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

Кто изобрел теорию относительности

Главная » Raznoe » Кто изобрел теорию относительности

Как появилась теория относительности?

Давайте проследим рождение этой загадочной теории. В далёком 19 веке, когда уже была измерена скорость света, наука билась над вопросом — что же такое свет. Мы до сих пор так и не нашли ответа на этот вопрос. Это был тот барьер, через который классическое учение о материи так и не смогло перешагнуть. Появился термин «дуализм света». То есть наука официально (!) признала, что свет — это как бы и частицы и волны, и в то же время ни то ни другое одновременно. Подумать только — строгая наука — физика, предлагает нам это размытое понятие в качестве одного из определений. В одних расчётах свет — это поток частиц, в других — волна…

В конце 19-го — начале 20-го века физики были разбиты на 2 лагеря — сторонники волновой и корпускулярной теории. Действительно — и у тех и у других накопилась масса доказательств своей теории и опровержений противоположной. И здесь у сторонников волновой теории появился козырь — скорость света. Если это частицы — то почему она не зависит от скорости источника света?.. Скорость волн (в данном случае — света) зависит от скорости среды и её свойств. Под средой для распространения волн физики того времени понимали так называемый «эфир». Эфир (не химическое вещество, конечно) — это, согласно представлениям 19-го века, невесомое и необнаруживаемое вещество, заполняющее собой все пустоты пространства (вольное толкование).

Но вслед за таким объяснением постоянства скорости света возник вопрос — если есть абсолютно неподвижный эфир, то относительно него можно вычислить скорость любого тела, даже нашей планеты! Стоит только измерить скорость световой волны в двух непараллельных направлениях и провести нехитрые вычисления…

Одним из энтузиастов, воспринявших эту идею, был талантливый физик-экспериментатор Майкельсон. С помощью изобретённого им прибора — интерферометра он измерял скорости света в разных направлениях с огромной точностью. И все они оказались равны… Этот эксперимент повторялся много раз. Принцип был тем же, хотя незначительно менялась конструкция прибора и условия проведения опыта. Всё тщетно. Опыт не удался.

Предпринимались попытки объяснить такой результат. Вводились новые понятия и материи, высказывались предположения, что эфир увлекается телами, которые в нём движутся, но всё это только добавляло путаницу и ничего не объясняло…

Спустя 15 лет другой физик, теоретик и отчасти даже математик Анри Пуанкаре, рассматривая причины неудачи Майкельсона, заметил, что опыт можно было бы считать «удавшимся» (то есть объяснимым с научной точки зрения), если (гипотетически) предположить, что движущиеся тела сокращаются вдоль направления движения тем сильнее, чем быстрее они движутся. Он привёл формулу такого сокращения и обнародовал результаты. И тут понеслось — ещё бы! Скажите любому математику, что иногда 2 может быть равно 3 — и он сочинит множество теорий для вас!

Из гипотетического и недоказуемого предположения, естественно, было сделано множество выводов, не укладывающихся в рамки традиционной науки. Так были получены основные формулы общей теории относительности (про сжатие предметов и замедление времени с увеличением скорости).

Дальше — нет смысла рассматривать эту теорию с подозрением, всё логично. Но всё-таки надо признать, что теория эта зиждется на одной гипотезе, сделанной с целью оправдать эксперимент по обнаружению эфира. Причем надо заметить, что меняются не только размеры предметов, но и все физические законы, позволяющие косвенно доказать, что изменилась длина — все силы взаимодействия между частицами тоже странным образом меняются.

Таким образом модная теория, на которой построена квантовая механика и множество ответвлений физики, мирно уживается с такими понятиями, как дуализм света, эфирный ветер и сжатие тел при равномерном движении. Может быть, не всё так просто и в формировании науки есть большое белое пятно, на которое наложена временная заплатка — «теория относительности»…

А что же Альберт Эйнштейн?.. Теория ведь носит его имя. А его до сих пор нет в нашей истории. Получив все экспериментальные и расчётные данные, Эйнштейн обобщил их и из разрозненных статей и размышлений построил теорию, которая будоражила умы людей весь двадцатый век и будоражит до сих пор, поскольку мало кто готов её принять и поверить. Поэтому, подобно Ньютону, Эйнштейн тоже создавал дело своей жизни, «стоя на плечах гигантов», чьи имена со временем были преданы частичному забвению…

Изучение истории науки порой интереснее, чем изучение самой науки…

shkolazhizni.ru

Теория относительности — Кто придумал? | Изобретения и открытия

Теория относительности неразрывно связана с именем Альберта Эйнштейна. Она принципиально изменила физическую картину мира, показав зависимость таких, казалось бы, абсолютных величин, как время и расстояние, от условий наблюдения. Специальная теория относительности, сформулированная в 1905 г., объясняет, почему часы в быстро движущемся самолете идут медленнее, чем на Земле. Общая теория относительности трактует о том, как влияют гравитационные поля на световые лучи.

Развитие теории

В 1887 г. американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили важный опыт: они измерили скорость света, движущегося в том же направлении, что Земля, а затем его скорость при движении в перпендикулярном направлении. Ведь если, как считалось тогда, световые волны распространяются в универсальной неподвижной среде, называемой «эфиром», то скорость их распространения по направлению движения Земли должна быть другой, чем в перпендикулярном направлении. Однако к всеобщему изумлению, выяснилось, что это не так Тем самым было доказано, что «эфира» как среды распространения электромагнитных волн не существует.

Голландец Хендрик Антон Лоренц и ирландец Джордж Френсис Фицджеральд выдвинули для объяснения такого результата предположение, что приборы испытывают продольное сокращение по направлению движения Земли, а потом) разница пробегаемых светом расстояний ими не улавливается. Они также показали, что такое сокращение движущихся предметов соответствует уравнениям Максвелла для электромагнитных волн. Поскольку ньютоновская механика подобного сокращения не знает, отсюда следовало в то же время, что электромагнитные явления не могут быть описаны языком классической механики.

Скорость света — постоянная величина

Дальнейшее развитие этих идей — заслуга Альберта Эйнштейна. Если Майкельсон и Морли доказали, что невозможно измерить абсолютную скорость объекта в вакууме, то Эйнштейн в 1905 г. сделал вывод абсолютной одновременности не существует. Масса тела, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, зависит от скорости. Масса и энергия эквивалентны и могут превращаться друг в друга. Все эти положения специальной теории относительности были со временем подтверждены экспериментально.

• 1879 г.: 14 марта в семье еврейского торговца в Ульме родился Альберт Эйнштейн.
• 1921 г.: Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за интерпретацию фотоэффекта.
• 1933 г.: Эйнштейн эмигрировал в Америку и начал работу в Институте высших исследований в Принстоне.
• 1955 г.: 18 апреля в Принстоне умер Альберт Эйнштейн.

mjjm.ru

Теория относительности: история величайшей концепции ХХ века

Теория относительности, формулы которой были предъявлены научному сообществу А. Эйнштейном в начале прошлого столетия, имеет длительную и увлекательную историю. На этом пути ученые смогли преодолеть массу противоречий, разрешить множество научных проблем, создать новые научные отрасли. В то же время теория относительности не является каким-то конечным продуктом, она развивается и совершенствуется вместе с развитием самой науки.

Многие ученые считают первым шагом, который в конечном итоге привел к знаменитым формулировкам Эйнштейна, появление небезызвестной теории Н. Коперника. Впоследствии, опираясь именно на выводы польского ученого, Галилей сформулировал свой знаменитый принцип, без которого теория относительности просто не состоялась бы. В соответствии с ним, важнейшее значение для определения пространственно-временных характеристик объекта имела система отсчета, по отношению к которой данный объект перемещался.

Важнейший этап, который прошла в своем развитии теория относительности, связан с именем И. Ньютона. Он, как известно, является «отцом» классической механики, однако именно этому ученому принадлежала идея о том, что физические законы вовсе не являются едиными для разных систем отсчета. В то же время Ньютон в своих изысканиях исходил из того, что время для всех предметов и явлений является единым, и длины вещей не изменяются, в какую бы систему их не помещали. Он же первым ввел в научный оборот понятия абсолютного пространства и абсолютного времени.

Теория относительности, наверное, не могла бы появиться, если бы не исследования свойств электромагнитного поля, среди которых особое место занимают работы Д. Максвелла и Х. Лоренца. Именно здесь была впервые выявлена среда, пространственно-временные характеристики которой отличались от тех, которые составляли основу классической механики Ньютона. В частности, именно Лоренц вывел гипотезу о сжатии тел относительно эфира, то есть того пространства, которое составляет основу электромагнитного поля.

Эйнштейн выступил резко против каких бы то ни было представлений о мифическом эфире. По его мнению, никакого абсолютного движения не существует, а все системы отсчета равноправны между собой. Из такого положения следовало, что, с одной стороны, физические законы не зависят от того, в какой из двух взаимосвязанных между собой систем эти изменения происходят, а с другой, — что единственной постоянной величиной является скорость, с которой перемещается в вакууме луч света. Эти выводы позволили не только показать ограниченность законов Ньютона, но и разрешить все основные проблемы, которые поставил в своих работах об электромагнетизме Х. Лоренц.

В дальнейшем теория относительности получила свое развитие не только в плане взаимодействия пространственно-временных характеристик, но и как важнейший элемент изучения таких свойств материи, как масса и энергия.

Основные постулаты А. Эйнштейна оказали серьезное воздействие не только на физику и другие естественные науки, но и на многие другие области знаний. Так, в первой половине ХХ века чрезвычайную популярность приобрела теория лингвистической относительности, связанная с именами Э. Сепира и Б. Уорфа. В соответствии с этой концепцией, на восприятие мира человеком огромное влияние оказывает та языковая среда, в которой он обитает.

fb.ru

История теории относительности — это… Что такое История теории относительности?

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики [1]. 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. В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равна скорости света. Таким образом, уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея, что противоречило классической механике.

От Галилея до Максвелла

Галилео Галилей

В 1632 году в книге Диалоги о двух главнейших системах мира — птоломеевой и коперниковой[2] Галилео Галилей привёл рассуждения, получившие в дальнейшем название принципа относительности:

Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно.

Этот принцип, утверждающий эквивалентность различных инерциальных систем отсчёта, сыграл важную роль как в классической механике, так и в специальной теории относительности. Преобразования, связывающие результаты наблюдений относительно двух инерциальных систем отсчёта, получили название преобразования Галилея[3].

Галилей, по-видимому, впервые предпринял также попытку измерить скорость света при помощи наземных экспериментов. Однако удалось это сделать только Олафу Рёмеру в 1676 году. Наблюдая изменение периода обращения спутника Юпитера Ио в зависимости от взаимного расположения Земли и Юпитера, Рёмер объяснил его конечностью скорости распространения светового сигнала и смог оценить эту скорость. По его измерениям она составила 214300 км/сек. Спустя 50 лет, в 1727 году, похожий результат получил Джеймс Брэдли, наблюдая аберрацию звёзд (изменение их видимого положения) при движении Земли вокруг Солнца.

Джеймс Клерк Максвелл

Параллельно с экспериментами по измерению скорости света происходили размышления относительно природы света. Огюстен Френель, основываясь на волновой теории, в 1818 году успешно объяснил явление дифракции. Джеймс Клерк Максвелл, обобщая экспериментальные открытия Эрстеда, Ампера и Фарадея в 1864 записал систему уравнений, описывающих эволюцию электромагнитного поля. Из уравнений Максвелла следовало, что в пустом пространстве электромагнитные волны распространяются со скоростью света. На основании этого была выдвинута гипотеза о волновой, электромагнитной природе света.

Эксперименты

Таким образом, к середине XIX века волновая природа света стала доминирующей концепцией. Так как все известные к тому времени волновые процессы протекали в той или иной среде (вода, воздух), достаточно естественной оказалась модель эфира, некоторой субстанции, возмущения которой проявляются как электромагнитные волны. Уравнения Максвелла при этом интерпретировались как записанные относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Возник вопрос о взаимосвязи двигающихся материальных тел и эфира. В частности, увлекается ли эфир двигающимся сквозь него объектами, подобно увлечению воздуха в трюме корабля? Последовала серия экспериментов по выяснению характера увлечения эфира и определения скорости Земли относительно этой субстанции.

Арман Ипполит Луи Физо

В 1851 г. Физо поставил эксперимент по измерению скорости света в движущейся среде, в качестве которой выступал поток воды. Его результат с точностью до первого порядка малости по скорости воды v привёл к следующему соотношению для скорости света:

где n — показатель преломления, c — скорость света в пустоте, а c/n — скорость света в неподвижной воде. Если основываться на классическом правиле сложения скоростей, это соотношение свидетельствовало о частичном увлечении эфира с коэффициентом k (при k=1 эфир увлекается полностью, а при k=0 — увлечения нет вообще).

Альберт Абрахам Майкельсон

Серию следующих важных экспериментов в 1881 г. предпринял Майкельсон. При помощи интерферометра он измерял время прохождения света в двух перпендикулярных направлениях. Ориентация интерферометра изменялась в пространстве, поэтому при отсутствии увлечения эфира Землёй появлялась возможность по разности времён определить абсолютную скорость движения Земли относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Эксперимент дал отрицательный результат, смещение полос интерференционной картины не совпало с ожидаемым (теоретическим). Это могло свидетельствовать либо о полном увлечении эфира, либо о неподвижности Земли. Последняя возможность была маловероятна, так как Земля со скоростью 30 км/c двигается, по крайней мере, вокруг Солнца. Привлечение же гипотезы полного увлечения эфира противоречило наблюдаемой годовой аберрации звёзд, которая в этом случае отсутствовала бы. В дальнейшем эксперименты Майкельсона неоднократно повторялись (Майкельсон и Морли (1887), Морли и Миллер (1902—1904), и т. д.). Для уменьшения потенциального эффекта увлечения эфира установка поднималась в горы, однако получался результат несовпадающий с ожидаемым.[4]

Создание СТО

Хендрик Лоренц

Важный вклад в построение теоретических моделей эфира и его взаимодействия с веществом предпринял Хендрик Лоренц. В его модели эфир представлял собой диэлектрическую субстанцию с единичной диэлектрической проницаемостью . Наблюдаемая электрическая индукция складывалась из индукции вещества и эфира . Последняя, по теории Лоренца, не увлекалась при движении вещества, и Лоренц смог объяснить эксперимент Физо. Однако эксперименты Майкельсона противоречили электронной теории Лоренца, так как требовали для своего объяснения полного увлечения эфира. Лоренц (1892 г.) и, независимо от него, Фицджеральд (1893 г.) ввели достаточно искусственное предположение о том, что объекты (например, плечи интерферометра Майкельсона) при движении сквозь эфир сокращаются в направлении движения. Это сокращение позволяло объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона и мотивировалось взаимодействием частиц вещества с эфиром.

Одновременно с этим шёл поиск преобразований, оставляющих уравнения Максвелла инвариантными. В 1887 г. Фойгт записал преобразования координат и времени, которые оставляли неизменными форму распространения волн в эфире. В его преобразованиях время имело различный темп в различных пространственных точках. В 1892 г. Лоренц ввёл т. н. местное время и показал, что с точностью до первого порядка по скорости уравнения Максвелла остаются неизменными при движении системы отсчёта сквозь эфир. В 1900 г. Лармор в книге «Эфир и материя» привёл преобразования, относительно которых уравнения Максвелла остаются инвариантными в любом порядке по скорости v. Эти же преобразования были переоткрыты Лоренцем в его статье 1904 г. Благодаря работам Пуанкаре эти преобразования в дальнейшем стали называть преобразованиями Лоренца. Ни Лармор, ни Лоренц не придавали преобразованиям характера общих пространственно-временных закономерностей и связывали их лишь с электромагнитными свойствами вещества и эфира. Сам Лоренц в конце своей жизни писал [5]:

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.

Анри Пуанкаре

Важную роль в развитии электронной теории Лоренца и в формулировке физических идей, которые легли в основу специальной теории относительности, сыграл Анри Пуанкаре. В частности, ему принадлежит ясная формулировка принципа относительности для электромагнитных явлений. В своей работе 1895 г. он писал:

Невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира.

В 1898 г. в статье «Измерение времени» Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света и обратил внимание на условный характер понятия одновременности двух событий. В книге «Наука и гипотеза» (1902 г.) Пуанкаре пишет:

Не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе не имеет смысла и можно применять его только условно.

Под влиянием работ Пуанкаре Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории. В ней он предположил, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках. Анри Пуанкаре далеко развил эти идеи в статье «О динамике электрона», краткий анонс которой был опубликован в сообщениях французской академии в июне 1905 г. В этой статье был сформулирован всеобщий принцип относительности, совместный с преобразованиями Лоренца. Пуанкаре установил групповой характер преобразований Лоренца и нашёл выражение для четырёхмерного интервала как инварианта этих преобразований. В этой же работе он предложил релятивистское обобщения теории гравитации, в которой тяготение распространялось в эфире со скоростью света. Несмотря на то, что фактически Пуанкаре сформулировал основные постулаты СТО, его работы были написаны в духе эфирной теории Лоренца:

Результаты, полученные мною, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц. Я стремился только дополнить и видоизменить их в некоторых деталях.

Альберт Эйнштейн

В сентябре 1905 г. Альберт Эйнштейн публикует свою знаменитую работу «К электродинамике движущихся тел»[6]. Несмотря на «электродинамическое» название, работа Эйнштейна существенно отличалась по своему характеру от работ Пуанкаре и Лоренца. Она была проста в математическом плане и содержала пересмотр физических представлений о пространстве и времени. В её первом разделе Эйнштейн рассматривает процедуру синхронизации двух часов и пишет:

Дальнейшие соображения опираются на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света. Мы определяем оба принципа следующим образом:

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся.

2. Каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью V независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом.

На основе этих постулатов Эйнштейн достаточно просто получил преобразования Лоренца. Подобный аксиоматический подход, общность и наглядный физический анализ измерительных процедур сразу привлёк широкое внимание. Именно эта работа фактически знаменовала собой создание специальной теории относительности.

Дальнейшее развитие

Часть учёных сразу приняли СТО: Макс Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику. Герман Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО, в которой преобразования Лоренца вытекают из геометрии четырёхмерного псевдоевклидова пространства. В пространстве Минковского лоренцевы преобразования являются преобразованиями поворотов координатных осей.

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.

Работы по аксиоматике СТО

В 1910 году на собрании немецких натуралистов и врачей русский учёный Владимир Игнатовский сделал доклад «Некоторые общие замечания к принципу относительности» [7]:

Сейчас я ставлю перед собой вопрос о том, к каким взаимосвязям или, точнее, уравнениям преобразования, можно прийти, если поставить во главу исследования только принцип относительности.

Игнатовский показывал, что исходя из линейности преобразований, принципа относительности и изотропности пространства, можно вывести преобразования Лоренца. В этом выводе второй постулат Эйнштейна об инвариантности скорости света не использовался.

В следующем 1911 году в Annalen der Physik выходит работа Филиппа Франка и Германа Роте: «О преобразовании пространственно-временных координат из неподвижных систем в движущиеся» [8], в которой подход Игнатовского получил существенное развитие. Основываясь на групповом анализе, Франк и Роте в классе линейных функций нашли наиболее общие преобразования между инерциальными системами отсчёта. Они оказались зависящими от двух фундаментальных констант, имеющих размерность скорости. Добавление аксиомы изотропности пространства переводит эти преобразования в преобразования Лоренца, а аксиома абсолютности времени — в преобразования Галилея. Франк и Роте также, по-видимому, первыми, отметили, что наиболее общими преобразованиями между двумя инерциальными системами отсчёта являются дробно-линейные функции.

Несмотря на фундаментальную важность этих работ для вопросов основания физики, они остались практически незамеченными. Большинство учебной литературы вплоть до настоящего времени основывается на аксиоматическом подходе Эйнштейна. Среди немногочисленных упоминаний работ Игнатовского, Франка и Роте можно отметить учебник Вольфганга Паули «Теории относительности». Однако, в связи с этими работами он пишет [9]:

Из теоретико-групповых соображений можно получить лишь внешний вид формул преобразования, но не их физическое содержание.

При этом подразумевается, что возникающая в преобразованиях Лоренца фундаментальная константа скорости, не может быть, без привлечения дополнительных гипотез, интерпретирована как скорость света.

Заметим, что идея о том, что для обоснования СТО не требуется второго постулата Эйнштейна, неоднократно переоткрывалась [10] [11] [12] [13] [14], однако, обычно без упоминания основополагающих работ 1910—1911 года. Общий обзор работ по аксиоматизации СТО (в рамках хроногеометрии) может быть найден в работе Гуца[15] в Успехах математических наук.

Создание общей теории относительности

См. также

Источники

1. ↑ Гинзбург В. Л. Как и кто создал теорию относительности? в Эйнштейновский сборник, 1966. — М.: Наука, 1966. — С. 363. — 375 с. — 16 000 экз.
2. ↑ Галилео Галилей Диалог о двух главнейших системах мира — птоломеевой и коперниковой. — М., 1948.
3. ↑ Заметим, что это название появилось уже в XX веке см. Паули В. Теория Относительности. — М.: Наука, Издание 3-е, исправленное. — С. 27. — 328 с. — 17 700 экз. — ISBN 5-02-014346-4
4. ↑ Исключением явились эксперименты Миллера на горе Маунт Вильсон. Они свидетельствовали об эфирном ветре, имеющим скорость около 10 км/c перпендикулярно к плоскости орбиты Земли, и его отсутствии вдоль траектории движения Земли вокруг Солнца. В дальнейшем повторение экспериментов другими исследователями на более точной аппаратуре с использованием современных источников когерентных волн (мазеров) эффекта не выявили. См. Повторения опыта Майкельсона
5. ↑ Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989, стр. 161.
6. ↑ К электродинамике движущихся тел: в кн. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. — М.: Наука, 1965. — Т. 1. — С. 7-35. — 700 с. — 32 000 экз.
7. ↑ von W. v. Ignatowsky, «Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip», Verh. d. Deutsch. Phys. Ges. 12, 788-96, 1910 (русский перевод)
8. ↑ von Philipp Frank und Hermann Rothe «Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme», Ann. der Physik, Ser. 4, Vol. 34, No. 5, 1911, pp. 825—855 (русский перевод)
9. ↑ Паули В. Теория Относительности. — М.: Наука, Издание 3-е, исправленное. — С. 27. — 328 с. — 17 700 экз. — ISBN 5-02-014346-4
10. ↑ Терлецкий Я. П. — Парадоксы теории относительности, М.: Наука (1965)
11. ↑ Mermin N.D. — «Relativity without light», Am.J.Phys., Vol. 52, No. 2 (1984) p. 119—124. Русский перевод: Мермин Н. Д. — «Теория относительности без постулата о постоянстве скорости света», Физика за рубежем. Серия Б. (1986)
12. ↑ Lee A.R. Kalotas T.M. — «Lorentz transformations from the first postulate», Am.J.Phys., Vol. 43, No. 5, (1975) p. 434—437.
13. ↑ Achin Sen «How Galileo could have derived the special theory of relativity» Am.J.Phys., Vol. 62, No. 2 (1994) p. 157—162.
14. ↑ Nishikawa S. — «Lorentz transformation without the direct use of Einstein’s postulates» Nuovo Cimento, Vol. 112B, No. 8 (1997) p. 1175—1187.
15. ↑ А. К. Гуц, «Аксиоматическая теория относительности», УМН, 37:2(224) (1982), с. 39—79.

dic.academic.ru

Смотрите также

• Кто придумал спагетти
• Кто написал в стране невыученных уроков автор
• Кто написал приключения незнайки и его друзей
• Королек птичка певчая кто написал
• Баранкин будь человеком автор кто написал
• Для кого были изготовлены первые шариковые ручки
• Кто изобрел кубик рубика
• Кто изобрел телефон айфон
• Кто из вас без греха пусть первый бросит в нее камень
• Как зовут создателя вк
• Кто написал песнь о вещем олеге

Сто лет общей теории относительности.

Кто помогал Эйнштейну / Хабр

Сто лет назад, в ноябре 1915 года, Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО)

Эйнштейн опубликовал в берлинском журнале Prussian Academy of Sciences всего четыре небольшие статьи: 1, 2, 3, 4. Последняя из них отправлена 25 ноября 1915 года. В статьях указан один автор, и работу часто принимают как труд одного гения. Но это совершенно не так.

Марсель Гроссманн (слева) и Мишель Бессо (справа) были университетскими друзьями Альберта Эйнштейна (в центре)

На самом деле физик получил неоценимую помощь от друзей и коллег, большинство из которых никогда не стали известными и были незаслуженно забыты, пишет журнал Nature со ссылками на несколько литературных источников, авторы которых изучали жизнь Эйнштейна и историю создания ОТО.

Наиболее значительное влияние на создание ОТО оказали двое друзей Эйнштейна со студенческих лет — Марсель Гроссманн (Marcel Grossmann) и Мишель Бессо (Michele Besso). Гроссманн был талантливым математиком и прилежным студентом, он помог более мечтательному и причудливому Альберту в ключевые моменты, когда тот пытался сформулировать теорию. Бессо — инженер с воображением и в чём-то неорганизованный. Он сохранил дружбу с Эйнштейном на всю жизнь. Свой вклад внесли и другие.

Все трое учились в Высшем техническом училище (Политехникуме), которое сейчас называется Швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH), с 1896 по 1900 годы. Сам Альберт рассчитывал выучиться на школьного учителя физики и математики, здесь же он встретил однокурсницу Милеву, на которой потом женился. По легендам, Эйнштейн часто пропускал занятия (из-за будущей жены?), а потом сдавал зачёты по конспектам Гроссманна.

Высшее техническое училище в Цюрихе, где Альберт Эйнштейн встретил друзей

Отец Гроссманна помог Эйнштейну устроиться на работу в патентном бюро в 1902 году, куда через пару лет пришёл и Бессо. Споры между Бессо и Эйнштейном привели к самым знаменитым научным работам, которые Эйнштейн опубликовал за своим единоличным авторством в 1905 году. В них была сформулирована специальная теория относительности (СТО).

В этот же счастливый 1905 год Альберт Эйнштейн закончил диссертацию и получил степень доктора физики в университете Цюриха.

В 1907 году Альберт начал обдумывать новую идею, развивающую СТО, которая смогла бы универсальным образом связать гравитацию с искривлением пространства-времени. Эта теория позже получила название общей теории относительности. Более плотно работать над ней учёный стал после увольнения из патентного бюро в 1909 году. Он получил должность профессора в университете Цюриха, а спустя два года — в Праге. В 1912 году Эйнштейн вернулся в Цюрих и снова связался с Гроссманом в ETH. Друзья объединили силы и вместе выработали полноправную теорию, которая до этого существовала только в виде идеи.

Сотрудничество двух физиков описано в цюрихском дневнике Эйнштейна. Как результат, в 1913 году они опубликовали совместную научную работу, известную как Entwurf («План»). Основное отличие Entwurf 1913 года от общей теории относительности 1915 года — уравнения поля, которые описывают, как материя искривляет ткань пространства-времени. В ОТО уравнения общековарианты, то есть сохраняют вид в любой системе отсчёта, а в теории Entwurf ковариация жёстко ограничена.

В июле 1913 года в Цюрих приехали два знаменитых немецких физика — Макс Планк и Вальтер Нернст. Они предложили 34-летнему Альберту высокооплачиваемую и свободную от преподавания должность в Прусской академии наук в Берлине. Эйнштейн принял предложение в марте 1914 года. Гравитация не особенно интересовала Планка и Нернста, им были интересны идеи Эйнштейна в области квантовой физики.

Но ещё до отъезда в Берлин физик работал над ОТО. Для проверки гипотезы они вместе с Бессо составляли формулы, которые бы объяснили аномальную прецессию перигилия Меркурия на 43˝ в столетие. Бессо внёс значительный вклад в работу и задавал интересные вопросы. Например, однажды он спросил, есть ли из уравнений Entwurf решение, которое однозначно определяет гравитационное поле Солнца. Современный анализ рукописей Эйнштейна показал, что именно этот вопрос дал Эйнштейну аргумент, убедивший его в ограниченной ковариации уравнений поля Entwurf.

Теория Эйнштейна предсказывала, что гравитация искривляет световые лучи. В августе 1914 года он вместе с молодым немецким астрономом Эрвином Финли Фрейндлихом (Erwin Finlay Freundlich) поехали в Крым для наблюдения солнечного затмения, чтобы проверить это, но были задержаны русскими (начиналась Первая мировая война). Доказательства искривления света пришлось ждать до солнечного затмения 1919 года.

В мае 1914 года Эйнштейн и Гроссманн опубликовали вторую совместную работу с уточнением теории Entwurf. Дальше они не смогли работать вместе, потому что Эйнштейн уехал работать в Берлин.

Прорыв случился вскоре после этого. Брак Альберта распался, и Милена вернулась обратно в Цюрих с двумя сыновьями. Эйнштейн возобновил прерванные два года назад отношения со своей двоюродной сестрой Эльзой. Эйнштейн продолжал работу над теорией, но к лету 1915 года начал нервничать из-за того, что уравнения Entwurf не сходились в системах с вращательным движением (Бессо говорил ему об этом два года назад, но Эйнштейн проигнорировал замечание). Эйнштейн обратился за помощью к астроному Фрейндлиху, поскольку сам не может выйти за рамки («mind was in a deep rut»). Стало ясно, что проблема в уравнениях поля Entwurf. В то же время надо было спешить, потому что идеями Эйнштейна заинтересовался видный немецкий математик Давид Гильберт, и уж он-то точно смог бы довести идеи до ума.

В спешке, Эйнштейн изменил уравнения поля — и опубликовал научную работу в начале ноября 1915 года. На следующей неделе он ещё раз изменил их — и опять опубликовал научную работу. Затем ещё раз. В конце концов, уравнения поля стали общековариантными в четвёртой работе, поданной для публикации 25 ноября 1915 года.

В своей первой работе Эйнштейн написал, что теория является «настоящим триумфом» математиков Карла Гаусса и Бернхарда Римана. Он пишет, что если бы они с Гроссманном два года назад руководствовались чистой математикой, а не физикой, то не допустили бы уравнений поля с ограниченной ковариацией. Но в реальности именно совместная работа с Гроссманном, Бессо, а также авторами похожей теории на ОТО — Гуннаром Нордстремом и Адрианом Фоккером, среди прочих, — помогла ему преодолеть ограничения теории Entwurf, а не только Гаусс с Риманом.

На карикатуре из журнала Nature: элита берлинской физики (Фриц Габер, Вальтер Нернст, Генрих Рубенс, Макс Планк) и члены его старой и новой семьи печально наблюдают, как Эйнштейн проверяет свою новую теорию гравитации, поддерживаемый знаменитыми научными фигурами (Исаак Ньютон, Джеймс Клерк Максвелл, Карл Гаусс, Бернхард Риман) и учёными поменьше (Марсель Гроссман, Гуннар Нордстрем, Эрвин Финли Фрейндлих, Мишель Бессо).

Был ли Эйнштейн первым, кто открыл общую теорию относительности?

25 ноября 1915 года Эйнштейн представил одну из самых замечательных научных работ двадцатого века в Прусскую академию наук в Берлине. В документе представлена ​​окончательная форма так называемых уравнений Эйнштейна, уравнений поля гравитации, лежащих в основе общей теории относительности Эйнштейна. Несколько лет назад мы отметили столетие этой теории. В течение нескольких лет работа Эйнштейна вытеснила универсальную теорию гравитации Ньютона в качестве нашего объяснения явления гравитации, а также опровергла понимание Ньютоном таких фундаментальных понятий, как пространство, время и движение. В результате Эйнштейн стал и остается самым известным и прославленным ученым после самого Ньютона.

Но что, если Эйнштейн не был первым ученым, опубликовавшим эти знаменитые уравнения? Должны ли они называться не уравнениями Эйнштейна, а уравнениями Эйнштейна-Гильберта, в честь также немецкого математика Давида Гильберта? В 1915 году Эйнштейн посетил Гильберта в Геттингене, и Гильберт убедил его в том, что цель полностью общей теории относительности достижима, а Эйнштейн почти убедил себя, что это невозможно. Эйнштейн вернулся к работе и к ноябрю нашел уравнения поля, которые придали общей теории относительности ее окончательную форму. Однако Гильберт также работал над идеями, которые обсуждал с ним Эйнштейн, и опубликовал статью, в которой обсуждалось, как теория Эйнштейна согласуется с его собственными представлениями о роли математики в физике. Аргумент в пользу уважения Гильберта содержится в написанной им статье, которая включала уравнения Эйнштейна, полученные из фундаментальных принципов.

Эта статья, хотя и появилась через несколько месяцев после работы Эйнштейна, была представлена ​​20 ноября, и Гильберт даже отправил Эйнштейну копию, которая, вероятно, была получена Эйнштейном до того, как он представил свою собственную статью. Фактически, некоторые люди даже зашли так далеко, что предположили, что Эйнштейн мог украсть окончательную форму своих уравнений у Гильберта. Конечно, даже если бы это было правдой, мы говорим только об одном последнем члене в уравнениях (Эйнштейн опубликовал близкую к правильной версию ранее в этом месяце), и Эйнштейну по-прежнему принадлежит исключительная заслуга в огромном количестве работы, которая была проделана. аргумент, по которому уравнения с этими уникальными свойствами были выделены в первую очередь. Мы по-прежнему признаем Эйнштейна за критическое физическое мышление, признавая при этом превосходные математические способности Гильберта в более быстром нахождении окончательной правильной формы уравнений. Тем не менее, возможно, Гильберт заслужил бы долю похвалы за этот последний шаг.

Почему же тогда в празднованиях упоминается только Эйнштейн и почти полностью опускается Гильберт? Одна из причин заключается в том, что в конце 1990-х историк Лео Корри, работавший над Гильбертом, сделал замечательное открытие. Он нашел копию корректуры статьи Гильберта со штампом печатника, датированным 6 декабря 1915 года. Эти корректуры показывают, что Гильберт внес существенные изменения в статью после этой даты. Кроме того, доказательства не содержат уравнений Эйнштейна. Корректура тут и там была вырезана (вероятно, самими печатниками, когда они работали), поэтому возможно, что уравнения были бы там, если бы у нас были недостающие части. Но также вполне возможно, что среди изменений, внесенных Гильбертом в статью, он воспользовался возможностью, чтобы включить окончательную форму уравнений из статьи Эйнштейна. Действительно, некоторые изменения, внесенные им после 6 декабря, заключались в обновлении его аргументации с более ранних версий теории Эйнштейна до более поздней версии.

Безусловно, именно Эйнштейн чувствовал себя пострадавшей стороной в этом недолговечном споре о приоритетах (вероятно, это был единственный случай в его жизни, когда Эйнштейн оказался в таком споре). Он пожаловался другу, что Гильберт пытается «нострифицировать» свою теорию, претендовать на долю заслуг. Эйнштейн действительно жаловался самому Гильберту, и некоторые из изменений, внесенных Гильбертом в доказательства, включали добавление замечаний, подтверждающих основные идеи, лежащие в основе теории Эйнштейна. Во всяком случае, Эйнштейн старался не позволять собственническим чувствам окрашивать чувство благодарности к Гильберту. Он хорошо помнил, что Гильберт сыграл важную роль в том, чтобы побудить Эйнштейна вернуться к своей теории в то время, когда Эйнштейн в какой-то степени отказался от своих первоначальных целей. 20 декабря 1915, он писал Гильберту: «Между нами возникла некая неприязнь, причину которой я не хочу далее анализировать. Я боролся с чувством горечи, связанным с этим, и с полным успехом. Я снова думаю о вас с неуменьшаемой добротой и прошу вас сделать то же самое со мной. Объективно жаль, если два парня, несколько освободившихся от этого убогого мира, не доставляют удовольствия друг другу». (переведено и процитировано у Corry, Renn and Stachel, 1997). Итак, если Эйнштейн становился новым Ньютоном, как человек, решивший загадку гравитации, он был далеко не новым Ньютоном в другом смысле; того, что он из тех людей, которые затаивают научные обиды в ущерб своей дружбе с другими великими мыслителями своего времени.

Дэниел Кеннефик — адъюнкт-профессор физики Университета Арканзаса, редактор Сборника статей Альберта Эйнштейна и автор Энциклопедии Эйнштейна и Путешествие со скоростью мысли: Эйнштейн и поиски гравитационных волн (Принстон). Чтобы узнать больше об уравнениях поля Эйнштейна, ознакомьтесь с этой статьей Денниса Лемкуля из Калифорнийского технологического института.

Что такое относительность? Невероятная теория Эйнштейна объяснила

Когда в начале 1900-х годов появилась теория относительности, она перевернула столетия науки и дала физикам новое понимание пространства и времени. Исаак Ньютон считал пространство и время фиксированными, но в новой картине, представленной специальной и общей теорией относительности, они были текучими и податливыми.

Кто придумал теорию относительности?

Альберт Эйнштейн. Он опубликовал первую часть своей теории — специальную теорию относительности — в немецком физическом журнале Annalen der Physik в 1905 году и завершил свою общую теорию относительности только после еще одного десятилетия напряженной работы. Он представил последнюю теорию в серии лекций в Берлине в конце 1915 года и опубликовал в Annalen в 1916 году.

Что такое специальная теория относительности?

Теория основана на двух ключевых концепциях.

• Во-первых, мир природы не допускает «привилегированных» систем отсчета. Пока объект движется по прямой с постоянной скоростью (то есть без ускорения), законы физики одинаковы для всех. Это немного похоже на то, когда вы смотрите в окно поезда и видите, что соседний поезд движется — но движется ли — это , или — это вы ? Это может быть трудно сказать. Эйнштейн понял, что если движение совершенно однородно, сказать об этом буквально невозможно, и определил это как центральный принцип физики.
• Во-вторых, свет движется с неизменной скоростью 186 000 миль в секунду. Независимо от того, как быстро движется наблюдатель или как быстро движется излучающий свет объект, измерение скорости света всегда дает один и тот же результат.

Исходя из этих двух постулатов, Эйнштейн показал, что пространство и время переплетены способами, которые ученые никогда раньше не осознавали. С помощью серии мысленных экспериментов Эйнштейн продемонстрировал, что следствия специальной теории относительности часто нелогичны и даже поразительны.

Страница оригинальных рукописей теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном, на выставке в Израильской национальной академии наук и гуманитарных наук в Иерусалиме 7 марта 2010 года. Ури Ленц / EPA файл

Если вы летите на ракете и облетите друга в такой же, но более медленной ракете, например, вы увидите, что часы вашего друга идут медленнее, чем ваши (физики называют это «замедлением времени»).

Более того, ракета вашего друга будет казаться короче вашей. Если ваша ракета ускорится, ваша масса и масса ракеты увеличатся. Чем быстрее вы движетесь, тем тяжелее становятся объекты, и тем больше ваша ракета будет сопротивляться вашим усилиям заставить ее двигаться быстрее. Эйнштейн показал, что ничто, имеющее массу, никогда не может достичь скорости света.

Другим следствием специальной теории относительности является то, что материя и энергия взаимозаменяемы в соответствии со знаменитым уравнением E = mc² (в котором E обозначает энергию, m — массу, а c² — скорость света, умноженную на себя). Поскольку скорость света — такое большое число, даже небольшое количество массы эквивалентно — и может быть преобразовано — в очень большое количество энергии. Вот почему атомные и водородные бомбы такие мощные.

Что такое общая теория относительности?

По сути, это теория гравитации. Основная идея состоит в том, что вместо того, чтобы быть невидимой силой, притягивающей объекты друг к другу, гравитация представляет собой искривление или деформацию пространства. Чем массивнее объект, тем больше он искажает пространство вокруг себя.

Например, Солнце достаточно массивно, чтобы деформировать пространство в нашей Солнечной системе — примерно так, как тяжелый мяч, лежащий на резиновом листе, искривляет лист. В результате Земля и другие планеты движутся вокруг нее по кривым траекториям (орбитам).

Это искажение также влияет на измерение времени. Мы склонны думать, что время течет с постоянной скоростью. Но точно так же, как гравитация может растягивать или деформировать пространство, она также может замедлять время. Если ваш друг заберется на вершину горы, вы увидите, что его часы тикают быстрее, чем ваши; у другого друга, на дне долины, часы будут идти медленнее из-за разницы в силе гравитации в каждом месте. Последующие эксперименты доказали, что это действительно происходит.

Как теория относительности выглядит «под капотом»?

Специальная теория относительности — это, в конечном счете, набор уравнений, связывающих то, как вещи выглядят в одной системе отсчета, с тем, как они выглядят в другой — растяжение времени и пространства и увеличение массы. Уравнения не содержат ничего более сложного, чем школьная математика.

Общая теория относительности сложнее. Его «уравнения поля» описывают взаимосвязь между массой, кривизной пространства и замедлением времени и обычно преподаются на курсах физики в университетах для выпускников.

Проверка специальной и общей теории относительности

За последнее столетие многие эксперименты подтвердили справедливость как специальной, так и общей теории относительности. В ходе первой крупной проверки общей теории относительности астрономы в 1919 году измерили отклонение света от далеких звезд, когда свет звезд проходил мимо нашего Солнца, доказав, что гравитация действительно искажает или искривляет пространство.

В 1971 году ученые проверили обе части теории Эйнштейна, поместив точно синхронизированные атомные часы в авиалайнеры и совершив на них кругосветное путешествие. Проверка часов после приземления самолетов показала, что часы на борту авиалайнеров шли немного медленнее (менее одной миллионной секунды), чем часы на земле.