Існує дві теорії відносності Альберта Ейнштейна:
- Спеціальна теорія відносності (СТО, 1905): суть цієї теорії в тому, що закони фізики однакові для всіх спостерігачів, що не прискорюються, і що швидкість світла у вакуумі не залежить від руху спостерігачів (взагалі нікого, хто є частиною дії/експерименту).
- Загальна теорія відносності (ОТО, 1915): масивні об'єкти викликають спотворення простору-часу, що відчувається гравітацією; прискорення є частиною цієї теорії, яка математично набагато складніша за попередню.
Спеціальна теорія відносності
СТО полягає в тому, що швидкість світла постійна всім. В 1905 Ейнштейн зрозумів це, коли провів експерименти і прийшов до висновку, що швидкість світла не змінюється, коли Земля обертається навколо Сонця.
СТО пояснює, як простір і час пов'язані між собою для об'єктів, що рухаються з постійною швидкістю прямою.
Особлива увага загострюється на об'єктах, що рухаються зі швидкістю світла. Коли об'єкт наближається до швидкості світла, його маса стає нескінченною, і він не може рухатися швидше за світло. Оскільки людство завжди прагнуло подорожей на величезні відстані, це обмеження швидкості було предметом численних дискусій і у фізиці, і в науковій фантастиці.
Своєю теорією вчений представив нову основу для всієї фізики та запропонував нові концепції простору та часу.
Приклад СТО: ви сидите в поїзді (який їде зі швидкістю 100 км/год) і кидаєте тенісний м'яч свого друга (зі швидкістю 10 км/год). З якою швидкістю пролетів м'ячик?
Неможливо дати з упевненістю у відповідь це питання, т.к. відповідь залежить від того, хто спостерігач.
Для вас та людей всередині поїзда тенісний м'ячик пролетів зі швидкістю 10 км/год, але для людей поза поїздом він пролетів зі швидкістю 110 км/год (100+10).
Формула Спеціальної теорії відносності (E = mc²)
У СТО Ейнштейн представив найвідоміше рівняння коли-небудь написаних: E = mc²
Формула Ейнштейна E = mc²
Де:
E – енергія
m – маса
c — швидкість світла (дорівнює приблизно 300 000 км/с).
Наприклад, теоретично, виходячи з цієї формули, енергія, що отримується при повному перетворенні одного кілограма маси, дорівнює 9 x 10^16 джоулів (це 1кг × (300.000.000 м/с)²).
Ця формула встановлює кількісну еквівалентність (рівноцінність) перетворення матерії на енергію і навпаки.
У цьому рівнянні зв'язуються та взаємозамінюються маса та енергія.
Відносність часу у спеціальній теорії відносності
Інтервал часу нерухомої системи (спостерігача) завжди менший від системи, що знаходиться в русі.
Проміжок часу між двома подіями залежить від системи відліку, тому вони (проміжки часу) можуть бути різними. е. проміжок часу є відносним.
Уявіть, що ви спостерігаєте за якимось явищем у космосі. Якщо ви спостерігаєте та заміряєте час:
- перебуваючи на рухається об'єкті (наприклад, знаходитесь на космічному кораблі, що рухається), це будуть одні дані,
- але якщо ви знаходитесь на нерухомому об'єкті (наприклад, ваш космічний корабель не рухається), ви побачите зовсім інші дані – час завершення цієї дії буде значно меншим.
Цей ефект також називається релятивістським уповільненням часу.
Загальна теорія відносності
Після СТО Ейнштейн працював ще 10 років над загальною теорією, що включає прискорення.У цій роботі він визначив, що потужні об'єкти викликають спотворення простору-часу і воно відчувається як гравітація.
ОТО представила концепцію чотиривимірності світу (або просторово-часовий континуум): 3 просторові виміри (довжина, ширина, висота) та час. ОТО застосовується до всіх систем відліку, тоді як СТО застосовувалася лише до тих, хто рухається з постійною швидкістю відносно один одного. ОТО (загальна) включає СТО (спеціальну).
Приклад ОТО: ви знаходитесь в ліфті, що падає, ви будете вільно парити в цьому ліфті, т.к. падаєте разом із цим ліфтом (вільне падіння). Інша ситуація: ви знаходитесь всередині ракети і ширяєте в невагомості далеко від джерел гравітації. Якщо ракета почне рух, то ви опуститеся у бік, протилежний руху ракети (якщо вона полетить нагору, то ви впадете вниз).
Існує еквівалент між прискореним рухом та гравітаційним тяжінням; тобто. ОТО стверджує, що прискорення дуже схоже на гравітаційне поле.
Чим відрізняється спеціальна теорія відносності загальної теорії відносності?
- Спеціальна теорія відносності (СТО була створена в 1905 році): існують одні й самі закони природи для всіх систем відліку, які рухаються з постійною швидкістю; ця теорія досліджує фізичні процеси тіл, що рівномірно рухаються.
- Загальна теорія відносності (ОТО було створено 1915 року): той самий принцип, що з спеціальної, але включаючи будь-які системи відліку навіть ті, що рухаються з прискоренням; ця теорія досліджує ті тіла, що прискорюються, і описує виникнення гравітації.
Система відліку — це сукупність тіла відліку, системи координат та відліку часу (вони пов'язані з тілом, і щодо нього розглядається рух чи рівновага інших тіл чи точок).
Рух тіл та матерії повинен знаходитись у межах параметрів часу та простору.
Принцип відносності Галілея
Цей принцип говорить: у всіх інерційних системах відліку всі механічні явища протікають однаково. Був встановлений великим італійським вченим Галілеєм у 1636 році.
Дізнайтеся також про Теорію струн та Фотон.
Дата поновлення 26/03/2021.
Два дослідники з Університету штату Північна Кароліна створили теорію простору-часу на основі сучасних математичних побудов. За їхніми словами, вона пояснює устрій світу краще, ніж перевірена сотнею років експериментів та заперечень теорія відносності. Розповідаємо докладніше, що це означає.
Читайте «Хайтек» у
Загальна теорія відносності та спеціальна теорія відносності
Теорія відносності» – це узагальнений термін, який використовується для двох різних класів теорій, даних Альбертом Ейнштейном, а саме спеціальної відносності та загальної відносності. Загальна теорія відносності була спочатку опублікована Альбертом Ейнштейном у 1915 році. До загальної теорії відносності вважалося, що гравітація – це "сила", яка діє між об'єктами, що мають масу. Проте загальна теорія відносності Ейнштейна змінила цей погляд гравітацію. Відповідно до загальної теорії відносності наш Всесвіт складається з 3 просторових вимірів + 1 тимчасовий вимір.Разом ці виміри утворюють чотиривимірний континуум, відомий як тканина простору-часу. Об'єкти, що мають масу, виробляють викривлення в тканині простору-часу. Ця кривизна простору-часу є відповідальною за гравітацію.
Загальна теорія відносності
Загальна теорія відносності визначає гравітацію як кривизну простору-часу. Загальна теорія відносності передбачала існування чорних дірок та його властивості ще до того, як вони були відкриті. Загальна теорія відносності ґрунтується на польових рівняннях Ейнштейна, які є нелінійними та дуже важкими для вирішення. Відповідно до загальної теорії відносності, об'єкти, що мають масу, згинають тканину простору-часу. Чим більша маса, тим більше вигин. Загальна теорія відносності призводить до низки наслідків, які обговорюються нижче.
Класична теорія тяжіння Ньютона ґрунтується на понятті сили тяжіння, яка є дальнодіючою силою: вона діє миттєво на будь-якій відстані. Цей миттєвий характер дії несумісний із поняттям поля у сучасній фізиці. Теоретично відносності ніяке взаємодія неспроможна поширитися швидше швидкості світла у вакуумі.
У нерелятивістській механіці існує два поняття маси: перше відноситься до другого закону Ньютона, а друге – до закону всесвітнього тяжіння.
Перша маса – інертна (або інерційна) – є відношення негравітаційної сили, що діє на тіло, на його прискорення. Друга маса – гравітаційна – визначає силу тяжіння тіла іншими тілами та його власну силу тяжіння.
Ці дві маси вимірюються, як видно з опису, в різних експериментах, тому зовсім не повинні бути пов'язаними, а тим більше пропорційними один одному. Однак їх експериментально встановлена строга пропорційність дозволяє говорити про єдину масу тіла як у негравітаційних, так і гравітаційних взаємодіях. Відповідним вибором одиниць можна зробити ці маси рівними одна одній.
Якщо гравітаційна маса точно дорівнює інерційної, то у виразі для прискорення тіла, на яке діють лише гравітаційні сили, обидві маси скорочуються. Тому прискорення тіла, а отже, і його траєкторія не залежить від маси та внутрішньої будови тіла. Якщо ж всі тіла в одній і тій точці простору отримують однакове прискорення, то це прискорення можна пов'язати не з властивостями тіл, а з властивостями самого простору в цій точці.
Якщо запустити з двох близьких точок два тіла паралельно одне одному, то гравітаційному полі вони поступово почнуть або зближуватися, або віддалятися друг від друга. Цей ефект називається девіацією геодезичних ліній.
Аналогічний ефект можна спостерігати безпосередньо, якщо запустити дві кульки паралельно один одному по гумовій мембрані, яку в центр покладено масивний предмет. Кульки розійдуться: та, яка була ближчою до предмета, що продавлює мембрану, прагнутиме до центру сильніше, ніж більш віддалену кульку. Ця розбіжність (девіація) обумовлена кривизною мембрани.
Основною відмінністю простору-часу ВТО від простору-часу СТО є його кривизна, яка виражається тензорною величиною – тензором кривизни. У просторі-часі СТО цей тензор тотожно дорівнює нулю і простір-час є плоским.
З цієї причини не зовсім коректною є назва «загальна теорія відносності». Ця теорія є лише однією з низки теорій гравітації, що розглядаються фізиками в даний час, у той час як спеціальна теорія відносності (точніше, її принцип метричності простору-часу) є загальноприйнятою науковою спільнотою і складає наріжний камінь базису сучасної фізики.
Жодна з інших розвинених теорій гравітації, крім ОТО, не витримала перевірки часом та експериментом, тобто всі вони, крім ОТО, залишилися лише гіпотезами.
Спеціальна теорія відносності (СТО)
Перш ніж йти далі, потрібно спочатку зрозуміти, що рух щодо. Наприклад, уявіть, що ви стоїте на пішохідній доріжці і бачите автобус, що проїжджає по дорозі, з деякою постійною швидкістю «v».
Тепер для людей в автобусі кожен з них відпочиває один до одного. Але для вас усі вони рухаються разом із автобусом із деякою швидкістю «v». Людина, яка здається спостерігачеві нерухомою в одній системі відліку, не обов'язково може здатися нерухомою іншому спостерігачеві в іншій системі відліку — отже, рух не абсолютний, а відносний.
У СТО постулюється можливість визначення єдиного часу у межах даної інерційної системи відліку процедурою синхронізації двох годин, що у довільних точках ІСО (інерційної системи звіту).
Щоб вимірювання, виконані в різних ІСО, можна було порівнювати між собою, необхідно провести узгодження одиниць вимірювання між системами відліку.Так, одиниці довжини можуть бути узгоджені за допомогою порівняння еталонів довжини в перпендикулярному напрямку відносного руху інерційних систем відліку.
Наприклад, це може бути найкоротша відстань між траєкторіями двох частинок, що рухаються паралельно осям x і x' і мають різні, але постійні координати (y, z) і (y',z'). Для узгодження одиниць вимірювання часу можна використовувати ідентично влаштований годинник, наприклад, атомний.
Закони природи однакові у всіх системах координат, що рухаються прямолінійно та рівномірно один щодо одного. Це означає, що форма залежність фізичних законів від просторово-часових координат має бути однаковою у всіх ІСО, тобто закони інваріантні щодо переходів між ІСО. Принцип відносності встановлює рівноправність всіх ISO.
Враховуючи другий закон Ньютона, можна стверджувати, що й швидкість деякого тіла у цій ІСО постійна (прискорення дорівнює нулю), вона повинна бути постійна й у всіх інших ИСО. Іноді це приймають за визначення інерційних систем відліку.
Принцип сталості швидкості світла суперечить класичної механіки, саме — закону складання швидкостей. При виведенні останнього використовується лише принцип відносності Галілея та неявне припущення однакового часу у всіх ІСО.
Таким чином, із справедливості другого постулату випливає, що час має бути відносним – неоднаковим у різних ІСО. Необхідно звідси випливає і те, що «відстань» також має бути відносним.Справді, якщо світло проходить відстань між двома точками за деякий час, а в іншій системі — за інший час і до того ж з тією ж швидкістю, то звідси випливає, що й відстань у цій системі має відрізнятися.
У чому суть нової «теорії всього»?
Сформулювали нову теорію два професори машинобудування з NC State University: Ларрі Сільверберг (Larry M. Silverberg) та Джеффрі Айшен (Jeffrey W. Eischen). Результати роботи та створений ними математичний апарат вони опублікували у журналі Physics Essays.
Для опису взаємодії матерії, простору та часу американські вчені запровадили поняття «фрагмент енергії». За їхнім уявленням, це основна і неподільна структура, з якої складається весь відомий нам Всесвіт — від субатомних частинок до зірок та галактик.
Сільверберг та Айшен пропонують зробити наступний крок у пізнанні світу людством. За їхніми словами, на нинішньому рівні у фізиці існує дихотомія хвилі та частки. Остання — елемент матерії — існує у конкретній точці простору. Тоді як хвиля існує скрізь, крім точки, з якої було випущено.
«Фрагменти енергії» поєднують ці дві сутності. На думку авторів статті, енергія завжди «протікає» через сферу простору та часу. Ці потоки ніде не починаються і закінчуються, і навіть ніколи не перетинаються.
Ідея потоків, які отримали назву «фрагменти енергії», виникла при спробі математичного опису енергії, що нескінченно перетікає. В основу теорії лягла найефективніша модель. Потоки у ній визначаються простим рівнянням A=-⍺/r, де ⍺ — інтенсивність, а r — функція відстані.
Як доказ Джеффрі і Ларрі застосували свої побудови до двох найбільш відомих підтверджень теорії Ейнштейна. Йдеться про обчислення аномальної прецесії перигелія Меркурія і гравітаційне відхилення світла.
Аномальне зміщення перигелію Меркурія – Виявлена в 1859 особливість руху планети Меркурій, що зіграла виняткову роль в історії фізики. Це усунення виявилося першим рухом небесного тіла, яке підкорялося ньютонівському закону всесвітнього тяжіння. Фізики були поставлені перед необхідністю шукати шляхи модифікувати чи узагальнити теорію тяжіння.
Пошуки увінчалися успіхом 1915 року, коли Альберт Ейнштейн розробив загальну теорію відносності (ОТО); з рівнянь ВТО випливало саме таке значення усунення, яке фактично спостерігалося. Пізніше було виміряно аналогічні усунення орбіт кількох інших небесних тіл, значення яких також збіглися з передбаченими ОТО.
Гравітаційне відхилення світла – Зміна напряму поширення світла в гравітаційному полі. Є наслідком принципу еквівалентності. Вперше було обчислено О. Ейнштейном у 1916 році. Важливим наслідком гравітаційного відхилення світла ефект гравітаційного лінзування в астрономії.
Нова теорія простіше та зручніше?
Отримані з урахуванням «фрагментів енергії», результати збіглися з такими в рамках теорії відносності. Чи були вони простішими, не уточнюється.
Оцінка світової наукової спільноти
Оскільки у відкритому доступі є лише короткий виклад теорії, важко судити, наскільки теорія Сільверберга та Айшена витримує критику.Есе за авторством Ларрі розміщено на порталі The Conversation, і в ньому наведено лише два наочні докази.
Якщо робота американських вчених приверне достатню увагу наукового співтовариства, можливо виникне дискусія. У ході її стане зрозуміло, наскільки нова теорія корисна для науки, чи не надмірна вона, чи не містяться в ній фундаментальні недоліки.
Читати далі:
Теорія відносності була представлена Альбертом Ейнштейном на початку 20 століття. У чому полягає її суть? Розглянемо основні моменти та зрозумілою мовою охарактеризуємо ТОЕ.
Теорія відносності практично ліквідувала нестикування і протиріччя фізики 20-го століття, змусила докорінно поміняти уявлення про структуру простору-часу та експериментально підтвердилася у численних дослідах та дослідженнях.
Таким чином, ТОЕ лягла основою всіх сучасних фундаментальних фізичних теорій. По суті, це мама сучасної фізики!
Для початку варто відзначити, що існує 2 теорії відносності:
Спеціальна теорія відносності (СТО) – розглядає фізичні процеси в об'єктів, що рівномірно рухаються.
Загальна теорія відносності (ОТО) – описує об'єкти, що прискорюються, і пояснює походження такого явища як гравітація та існування частинок гравітонів.
Зрозуміло, що СТО з'явилася раніше і по суті є частиною ОТО. Про неї і поговоримо насамперед.
СТО простими словами
В основі теорії лежить принцип відносності, згідно з яким будь-які закони природи однакові відносно нерухомих і тіл, що рухаються з постійною швидкістю.І з такої начебто простої думки випливає, що швидкість світла (300 000 м/с у вакуумі) однакова для всіх тіл.
Наприклад, уявіть, що вам подарували космічний корабель з далекого майбутнього, який може літати з величезною швидкістю.
Щодо корабля такі частинки летять зі швидкістю світла, проте щодо нерухомого спостерігача вони, здавалося б, повинні летіти швидше, оскільки обидві швидкості підсумовуються.
Однак насправді цього не відбувається! Сторонній спостерігач бачить фотони, що летять 300 000 м/с, начебто швидкість космічного корабля до них не додавалася.
Потрібно запам'ятати: щодо будь-якого тіла швидкість світла буде незмінною величиною, як швидко воно не рухалося.
З цього випливають приголомшливі уяви висновки на кшталт уповільнення часу, поздовжньому скороченні та залежності маси тіла від швидкості.
Суть загальної теорії відносності.
Щоб краще її зрозуміти, нам потрібно знову об'єднати два факти:
Ми живемо у чотиривимірному просторі
Простір і час – це прояви однієї й тієї ж сутності під назвою «просторово-часовий континуум».
Ми, люди, не в змозі сприймати 4 виміри однаково.
Що цікаво, теорія відносності не стверджує, що тіла змінюються при русі.І ми це сприймаємо як уповільнення часу, скорочення розмірів тощо. буд.
Усі тіла падають із постійною швидкістю, а не розганяються
Давайте проведемо страшний уявний експеримент. Уявіть, що ви їдете у закритій кабіні ліфта та перебуваєте у стані невагомості.
Така ситуація могла виникнути лише з двох причин: або ви перебуваєте в космосі, або вільно падаєте разом із кабіною під дією земної гравітації.
Не виглядаючи з кабінки, абсолютно неможливо відрізнити ці два випадки. Просто в одному випадку ви летить рівномірно, а в іншому з прискоренням. Вам доведеться вгадувати!
Можливо, сам Альберт Ейнштейн розмірковував над уявним ліфтом, і в нього з'явилася одна приголомшлива думка: якщо ці два випадки неможливо відрізнити, то падіння за рахунок гравітації теж є рівномірним рухом. Просто рівномірним рух є у чотиривимірному просторі-часі, але за наявності масивних тіл (наприклад, планет Сонячної системи) він викривляється і рівномірний рух проектується у звичайний нам тривимірний простір у вигляді прискореного руху
Давайте розглянемо ще один простіший, хоч і не зовсім коректний приклад викривлення двовимірного простору.
Можна уявляти, що будь-яке масивне тіло під собою створює певну образну вирву. Тоді інші тіла, що пролітають повз, не зможуть продовжити свій рух прямою і змінять свою траєкторію згідно з вигинами викривленого простору.
До речі, якщо у тіла не так багато енергії, його рух взагалі може виявитися замкнутим.
Варто зазначити, що з точки зору тіл, що рухаються, вони продовжують переміщатися по прямій, адже не відчувають нічого такого, що змушує їх повернути.Просто вони потрапили у викривлений простір і самі того, не усвідомлюючи, мають непрямолинійну траєкторію.
Потрібно звернути увагу, що викривляється 4 виміри, у тому числі й час, тому до цієї аналогії варто ставитись обережно.
Таким чином, у загальній теорії відносності гравітація – це взагалі не сила, а лише наслідок викривлення простору-часу. На даний момент ця теорія є робочою версією походження гравітації та чудово узгоджується з експериментами.
Дивовижні наслідки ОТО
Світлові промені можуть викривлятися, пролітаючи поблизу масивних тіл. Справді, у космосі знайдено далекі об'єкти, які «ховаються» за іншими, але світлові промені їх огинають, завдяки чому світло доходить до нас.
Згідно з ВТО чим сильніша гравітація, тим повільніше протікає час. Цей факт обов'язково враховується при роботі GPS і ГЛОНАСС, адже на їх супутниках встановлений найточніший атомний годинник, який цокає трохи швидше, ніж на Землі. Якщо цього факту не враховувати, то вже за добу похибка координат становитиме 10 км.
Саме завдяки Альберту Ейнштейну ви можете зрозуміти, де поблизу розташована бібліотека або магазин.
І, нарешті, ВТО передбачає існування чорних дірок, навколо яких гравітація настільки сильна, що час поблизу просто зупиняється. Тому світло, що потрапило в чорну дірку, не може її покинути (відбитися).
У центрі чорної діри через колосальне гравітаційне стискування утворюється об'єкт із нескінченно великою щільністю, а такого, начебто, бути не може.
Таким чином, ОТО може призводити до суперечливих висновків на відміну від Спеціальної теорії відносності, тому основна маса фізиків не прийняла її повністю і продовжила шукати альтернативу.
Але багато їй і вдається пророкувати вдало, наприклад недавнє сенсаційне відкриття гравітаційних хвиль підтвердило теорію відносності і змусило знову згадати великого вченого з висунутим мовою. Любіть науку, читайте ВікіНауку.