общая и специальная теория относительности в чем разница

Теория относительности

Существует две теории относительности Альберта Эйнштейна:

Специальная теория относительности

СТО основана на том, что скорость света постоянна для всех. В 1905 году Эйнштейн понял это, когда провёл эксперименты и пришёл к выводу, что скорость света не меняется, когда Земля вращается вокруг Солнца.

СТО объясняет, как пространство и время связаны между собой для объектов, которые движутся с постоянной скоростью по прямой.

Особое внимание заостряется на объектах, движущихся со скоростью света. Когда объект приближается к скорости света, его масса становится бесконечной, и он не может двигаться быстрее света. Поскольку человечество всегда стремилось к путешествиям на огромные расстояния, это ограничение скорости было предметом многочисленных дискуссий и в физике, и в научной фантастике.

Своей теорией учёный представил новую основу для всей физики и предложил новые концепции пространства и времени.

Пример СТО: вы сидите в поезде (который едет со скоростью 100 км/ч) и бросаете теннисный мячик своему другу (со скоростью 10 км/час). С какой скоростью пролетел мячик?

Невозможно дать с уверенностью ответ на этот вопрос, т.к. ответ зависит от того, кто наблюдатель.

Для вас и людей внутри поезда теннисный мячик пролетел со скоростью 10 км/час, но для людей вне поезда он пролетел со скоростью 110 км/ч (100 + 10).

Формула Специальной теории относительности (E = mc²)

В СТО Эйнштейн представил самое известное уравнение из когда-либо написанных: E = mc²

Например, теоретически, исходя из этой формулы, энергия, получаемая при полном преобразовании одного килограмма массы, равна 9 x 10^16 джоулей (это 1кг × (300.000.000 м/с)²).

Эта формула устанавливает количественную эквивалентность (равноценность) превращения материи в энергию и наоборот.

В этом уравнении связываются и взаимозаменяются масса и энергия.

Относительность времени в специальной теории относительности

Интервал времени неподвижной системы (наблюдателя) всегда меньше системы, что находится в движении.

Промежуток времени между двумя событиями зависит от системы отсчёта, поэтому они (промежутки времени) могут быть разными, т. е. промежуток времени является относительным.

Представьте, что вы наблюдаете за каким-то явлением, происходящим в космосе. Если вы наблюдаете и замеряете время:

Этот эффект также называется релятивистское замедление времени.

Общая теория относительности

После СТО Эйнштейн проработал ещё 10 лет над общей теорией, которая включает ускорение. В этой работе он определил, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени и оно ощущается как гравитация.

ОТО представила концепцию четырёхмерности мира (или пространственно-временной континуум): 3 пространственные измерения (длина, ширина, высота) и время. ОТО применяется ко всем системам отсчёта, в то время как СТО применялась лишь к движущимся с постоянной скоростью относительно друг друга. ОТО (общая) включает в себя СТО (специальную).

Пример ОТО: вы находитесь в падающем лифте, вы будете свободно парить в этом лифте, т.к. падаете вместе с этим лифтом (свободное падение). Другая ситуация: вы находитесь внутри ракеты и парите в невесомости вдали от источников гравитации. Если ракета начнёт движение, то вы опуститесь в сторону, противоположную движению ракеты (если она полетит наверх, то вы упадёте вниз).
Существует эквивалент между ускоренным движением и гравитационным притяжением; т.е. ОТО утверждает, что ускорение очень похоже на гравитационное поле.

Чем отличается специальная теория относительности от общей теории относительности?

Система отсчёта — это совокупность тела отсчёта, системы координат и отсчёта времени (они связаны с телом, и относительно него рассматривается движение или равновесие других тел или точек).

Движение тел и материи должно находиться в пределах параметров времени и пространства.

Принцип относительности Галилея

Этот принцип гласит: во всех инерциальных системах отсчёта все механические явления протекают одинаково. Был ус­та­нов­лен великим итальянским учёным Га­ли­леем в 1636 г.

Источник

Ученые вывели замену для теории относительности. В чем суть «теории всего»?

Два исследователя из Университета штата Северная Каролина создали теорию пространства-времени на основе современных математических построений. По их словам, она объясняет устройство мира лучше, чем проверенная сотней лет экспериментов и возражений теория относительности. Рассказываем подробнее, что это значит.

Читайте «Хайтек» в

Общая теория относительности и специальная теория относительности

Теория относительности» — это обобщенный термин, используемый для двух разных классов теорий, данных Альбертом Эйнштейном, а именно специальной относительности и общей относительности.

Общая теория относительности была первоначально опубликована Альбертом Эйнштейном в 1915 году. До общей теории относительности считалось, что гравитация — это «сила», которая действует между объектами, имеющими массу.

Однако общая теория относительности Эйнштейна изменила этот взгляд на гравитацию. Согласно общей теории относительности наша Вселенная состоит из 3 пространственных измерений + 1 временное измерение.

Вместе эти измерения образуют четырехмерный континуум, известный как ткань пространства-времени. Объекты, имеющие массу, производят искривление в ткани пространства-времени. Эта кривизна пространства-времени ответственна за гравитацию.

Общая теория относительности (ОТО)

Общая теория относительности описывает гравитацию как кривизну пространства-времени. Общая теория относительности предсказывала существование черных дыр и их свойства еще до того, как они были открыты.

Общая теория относительности основана на полевых уравнениях Эйнштейна, которые являются нелинейными и очень трудными для решения. Согласно общей теории относительности, объекты, имеющие массу, изгибают ткань пространства-времени. Чем больше масса, тем больше изгиб. Общая теория относительности приводит к ряду последствий, которые обсуждаются ниже.

Основные принципы общей теории относительности:

Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории относительности никакое взаимодействие не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

В нерелятивистской механике существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения.

Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения.

Эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными, а тем более — пропорциональными друг другу. Однако их экспериментально установленная строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.

Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого пространства в этой точке.

Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий.

Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.

Основным отличием пространства-времени ОТО от пространства-времени СТО является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени СТО этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

По этой причине не совсем корректным является название «общая теория относительности». Данная теория является лишь одной из ряда теорий гравитации, рассматриваемых физиками в настоящее время, в то время как специальная теория относительности (точнее, её принцип метричности пространства-времени) является общепринятой научным сообществом и составляет краеугольный камень базиса современной физики.

Ни одна из прочих развитых теорий гравитации, кроме ОТО, не выдержала проверки временем и экспериментом, то есть все они, за исключением ОТО, остались только гипотезами.

Специальная теория относительности (СТО)

Прежде чем идти дальше, нужно сначала понять, что движение относительно. Например, представьте, что вы стоите на пешеходной дорожке и видите проезжающий по дороге автобус с некоторой постоянной скоростью «v».

Теперь для людей в автобусе каждый из них отдыхает по отношению друг к другу. Но для вас все они движутся вместе с автобусом с некоторой скоростью «v». Человек, который кажется наблюдателю неподвижным в одной системе отсчета, не обязательно может показаться неподвижным другому наблюдателю в другой системе отсчета — следовательно, движение не абсолютное, а относительное.

В СТО постулируется возможность определения единого времени в рамках данной инерциальной системы отсчёта процедурой синхронизации двух часов, находящихся в произвольных точках ИСО (инерциальной системы отчета).

Чтобы измерения, выполненные в различных ИСО, можно было между собой сравнивать, необходимо провести согласование единиц измерения между системами отсчёта. Так, единицы длины могут быть согласованы при помощи сравнения эталонов длины в перпендикулярном направлении к относительному движению инерциальных систем отсчёта.

Например, это может быть кратчайшее расстояние между траекториями двух частиц, движущихся параллельно осям x и x’ и имеющих различные, но постоянные координаты (y, z) и (y’,z’). Для согласования единиц измерения времени можно использовать идентично устроенные часы, например, атомные.

Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга. Это означает, что форма зависимости физических законов от пространственно-временных координат должна быть одинаковой во всех ИСО, то есть законы инвариантны относительно переходов между ИСО. Принцип относительности устанавливает равноправие всех ИСО.

Учитывая второй закон Ньютона, можно утверждать, что если скорость некоторого тела в данной ИСО постоянна (ускорение равно нулю), то она должна быть постоянна и во всех остальных ИСО. Иногда это и принимают за определение инерциальных систем отсчёта.

Принцип постоянства скорости света противоречит классической механике, а конкретно — закону сложения скоростей. При выводе последнего используется только принцип относительности Галилея и неявное допущение одинаковости времени во всех ИСО.

Таким образом, из справедливости второго постулата следует, что время должно быть относительным — неодинаковым в разных ИСО. Необходимым образом отсюда следует и то, что «расстояния» также должны быть относительны. В самом деле, если свет проходит расстояние между двумя точками за некоторое время, а в другой системе — за другое время и притом с той же скоростью, то отсюда следует, что и расстояние в этой системе должно отличаться.

В чем суть новой «теории всего»?

Сформулировали новую теорию два профессора машиностроения из NC State University: Ларри Сильверберг ( Larry M. Silverberg) и Джеффри Айшен ( Jeffrey W. Eischen). Результаты работы и созданный ими математический аппарат они опубликовали в журнале Physics Essays.

Для описания взаимодействия материи, пространства и времени американские ученые ввели понятие «фрагмент энергии». По их представлению, это основная и неделимая структура, из которой состоит вся известная нам Вселенная — от субатомных частиц до звезд и галактик.

Сильверберг и Айшен предлагают сделать следующий шаг в познании мира человечеством. По их словам, на нынешнем уровне в физике существует дихотомия волны и частицы. Последняя — элемент материи — существует в конкретной точке пространства. Тогда как волна существует везде, кроме точки, из которой была испущена.

«Фрагменты энергии» объединяют эти две сущности. По мнению авторов статьи, энергия всегда «протекает» через области пространства и времени. Эти потоки нигде не начинаются и не заканчиваются, а также никогда не пересекаются.

Идея потоков, которые получили название «фрагменты энергии», возникла при попытке математического описания бесконечно перетекающей энергии. В основу теории легла наиболее эффективная модель. Потоки в ней определяются простым уравнением A=-⍺/r, где ⍺ — интенсивность, а r — функция расстояния.

В качестве доказательства Джеффри и Ларри применили свои построения к двум наиболее известным подтверждениями теории Эйнштейна. Речь идет о вычислении аномальной прецессии перигелия Меркурия и гравитационном отклонении света.

Аномальное смещение перигелия Меркурия — обнаруженная в 1859 году особенность движения планеты Меркурий, сыгравшая исключительную роль в истории физики. Это смещение оказалось первым движением небесного тела, которое не подчинялось ньютоновскому закону всемирного тяготения. Физики были поставлены перед необходимостью искать пути модифицировать или обобщить теорию тяготения.

Поиски увенчались успехом в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности (ОТО); из уравнений ОТО вытекало именно такое значение смещения, которое фактически наблюдалось. Позже были измерены аналогичные смещения орбит нескольких других небесных тел, значения которых также совпали с предсказанными ОТО.

Гравитационное отклонение света — изменение направления распространения света в гравитационном поле. Является следствием принципа эквивалентности. Впервые было вычислено А. Эйнштейном в 1916 году. Важным следствием гравитационного отклонения света является эффект гравитационного линзирования в астрономии.

Новая теория проще и удобнее?

Полученные с учетом «фрагментов энергии» результаты совпали с таковыми в рамках теории относительности. Были ли они проще, не уточняется.

Оценка мирового научного сообщества

Поскольку в открытом доступе есть только краткое изложение теории, трудно судить, насколько теория Сильверберга и Айшена выдерживает критику. Эссе за авторством Ларри размещено на портале The Conversation, и в нем приведены лишь два наглядных доказательства.

Если работа американских ученых привлечет достаточное внимание научного сообщества, возможно, возникнет дискуссия. В ходе нее станет понятно, насколько новая теория полезна для науки, не избыточна ли она либо не содержатся ли в ней фундаментальные недостатки.

Источник

Теория относительности «на пальцах»

Всем привет. Это обзор пятой главы книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени», в которой мы попытаемся разобраться с такой, казалось бы, сложной вещью как теория относительности, и понять что это такое. Если ткнуть на Альберта вверху, то покажут мультик.

Для начала, поговорим о скорости света. Ещё до трудов Ньютона датский астроном Оли Рёмер, наблюдал за спутниками Юпитера. Он заметил, что периоды их исчезновения и появления за планетой происходят с разными интервалами времени. Такое явление Рёмер объяснил конечностью скорости света и вот почему. Если скорость света бесконечна, то появление спутников происходило бы через строго определённые промежутки времени, ровно в тот момент когда они происходят на юпитере, мы бы видели их и на земле. Но предположим, что свет движется с некой скоростью, тогда мы увидим затмение спутника спустя некоторый промежуток времени, ровно такой, сколько свету потребуется для преодоления расстояние от Юпитера до земли. Становится понятно что это время будет тем меньше чем меньше расстояние от Земли до Юпитера и наоборот. Расстояние между планетами не постоянно, а изменяется во время вращения планет по орбитам. Теперь пазл сложился. Если во время измерений периодов между затенениями спутников Юпитера, расстояние между Юпитером и Землёй уменьшаются, то затмения будут длится меньше времени, а если Земля и Юпитер будут удаляться друг от друга, то затмения будут длится дольше. Рёмер даже смог измерить скорость света на основании изменений длительности затмений и их фаз. У него получилось значение 225 тысяч километров в секунду. Это отличается от современного значения 300 тыс километров в секунду меньше чем на треть. Если учесть что свои работы Рёмер проводил за 11 лет до публикаций Ньютона, то поражаешься насколько он был крут.

Ещё долгих 200 лет не было толком ни какой теории распространения света, до явления гения Максвелла, который смог объединить две обособленных до того теории электрических и магнитных сил (есть байка что сделал он это на экзамене, когда препод осознано добавил нерешаемую задачу на экзамене, чтобы выяснить кто из студентов не ходил на пары. Это не Хокинг сказал, это уже моё собственное дополнение). Уравнения Максвелла предсказывали наличие некого волнообразного возмущения сущности, которое сам он назвал электромагнитным полем. Эти возмущения должны были иметь постоянную скорость и, вычислив её Максвелл обнаружил что она в точности совпадает со скоростью света!

Сегодня мы знаем, что возмущения Максвелла – это обычный свет. А значит, из теории Максвелла следует, что свет распространяется с конечной скоростью. Но это никак не идёт в лад с физикой Ньютона и с тем что нет никакого абсолютного пространства от которого можно мерить скорость. Давайте представим что вы играете в настольный теннис в вагоне движущегося поезда. Вагон двигается со скоростью 90 км в час, а мячик вы подаёте со скоростью 10 км в час. Для вас скорость мячика 10 км, для наблюдателя на земле 100 км. Так как же определить скорость мяча? Относительно земли? Относительно поезда? Нельзя на этот вопрос ответить без абсолютного стандарта покоя. А его вроде нет, как показал Ньютон. То же самое можно и нужно говорить про скорость света. Какой смысл несёт в себе утверждение теории Максвелла о том что свет распространяется с конечной скоростью?

Изначально научный мир хотел всю вселенную наполнить неким неподвижным эфиром. Такой штукой которая расползлась по всему бытию и именно в ней распространяется свет. Нам сейчас это кажется ересью, но эфир долго, хоть и безуспешно искали многие великие умы прошлого и позапрошлого века. Например Альберт Майкельсон (в последствии первый нобелевский лауреат Америки по физики), пытался измерить скорость света вдоль и поперёк вращения Земли вокруг солнца. Если положить что солнце неподвижно относительно эфира, и зная что земля крутиться вокруг него со скорость примерно 30 км в секунду. То получается, что свет должен иметь разные относительные скорости по направлению движения планеты, и по направлению к солнцу. Но сколько ни меряли физики, всё равно получалась одинаковая скорость света. Примерно 300 тыс. км в секунду.

Всё изменилось с появлением в научном мире сотрудника патентного бюро, совершено не известного ранее. И вы конечно догадались что речь об Эйнштейне. Именно он первым предложил отказать от идеи абсолютного времени, и из его выкладок эфир отпадал сам собой.

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Это было верно для законов движения Ньютона, но теперь Эйнштейн распространил эту идею также и на теорию Максвелла. Другими словами, раз теория Максвелла объявляет скорость света постоянной, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение скорости света независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него. Конечно, эта простая идея объяснила — без привлечения эфира или иной привилегированной системы отсчета — смысл появления скорости света в уравнениях Максвелла, однако из нее также вытекал ряд удивительных следствий, которые зачастую противоречили интуиции.

Самое удивительное, это то что два наблюдателя должны по разному оценивать время одного и того же события. На этом поподробней, ибо это и есть относительность.

Представим что вы опять внутри этого абстрактного вагона. Вагон двигается со скоростью 100 км в час. Ровно посередине вагона имеется источник света. Наблюдатель внутри вагона измеряет расстояние которое проходит свет, от источника до стенки вагона А. Тут и мерить нечего, оно будет равно ровно половине вагона. А теперь давайте измерим расстояние пройденное светом для наблюдателя на перроне. Так как вагон двигался, то стенка А передвинулась и свету нужно пройти немного большее расстояние. Величина смещения стенки будет равна скорости вагона умноженной на время, за которое свет доберётся от источника до неё. Положим что длина вагона равна L, а за время пока свет блуждает по вагону, последний успел проехать dX метров. Выходит что для первого наблюдателя свет преодолел расстояние в S1= L/2 метров (половину от длинны вагона), а для наблюдателя на перроне S2 = L/2+dX метров. Всё приехали. Скорость определяется очень простой формулой V=S/t. Где S – расстояние, а t – время. Скорость в этом случае 300 тыс. км в секунду, она всегда постоянна. Получаем что S1/t = S2/t. И если S1≠S2, то t должны быть неравны друг другу.

Последний абзац и есть объяснение теории относительности на пальцах. Каждый из нас живёт в своём мире со своим собственным блэк-джеком и временем. Понять это нелегко, даже сообществу физиков понадобились годы чтобы принять теорию относительности.

По мере приближения любого тела к скорости света, его масса увеличивается и для того чтобы придать ему хоть какое то ускорение, требуется всё большая энергия. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Прощай Андромеда, ведь даже если мы научимся разгонять корабли бороздящие просторы большого театра да скорости света, то лететь туда чуть более 2,5 миллиона лет! 2,5 миллиона лет на предельной во вселенной скорости.

Теория выдвинутая Эйнштейном в 1905 году, называется специальной, или частной. Однако в некоторых местах она шла в разрез с теорией Ньютона. Ну например гравитация должна распространяться с бесконечной скоростью. Начиная с 1908 года, Эйнштейн пытается перепрыгнуть через голову, и придумать ещё более крутую теорию. За семь с лишним лет он делает множество неудачных попыток, пока в 1915 не выдвигает ещё более невероятную и непонятную теорию – венец современной науки – общую теорию относительности.

О ней и многом другом в следующих постах.

Источник

The Noobs` Science: Теория относительности простым языком

О четырёхмерном пространстве, смещении Ньютоновских законов и главном изобретении Эйнштейна без сложных формул.

Если мы начнём сравнивать теорию относительности с квантовой механикой, то заметим, что создатели квантовой механики — десятки учёных, в то время как единственной центральной фигурой всей теории относительности является Альберт Эйнштейн.

Понимание этой теории поможет в восприятии многих физических явлений. Она способна объяснить, почему траектория света может искривляться, вопреки принципу Ферма о прямолинейном распространении света, или же почему не стоит опасаться чёрных дыр.

В конце концов, теория относительности объяснила множество парадоксальных явлений, которые раньше не подлежали никакому объяснению со стороны учёных.

Любая физика начинается с классической механики, то есть описания макроскопического мира, его объектов и движения этих объектов. Когда объект достигает очень больших скоростей, он перестаёт подчиняться классической механике и начинает подчиняться релятивистской.

Что такое «большие скорости»? Всё сравнивается со скоростью света: если объект движется со скоростью ненамного меньшей скорости света, то он перестаёт подчиняться законам классической механики.

Общая и специальная теория относительности

Существуют общая и специальная теории относительности. Первой появилась специальная — она не учитывает гравитацию, которую, к сожалению, невозможно игнорировать. Общая теория относительности учитывает гравитацию и из неё вытекают интересные следствия, такие как красные гравитационные смещения, гравитационные волны или чёрные дыры.

Есть одна принципиально важная тема для понимания ТО — принцип относительности Галилея:

Физические процессы в инерциальных системах отсчёта (договоримся обозначать их ИСО, системы отсчёта — СО) протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Если бросить камень и перо вниз в Алматы и в Чикаго одновременно, из одной и той же высоты, пренебрегая сопротивлением воздуха (провести эксперимент в вакууме), то и перо, и камень приземлятся одновременно, из чего вытекает вывод — все покоящиеся системы отсчёта эквивалентны друг другу.

Следующий мысленный эксперимент — вы находитесь в вагоне поезда, который двигается с постоянной скоростью, вагон звукоизолированный, герметичный, в нем нет окон, поезд не трясётся по рельсам, а внутри нет часов. Вы решили заснуть.

Вопрос: как после пробуждения определить, прибыли ли вы или нет?

Ответ: никак. Вывод — система, двигающаяся с постоянной скоростью, эквивалентна покоящейся системе, и можно спокойно переходить из одной в другую, законы физики при этом не изменятся.

Нет смысла утверждать, покоится ли объект, либо двигается, если не уточнить относительно чего он покоится или двигается. Например, лежа на диване, мы покоимся относительно земли, но двигаемся относительно Солнца, так как сама Земля постоянно вращается вокруг Солнца.

Также стоит отметить, что из одной ИСО можно перейти в другую банальным использованием простейших формул. Например, если человек в поезде, движущимся со скоростью 60 км/ч, перемещается со скоростью 5 км/ч в направлении движения поезда, то относительно неподвижного наблюдателя у вокзала, человек в поезде перемещается со скоростью 65 км/ч. Очень просто.

Однако, существовало одно значительное противоречие — свет. Он не подчиняется этим правилам и в любой ИСО двигается с одинаковой скоростью (примерно 300 000 км/сек). То есть, что для наблюдателя у вокзала, что для пассажира поезда, теперь уже с фонарём в руке, свет бы удалялся с одинаковой скоростью, несмотря на то что может казаться, что относительно неподвижного наблюдателя у вокзала, свет бы удалялся с большей скоростью — не 300 000 км/c, а 300 000 + скорость поезда в секунду.

Эйнштейн решает эту проблему в 1905 году и корректирует классические постулаты Галилея:

Какие явления описывает специальная теория относительности?

Релятивистский эффект замедления времени

Представьте, две одинаковые ракеты летят с одинаковой скоростью, одна находится над второй. В какой-то момент времени одна ракета посылает световой сигнал второй. Если вы переместитесь во вторую ракету, относительно вас световой сигнал идёт перпендикулярно, однако относительно неподвижного свидетеля, который наблюдает за ситуацией «в целом», свет пройдёт более длинный путь, как бы по диагонали.

Почему длиннее? Вспоминаем геометрию — гипотенуза всегда длиннее катета. Однако, скорость света одинакова в обоих СО, время вроде бы тоже должно быть одинаково, но S2>S1. Противоречие (на рисунке с — скорость света).

Значит, в СО движущейся ракеты время замедлилось, потому что в этой СО свет прошёл меньшее расстояние. И это действительно так. При скоростях, близких к скоростям света, время замедляется.

Релятивистский эффект сокращения длины

Допустим, ракета двигается со скоростью, составляющей 83 процента от скорости света (примерно 243 000 км/сек), тогда относительно неподвижного наблюдателя, её длина уменьшится в два раза в направлении движения.

То есть если её скорость направлена вдоль оси Х, то длина также сократится вдоль оси Х, оставаясь неизменной вдоль осей Y и Z (другими словами, сократится только длина, или ширина, или высота, в зависимости от ориентации ракеты, но не все параметры сразу).

Кстати, время для этой ракеты замедлится в два раза. Если же мы перейдём в СО ракеты, то длина останется прежней, однако все окружающие её объекты сократятся в два раза.

Звучит всё невероятно. Теория подтвердилась экспериментом только в 1952 году. Есть такие частицы — пионы, время жизни которых составляет 2,6 *10−8 сек, и они двигаются со скоростью света. Если посчитать, какое расстояние пройдёт пион за всю жизнь, двигаясь со скоростью света, то получится, что он пройдёт только 7,5 м.

Однако, установка, которая «плевала» этими пионами, и приёмник находились в 100 метрах друг от друга. То есть, пионы бы не долетели до приёмника без законов СТО. Но если мы подключаем ТО, то время жизни частицы становится в 100 раз больше, то есть она способна пролететь не 7,5 м, а 750 м.

Что же происходит в СО частицы? В СО частицы она также пролетает 7,5 м., однако для неё 100 м. между ней и приёмником превращаются в 1м, согласно эффекту сокращения длины.

Когда статья Эйнштейна о специальной ТО была опубликована, особой огласки она не получила. Эйнштейн думал над тем, как включить гравитацию в свою теорию. На тот момент везде царили законы гравитации Ньютона. Благодаря им открыли Нептун.

Дело в том, что при наблюдении за Ураном выяснили, что при всех силах, которые на него действуют, у Урана должна быть совершенно другая скорость движения. Предположили существование ещё одной планеты за Ураном, которая бы объясняла данное значение скорости. В 1846 году появляется новый телескоп, обнаруживают Нептун, подтверждаются законы Ньютона.

Однако по Ньютону, если мы сдвинем Солнце, произойдёт моментальное изменение силы, с которой Солнце притягивается к другим объектам. Скорость изменения силы бесконечно большая, что противоречит СТО (так как существует максимальное значение скорости, равное скорости света, бесконечной скорости никак не может быть).

Эйнштейн заметил ещё одну вещь: если наблюдатель находится вблизи массивного тела, то чем ближе он к этому телу, тем медленнее течёт его время. Например, в любом доме на Земле время на первом этаже течет медленнее, чем на втором. Правда, разница оказывается очень маленькой:

3*10−16 сек = 0.0000000000000003 сек

Однозначно со временем что-то не так. Эйнштейн решил, что в этом ключ ко всей его теории. Однако, он оказался неправ.

Преподаватель Эйнштейна по математике Герман Минковский, обнаружив его работу, выдвинул свою точку зрения: нет смысла отдельно рассматривать пространство и время, физику необходимо рассматривать в четырёхмерном пространстве.

Для нас странно, что длина объекта сокращается при больших скоростях, однако Минковский считал, что нет никакого сокращения длины в четырёхмерном пространстве, и что просто проекция четырехмерного объекта в трёхмерный начинает изменяться. Четвёртой осью в четырёхмерном пространстве считается время.

Чтобы понять, что такое проекция, вспомните свою тень. Ваше тело находится в трехмёрном пространстве, однако ваша тень — на плоскости, то есть в двумерном пространстве. Она и есть проекция вашего трёхмерного тела на двумерную плоскость.

Тень редко передаёт точные пропорции и размеры человека, соответственно, если события, которые происходят в четырёхмерном пространстве, проектировать на наш, трёхмерный, то появляются искажение, допустим, в виде сокращения длины при скоростях, близких к скоростям света.

Мы реально живём в четырёхмерном пространстве?

И да, и нет. Пространство-время искривлено находящимися в нём массой и энергией. Другие же объекты чувствуют искривление пространства-времени и следуют так, как им указывает пространство.

С 1908 по 1914 Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со СТО. Наконец, в 1915 году он опубликовал ОТО.

Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация — это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределёнными в нём массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривлённым орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривлённом пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими.

Что такое геодезическая линия?

Геодезическая линия — это линия, соответствующая самому короткому пути между двумя точками. Очевидно, что в идеальном двумерном пространстве это просто прямой отрезок, соединяющий две точки. Однако, что будет, если мы начнём поверхность искривлять, добавляя массу, а вместе с ней и энергию? Прямые будут также прогибаться.

В пределах полученной искривлённой плоскости, искривлённая прямая будет уже называться геодезической, и, тем не менее на искривлённой плоскости она будет продолжать соответствовать самому короткому пути.

Допустим, вы совершаете трип по холмистой местности и хотите пройти как можно более короткий путь. У вас есть макет рельефа этой местности. Очень сложно прочертить самый короткий маршрут в этом случае. Но если «сплюснуть» данный рельеф в идеальную плоскость, предварительно отметив начальную и конечную точку, то можно потом просто соединить эти две точки уже в двумерной плоскости — получится прямая; опять искривить плоскость до «холмистой», и вот, пожалуйста — у вас начертанный самый короткий путь.

Например, поверхность Земли — искривлённое двумерное пространство, так как любую координату можно задать долготой и широтой. Поскольку самый короткий путь между двумя аэропортами — по геодезической, диспетчеры всегда задают пилотам именно такой маршрут.

Согласно ОТО, тела всегда перемещаются по прямым в четырёхмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трёхмерном пространстве они движутся по искривлённым траекториям. Понаблюдайте за самолётом над холмистой местностью. Сам он летит по прямой в трёхмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности Земли.

Как это может выглядеть?

На гифке мы видим синее полотно, олицетворяющее плоскость пространства-времени. Когда мы добавляем груз, ткань искривляется: чем массивнее груз, тем больше искривляется ткань.

А запущенные шарики двигаются по эллиптическим орбитам до тех пор, пока по спирали не провалятся. Они олицетворяют планеты Солнечной системы, но планеты не проваливаются, потому что в космосе нет трения, на которое тратится кинетическая энергия шариков при соприкосновении с полотном.

Эйнштейн также «схватился» за нерешённую на тот момент задачу — задачу о смещении перигелия Меркурия. Перигелий — ближайшая к Солнцу точка. Солнце находится в одном из фокусов эллиптической орбиты Меркурия.

Эллиптическая орбита Меркурия поворачивается со временем. По предсказаниям законов гравитации Ньютона, смещение Перигелия должно было составлять 1,28 угловой секунды, но по факту оно составляло 1,38 угловой секунды. (1 угловая секунда = 1/3600 от одного градуса).

Можно было бы списать на погрешность измерений, но погрешность составляла только 0,01 угловой секунды — ошибиться на 0,1 угловой секунды было невозможно. В конце концов, после открытия ОТО из уравнений теории вытекало именно такое значение смещения, которое фактически наблюдалось.

Таким образом, теория подтвердилась экспериментально и это был далеко не первый раз. Теория внесла колоссальный вклад в науку того времени, будучи проигнорированной научным сообществом на своём зародыше, она окончательно сместила Ньютоновскую средневековую физику, на которую уповали все учёные.

Подробнее о следствиях ОТО мы расскажем в следующей статье.

Источник