Теория относительности для чайников

Источники и предшественники

В конце XIX века многим физикам казалось, что большинство глобальных проблем мироздания решено, главные открытия сделаны, и человечеству предстоит лишь использовать накопленные знания для мощного ускорения технического прогресса. Лишь некоторые теоретические неувязки портили гармоническую картину Вселенной, заполненной эфиром и живущей по незыблемым ньютоновским законам.

Гармонию портили теоретические изыскания Максвелла. Его уравнения, которые описывали взаимодействия электромагнитных полей, противоречили общепринятым законам классической механики. Это касалось измерения скорости света в динамических системах отсчета, когда переставал работать принцип относительности Галилея, — математическая модель взаимодействия таких систем при движении со световой скоростью приводила к исчезновению электромагнитных волн.

Кроме того, не поддавался обнаружению эфир, который должен был примирить одновременное существование частиц и волн, макро и микрокосмоса. Эксперимент, который провели в 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли имел целью обнаружение “эфирного ветра”, который неизбежно должен был быть зафиксирован уникальным прибором — интерферометром. Опыт длился целый год – время полного обращения Земли вокруг Солнца. Планета должна была полгода двигаться против эфирного потока, полгода эфир должен был «дуть в паруса» Земли, но результат был нулевым: смещения световых волн под воздействием эфира не обнаружили, что ставило под сомнение сам факт существования эфира.

Как понять Общую теорию относительности?

Общую теорию относительности Эйнштейна можно выразить всего в 12 словах:«пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться». Но это краткое описание, сделанное физиком Джоном Уилером, скрывает более сложную и глубокую истину. Помимо квантовой теории, общая теория относительности является одним из двух столпов современной физики – нашей рабочей теории гравитации и очень большой теории планет, галактик и Вселенной в целом. Она является продолжением специальной теории относительности Эйнштейна – но настолько массивной, что ему потребовалось 10 лет, с 1905 по 1915 год, чтобы перейти от одной к другой.

Как пишет New Scientist, согласно специальной теории относительности (СТО) движение искривляет пространство и время. ОТО Эйнштейна объединила ее с принципом, отмеченным Галилеем более трех столетий назад: падающие объекты ускоряются с одинаковой скоростью независимо от их массы.

Вслед за Галилеем Исаак Ньютон показал, что это может быть верно только в том случае, если присутствует странное совпадение: инерционная масса, которая количественно определяет сопротивление тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая количественно определяет реакцию тела на гравитацию. Нет никакой очевидной причины, почему это должно быть так, но ни один эксперимент никогда не разделял эти две величины.

Точно так же, как он использовал постоянную скорость света для построения специальной теории относительности, Эйнштейн объявил это принципом природы: принципом эквивалентности. Вооружившись этим и новой концепцией пространства и времени как переплетенного «пространства-времени», вы можете построить картину, в которой гравитация является лишь формой ускорения.

Массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя предметы ускоряться по направлению к ним.

Хотя гравитация доминирует в больших космических масштабах и вблизи очень больших масс, таких как планеты или звезды, она на самом деле является самой слабой из четырех известных сил природы – и единственной, не объясненной квантовой теорией. Квантовая теория и общая теория относительности применяются в разных масштабах. Это мешает понять, что происходило в самые ранние моменты Большого взрыва, например, когда Вселенная была очень маленькой, а сила гравитации огромна. В другой ситуации, когда эти силы сталкиваются у горизонта событий черной дыры, возникают неразрешимые парадоксы.

Некоторые физики возлагают надежду на то, что однажды некая «теория всего» сможет объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, хотя такие попытки, как теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, до сих пор не принесли никаких результатов. Между тем ОТО Эйнштейна предсказала, что очень плотные скопления массы могут исказить пространство-время настолько, что даже свет не сможет вырваться из него. Теперь мы называем эти объекты «черными дырами», можем фотографировать «горизонт событий», который окружает этих космических монстров, и практически убеждены, что в центре каждой массивной галактики вращается сверхмассивная черная дыра.

Математические уравнения общей теории относительности Эйнштейна, проверенные снова и снова, в настоящее время являются наиболее точным способом предсказания гравитационных взаимодействий, заменив разработанные Исааком Ньютоном за несколько столетий до этого.

Но, возможно, самый большой триумф общей теории относительности наступил в 2015 году, когда были открыты гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, вызванная движением очень массивных объектов. Сигнал о том, что две черные дыры соединились и слились воедино, стал триумфом кропотливой, терпеливой работы, проделанной международной командой исследователей лабораторий LIGO VIRGO. Подробнее о том, как эксперты ищут гравитационные волны сегодня, читайте в увлекательном материале Ильи Хеля. Так или иначе, разработка квантово-физической «версии» общей теории относительности остается постоянной целью современной физики.

Постулаты Эйнштейна: сумасшедшая природа и эксперименты на звездолете

В начале XX века великий физик Альберт Эйнштейн сказал своим коллегам: «Равномерное прямолинейное движение невозможно отличить от покоя, хотя скорость света не зависит от движения источника».

Эта фраза для тогдашних ученых несла в себе примерно такой же смысл, как для меня приказ, описанный в прологе. Потому что вторая ее часть резко противоречила первой. Поехать в Киев немудрено. Остаться в Одессе еще проще. Сделать то и другое сразу — абсурд.

Согласиться, что скорость света не зависит от движения лампы, очень просто. В XIX веке выяснилась волновая природа света, а скорость волн никак не зависит от скорости их источника. Например, звуковые волны невозможно ускорить, послав их «с разбега».

С другой стороны, легко признать, что строго равномерные прямолинейные движения невозможно отличить от покоя. Каждый на собственном опыте почувствовал это в каюте плавно идущего парохода. Такие движения фиксируются лишь по отношению друг к другу, то есть относительны. Еще 400 лет тому назад об этом писал прозорливый Галилей.

Как видите, по отдельности обе части эйнштейновского заявления ничуть не страшны. Совмещение же их представлялось безумным потому, что первой, казалось, нацело опровергалась вторая. Как необходимостью пребывания в Одессе нацело отвергается командировка в Киев.

Пусть я сижу в ракете, находящейся где-то в далеком космосе. И не знаю, движусь ли я. Но хочу узнать.

Будь вокруг неподвижный воздух, я воспользовался бы независимостью скорости звука от скорости звукового источника: дал бы с ракеты звуковой сигнал и проверил, догоняю я его волны или нет. В воздухе такая операция вполне доступна. Современные самолеты даже обгоняют рев своих двигателей: заметив внезапно наступившую относительную тишину, летчик понимает, что шум остался позади и самолет мчится в воздухе быстрее звука. Но воздуха за окном ракеты нет. Звуки молчат.

Зато у меня есть прожектор. И так как скорость света, подобно скорости звука, не зависит от скорости источника, я решаю с помощью света обнаружить собственное движение. Вот я зажег прожектор, от него побежал световой сигнал. Стоит мне, казалось бы, узнать, нагоняю ли я его или отстаю от него в своей ракете, и дело сделано: если догоняю или отстаю, значит, движусь, если нет — стою на месте. А если, включив прожектор, я не вижу его света, значит, моя ракета обогнала свет — подобно самолету, обогнавшему звук. Возможно такое?

Тут-то и приходится дать парадоксально-отрицательный ответ: нет, невозможно. Хоть скорость света, действительно, не зависит от движения фонаря.

В 1881 году американец Майкельсон осуществил именно то, что захотел сделать я в своей ракете. Он зажег в лаборатории лампу и попытался проверить, можно ли зарегистрировать «погоню» за ее светом. Лаборатория-то наверняка двигалась — она находилась на Земле, мчащейся по орбите вокруг Солнца. И Майкельсон придумал остроумный способ регистрации «погони». Но из его затеи ничего не вышло. Световой луч абсолютно не «чувствовал» движения Земли, мчался с точно одинаковой скоростью и вдоль движения Земного шара по орбите, и против, и под любым углом.

Так «несовместимое» совместилось! Стало экспериментальным фактом удивительное согласие двух «непримиримых» утверждений о движении и свете. Теперь будем называть их первым и вторым постулатами Эйнштейна. Первый — про относительность скоростей, второй — про независимость скорости света от движения лампы.

Первый постулат — главный. А второй с огромной убедительностью его подтверждает. Если раньше была надежда хоть с помощью света отличить «абсолютное» движение от «абсолютного» покоя, то с приходом Эйнштейна она исчезла.

И дело тут не только в свете. Не думайте, что для людей, зажмуривших глаза, физика меняется. Вместо света в формулировку второго постулата можно подставить радиоволны, тяготение, нейтрино, любое поле, распространяющееся со световой скоростью (а только такие поля и есть в природе), — постулат останется в силе. Словом, по Эйнштейну, никаким физическим экспериментом нельзя обнаружить «абсолютную» скорость. Ее просто нет. Мир таков, что в нем существуют только относительные скорости. И относительный покой.

В этом мире много непривычного. Главную его особенность Эйнштейн постиг, если верить биографам, «однажды утром, хорошо выспавшись». Это было открытие, перевернувшее привычный взгляд на все устройство природы — открытие относительности одновременности. Доказательство того удивительного факта, что события, одновременные для одного наблюдателя, должны быть неодновременны для другого наблюдателя, который движется относительно первого.

Масса и энергия

Клио переменил профессию. Теперь он не бандит, а коммерсант. Поэтому наша очередная встреча с Клио — в Одессе на Привозе. Хитрый робот уговаривает багатого заграничного туриста, мультимиллионера, купить маленький прозрачно-розовый липкий предмет одесского производства и просит за него ни много ни мало — пять миллионов долларов. Этот предмет, по словам Клио, есть законсервированная энергия в количестве 125 миллионов киловатт-часов.

Богач не прочь запастись на черный день сверхъемким концентратом энергии, доводы Клио его убеждают (их содержание будет изложено ниже), и сделка вот-вот совершится. Но тут вырастает из-под земли вездесущий майор Прошкин и запрещает торговлю.

– Стыдно, гражданин Клио! — говорит он укоризненно. И конфискует прозрачно-розовый предмет, который оказывается обыкновенным леденцом. – Я ему не врал…— мямлит разочарованный жулик. – Знаю,— стальным голосом отвечает Прошкин,— но и не все сказали, что положено. Идите!

На этот раз ареста не последовало. Потому что Клио, как ни странно, говорил туристу чистую правду. Вернее, частицу чистой правды. Сейчас вы поймете, в чем дело.

Всем известно: толкнуть ядро труднее, чем бросить спичку. Массивное тело ускорить труднее, чем легкое. Ускорить — значит преодолеть инерцию тела, а мерой инерции (как известно всем шестиклассникам) служит масса. Теперь вспомним, что с увеличением относительной скорости тела разгон его становится все труднее (это доказала погоня на эскалаторе). А раз так, то можно считать: чем быстрее движется тело, тем больше его масса.

У капитана на ладони леденец. Масса его пять граммов. Для бакенщика этот леденец чуть-чуть массивнее, потому что движется относительно него. А для протона, несущегося в космических лучах, эта маленькая конфета весит десять килограммов — относительно протона леденец мчит со скоростью, близкой к световой. И наоборот, протоны, летящие в космических лучах, для нас с вами в сотни и тысячи раз массивнее тех, что пребывают в относительной неподвижности. Физики-экспериментаторы установили этот факт с полной достоверностью. Массы тел относительны! Так же как и скорости, и длительности, и расстояния. И как энергии.

Действительно, по мере разгона всякое тело обогащается энергией, истраченной на ускорение. И смотрите: растет энергия движения тела, растет и сопротивление дальнейшему ускорению, то есть инерция, масса. У тела, мчащегося почти со скоростью света, энергия безмерно велика и так же огромна масса. Сбавлена скорость тела — значит, уменьшена и его энергия, а вместе с ней и масса. Выходит, по энергии движущегося тела можно судить о его массе, по массе — об энергии. Та и другая изменяются вместе, одинаково. Напрашивается вывод: энергия и масса эквивалентны. Энергия и масса — две характеристики одного и того же явления — движения материи.

Тут есть тонкость. Когда бакенщик, взяв из рук капитана леденец, «остановит» его и отправит себе в рот, масса леденца не пропадет, пять граммов ее останутся. А энергия механического движения леденца относительно бакенщика исчезнет полностью. Энергии как будто нет, а масса сохранилась. Как это сочетать с выводом об их эквивалентности?

В предпоследней фразе — умышленная (с моей стороны) ошибка. Энергия у «оставленного» леденца не пропала. Потому что движение в нем не прекращено. Нет лишь механического перемещения леденца как целого тела. Зато есть (причем, относительно бакенщика!) беспрерывная тепловая пляска его атомов и молекул (заморозьте леденец — и он станет легче, правда, совершенно неуловимо). Есть движение электронов в атомах и между ними. Есть электрические, магнитные, ядерные силы, а они, как теперь доказано, тоже обусловлены движением — беспрерывным поглощением и испусканием микрочастиц.

Леденец (как и любое другое тело, будь то песчинка, пушинка, капля, гора, планета) лишь внешне спокоен. Внутри, в микромире своем, это клубок молниеносных вихрей, вибраций, сдвигов, порой очень своеобразных, не похожих на привычные нам механические движения. И конечно же, этот клокочущий круговорот материи, хоть он и невидим глазом, неощутим руками, — средоточие гигантской энергии, той самой, что эквивалентна «массе покоя» — массе «остановленного» леденца.

Частые вопросы

Происходит ли движение с ускорением при воздействии гравитации — ответить на этот вопрос поможет следующий мысленный эксперимент. Можно представить, что человек находится в свободно падающем лифте. Тогда он и все предметы будут испытывать невесомость и двигаться так, как если бы находились в космосе и перемещались с постоянной скоростью.

Отличить эти два состояния невозможно. Движение под действием гравитации в четырёхмерном континууме является равномерным. Но с точке зрения людей выглядит ускоряющимся. Так происходит из-за того, что массивные тела искажают пространство-время. Таким образом гравитация является не силой, а искажением пространства-времени.

Иногда искривление поясняют следующим образом. Можно представить двумерную упругую поверхность, на которой расположены массивные тела, продавливающие её. Если мимо них равномерно движутся тела, то они будут двигаться, повторяя изгибы поверхности.

Чёрная дыра в рамках этого иллюстративного образа выглядит как очень тяжёлый объект, продавливающий настолько сильно, что края углубления сомкнулись. Таким образом то, что попало внутрь пузыря уже не имеет шансов вырваться наружу.

Возникает вопрос о том, насколько приведённые в статье удивительные рассуждения и мысленные эксперимент соответствуют реальности. Несмотря на то, что на первый взгляд, в теории много непривычного и странного, тем не менее наука находит всё больше подтверждений.

Надо понимать, что наиболее полно описанные эффекты проявляются на скоростях, близких скорости и света и в гигантских космических масштабах. Учёные проверяют то, что следует из этой теории. Современное состояние науки и техники предоставляет возможность убедительно подтвердить основные положения теории.

Например, известно, что свет должен огибать тела вследствие существования гравитационных искажений. При наблюдениях в космосе обнаружено, что становятся видны дальние объекты, которые на самом деле должны быть заслонены ближними. Это происходит из-за того, что свет от них идущий, огибает препятствия.

Сильная гравитация вызывает замедление времени. GPS и ГЛОНАСС для своей работы должны использовать очень точное время. Им приходится учитывать замедление времени, возникающее из-за гравитации

Если бы они не обращали на это внимание, то погрешность определения точки на поверхности Земли могла превышать 10 км

Предсказание существования чёрных дыр — заслуга теории относительности. У этих объектов гравитация настолько сильна, что время там полностью останавливается. Если свет попадает к ней, то наружу он выйти не может. Астрономы подтвердили существование чёрных дыр при помощи современных методов исследования.

Учёные многократно проводили точное измерение скорости света от различных источников. Всегда получалась одна и та же величина. Например, свет, излучаемый Солнцем или далёкой звездой, на первый взгляд, должен иметь определённые различие в скорости. Современная техника позволяет произвести измерения с очень высокой точностью, но было обнаружено, что эти значения совпадают.

В статье приведены примеры, помогающие понять базовые принципы устройства пространственно-временного континуума. На самом деле речь идёт только об основных понятиях. Теория значительно более сложна, имеет строгое обоснование и подтверждается современными научными данными.

Гравитационные волны — ключ к истокам Вселенной

Столкновение двух черных дыр 1,3 миллиарда лет назад (как показано на этой анимации) породило гравитационные волны, которые впервые были обнаружены исследователями из гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO) 14 сентября 2015 года. Фото: Caltech

Когда происходит массивное звездное событие, оно создает заметную рябь в пространстве-времени — гравитационные волны. Этот феномен может помочь теоретикам выяснить, как была создана Вселенная.

Если ученые смогут обнаружить волны от Большого взрыва — самого масштабного события в известной Вселенной, — это открытие поможет доказать, что взрыв действительно был, а также определить, когда именно он произошел.

И хотя к настоящему времени ученые обнаружили лишь одну подтвержденную гравитационную волну, космические агентства по всему миру не оставляют попытки найти и другие.

Сущность СТО

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

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

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на
опыте и является безусловно верной теорией в своей
области применимости. Учёт достижений экспериментальной физики позволяет
утверждать, что в пределах своей области применимости – при пренебрежении
эффектами гравитационного
взаимодействия тел – СТО является справедливой с очень высокой степенью
точности (до 10−12 и выше) (см. список
литературы). По меткому замечанию Л. Пэйджа «В наш
век электричества, вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора
неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь
уметь слушать».

Четырёхмерный
континуум — пространство-время

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

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

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

световой конус).

Основные принципы СТО

Таким образом, на границе XIX и XX веков в развитии физики возник серьезный кризис. Выход нашел А.Эйнштейн, отказавшись, как это часто случается в случае величайших открытий, от классического видения. В данном случае, речь шла о классических представлениях о пространстве и времени. Важнейшим шагом здесь стал иной взгляд на понятие абсолютного времени, которое использовалось в классической физике. Привычные представления, казавшиеся логичными и очевидными, по факту показали свою несостоятельность. Множество понятий и величин, в нерелятивистской физике считавшихся абсолютными или не имеющими зависимости от системы отсчета, в теории относительности оказались переведенными в разряд относительных.

Основой специальной теории относительности являются принципы или постулаты, которые Эйнштейн сформулировал в 1905 году.

Определение 3

Принципы СТО:

  1. Принцип относительности: все законы природы инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой. Данный принцип означает единство формы физических законов (не только механических) во всех инерциальных системах.
    Т.е. принцип относительности классической механики является обобщенным для всех процессов природы, в частности, электромагнитных. Такой обобщенный принцип носит название принципа относительности Эйнштейна.
  2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не имеет зависимости от того, с какой скоростью движется источник света или наблюдатель, и является одинаковой во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в теории относительности находится на особом положении. Скорость света есть предельная скорость, с которой передаются взаимодействия и сигналы из одной точки пространства в другую.

Указанные принципы необходимо расценивать в качестве обобщения всей совокупности экспериментальных фактов. Выводы и следствия из теории, основанной на данных принципах, получили подтверждение в ходе огромного количества опытных проверок. Специальная теория относительности дала возможность найти ответы на все вопросы «доэйнштейновской» физики и дать объяснение противоречивым результатам уже имеющихся тогда опытов в области электродинамики и оптики. Впоследствии теория относительности получила подкрепление в виде экспериментальных данных, которые были получены в процессе изучения движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п.

Постулаты теории относительности явно противоречат классическим представлениям. Проведем такой мысленный эксперимент: в момент времени t=, в который существует совпадение координатных осей двух инерциальных систем K и K’, в общем начале координат произошла кратковременная вспышка света. За время t системы будут смещены относительно друг друга на расстояние vt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет обладать радиусом ct (рис. 4.1.3), поскольку системы являются равноправными, и в каждой из них скорость света равна c.

Рисунок 4.1.3. Кажущееся противоречие постулатов СТО.

С позиции наблюдателя в системе K центр сферы расположен в точке O, а с позиции наблюдателя в системе K’ центр размещается в O’. Таким образом, получается, что центр сферического фронта одномоментно расположен в двух разных точках!

Причиной подобного недоразумения является не противоречие между двумя постулатами теории относительности, а допущение факта, что положение фронтов сферических волн для обеих систем имеет отношение к одному и тому же моменту времени. Такое допущение содержится в формулах преобразования Галилея, в соответствии с которыми время в обеих системах течет одинаково: t=t’. Таким образом, принципы Эйнштейна противоречат не друг другу, а формулам преобразования Галилея, и в таком случае на смену галилеевых преобразований теория относительности записала иные формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую, получившие название преобразований Лоренца. Преобразования Лоренца при скоростях движения, приближенных к скорости света, дают возможность дать объяснение всем релятивистским эффектам, а при малых скоростях (υ<<c) переходят в формулы преобразования Галилея. Итак, новая теория (специальная теория относительности или СТО) не отвергает прежнюю классическую механику Ньютона, а лишь уточняет пределы ее применения. Эта взаимосвязь между прежней и новой, более общей теорией, частью которой является прежняя в качестве предельного случая, получила название принципа соответствия.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Что представляет собой теория относительности Эйнштейна?

Специальная теория относительности (далее: СТО) была опубликована в 1905 году как дополнение к научному труду «Электродинамика движущихся тел».

Она объясняла закономерность движения двух объектов относительно друг друга в одной системе координат при условии неизменной скорости и однородности внешней среды.

Принципиальное обоснование СТО базировалось на двух составляющих:

  1. Аналитические данные, полученные опытным путем. При наблюдении за движущими телами в одной структурной параллели был определен характер их движения, существенные отличия, особенности;
  2. Определение параметров скорости. За основу была взята единственная неподдающаяся изменению величина, — «скорость света», которая равняется 3*10^8 м/с.

Путь становления Теории Относительности

Возникновение теории относительности стало возможным благодаря научным трудам Альберта Эйнштейна, который смог объяснить и доказать разницу в восприятии пространства и времени в зависимости от позиции наблюдателя и скорости перемещения объектов. Как это происходило?

В середине 18 века, ключевой базой для проведения исследований стала загадочная на тот период времени структура под названием эфир. По предварительным данным и заключениям научной группы – эта субстанция способна проникать через любые слои, не влияя на их скорость. Также было выдвинуто предположение о том, что изменения внешнего восприятия скорости меняют и саму скорость света (современной наукой доказана ее постоянство).

https://youtube.com/watch?v=3m01oiOZU1E

Альберт Эйнштейн, изучив эти данные, полностью отверг учения об эфире и осмелился предположить, что скорость света – это детерминантная величина, которая не зависит от внешних факторов. По его словам, изменяется только визуальное  восприятие, но не суть происходящих процессов. Позже, в доказательство своих убеждений, Эйнштейном был проведен дифференцированный эксперимент, который доказал справедливость такого подхода.

Главной особенностью исследования было внедрение человеческого фактора. Нескольким персонам предлагалось двигаться из пункта А в пункт Б параллельно, но с различной скоростью. По достижении исходной точки этих людей просили описать увиденное вокруг и впечатление о процессе. Каждый человек из выбранной группы делал собственные умозаключения и результат не совпадал. После того как тот же самый опыт был повторен, но люди двигались с одинаковой скоростью и в одном направлении, мнение участников эксперимента стало схожим. Таким образом, был подведен окончательный итог и теория Эйнштейна нашла доподлинное подтверждение.

Второй этап развития СТО – учение о пространственно-временном континууме

Основой учения о пространственно-временном континууме стала связующая нить между направлением движения объекта, его скоростью и массой. Такую «зацепку» для проведения дальнейших исследований дал первый удачный показательный эксперимент, проведенный с участием сторонних наблюдателей.

Какую роль в этом процессе играет массовая доля объекта измерения? Всем школьникам и студентам знакома физическая формула E=m*c², в которой: Е – энергия, м – масса тела, с – скорость. По закону применения этой формулы, масса тела значительно увеличивается благодаря увеличению скорости света. Из этого следует, что чем выше скорость, тем больше будет масса исходного объекта в любом из направлений движения. А пространственно-временной континуум лишь диктует порядок увеличения и расширение, объемность пространства (когда речь идет об элементарных частицах, на которых построены все физические тела).

Доказательством такого подхода стали опытные образцы, при помощи которых ученые пытались достичь скорости света. Они наглядно убедились в том, что при искусственном увеличении массы тела добиться желаемого ускорения становится все сложнее. Для этого требовался постоянный неиссякаемый источник энергии, которого в природе просто-напросто не существует. После получения заключения теория Альберта Эйнштейна была полностью доказана. 

Изучение теории относительности требует значительного понимания физических процессов и основ математического анализа, которые проходят в старшей школе и на первых курсах профессиональных технических училищ, высших учебных заведений технического профиля

Без представления основ освоить полную информацию и оценить важность исследований гениального физика просто-напросто не возможно

Что до, и что после

А как быть с относительностью одновременности? Она сохраняется. Но лишь для событий, которые невозможно соединить причинной связью.

В огороде сломался куст бузины (первое событие), и в Киеве чихнул дядька (второе событие) — вот происшествия, вообще говоря, никак не связанные между собой. Значит, они могут быть одновременными относительно каких-то наблюдателей. Но вдруг выясняется вот что: чихая, дядька задел курок ружья, благодаря чему произошел выстрел, пуля полетела в огород и сломала там куст бузины. Так складывается цепочка причин и следствий. И поэтому разрешение на одновременность пропадает.

С точки зрения любого, как угодно движущегося, наблюдателя, сначала чихнет дядька, а потом сломается бузина. Пусть даже нет ружья, пусть дядька чихнул сам по себе, а бузина сломалась сама по себе, но если это ружье можно примыслить, не нарушая постулатов Эйнштейна, если, иначе говоря, события допускают причинную связь, то они поэтому обязательно неодновременны.

Теперь вернем нашим событиям потерянное право на одновременность. Ради этого, оставив дядьку в Киеве, вооружим его сверхдальнобойным ружьем-лазером, которое стреляет светом, а огород устроим где-нибудь на Луне. Чихая, неуклюжий дядька опять задевает спусковой крючок, ружье стреляет, световая «пуля» летит на Луну, но попадает туда, предположим, через полсекунды после того, как там сломался куст бузины. Теперь мы вправе заявить: оба события причинно не связаны. Дядьку, несмотря на его неаккуратность, нельзя винить в поломке куста. Потому что свет от Киева до Луны (380 тысяч километров) движется больше секунды, а поломка бузины на Луне состоялась за полсекунды до прилета туда световой пули. Так наши события получили разрешение на относительную одновременность. Для наблюдателей, движущихся по-разному, они будут иметь разную последовательность либо совпадать.

Дальше расположены события друг от друга в пространстве — шире пределы их относительной одновременности. От Земли до ближайшей звезды (Проксима Центавра) примерно сто тысяч миллиардов километров. Свет проходит этот путь за четыре года. Я с Земли посылаю к Проксиме световой (или радио) сигнал — и уверен, что любое из земных событий, произошедших в последующее четырехлетие, не связано причинной связью с любым событием на Проксиме, происходящим в любой момент на протяжении четырех лет до прибытия туда земного светового сигнала.

Так что, если какой-нибудь бравый фантаст напишет такую фразу: «когда уставший космонавт обедал на спутнике Проксимы, в далеком Киеве его друзья встречали новый, 2067 год»,— не верьте этому фантасту. По отсчетам неодинаково движущихся наблюдателей обед космонавта может совпадать с наступлением в Киеве разных новых годов!

Важнейшие выводы из уравнения

Из уравнения Эйнштейна следуют 3 важнейших следствия:

  1. Массы в покое имеют присущую им энергию. Это важный вывод для понимания того, как устроена Вселенная. Согласно ему, гравитация, которая существует между любыми двумя массами во Вселенной, работает на основе энергии, эквивалентной массе через формулу Эйнштейна.
  2. Масса может быть преобразована в чистую энергию. Уравнение помогает точно рассчитать, сколько энергии будет получено в процессе преобразования массы. Примером может служить процесс ядерной реакции: в ходе реакции получается, что начальная масса больше конечной. Разницей в количестве масс как раз является высвобожденная энергия. Количество уменьшающейся массы в данном примере становится энергией, которая рассчитывается по формуле E\;=\;mc².
  3. Энергию можно использовать для того чтобы сделать массу из ничего. Именно этим занимаются ученые, которые в Большом адронном коллайдере в CERN ищут новые, высокоэнергетические частицы, создавая их из чистой энергии. Получаемая масса частиц исходит из имеющейся энергии, рассчитываемой по формуле Эйнштейна.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий