Hatte Einstein also Recht? Prüfung der Relativitätstheorie. Allgemeine Relativitätstheorie ist sie konsistent? Stimmt es mit der physischen Realität überein?

Die Allgemeine Relativitätstheorie wird bereits auf alle Bezugsrahmen angewendet (und nicht nur auf diejenigen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen) und sieht mathematisch viel komplizierter als speziell aus (was die Lücke von elf Jahren zwischen ihrer Veröffentlichung erklärt). Sie enthält als Spezialfall die spezielle Relativitätstheorie (und damit die Newtonschen Gesetze). Gleichzeitig geht die allgemeine Relativitätstheorie viel weiter als alle ihre Vorgänger. Insbesondere gibt es eine neue Interpretation der Schwerkraft.

Die allgemeine Relativitätstheorie macht die Welt vierdimensional: Zeit wird zu drei Raumdimensionen addiert. Alle vier Dimensionen sind untrennbar, daher sprechen wir nicht mehr wie in der dreidimensionalen Welt über die räumliche Distanz zwischen zwei Objekten, sondern über die raumzeitlichen Intervalle zwischen Ereignissen, die ihre Distanz voneinander vereinen – beides in Zeit und im Raum. Das heißt, Raum und Zeit werden als ein vierdimensionales Raum-Zeit-Kontinuum oder einfach als Raum-Zeit betrachtet. Auf diesem Kontinuum können sich Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, sogar uneinig darüber sein, ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattfanden – oder ob eines dem anderen vorausging. Zum Glück für unseren armen Verstand kommt es nicht zu einer Verletzung kausaler Zusammenhänge – also der Existenz von Koordinatensystemen, in denen zwei Ereignisse nicht gleichzeitig und in unterschiedlicher Reihenfolge eintreten, was auch die allgemeine Relativitätstheorie nicht zulässt.

Die klassische Physik betrachtete die Schwerkraft als eine gewöhnliche Kraft unter vielen Naturkräften (elektrisch, magnetisch usw.). Der Schwerkraft wurde "Langstreckenwirkung" (Durchdringen "durch die Leere") und vorgeschrieben erstaunliche Fähigkeit Körper unterschiedlicher Masse gleich beschleunigen.

Gesetz Schwere Newton sagt uns, dass es zwischen zwei beliebigen Körpern im Universum eine gegenseitige Anziehungskraft gibt. Aus dieser Sicht dreht sich die Erde um die Sonne, da zwischen ihnen Kräfte der gegenseitigen Anziehung bestehen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie zwingt uns jedoch, dieses Phänomen anders zu betrachten. Nach dieser Theorie ist die Gravitation eine Folge der Verformung („Krümmung“) des elastischen Gewebes der Raumzeit unter dem Einfluss von Masse (hier gilt: Je schwerer der Körper, zum Beispiel die Sonne, desto mehr Raumzeit darunter "krümmt" und entsprechend stärker sein Gravitationsfeld). Stellen Sie sich eine straff gespannte Leinwand (eine Art Trampolin) vor, auf der ein massiver Ball platziert wird. Die Leinwand verformt sich unter dem Gewicht der Kugel und um sie herum bildet sich eine trichterförmige Vertiefung. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie dreht sich die Erde um die Sonne wie eine kleine Kugel, die um den Kegel eines Trichters rollt, der durch das "Durchstoßen" der Raumzeit durch eine schwere Kugel - die Sonne - entsteht. Und was uns tatsächlich als Schwerkraft erscheint, ist tatsächlich eine rein äußere Manifestation der Krümmung der Raumzeit und keineswegs eine Kraft im Newtonschen Sinne. Eine bessere Erklärung für die Natur der Gravitation als die allgemeine Relativitätstheorie gibt es bis heute nicht.

Zunächst wird die Gleichheit der Beschleunigungen des freien Falls für Körper unterschiedlicher Masse diskutiert (die Tatsache, dass ein massiver Schlüssel und ein leichtes Streichholz gleich schnell vom Tisch auf den Boden fallen). Wie Einstein feststellte, macht diese einzigartige Eigenschaft die Schwerkraft der Trägheit sehr ähnlich.

Tatsächlich verhalten sich der Schlüssel und das Streichholz so, als würden sie sich durch Trägheit in der Schwerelosigkeit bewegen, und der Boden des Raums bewegte sich mit Beschleunigung auf sie zu. Nachdem Sie die Taste und das Streichholz erreicht haben, würde der Boden ihren Aufprall erfahren und dann Druck, weil. Die Trägheit des Schlüssels und des Streichholzes hätte die weitere Beschleunigung des Bodens beeinflusst.

Dieser Druck (Astronauten sagen - "Überlastung") wird als Trägheitskraft bezeichnet. Auf Körper in beschleunigten Bezugssystemen wirkt immer eine ähnliche Kraft.

Wenn die Rakete mit einer Beschleunigung fliegt, die der Beschleunigung des freien Falls auf der Erdoberfläche (9,81 m/s) entspricht, spielt die Trägheitskraft die Rolle des Gewichts des Schlüssels und des Streichholzes. Ihre „künstliche“ Schwerkraft wird genau die gleiche sein wie die natürliche auf der Erdoberfläche. Das bedeutet, dass die Beschleunigung des Bezugssystems ein der Schwerkraft sehr ähnliches Phänomen ist.

Im Gegensatz dazu wird in einem frei fallenden Aufzug die natürliche Schwerkraft durch die beschleunigte Bewegung des Kabinenbezugssystems eliminiert, das dem Schlüssel und dem Streichholz "hinterherjagt". Natürlich sieht die klassische Physik in diesen Beispielen nicht das wahre Entstehen und Verschwinden der Schwerkraft. Die Schwerkraft wird nur simuliert oder durch Beschleunigung kompensiert. Aber in der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Ähnlichkeit zwischen Trägheit und Schwerkraft als viel tiefer erkannt.

Einstein stellte das lokale Prinzip der Äquivalenz von Trägheit und Schwerkraft auf und stellte fest, dass auf hinreichend kleinen Entfernungs- und Zeitskalen ein Phänomen durch kein Experiment von einem anderen unterschieden werden kann. Damit hat die Allgemeine Relativitätstheorie das wissenschaftliche Verständnis der Welt noch tiefgreifender verändert. Das erste Gesetz der Newtonschen Dynamik hat seine Universalität verloren - es stellte sich heraus, dass die Bewegung durch Trägheit krummlinig und beschleunigt sein kann. Die Notwendigkeit für das Konzept einer schweren Masse ist verschwunden. Die Geometrie des Universums hat sich verändert: Anstelle des direkten euklidischen Raums und der einheitlichen Zeit ist eine gekrümmte Raumzeit, eine gekrümmte Welt erschienen. Die Wissenschaftsgeschichte hat noch nie eine so scharfe Umstrukturierung der Ansichten über die physikalischen Grundprinzipien des Universums erlebt.

Das Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist schwierig, da ihre Ergebnisse unter normalen Laborbedingungen fast identisch mit denen sind, die das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation vorhersagt. Dennoch wurden mehrere wichtige Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse uns erlauben, die Theorie als bestätigt zu betrachten. Darüber hinaus hilft die allgemeine Relativitätstheorie, die Phänomene zu erklären, die wir im Weltraum beobachten, ein Beispiel ist ein Lichtstrahl, der in der Nähe der Sonne vorbeizieht. Sowohl die Newtonsche Mechanik als auch die Allgemeine Relativitätstheorie erkennen an, dass sie zur Sonne hin abweichen muss (Fall). Die allgemeine Relativitätstheorie sagt jedoch die doppelte Strahlverschiebung voraus. Beobachtungen während Sonnenfinsternisse bewies die Richtigkeit von Einsteins Vorhersage. Ein anderes Beispiel. Der sonnennächste Planet Merkur weist geringfügige Abweichungen von einer stationären Umlaufbahn auf, die aus Sicht der klassischen Newtonschen Mechanik unerklärlich sind. Aber genau eine solche Umlaufbahn ergibt sich aus der Berechnung mit den GR-Formeln. Die Verlangsamung der Zeit in einem starken Gravitationsfeld erklärt die Abnahme der Frequenz von Lichtschwingungen in der Strahlung von Weißen Zwergen - Sternen mit sehr hoher Dichte. Und in den letzten Jahren wurde dieser Effekt unter Laborbedingungen registriert. Schließlich ist die Rolle der Allgemeinen Relativitätstheorie in der modernen Kosmologie, der Wissenschaft von der Struktur und Geschichte des gesamten Universums, sehr wichtig. Auch auf diesem Wissensgebiet wurden viele Beweise für Einsteins Gravitationstheorie gefunden. Tatsächlich unterscheiden sich die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Ergebnisse nur in Gegenwart von superstarken Gravitationsfeldern merklich von den von den Newtonschen Gesetzen vorhergesagten Ergebnissen. Das bedeutet, dass ein vollständiger Test der allgemeinen Relativitätstheorie entweder ultrapräzise Messungen sehr massereicher Objekte oder schwarzer Löcher erfordert, auf die keine unserer üblichen intuitiven Vorstellungen anwendbar ist. Die Entwicklung neuer experimenteller Methoden zur Überprüfung der Relativitätstheorie bleibt daher eine der wichtigsten Aufgaben der Experimentalphysik.

Vor hundert Jahren, im Jahr 1915, schlug ein junger Schweizer Wissenschaftler, der damals bereits revolutionäre Entdeckungen in der Physik gemacht hatte, ein grundlegend neues Verständnis der Gravitation vor.

1915 veröffentlichte Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als grundlegende Eigenschaft der Raumzeit charakterisiert. Er stellte eine Reihe von Gleichungen vor, die die Wirkung der Krümmung der Raumzeit auf die Energie und Bewegung der darin vorhandenen Materie und Strahlung beschreiben.

Hundert Jahre später wurde die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) zur Grundlage für den Aufbau der modernen Wissenschaft, sie hat allen Tests standgehalten, mit denen Wissenschaftler sie angegriffen haben.

Aber bis vor kurzem war es nicht möglich, Experimente unter extremen Bedingungen durchzuführen, um die Stabilität der Theorie zu testen.

Es ist erstaunlich, wie stark sich die Relativitätstheorie in über 100 Jahren erwiesen hat. Wir verwenden immer noch, was Einstein geschrieben hat!

Clifford Will, theoretischer Physiker, University of Florida

Wissenschaftler haben jetzt die Technologie, um nach Physik jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie zu suchen.

Ein neuer Blick auf die Schwerkraft

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft nicht als eine Kraft (wie sie in der Newtonschen Physik erscheint), sondern als eine Krümmung der Raumzeit aufgrund der Masse von Objekten. Die Erde dreht sich um die Sonne, nicht weil der Stern sie anzieht, sondern weil die Sonne die Raumzeit deformiert. Wenn eine schwere Bowlingkugel auf eine gespannte Decke gelegt wird, verändert die Decke ihre Form - die Schwerkraft wirkt sich auf die gleiche Weise auf den Raum aus.

Einsteins Theorie sagte einige verrückte Entdeckungen voraus. Zum Beispiel die Möglichkeit der Existenz von Schwarzen Löchern, die die Raumzeit so stark krümmen, dass nichts aus ihrem Inneren entweichen kann, nicht einmal Licht. Basierend auf der Theorie wurden Beweise für die heute allgemein akzeptierte Meinung gefunden, dass sich das Universum ausdehnt und beschleunigt.

Die allgemeine Relativitätstheorie wurde durch zahlreiche Beobachtungen bestätigt. Einstein selbst benutzte die allgemeine Relativitätstheorie, um die Umlaufbahn des Merkur zu berechnen, dessen Bewegung nicht durch die Newtonschen Gesetze beschrieben werden kann. Einstein sagte die Existenz von Objekten voraus, die so massiv sind, dass sie Licht brechen. Dies ist ein Gravitationslinsenphänomen, dem Astronomen oft begegnen. Beispielsweise basiert die Suche nach Exoplaneten auf der Wirkung feiner Änderungen in der Strahlung, die durch das Gravitationsfeld des Sterns gekrümmt wird, um den sich der Planet dreht.

Prüfung von Einsteins Theorie

Die Allgemeine Relativitätstheorie funktioniert gut für die gewöhnliche Gravitation, wie auf der Erde durchgeführte Experimente und Planetenbeobachtungen zeigen. Sonnensystem. Aber es wurde nie unter extrem starken Feldeinflüssen in Räumen getestet, die an den Grenzen der Physik liegen.

Der vielversprechendste Weg, die Theorie unter solchen Bedingungen zu testen, besteht darin, Änderungen in der Raumzeit zu beobachten, die als Gravitationswellen bezeichnet werden. Sie erscheinen als Ergebnis großer Ereignisse, während der Verschmelzung zweier massiver Körper wie Schwarzer Löcher oder besonders dichter Objekte - Neutronensterne.

Ein kosmisches Feuerwerk dieser Größenordnung hätte nur die kleinsten Kräuselungen in der Raumzeit. Wenn zum Beispiel zwei Schwarze Löcher irgendwo in unserer Galaxie kollidieren und verschmelzen, könnten Gravitationswellen den Abstand zwischen Objekten auf der Erde einen Meter voneinander entfernt um ein Tausendstel des Durchmessers eines Atomkerns dehnen und stauchen.

Es sind Experimente aufgetaucht, die Änderungen in der Raumzeit aufgrund solcher Ereignisse aufzeichnen können.

Es besteht eine gute Chance, Gravitationswellen in den nächsten zwei Jahren zu fixieren.

Clifford Will

Das Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) mit Observatorien in der Nähe von Richland, Washington, und Livingston, Louisiana, verwendet einen Laser, um winzige Verzerrungen in zwei L-förmigen Detektoren zu erkennen. Wenn Raum-Zeit-Wellen durch die Detektoren laufen, dehnen und komprimieren sie den Raum, wodurch der Detektor seine Dimensionen ändert. Und LIGO kann sie messen.

LIGO startete 2002 eine Reihe von Markteinführungen, traf jedoch nicht ins Schwarze. 2010 wurden Verbesserungen vorgenommen, und der Nachfolger der Organisation, das Advanced LIGO Observatory, sollte dieses Jahr wieder in Betrieb gehen. Viele der geplanten Experimente zielen auf die Suche nach Gravitationswellen ab.

Eine andere Möglichkeit, die Relativitätstheorie zu testen, besteht darin, die Eigenschaften von Gravitationswellen zu betrachten. Beispielsweise können sie polarisiert sein, wie Licht, das durch eine polarisierte Brille fällt. Die Relativitätstheorie sagt die Merkmale eines solchen Effekts voraus, und jede Abweichung von den Berechnungen kann ein Grund sein, an der Theorie zu zweifeln.

Einheitliche Theorie

Clifford Will glaubt, dass die Entdeckung von Gravitationswellen Einsteins Theorie nur stärken wird:

Ich denke, wir müssen weiter nach Beweisen für die allgemeine Relativitätstheorie suchen, um sicherzugehen, dass sie richtig ist.

Warum braucht es diese Experimente überhaupt?

Eine der wichtigsten und schwer fassbaren Aufgaben der modernen Physik ist die Suche nach einer Theorie, die Einsteins Forschung, also die Wissenschaft des Makrokosmos, und die Quantenmechanik, die Realität der kleinsten Objekte, miteinander verbindet.

Fortschritte in dieser Richtung, der Quantengravitation, können Änderungen an der allgemeinen Relativitätstheorie erfordern. Es ist möglich, dass Experimente im Bereich der Quantengravitation so viel Energie benötigen, dass sie nicht durchgeführt werden können. „Aber wer weiß“, sagt Will, „vielleicht gibt es einen Effekt im Quantenuniversum, unbedeutend, aber durchsuchbar.“

In einer Rede am 27. April 1900 vor der Royal Institution of Great Britain sagte Lord Kelvin: „Theoretische Physik ist ein wohlproportioniertes und vollendetes Gebäude. Auf der klarer Himmel Physik gibt es nur zwei kleine Wolken - das ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und der Strahlungsintensitätsverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Ich denke, dass diese beiden besonderen Fragen bald gelöst sein werden und die Physiker des 20. Jahrhunderts nichts zu tun haben werden.“ Lord Kelvin hatte vollkommen recht, als er auf die Forschungsschwerpunkte der Physik hinwies, verkannte aber deren Bedeutung: Die daraus entstandene Relativitätstheorie und Quantentheorie entpuppten sich als endlose Forschungsgebiete, die die wissenschaftlichen Köpfe beschäftigten seit mehr als hundert Jahren.

Da sie die Gravitationswechselwirkung nicht beschrieb, begann Einstein kurz nach ihrer Fertigstellung mit der Entwicklung einer allgemeinen Version dieser Theorie, die er von 1907 bis 1915 entwickelte. Die Theorie war schön in ihrer Einfachheit und Übereinstimmung mit Naturphänomenen, mit Ausnahme eines einzigen Punktes: Zum Zeitpunkt der Zusammenstellung der Theorie durch Einstein war noch nichts über die Expansion des Universums und sogar über die Existenz bekannt andere Galaxien, daher glaubten die damaligen Wissenschaftler, dass das Universum auf unbestimmte Zeit existierte und stationär sei. Gleichzeitig folgte aus dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation, dass die Fixsterne irgendwann einfach zu einem Punkt zusammengezogen werden sollten.

Da er keine bessere Erklärung für dieses Phänomen fand, führte Einstein in seine Gleichungen ein, die numerisch kompensierten und somit dem stationären Universum erlaubten, zu existieren, ohne die Gesetze der Physik zu verletzen. In der Folge begann Einstein, die Einführung der kosmologischen Konstante in seine Gleichungen als seinen größten Fehler zu betrachten, da sie für die Theorie nicht notwendig war und von nichts anderem als dem damals scheinbar stationären Universum bestätigt wurde. Und 1965 wurde Reliktstrahlung entdeckt, was bedeutete, dass das Universum einen Anfang hatte und sich die Konstante in Einsteins Gleichungen als völlig unnötig herausstellte. Dennoch wurde 1998 die kosmologische Konstante gefunden: Nach den Daten des Hubble-Teleskops verlangsamten ferne Galaxien ihre Expansion nicht aufgrund der Anziehungskraft der Schwerkraft, sondern beschleunigten ihre Expansion sogar.

Grundlagen der Theorie

Zu den Grundpostulaten der speziellen Relativitätstheorie kam hier ein neues hinzu: Die Newtonsche Mechanik gab eine numerische Abschätzung der gravitativen Wechselwirkung materieller Körper, erklärte aber nicht die Physik dieses Vorgangs. Einstein gelang es, dies durch die Krümmung der 4-dimensionalen Raumzeit durch einen massiven Körper zu beschreiben: Der Körper erzeugt eine Störung um sich herum, wodurch sich die umgebenden Körper entlang geodätischer Linien zu bewegen beginnen (Beispiele für solche Linien sind die Linien der Breiten- und Längengrade der Erde, die für einen inneren Beobachter gerade Linien zu sein scheinen, in Wirklichkeit aber leicht gekrümmt sind). Lichtstrahlen werden auf die gleiche Weise abgelenkt, was das sichtbare Bild hinter einem massiven Objekt verzerrt. Bei erfolgreicher Koinzidenz der Positionen und Massen von Objekten führt dies zu (wenn die Krümmung der Raumzeit wie eine riesige Linse wirkt, die die entfernte Lichtquelle viel heller macht). Passen die Parameter nicht perfekt zusammen, kann dies in astronomischen Aufnahmen entfernter Objekte zur Bildung eines „Einstein-Kreuzes“ oder eines „Einstein-Kreises“ führen.

Zu den Vorhersagen der Theorie gehörten auch die gravitative Zeitdilatation (die bei Annäherung an ein massives Objekt auf die gleiche Weise auf den Körper einwirkte wie die Zeitdilatation aufgrund von Beschleunigung), die Gravitation (wenn ein von einem massiven Körper emittierter Lichtstrahl geht in den roten Teil des Spektrums durch Energieverlust an die Austrittsarbeit des "Gravitationsbrunnens") sowie Gravitationswellen (Störung der Raumzeit, die jeden Körper mit Masse im Laufe seiner Bewegung erzeugt).

Stand der Theorie

Die erste Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie erhielt Einstein selbst im selben Jahr 1915, als sie veröffentlicht wurde: Die Theorie beschrieb mit absoluter Genauigkeit die Verschiebung des Perihels des Merkur, die zuvor nicht mit der Newtonschen Mechanik erklärt werden konnte. Seitdem wurden viele andere Phänomene entdeckt, die von der Theorie vorhergesagt wurden, aber zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung zu schwach waren, um entdeckt zu werden. Die letzte derartige Entdeckung dieser Moment war die Entdeckung von Gravitationswellen am 14. September 2015.

Über diese Theorie wurde gesagt, dass nur drei Menschen auf der Welt sie verstehen, und als Mathematiker versuchten, in Zahlen auszudrücken, was daraus folgt, scherzte der Autor selbst - Albert Einstein -, dass er sie jetzt nicht mehr verstehe.

Die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie sind untrennbare Bestandteile der Lehre, auf der moderne wissenschaftliche Ansichten über den Aufbau der Welt aufbauen.

"Jahr der Wunder"

1905 veröffentlichten die Annalen der Physik, eine führende deutsche wissenschaftliche Publikation, nacheinander vier Artikel des 26-jährigen Albert Einstein, der als Prüfer 3 Erfindungen patentieren in Bern. Er hatte schon früher mit dem Magazin zusammengearbeitet, aber die Veröffentlichung so vieler Artikel in einem Jahr war ein außergewöhnliches Ereignis. Es wurde noch herausragender, als der Wert der in jedem von ihnen enthaltenen Ideen deutlich wurde.

Im ersten der Artikel wurden Gedanken über die Quantennatur des Lichts geäußert und die Prozesse der Absorption und Freisetzung elektromagnetischer Strahlung betrachtet. Auf dieser Grundlage wurde zunächst der photoelektrische Effekt erklärt - die Emission von Elektronen durch Materie, die durch Lichtphotonen ausgeknockt wurden, es wurden Formeln zur Berechnung der in diesem Fall freigesetzten Energiemenge vorgeschlagen. Für die theoretische Entwicklung des photoelektrischen Effekts, der zum Beginn der Quantenmechanik wurde, und nicht für die Postulate der Relativitätstheorie, wird Einstein 1922 ausgezeichnet Nobelpreis in Physik.

In einem weiteren Artikel wurde der Grundstein für angewandte Bereiche der physikalischen Statistik gelegt, basierend auf der Untersuchung der Brownschen Bewegung kleinster Teilchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind. Einstein schlug Methoden zur Suche nach Schwankungsmustern vor - zufällige und zufällige Abweichungen physikalischer Größen von ihren wahrscheinlichsten Werten.

Und schließlich in den Artikeln „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ und „Hängt die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt ab?“ enthielt die Keime dessen, was in der Geschichte der Physik als Albert Einsteins Relativitätstheorie bezeichnet wird, oder besser gesagt als ihr erster Teil - SRT - die spezielle Relativitätstheorie.

Quellen und Vorgänger

BEIM spätes XIX Jahrhunderten schien es vielen Physikern am meisten globale Probleme Das Universum ist entschieden, die wichtigsten Entdeckungen wurden gemacht, und die Menschheit muss nur noch das angesammelte Wissen nutzen, um den technologischen Fortschritt kraftvoll zu beschleunigen. Nur einige theoretische Ungereimtheiten störten das harmonische Bild des Universums, das mit Äther gefüllt ist und nach unveränderlichen Newtonschen Gesetzen lebt.

Die Harmonie wurde durch Maxwells theoretische Forschung verdorben. Seine Gleichungen, die die Wechselwirkungen elektromagnetischer Felder beschrieben, widersprachen den allgemein anerkannten Gesetzen der klassischen Mechanik. Dies betraf die Messung der Lichtgeschwindigkeit in dynamischen Referenzsystemen, als das Relativitätsprinzip von Galileo nicht mehr funktionierte - das mathematische Modell der Wechselwirkung solcher Systeme bei Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit führte zum Verschwinden elektromagnetischer Wellen.

Auch der Äther, der die gleichzeitige Existenz von Teilchen und Wellen, Makro- und Mikrokosmos versöhnen sollte, gab der Entdeckung nicht nach. Das Experiment, das 1887 von Albert Michelson und Edward Morley durchgeführt wurde, zielte darauf ab, den „ätherischen Wind“ nachzuweisen, der zwangsläufig von einem einzigartigen Gerät – einem Interferometer – aufgezeichnet werden musste. Das Experiment dauerte ein ganzes Jahr - die Zeit der vollständigen Umdrehung der Erde um die Sonne. Der Planet musste sich ein halbes Jahr lang gegen den Ätherstrom bewegen, der Äther musste ein halbes Jahr lang „in die Segel der Erde blasen“, aber das Ergebnis war null: Es gab keine Verschiebung von Lichtwellen unter dem Einfluss des Äthers gefunden, die Zweifel an der Existenz des Äthers aufkommen lassen.

Lorentz und Poincaré

Physiker haben versucht, eine Erklärung für die Ergebnisse von Experimenten zum Nachweis des Äthers zu finden. Hendrik Lorentz (1853-1928) schlug sein mathematisches Modell vor. Es hat die ätherische Raumfüllung wieder zum Leben erweckt, aber nur unter einer sehr bedingten und künstlichen Annahme, dass sich Objekte bei der Bewegung durch den Äther in Bewegungsrichtung zusammenziehen können. Dieses Modell wurde von dem großen Henri Poincaré (1854-1912) fertiggestellt.

In den Arbeiten dieser beiden Wissenschaftler tauchten zum ersten Mal Konzepte auf, die weitgehend die Hauptpostulate der Relativitätstheorie ausmachten, und dies lässt Einsteins Plagiatsvorwürfe nicht abebben. Dazu gehören die Bedingtheit des Begriffs der Gleichzeitigkeit, die Hypothese der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Poincaré gab zu, dass Newtons Gesetze der Mechanik eine Überarbeitung bei hohen Geschwindigkeiten erfordern, er zog eine Schlussfolgerung über die Relativität der Bewegung, aber in Anwendung auf die ätherische Theorie.

Spezielle Relativitätstheorie - SRT

Probleme einer korrekten Beschreibung elektromagnetischer Prozesse wurden zur Motivation für die Auswahl eines Themas für theoretische Entwicklungen, und Einsteins 1905 veröffentlichte Artikel enthielten eine Interpretation eines bestimmten Falls - einheitlich und geradlinige Bewegung. Bis 1915 wurde die allgemeine Relativitätstheorie gebildet, die die Wechselwirkungen und Gravitationswechselwirkungen erklärte, aber die erste war die Theorie, die als spezielle bezeichnet wird.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie lässt sich in zwei grundlegende Postulate zusammenfassen. Die erste dehnt die Wirkung von Galileis Relativitätsprinzip auf alles aus physikalische Phänomene und nicht nur mechanische Prozesse. In mehr generelle Form es besagt: Alle physikalischen Gesetze sind für alle inertialen (gleichförmig geradlinig bewegten oder ruhenden) Bezugssysteme gleich.

Die zweite Aussage, die die spezielle Relativitätstheorie enthält: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist für alle Inertialsysteme gleich. Außerdem wird eine allgemeinere Schlussfolgerung gezogen: Die Lichtgeschwindigkeit ist maximal großer WertÜbertragungsraten von Wechselwirkungen in der Natur.

In den mathematischen Berechnungen der SRT wird die Formel E=mc² angegeben, die zuvor in physikalischen Veröffentlichungen erschienen ist, aber dank Einstein zur bekanntesten und beliebtesten in der Geschichte der Wissenschaft wurde. Der Schluss über die Äquivalenz von Masse und Energie ist die revolutionärste Formel der Relativitätstheorie. Das Konzept, dass jedes Objekt mit Masse eine riesige Menge an Energie enthält, wurde zur Grundlage für Entwicklungen zur Verwendung von Kernenergie und vor allem zum Erscheinen der Atombombe geführt.

Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie

Aus der SRT folgen mehrere Konsequenzen, die als relativistische (relativistische englisch - relativeity) Effekte bezeichnet werden. Die Zeitdilatation ist eine der auffälligsten. Sein Wesen ist, dass in einem sich bewegenden Bezugssystem die Zeit langsamer vergeht. Berechnungen zeigen, dass auf einem Raumschiff, das einen hypothetischen Flug zum Sternensystem Alpha Centauri und zurück mit einer Geschwindigkeit von 0,95 c (c ist die Lichtgeschwindigkeit) absolviert hat, 7,3 Jahre vergehen und auf der Erde 12 Jahre. Solche Beispiele werden oft gegeben, wenn man die Relativitätstheorie für Dummies erklärt, sowie das damit verbundene Zwillingsparadoxon.

Ein weiterer Effekt ist die Reduzierung der Längenmaße, d. h. Objekte, die sich relativ zu ihm mit einer Geschwindigkeit nahe c bewegen, haben aus Sicht des Beobachters kleinere Längenmaße in Bewegungsrichtung als ihre eigene Länge. Dieser von der relativistischen Physik vorhergesagte Effekt wird als Lorentz-Kontraktion bezeichnet.

Nach den Gesetzen der relativistischen Kinematik ist die Masse eines bewegten Körpers größer als die Ruhemasse. Besonders bedeutsam wird dieser Effekt bei der Entwicklung von Instrumenten zur Untersuchung von Elementarteilchen – die Arbeit des LHC (Large Hadron Collider) ist ohne Berücksichtigung kaum vorstellbar.

Freizeit

Eine der wichtigsten Komponenten der SRT ist eine grafische Darstellung der relativistischen Kinematik, eines speziellen Konzepts einer einzigen Raumzeit, das vom deutschen Mathematiker Hermann Minkowski vorgeschlagen wurde, der einst Mathematiklehrer für einen Schüler von Albert war Einstein.

Die Essenz des Minkowski-Modells liegt in einem völlig neuen Ansatz zur Bestimmung der Position interagierender Objekte. spezielle Theorie Relativität der Zeit Besondere Aufmerksamkeit. Die Zeit wird nicht nur zur vierten Koordinate des klassischen dreidimensionalen Koordinatensystems, die Zeit ist kein absoluter Wert, sondern eine untrennbare Eigenschaft des Raums, der die Form eines Raum-Zeit-Kontinuums annimmt, grafisch ausgedrückt als Kegel, in dem alle Interaktionen stattfinden.

Ein solcher Raum in der Relativitätstheorie mit seiner Entwicklung zu einem allgemeineren Charakter wurde später einer weiteren Krümmung unterzogen, die ein solches Modell auch für die Beschreibung gravitativer Wechselwirkungen geeignet machte.

Weiterentwicklung der Theorie

Die SRT fand unter Physikern nicht sofort Verständnis, wurde aber allmählich zum Hauptwerkzeug zur Beschreibung der Welt, insbesondere der Welt der Elementarteilchen, die zum Hauptgegenstand des Studiums der Physik wurde. Aber die Aufgabe, die SRT durch eine Erklärung der Gravitationskräfte zu ergänzen, war sehr relevant, und Einstein hörte nicht auf zu arbeiten und verfeinerte die Prinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie - GR. Die mathematische Verarbeitung dieser Prinzipien dauerte ziemlich lange - etwa 11 Jahre, und daran nahmen Spezialisten aus den an die Physik angrenzenden Bereichen der exakten Wissenschaften teil.

So leistete der führende Mathematiker dieser Zeit, David Hilbert (1862-1943), der einer der Mitautoren der Gravitationsfeldgleichungen wurde, einen großen Beitrag. Sie waren der letzte Stein beim Bau eines schönen Gebäudes, das den Namen erhielt - die Allgemeine Relativitätstheorie oder GR.

Allgemeine Relativitätstheorie - GR

Die moderne Theorie des Gravitationsfeldes, die Theorie der "Raum-Zeit"-Struktur, die Geometrie der "Raum-Zeit", das Gesetz der physikalischen Wechselwirkungen in nicht-trägen Bezugssystemen - all dies sind die verschiedenen Namen, die Albert Einstein hat Allgemeine Relativitätstheorie ist ausgestattet mit.

Die Theorie der universellen Gravitation, die lange Zeit die Ansichten der Physik über die Schwerkraft, über die Wechselwirkungen von Objekten und Feldern unterschiedlicher Größe bestimmt hat. Paradoxerweise, aber sein Hauptnachteil war die Ungreifbarkeit, illusorische, mathematische Natur seines Wesens. Es gab eine Leere zwischen den Sternen und Planeten, die Anziehung zwischen Himmelskörpern wurde durch die weitreichende Wirkung bestimmter Kräfte und augenblickliche erklärt. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beeinflusste die Schwerkraft körperlicher Inhalt, stellte es als direkten Kontakt verschiedener materieller Objekte dar.

Die Geometrie der Schwerkraft

Die Hauptidee, mit der Einstein die Gravitationswechselwirkungen erklärte, ist sehr einfach. Er erklärt den physikalischen Ausdruck der Gravitationskräfte zur Raumzeit, die mit ziemlich greifbaren Merkmalen ausgestattet ist - Metriken und Verformungen, die von der Masse des Objekts beeinflusst werden, um das sich solche Krümmungen bilden. Zu einer Zeit wurden Einstein sogar Forderungen zugeschrieben, das Konzept des Äthers als eines elastischen materiellen Mediums, das den Raum erfüllt, in die Theorie des Universums zurückzubringen. Er erklärte auch, dass es für ihn schwierig sei, eine Substanz zu nennen, die viele Eigenschaften hat, die als Vakuum bezeichnet werden können.

Somit ist die Schwerkraft eine Manifestation der geometrischen Eigenschaften der vierdimensionalen Raumzeit, die in der SRT als nicht gekrümmt bezeichnet wurde, aber in allgemeineren Fällen mit einer Krümmung ausgestattet ist, die die Bewegung materieller Objekte bestimmt, denen die gegeben ist gleiche Beschleunigung nach dem von Einstein erklärten Äquivalenzprinzip.

Das fundamentales Prinzip Die Relativitätstheorie erklärt viele der "Engpässe" der Newtonschen Theorie der universellen Gravitation: die Krümmung des Lichts, die beobachtet wird, wenn es bei einigen astronomischen Phänomenen an massiven Weltraumobjekten vorbeizieht, und, wie von den Alten bemerkt, die gleiche Beschleunigung des Falls von Körpern , unabhängig von ihrer Masse.

Modellierung der Raumkrümmung

Ein gängiges Beispiel, das die allgemeine Relativitätstheorie für Dummies erklärt, ist die Darstellung der Raumzeit in Form eines Trampolins - einer elastischen dünnen Membran, auf der Objekte (meistens Bälle) ausgelegt sind, die interagierende Objekte imitiert. Schwere Kugeln biegen die Membran und bilden einen Trichter um sie herum. Eine kleinere Kugel, die über die Oberfläche geschleudert wird, bewegt sich in voller Übereinstimmung mit den Gesetzen der Schwerkraft und rollt allmählich in die Vertiefungen, die von massiveren Objekten gebildet werden.

Aber dieses Beispiel ist eher willkürlich. Die reale Raumzeit ist mehrdimensional, ihre Krümmung sieht auch nicht so elementar aus, aber das Prinzip der Entstehung der gravitativen Wechselwirkung und das Wesen der Relativitätstheorie werden deutlich. Jedenfalls gibt es noch keine Hypothese, die die Gravitationstheorie logischer und kohärenter erklären würde.

Beweise der Wahrheit

Die Allgemeine Relativitätstheorie wurde schnell als mächtige Grundlage angesehen, auf der die moderne Physik aufgebaut werden konnte. Die Relativitätstheorie beeindruckte von Anfang an mit ihrer Harmonie und Harmonie, und nicht nur Spezialisten, und bald nach ihrem Erscheinen wurde sie durch Beobachtungen bestätigt.

Der sonnennächste Punkt - das Perihel - der Merkurbahn verschiebt sich allmählich relativ zu den Bahnen anderer Planeten im Sonnensystem, das bereits Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt wurde. Eine solche Bewegung – Präzession – fand im Rahmen von Newtons Theorie der universellen Gravitation keine vernünftige Erklärung, sondern wurde auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie genau berechnet.

Die Sonnenfinsternis von 1919 bot Gelegenheit für einen weiteren Beweis der Allgemeinen Relativitätstheorie. Arthur Eddington, der sich scherzhaft als zweiter von dreien bezeichnet, die die Grundlagen der Relativitätstheorie verstehen, bestätigte die von Einstein vorhergesagten Abweichungen beim Durchgang von Lichtphotonen in der Nähe des Sterns: zum Zeitpunkt der Sonnenfinsternis eine Verschiebung in die scheinbare Position einiger Sterne machte sich bemerkbar.

Das Experiment zur Erkennung der Verlangsamung der Uhr oder der Rotverschiebung der Gravitation wurde von Einstein selbst vorgeschlagen, neben anderen Beweisen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Erst nach vielen Jahren war es möglich, die notwendige Versuchsausrüstung vorzubereiten und dieses Experiment durchzuführen. Es stellte sich heraus, dass die Gravitationsfrequenzverschiebung der Strahlung von Sender und Empfänger, die in der Höhe voneinander entfernt waren, innerhalb der von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Grenzen lag, und die Harvard-Physiker Robert Pound und Glen Rebka, die dieses Experiment durchführten, erhöhten die Genauigkeit der Messungen nur noch weiter , und die Formel der Relativitätstheorie erwies sich erneut als richtig.

Einsteins Relativitätstheorie ist in der Begründung der bedeutendsten Weltraumforschungsprojekte immer präsent. Kurz gesagt, es ist zu einem technischen Werkzeug für Spezialisten geworden, insbesondere für diejenigen, die mit Satellitennavigationssystemen - GPS, GLONASS usw. - zu tun haben. Es ist unmöglich, die Koordinaten eines Objekts selbst auf relativ kleinem Raum mit der erforderlichen Genauigkeit zu berechnen, ohne die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Verlangsamungen von Signalen zu berücksichtigen. Besonders wenn wir über Objekte sprechen, die durch kosmische Entfernungen voneinander entfernt sind, wo der Navigationsfehler enorm sein kann.

Schöpfer der Relativitätstheorie

Albert Einstein war noch ein junger Mann, als er die Grundlagen der Relativitätstheorie veröffentlichte. Anschließend wurden ihm ihre Mängel und Ungereimtheiten klar. Das wichtigste Problem von GR war insbesondere die Unmöglichkeit, in die Quantenmechanik hineinzuwachsen, da die Beschreibung gravitativer Wechselwirkungen Prinzipien verwendet, die sich radikal voneinander unterscheiden. In der Quantenmechanik wird die Wechselwirkung von Objekten in einer einzigen Raumzeit betrachtet, und nach Einstein bildet dieser Raum selbst die Gravitation.

Das Schreiben der „Formel von allem, was existiert“ – eine einheitliche Feldtheorie, die die Widersprüche der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik beseitigen würde – war Einsteins Ziel Jahre An dieser Theorie arbeitete er bis zur letzten Stunde, hatte aber keinen Erfolg. Die Probleme der Allgemeinen Relativitätstheorie sind für viele Theoretiker zu einem Anreiz geworden, nach mehr zu suchen perfekte Modelle Frieden. So entstanden Stringtheorien, Schleifenquantengravitation und viele andere.

Die Persönlichkeit des Autors der Allgemeinen Relativitätstheorie hinterließ Spuren in der Geschichte, vergleichbar mit der wissenschaftlichen Bedeutung der Relativitätstheorie selbst. Sie lässt es bisher nicht gleichgültig. Einstein selbst wunderte sich, warum ihm und seiner Arbeit so viel Aufmerksamkeit von Leuten geschenkt wurde, die nichts mit Physik zu tun hatten. Dank seiner persönlichen Qualitäten, seines berühmten Witzes, seiner aktiven politischen Position und sogar seiner ausdrucksstarken Erscheinung wurde Einstein zum berühmtesten Physiker der Erde, zum Helden vieler Bücher, Filme und Computerspiele.

Das Ende seines Lebens wird von vielen dramatisch beschrieben: Er war einsam, sah sich verantwortlich für das Erscheinen der schrecklichsten Waffe, die zu einer Bedrohung für alles Leben auf dem Planeten wurde, seine einheitliche Feldtheorie blieb ein unrealistischer Traum, aber Einsteins Worte, gesprochen kurz vor seinem Tod, kann als bestes Ergebnis gewertet werden, dass er seine Aufgabe auf der Erde erfüllt hat. Es ist schwer, dem zu widersprechen.