Основной закон эйнштейна

Как подключить услугу

Оперировать услугами – добавлять новые и удалять те, в которых в больше не нуждаетесь, также модно самостоятельно. Если, к примеру, вы пользуетесь телефонией и хотели бы добавить интерактивное телевидение, интернет от РТК, следуйте инструкции – как подключить услугу:

  1. Выберите нужную ссылку – «Частным лицам» или «Корпоративным клиентам»

Выберите интересующий сервис и нажмите «Заказать»

  1. В нижней части страницы заполните формы, необходимые для подключения

Подождите, пока система обработает заявку

Далее на странице появится такое сообщение

После проверки технической возможности подключения новой услуги оператор свяжется с вами, чтобы уточнить данные. В случае отказа на указанный номер мобильного телефона придет соответствующее СМС-сообщение.

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.

Статус теории

Так как формирование из частной теории её общей версии у Эйнштейна заняло только 11 лет, экспериментов для подтверждения непосредственно СТО не проводилось. Однако в том же году, когда была опубликована ОТО Эйнштейн также опубликовал свои расчёты, объяснявшие смещение перигелия Меркурия с точностью до долей процентов, без необходимости введения новых констант и других допущений, которые требовались другим теориям, объяснявшим этот процесс. С тех пор правильность ОТО была подтверждена экспериментально с точностью до 10-20, а на её основе было сделано множество открытий, что однозначно доказывает правильность этой теории.

Первенство в открытии

Когда Эйнштейн опубликовал свои первые работы по специальной теории относительности и приступил к написанию её общей версии, другими учёными уже была открыта значительная часть формул и идей, заложенных в основе этой теории. Так скажем преобразования Лоренца в общем виде были впервые получены Пуанкаре в 1900 году (за 5 лет до Эйнштейна) и были названы так в честь Хендрика Лоренца получившего приближённую версию этих преобразований, хотя даже в этой роли его опередил Вольдемар Фогт.

Пуанкаре также работал над созданием теории относительности и пришёл к принципу относительности и 4-мерному пространству-времени на несколько лет раньше Эйнштейна, но так как ему не хватило смелости в своих расчётах отказаться от эфира, то прийти к верному решению ему так и не удалось.

Таким образом многие учёные сходятся к выводу что, если бы даже Эйнштейна и не было, к равенству инерционной и гравитационной массы и ряду других деталей необходимых для построения теории относительности вскоре должен был бы прийти один из других исследователей. Однако на момент публикации ОТО в 1915 году никем другим этих последних шагов не было сделано, так что первенство в создании теории относительности Эйнштейном никто из серьёзных учёных на данный момент не оспаривает.

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.

Теория относительности Эйнштейна кратко

Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.

Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее, всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.

Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился. Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.

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.

Комментарии

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

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.

Специальная теория относительности

Основная статья: Специальная теория относительности

Специальная теория относительности (СТО) — это теория локальной структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при любых скоростях движения, в том числе и близких к скорости света. Классическая механика Ньютона в рамках специальной теории относительности является приближением для малых скоростей. СТО может применяться там, где можно ввести инерциальные системы отсчёта (хотя бы локально); она неприменима для случаев сильных гравитационных полей, существенно неинерциальных систем отсчёта и при описании глобальной геометрии Вселенной (кроме частного случая плоской пустой стационарной Вселенной).

Специальная теория относительности возникла как разрешение противоречия между классической электродинамикой (включая оптику) и классическим . Последний утверждает, что все процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Это означает, в частности, что любые механические эксперименты в закрытой системе не позволят определить без наблюдения внешних по отношению к ней тел, как она движется, если её движение равномерно и прямолинейно. Однако оптические эксперименты (например, измерение скорости распространения света в разных направлениях) внутри системы в принципе должны были бы обнаружить такое движение. Эйнштейн распространил принцип относительности и на электродинамические явления, что, во-первых, дало возможность описать практически весь круг физических явлений с единых позиций, а во-вторых, позволило объяснить результаты эксперимента Майкельсона — Морли (в котором не было обнаружено никакого влияния квазиинерциального движения Земли на скорость распространения света). Принцип относительности стал первым постулатом новой теории. Однако непротиворечивое описание физических явлений в рамках расширенного принципа относительности стало возможным лишь ценой отказа от ньютоновского абсолютного евклидового пространства и абсолютного времени и их объединения в новый геометрический конструкт — псевдоевклидово пространство-время, в котором расстояния и временные промежутки между событиями трансформируются определённым образом (посредством преобразований Лоренца) в зависимости от системы отсчёта, из которой они наблюдаются. Это потребовало введения дополнительного принципа — постулата инвариантности скорости света. Таким образом, специальная теория относительности базируется на двух постулатах:

1. Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

2. Скорость света в вакууме, измеренная в любой инерциальной системе отсчёта, одна и та же и не зависит от движения излучателя.

Следствием второго принципа (и общенаучного принципа причинности) является невозможность движения физических тел и передачи информации со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

При движении со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, кинематика СТО неотличима от ньютоновской кинематики, а преобразования Лоренца переходят в классические преобразования Галилея. Формально в пределе бесконечной скорости света формулы специальной теории относительности переходят в формулы классической механики.

Относительность одновременности

Как зарегистрировать одновременность удаленных событий? Вряд ли вы размышляли на эту тему — она представляется безоговорочно ясной. Но это не так.

У меня в руках два пистолета. Я раздвигаю руки, нажимаю спусковые крючки. Гремят два выстрела. Каждый из них назовем событием. Они удалены друг от друга. Согласимся, вслед за Эйнштейном, признать их одновременными, если световые сигналы о них (именно световые, а не звук выстрелов и не пули) вместе приходят в середину расстояния между ними.

Определение это кратко. И не вызывает возражений. Использованы световые, сигналы — значит не требуется никаких оговорок о движении событий и их наблюдателей. А теперь я задам вам задачу.

По прямой реке с неправдоподобно большой скоростью (сравнимой со скоростью света) идет пароход. На носу и корме его стоят юные школьники Женя и Володя. Они забавляются стрельбой из пугачей: играют в игру «Кто первый?» Приз — леденец. Он присуждается тому, кто стреляет раньше другого. Если же выстрелы одновременны, то объявляется ничья.

Судят игру, ради объективности, два судьи: 1) капитан парохода, находящийся точно посередине между носом и кормой; 2) бакенщик, который стоит на берегу реки. И вот прогремели выстрелы. Капитан сразу видит оба — и Женин и Володин. И объявляет: ничья! Но бакенщик с ним не согласен. Для него выстрелы не одновременны. По его отсчету первым выстрелил Володя, стоящий на корме,— ему и надо, как считает бакенщик, присудить победу и приз. Почему же?

Пусть в тот момент, когда световые вспышки выстрелов достигли капитана (пришли в середину «движущегося» корабля), капитан проехал точно мимо бакенщика. Но если так, то бакенщик стоит не в середине «берегового» расстояния между выстрелами: ведь пароход успел сместиться вперед, пока свет выстрелов бежал к наблюдателям. Поэтому, хоть бакенщик тоже видит сразу оба выстрела, он обязан признать их неодновременными, ибо находится не в середине расстояния между ними.

Вот вам и недоумение: два наблюдателя, пребывая в одном месте, по-разному оценили одни и те же события. Для капитана выстрелы одновременны, для бакенщика — не одновременны. Первым бакенщик объявит более далекий от него выстрел, кормовой, так как свет кормового выстрела проскочил середину «берегового» расстояния раньше, чем туда попал свет нового выстрела.

Хочется спросить, а каковы же эти события «в действительности»? Может быть, «неподвижный» бакенщик прав, а «движущийся» капитан ошибается? Или наоборот: прав капитан, а ошибся бакенщик?

Нет. Правы оба. Оба честно и строго применили эйнштейновский способ проверки одновременности событий. Их отсчеты и мнения физически равноправны, ибо благодаря соблюдению постулатов ни у одного нет преимущества перед другим. Можно принять, что покоился капитан, а двигался бакенщик вместе с берегом, Землей и всей Вселенной. Не играет роли и относительное движение выстрелов, создавших световые сигналы. Итак, игра не удалась. Леденец остался непринужденным. Выяснить «подлинную» последовательность событий оказалось невозможно. Все зависит от относительного движения судей — наблюдателей. И никакого «в действительности» не существует, как нет «истинной», «абсолютной» скорости, а есть только относительная.

Творец теории относительности

Альберт Эйнштейн был еще молодым человеком, когда опубликовал основы теории относительности. Впоследствии ему самому становились ясны её недостатки и нестыковки. В частности, самой главной проблемой ОТО стала невозможность её врастания в квантовую механику, поскольку при описании гравитационных взаимодействий используются принципы, радикально отличающиеся друг от друга. В квантовой механике рассматривается взаимодействие объектов в едином пространстве-времени, а у Эйнштейна само это пространство формирует гравитацию.

Написание «формулы всего сущего» — единой теории поля, которая устранила бы противоречия ОТО и квантовой физики, было целью Эйнштейна на протяжении долгих лет, он работал над этой теорией до последнего часа, но успеха не достиг. Проблемы ОТО стали стимулом для многих теоретиков в поиске более совершенных моделей мира. Так появлялись теории струн, петлевая квантовая гравитация и множество других.

Личность автора ОТО оставила след в истории сравнимый со значением для науки самой теории относительности. Она не оставляет равнодушным до сих пор. Эйнштейн сам удивлялся, почему столько внимания уделялось ему и его работам со стороны людей, не имевших к физике никакого отношения. Благодаря своим личным качествам, знаменитому остроумию, активной политической позиции и даже выразительной внешности Эйнштейн стал самым знаменитым физиком на Земле, героем множества книг, фильмов и компьютерных игр.

Конец его жизни многими описывается драматически: он был одинок, считал себя ответственным за появление самого страшного оружия, ставшего угрозой всему живому на планете, его теория единого поля осталась нереальной мечтой, но лучшим итогом можно считать слова Эйнштейна, сказанные незадолго до смерти о том, что свою задачу на Земле он выполнил. С этим трудно спорить.

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.

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