есть самая полная карта черных дыр. Проверьте это здесь!

Каждое яркое пятно на этом изображении, первом изображении всего неба, сделанном eRosita, представляет собой черную дыру или нейтронную звезду.