Ogólna relatywność. Teoria względności Alberta Einsteina

Mówiono o tej teorii, że tylko trzy osoby na świecie ją rozumieją, a kiedy matematycy próbowali wyrazić w liczbach, co z niej wynika, sam autor - Albert Einstein - żartował, że teraz przestał go rozumieć. Specjalna i ogólna teoria względności jest nieodłącznym elementem nauczania, na którym budowane są współczesne naukowe poglądy na strukturę świata.

"Rok cudów"

W 1905 r. Wiodąca publikacja naukowa w Niemczech, Annalen der Physik (Annals of Physics), opublikowała po kolei cztery artykuły 26-letniego Alberta Einsteina, który pracował jako ekspert trzeciej klasy - drobny urzędnik - Federalne Biuro ds. Patentowych Wynalazków w Bernie. Wcześniej współpracował z czasopismem, ale publikacja tylu prac w jednym roku była niezwykłym wydarzeniem. Stało się jeszcze bardziej wyjątkowe, gdy wartość idei zawartych w każdym z nich stała się jasna.

W pierwszym artykule wyrażono myśli o kwantowej naturze światła i rozważano procesy absorpcji i emisji promieniowania elektromagnetycznego. Na tej podstawie wyjaśniono najpierw efekt fotoelektryczny - emisję elektronów emitowanych przez fotony światła przez substancję - zaproponowano formuły obliczania ilości energii uwolnionej w tym procesie. To dla teoretycznego rozwoju efektu fotoelektrycznego, który zapoczątkował mechanika kwantową, a nie dla postulatów teorii względności, Einstein otrzyma nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1922 roku.

Kolejny artykuł położył podwaliny dla zastosowanych obszarów statystyki fizycznej na podstawie badań. Ruch Browna najmniejsze cząstki zawieszone w cieczy. Einstein zaproponował metody znajdowania wzorów fluktuacji - przypadkowych i przypadkowych odchyleń wielkości fizycznych od ich najbardziej prawdopodobnych wartości.

I na koniec artykuły "O elektrodynamice poruszających się ciał" i "Czy bezwładność ciała zależy od jego zawartości energetycznej?". Zawierał zarazki tego, co zostanie określone w historii fizyki jako teoria względności Alberta Einsteina, a raczej jego pierwsza część - SRT - teoria specjalna względność.

Źródła i poprzednicy

Pod koniec XIX wieku wielu fizykom wydawało się, że większość globalnych problemów wszechświata została rozwiązana, główne odkrycia zostały dokonane, a ludzkość musiała jedynie wykorzystać zgromadzoną wiedzę, by silnie przyspieszyć postęp techniczny. Tylko niektóre teoretyczne niespójności zepsuły harmoniczny obraz Wszechświata, wypełnionego eterem i żyjącym zgodnie z niewzruszonymi prawami Newtona.

Harmony zepsuł studia teoretyczne Maxwell. Jego równania, które opisywały interakcję pól elektromagnetycznych, były sprzeczne z ogólnie przyjętymi prawami mechaniki klasycznej. Chodziło o pomiar. prędkość światła w dynamicznych układach odniesienia, kiedy zasada względności Galileo przestała działać, matematyczny model interakcji takich systemów podczas poruszania się z prędkością światła doprowadził do zniknięcia fale elektromagnetyczne.

Ponadto nie zareagowała na odkrycie eteru, który miał pogodzić równoczesne istnienie cząstek i fal, makro i mikrokosmos. Eksperyment przeprowadzony w 1887 r. Przez Alberta Michelsona i Edwarda Morleya miał na celu wykrycie "eterycznego wiatru", który nieuchronnie musiał zostać naprawiony przez wyjątkowy instrument - interferometr. Eksperyment trwał cały rok - czas pełnego obrotu Ziemi wokół Słońca. Planeta musiała przez pół roku poruszać się w strumieniu eteru, eter musiał "wpadać w żagle" Ziemi przez pół roku, ale wynik był zerowy: żadne fale świetlne nie zmieniły się pod wpływem eteru, który podważył samo istnienie eteru.

Lorenz i Poincare

Fizycy próbowali znaleźć wyjaśnienie wyników eksperymentów dotyczących wykrywania eteru. Hendrick Lorenz (1853-1928) zaproponował swój model matematyczny. Powróciła do życia w eterycznym wypełnieniu przestrzeni, ale tylko pod bardzo warunkowym i sztucznym założeniem, że poruszając się przez eter, obiekty mogą kurczyć się w kierunku ruchu. Ten model został zmodyfikowany przez wielkiego Henri Poincaré (1854-1912).

W pracach tych dwóch naukowców po raz pierwszy pojawiły się pojęcia, które w dużej mierze stanowią główne założenia teorii względności, a to nie pozwala, by oskarżenia Einsteina o plagiat osłabły. Należą do nich konwencjonalność pojęcia równoczesności, hipotezy o stałości prędkości światła. Poincaré przyznał, że przy wysokich prędkościach prawa mechaniki Newtona wymagają przetwarzania, stwierdził, że ruch jest względny, ale stosuje się do teorii eteru.

Specjalna teoria względności - SRT

Problemy z prawidłowym opisem procesów elektromagnetycznych stały się motywującą przyczyną wyboru tematu dla rozwoju teoretycznego, a artykuły Einsteina opublikowane w 1905 r. Zawierały interpretację konkretnego przypadku - ruchu jednolitego i prostoliniowego. W 1915 r. Powstała ogólna teoria względności, która wyjaśniała również interakcje oddziaływań grawitacyjnych, ale pierwsza była teorią zwaną specjalną.

Specjalna teoria względności Einstein można streścić jako dwa podstawowe postulaty. Pierwszy rozkłada akcję Galilejska zasada względności o wszystkich zjawiskach fizycznych, a nie tylko o procesach mechanicznych. W bardziej ogólnej formie brzmi: Wszystkie prawa fizyczne są takie same dla wszystkich układów odniesienia inercyjnych (poruszających się w sposób jednorodny, prostoliniowy lub w spoczynku).

Drugie zdanie, które zawiera specjalną teorię względności: prędkość światła w próżni dla wszystkich bezwładnościowych układów odniesienia jest taka sama. Następnie następuje bardziej ogólnoświatowy wniosek: prędkość światła jest najwyższą możliwą szybkością przekazywania interakcji w przyrodzie.

W obliczeniach matematycznych SRT otrzymuje formułę E = mc², która wcześniej pojawiała się w fizycznych publikacjach, ale to dzięki Einsteinowi stała się najbardziej znaną i popularną w historii nauki. Wniosek o równoważności masy i energii jest najbardziej rewolucyjną formułą teorii względności. Koncepcja, że ​​każdy obiekt z masą zawiera ogromną ilość energii, stał się podstawą rozwoju wykorzystania energii jądrowej, a przede wszystkim doprowadził do pojawienia się bomby atomowej.

Efekty specjalnej teorii względności

SRT implikuje kilka konsekwencji, które nazywane są efektami relatywistycznymi (względności lub względności). Dylatacja czasu jest jedną z najjaśniejszych. Jego istotą jest to, że w ruchomej ramie czasu odniesienia działa wolniej. Obliczenia pokazują, że na statku kosmicznym, który wykonał hipotetyczny lot do układu gwiazd Alpha Centauri iz powrotem z prędkością 0,95 s (c to prędkość światła), zajmie to 7,3 roku, a na Ziemi będzie to 12 lat. Takie przykłady są często przytaczane, gdy wyjaśnia się teorię względności dla czajników, podobnie jak podwójny paradoks związany z tym efektem.

Innym efektem jest zmniejszenie wymiarów liniowych - to znaczy, z punktu widzenia obserwatora, obiekty poruszające się względem niego z prędkością bliską c będą miały mniejsze wymiary liniowe w kierunku ruchu niż ich własna długość. Ten efekt przewidywany przez fizykę relatywistyczną nazywa się skurczem Lorentza.

Zgodnie z prawami relatywistycznej kinematyki masa poruszającego się obiektu jest większa niż masa spoczynkowa. Efekt ten staje się szczególnie istotny przy opracowywaniu instrumentów do badania cząstek elementarnych - bez brania tego pod uwagę trudno sobie wyobrazić pracę LHC (Large andron Collider).

Czas w przestrzeni kosmicznej

Jednym z najważniejszych elementów szczególnej teorii względności jest graficzne przedstawienie relatywistycznej kinematyki, specjalnej koncepcji zunifikowanej czasoprzestrzeni, zaproponowanej przez niemieckiego matematyka Hermanna Minkowskiego, który był kiedyś nauczycielem matematyki u ucznia Alberta Einsteina.

Istotą modelu Minkowskiego jest zupełnie nowe podejście do określania pozycji obiektów wchodzących w interakcję. Szczególna uwaga skupia się na szczególnej teorii względności. Czas staje się nie tylko czwartą współrzędną klasycznego trójwymiarowego układu współrzędnych, czas nie jest wartością bezwzględną, ale nieodłączną cechą przestrzeni, która przyjmuje postać continuum czasoprzestrzennego, wyrażanego graficznie jako stożek, w którym zachodzą wszystkie interakcje.

Taka przestrzeń w teorii względności, której rozwój ma charakter bardziej uogólniający, została później poddana krzywiznie, dzięki której taki model nadaje się do opisu i oddziaływań grawitacyjnych.

Dalszy rozwój teorii

SRT nie od razu znalazł zrozumienie wśród fizyków, ale stopniowo stał się głównym instrumentem opisującym świat, zwłaszcza świat cząstek elementarnych, który stał się głównym przedmiotem badań fizyki. Ale zadanie uzupełnienia STR o wyjaśnienie sił władzy było bardzo pilne, a Einstein nie przestał działać, doskonaląc zasady ogólnej teorii względności - GRT. Matematyczne przetwarzanie tych zasad trwało dość długo - około 11 lat i wzięli w nim udział specjaliści z dziedzin fizyki.

Tak więc wielki wkład dokonał czołowy matematyk tamtych czasów, David Hilbert (1862-1943), który stał się jednym ze współautorów równań pola grawitacyjnego. Były ostatnim kamieniem w budowie pięknego budynku, który otrzymał nazwę - ogólną teorię względności, czyli GR.

Ogólna relatywność - GR

Współczesna teoria pola grawitacyjnego, teoria struktury czasoprzestrzennej, geometria czasoprzestrzeni, prawo fizycznych interakcji w nieinerytorialnych systemach raportowania to różne nazwy, które zostały nadane ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.

Teoria świata rozpowszechniona, która przez długi czas określała poglądy fizyki na grawitację, na interakcję obiektów i pól o różnych rozmiarach. Paradoksalnie jego główną wadą była niematerialność, iluzoryczność, matematyka jej istoty. Pomiędzy gwiazdami a planetami była pustka, przyciąganie między ciałami niebieskim było wyjaśnione działaniem niektórych sił na dalekie odległości i natychmiastowym. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina napełniła grawitację fizyczną treścią, przedstawiła ją jako bezpośredni kontakt różnych materialnych obiektów.

Geometria grawitacyjna

Główna idea, z pomocą której Einstein wyjaśnił interakcje grawitacyjne, jest bardzo prosta. Fizyczne wyrażenie sił deklaruje czasoprzestrzeń, obdarzoną dość namacalnymi znakami - metryką i deformacjami, na które wpływa masa obiektu, wokół którego formowane są takie krzywe. W pewnym momencie Einsteinowi przypisywano nawet wezwania do powrotu do teorii wszechświata, w której pojęcie eteru jest elastycznym materialnym medium wypełniającym przestrzeń. Wyjaśnił, że trudno mu nazwać substancję wieloma właściwościami, które można opisać jako próżnię.

Zatem grawitacja jest przejawem właściwości geometrycznych czterowymiarowej czasoprzestrzeni, która została określona w SRT jako nieskręcona, ale w bardziej ogólnych przypadkach jest ona wyposażona w krzywiznę, która determinuje ruch obiektów materialnych, które mają takie samo przyspieszenie zgodnie z zasadą równoważności Einsteina.

Ta podstawowa zasada teorii względności wyjaśnia wiele "wąskich gardeł" newtonowskiej teorii widm światowości: zakrzywienie światła obserwowane, gdy przechodzi wokół masywnych obiektów kosmicznych z pewnymi zjawiskami astronomicznymi i, zauważone przez starożytnych, to samo przyspieszenie spadających ciał, niezależnie od ich masy.

Modelowanie krzywizny przestrzeni

Typowym przykładem, który wyjaśnia ogólną teorię względności dla czajniczek, jest przedstawienie czasoprzestrzeni w postaci trampoliny - elastycznej cienkiej membrany, na której układane są obiekty (najczęściej kulki) symulujące współdziałające obiekty. Ciężkie piłki wyginają membranę, tworząc wokół niej lejek. Mniejsza kula, wystrzelona na powierzchnię, porusza się w pełnej zgodzie z prawami grawitacji, stopniowo wsuwając się w rowki utworzone przez masywniejsze przedmioty.

Ale taki przykład jest dość arbitralny. Rzeczywisty czasoprzestrzeń jest wielowymiarowy, jego krzywizna również nie wygląda tak elementarnie, ale zasada tworzenia oddziaływań grawitacyjnych i istota teorii względności stają się jasne. W każdym razie hipoteza, która bardziej graficznie i spójnie wyjaśniałaby teorię grawitacji, jeszcze nie istnieje.

Dowód prawdy

GTR szybko zaczął być postrzegany jako potężny fundament, na którym można budować nowoczesną fizykę. Od samego początku teoria względności uderzała w harmonię i harmonię, a nie tylko specjalistów i wkrótce po jej pojawieniu się, została potwierdzona przez obserwacje.

Najbliższy punkt Słońca - perihelium - orbity Merkurego jest stopniowo przesuwany względem orbit innych planet Układu Słonecznego, który odkryto w połowie XIX wieku. Taki ruch - precesja - nie znalazła sensownego wyjaśnienia w ramach newtonowskiej teorii światopoglądu, ale została dokładnie obliczona na podstawie ogólnej teorii względności.

Zaćmienie Słońca, które miało miejsce w 1919 roku, stanowiło okazję do kolejnego dowodu GR. Arthur Eddington, który żartobliwie nazywał siebie drugim człowiekiem z trzech, którzy rozumieli podstawy teorii względności, potwierdził odchylenia przewidywane przez Einsteina podczas przejścia fotonów świetlnych w pobliżu gwiazdy: w czasie zaćmienia widoczna pozycja niektórych gwiazd stała się widoczna.

Eksperyment mający na celu wykrycie opóźnienia w zegarkach lub przesunięcia w kierunku grawitacyjnym został zaproponowany przez samego Einsteina, wśród innych dowodów ogólnej teorii względności. Dopiero po wielu latach udało się przygotować niezbędny sprzęt doświadczalny i przeprowadzić to doświadczenie. Przesunięcie grawitacyjne częstotliwości promieniowania od emitera i odbiornika, rozdzielone wzrostem, mieściło się w granicach przewidzianych przez GR, podczas gdy fizycy z Harvardu Robert Pound i Glen Rebka, którzy przeprowadzili ten eksperyment, później tylko zwiększyli dokładność pomiarów, a formuła teorii względności ponownie okazała się prawidłowa.

W uzasadnieniu najbardziej znaczących projektów eksploracji kosmosu, teoria względności Einsteina jest koniecznie obecna. Krótko mówiąc, można powiedzieć, że stała się narzędziem inżynieryjnym dla specjalistów, w szczególności dla osób zajmujących się systemami nawigacji satelitarnej - GPS, GLONASS itp. Niemożliwe jest obliczenie współrzędnych obiektu z wymaganą dokładnością, nawet na stosunkowo małej przestrzeni, bez uwzględnienia opóźnienia sygnałów przewidywanych przez GTR. Zwłaszcza jeśli chodzi o obiekty oddzielone spacją, gdzie błąd w nawigacji może być ogromny.

Twórca teorii względności

Albert Einstein był jeszcze młodym człowiekiem, kiedy opublikował podstawy teorii względności. Następnie sam zrozumiał swoje braki i niespójności. W szczególności najważniejszym problemem ogólnej teorii względności był niemożliwy jej wzrost w mechanice kwantowej, ponieważ zasady radykalnie różne od siebie używane są do opisu oddziaływań grawitacyjnych. W mechanice kwantowej rozważa się interakcję obiektów w jednej czasoprzestrzeni, podczas gdy dla Einsteina ta przestrzeń sama tworzy grawitację.

Pisanie "formuły wszystkich rzeczy" - zunifikowanej teorii pola, która eliminowałaby sprzeczności GR i fizyki kwantowej, było celem Einsteina przez wiele lat, pracował nad tą teorią do ostatniej godziny, ale się nie udało. Problemy GR stały się zachętą dla wielu teoretyków w poszukiwaniu bardziej zaawansowanych modeli świata. Więc teorie strun, zapętlaj kwantową grawitację i pojawiło się wiele innych.

Osobowość autora UTO pozostawiła ślad w historii porównywalny do wartości nauki samej teorii względności. Jak dotąd nie pozostawia nikogo obojętnym. Einstein zastanawiał się, dlaczego tak wiele uwagi poświęcono mu i jego pracy od ludzi, którzy nie mieli nic wspólnego z fizyką. Dzięki swoim osobistym cechom, słynnemu dowcipowi, aktywnej pozycji politycznej, a nawet ekspresyjnemu wyglądowi, Einstein stał się najbardziej znanym fizykiem na Ziemi, bohaterem wielu książek, filmów i gier komputerowych.

Koniec jego życia opisywany jest dramatycznie przez wielu: był samotny, uważał się za odpowiedzialnego za pojawienie się najstraszliwszej broni, która stała się zagrożeniem dla wszystkich żywych istot na planecie, jego zunifikowana teoria pola pozostała nierealnym marzeniem, ale najlepszy wynik można uznać za słowa Einsteina że ukończył swoje zadanie na Ziemi. Trudno się z tym kłócić.