Генерал Релативити. Алберт Еинстеинова теорија релативности

Речено је о тој теорији да је разумију само три особе на свету, а када су математичари покушали да изразе оно што из тога произилази, сам аутор - Алберт Ајнштајн - нашалио се да је сада престао да га разуме. Посебна и општа теорија релативности је нераздвојни део наставе на којој се граде савремени научни погледи на структуру света.

"Година чуда"

Године 1905. водећа научна публикација у Њемачкој, Аннален дер Пхисик (Анналс оф Пхисицс), објавила је један за другим четири чланка 26-годишњег Алберта Ајнштајна, који је радио као експерт треће класе - ситни службеник - Федерални завод за патентне изуме у Берну. Претходно је сарађивао са часописом, али објављивање толиких радова у једној години био је изванредан догађај. То је постало још израженије када је вриједност идеја садржаних у свакој од њих постала јасна.

У првом чланку су изражене мисли о квантној природи светлости, а разматрани су процеси апсорпције и емисије електромагнетног зрачења. На основу тога је прво објашњен фотоелектрични ефекат - емисија електрона емитованих од стране фотона светлости супстанцом - и предложене су формуле за израчунавање количине енергије која се ослобађа у овом процесу. За теоријски развој фотоелектричног ефекта, који је започео квантну механику, а не за постулате теорије релативности, Ајнштајн ће добити Нобелову награду за физику 1922. године.

Други чланак је поставио темеље за примијењена подручја физичке статистике на основу истраживања. Бровново гибање најмање честице суспендоване у течности. Еинстеин је предложио методе за проналажење образаца флуктуација - случајних и случајних одступања физичких величина од њихових највјеројатнијих вриједности.

И на крају, чланци „О електродинамици покретних тела“ и „Да ли инерција тела зависи од њеног енергетског садржаја?“ Садржи клице онога што ће бити означено у историји физике као теорија релативности Алберта Ајнштајна, односно његов први део - СРТ - специјална теорија. релативност.

Извори и претходници

На крају 19. века, многим физичарима се чинило да је већина глобалних проблема универзума ријешена, да су основна открића направљена, а човјечанство је само морало да користи акумулирано знање како би снажно убрзало технолошки напредак. Само неколико теоријских недоследности покварило је хармоничну слику Универзума, испуњену етром и живећи према непоколебљивим Невтоновим законима.

Хармони је покварио теоријска истраживања Маквелла. Његове једначине, које описују интеракцију електромагнетских поља, у супротности су са општеприхваћеним законима класичне механике. Ради се о мерењу. брзину светлости у динамичким референтним системима, када је престао да ради Галилеов принцип релативности, математички модел интеракције таквих система при кретању брзином светлости довео је до нестанка електромагнетни таласи.

Осим тога, није реаговао на откриће етра, који је требао помирити истовремено постојање честица и валова, макро и микрокозмос. Експеримент који су спровели Алберт Мицхелсон и Едвард Морлеи 1887. године имао је за циљ да открије „етерски ветар“, који је неизбежно морао бити фиксиран јединственим инструментом - интерферометром. Експеримент је трајао читаву годину - време потпуне револуције Земље око Сунца. Планета је морала да се креће против етерског тока пола године, етер је морао да "пуца у једра" Земље пола године, али резултат је био нула: ниједан светлосни талас није се померио под утицајем етра, што је изазвало само постојање етра.

Лоренз и Поинцаре

Физичари су покушали да пронађу објашњење за резултате експеримената на детекцији етра. Хендрицк Лоренз (1853-1928) је предложио свој математички модел. Вратила је у живот етерично пуњење простора, али само под врло условном и вештачком претпоставком да се, када се крећу кроз етар, објекти могу смањити у правцу кретања. Овај модел је модификовао велики Хенри Поинцаре (1854-1912).

У радовима ова два научника по први пут су се појавили концепти, који су у великој мери представљали главне принципе теорије релативности, и то не дозвољава Ајнштајновим оптужбама за плагијат да се смањи. То укључује конвенционалност концепта симултаности, хипотезу о постојаности брзине светлости. Поинцаре је признао да при великим брзинама, закони Невтонове механике захтијевају обраду, он је закључио да је кретање релативно, али примијењено на теорију етера.

Специјална теорија релативности - СРТ

Проблеми исправног описивања електромагнетних процеса постали су мотивациони разлог за избор теме за теоријски развој, а Еинстеинови чланци објављени 1905. године садржали су тумачење одређеног случаја - униформно и правоцртно кретање. До 1915. године формирана је општа теорија релативности, која је такође објаснила интеракције гравитационих интеракција, али прва је била теорија која се зове посебна.

Специјална теорија релативности Ајнштајн се може сажети као два основна постулата. Прва шири акцију Галилејски принцип релативности на све физичке појаве, а не само на механичке процесе. У општијем облику, он гласи: Сви физички закони су исти за све инерцијалне (крећући се равномерно, правоцртно или у мировању) референтне системе.

Друга тврдња која садржи посебну теорију релативности: брзина светлости у вакууму за све инерцијалне референтне системе је иста. Затим се доноси више глобални закључак: брзина светлости је највећа могућа брзина преноса интеракција у природи.

У математичким прорачунима СРТ добија формулу Е = мц², која се раније појављивала у физичким публикацијама, али је захваљујући Еинстеину постала најпознатија и најпопуларнија у историји науке. Закључак о еквивалентности масе и енергије је најреволуционарнија формула теорије релативности. Концепт да сваки објекат са масом садржи огромну количину енергије постао је основа за развој употребе нуклеарне енергије и, пре свега, довео је до појаве атомске бомбе.

Ефекти специјалне теорије релативности

СРТ имплицира неколико посљедица, које се називају ефекти релативности (релативности или релативности). Временска дилатација је једна од најсјајнијих. Његова суштина је да у покретном оквиру референтног времена иде спорије. Прорачуни показују да је на свемирском броду који је направио хипотетички лет до звезданог система Алпха Центаури и назад брзином од 0,95 с (ц је брзина светлости), потребно 7,3 године, а на Земљи ће бити 12 година. Такви примери се често наводе када је објашњена теорија релативности за чајнике, као и парадокс близанаца повезан са овим ефектом.

Други ефекат је редукција у линеарним димензијама - то јест, са становишта посматрача, објекти који се крећу у односу на њега при брзини близу ц ће имати мање линеарне димензије у правцу кретања од њихове властите дужине. Овај ефекат предвиђен релативистичком физиком назива се Лорентзова контракција.

Према законима релативистичке кинематике, маса покретног објекта је већа од масе остатка. Овај ефекат постаје посебно значајан у развоју инструмената за проучавање елементарних честица - без узимања у обзир тешко је замислити рад ЛХЦ-а (Ларге андрон Цоллидер).

Спаце тиме

Једна од најважнијих компоненти специјалне релативности је графички приказ релативистичке кинематике, посебан концепт јединственог простора-времена, који је предложио њемачки математичар Херманн Минковски, који је некада био учитељ математике од ученика Алберта Ајнштајна.

Суштина Минковског модела је потпуно нови приступ одређивању положаја објеката који улазе у интеракцију. Посебна теорија релативности посвећује посебну пажњу. Време постаје не само четврта координата класичног тродимензионалног координатног система, вријеме није апсолутна вриједност, већ неодвојива карактеристика простора, која поприма облик просторно-временског континуума, графички израженог као конус, у којем се догађају све интеракције.

Такав простор у теорији релативности, са његовим развојем до генерализованог карактера, касније је такође био подвргнут закривљености, због чега је такав модел погодан за опис и гравитационе интеракције.

Даљи развој теорије

СРТ није одмах нашла разумевање међу физичарима, али је постепено постала главни инструмент за описивање света, посебно света елементарних честица, који је постао главни предмет проучавања физичке науке. Али задатак надопуњавања СТР са објашњењем снага моћи био је веома хитан, а Еинстеин није престао да ради, усавршавајући принципе опште теорије релативности - БРТ. Математичка обрада ових принципа трајала је доста дуго - око 11 година, ау њој су учествовали и стручњаци из сродних наука из физике.

Дакле, велики допринос је дао водећи математичар тог времена Давид Хилберт (1862-1943), који је постао један од коаутора једначина гравитационог поља. Они су били последњи камен у изградњи прелепе зграде, која је добила име - општа теорија релативности, или ГР.

Општа релативност - ГР

Модерна теорија гравитационог поља, теорија просторно-временске структуре, геометрија простора-времена, закон физичких интеракција у не-инерцијалним системима извјештавања су различита имена која су дана Алберт Еинстеиновој опћој теорији релативности.

Теорија света је широко распрострањена, која је дуго времена одређивала погледе физичке науке о гравитацији, на интеракцију објеката и поља различитих величина. Парадоксално, његов главни недостатак је била нематеријалност, илузорност, математика њене суштине. Између звезда и планета постојала је празнина, привлачност између небеских тијела објашњена је далекометним дјеловањем неких сила и тренутним. Општа теорија релативности Алберта Ајнштајна испунила је гравитацију физичким садржајем, представила га као директан контакт различитих материјалних објеката.

Гравитациона геометрија

Главна идеја, уз помоћ које је Ајнштајн објаснио гравитационе интеракције је веома једноставна. Физичко изражавање снага он проглашава просторно-временским, обдареним сасвим опипљивим знаковима - метриком и деформацијама, на које утиче маса објекта, око које се формирају такве закривљености. У једном тренутку, Ајнштајну су чак приписивали позиве да се врате у теорију универзума појам етра као еластичног материјалног медијума који испуњава простор. Он је објаснио да му је тешко назвати супстанцу са мноштвом квалитета које се могу описати као вакуум.

Дакле, гравитација је манифестација геометријских својстава четверодимензионалног простора-времена, која је у СРТ означена као неокривљена, али у опћенитијим случајевима она је обдарена закривљењем, које одређује кретање материјалних објеката, којима се даје исто убрзање у складу са Еинстеиновим принципом еквиваленције.

Овај фундаментални принцип теорије релативности објашњава многа "уска грла" Невтонове теорије светске ширине: закривљеност светлости која се посматра када пролази око масивних свемирских објеката са неким астрономским феноменима и, примећен од стране древних народа, исто убрзање пада тела, без обзира на њихову масу.

Моделирање закривљености простора

Уобичајени пример, који објашњава општу теорију релативности за чајнике, је приказ простора-времена у облику трамполина - еластичне танке мембране, на којој се постављају објекти (најчешће лопте) који симулирају објекте који делују. Тешке кугле савијају мембрану, формирајући левак око себе. Мања кугла, лансирана на површину, креће се у пуном складу са законима гравитације, постепено се увлачећи у жљебове формиране од масивнијих објеката.

Али такав примјер је прилично произвољан. Стварни простор-време је вишедимензионално, његова закривљеност такође не изгледа тако елементарно, али принцип формирања гравитационе интеракције и суштина теорије релативности постају јасни. У сваком случају, хипотеза, која би графички и кохерентније објаснила теорију гравитације, још не постоји.

Докази истине

ГТР је брзо почео да се доживљава као моћна основа на којој се може градити модерна физика. Од самог почетка, теорија релативности је била упечатљива у својој хармонији и хармонији, а не само специјалисти, а убрзо након појављивања потврђена је и запажањима.

Најближа тачка Сунцу - перихелион - орбите Меркура постепено се помера у односу на орбите других планета Сунчевог система, који је откривен средином 19. века. Такав покрет - прецесија - није разумно објашњен у оквиру Невтонове теорије светске ширине, али је прецизно израчунат на основу опште теорије релативности.

Помрачење Сунца, које се догодило 1919. године, пружило је прилику за још један доказ ГР. Артхур Еддингтон, који је у шали себе назвао другим човеком од три, који је разумио основе теорије релативности, потврдио је одступања која је предвидио Еинстеин током проласка светлосних фотона у близини звезде: у време помрачења, очигледан положај неких звезда је постао видљив.

Еинстеин је предложио експеримент за откривање ретардације сата или гравитационог црвеног помака, између осталих доказа опште релативности. Тек након много година успело је да припреми неопходну експерименталну опрему и спроведе ово искуство. Гравитациони помак фреквенција зрачења од емитера и пријемника, раздвојен висином, био је у границама које је предвидио ГР, док су физичари са Харварда Роберт Поунд и Глен Ребка, који су водили овај експеримент, касније само повећали тачност мерења, а формула теорије релативности поново се показала тачном.

У потврђивању најзначајнијих пројеката истраживања свемира, обавезна је Еинстеинова теорија релативности. Укратко, може се рећи да је то постало инжењерско оруђе за специјалисте, посебно оне који су укључени у системе сателитске навигације - ГПС, ГЛОНАСС, итд. Није могуће израчунати координате објекта са потребном прецизношћу, чак иу релативно малом простору, без узимања у обзир успоравања сигнала предвиђених ГТР-ом. Поготово када се ради о објектима раздвојеним простором, гдје грешка у навигацији може бити огромна.

Креатор теорије релативности

Алберт Ајнштајн је још увек био младић када је објавио основе теорије релативности. Након тога, он је постао јасан своје недостатке и недоследности. Конкретно, најважнији проблем опште релативности био је немогућност његовог раста у квантну механику, будући да се принципи који се радикално разликују један од другог користе за описивање гравитационих интеракција. У квантној механици се разматра интеракција објеката у једном простору-времену, док за Ајнштајна сам тај простор формира гравитацију.

Пишући "формулу свих ствари" - јединствену теорију поља која би елиминирала контрадикције ГР и квантне физике, био је Ајнштајнов циљ дуги низ година, он је радио на овој теорији до посљедњег сата, али није успио. Проблеми опште релативности постали су подстицај многим теоретичарима у потрази за напреднијим моделима света. Тако су се појавиле теорија струна, квантна гравитација петље и многи други.

Личност аутора УТО-а оставила је траг у историји упоредив са вредношћу за науку саме теорије релативности. До сада никога не оставља равнодушним. Ајнштајн се питао зашто се њему и његовом раду посвећује толико пажње људи који немају никакве везе са физиком. Захваљујући својим особним квалитетима, познатој духовитости, активној политичкој позицији и чак изражајном изгледу, Еинстеин је постао најпознатији физичар на Земљи, јунак многих књига, филмова и рачуналних игара.

Многи су драматично описали крај његовог живота: био је усамљен, сматрао се одговорним за појаву најстрашнијег оружја које је постало претња за сва жива бића на планети. да је завршио свој задатак на Земљи. Тешко је расправљати с тим.