Теория относительности простыми словами: Теория относительности: остроумно и простыми словами |

Содержание

Теория относительности

Содержание страницы:

Гравитационное линзирование
Изменения в орбите Меркурия
Искривление пространства-времени Землей
Гравитационное красное смещение

В 1905 году Альберт Эйнштейн сделал два заявления: что законы физики одинаковы для всех инерциальных (т.е. двигающихся с постоянной скоростью относительно друг друга) систем, и скорость света в вакууме не зависит от скорости движения наблюдателей.

Эти принципы легли в основу специальной теории относительности (СТО), которая перевернула представления ученых о физике в целом. Эйнштейн потратил целых 10 лет, чтобы включить в данную теорию такой немаловажный компонент, как ускорение. В 1915 году ему это, наконец, удалось, и он представил миру общую теорию относительности (ОТО), в которой утверждалось, что массивные тела провоцируют искривление пространства-времени, что и является по сути причиной возникновения гравитации.
Исаак Ньютон заявлял, что сила тяготения, возникающая между двумя телами, зависит от их массы и расстояния, на котором они друг от друга находятся. Центр Земли притягивает человека к себе, а центр массы человека, в свою очередь, притягивает к себе Землю. Однако наша планета, будучи значительно более массивной, чем любой ее житель, едва ли ощущает его тяготение, в то время как человек стоит на Земле именно благодаря ее притяжению. Казалось бы, все логично. Однако, Ньютон даже не пытался ответить на вопрос, как появляется гравитация, именно поэтому его теория заведомо содержала в себе ошибку. Альберт Эйнштейн пошел дальше. Приняв во внимание озвученные выше принципы СТО и доказав, что скорость света также неизменна и вне вакуума, не зависимо от скорости наблюдателей, он сделал вывод, потрясший абсолютно всех. Эйнштейн провозгласил, что пространство и время следует объединить в один континуум, который получил название пространство-время. Ученый утверждал, что события, произошедшие в одно и тоже время для одного наблюдателя, могут произойти в разное время для другого наблюдателя.

Работая над ОТО, Эйнштейн осознал, что массивные тела провоцируют искривление пространства-времени. Представить это довольно легко: вообразите резиновую мембрану, в центр которой положили массивное тело. Мембрана прогнется под весом тела, образуя «яму», верно? А если мы пустим по краю «ямы» маленький шарик, он покатится по спирали вниз, постепенно приближаясь к нашему массивному телу. Таким же образом работает и гравитация.

Хотя современное оборудование не способно ни увидеть, ни измерить пространство-время, ученые уже обнаружили несколько явлений, которые подтверждают правильность этой теории. Остановимся на них более подробно.

Гравитационное линзирование

Свет вокруг массивных тел, таких как черные дыры, изгибается, подобно тому, как преломляется луч света, проходящий через линзу.

Благодаря этому явлению астрономам удается изучать звезды и галактики, находящиеся за массивными телами.
Крест Эйнштейна — один из ярких примеров гравитационного линзирования. В его центре находится объект-линза — галактика, располагающаяся на расстоянии 400 млн световых лет от Земли.

Другие четыре объекта представляют собой изображения квазара, который на самом деле находится за галактикой и удален от нашей планеты на целых 8 млрд световых лет. Еще один интересный пример: мертвая звезда, которую удалось обнаружить при помощи телескопа «Кеплер». Этот белый карлик находится в двойной звездной системе вместе с красным карликом, который больше его по размерам, но меньше по массе. Когда белый карлик проходит перед своим соседом, его гравитационное поле искажает свет, исходящий от красного карлика, и делает его ярче.

Изменения в орбите Меркурия

Из-за искривления пространства-времени вокруг нашего массивного Солнца орбита Меркурия постепенно смещается. Через несколько миллиардов лет орбита этого небесного тела может измениться настолько, что в этом далеком будущем возможно его столкновение с Землей.

Искривление пространства-времени Землей

Эйнштейн предсказывал, что любое массивное вращающееся тело, как, например, наша планета, закручивает и искривляет пространство-время вокруг себя. Чтобы проверить это предсказание, в 2004 году НАСА запустила на орбиту Земли зонд «Gravity Probe B» (GP-B). Ориентация высокоточных гироскопов, расположенных на борту GP-B со временем действительно изменилась, причем именно настолько, насколько следовало, исходя из расчетов Эйнштейна. «Представьте, что Земля погружена в мед, — объясняет происходящее ведущий исследователь миссии «Gravity Probe B» Френсис Эверитт. – Когда планета вращается, мед закручивается вокруг нее. Тоже самое происходит и с пространством-временем».

Гравитационное красное смещение

Гравитационным красным смещением называют изменение частоты света, испущенного неким источником, по мере его удаления от массивных тел. Представьте машину скорой помощи, которая едет с включенной сиреной. Когда машина приближается к наблюдателю, длина звуковых волн уменьшается, а когда скорая помощь начинает удаляться, звуковые волны, напротив, удлиняются. Это явление называется эффект Доплера. Тоже самое происходит и с волнами света. В 1959 году два физика, Роберт Паунд и Глен Ребка, провели следующий эксперимент: ученые испускали гамма-лучи вертикально в башне Гарвардского университета и обнаружили, что в таких условиях их частота меньше, чем обычно, а причиной тому – искривления, вызванные гравитацией.

Теория относительности простым языком. Теория относительности Эйнштейна

СТО, ТОЭ — под этими аббревиатурами скрывается знакомый практически всем термин «теория относительности». Простым языком можно объяснить все, даже высказывание гения, так что не отчаивайтесь, если не помните школьный курс физики, ведь на самом деле все гораздо проще, чем кажется.

Зарождение теории

Итак, начнем курс «Теория относительности для чайников». Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, и она вызвала резонанс среди ученых. Эта теория практически полностью перекрывала многие пробелы и нестыковки в физике прошлого века, но и, ко всему прочему, перевернула представление о пространстве и времени. Во многие утверждения Эйнштейна современникам было сложно поверить, но эксперименты и исследования только подтверждали слова великого ученого.

Теория относительности Эйнштейна простым языком объясняла то, над чем люди бились столетиями. Ее можно назвать основой всей современной физики. Однако прежде чем продолжить разговор о теории относительности, следует разъяснить вопрос о терминах. Наверняка многие, читая научно-популярные статьи, сталкивались с двумя аббревиатурами: СТО и ОТО. На самом деле они подразумевают несколько разные понятия. Первая — это специальная теория относительности, а вторая расшифровывается как «общая теория относительности».

Просто о сложном

СТО — это более старая теория, которая потом стала частью ОТО. В ней могут быть рассмотрены только физические процессы для объектов, движущихся с равномерной скоростью. Общая же теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют частицы гравитонов и гравитация.

Если нужно описать движение и законы механики, а также отношения пространства и времени при приближении к скорости света — это сможет сделать специальная теория относительности. Простыми словами можно объяснить так: к примеру, друзья из будущего подарили вам космолет, который может летать на высокой скорости. На носу космического корабля стоит пушка, способная расстрелять фотонами все, что попадется впереди.

Когда производится выстрел, то относительно корабля эти частицы летят со скоростью света, но, по логике, неподвижный наблюдатель должен увидеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит фотоны, движущиеся со скоростью 300000 м/с, будто скорость корабля была нулевой.

Все дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него является неизменной величиной.

Это утверждение является основной поразительных логических выводов вроде замедления и искажения времени, зависящих от массы и скорости объекта. На этом основаны сюжеты многих научно-фантастических фильмов и сериалов.

Общая теория относительности

Простым языком можно объяснить и более объемную ОТО. Для начала следует принять во внимание тот факт, что наше пространство четырехмерное. Время и пространство объединяются в таком «предмете», как «пространственно-временной континуум». В нашем пространстве имеются четыре оси координат: х, у, z и t.

Но люди не могут воспринимать непосредственно четыре измерения, так же, как гипотетический плоский человек, живущих в двухмерном мире, не в состоянии посмотреть вверх. По сути, наш мир является только проекцией четырехмерного пространства в трехмерное.

Интересным фактом является то, что, согласно общей теории относительности, тела не меняются при движении. Объекты четырехмерного мира на самом деле всегда неизменны, и при движении изменяются только их проекции, что мы и воспринимаем как искажение времени, сокращение или увеличение размеров и прочее.

Эксперимент с лифтом

О теории относительности простым языком можно рассказать с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы в лифте. Кабинка пришла в движение, и вы оказались в состоянии невесомости. Что произошло? Причины может быть две: либо лифт находится в космосе, либо пребывает в свободном падении под действием гравитации планеты. Самое интересное состоит в том, что выяснить причину невесомости нельзя, если нет возможности выглянуть из кабинки лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.

Возможно, проведя похожий мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, значит, на самом деле тело под воздействием гравитации не ускоряется, это равномерное движение, которое искривляется под воздействием массивного тела (в данном случае планеты). Таким образом, ускоренное движение — это лишь проекция равномерного движения в трехмерное пространство.

Наглядный пример

Еще один хороший пример на тему «Теория относительности для чайников». Он не совсем корректен, зато очень прост и нагляден. Если на натянутую ткань положить какой-либо объект, он образует под собой «прогиб», «воронку». Все меньшие тела вынуждены будут искажать свою траекторию согласно новому изгибу пространства, а если у тела немного энергии, оно вообще может не преодолеть этой воронки. Однако с точки зрения самого движущегося объекта, траектория остается прямой, они не почувствуют изгиба пространства.

Гравитация «понижена в звании»

С появлением общей теории относительности гравитация перестала быть силой и теперь довольствуется положением простого следствия искривления времени и пространства. ОТО может показаться фантастичной, однако является рабочей версией и подтверждается экспериментами.

Множество, казалось бы, невероятных в нашем мире вещей может объяснить теория относительности. Простым языком такие вещи называют следствиями ОТО. Например, лучи света, пролетающие на близком расстоянии от массивных тел, искривляются. Более того, многие объекты из далекого космоса скрыты друг за другом, но из-за того, что лучи света огибают другие тела, нашему взору (точнее, взору телескопа) доступны, казалось бы, невидимые объекты. Это ведь все равно, что смотреть сквозь стены.

Чем больше гравитация, тем медленнее на поверхности объекта течет время. Это касается не только массивных тел вроде нейтронных звезд или черных дыр. Эффект замедления времени можно наблюдать даже на Земле. К примеру, приборы для спутниковой навигации снабжены точнейшими атомными часами. Они находятся на орбите нашей планеты, и время там тикает чуть быстрее. Сотые доли секунды через сутки сложатся в цифру, которая даст до 10 км погрешности в расчетах маршрута на Земле. Рассчитать эту погрешность позволяет именно теория относительности.

Простым языком можно выразиться так: ОТО лежит в основе многих современных технологий, и благодаря Эйнштейну мы легко можем найти в незнакомом районе пиццерию и библиотеку.

8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Спутник GPS Навстар-2Ф
(Изображение предоставлено ВВС США)

Сформулированная Альбертом Эйнштейном начиная с 1905 года, теория относительности объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и ее можно использовать для предсказания таких вещей, как существование черных дыр , искривление света из-за гравитация и поведение планет на своих орбитах.

Теория обманчиво проста. Во-первых, не существует «абсолютной» системы отсчета. Каждый раз, когда вы измеряете скорость объекта, его импульс или то, как он воспринимает время, это всегда связано с чем-то другим. Во-вторых, скорость света одинакова, независимо от того, кто ее измеряет или с какой скоростью движется измеряющий ее человек. В-третьих, ничто не может двигаться быстрее света.

Выводы из самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света всегда одинакова, это означает, что космонавт движется очень быстро относительно Земля будет измерять секунды медленнее, чем земной наблюдатель. Время существенно замедляется для космонавта — явление, называемое замедлением времени .

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Любой объект в большом гравитационном поле ускоряется, поэтому он испытывает замедление времени. Между тем, космический корабль астронавта испытывает сокращение длины на , а это означает, что если вы сфотографируете космический корабль во время его полета, он будет выглядеть так, как будто он «сплющивается» в направлении движения. Однако космонавту на борту все казалось бы нормальным. Кроме того, с точки зрения людей на Земле масса космического корабля могла бы увеличиться.

Но вам не обязательно нужен космический корабль , движущийся с околосветовой скоростью (откроется в новой вкладке), чтобы увидеть релятивистские эффекты. Действительно, есть несколько примеров относительности, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни и технологиях, которые мы используем сегодня, которые демонстрируют, что Эйнштейн был прав. Вот несколько способов увидеть относительность в действии.

Электромагниты

Крупный план рабочего, держащего электромагнитную катушку на заводе электромагнетиков. (Изображение предоставлено: Монти Ракусен через Getty Images)

Магнетизм — это релятивистский эффект, и вы можете увидеть это с помощью генераторов. Если вы возьмете проволочную петлю и проведете ее через магнитное поле, вы получите электрический ток. На заряженные частицы в проводе воздействует изменяющееся магнитное поле , которое заставляет некоторые из них двигаться и создает ток.

А теперь представьте провод в покое и вообразите, что магнит движется. В этом случае заряженные частицы в проводе (электроны и протоны) больше не двигаются, поэтому магнитное поле не должно на них влиять. Но это происходит, и ток все еще течет. Это показывает, что нет привилегированной системы отсчета.

Томас Мур, профессор физики Колледжа Помона в Клермонте, Калифорния, использует принцип относительности для демонстрации закона Фарадея , который гласит, что изменяющееся магнитное поле создает электрический ток.

«Поскольку это основной принцип трансформаторов и электрических генераторов, любой, кто использует электричество, испытывает эффекты относительности», — сказал Мур Live Science.

Электромагниты тоже работают по теории относительности. Когда постоянный ток электрического заряда течет по проводу, электроны дрейфуют через материал. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без положительного или отрицательного заряда, потому что в проводе примерно одинаковое количество протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). Но если положить рядом другой провод с постоянным током, провода притягиваются или отталкиваются друг от друга, в зависимости от направления, в котором движется ток, по данным физиков из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (открывается в новой вкладке).

Если предположить, что токи движутся в одном направлении, электроны во втором проводе неподвижны по сравнению с электронами в первом проводе. (Это предполагает, что токи примерно одинаковой силы.) Между тем, протоны в обоих проводах движутся по сравнению с электронами в обоих проводах. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на длину провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку как заряды отталкиваются, так и два провода отталкиваются.

Токи в противоположных направлениях приводят к притяжению, потому что по сравнению с первым проводом электроны в другом проводе более скучены, что создает общий отрицательный заряд, по данным Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (открывается в новая вкладка). Тем временем протоны в первом проводе создают суммарный положительный заряд, и противоположные заряды притягиваются.

GPS-навигация

GPS-навигация — отличный пример релятивистского замедления времени. (Изображение предоставлено: BlackJack3D через Getty Images)

Согласно PhysicsCentral , чтобы GPS-навигация вашего автомобиля функционировала так точно, спутники должны учитывать релятивистские эффекты. Это потому, что хотя спутники и не движутся близко к скорости света, они все равно движутся довольно быстро. Спутники также посылают сигналы наземным станциям на Земле. Эти станции (а также технология GPS в автомобиле или смартфоне) испытывают более высокие ускорения из-за гравитации, чем спутники на орбите.

Чтобы добиться такой высокой точности, спутники используют часы с точностью до нескольких наносекунд (миллиардных долей секунды). Поскольку каждый спутник находится на высоте 12 600 миль (20 300 километров) над Землей и движется со скоростью около 6 000 миль в час (10 000 км/ч), существует релятивистское замедление времени , которое увеличивается примерно на 4 микросекунды каждый день. Добавьте сюда эффекты гравитации, и эффект замедления времени увеличится примерно до 7 микросекунд (миллионных долей секунды).

Разница весьма реальна: если бы не учитывались никакие релятивистские эффекты, устройство GPS, которое сообщает вам, что до следующей заправки 0,8 км, расстояние до следующей заправки составило бы 5 миль (8 км), согласно в Центр физики.

Желтый цвет золота

(Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

Большинство металлов блестят, потому что электроны в атомах прыгают с разных энергетических уровней или «орбиталей». Некоторые фотоны, попавшие на металл, поглощаются и переизлучаются, хотя и с большей длиной волны. Однако большая часть видимого света отражается.

Золото является тяжелым элементом , поэтому внутренние электроны движутся достаточно быстро, чтобы релятивистское увеличение массы и сокращение длины было значительным, в соответствии с (открывается в новой вкладке) отчет (открывается в новой вкладке) из Гейдельбергского университета в Германии. В результате электроны вращаются вокруг ядра более короткими путями с большим импульсом. Электроны на внутренних орбиталях несут энергию, близкую к энергии внешних электронов, а длины волн, которые они поглощают и отражают, больше. Более длинные волны света означают, что часть видимого света, который обычно отражается, поглощается, и этот свет находится в синей части спектра. Белый свет это смесь всех цветов радуги , но в случае с золотом, когда свет поглощается и переизлучается, длина волны обычно больше. Это означает, что в смеси световых волн, которые мы видим, меньше синего и фиолетового. Поскольку длина волны желтого, оранжевого и красного света больше, чем у синего, золото кажется желтоватым, согласно BBC (открывается в новой вкладке).

Устойчивость золота к коррозии

Золото отлично подходит для использования в ювелирных изделиях, хотя изделия из чистого золота встречаются редко. (Изображение предоставлено Питером Дазели через Getty Images)

Релятивистский эффект на электроны золота также является одной из причин, по которой золото не подвергается коррозии и легко не реагирует ни с чем другим, согласно статье 1998 года в журнале Gold Bulletin .

У золота только один электрон на внешней оболочке, но оно не так реактивно, как кальций или литий. Вместо этого, поскольку электроны в золоте «тяжелее», чем они должны быть, поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, увеличивая свою массу, они удерживаются ближе к атомному ядру. Это означает, что самый дальний электрон вряд ли может вообще с чем-либо реагировать; с такой же вероятностью он может быть среди электронов, близких к ядру.

Жидкая ртуть

Ртуть используется в ЖК-экранах и мониторах. (Изображение предоставлено Питером Кейдом через Getty Images)

Меркурий также является тяжелым атомом, в котором электроны удерживаются близко к ядру из-за их скорости и последующего увеличения массы. Связи между атомами ртути слабы, поэтому ртуть плавится при более низких температурах и обычно является жидкостью, когда мы ее видим, согласно Chemistry World .

Ваш старый телевизор

Электронно-лучевая трубка, используемая в старом аналоговом осциллографе в лаборатории. (Изображение предоставлено: albln через Getty Images)

Примерно до начала 2000-х большинство телевизоров и мониторов имели экраны с электронно-лучевой трубкой. Электронно-лучевая трубка работает, запуская электроны на поверхность люминофора с помощью большого магнита. Каждый электрон образует подсвеченный пиксель, когда он попадает на заднюю часть экрана, и электроны вспыхивают, заставляя изображение двигаться со скоростью до 30% скорости света. Релятивистские эффекты заметны, и когда производители формировали магниты, они должны были учитывать эти эффекты, согласно PBS News Hour (открывается в новой вкладке).

Свет

Изображение гигантской галактики UGC 2885, полученное космическим телескопом Хаббл. (Изображение предоставлено NASA/ESAB. Holwerda (Университет Луисвилля))

Исаак Ньютон предположил, что существует абсолютная система покоя или внешняя совершенная система отсчета, с которой мы могли бы сравнить все другие системы отсчета. Если бы он был прав, нам пришлось бы придумать другое объяснение света, потому что его бы вообще не было.

«Не было бы не только магнетизма, но и света, потому что относительность требует, чтобы изменения в электромагнитном поле происходили с конечной скоростью, а не мгновенно», — сказал Мур. «Если бы теория относительности не навязывала это требование… изменения в электрических полях сообщались бы мгновенно… вместо электромагнитных волн, и и магнетизм, и свет были бы не нужны». 92 — солнце и остальные звезды не светили бы. В центре нашей родительской звезды интенсивные температуры и давления постоянно сжимают четыре отдельных атома водорода в один атом гелия, согласно Университета штата Огайо . Масса одного атома гелия лишь немногим меньше массы четырех атомов водорода. Что происходит с дополнительной массой? Он напрямую преобразуется в энергию, которая проявляется в виде солнечного света на нашей планете.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о том, как теория относительности влияет на изучение удаленных космических объектов (открывается в новой вкладке) , от НАСА.
См. , как теория относительности становится важной (открывается в новой вкладке) для ускорителей частиц от Fermilab.
Исследуйте историю теории относительности Эйнштейна и ее многочисленные подтвержденные предсказания от Европейского космического агентства.

Эта статья была обновлена 22 марта 2022 г. автором Live Science Адамом Манном.

Джесси Эмспак — автор статей для Live Science, Space.com и Toms Guide. Он занимается физикой, здоровьем человека и общей наукой. Джесси имеет степень магистра искусств Калифорнийского университета, Школы журналистики Беркли и степень бакалавра искусств Университета Рочестера. Джесси провел годы, освещая финансы, и набился зубами в местных газетах, работая с местными политиками и полицией. Джесси любит вести активный образ жизни и имеет черный пояс третьей степени по каратэ, что означает, что теперь он знает, как многому ему еще предстоит научиться.

При участии

Адам MannLive Science Contributor

8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Спутник GPS Навстар-2Ф
(Изображение предоставлено ВВС США)

Сформулированная Альбертом Эйнштейном начиная с 1905 года, теория относительности объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и ее можно использовать для предсказания таких вещей, как существование черных дыр , искривление света из-за гравитации и поведения планет на их орбитах.

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Электромагниты

Если предположить, что токи движутся в одном направлении, электроны во втором проводе неподвижны по сравнению с электронами в первом проводе. (Это предполагает, что токи примерно одинаковой силы. ) Между тем, протоны в обоих проводах движутся по сравнению с электронами в обоих проводах. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на длину провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку как заряды отталкиваются, так и два провода отталкиваются.

GPS-навигация

Желтый цвет золота

(Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

Устойчивость золота к коррозии

Жидкая ртуть

Ртуть используется в ЖК-экранах и мониторах. (Изображение предоставлено Питером Кейдом через Getty Images)

Ваш старый телевизор

Свет

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о том, как теория относительности влияет на изучение удаленных космических объектов (открывается в новой вкладке) , от НАСА.
См. , как теория относительности становится важной (открывается в новой вкладке) для ускорителей частиц от Fermilab.