نظریه نسبیت خاص اینشتین: به طور خلاصه و به زبان ساده. نظریه نسبیت - چیست؟ اصول نظریه نسبیت. زمان و مکان در نظریه نسبیت

نظریه نسبیت عام در کنار نظریه نسبیت خاص، کار درخشان آلبرت انیشتین است که در آغاز قرن بیستم نگاه فیزیکدانان به جهان را تغییر داد. صد سال بعد، نسبیت عام اصلی ترین و مهم ترین نظریه فیزیک در جهان است و همراه با مکانیک کوانتومیادعا می کند که یکی از دو سنگ بنای "نظریه همه چیز" است. نظریه نسبیت عام، گرانش را نتیجه انحنای فضا-زمان (در نسبیت عام در یک کل متحد شده) تحت تأثیر جرم توصیف می کند. به لطف نسبیت عام، دانشمندان ثابت‌های زیادی را استخراج کرده‌اند، دسته‌ای از پدیده‌های غیرقابل توضیح را آزمایش کرده‌اند و به چیزهایی مانند سیاه‌چاله‌ها، ماده تاریک و انرژی تاریک، انبساط کیهان، انفجار بزرگ و خیلی چیزهای دیگر دست یافته‌اند. GTR همچنین سرعت بیش از حد نور را وتو کرد و در نتیجه ما را به معنای واقعی کلمه در محیط اطرافمان (منظومه شمسی) به دام انداخت، اما یک حفره به شکل کرم چاله ها - مسیرهای ممکن کوتاه در فضا-زمان - باقی گذاشت.

یک کارمند دانشگاه RUDN و همکاران برزیلی اش مفهوم استفاده از کرم چاله های پایدار را به عنوان پورتال زیر سوال بردند. نقاط مختلففضا-زمان نتایج تحقیقات آنها در Physical Review D. منتشر شد - یک کلیشه نسبتا هک شده در داستان های علمی تخیلی. کرم چاله یا کرم چاله نوعی تونل است که نقاط دوردست در فضا یا حتی دو جهان را از طریق انحنای فضا-زمان به هم متصل می کند.

SRT، TOE - این اختصارات اصطلاح آشنا "نظریه نسبیت" را پنهان می کند که تقریباً برای همه آشنا است. به زبان سادههمه چیز را می توان توضیح داد، حتی بیانیه یک نابغه، بنابراین اگر درس فیزیک مدرسه خود را به خاطر نمی آورید، ناامید نشوید، زیرا در واقع همه چیز بسیار ساده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد.

منشا نظریه

بنابراین، بیایید دوره "نظریه نسبیت برای آدمک ها" را شروع کنیم. آلبرت انیشتین کار خود را در سال 1905 منتشر کرد و باعث سر و صدا در میان دانشمندان شد. این نظریه تقریباً به طور کامل بسیاری از شکاف ها و ناسازگاری های فیزیک قرن گذشته را پوشش داد، اما علاوه بر هر چیز دیگری، ایده فضا و زمان را متحول کرد. باور بسیاری از اظهارات انیشتین برای معاصرانش دشوار بود، اما آزمایشات و تحقیقات تنها سخنان دانشمند بزرگ را تأیید کرد.

نظریه نسبیت اینشتین به زبان ساده آنچه را که مردم قرن ها با آن دست و پنجه نرم می کردند، توضیح می داد. می توان آن را اساس تمام فیزیک مدرن نامید. با این حال، قبل از ادامه گفتگو در مورد نظریه نسبیت، باید موضوع اصطلاحات روشن شود. مطمئناً بسیاری با خواندن مقالات علمی عامه پسند با دو علامت اختصاری مواجه شده اند: STO و GTO. در واقع منظور آنها چندین است مفاهیم مختلف. اولی است نظریه خاصنسبیت، و دومی مخفف «نظریه نسبیت عام» است.

فقط یه چیز پیچیده

STR یک نظریه قدیمی تر است که بعداً بخشی از GTR شد. فقط می تواند در نظر گرفته شود فرآیندهای فیزیکیبرای اجسامی که با سرعت یکنواخت حرکت می کنند. تئوری کلی می‌تواند آنچه را که برای اجسام شتاب‌دهنده اتفاق می‌افتد توصیف کند، و همچنین توضیح دهد که چرا ذرات گراویتون و گرانش وجود دارند.

اگر نیاز به توصیف حرکت و همچنین رابطه فضا و زمان هنگام نزدیک شدن به سرعت نور دارید، نظریه نسبیت خاص می تواند این کار را انجام دهد. به زبان ساده می توان آن را به صورت زیر توضیح داد: به عنوان مثال، دوستانی از آینده به شما یک سفینه فضایی دادند که می تواند با سرعت بالا پرواز کند. بر روی دماغه سفینه فضایی یک توپ وجود دارد که قادر است فوتون ها را به هر چیزی که در جلو قرار می گیرد شلیک کند.

وقتی شلیک می شود، نسبت به کشتی، این ذرات با سرعت نور پرواز می کنند، اما منطقاً، یک ناظر ساکن باید مجموع دو سرعت (خود فوتون ها و کشتی) را ببیند. اما هیچ چیز مثل آن. ناظر فوتون ها را با سرعت 300000 متر بر ثانیه می بیند که گویی سرعت کشتی صفر است.

مسئله این است که مهم نیست یک جسم با چه سرعتی حرکت می کند، سرعت نور برای آن یک مقدار ثابت است.

این بیانیه مبنای نتیجه گیری های منطقی شگفت انگیزی مانند کاهش سرعت و اعوجاج زمان، بسته به جرم و سرعت جسم است. پلان های بسیاری از فیلم ها و سریال های علمی تخیلی بر این اساس است.

نظریه نسبیت عام

به زبان ساده می توان نسبیت عام حجیم تری را توضیح داد. برای شروع، باید این واقعیت را در نظر بگیریم که فضای ما چهار بعدی است. زمان و مکان در "موضوعی" مانند "پیوستار فضا-زمان" با هم متحد شده اند. در فضای ما چهار محور مختصات وجود دارد: x، y، z و t.

اما انسان ها نمی توانند به طور مستقیم چهار بعد را درک کنند، همانطور که یک فرد فرضی صاف که در یک دنیای دو بعدی زندگی می کند نمی تواند به بالا نگاه کند. در واقع، جهان ما فقط یک فضای چهار بعدی به فضای سه بعدی است.

یک واقعیت جالب این است که، با توجه به نظریه عمومیدر نسبیت، اجسام هنگام حرکت تغییر نمی کنند. اشیاء دنیای چهار بعدی در واقع همیشه بدون تغییر هستند و زمانی که حرکت می کنند، فقط پیش بینی های آنها تغییر می کند که ما آن را به عنوان اعوجاج زمان، کاهش یا افزایش اندازه و غیره درک می کنیم.

آزمایش آسانسور

نظریه نسبیت را می توان با استفاده از یک آزمایش فکری کوچک به زبان ساده توضیح داد. تصور کنید که در آسانسور هستید. کابین شروع به حرکت کرد و شما خود را در حالت بی وزنی دیدید. چی شد؟ دو دلیل می تواند وجود داشته باشد: یا آسانسور در فضا است یا تحت تأثیر گرانش سیاره در سقوط آزاد است. جالب ترین چیز این است که اگر نتوان از کابین آسانسور به بیرون نگاه کرد، نمی توان علت بی وزنی را کشف کرد، یعنی هر دو فرآیند یکسان به نظر می رسند.

شاید با انجام مشابه آزمایش فکریآلبرت انیشتین به این نتیجه رسید که اگر این دو حالت از یکدیگر قابل تشخیص نیستند، در واقع جسم تحت تأثیر گرانش شتاب نمی گیرد، حرکتی یکنواخت است که تحت تأثیر یک جسم عظیم منحنی می شود. مورد، یک سیاره). بنابراین، حرکت شتاب گرفته تنها یک حرکت یکنواخت به فضای سه بعدی است.

یک مثال خوب

مثال خوب دیگری در مورد موضوع "نسبیت برای آدمک ها". کاملاً صحیح نیست، اما بسیار ساده و واضح است. اگر جسمی را روی پارچه کشیده ای قرار دهید، زیر آن یک "انحراف" یا "قیف" ایجاد می شود. تمام اجسام کوچکتر با توجه به خمیدگی جدید فضا مجبور به تغییر مسیر حرکت خود خواهند شد و اگر بدن انرژی کمی داشته باشد ممکن است به هیچ وجه بر این قیف غلبه نکند. با این حال، از نقطه نظر خود جسم متحرک، مسیر مستقیم باقی می ماند؛ آنها خمیدگی فضا را احساس نمی کنند.

گرانش "تنزل"

با ظهور نظریه نسبیت عام، گرانش دیگر یک نیرو نیست و اکنون راضی است که نتیجه ساده انحنای زمان و مکان باشد. نسبیت عام ممکن است خارق العاده به نظر برسد، اما یک نسخه کارآمد است و توسط آزمایشات تأیید شده است.

نظریه نسبیت می تواند بسیاری از چیزهای به ظاهر باورنکردنی را در دنیای ما توضیح دهد. به عبارت ساده، چنین چیزهایی را پیامدهای نسبیت عام می نامند. برای مثال، پرتوهای نوری که در نزدیکی اجسام عظیم پرواز می کنند، خم می شوند. علاوه بر این، بسیاری از اجرام از اعماق فضا در پشت یکدیگر پنهان هستند، اما به دلیل این واقعیت که پرتوهای نور در اطراف اجسام دیگر خم می شوند، اجسام به ظاهر نامرئی برای چشم ما (به طور دقیق تر، برای چشمان تلسکوپ) قابل دسترسی هستند. مثل نگاه کردن به دیوارهاست.

هر چه گرانش بیشتر باشد، زمان کندتر روی سطح یک جسم جریان می یابد. این نه تنها در مورد اجسام عظیم مانند ستاره های نوترونییا سیاهچاله ها اثر اتساع زمان را می توان حتی در زمین مشاهده کرد. به عنوان مثال، دستگاه های ناوبری ماهواره ای مجهز به ساعت های اتمی بسیار دقیق هستند. آنها در مدار سیاره ما هستند و زمان در آنجا کمی سریعتر می گذرد. صدم ثانیه در روز به رقمی می رسد که تا 10 کیلومتر خطا در محاسبات مسیر روی زمین ایجاد می کند. این نظریه نسبیت است که به ما امکان محاسبه این خطا را می دهد.

به زبان ساده، می‌توانیم آن را به این صورت بیان کنیم: نسبیت عام زیربنای بسیاری از فناوری‌های مدرن است، و به لطف انیشتین، می‌توانیم به راحتی یک پیتزا فروشی و یک کتابخانه در یک منطقه ناآشنا پیدا کنیم.

نظریه نسبیت عام(GTR) یک نظریه هندسی گرانش است که توسط آلبرت انیشتین در سال‌های 16-1915 منتشر شد. در چارچوب این نظریه که می باشد پیشرفتهای بعدینظریه نسبیت خاص فرض می کند که اثرات گرانشی ناشی از برهم کنش نیروها و میدان های واقع در فضا-زمان نیست، بلکه به دلیل تغییر شکل خود فضا-زمان است که به ویژه با حضور جرم-انرژی مرتبط است. . بنابراین، در نسبیت عام، مانند سایر نظریه های متریک، گرانش یک برهمکنش نیرو نیست. نسبیت عام با دیگر نظریه های متریک گرانش با استفاده از معادلات انیشتین برای ارتباط انحنای فضازمان با ماده موجود در فضا متفاوت است.

نسبیت عام در حال حاضر موفق ترین نظریه گرانشی است که مشاهدات آن را به خوبی تایید کرده است. اولین موفقیت نسبیت عام توضیح تقدم غیرعادی حضیض عطارد بود. سپس، در سال 1919، آرتور ادینگتون، مشاهده خم شدن نور در نزدیکی خورشید را در طی یک خسوف کامل گزارش کرد که پیش‌بینی‌های نسبیت عام را تأیید کرد.

از آن زمان، بسیاری از مشاهدات و آزمایشات دیگر تایید شده است مقدار قابل توجهیپیش‌بینی‌های این نظریه، از جمله اتساع زمان گرانشی، انتقال گرانشی به سرخ، تأخیر سیگنال در میدان گرانشی و تا کنون فقط به‌طور غیرمستقیم، تابش گرانشی. علاوه بر این، مشاهدات متعدد به عنوان تأیید یکی از مرموزترین و عجیب ترین پیش بینی های نظریه نسبیت عام - وجود سیاهچاله ها - تفسیر می شود.

علیرغم موفقیت خیره کننده نظریه نسبیت عام، ناراحتی در جامعه علمی وجود دارد، زیرا نمی توان آن را به عنوان حد کلاسیک نظریه کوانتومی به دلیل ظهور واگرایی های ریاضی غیرقابل حذف در هنگام در نظر گرفتن سیاهچاله ها و فضا-زمان دوباره فرمول بندی کرد. تکینگی ها به طور کلی برای حل این مشکل تعدادی از نظریه های جایگزین. داده های تجربی مدرن نشان می دهد که هر نوع انحراف از نسبیت عام، اگر اصلا وجود داشته باشد، باید بسیار کوچک باشد.

اصول اولیه نسبیت عام

نظریه گرانش نیوتن مبتنی بر مفهوم گرانش است که نیرویی دوربرد است: در هر فاصله ای فوراً عمل می کند. این ماهیت آنی کنش با پارادایم میدانی فیزیک مدرن و به ویژه با نظریه نسبیت خاص که در سال 1905 توسط انیشتین با الهام از کار پوانکاره و لورنتس ایجاد شد، ناسازگار است. در نظریه انیشتین هیچ اطلاعاتی نمی تواند منتشر شود سرعت سریعترنور در خلاء

از نظر ریاضی، نیروی گرانشی نیوتن از انرژی پتانسیل یک جسم در یک میدان گرانشی به دست می آید. پتانسیل گرانشی متناظر با این انرژی پتانسیل از معادله پواسون تبعیت می کند، که تحت تبدیل های لورنتس ثابت نیست. دلیل عدم تغییر این است که انرژی در نظریه نسبیت خاص یک کمیت اسکالر نیست، بلکه وارد جزء زمان 4 بردار می شود. به نظر می رسد نظریه برداری گرانش شبیه نظریه میدان الکترومغناطیسی ماکسول است و منجر به انرژی منفی امواج گرانشی می شود که با ماهیت برهمکنش مرتبط است: مانند بارها (جرم) در گرانش جذب می شوند و دفع نمی شوند. در الکترومغناطیس بنابراین، نظریه گرانش نیوتن با اصل بنیادی نظریه نسبیت خاص - تغییر ناپذیری قوانین طبیعت در هر چارچوب مرجع اینرسی، و تعمیم برداری مستقیم نظریه نیوتن، که اولین بار توسط پوانکاره در سال 1905 در کتاب خود ارائه شد، ناسازگار است. کار "روی دینامیک الکترون" منجر به نتایج نامطلوب فیزیکی می شود.

اینشتین شروع به جستجو برای نظریه گرانش کرد که با اصل تغییرناپذیری قوانین طبیعت نسبت به هر چارچوب مرجع سازگار باشد. نتیجه این جستجو نظریه نسبیت عام بر اساس اصل هویت جرم گرانشی و اینرسی بود.

اصل برابری جرم های گرانشی و اینرسی

در مکانیک کلاسیک نیوتنی دو مفهوم جرم وجود دارد: اولی به قانون دوم نیوتن و دومی به قانون اشاره دارد. جاذبه جهانی. جرم اول - اینرسی (یا اینرسی) - نسبت نیروی غیر گرانشی وارد بر جسم به شتاب آن است. جرم دوم - گرانشی (یا، همانطور که گاهی اوقات نامیده می شود، سنگین) - تعیین کننده نیروی جاذبه یک جسم توسط اجسام دیگر و آن است. قدرت خودجاذبه به طور کلی، همانطور که از توضیحات مشخص است، این دو جرم در آزمایش‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شوند و بنابراین اصلاً لازم نیست که متناسب با یکدیگر باشند. تناسب دقیق آنها به ما این امکان را می دهد که از یک توده بدن در هر دو فعل و انفعالات غیر گرانشی و گرانشی صحبت کنیم. با انتخاب مناسب واحدها می توان این توده ها را با یکدیگر برابر کرد. خود این اصل توسط اسحاق نیوتن مطرح شد و برابری توده ها توسط او به طور تجربی با دقت نسبی 10?3 تأیید شد. که در اواخر نوزدهمقرن ها، آزمایش های ظریف تری توسط Eötvös انجام شد که دقت آزمایش اصل را به 10?9 رساند. در طول قرن بیستم، فناوری تجربی تأیید تساوی توده ها را با دقت نسبی 10?12-10?13 (براگینسکی، دیکه و غیره) ممکن کرد. گاهی اوقات اصل برابری جرم های گرانشی و اینرسی را اصل هم ارزی ضعیف می نامند. آلبرت انیشتین آن را بر اساس نظریه نسبیت عام استوار کرد.

اصل حرکت در امتداد خطوط ژئودتیک

اگر جرم گرانشی دقیقاً برابر با جرم اینرسی باشد، در بیان شتاب جسمی که فقط نیروهای گرانشی بر آن اثر می‌کنند، هر دو جرم خنثی می‌شوند. بنابراین، شتاب بدن و در نتیجه مسیر حرکت آن به جرم و جرم بستگی ندارد ساختار داخلیبدن. اگر همه اجسام در یک نقطه از فضا شتاب یکسانی دریافت کنند، آنگاه این شتاب را می توان نه با خواص اجسام، بلکه با ویژگی های خود فضا در این نقطه مرتبط کرد.

بنابراین، توصیف برهمکنش گرانشی بین اجسام را می توان به توصیف فضا-زمانی که اجسام در آن حرکت می کنند تقلیل داد. طبیعی است که مانند انیشتین فرض کنیم که اجسام با اینرسی حرکت می کنند، یعنی به گونه ای که شتاب آنها در چارچوب مرجع خود صفر باشد. سپس مسیر اجسام خطوط ژئودزیکی خواهد بود که نظریه آن توسط ریاضیدانان در قرن نوزدهم ایجاد شد.

خود خطوط ژئودزیکی را می توان با تعیین آنالوگ فاصله بین دو رویداد در فضا-زمان که به طور سنتی بازه یا تابع جهان نامیده می شود، پیدا کرد. فاصله ای در فضای سه بعدی و زمان یک بعدی (به عبارت دیگر در فضا-زمان چهار بعدی) توسط 10 جزء مستقل تانسور متریک به دست می آید. این 10 عدد متریک فضا را تشکیل می دهند. این "فاصله" بین دو نقطه بی نهایت نزدیک در فضا-زمان در جهات مختلف را تعریف می کند. خطوط ژئودزیکی متناظر با خطوط جهانی اجسام فیزیکی که سرعت آنها کمتر از سرعت نور است، خطوطی هستند که بیشترین زمان مناسب را دارند، یعنی زمانی که توسط ساعتی اندازه گیری می شود که به طور صلب به جسمی که این مسیر را دنبال می کند، اندازه گیری می شود. آزمایش‌های مدرن حرکت اجسام را در امتداد خطوط ژئودتیک با دقت برابری جرم‌های گرانشی و اینرسی تأیید می‌کنند.

انحنای فضازمان

اگر دو جسم موازی با یکدیگر را از دو نقطه نزدیک پرتاب کنید، در میدان گرانشی آنها به تدریج شروع به نزدیک شدن یا دور شدن از یکدیگر می کنند. این اثر را انحراف خط ژئودتیک می نامند. اگر دو توپ به موازات یکدیگر در امتداد یک غشای لاستیکی که یک جسم عظیم در مرکز آن قرار گرفته است، مستقیماً یک اثر مشابه را مشاهده کرد. توپ ها پراکنده می شوند: توپی که به جسمی که از غشاء عبور می کند نزدیک تر است نسبت به توپ دورتر به سمت مرکز گرایش پیدا می کند. این اختلاف (انحراف) به دلیل انحنای غشا است. به طور مشابه، در فضا-زمان، انحراف ژئودزیک (واگرایی مسیر اجسام) با انحنای آن همراه است. انحنای فضا-زمان به طور منحصر به فردی توسط متریک آن - تانسور متریک - تعیین می شود. تفاوت بین نظریه نسبیت عام و نظریه های جایگزین گرانش در بیشتر موارد دقیقاً در روش ارتباط بین ماده (اجرام و میدان های طبیعت غیر گرانشی که میدان گرانشی را ایجاد می کنند) و ویژگی های متریک فضا-زمان مشخص می شود.

نسبیت عام فضا-زمان و اصل هم ارزی قوی

اغلب به اشتباه اعتقاد بر این است که اساس نظریه نسبیت عام، اصل هم ارزی میدان های گرانشی و اینرسی است که می تواند به صورت زیر فرموله شود:
یک سیستم فیزیکی محلی، نسبتاً کوچک، که در یک میدان گرانشی قرار دارد، از نظر رفتار از همان سیستم واقع در یک سیستم مرجع شتابدار (نسبت به چارچوب مرجع اینرسی)، غوطه ور در فضا-زمان تخت نظریه خاص، قابل تشخیص نیست. نسبیت

گاهی اوقات همین اصل به عنوان "اعتبار محلی نسبیت خاص" یا "اصل هم ارزی قوی" نامیده می شود.

از نظر تاریخی، این اصل واقعاً نقش زیادی در توسعه نظریه نسبیت عام ایفا کرد و توسط انیشتین در توسعه آن استفاده شد. با این حال، در نهایی ترین شکل نظریه، در واقع شامل نمی شود، زیرا فضا-زمان، هم در چارچوب شتابدار و هم در چارچوب مرجع اصلی در نظریه نسبیت خاص، بدون منحنی - مسطح، و در نظریه نسبیت عام توسط هر جسمی منحنی می شود و دقیقاً انحنای آن باعث جاذبه گرانشی اجسام می شود.

توجه به این نکته ضروری است که تفاوت اصلی بین فضا-زمان نظریه نسبیت عام و فضا-زمان نظریه نسبیت خاص، انحنای آن است که با کمیت تانسوری - تانسور انحنای بیان می شود. در فضا-زمان نسبیت خاص، این تانسور به طور یکسان برابر با صفر و فضا-زمان مسطح است.

به همین دلیل، نام «نظریه نسبیت عام» کاملاً صحیح نیست. این نظریهتنها یکی از تعدادی از نظریه های گرانش است که در حال حاضر توسط فیزیکدانان مورد توجه قرار می گیرد، در حالی که نظریه نسبیت خاص (به طور دقیق تر، اصل آن در اندازه گیری فضا-زمان) به طور کلی توسط جامعه علمی پذیرفته شده است و سنگ بنای آن را تشکیل می دهد. از اساس فیزیک مدرن البته باید توجه داشت که هیچ یک از نظریه های توسعه یافته دیگر گرانش، به جز نسبیت عام، آزمون زمان و آزمایش را پس نداده اند.

پیامدهای اصلی نسبیت عام

طبق اصل مطابقت، در میدان‌های گرانشی ضعیف، پیش‌بینی‌های نسبیت عام با نتایج اعمال قانون گرانش جهانی نیوتن با اصلاحات کوچکی که با افزایش قدرت میدان افزایش می‌یابد، همزمان است.

اولین پیامدهای پیش‌بینی‌شده و آزمایش‌شده نسبیت عام، سه اثر کلاسیک بود که در زیر فهرست شده‌اند ترتیب زمانیاولین چک آنها:
1. تغییر اضافی در حضیض مدار عطارد در مقایسه با پیش‌بینی‌های مکانیک نیوتنی.
2. انحراف پرتو نور در میدان گرانشی خورشید.
3. انتقال گرانشی به سرخ یا اتساع زمانی در میدان گرانشی.

تعدادی اثر دیگر وجود دارد که می توان آنها را به طور تجربی تأیید کرد. از جمله آنها می توان به انحراف و عقب ماندگی (اثر شاپیرو) امواج الکترومغناطیسی در میدان گرانشی خورشید و مشتری، اثر لنز-تیرینگ (تعدد ژیروسکوپ در نزدیکی جسم در حال چرخش)، شواهد اخترفیزیکی وجود سیاهچاله ها اشاره کرد. ، شواهدی از انتشار امواج گرانشی توسط سیستم های نزدیک ستاره های دوتایی و انبساط کیهان.

تاکنون هیچ شواهد تجربی معتبری که نسبیت عام را رد کند، یافت نشده است. انحراف اندازه‌های اثر اندازه‌گیری شده از اندازه‌های پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام از 0.1٪ تجاوز نمی‌کند (برای سه پدیده کلاسیک بالا). با وجود این، به دلایل مختلف، نظریه پردازان حداقل 30 نظریه جایگزین گرانش را توسعه داده اند و برخی از آنها به دست آوردن نتایج دلخواه نزدیک به نسبیت عام با مقادیر مناسب پارامترهای موجود در نظریه را ممکن می سازند.

آنها در مورد این نظریه گفتند که فقط سه نفر در جهان آن را درک کردند و زمانی که ریاضیدانان سعی کردند آنچه را که از آن به دست می آید را با اعداد بیان کنند، خود نویسنده، آلبرت انیشتین، به شوخی گفت که اکنون او نیز دیگر آن را درک نکرده است.

نظریه‌های نسبیت خاص و عام بخش‌های جدایی‌ناپذیر این دکترین هستند که دیدگاه‌های علمی مدرن در مورد ساختار جهان بر آن‌ها مبتنی است.

"سال معجزه"

در سال 1905، نشریه علمی برجسته آلمان "Annalen der Physik" ("سالنامه فیزیک") یکی پس از دیگری چهار مقاله از آلبرت انیشتین 26 ساله را منتشر کرد که به عنوان کارشناس درجه 3 - یک کارمند خرده پا - در اداره فدرال کار می کرد. برای ثبت اختراعات در برن. او پیش از این با این مجله همکاری کرده بود، اما انتشار این همه آثار در یک سال اتفاقی خارق‌العاده بود. زمانی که ارزش ایده های موجود در هر یک از آنها مشخص شد، این امر حتی قابل توجه تر شد.

در اولین مقاله، افکاری در مورد ماهیت کوانتومی نور بیان شد، فرآیندهای جذب و آزادسازی در نظر گرفته شد. تابش الکترومغناطیسی. بر این اساس، ابتدا اثر فوتوالکتریک توضیح داده شد - انتشار الکترون ها توسط یک ماده، که توسط فوتون های نور حذف می شود، و فرمول هایی برای محاسبه مقدار انرژی آزاد شده در این مورد ارائه شد. به دلیل تحولات نظری اثر فوتوالکتریک، که شروع مکانیک کوانتومی شد، و نه برای فرضیه های نظریه نسبیت، اینشتین در سال 1922 جایزه دریافت کرد. جایزه نوبلدر فیزیک

مقاله دیگری پایه و اساس حوزه های کاربردی آمار فیزیکی را بر اساس مطالعه حرکت براونی ذرات ریز معلق در مایع ایجاد کرد. انیشتین روش هایی را برای جستجوی الگوهای نوسانات - انحرافات بی نظم و تصادفی پیشنهاد کرد. مقادیر فیزیکیاز محتمل ترین مقادیر آنها.

و در نهایت در مقالات "در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک" و "آیا اینرسی جسم به محتوای انرژی موجود در آن بستگی دارد؟" حاوی میکروب‌هایی بود که در تاریخ فیزیک به عنوان نظریه نسبیت آلبرت انیشتین، یا بهتر بگوییم بخش اول آن - SRT - نظریه نسبیت خاص شناخته می‌شد.

منابع و پیشینیان

در پایان قرن نوزدهم، برای بسیاری از فیزیکدانان به نظر می رسید که بیشتر مشکلات جهانیجهان تصمیم گرفته شده است، اکتشافات اصلی انجام شده است، و بشریت فقط باید از دانش انباشته شده برای شتاب قدرتمند استفاده کند. پیشرفت فنی. تنها چند تناقض نظری، تصویر هماهنگ جهان را که مملو از اتر بود و طبق قوانین تغییر ناپذیر نیوتنی زندگی می کرد، خراب کرد.

این هماهنگی با تحقیقات نظری ماکسول خراب شد. معادلات او که فعل و انفعالات میدان های الکترومغناطیسی را توصیف می کرد، با قوانین عمومی پذیرفته شده مکانیک کلاسیک در تضاد بود. این مربوط به اندازه گیری سرعت نور در سیستم های مرجع پویا بود، زمانی که اصل نسبیت گالیله از کار افتاد - مدل ریاضی تعامل چنین سیستم هایی هنگام حرکت با سرعت نور منجر به ناپدید شدن امواج الکترومغناطیسی شد.

علاوه بر این، اتری که قرار بود وجود همزمان ذرات و امواج، ماکرو کیهان و جهان خرد را آشتی دهد، غیرقابل کشف بود. آزمایشی که در سال 1887 توسط آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی انجام شد، با هدف شناسایی "باد اثیری" انجام شد که به ناچار باید توسط یک دستگاه منحصر به فرد - یک تداخل سنج ثبت می شد. این آزمایش یک سال تمام طول کشید - زمان چرخش کامل زمین به دور خورشید. قرار بود این سیاره به مدت شش ماه برخلاف جریان اتر حرکت کند، اتر قرار بود شش ماه به بادبان های زمین بپرد، اما نتیجه صفر شد: جابجایی امواج نور تحت تأثیر اتر شناسایی نشده است، که در حقیقت وجود اتر تردید ایجاد می کند.

لورنتس و پوانکاره

فیزیکدانان تلاش کردند تا توضیحی برای نتایج آزمایشات روی تشخیص اتر بیابند. هندریک لورنز (1853-1928) مدل ریاضی خود را پیشنهاد کرد. پر شدن اتری فضا را به زندگی بازگرداند، اما تنها با این فرض کاملاً مشروط و مصنوعی که هنگام حرکت در اتر، اجسام می توانند در جهت حرکت منقبض شوند. این مدل توسط هانری پوانکاره بزرگ (1854-1912) اصلاح شد.

در آثار این دو دانشمند، برای اولین بار مفاهیمی که عمدتاً فرضیه های اصلی نظریه نسبیت را تشکیل می دادند ظاهر شد و این اجازه نمی دهد اتهامات اینشتین به سرقت ادبی فروکش کند. اینها شامل قراردادی بودن مفهوم همزمانی، فرضیه سرعت ثابت نور است. پوانکاره اعتراف کرد که در سرعت های بالا، قوانین مکانیک نیوتن نیاز به کار مجدد دارند، و نتیجه گرفت که حرکت، نسبیت است، اما در تئوری اتر کاربرد دارد.

نظریه نسبیت خاص - SRT

مشکلات توصیف صحیح فرآیندهای الکترومغناطیسی دلیل انگیزشی برای انتخاب موضوع برای تحولات نظری شد و مقالات انیشتین منتشر شده در سال 1905 حاوی تفسیری از یک مورد خاص - یکنواخت و حرکت مستقیم. در سال 1915، نظریه نسبیت عام شکل گرفت که فعل و انفعالات گرانشی را توضیح می داد، اما اولین نظریه خاص نام گرفت.

نظریه نسبیت خاص اینشتین را می توان به طور خلاصه در قالب دو فرض اصلی بیان کرد. اولی عمل اصل نسبیت گالیله را به همه چیز تعمیم می دهد پدیده های فیزیکیو نه فقط در مورد فرآیندهای مکانیکی. به شکل کلی تر می گوید: همه قوانین فیزیکیبرای همه سیستم های مرجع اینرسی (حرکت یکنواخت در یک خط مستقیم یا در حالت سکون) یکسان است.

گزاره دوم که شامل نظریه نسبیت خاص است: سرعت انتشار نور در خلاء برای همه چارچوب های مرجع اینرسی یکسان است. در مرحله بعد، یک نتیجه گیری جهانی تر انجام می شود: سرعت نور حداکثر است ارزش بزرگسرعت انتقال فعل و انفعالات در طبیعت

در محاسبات ریاضی STR، فرمول E=mc² ارائه شده است که قبلاً در نشریات فیزیکی ظاهر شده بود، اما به لطف انیشتین بود که مشهورترین و محبوب ترین در تاریخ علم شد. نتیجه گیری در مورد هم ارزی جرم و انرژی انقلابی ترین فرمول نظریه نسبیت است. این مفهوم که هر جسم با جرم حاوی مقدار زیادی انرژی است، مبنایی برای پیشرفت در استفاده از آن شده است انرژی هسته ایو مهمتر از همه منجر به ظهور بمب اتمی شد.

اثرات نسبیت خاص

پیامدهای متعددی از STR به وجود می آید که به آنها اثرات نسبیتی (نسبیتی) می گویند. اتساع زمان یکی از چشمگیرترین موارد است. ماهیت آن این است که در یک چارچوب متحرک مرجع زمان در حال اجراستآرام تر. محاسبات نشان می دهد که در یک سفینه فضایی که پروازی فرضی به منظومه ستاره ای آلفا قنطورس و بازگشت با سرعت 0.95 درجه سانتیگراد انجام می دهد (c سرعت نور است) 7.3 سال و در زمین - 12 سال می گذرد. چنین مثال‌هایی اغلب هنگام توضیح نظریه نسبیت برای آدمک‌ها و همچنین پارادوکس دوقلوی مرتبط ذکر می‌شوند.

اثر دیگر کاهش ابعاد خطی است، یعنی از دید ناظر، اجسامی که نسبت به او با سرعت نزدیک به c حرکت می کنند، ابعاد خطی کوچکتری در جهت حرکت نسبت به طول خود خواهند داشت. این اثر که توسط فیزیک نسبیتی پیش بینی شده است، انقباض لورنتس نامیده می شود.

طبق قوانین سینماتیک نسبیتی، جرم یک جسم متحرک بیشتر از جرم سکون آن است. این تأثیر به ویژه هنگام توسعه ابزارهایی برای مطالعه ذرات بنیادی مهم می شود - بدون در نظر گرفتن آن، تصور عملکرد LHC (برخورد دهنده بزرگ هادرون) دشوار است.

فضا-زمان

یکی از مهمترین اجزای STR نمایش گرافیکی سینماتیک نسبیتی است. مفهوم خاصیک فضا-زمان واحد، که توسط ریاضیدان آلمانی هرمان مینکوفسکی، که زمانی معلم ریاضیات دانش آموز آلبرت انیشتین بود، پیشنهاد شد.

ماهیت مدل Minkowski یک رویکرد کاملاً جدید برای تعیین موقعیت اشیاء متقابل است. نظریه نسبیت خاص توجه خاصی به زمان دارد. زمان نه تنها به چهارمین مختصات سیستم مختصات سه بعدی کلاسیک تبدیل می‌شود؛ زمان یک مقدار مطلق نیست، بلکه یک ویژگی جدایی ناپذیر از فضا است که شکل یک پیوستار فضا-زمان را به خود می‌گیرد که به صورت گرافیکی در قالب یک مخروط بیان می‌شود. که در آن تمام فعل و انفعالات رخ می دهد.

چنین فضایی در نظریه نسبیت، با توسعه آن به یک ماهیت کلی تر، بعداً در معرض انحنا قرار گرفت که چنین مدلی را برای توصیف برهمکنش های گرانشی مناسب کرد.

توسعه بیشتر نظریه

SRT بلافاصله در بین فیزیکدانان درک پیدا نکرد، اما به تدریج تبدیل به ابزار اصلی برای توصیف جهان، به ویژه جهان ذرات بنیادی شد که موضوع اصلی مطالعه علوم فیزیکی شد. اما وظیفه تکمیل SRT با توضیح نیروهای گرانشی بسیار ضروری بود و انیشتین از کار خود دست نکشید و اصول نظریه نسبیت عام - GTR را رعایت کرد. پردازش ریاضی این اصول بسیار طول کشید - حدود 11 سال، و متخصصانی از حوزه های علوم دقیق مرتبط با فیزیک در آن شرکت کردند.

بنابراین، کمک بزرگی توسط ریاضیدان برجسته آن زمان، دیوید هیلبرت (1862-1943)، که یکی از نویسندگان مشترک معادلات میدان گرانشی شد، انجام شد. آنها آخرین سنگ در ساخت یک ساختمان زیبا بودند که نام را دریافت کردند - نظریه نسبیت عام یا GTR.

نظریه نسبیت عام - نسبیت عام

نظریه مدرن میدان گرانشی، نظریه ساختار «فضا-زمان»، هندسه «فضا-زمان»، قانون فعل و انفعالات فیزیکی در سیستم های گزارش غیر اینرسی - همه اینها نام های مختلفی هستند که به آلبرت انیشتین داده شده است. نظریه نسبیت عام

نظریه گرانش جهانی، که برای مدت طولانی دیدگاه های علم فیزیکی را در مورد گرانش، در مورد فعل و انفعالات اجسام و میدان های با اندازه های مختلف تعیین می کرد. به طور متناقض، اشکال اصلی آن ناملموس بودن، وهمی بودن و ماهیت ریاضی ذات آن بود. بین ستارگان و سیارات خلأ وجود داشت؛ جاذبه بین اجرام آسمانی با عمل دوربرد نیروهای خاص و در آن لحظه آنی توضیح داده شد. نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین گرانش را القا کرد محتوای فیزیکی، آن را به عنوان تماس مستقیم اشیاء مادی مختلف معرفی کرد.

هندسه گرانش

ایده اصلی که انیشتین با آن فعل و انفعالات گرانشی را توضیح داد بسیار ساده است. او فضا-زمان را بیان فیزیکی نیروهای گرانشی می‌داند که دارای نشانه‌های کاملاً ملموس - متریک‌ها و تغییر شکل‌هایی است که تحت تأثیر جرم جسمی است که چنین انحناهایی در اطراف آن ایجاد می‌شود. زمانی، انیشتین حتی با فراخوانی برای بازگرداندن مفهوم اتر به نظریه جهان به عنوان یک ماده الاستیک که فضا را پر می کند، اعتبار داشت. او توضیح داد که برای او دشوار است که ماده ای را که دارای ویژگی های زیادی است و می توان آن را واوم نامید.

بنابراین، گرانش تجلی ویژگی های هندسی فضا-زمان چهار بعدی است که در SRT به عنوان غیر منحنی تعیین شده است، اما در موارد کلی تر دارای انحنا است که حرکت اجسام مادی را تعیین می کند، که به آنها یکسان می شود. شتاب مطابق با اصل هم ارزی اعلام شده توسط اینشتین.

این اصل اساسینظریه نسبیت بسیاری از «گلوگاه‌های» نظریه گرانش جهانی نیوتن را توضیح می‌دهد: خمش نور مشاهده شده هنگام عبور از نزدیک اجرام عظیم کیهانی در طی برخی پدیده‌های نجومی و به گفته قدیمی‌ها، همان شتاب سقوط اجسام بدون توجه به آن. از جرم آنها

مدل سازی انحنای فضا

مثال رایجی که برای توضیح نظریه نسبیت عام برای آدمک‌ها استفاده می‌شود، نمایش فضا-زمان به شکل ترامپولین است - یک غشای نازک الاستیک که اجسام (اغلب توپ‌ها) روی آن قرار می‌گیرند و اجسام در حال تعامل را شبیه‌سازی می‌کنند. توپ های سنگین غشاء را خم می کنند و یک قیف در اطراف خود تشکیل می دهند. یک توپ کوچکتر که از سطح زمین پرتاب می شود کاملاً مطابق با قوانین گرانش حرکت می کند و به تدریج در فرورفتگی هایی که توسط اجسام عظیم تر تشکیل شده اند می غلتد.

اما چنین مثالی کاملاً متعارف است. فضا-زمان واقعی چند بعدی است، انحنای آن نیز چندان ابتدایی به نظر نمی رسد، اما اصل شکل گیری برهمکنش گرانشی و ماهیت نظریه نسبیت روشن می شود. در هر صورت، فرضیه ای که بتواند نظریه گرانش را به طور منطقی تر و منسجم تر توضیح دهد، هنوز وجود ندارد.

شواهد حقیقت

نسبیت عام به سرعت به عنوان پایه ای قدرتمند تلقی شد که فیزیک مدرن را می توان بر آن بنا کرد. از همان ابتدا، نظریه نسبیت نه تنها متخصصان را با هارمونی و هماهنگی خود شگفت زده کرد، و بلافاصله پس از ظهور آن، توسط مشاهدات تأیید شد.

نزدیکترین نقطه به خورشید - حضیض - مدار عطارد به تدریج نسبت به مدار سیارات دیگر منظومه شمسی که در اواسط قرن نوزدهم کشف شد، تغییر می کند. این حرکت - سبقت - توضیح معقولی در چارچوب نظریه گرانش جهانی نیوتن پیدا نکرد، اما به طور دقیق بر اساس نظریه نسبیت عام محاسبه شد.

خورشید گرفتگی که در سال 1919 رخ داد، فرصتی برای اثبات نسبیت عام فراهم کرد. آرتور ادینگتون که به شوخی خود را دومین نفر از سه نفری خواند که اصول نظریه نسبیت را درک می کنند، انحرافات پیش بینی شده توسط انیشتین را هنگام عبور فوتون های نور از نزدیکی ستاره تایید کرد: در لحظه کسوف، تغییر در ظاهر ظاهری. موقعیت برخی از ستاره ها قابل توجه شد.

آزمایشی برای تشخیص کندی ساعت یا جابجایی گرانشی به سرخ توسط خود انیشتین در میان دیگر شواهد نسبیت عام پیشنهاد شد. تنها پس از گذشت سالها امکان تهیه تجهیزات آزمایشی لازم و انجام این آزمایش فراهم شد. تغییر گرانشی فرکانس‌های تابش از تابشگر و گیرنده، که از نظر ارتفاع از هم جدا شده‌اند، در محدوده‌های پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام است و رابرت پاوند و گلن ربکا، فیزیکدانان هاروارد، که این آزمایش را انجام دادند، متعاقباً دقت را افزایش دادند. اندازه‌گیری‌ها و فرمول نظریه نسبیت دوباره درست شد.

نظریه نسبیت اینشتین همیشه در توجیه مهم ترین پروژه های اکتشاف فضایی وجود دارد. به طور خلاصه، می توان گفت که به یک ابزار مهندسی برای متخصصان، به ویژه کسانی که با سیستم های ناوبری ماهواره ای کار می کنند - GPS، GLONASS و غیره تبدیل شده است. محاسبه مختصات یک جسم با دقت مورد نیاز، حتی در یک فضای نسبتا کوچک، بدون در نظر گرفتن کاهش سرعت سیگنال پیش بینی شده توسط نسبیت عام، غیرممکن است. به خصوص هنگامی که ما در مورد اجرام جدا شده توسط فواصل کیهانی صحبت می کنیم، جایی که خطا در جهت یابی می تواند بسیار زیاد باشد.

خالق نظریه نسبیت

آلبرت انیشتین زمانی که اصول نظریه نسبیت را منتشر کرد هنوز جوان بود. متعاقباً کاستی ها و ناهماهنگی های آن بر او آشکار شد. به ویژه، بیشترین مشکل اصلیرشد GTR به مکانیک کوانتومی برای آن غیرممکن شده است، زیرا در توصیف فعل و انفعالات گرانشی از اصولی استفاده می شود که کاملاً متفاوت از یکدیگر هستند. مکانیک کوانتومی برهمکنش اجسام را در یک فضا-زمان واحد در نظر می گیرد و برای انیشتین این فضا خود گرانش را تشکیل می دهد.

نوشتن "فرمول همه چیز" - نظریه یکپارچهمیدانی که تضادهای نسبیت عام و فیزیک کوانتومی را از بین می برد، هدف انیشتین در سراسر جهان بود. برای سالهای طولانی، او تا ساعت آخر روی این نظریه کار کرد اما به موفقیتی نرسید. مسائل نسبیت عام انگیزه ای برای بسیاری از نظریه پردازان برای جستجوی بیشتر شده است مدل های کاملصلح اینگونه بود که نظریه‌های ریسمان، گرانش کوانتومی حلقه و بسیاری دیگر ظاهر شدند.

شخصیت نویسنده نسبیت عام اثری در تاریخ بر جای گذاشت که با اهمیت علم خود نظریه نسبیت قابل مقایسه است. او هنوز کسی را بی تفاوت نمی گذارد. خود اینشتین تعجب می کرد که چرا افرادی که هیچ ربطی به فیزیک نداشتند به او و کارش این همه توجه می شود. به لطف ویژگی های شخصی، شوخ طبعی مشهور، موقعیت سیاسی فعال و حتی ظاهر رسا، انیشتین به معروف ترین فیزیکدان روی زمین، قهرمان بسیاری از کتاب ها، فیلم ها و بازی های رایانه ای تبدیل شد.

پایان زندگی او توسط بسیاری به طرز چشمگیری توصیف می شود: او تنها بود، خود را مسئول ظاهر می دانست سلاح وحشتناک، که به تهدیدی برای تمام حیات روی کره زمین تبدیل شد، نظریه میدان یکپارچه او رویایی غیرواقعی باقی ماند، اما بهترین نتیجه را می توان سخنان انیشتین در نظر گرفت که کمی قبل از مرگش گفته شد که او وظیفه خود را بر روی زمین انجام داده است. بحث کردن با آن سخت است.

مطالبی از کتاب "تاریخ مختصر زمان" نوشته استیون هاوکینگ و لئونارد ملودینو

نسبیت

اصل اساسی انیشتین که اصل نسبیت نامیده می شود، بیان می کند که همه قوانین فیزیک باید برای همه ناظرانی که آزادانه حرکت می کنند، صرف نظر از سرعت آنها، یکسان باشد. اگر سرعت نور ثابت است، هر ناظری که آزادانه حرکت می کند باید همان مقدار را بدون توجه به سرعت نزدیک شدن یا دور شدن از منبع نور ثبت کند.

این شرط که همه ناظران بر سر سرعت نور توافق کنند، مفهوم زمان را تغییر می دهد. طبق نظریه نسبیت، ناظری که در قطار سفر می کند و ناظری که روی سکو ایستاده است، در تخمین مسافت طی شده توسط نور متفاوت است. و از آنجایی که سرعت، فاصله تقسیم بر زمان است، تنها راهی که ناظران در مورد سرعت نور به توافق برسند، این است که در زمان نیز اختلاف نظر داشته باشند. به عبارت دیگر، نظریه نسبیت به ایده زمان مطلق پایان داد! معلوم شد که هر ناظری باید اندازه‌گیری زمان خود را داشته باشد و ساعت‌های یکسان برای ناظران مختلف لزوماً زمان یکسانی را نشان نمی‌دهند.

وقتی می گوییم فضا دارای سه بعد است، منظور ما این است که موقعیت یک نقطه در آن را می توان با استفاده از سه عدد - مختصات بیان کرد. اگر زمان را در توضیحات خود وارد کنیم، به فضا-زمان چهار بعدی خواهیم رسید.

یکی دیگر از پیامدهای شناخته شده نظریه نسبیت، هم ارزی جرم و انرژی است که با معادله معروف انیشتین E = mс 2 بیان می شود (که در آن E انرژی، m جرم بدن، c سرعت نور است). به دلیل هم ارزی انرژی و جرم، انرژی جنبشی که جسم مادی به دلیل حرکت آن دارد، جرم آن را افزایش می دهد. به عبارت دیگر، شتاب جسم دشوارتر می شود.

این اثر فقط برای اجسامی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند قابل توجه است. به عنوان مثال، در سرعتی معادل 10 درصد سرعت نور، جرم بدن تنها 0.5 درصد بیشتر از حالت استراحت خواهد بود، اما در سرعتی معادل 90 درصد سرعت نور، جرم بیش از دو برابر خواهد بود. معمولی با نزدیک شدن به سرعت نور، جرم جسم با سرعت بیشتری افزایش می یابد، به طوری که برای شتاب دادن به آن انرژی بیشتری نیاز است. طبق نظریه نسبیت، یک جسم هرگز نمی تواند به سرعت نور برسد، زیرا در این صورت جرم آن بی نهایت می شود و به دلیل هم ارزی جرم و انرژی، انرژی بی نهایت برای این کار لازم است. به همین دلیل است که نظریه نسبیت برای همیشه هر جسم معمولی را به حرکت با سرعت کمتر از سرعت نور محکوم می کند. فقط نور یا امواج دیگری که جرم خودشان را ندارند می توانند با سرعت نور حرکت کنند.

فضای پیچ خورده

نظریه نسبیت عام اینشتین بر این فرض انقلابی استوار است که گرانش یک نیروی معمولی نیست، بلکه نتیجه این واقعیت است که فضا-زمان، همانطور که قبلاً تصور می شد، مسطح نیست. در نسبیت عام، فضازمان توسط جرم و انرژی قرار گرفته در آن خمیده یا خمیده می شود. اجسامی مانند زمین در مدارهای منحنی حرکت می کنند که تحت تأثیر نیرویی به نام گرانش نیستند.

از آنجایی که یک خط ژئودتیک کوتاه ترین خط بین دو فرودگاه است، ناوبرها هواپیماها را در این مسیرها هدایت می کنند. برای مثال، می‌توانید قرائت‌های قطب‌نما را دنبال کنید و 5966 کیلومتر از نیویورک تا مادرید را تقریباً در شرق در امتداد موازی جغرافیایی پرواز کنید. اما اگر در یک دایره بزرگ پرواز کنید، ابتدا باید به سمت شمال شرقی بروید و سپس به تدریج به شرق و سپس جنوب شرقی بپیچید، فقط باید 5802 کیلومتر را طی کنید. نمای این دو مسیر روی نقشه، کجا سطح زمینتحریف شده (مسطح ارائه شده)، فریبنده. حرکت "مستقیم" به سمت شرق از یک نقطه به نقطه دیگر در امتداد سطح کره زمین، شما در واقع در امتداد یک خط مستقیم حرکت نمی کنید، یا بهتر است بگوییم، در امتداد کوتاه ترین خط ژئودتیک حرکت نمی کنید.

اگر مسیر یک فضاپیما که در یک خط مستقیم در فضا حرکت می کند، روی سطح دو بعدی زمین پیش بینی شود، معلوم می شود که منحنی است.

بر اساس نسبیت عام، میدان های گرانشی باید نور را خم کنند. برای مثال، این نظریه پیش‌بینی می‌کند که در نزدیکی خورشید، پرتوهای نور باید تحت تأثیر جرم ستاره کمی به سمت آن خم شوند. این بدان معنی است که نور یک ستاره دور، اگر اتفاقی از نزدیکی خورشید بگذرد، با زاویه کمی منحرف می شود، به همین دلیل است که یک ناظر در زمین ستاره را دقیقاً در جایی که واقع شده است نمی بیند.

به یاد بیاوریم که طبق اصل اساسی نظریه نسبیت خاص، همه قوانین فیزیکی برای همه ناظران آزادانه بدون توجه به سرعت آنها یکسان است. به طور کلی، اصل هم ارزی این قانون را به آن دسته از ناظرانی که نه آزادانه، بلکه تحت تأثیر میدان گرانشی حرکت می کنند، بسط می دهد.

در مناطق به اندازه کافی کوچک از فضا، قضاوت در مورد اینکه آیا در یک میدان گرانشی در حال استراحت هستید یا با شتاب ثابت در فضای خالی حرکت می کنید، غیرممکن است.

تصور کنید که در یک آسانسور وسط یک فضای خالی هستید. گرانش، "بالا" و "پایین" وجود ندارد. شما آزادانه شناور هستید. سپس آسانسور با شتاب ثابت شروع به حرکت می کند. ناگهان احساس وزن می کنید. یعنی به یکی از دیوارهای آسانسور فشار داده می‌شوید که اکنون به عنوان کف در نظر گرفته می‌شود. اگر یک سیب را بردارید و بگذارید برود، روی زمین می افتد. در واقع، اکنون که با شتاب حرکت می کنید، همه چیز در داخل آسانسور دقیقاً به همان صورت اتفاق می افتد که گویی آسانسور اصلاً حرکت نمی کند، بلکه در یک میدان گرانشی یکنواخت در حال استراحت است. انیشتین متوجه شد که همانطور که وقتی در واگن قطار هستید نمی‌توانید تشخیص دهید که آیا آن قطار ثابت است یا یکنواخت حرکت می‌کند، هنگامی که در داخل آسانسور هستید نمی‌توانید بگویید که آیا با شتاب ثابت در حال حرکت است یا در حرکت یکنواخت است. میدان گرانشی. نتیجه این درک اصل هم ارزی بود.

اصل هم ارزی و مثال داده شده از تجلی آن تنها در صورتی معتبر خواهد بود که جرم اینرسی (بخشی از قانون دوم نیوتن، که تعیین می کند نیرویی که به آن وارد می شود چقدر به جسم می دهد) و جرم گرانشی (بخشی از قانون نیوتن در مورد آن) گرانش، که اندازه جاذبه گرانشی را تعیین می کند) یکی و یکی هستند.

استفاده انیشتین از هم ارزی جرم های اینرسی و گرانشی برای استنتاج اصل هم ارزی و در نهایت، کل نظریه نسبیت عام نمونه ای از توسعه مداوم و منسجم نتیجه گیری های منطقی است که در تاریخ تفکر بشر بی سابقه است.

اتساع زمان

پیش‌بینی دیگر نسبیت عام این است که زمان باید در اطراف اجرام عظیمی مانند زمین کند شود.

اکنون که با اصل هم ارزی آشنا شدیم، می‌توانیم با انجام آزمایش فکری دیگری که نشان می‌دهد چرا گرانش بر زمان تأثیر می‌گذارد، تفکر انیشتین را دنبال کنیم. تصور کنید موشکی در فضا پرواز می کند. برای راحتی، فرض می کنیم که بدنه آن به قدری بزرگ است که یک ثانیه کامل طول می کشد تا نور از بالا به پایین در امتداد آن رد شود. در نهایت، فرض کنید که در موشک دو ناظر وجود دارد: یکی در بالا، نزدیک سقف، دیگری در پایین، روی زمین، و هر دو به ساعت مشابهی مجهز هستند که ثانیه‌ها را می‌شمارند.

بیایید فرض کنیم که ناظر بالایی که منتظر بود تا ساعتش شمارش معکوس کند، بلافاصله یک سیگنال نوری به پایین‌تر می‌فرستد. در شمارش بعدی، سیگنال دوم را ارسال می کند. با توجه به شرایط ما، یک ثانیه طول می کشد تا هر سیگنال به ناظر پایینی برسد. از آنجایی که ناظر بالایی دو سیگنال نوری را با فاصله زمانی یک ثانیه ارسال می کند، ناظر پایین نیز آنها را با همان فاصله ثبت می کند.

اگر در این آزمایش، موشک به جای شناور آزادانه در فضا، روی زمین ایستاده بود و عمل گرانش را تجربه می کرد، چه تغییری می کرد؟ بر اساس نظریه نیوتن، گرانش به هیچ وجه بر وضعیت امور تأثیر نمی گذارد: اگر ناظر بالا سیگنال ها را با فاصله زمانی یک ثانیه ارسال کند، ناظر پایین آنها را در همان بازه دریافت می کند. اما اصل هم ارزی تحول متفاوتی از رویدادها را پیش بینی می کند. کدام یک را می توانیم بفهمیم اگر مطابق با اصل هم ارزی، شتاب ثابت را به طور ذهنی جایگزین کنش گرانش کنیم. این نمونه ای از نحوه استفاده انیشتین از اصل هم ارزی برای ایجاد نظریه جدید گرانش است.

بنابراین فرض کنید موشک ما در حال شتاب گرفتن است. (فرض می کنیم که سرعتش کند است، به طوری که سرعت آن به سرعت نور نزدیک نمی شود.) از آنجایی که بدنه موشک به سمت بالا حرکت می کند، اولین سیگنال باید مسافت کمتری را نسبت به قبل طی کند (قبل از شروع شتاب). و زودتر به ناظر پایینی می رسد تا اینکه یک ثانیه به من بدهید. اگر موشک با سرعت ثابتی حرکت می کرد، سیگنال دوم دقیقاً به همان صورت زودتر می رسید، به طوری که فاصله بین دو سیگنال برابر با یک ثانیه باقی می ماند. اما در لحظه ارسال سیگنال دوم، به دلیل شتاب، موشک سریعتر از لحظه ارسال سیگنال اول در حال حرکت است، بنابراین سیگنال دوم مسافت کمتری را نسبت به سیگنال اول طی می کند و حتی زمان کمتری نیز خواهد برد. ناظر زیر با بررسی ساعت خود، ثبت می‌کند که فاصله بین سیگنال‌ها کمتر از یک ثانیه است و با ناظر بالا که ادعا می‌کند سیگنال‌ها را دقیقاً یک ثانیه دیرتر ارسال کرده، مخالفت خواهد کرد.

در مورد یک موشک شتاب دهنده، این اثر احتمالاً نباید تعجب آور باشد. بالاخره ما فقط توضیح دادیم! اما به یاد داشته باشید: اصل هم ارزی می گوید که همین اتفاق می افتد زمانی که موشک در یک میدان گرانشی در حال استراحت است. در نتیجه، حتی اگر موشک شتاب نداشته باشد، اما مثلاً روی سکوی پرتاب روی سطح زمین ایستاده باشد، سیگنال‌هایی که ناظر بالایی با فاصله زمانی یک ثانیه ارسال می‌کند (طبق ساعت او) به آن می‌رسد. ناظر پایین تر با فاصله کمتر (با توجه به ساعت او) . این واقعا شگفت انگیز است!

گرانش جریان زمان را تغییر می دهد. همانطور که نسبیت خاص به ما می گوید که زمان برای ناظرانی که نسبت به یکدیگر حرکت می کنند متفاوت می گذرد، نسبیت عام نیز به ما می گوید که زمان برای ناظران در میدان های گرانشی مختلف متفاوت می گذرد. بر اساس نسبیت عام، ناظر پایین‌تر فاصله کوتاه‌تری بین سیگنال‌ها ثبت می‌کند، زیرا زمان در سطح زمین کندتر حرکت می‌کند، زیرا گرانش در آنجا قوی‌تر است. هر چه میدان گرانشی قوی تر باشد، این اثر بیشتر است.

ساعت بیولوژیکی ما نیز به تغییرات در گذر زمان پاسخ می دهد. اگر یکی از دوقلوها بالای کوه و دیگری کنار دریا زندگی کند، اولی پیر می شود سریعتر از دوم. در این صورت، تفاوت سنی ناچیز خواهد بود، اما به محض اینکه یکی از دوقلوها به یک سفر طولانی در یک سفینه فضایی که سرعت آن به سرعت نور می رسد، به طور قابل توجهی افزایش می یابد. وقتی سرگردان برگردد، بسیار کوچکتر از برادرش خواهد بود که روی زمین مانده است. این مورد به عنوان پارادوکس دوقلو شناخته می شود، اما این یک پارادوکس فقط برای کسانی است که به ایده زمان مطلق چسبیده اند. در تئوری نسبیت زمان مطلق منحصر به فرد وجود ندارد - هر فردی اندازه گیری زمان خود را دارد که بستگی به این دارد که کجا باشد و چگونه حرکت کند.

با ظهور فوق دقیق سیستم های ناوبریدریافت سیگنال از ماهواره ها، اختلاف ساعت است ارتفاعات مختلفاهمیت عملی پیدا کرده است. اگر تجهیزات پیش بینی های نسبیت عام را نادیده می گرفتند، خطا در تعیین مکان می تواند چندین کیلومتر باشد!

ظهور نظریه نسبیت عام وضعیت را به شدت تغییر داد. فضا و زمان وضعیت موجودات پویا را به دست آوردند. وقتی اجسام حرکت می کنند یا نیروها عمل می کنند باعث انحنای فضا و زمان می شوند و ساختار فضا-زمان نیز به نوبه خود بر حرکت اجسام و عمل نیروها تأثیر می گذارد. فضا و زمان نه تنها بر هر چیزی که در کیهان اتفاق می‌افتد تأثیر می‌گذارد، بلکه خود به همه آن‌ها وابسته هستند.

بیایید یک فضانورد بی باک را تصور کنیم که در طول یک انقباض فاجعه بار روی سطح یک ستاره در حال فروپاشی باقی می ماند. در نقطه‌ای مطابق با ساعت او، مثلاً در ساعت 11:00، ستاره تا شعاع بحرانی منقبض می‌شود که فراتر از آن، میدان گرانشی آنقدر تشدید می‌شود که فرار از آن غیرممکن است. حال فرض کنید طبق دستورالعمل ها، فضانورد باید هر ثانیه یک سیگنال را در ساعت خود به فضاپیما ارسال کند که در فاصله ای ثابت از مرکز ستاره در مدار قرار دارد. در ساعت 10:59:58، یعنی دو ثانیه قبل از ساعت 11:00 شروع به ارسال سیگنال می کند. خدمه در سفینه چه چیزی را ثبت خواهند کرد؟

پیش از این، با انجام یک آزمایش فکری با انتقال سیگنال‌های نور در داخل یک موشک، متقاعد شدیم که گرانش زمان را کاهش می‌دهد و هر چه قوی‌تر باشد، تأثیر آن بیشتر است. یک فضانورد در سطح یک ستاره در میدان گرانشی قوی تری نسبت به همکارانش در مدار قرار دارد، بنابراین یک ثانیه در ساعت او بیشتر از یک ثانیه در ساعت کشتی دوام می آورد. همانطور که فضانورد با سطح به سمت مرکز ستاره حرکت می کند، میدانی که روی او عمل می کند قوی تر و قوی تر می شود، به طوری که فواصل بین سیگنال های دریافتی او در فضاپیما دائما طولانی می شود. این اتساع زمانی تا ساعت 10:59:59 بسیار اندک خواهد بود، به طوری که برای فضانوردان در مدار، فاصله بین سیگنال های ارسال شده در 10:59:58 و 10:59:59 بسیار کمی بیشتر از یک ثانیه خواهد بود. اما سیگنال ارسال شده در ساعت 11:00 دیگر در کشتی دریافت نخواهد شد.

هر چیزی که روی سطح ستاره بین ساعت 10:59:59 تا 11:00 در ساعت فضانورد اتفاق می افتد، در یک بازه زمانی نامحدود در ساعت فضاپیما کشیده می شود. با نزدیک شدن به ساعت 11:00، فواصل بین رسیدن به مدار تاج های متوالی و فرورفتگی امواج نوری ساطع شده از ستاره به طور فزاینده ای طولانی تر می شود. همین امر با فواصل زمانی بین سیگنال های فضانورد اتفاق خواهد افتاد. از آنجایی که فرکانس تابش با تعداد تاج‌ها (یا فرورفتگی‌ها) در هر ثانیه تعیین می‌شود، فضاپیما فرکانس‌های کمتر و کمتر تابش ستاره را ثبت می‌کند. نور ستاره به طور فزاینده ای قرمز می شود و در عین حال محو می شود. در نهایت ستاره چنان کم نور می شود که برای ناظران فضاپیما نامرئی می شود. تنها چیزی که باقی خواهد ماند یک سیاهچاله در فضا است. با این حال، اثر گرانش ستاره بر سفینه فضاییباقی خواهد ماند و به گردش خود ادامه خواهد داد.