Обща относителност. Теория на относителността на Алберт Айнщайн

Беше казано за тази теория, че само трима души в света го разбират и когато математиците се опитват да изразят в цифри това, което следва от него, самият автор - Алберт Айнщайн - се пошегува, че сега престава да го разбира. Специалната и обща теория на относителността е неразделна част от учението, върху което се изграждат съвременни научни възгледи за структурата на света.

"Година на чудесата"

През 1905 г. водещата научна публикация в Германия, Annalen der Physik (Annals of Physics), публикува една след друга четири статии от 26-годишния Алберт Айнщайн, който е работил като експерт от трета класа - дребен секретар - Федерално бюро за патентни изобретения в Берн. Преди това той е сътрудничил със списанието, но публикуването на толкова много творби за една година е изключително събитие. Тя стана още по-забележителна, когато стойността на идеите, съдържащи се във всяка от тях, стана ясна.

В първата статия се изразяват мисли за квантовата природа на светлината и се разглеждат процесите на абсорбция и излъчване на електромагнитно излъчване. На тази основа фотоелектричният ефект - емисиите на електрони, излъчвани от фотони от светлина от вещество - беше обяснен за първи път и бяха предложени формули за изчисляване на количеството енергия, отделено в този процес. Именно за теоретичното развитие на фотоелектричния ефект, който започва с квантовата механика, а не за постулатите на теорията на относителността, Айнщайн ще получи Нобелова награда по физика през 1922 година.

Друга статия постави основата на приложните области на физическата статистика, базирана на изследвания. Броуново движение най-малките частици, суспендирани в течност. Айнщайн предлага методи за намиране на модели на флуктуации - случайни и случайни отклонения на физическите величини от техните най-вероятни стойности.

И накрая, статиите „За електродинамиката на движещите се тела” и „Инерцията на тялото зависи ли от неговото енергийно съдържание?” Съдържат микробите на това, което ще бъде посочено в историята на физиката като теория на относителността от Алберт Айнщайн, или по-скоро първата му част - SRT - специалната теория. относителността.

Източници и предшественици

В края на 19-ти век на много физици изглеждаше, че повечето от глобалните проблеми на вселената са били решени, основните открития са направени и човечеството е трябвало само да използва натрупаните знания, за да ускори технологично напредъка. Само някои теоретични несъответствия разваляха хармоничната картина на Вселената, изпълнена с етер и живееща според непоколебимите нютонски закони.

Хармония развали теоретичните изследвания на Максуел. Неговите уравнения, които описват взаимодействието на електромагнитните полета, противоречат на общоприетите закони на класическата механика. Става дума за измерване. скоростта на светлината в динамичните референтни системи, когато принципът на относителността на Галилео престава да работи, математически модел на взаимодействието на такива системи при движение със скорост на светлината доведе до изчезване електромагнитни вълни.

Освен това той не реагира на откриването на етер, който трябваше да съгласува едновременното съществуване на частици и вълни, макро и микрокосмос. Експериментът, проведен през 1887 г. от Алберт Майкелсън и Едуард Морли, имаше за цел да открие „етерния вятър“, който неизбежно трябваше да бъде фиксиран с уникален инструмент - интерферометър. Експериментът продължи цяла година - времето на пълната революция на Земята около Слънцето. Планетата трябваше да се движи срещу етерния поток в продължение на половин година, етерът трябваше да „духа в платната” на Земята в продължение на половин година, но резултатът беше нула: никакви светлинни вълни не се изместваха под въздействието на етера, което предизвикваше самото съществуване на етера.

Лоренц и Поанкаре

Физиците са се опитали да намерят обяснение за резултатите от експериментите за откриване на етер. Хендрик Лоренц (1853-1928) предложил своя математически модел. Тя връща към живота етерното пълнене на пространството, но само при много условно и изкуствено предположение, че когато се движат през етера, обектите могат да се свият в посоката на движението. Този модел е модифициран от великия Анри Пуанкаре (1854-1912).

В творбите на тези двама учени за пръв път се появяват концепции, които до голяма степен съставляват основните принципи на теорията на относителността, и това не позволява обвиненията на Айнщайн в плагиатство да намаляват. Те включват конвенционалността на концепцията за едновременност, хипотезата за постоянството на скоростта на светлината. Поанкаре призна, че при високи скорости законите на механиката на Нютон изискват обработка, той заключава, че движението е относително, но се прилага към етерната теория.

Специална теория на относителността - SRT

Проблемите, свързани с правилното описание на електромагнитните процеси, станаха мотивиращата причина за избора на тема за теоретичните разработки, а статиите на Айнщайн, публикувани през 1905 г., съдържат интерпретация на конкретен случай - еднородно и праволинейно движение. През 1915 г. се формира общата теория на относителността, която обяснява и взаимодействията на гравитационните взаимодействия, но първата е теорията, наречена специална.

Специална теория на относителността Айнщайн може да се обобщи като два основни постулата. Първият разпространява действието Галилеев принцип на относителността върху всички физични явления, а не само върху механични процеси. В по-обща форма тя гласи: Всички физични закони са еднакви за всички инерционни (движещи се равномерно, праволинейни или в покой) референтни системи.

Второто твърдение, което съдържа специална теория на относителността: скоростта на светлината във вакуум за всички инерционни референтни системи е една и съща. След това се прави по-глобално заключение: скоростта на светлината е най-високата възможна скорост на предаване на взаимодействия в природата.

В математическите изчисления на СТО се дава формулата E = mc², която преди това се е появявала във физическите публикации, но благодарение на Айнщайн тя става най-известната и популярна в историята на науката. Заключението за еквивалентността на масата и енергията е най-революционната формула на теорията на относителността. Идеята, че всеки обект с маса съдържа огромно количество енергия, стана основа за развитието на използването на ядрената енергия и преди всичко доведе до появата на атомната бомба.

Ефекти на специалната теория на относителността

SRT предполага няколко последствия, които се наричат ​​релативистични (относителност, или относителност) ефекти. Дилатацията на времето е една от най-ярките. Неговата същност е, че в движеща се рамка на референтното време отива по-бавно. Изчисленията показват, че на космически кораб, който е направил хипотетичен полет към звездната система Алфа Кентавър и обратно със скорост от 0,95 s (c е скоростта на светлината), ще отнеме 7.3 години, а на Земята ще бъде 12 години. Такива примери често се цитират, когато се обяснява теорията на относителността за чайниците, както и двойният парадокс, свързан с този ефект.

Друг ефект е намаляването на линейните размери - т.е. от гледна точка на наблюдател, обектите, движещи се спрямо него при скорост, близка до c, ще имат по-малки линейни размери в посоката на движение от собствената им дължина. Този ефект, предвиден от релативистката физика, се нарича Лоренцова контракция.

Според законите на релативистката кинематика, масата на движещия се обект е по-голяма от останалата маса. Този ефект става особено важен при разработването на инструменти за изследване на елементарни частици - без да се вземе предвид, трудно е да си представим работата на LHC (Large andron Collider).

Космическо време

Един от най-важните компоненти на специалната относителност е графичното представяне на релативистката кинематика, специално понятие за единно пространство-време, предложено от немския математик Херман Минковски, който някога е бил учител по математика от ученик на Алберт Айнщайн.

Същността на модела на Минковски е изцяло нов подход за определяне на позицията на обектите, влизащи във взаимодействие. Специалната теория на относителността отделя специално внимание. Времето става не само четвъртата координата на класическата триизмерна координатна система, а времето не е абсолютна стойност, а неразделна характеристика на пространството, която приема формата на пространствено-времеви континуум, графично изразен като конус, в който се случват всички взаимодействия.

Подобно пространство в теорията на относителността, с неговото развитие до по-обобщаващ характер, по-късно също беше подложено на кривина, което направи такъв модел подходящ за описание и гравитационни взаимодействия.

По-нататъшно развитие на теорията

СТО не успя веднага да намери разбиране сред физиците, но постепенно тя се превърна в основен инструмент за описване на света, особено на света на елементарните частици, който стана основен предмет на изучаването на физическите науки. Но задачата за допълване на СТР с обяснение на силите на властта беше много спешна, а Айнщайн не спря да работи, усъвършенствайки принципите на общата теория на относителността - БРТ. Математическата обработка на тези принципи отнема доста дълго време - около 11 години, и в нея взеха участие специалисти по физико-свързани науки.

И така, голям принос е направил водещият математик от онова време Дейвид Хилберт (1862-1943), който стана един от съавторите на уравненията на гравитационното поле. Те бяха последният камък в изграждането на красива сграда, която получи името - общата теория на относителността, или GR.

Обща относителност - GR

Модерната теория на гравитационното поле, теорията за пространствено-времевата структура, геометрията на пространството-времето, законът за физическите взаимодействия в не-инерционните системи за отчитане са всички различни имена, които са били дадени на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн.

Теорията за света е широко разпространена, която отдавна определя възгледите на физическата наука за гравитацията, за взаимодействието на обекти и полета с различни размери. Парадоксално е, че основният му недостатък е нематериалността, илюзорността, математиката на нейната същност. Между звездите и планетите имаше празнота, привличането между небесните тела се обясняваше с действието на някои сили на далечни разстояния и моментално. Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн изпълни гравитацията с физическото съдържание, представяйки я като пряк контакт на различни материални обекти.

Гравитационна геометрия

Основната идея, с помощта на която Айнщайн обяснява гравитационните взаимодействия, е много проста. Физическото изразяване на силите на той обявява пространство-време, надарено с доста осезаеми знаци - метрика и деформации, които са засегнати от масата на обекта, около който се образуват такива криви. По едно време Айнщайн дори бил приписван с призиви да се върне към теорията на Вселената за понятието етер като еластична материална среда, изпълваща пространството. Той обясни, че за него е трудно да нарече вещество с множество качества, които могат да бъдат описани като вакуум.

Следователно, гравитацията е проявление на геометричните свойства на четириизмерното пространство-време, което в СТО е определено като некривено, но в по-общите случаи е надарено с кривина, която определя движението на материални обекти, които получават същото ускорение в съответствие с принципа на Айнщайн.

Този фундаментален принцип на теорията на относителността обяснява много от "пречките" на Нютоновата теория за разширяването на света: кривината на светлината, наблюдавана, когато тя преминава около масивни космически обекти с някои астрономически явления и, отбелязана от древните, същото ускорение на падащите тела, независимо от тяхната маса.

Моделиране на кривината на пространството

Общ пример, който обяснява общата теория на относителността за чайниците, е представянето на пространството-време под формата на батут - еластична тънка мембрана, върху която се поставят обекти (най-често топки), симулиращи взаимодействащи се обекти. Тежките топки огъват мембраната, образувайки около нея фуния. По-малка топка, изстреляна на повърхността, се движи в пълно съответствие със законите на гравитацията, постепенно се навива в каналите, образувани от по-масивни обекти.

Но такъв пример е доста произволен. Истинското пространство-време е многоизмерно, неговата кривина също не изглежда толкова елементарна, но принципът на формиране на гравитационното взаимодействие и същността на теорията на относителността стават ясни. Във всеки случай хипотезата, която би обяснила по-графично и последователно теорията за гравитацията, все още не съществува.

Доказателство за истината

GTR бързо започва да се възприема като мощна основа, върху която може да се изгради съвременната физика. От самото начало, теорията на относителността бе поразителна в своята хармония и хармония, а не само специалисти, а скоро след появата й, това беше потвърдено от наблюдения.

Най-близката точка към Слънцето - перихелия - на орбитата на Меркурий постепенно се измества спрямо орбитите на други планети на Слънчевата система, открита в средата на 19-ти век. Подобно движение - прецесия - не беше разумно обяснено в рамките на Нютоновата теория за разширяването на света, но беше прецизно изчислено въз основа на общата теория на относителността.

Затъмнението на Слънцето, което се случи през 1919 г., даде възможност за друго доказателство за ГР. Артър Едингтън, който се шегуваше да се нарича втори от трима души, който разбираше основите на теорията на относителността, потвърди отклоненията, предсказани от Айнщайн по време на преминаването на светлинни фотони близо до звездата: по време на затъмнение видимата позиция на някои звезди стана видима.

Един от експериментите за откриване на забавянето на часовника или гравитационното червено изместване беше предложен от самия Айнщайн, сред другите доказателства за общата теория на относителността. Едва след много години успя да подготви необходимите експериментални съоръжения и да проведе това преживяване. Гравитационното изместване на радиационните честоти от излъчвателя и приемника, разделени от височината, е в границите, предсказани от ГР, докато физиците от Харвард Робърт Паунд и Глен Ребка, които провеждат този експеримент, по-късно само увеличават точността на измерванията, а формулата на теорията на относителността отново се оказва вярна.

Теорията на относителността на Айнщайн задължително присъства в обосновката на най-значимите проекти за изследване на космоса. Накратко, може да се каже, че той се е превърнал в инженерно средство за специалисти, по-специално за тези, които участват в системите за спътникова навигация - GPS, GLONASS и др. Невъзможно е да се изчислят координатите на даден обект с необходимата точност, дори в относително малко пространство, без да се вземе предвид забавянето на сигналите, предсказани от GTR. Особено когато става въпрос за обекти, разделени от пространство, където грешката в навигацията може да бъде огромна.

Създател на теорията на относителността

Алберт Айнщайн е все още млад човек, когато публикува основите на теорията на относителността. Впоследствие той самият стана ясно за своите недостатъци и несъответствия. По-специално, най-важният проблем на общата теория на относителността е невъзможността за нейното израстване в квантовата механика, тъй като принципите, които са коренно различни един от друг, се използват за описване на гравитационните взаимодействия. В квантовата механика се разглежда взаимодействието на обектите в едно пространство-време, докато за Айнщайн това пространство образува гравитацията.

Писайки "формулата на всички неща" - единна теория на полето, която ще елиминира противоречията на GR и квантовата физика, беше целта на Айнщайн в продължение на много години, той работи по тази теория до последния час, но не успя. Проблемите на общата теория на относителността са станали стимул за много теоретици в търсенето на по-напреднали модели на света. Така се появиха струнни теории, квантова гравитация и много други.

Личността на автора на UTO е оставила следа в историята сравнима със стойността за науката на самата теория на относителността. Засега тя не оставя никого безразличен. Айнщайн се чудеше защо на него и работата му се обръщаше толкова много внимание от хора, които нямат нищо общо с физиката. Благодарение на неговите лични качества, известна остроумие, активна политическа позиция и дори изразителна външност, Айнщайн става най-известният физик на Земята, герой на много книги, филми и компютърни игри.

Краят на живота му е описан драматично от мнозина: той е самотен, смята се за отговорен за появата на най-ужасното оръжие, което се е превърнало в заплаха за всички живи същества на планетата, неговата единна теория на полето остава нереалистична мечта, но най-добрият резултат може да се приеме за думите на Айнщайн. че е изпълнил задачата си на Земята. Трудно е да се спори с това.