Da li je Ajnštajn bio u pravu? Testiranje teorije relativnosti. Opšta relativnost Da li je konzistentna? Da li odgovara fizičkoj stvarnosti?

Opća teorija relativnosti primjenjuje se na sve referentne sisteme (a ne samo na one koji se kreću konstantnom brzinom jedni u odnosu na druge) i izgleda matematički mnogo složenije od one posebne (što objašnjava jedanaestogodišnji razmak između njihovog objavljivanja). Uključuje kao poseban slučaj specijalnu teoriju relativnosti (a samim tim i Newtonove zakone). Istovremeno, opća teorija relativnosti ide mnogo dalje od svih svojih prethodnika. Konkretno, daje novo tumačenje gravitacije.

Opšta teorija relativnosti čini svijet četverodimenzionalnim: vrijeme se dodaje na tri prostorne dimenzije. Sve četiri dimenzije su neodvojive, pa više ne govorimo o prostornoj udaljenosti između dva objekta, kao što je to slučaj u trodimenzionalnom svijetu, već o prostorno-vremenskim intervalima između događaja, koji kombinuju njihovu udaljenost jedan od drugog - oba u vremenu i prostoru. To jest, prostor i vrijeme se smatraju četverodimenzionalnim prostor-vremenskim kontinuumom ili, jednostavno, prostor-vrijeme. U ovom kontinuumu, posmatrači koji se kreću jedni prema drugima mogu se čak i ne složiti oko toga da li su se dva događaja dogodila istovremeno — ili je jedan prethodio drugom. Na sreću našeg jadnog uma, ne dolazi do narušavanja uzročno-posledičnih veza – to jest, čak ni opšta teorija relativnosti ne dozvoljava postojanje koordinatnih sistema u kojima se dva događaja ne dešavaju istovremeno iu različitim sekvence.

Klasična fizika je gravitaciju smatrala običnom silom među mnogim prirodnim silama (električnim, magnetskim itd.). Gravitacija je bila propisana „delovanje dugog dometa“ (prodiranje „kroz prazninu“) i neverovatna sposobnost daju jednako ubrzanje tijelima različite mase.

Zakon univerzalna gravitacija Newton nam kaže da između bilo koja dva tijela u Univerzumu postoji sila uzajamnog privlačenja. S ove tačke gledišta, Zemlja se okreće oko Sunca, jer među njima djeluju međusobne sile privlačenja.

Opća teorija relativnosti nas, međutim, tjera da na ovaj fenomen gledamo drugačije. Prema ovoj teoriji, gravitacija je posljedica deformacije („zakrivljenosti“) elastične tkanine prostor-vremena pod utjecajem mase (što je tijelo teže, na primjer Sunce, to se prostor-vrijeme više „savija“ pod i, shodno tome, jače je njegovo polje gravitacione sile). Zamislite čvrsto zategnuto platno (neku vrstu trampolina) na koje je postavljena masivna lopta. Platno se deformira pod težinom lopte, a oko njega se formira udubljenje u obliku lijevka. Prema općoj teoriji relativnosti, Zemlja se okreće oko Sunca poput male lopte koja se lansira da se kotrlja oko konusa lijevka koji je nastao kao rezultat "guranja" prostor-vremena od strane teške lopte - Sunca. A ono što nam se čini kao sila gravitacije je, u stvari, čisto vanjska manifestacija zakrivljenosti prostor-vremena, a ne sila u njutnovskom razumijevanju. Do danas, nema boljeg objašnjenja prirode gravitacije od opšte teorije relativnosti.

Najprije se raspravlja o jednakosti gravitacijskih ubrzanja za tijela različitih masa (činjenica da masivni ključ i lagana šibica jednako brzo padaju sa stola na pod). Kao što je Ajnštajn primetio, ovo jedinstveno svojstvo čini gravitaciju veoma sličnom inerciji.

U stvari, ključ i šibica se ponašaju kao da se kreću u bestežinskom stanju po inerciji, a pod sobe se ubrzano kretao prema njima. Dolaskom do ključa i meča, parket bi doživio njihov udar, a potom i pritisak, jer inercija ključa i šibica bi uticala na dalje ubrzanje poda.

Ovaj pritisak (kosmonauti kažu "preopterećenje") naziva se sila inercije. Takva sila se uvijek primjenjuje na tijela u ubrzanim referentnim okvirima.

Ako raketa leti ubrzanjem jednakom ubrzanju gravitacije na zemljinoj površini (9,81 m/sec), tada će inercijska sila igrati ulogu težine ključa i poklapanja. Njihova "vještačka" gravitacija će biti potpuno ista kao i prirodna na površini Zemlje. To znači da je ubrzanje referentnog okvira pojava prilično slična gravitaciji.

Naprotiv, u liftu koji slobodno pada, prirodna gravitacija je eliminisana ubrzanim kretanjem referentnog sistema kabine "u potrazi" za ključem i šibicom. Naravno, klasična fizika u ovim primjerima ne vidi pravi nastanak i nestanak gravitacije. Gravitacija se samo oponaša ili kompenzira ubrzanjem. Ali u opštoj relativnosti sličnost između inercije i gravitacije prepoznata je kao mnogo dublja.

Einstein je iznio lokalni princip ekvivalencije inercije i gravitacije, navodeći da se na dovoljno malim skalama udaljenosti i trajanja jedan fenomen ne može razlikovati od drugog nikakvim eksperimentom. Tako je Opšta relativnost još dublje promijenila naučno razumijevanje svijeta. Prvi zakon Newtonove dinamike izgubio je svoju univerzalnost - pokazalo se da kretanje po inerciji može biti krivolinijsko i ubrzano. Više nije bilo potrebe za konceptom teške mase. Geometrija Univerzuma se promijenila: umjesto pravog euklidskog prostora i uniformnog vremena pojavio se zakrivljeni prostor-vrijeme, zakrivljeni svijet. Istorija nauke nikada nije videla tako dramatično restrukturiranje pogleda na fizičke osnove univerzuma.

Testiranje opšte teorije relativnosti je teško jer, u normalnim laboratorijskim uslovima, njegovi rezultati su skoro potpuno isti kao što predviđa Njutnov zakon gravitacije. Ipak, provedeno je nekoliko važnih eksperimenata, čiji rezultati nam omogućavaju da teoriju smatramo potvrđenom. Osim toga, opća teorija relativnosti pomaže u objašnjenju fenomena koje promatramo u svemiru, jedan primjer je zraka svjetlosti koja prolazi u blizini Sunca. I Njutnova mehanika i opšta teorija relativnosti priznaju da mora skrenuti prema Suncu (pad). Međutim, opšta teorija relativnosti predviđa dvostruki pomak zraka. Posmatranja tokom pomračenja sunca dokazao da su Ajnštajnova predviđanja tačna. Još jedan primjer. Planeta Merkur, najbliža Suncu, ima neznatna odstupanja od svoje stacionarne orbite, što je neobjašnjivo sa stanovišta klasične Njutnove mehanike. Ali to je upravo orbita koja je data proračunom koristeći formule opšte relativnosti. Dilatacija vremena u jakom gravitacionom polju objašnjava smanjenje frekvencije svjetlosnih oscilacija u zračenju bijelih patuljaka - zvijezda vrlo velike gustine. A posljednjih godina ovaj efekat je zabilježen u laboratorijskim uslovima. Konačno, uloga opšte relativnosti je veoma velika u modernoj kosmologiji – nauci o strukturi i istoriji čitavog Univerzuma. U ovoj oblasti znanja pronađeni su i brojni dokazi Ajnštajnove teorije gravitacije. U stvari, rezultati predviđeni opštom relativnošću značajno se razlikuju od onih koje predviđaju Njutnovi zakoni samo u prisustvu super-jakih gravitacionih polja. To znači da su nam, da bismo u potpunosti testirali opću teoriju relativnosti, potrebna ili ultra-precizna mjerenja vrlo masivnih objekata, ili crnih rupa, na koje nije primjenjiva nijedna od naših uobičajenih intuitivnih ideja. Dakle, razvoj novih eksperimentalnih metoda za testiranje teorije relativnosti ostaje jedan od najvažnijih zadataka eksperimentalne fizike.

Prije stotinu godina, 1915. godine, mladi švicarski naučnik, koji je u to vrijeme već napravio revolucionarna otkrića u fizici, predložio je fundamentalno novo razumijevanje gravitacije.

Godine 1915. Ajnštajn je objavio opštu teoriju relativnosti, koja karakteriše gravitaciju kao fundamentalno svojstvo prostor-vremena. On je predstavio niz jednačina koje su opisivale uticaj zakrivljenosti prostor-vremena na energiju i kretanje materije i radijacije prisutne u njemu.

Stotinu godina kasnije, Opća teorija relativnosti (GTR) postala je osnova za izgradnju moderne nauke, izdržala je sve testove kojima su je naučnici napali.

Ali donedavno je bilo nemoguće izvoditi eksperimente u ekstremnim uslovima kako bi se ispitala stabilnost teorije.

Nevjerovatno je koliko se teorija relativnosti pokazala jakom za 100 godina. I dalje koristimo ono što je Ajnštajn napisao!

Clifford Will, teoretski fizičar, Univerzitet Florida

Naučnici sada imaju tehnologiju za traženje fizike izvan opšte teorije relativnosti.

Novi pogled na gravitaciju

Opća teorija relativnosti ne opisuje gravitaciju kao silu (kao što se pojavljuje u Njutnovskoj fizici), već kao zakrivljenost prostor-vremena zbog mase objekata. Zemlja se okreće oko Sunca ne zato što je zvezda privlači, već zato što Sunce deformiše prostor-vreme. Ako stavite tešku kuglu za kuglanje na rastegnuto ćebe, ćebe će promijeniti oblik - gravitacija utječe na prostor na sličan način.

Ajnštajnova teorija je predvidela neka luda otkrića. Na primjer, mogućnost postojanja crnih rupa, koje savijaju prostor-vrijeme do te mjere da ništa ne može pobjeći iznutra, čak ni svjetlost. Na osnovu teorije pronađeni su dokazi za danas općeprihvaćeno mišljenje da se Univerzum širi i ubrzava.

Opća teorija relativnosti je potvrđena brojnim zapažanjima. Sam Ajnštajn je koristio opštu relativnost da izračuna orbitu Merkura, čije kretanje se ne može opisati Njutnovim zakonima. Einstein je predvidio postojanje objekata toliko masivnih da savijaju svjetlost. Ovo je fenomen gravitacionog sočiva sa kojim se astronomi često susreću. Na primjer, potraga za egzoplanetima oslanja se na efekte suptilnih promjena u zračenju koje je savijeno gravitacijskim poljem zvijezde oko koje planeta kruži.

Testiranje Ajnštajnove teorije

Opća teorija relativnosti dobro funkcionira za običnu gravitaciju, što pokazuju eksperimenti na Zemlji i promatranja planeta Solarni sistem. Ali nikada nije testiran u uslovima izuzetno jakih polja u prostorima koji leže na granicama fizike.

Najperspektivniji način testiranja teorije u takvim uslovima je posmatranje promena u prostor-vremenu koje se nazivaju gravitacioni talasi. Pojavljuju se kao rezultat velikih događaja, spajanja dva masivna tijela, poput crnih rupa, ili posebno gustih objekata - neutronskih zvijezda.

Kosmički vatromet ove veličine odražavao bi samo najmanje talase u prostor-vremenu. Na primjer, ako su se dvije crne rupe sudarile i spojile negdje u našoj galaksiji, gravitacijski valovi bi mogli rastegnuti i stisnuti udaljenost između objekata koji se nalaze na metar jedan od drugog na Zemlji za hiljaditi dio prečnika atomskog jezgra.

Pojavili su se eksperimenti koji mogu zabilježiti promjene u prostor-vremenu uslijed takvih događaja.

Postoje dobre šanse za otkrivanje gravitacionih talasa u naredne dve godine.

Clifford Will

Laserski interferometar Gravitaciono-valna opservatorija (LIGO), sa opservatorijama u blizini Richlanda, Washington i Livingstona, Louisiana, koristi laser za otkrivanje sitnih izobličenja u dvostrukim detektorima u obliku slova L. Kako prostorno-vremenski talasi prolaze kroz detektore, oni se protežu i sabijaju prostor, uzrokujući da detektor mijenja dimenzije. I LIGO ih može izmjeriti.

LIGO je započeo seriju lansiranja 2002. godine, ali nije postigao rezultate. Poboljšanja su napravljena 2010. godine, a nasljednik organizacije, Advanced LIGO, trebao bi ponovo biti operativan ove godine. Mnogi od planiranih eksperimenata imaju za cilj traženje gravitacionih talasa.

Drugi način da se testira teorija relativnosti je da se pogledaju svojstva gravitacionih talasa. Na primjer, mogu biti polarizirane, poput svjetlosti koja prolazi kroz polarizirana stakla. Teorija relativnosti predviđa karakteristike takvog efekta, a svako odstupanje od proračuna može postati razlog za sumnju u teoriju.

Unified theory

Clifford Will vjeruje da će otkriće gravitacijskih valova samo ojačati Ajnštajnovu teoriju:

Mislim da moramo nastaviti da tragamo za dokazima opšte relativnosti kako bismo bili sigurni da je tačan.

Zašto su ti eksperimenti uopće potrebni?

Jedan od najvažnijih i neuhvatljivih zadataka moderne fizike je potraga za teorijom koja će povezati Ajnštajnovo istraživanje, odnosno nauku o makrokosmosu, i kvantnu mehaniku, realnost najmanjih objekata.

Napredak u ovoj oblasti, kvantna gravitacija, može zahtevati promene opšte teorije relativnosti. Moguće je da bi eksperimenti s kvantnom gravitacijom zahtijevali toliko energije da bi ih bilo nemoguće izvesti. „Ali ko zna“, kaže Will, „možda postoji efekat u kvantnom univerzumu koji je beznačajan, ali se može pretraživati“.

U govoru 27. aprila 1900. u Kraljevskoj instituciji Velike Britanije, lord Kelvin je rekao: „Teorijska fizika je harmonično i potpuno zdanje. On čisto nebo fizičari postoje samo dva mala oblaka - ovo je konstantnost brzine svjetlosti i krivulja intenziteta zračenja ovisno o talasnoj dužini. Mislim da će ova dva konkretna pitanja uskoro biti riješena i fizičarima 20. vijeka neće preostati šta da rade.” Ispostavilo se da je Lord Kelvin bio potpuno u pravu kada je ukazao na ključna područja istraživanja u fizici, ali nije ispravno procijenio njihovu važnost: teorija relativnosti i kvantna teorija koje su nastale iz njih su se pokazale kao beskrajni prostori za istraživanja koja su zauzela naučni umovi već više od sto godina.

Pošto nije opisivala gravitacionu interakciju, Ajnštajn je ubrzo nakon njenog završetka počeo da razvija opštu verziju ove teorije, na čije je stvaranje proveo 1907-1915. Teorija je bila prekrasna u svojoj jednostavnosti i konzistentnosti s prirodnim fenomenima, osim jedne stvari: u vrijeme kada je Ajnštajn sastavio teoriju, širenje Univerzuma, pa čak ni postojanje drugih galaksija još nije bilo poznato, pa su naučnici tog vremena vjerovali da Univerzum je postojao neograničeno i bio je stacionaran. U isto vrijeme, iz Newtonovog zakona univerzalne gravitacije slijedilo je da bi fiksne zvijezde u nekom trenutku jednostavno trebale biti spojene u jednu tačku.

Ne pronalazeći bolje objašnjenje za ovaj fenomen, Ajnštajn je u svoje jednačine uveo , koje su numerički kompenzovale i tako omogućile da stacionarni Univerzum postoji bez kršenja zakona fizike. Nakon toga, Ajnštajn je uvođenje kosmološke konstante u svoje jednačine počeo da smatra svojom najvećom greškom, jer to nije bilo neophodno za teoriju i nije potvrđeno ničim drugim osim naizgled stacionarnim Univerzumom u to vreme. A 1965. godine otkriveno je kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, što je značilo da Univerzum ima početak i da se konstanta u Ajnštajnovim jednačinama pokazala potpuno nepotrebnom. Ipak, kosmološka konstanta je ipak pronađena 1998. godine: prema podacima dobijenim teleskopom Hubble, udaljene galaksije nisu usporile svoje širenje kao rezultat gravitacionog privlačenja, već su čak ubrzale širenje.

Osnovna teorija

Pored osnovnih postulata specijalne teorije relativnosti, ovde je dodato i nešto novo: Njutnova mehanika je dala numeričku procenu gravitacione interakcije materijalnih tela, ali nije objasnila fiziku ovog procesa. Ajnštajn je to uspeo da opiše kroz zakrivljenost 4-dimenzionalnog prostor-vremena od strane masivnog tela: telo stvara poremećaj oko sebe, usled čega okolna tela počinju da se kreću duž geodetskih linija (primeri takvih linija su linije zemljopisnu širinu i dužinu, koje unutrašnjem posmatraču izgledaju kao prave linije, ali u stvarnosti su blago zakrivljene). Zraci svjetlosti se također savijaju na isti način, što iskrivljuje vidljivu sliku iza masivnog objekta. Uz uspješnu podudarnost položaja i mase objekata, to dovodi do (kada zakrivljenost prostor-vremena djeluje kao ogromno sočivo, čineći izvor udaljene svjetlosti mnogo svjetlijim). Ako se parametri ne poklapaju savršeno, to može dovesti do formiranja “Ajnštajnovog krsta” ili “Ajnštajnovog kruga” na astronomskim slikama udaljenih objekata.

Među predviđanjima teorije bila je i gravitaciona vremenska dilatacija (koja je prilikom približavanja masivnom objektu delovala na telo na isti način kao i vremenska dilatacija usled ubrzanja), gravitaciono (kada snop svetlosti koju emituje masivno telo ide na u crveni dio spektra kao rezultat njegovog gubitka energije za radnu funkciju izlaska iz “gravitacijskog bunara”), kao i gravitacijskih valova (perturbacija prostor-vremena koje proizvodi bilo koje tijelo s masom tokom svog kretanja) .

Status teorije

Prvu potvrdu opće teorije relativnosti dobio je sam Ajnštajn iste 1915. godine, kada je objavljena: teorija je sa apsolutnom tačnošću opisala pomeranje perihela Merkura, što se ranije nije moglo objasniti Njutnovskom mehanikom. Od tada su otkriveni mnogi drugi fenomeni koji su bili predviđeni teorijom, ali su u vrijeme njenog objavljivanja bili preslabi da bi bili otkriveni. Najnovije takvo otkriće na ovog trenutka je otkriće gravitacionih talasa 14. septembra 2015.

Za ovu teoriju su rekli da je samo troje ljudi na svetu razume, a kada su matematičari pokušali da izraze brojevima ono što iz nje sledi, sam autor, Albert Ajnštajn, se našalio da je sada i on prestao da je razume.

Posebna i opšta teorija relativnosti neodvojivi su delovi doktrine na kojoj se zasnivaju savremeni naučni pogledi na strukturu sveta.

"Godina čuda"

Godine 1905., vodeća njemačka naučna publikacija "Annalen der Physik" ("Anali fizike") objavila je jedan za drugim četiri članka 26-godišnjeg Alberta Ajnštajna, koji je radio kao stručnjak 3. klase - sitni činovnik - u Saveznoj kancelariji. za patentiranje izuma u Bernu. On je i ranije sarađivao sa časopisom, ali objavljivanje tolikog broja radova u jednoj godini bio je izuzetan događaj. Postalo je još nevjerovatnije kada je vrijednost ideja sadržanih u svakoj od njih postala jasna.

U prvom od članaka iznesena su razmišljanja o kvantnoj prirodi svjetlosti, te su razmotreni procesi apsorpcije i oslobađanja elektromagnetnog zračenja. Na osnovu toga je prvo objašnjen fotoelektrični efekat - emisija elektrona supstancom koju izbijaju fotoni svjetlosti, te su predložene formule za izračunavanje količine energije koja se oslobađa u ovom slučaju. Upravo za teorijski razvoj fotoelektričnog efekta, koji je postao početak kvantne mehanike, a ne za postulate teorije relativnosti, Einstein će biti nagrađen 1922. nobelova nagrada u fizici.

Drugi članak je postavio temelje za primijenjena područja fizičke statistike zasnovane na proučavanju Brownovog kretanja sićušnih čestica suspendiranih u tekućini. Ajnštajn je predložio metode za traženje obrazaca fluktuacija – neuređenih i nasumičnih odstupanja fizičkih veličina od njihovih najverovatnijih vrednosti.

I na kraju, u člancima “O elektrodinamici pokretnih tijela” i “Da li inercija tijela ovisi o sadržaju energije u njemu?” sadržavao je klice onoga što bi se u istoriji fizike označilo kao teorija relativnosti Alberta Ajnštajna, odnosno njen prvi deo – SRT – specijalna teorija relativnosti.

Izvori i prethodnici

IN kasno XIX veka, mnogi fizičari su mislili da većina globalnih problema Univerzum je odlučen, glavna otkrića su napravljena, a čovječanstvu ostaje samo da iskoristi akumulirano znanje da snažno ubrza tehnički napredak. Samo nekoliko teorijskih nedosljednosti pokvarilo je harmoničnu sliku Univerzuma, ispunjenog eterom i koji živi po nepromjenjivim njutnovskim zakonima.

Harmoniju su pokvarila Maxwellova teorijska istraživanja. Njegove jednačine, koje su opisivale interakcije elektromagnetnih polja, bile su u suprotnosti sa opšteprihvaćenim zakonima klasične mehanike. To se ticalo mjerenja brzine svjetlosti u dinamičkim referentnim sistemima, kada je Galileov princip relativnosti prestao djelovati - matematički model interakcije takvih sistema pri kretanju brzinom svjetlosti doveo je do nestanka elektromagnetnih valova.

Osim toga, eter, koji je trebao pomiriti istovremeno postojanje čestica i valova, makrokosmosa i mikrokosmosa, bio je neotkriven. Eksperiment, koji su 1887. godine izveli Albert Michelson i Edward Morley, imao je za cilj otkrivanje "eteričnog vjetra", koji je neminovno morao biti snimljen jedinstvenim uređajem - interferometrom. Eksperiment je trajao cijelu godinu - vrijeme potpune revolucije Zemlje oko Sunca. Planeta je trebalo da se kreće protiv toka etra šest meseci, etar je trebalo da „duva u jedra“ Zemlje šest meseci, ali rezultat je bio nula: pomeranje svetlosnih talasa pod uticajem etra je bilo nisu otkriveni, što dovodi u sumnju samu činjenicu postojanja etra.

Lorentz i Poincaré

Fizičari su pokušali pronaći objašnjenje za rezultate eksperimenata na detekciji etra. Hendrik Lorenc (1853-1928) predložio je svoj matematički model. Vratio je u život eterično punjenje prostora, ali samo pod vrlo uslovnom i umjetnom pretpostavkom da se objekti prilikom kretanja kroz eter mogu skupljati u smjeru kretanja. Ovaj model je modificirao veliki Henri Poincaré (1854-1912).

U radovima ove dvojice naučnika prvi put su se pojavili koncepti koji su u velikoj meri formirali glavne postulate teorije relativnosti, a to ne dozvoljava da splasnu Ajnštajnove optužbe za plagijat. To uključuje konvencionalnost koncepta simultanosti, hipotezu o konstantnoj brzini svjetlosti. Poincaré je priznao da pri velikim brzinama Newtonovi zakoni mehanike zahtijevaju preradu i zaključio da je kretanje relativnost, ali u primjeni na teoriju etra.

Specijalna teorija relativnosti - SRT

Problemi ispravnog opisivanja elektromagnetnih procesa postali su motivirajući razlog za odabir teme za teorijska istraživanja, a Ajnštajnovi radovi objavljeni 1905. godine sadržali su tumačenje posebnog slučaja - uniformnog i pravolinijsko kretanje. Do 1915. formirana je opća teorija relativnosti, koja je objašnjavala gravitacijske interakcije, ali prva teorija nazvana je posebna.

Ajnštajnova specijalna teorija relativnosti može se ukratko izložiti u obliku dva glavna postulata. Prvi proširuje djelovanje Galileovog principa relativnosti na sve fizičke pojave, a ne samo na mehaničkim procesima. U više opšti oblik kaže: Svi fizikalni zakoni su isti za sve inercijalne (kreću se jednoliko pravolinijski ili u mirovanju) referentne okvire.

Druga izjava, koja sadrži specijalnu teoriju relativnosti: brzina prostiranja svjetlosti u vakuumu je ista za sve inercijalne referentne okvire. Zatim se donosi globalniji zaključak: brzina svjetlosti je maksimalna velika vrijednost brzina prenosa interakcija u prirodi.

U matematičkim proračunima STR data je formula E=mc², koja se ranije pojavljivala u fizičkim publikacijama, ali je zahvaljujući Ajnštajnu postala najpoznatija i najpopularnija u istoriji nauke. Zaključak o ekvivalenciji mase i energije je najrevolucionarnija formula teorije relativnosti. Koncept da bilo koji objekt s masom sadrži ogromnu količinu energije postao je osnova za razvoj u korištenju Nuklearna energija i, iznad svega, dovela do pojave atomske bombe.

Efekti specijalne relativnosti

Nekoliko posljedica slijedi iz STR, nazvanih relativistički (relativistički) efekti. Dilatacija vremena je jedna od najupečatljivijih. Njegova suština je da se u pokretnom referentnom okviru vrijeme kreće sporije. Proračuni pokazuju da će na letjelici koja vrši hipotetički let do zvjezdanog sistema Alpha Centauri i nazad brzinom od 0,95 c (c je brzina svjetlosti) proći 7,3 godine, a na Zemlji - 12 godina. Takvi primjeri se često navode kada se objašnjava teorija relativnosti za lutke, kao i povezani paradoks blizanaca.

Drugi efekat je smanjenje linearnih dimenzija, odnosno, sa stanovišta posmatrača, objekti koji se kreću u odnosu na njega brzinom bliskom c imaće manje linearne dimenzije u pravcu kretanja od sopstvene dužine. Ovaj efekat, koji predviđa relativistička fizika, naziva se Lorencova kontrakcija.

Prema zakonima relativističke kinematike, masa pokretnog objekta veća je od njegove mase mirovanja. Ovaj efekat postaje posebno značajan kada se razvijaju instrumenti za proučavanje elementarnih čestica – bez uzimanja u obzir, teško je zamisliti rad LHC-a (Large Hadron Collider).

Spacetime

Jedna od najvažnijih komponenti SRT-a je grafički prikaz relativističke kinematike, posebnog koncepta ujedinjenog prostora-vremena, koji je predložio njemački matematičar Hermann Minkowski, koji je svojedobno bio nastavnik matematike učeniku Alberta Ajnštajna. .

Suština Minkowskog modela je potpuno novi pristup određivanju položaja objekata u interakciji. Specijalna teorija posvećuje vrijeme relativnosti Posebna pažnja. Vrijeme ne postaje samo četvrta koordinata klasičnog trodimenzionalnog koordinatnog sistema; vrijeme nije apsolutna vrijednost, već neodvojiva karakteristika prostora, koja poprima oblik prostorno-vremenskog kontinuuma, grafički izraženog u obliku stošca, u kojoj se odvijaju sve interakcije.

Takav prostor u teoriji relativnosti, svojim razvojem do općenitije prirode, kasnije je bio podvrgnut zakrivljenosti, što je takav model učinilo pogodnim za opisivanje gravitacijskih interakcija.

Dalji razvoj teorije

SRT nije odmah naišao na razumijevanje među fizičarima, ali je postepeno postao glavni alat za opisivanje svijeta, posebno svijeta elementarnih čestica, koji je postao glavni predmet proučavanja fizičke nauke. Ali zadatak dopune SRT-a objašnjenjem gravitacionih sila bio je veoma hitan, a Ajnštajn nije prestao da radi, bruseći principe opšte teorije relativnosti - GTR. Matematička obrada ovih principa trajala je dosta dugo – oko 11 godina, a u njoj su učestvovali stručnjaci iz oblasti egzaktnih nauka vezanih za fiziku.

Tako je ogroman doprinos dao vodeći matematičar tog vremena David Hilbert (1862-1943), koji je postao jedan od koautora jednačina gravitacionog polja. Bili su posljednji kamen u izgradnji prekrasne zgrade, koja je dobila ime - Opća teorija relativnosti, ili GTR.

Opća teorija relativnosti - Opća teorija relativnosti

Moderna teorija gravitacionog polja, teorija strukture "prostor-vreme", geometrija "prostor-vremena", zakon fizičke interakcije u neinercijalnim sistemima izveštavanja - sve su to različiti nazivi Alberta Ajnštajna. opšta teorija relativnosti.

Teorija univerzalne gravitacije, koja je dugo vremena određivala poglede fizičke nauke na gravitaciju, na interakcije objekata i polja različitih veličina. Paradoksalno, njegov glavni nedostatak bila je neopipljivost, iluzornost i matematička priroda njegove suštine. Između zvijezda i planeta postojala je praznina; privlačenje između nebeskih tijela objašnjavalo se dalekosežnim djelovanjem određenih sila, i to trenutnih. Opća teorija relativnosti Alberta Einsteina natopljena gravitacijom fizički sadržaj, predstavio kao direktan kontakt različitih materijalnih objekata.

Geometrija gravitacije

Glavna ideja kojom je Ajnštajn objasnio gravitacione interakcije je vrlo jednostavna. Prostor-vrijeme proglašava fizičkim izrazom gravitacijskih sila, obdaren sasvim opipljivim znacima - metrikama i deformacijama, na koje utječe masa objekta oko kojeg se takve zakrivljenosti formiraju. Svojevremeno su Ajnštajnu čak pripisivali pozive da se teoriji univerzuma vrati koncept etra, kao elastičnog materijalnog medija koji ispunjava prostor. Objasnio je da mu je teško nazvati supstancu koja ima mnogo kvaliteta koje se mogu opisati kao vauum.

Dakle, gravitacija je manifestacija geometrijskih svojstava četvorodimenzionalnog prostora-vremena, koji je u SRT označen kao nezakrivljen, ali je u opštijim slučajevima obdaren zakrivljenošću, koja određuje kretanje materijalnih objekata, kojima je dato isto ubrzanje u skladu sa principom ekvivalencije koji je proglasio Ajnštajn.

Ovo fundamentalni princip Teorija relativnosti objašnjava mnoga "uska grla" Newtonove teorije univerzalne gravitacije: savijanje svjetlosti uočeno kada prolazi pored masivnih kosmičkih objekata tokom nekih astronomskih fenomena i, zapaženo od strane starih, isto ubrzanje pada tijela, bez obzira njihove mase.

Modeliranje zakrivljenosti prostora

Uobičajeni primjer koji se koristi za objašnjenje opće teorije relativnosti za lutke je reprezentacija prostora-vremena u obliku trampolina - elastične tanke membrane na kojoj su položeni objekti (najčešće kuglice) koji simuliraju objekte u interakciji. Teške kugle savijaju membranu, formirajući oko sebe lijevak. Manja lopta lansirana preko površine kreće se u potpunom skladu sa zakonima gravitacije, postepeno se kotrljajući u udubljenja formirana od masivnijih objekata.

Ali takav primjer je prilično konvencionalan. Stvarni prostor-vrijeme je višedimenzionalan, njegova zakrivljenost također ne izgleda tako elementarna, ali princip formiranja gravitacijske interakcije i suština teorije relativnosti postaju jasni. U svakom slučaju, hipoteza koja bi logičnije i koherentnije objasnila teoriju gravitacije još ne postoji.

Dokaz istine

Opšta relativnost se brzo počela doživljavati kao moćan temelj na kojem se mogla graditi moderna fizika. Teorija relativnosti je od samog početka zadivila ne samo stručnjake svojom harmonijom i harmonijom, a ubrzo nakon pojave počela je potvrđivati ​​zapažanja.

Tačka najbliža Suncu - perihel - Merkurove orbite postepeno se pomera u odnosu na orbite drugih planeta u Sunčevom sistemu, što je otkriveno sredinom 19. veka. Ovo kretanje - precesija - nije našlo razumno objašnjenje u okviru Njutnove teorije univerzalne gravitacije, već je tačno izračunato na osnovu opšte teorije relativnosti.

Pomračenje Sunca koje se dogodilo 1919. godine pružilo je priliku za još jedan dokaz opšte teorije relativnosti. Arthur Eddington, koji je sebe u šali nazvao drugom osobom od troje koja razumije osnove teorije relativnosti, potvrdio je odstupanja koje je Ajnštajn predvideo kada su fotoni svetlosti prošli pored zvezde: u trenutku pomračenja, pomeranje prividnog položaj nekih zvijezda je postao primjetan.

Eksperiment za otkrivanje usporavanja sata ili gravitacionog crvenog pomaka predložio je sam Ajnštajn, između ostalih dokaza opšte teorije relativnosti. Tek nakon mnogo godina bilo je moguće pripremiti potrebnu eksperimentalnu opremu i provesti ovaj eksperiment. Gravitacijski pomak frekvencija zračenja od emitera i prijemnika, razdvojenih po visini, pokazao se u granicama koje predviđa Opća relativnost, a fizičari s Harvarda Robert Pound i Glen Rebka, koji su izveli ovaj eksperiment, naknadno su samo povećali tačnost mjerenja, a formula teorije relativnosti se opet pokazala ispravnom.

Ajnštajnova teorija relativnosti uvek je prisutna u opravdanju najznačajnijih projekata istraživanja svemira. Ukratko, možemo reći da je postao inženjerski alat za stručnjake, posebno one koji rade sa satelitskim navigacijskim sustavima - GPS, GLONASS, itd. Nemoguće je izračunati koordinate objekta sa potrebnom tačnošću, čak i na relativno malom prostoru, bez uzimanja u obzir usporavanja signala predviđena opštom relativnošću. Pogotovo kada je riječ o objektima razdvojenim kosmičkim udaljenostima, gdje greška u navigaciji može biti ogromna.

Tvorac teorije relativnosti

Albert Ajnštajn je još bio mlad kada je objavio principe teorije relativnosti. Nakon toga su mu postali jasni njegovi nedostaci i nedosljednosti. Konkretno, najvažniji problem opće relativnosti bila je nemogućnost njene integracije u kvantnu mehaniku, budući da se u opisu gravitacijskih interakcija koriste principi koji se radikalno razlikuju jedan od drugog. Kvantna mehanika razmatra interakciju objekata u jednom prostoru-vremenu, a za Ajnštajna ovaj prostor sam po sebi formira gravitaciju.

Pisanje "formule svih stvari" - jedinstvene teorije polja koja bi eliminisala kontradikcije opšte relativnosti i kvantne fizike - bio je Ajnštajnov cilj tokom celog života. duge godine, radio je na ovoj teoriji do posljednjeg sata, ali nije postigao uspjeh. Problemi opće relativnosti postali su poticaj za mnoge teoretičare da traže više savršeni modeli mir. Tako su se pojavile teorije struna, kvantna gravitacija u petlji i mnoge druge.

Ličnost autora Opšte teorije relativnosti ostavila je trag u istoriji uporediv sa značajem same teorije relativnosti za nauku. Ona i dalje nikoga ne ostavlja ravnodušnim. I sam Ajnštajn se pitao zašto toliku pažnju njemu i njegovom radu poklanjaju ljudi koji nemaju nikakve veze sa fizikom. Zahvaljujući svojim ličnim kvalitetima, čuvenoj duhovitosti, aktivnoj političkoj poziciji, pa čak i izražajnom izgledu, Ajnštajn je postao najpoznatiji fizičar na Zemlji, junak mnogih knjiga, filmova i kompjuterskih igrica.

Kraj njegovog života mnogi opisuju dramatično: bio je usamljen, smatrao je sebe odgovornim za pojavu najstrašnijeg oružja, koje je postalo prijetnja cijelom životu na planeti, njegova jedinstvena teorija polja ostala je nerealan san, ali najbolji Rezultatom se mogu smatrati riječi Ajnštajna, izrečene neposredno prije njegove smrti o tome da je izvršio svoj zadatak na Zemlji. Teško je raspravljati se s tim.