Specijalna teorija relativnosti . Specijalna teorija relativnosti (STR), koju je objavio Ajnštajn 1905. godine, opisuje relativističke procese i pojave i manifestuje se pri brzinama bliskim brzini svetlosti. Da bi stvorio SRT, Ajnštajn je usvojio dva postulata: 1) brzina svjetlosti u svim inercijalnim referentnim okvirima ostaje konstantna; 2) zakoni prirode u svim inercijalnim referentnim okvirima su invarijantni (isti). Osim toga, primijenio je transformacije holandskog teoretskog fizičara Hendrik Lorenz.

Odnos između prostora i vremena očituje se u četverodimenzionalnom prostor-vremenu. Ovaj odnos se jasno odražava u formuli za udaljenost (s) između dva događaja u četvorodimenzionalni prostor:

gdje je vrijeme, ∆ℓ je udaljenost između dvije tačke u trodimenzionalni prostor.

Konverzija Lorenz sadrži i odnos između prostora i vremena u obliku odnosa između koordinata nepomičnog (K) i pogonskog (K 1) referentnih sistema x 1 = γּ(x─ ) i t 1 = γּ(t─ ), gdje γ = 1/- zvao relativistički koeficijent. Lorentz je pronašao izraze za γ zasnovane na linearnosti transformacije i konstantnosti brzine svjetlosti u pokretnim (K 1) i nepokretnim (K) referentnim sistemima.

Koristeći Lorentzovu transformaciju, Ajnštajn je stvorio opštu relativnost, prema kojoj je dužina tela koje se kreće opada u zakonu:

Masa tijela koje se kreće brzinom će se povećati u zakonu:

Vremenski tok pomičnog sata usporava u zakonu:

τ = τ 0 ּ ,

Sljedeći primjer jasnije pokazuje usporavanje vremena pri kretanju velikom brzinom. Recimo da je svemirski brod lansiran brzinom od 0,99 km/s i vratio se nakon 50 godina. Prema STO, prema satu astronauta, ovaj let je trajao samo godinu dana. Ako astronaut sa 20 godina ostavi tek rođenog sina na Zemlji, onda će 50-godišnji sin upoznati svog 21-godišnjeg oca.

SRT je dobio sljedeću zamjensku formulu zakon zbrajanja brzina:

1 = ( +u)/(1+ u/c 2) ,

ako se tijelo kreće brzinom svjetlosti =s. a referentni okvir se kreće brzinom svjetlosti u= c, tada dobijamo: 1 = With. Posljedično, brzina svjetlosti je ostala konstantna, bez obzira na brzinu referentnog okvira.

Opća teorija relativnosti . U referentnim sistemima koji se kreću ubrzano, ni princip inercije ni zakoni mehanike nisu zadovoljeni. Postojala je potreba za stvaranjem teorije koja opisuje kretanje tijela u neinercijalnim referentnim sistemima. Ajnštajn je ovaj zadatak izvršio kada je stvarao opšta teorija relativnosti(OTO).

IN GTR Einstein proširuje princip relativnosti na neinercijalne referentne okvire. On pretpostavlja da su gravitaciona i inercijska masa tijela ekvivalentne. Davne 1890. godine mađarski fizičar L. Eotvos ekvivalentnost gravitacione i inercijalne mase tela do 10 -9 potvrđena je sa velikom preciznošću. Ova izjava o ekvivalenciji gravitacione i inercijalne mase bila je osnova opšte teorije relativnosti.

Opšta relativnost je pokazala da je prostor oko masene koncentracije, uvrnut i ima karakter Riemanovog prostora. Opća teorija relativnosti zamjenjuje Newtonov zakon univerzalne gravitacije Ajnštajnovim relativističkim zakonom gravitacije, iz kojeg slijedi Newtonov zakon u određenom slučaju. Godine 1919. i 1922 proučavan tokom pomračenja Sunca otklon snopa, koji dolazi od udaljenih zvijezda, iz pravosti u gravitacionom polju Sunca. Eksperimenti su pokazali zakrivljenost prostora blizu Sunca i time dokazao ispravnost opšte teorije relativnosti.

Opšta teorija relativnosti opisuje relativističke zakone gravitacije kao uticaj materije na svojstva prostora i vremena. A svojstva prostora i vremena utječu na fizičke procese koji se u njima odvijaju. Zbog toga se kretanje materijalne tačke u četvorodimenzionalnom prostoru dešava duž geodetske linije zakrivljenog prostora. Prema tome, jednadžba kretanja materijalne tačke opisuje geodetsku liniju zakrivljenog prostora. Einstein je pronašao ovu jednačinu. Sastoji se od 10 jednadžbi. U ovim jednačinama, gravitaciono polje je opisano pomoću 10 potencijala polja. Matematički aparat opšte relativnosti je složen gotovo svi problemi koji se odnose na opštu relativnost, osim onih najjednostavnijih. Stoga naučnici još uvijek pokušavaju razumjeti značenje opšte teorije relativnosti.

Newtonov rad je primjer velike naučne revolucije, radikalne promjene u gotovo svim naučnim idejama u prirodnim naukama. Od vremena Njutna, paradigma klasične fizike je nastala i postala glavni i određujući sistem gledišta u nauci skoro 250 godina.

Njutnovi sljedbenici počeli su smisleno usavršavati konstante koje je otkrio. Postepeno su počele da se formiraju naučne škole, uspostavljene su metode posmatranja i analize i klasifikacija različitih prirodnih pojava. Instrumenti i naučna oprema počeli su da se proizvode na fabrički način. Počele su izlaziti periodične publikacije u mnogim granama prirodnih nauka. Nauka je postala najvažnija grana ljudske djelatnosti.

Dakle, Njutnova mehanika i kosmologija uspostavile su se kao osnova novog pogleda na svet, zamenjujući Aristotelova učenja i srednjovekovne sholastičke konstrukcije koje su dominirale više od hiljadu godina.

Međutim, do kraja 19. stoljeća počele su se pojavljivati ​​činjenice koje su bile u suprotnosti s dominantnom paradigmom. A glavne nedosljednosti ponovo su uočene u fizici, najdinamičnijoj nauci u to vrijeme.

Klasičan primjer ove situacije je izjava Lorda Kelvina (William Thomson), koji je na samom kraju 19. stoljeća primijetio da su „na vedrom i blistavom nebu klasične fizike tih godina postojala samo dva mala oblaka“. Jedan od njih je povezan s negativnim rezultatom Michelsonovog eksperimenta za određivanje apsolutne brzine Zemlje, drugi je s kontradikcijom između teorijskih i eksperimentalnih podataka o raspodjeli energije u spektru apsolutnog crnog tijela.

Kelvin je pokazao izuzetan uvid. Ovi neriješeni problemi doveli su do pojave i Einsteinove teorije relativnosti i kvantne teorije, koje su činile osnovu nove paradigme prirodnih znanosti.

Također se može primijetiti da korištenje klasične Newtonove fizike nije omogućilo da se orbita Merkura precizno izračuna, a Maxwellove jednačine elektrodinamike nisu odgovarale klasičnim zakonima kretanja.

Preduslov za stvaranje teorije relativnosti bile su upravo pomenute kontradikcije. Njihovo rješavanje postalo je moguće uvođenjem novog relativističkog pristupa u prirodne nauke.

Ono što obično nije jasno shvaćeno je činjenica da se opšta želja za relativnim (ili relativističkim) pristupom fizičkim zakonima počela javljati u vrlo ranoj fazi razvoja moderne nauke. Počevši od Aristotela, naučnici su Zemlju smatrali centralnom tačkom svemira, a početni trenutak vremena uzet je kao početni poticaj koji je pokrenuo prvobitnu materiju. Aristotelove ideje su bile prihvaćene kao apsolut u srednjovekovnoj svesti, ali su već krajem 15. veka došle u sukob sa posmatranim prirodnim pojavama. Posebno se mnogo nedosljednosti nakupilo u astronomiji.

Prvi ozbiljan pokušaj da se razriješe kontradikcije učinio je Kopernik, jednostavno prihvativši da se planete kreću oko Sunca, a ne oko Zemlje. Odnosno, po prvi put je uklonio Zemlju iz centra Univerzuma i lišio prostor njegove početne tačke. Ovo je, zapravo, bio početak odlučnog restrukturiranja cjelokupnog ljudskog mišljenja. Iako je Kopernik postavio Sunce u ovo središte, ipak je napravio veliki korak ka tome da kasnije ljudi shvate da čak i Sunce može biti samo jedna od mnogih zvezda i da se centar uopšte ne može naći. Tada se, prirodno, pojavila slična misao o vremenu, i Univerzum se počeo posmatrati kao beskonačan i vječan, bez ikakvog trenutka stvaranja i bez ikakvog „kraja“ prema kojem se kreće.

Upravo ta tranzicija dovodi do nastanka teorije relativnosti. Budući da nema povlaštenih položaja u prostoru i povlaštenih trenutaka u vremenu, onda se fizički zakoni mogu podjednako primijeniti na bilo koju tačku uzetu kao centar, a iz njih će proizaći isti zaključci. U tom pogledu situacija je suštinski drugačija od one koja se dešava u Aristotelovoj teoriji, gde je, na primer, centru Zemlje dodeljena posebna uloga kao tačka ka kojoj teži sva materija. Težnja ka relativizaciji kasnije se odrazila u zakonima Galilea i Newtona

Galileo je izrazio ideju da je kretanje relativno po prirodi. To jest, jednoliko i pravolinijsko kretanje tijela može se odrediti samo u odnosu na objekt koji ne učestvuje u takvom kretanju.

Zamislimo mentalno da jedan voz prolazi pored drugog konstantnom brzinom i bez trzaja. Štaviše, zavjese su zatvorene i ništa se ne vidi. Mogu li putnici reći koji se voz kreće, a koji miruje? Oni mogu posmatrati samo relativno kretanje. Ovo je glavna ideja klasičnog principa relativnosti.

Otkriće principa relativnosti kretanja jedno je od najvećih otkrića. Bez njega razvoj fizike bio bi nemoguć. Prema Galileovoj hipotezi, inercijalno kretanje i mirovanje se ne razlikuju po svojim efektima na materijalna tijela. Da bi se prešlo na opis događaja u pokretnom referentnom okviru, bilo je potrebno izvršiti koordinatne transformacije tzv. "Galilejeve transformacije", nazvan po njihovom autoru.

Uzmimo, na primjer, neki koordinatni sistem X, povezan sa fiksnim referentnim sistemom. Zamislimo sada objekat koji se kreće duž ose X konstantnom brzinom v. Koordinate X " , t", uzeti u odnosu na ovaj objekt, tada su određeni Galilejevom transformacijom

x" = x - ut
y" = y
z" = z
t" = t

Posebno je vrijedna pažnje treća jednačina ( t" = t) prema kojem takt ne zavisi od relativnog kretanja. Isti zakon se primjenjuje iu starom iu novom referentnom okviru. Ovo je ograničeni princip relativnosti. Ovo kažemo zato što su zakoni mehanike izraženi istim odnosima u svim referentnim sistemima koji su međusobno povezani Galilejevim transformacijama.

Prema Newtonu, koji je razvio Galileovu ideju o relativnosti kretanja, svi fizički eksperimenti izvedeni u laboratoriju koji se kreće jednoliko i pravolinijski (inercijski referentni okvir) dat će isti rezultat kao da miruje.

Kao što je ranije spomenuto, uprkos uspjesima klasične fizike tih godina, nakupile su se neke činjenice koje joj proturječe.

Ovi novi podaci, otkriveni u 19. veku, doveli su do Ajnštajnovog relativističkog koncepta.

Revolucija u fizici započela je Roemerovim otkrićem. Ispostavilo se da je brzina svjetlosti konačna i jednaka približno 300.000 km/sec. Bradry je tada otkrio fenomen zvjezdane aberacije. Na osnovu ovih otkrića ustanovljeno je da je brzina svjetlosti u vakuumu konstantna i da ne ovisi o kretanju izvora i prijemnika.

Kolosalna, ali ipak ne beskonačna brzina svjetlosti u praznini dovela je do sukoba s principom relativnosti kretanja. Zamislimo da se voz kreće ogromnom brzinom - 240.000 kilometara u sekundi. Budimo na čelu voza, a na repu se upali sijalica. Razmislimo o tome kakvi bi mogli biti rezultati mjerenja vremena potrebnog svjetlosti da putuje od jednog do drugog kraja voza.

Ovaj put će, čini se, biti drugačiji od onog u koji uđemo u voz koji miruje. U stvari, u odnosu na voz koji se kreće brzinom od 240.000 kilometara u sekundi, svetlost bi imala brzinu (napred duž voza) od samo 300.000 - 240.000 = 60.000 kilometara u sekundi. Čini se da svjetlo sustiže prednji zid glavnog automobila koji bježi od njega. Ako postavite sijalicu na čelo voza i izmjerite vrijeme koje je potrebno svjetlosti da stigne do posljednjeg vagona, tada bi se činilo da bi brzina svjetlosti u smjeru suprotnom od kretanja voza trebala biti 240 000 + 300.000 = 540.000 kilometara u sekundi (Svjetlo i zadnji automobil se kreću jedno prema drugom).

Dakle, ispada da bi se u vozu u pokretu svjetlost morala širiti u različitim smjerovima različitim brzinama, dok je u vozu koji miruje ta brzina ista u oba smjera.

Iz tog razloga, pod Galilejevim transformacijama, Maxwellove jednadžbe za elektromagnetno polje nemaju nepromjenjiv oblik. Oni opisuju širenje svjetlosti i drugih vrsta elektromagnetnog zračenja koje imaju brzine jednake brzini svjetlosti C. Da bi se proturječnost riješila u okviru klasične fizike, bilo je potrebno pronaći privilegirani referentni okvir u kojem bi Maxwellove jednadžbe bile tačno zadovoljan, a brzina svjetlosti bi bila jednaka C u svim smjerovima. Stoga su fizičari 19. stoljeća postulirali postojanje etra, čija se uloga zapravo svela na stvaranje fizičke osnove za tako privilegirani referentni okvir.

Eksperimenti su izvedeni kako bi se odredila brzina kretanja Zemlje kroz etar (poput Michelson-Morleyevog eksperimenta). Da bi se to postiglo, snop svjetlosti iz izvora, koji prolazi kroz prizmu, podijeljen je u smjeru kretanja Zemlje i okomito na njega. Prema idejama, ako su brzine iste, oba zraka će stići do prizme istovremeno i intenzitet svjetlosti će se povećati. Ako su brzine različite, intenzitet svjetlosti će oslabiti. Rezultat eksperimenta bio je nula, bilo je nemoguće odrediti brzinu Zemlje u odnosu na eter.

Kada eksperimenti nisu potvrdili predviđanja jednostavne teorije etra o svojstvima ovog referentnog sistema, H. Lorentz je, opet sa ciljem spasavanja klasične fizike, predložio novu teoriju koja je objasnila negativne rezultate takvih eksperimenata kao npr. posledica promena koje se dešavaju u mernim instrumentima kada se kreću u odnosu na etar. Nesklad između rezultata posmatranja i Newtonovih zakona objasnio je promjenama koje se javljaju kod instrumenata kada se kreću brzinama blizu C.

Lorentz je sugerirao da se pri kretanju brzinama bliskim brzini svjetlosti ne mogu koristiti Galilejeve transformacije, jer ne uzimaju u obzir učinak velikih brzina. Njegove transformacije, za brzine bliske brzini svjetlosti, nazivaju se "Lorentzove transformacije". Galilejeve transformacije su poseban slučaj Lorentz transformacije za sisteme sa malim brzinama.

Lorentzove transformacije imaju oblik:

U skladu sa Lorentz transformacijama, fizičke veličine - masa tijela, njegova dužina u smjeru kretanja i vrijeme zavise od brzina kretanja tijela prema sljedećim odnosima:

	Gdje M- tjelesna masa	Značenje ovih Lorentzovih transformacija kaže: povećanje telesne težine brzinom blizu svetlosti smanjenje dužine tijela pri kretanju u smjeru koji se poklapa s vektorom brzine povećanje vremena između dva događaja ili usporavanje vremena
	Gdje L- dužina tela
	Gdje ∆t – vremenski interval između dva događaja

Pokušavajući pronaći fizičko značenje obrazaca koje je otkrio Lorentz, možemo pretpostaviti da su u smjeru x, koji se poklapa s vektorom brzine, sva tijela komprimirana, a što je veća to je veća brzina njihovog kretanja. To jest, tijela doživljavaju kontrakciju zbog spljoštenja orbita elektrona. Kada se dostignu podsvetlosne brzine, možemo govoriti o dilataciji vremena u sistemu koji se kreće. Na ovom principu se zasniva dobro poznati paradoks blizanaca. Ako jedan od blizanaca krene na svemirsko putovanje na period od pet godina na brodu brzinom ispod svjetlosti, tada će se vratiti na Zemlju kada njegov brat blizanac bude već veoma stara osoba. Učinak povećanja mase na objekt koji se kreće brzinom blizu brzini svjetlosti može se objasniti povećanjem kinetičke energije tijela koje se brzo kreće. U skladu sa Ajnštajnovim idejama o istovetnosti mase i energije, deo kinetičke energije tela se tokom kretanja pretvara u njegovu masu.

Ako Lorentzove transformacije primijenimo na Maxwellove jednadžbe elektrodinamike, ispada da su one invarijantne prema takvim transformacijama.

Einstein je koristio Lorentzove transformacije da razvije svoju teoriju relativnosti.

Prostor i vrijeme

Važan preduslov za stvaranje teorije relativnosti bile su nove ideje o svojstvima prostora i vremena.

U običnoj svijesti, vrijeme se sastoji od objektivno postojeće prirodne koordinacije uzastopnih pojava. Prostorne karakteristike su položaji nekih tijela u odnosu na druga i udaljenosti između njih.

U Njutnovom teorijskom sistemu jasno je formulisan prvi naučni koncept vremena kao objektivnog, nezavisnog entiteta – supstancijalni koncept vremena. Ovaj koncept potiče od drevnih atomista i cvjeta u Newtonovoj doktrini apsolutnog prostora i vremena. Nakon Njutna, ovaj koncept je bio vodeći u fizici do početka dvadesetog veka. Newton je zauzeo dvostruki pristup definiranju vremena i prostora. Prema ovom pristupu, postoji i apsolutno i relativno vrijeme.

Apsolutno, istinito i matematičko vrijeme samo po sebi, bez ikakve veze s bilo čim vanjskim, teče jednoliko i naziva se trajanjem.

Relativno, prividno ili obično vrijeme je mjera trajanja koja se koristi u svakodnevnom životu umjesto matematičkog vremena - to je sat, mjesec, godina itd.

Apsolutno vrijeme se ne može promijeniti u svom toku.

Na svakodnevnom nivou moguć je sistem brojanja dužih vremenskih perioda. Ako predviđa redoslijed brojanja dana u godini i u njemu je naznačena era, onda je to kalendar.

Relacijski koncept vremena je star koliko i supstancijalni koncept. Razvijen je u djelima Platona i Aristotela. Aristotel je prvi dao detaljnu ideju o ovom konceptu vremena u svojoj Fizici. U ovom konceptu, vrijeme nije nešto što postoji nezavisno, već je nešto izvedeno iz fundamentalnijeg entiteta. Za Platona je vrijeme stvorio Bog, za Aristotela ono je rezultat objektivnog materijalnog kretanja. U filozofiji modernog doba, počevši od Descartesa pa do pozitivista 19. stoljeća, vrijeme je svojstvo ili odnos koji izražava različite aspekte aktivnosti ljudske svijesti.

Problem prostora, pri bližem razmatranju, takođe se ispostavlja kao težak. Prostor je logički zamisliv oblik koji služi kao medij u kojem postoje drugi oblici i određene strukture. Na primjer, u elementarnoj geometriji, ravan je prostor koji služi kao medij u kojem se konstruiraju različite, ali ravne figure.

U klasičnoj Njutnovoj mehanici, apsolutni prostor po svojoj suštini, bez obzira na bilo šta spoljašnje, uvek ostaje isti i nepomičan. Djeluje kao analog Demokritove praznine i arena je dinamike fizičkih objekata.

Aristotelova ideja o izotropnom prostoru odstupila je od homogenosti i beskonačnosti Demokritovog prostora. Prema Aristotelu i njegovim sljedbenicima, svemir je dobio centar - Zemlju, sa sferama koje se okreću oko nje, a najudaljenija nebeska sfera zvijezda služila je kao granica konačnog svjetskog prostora. Aristotel odbacuje beskonačnost prostora, ali se pridržava koncepta beskonačnog vremena. Ovaj koncept je izražen u njegovoj ideji o sfernom prostoru svemira, koji, iako ograničen, nije konačan.

Klasični Njutnov prostor zasnovan je na ideji njegove homogenosti. Ovo je osnovna ideja klasične fizike, dosljedno razvijena u djelima Kopernika, Bruna, Galilea i Descartesa. Bruno je već napustio ideju centra Univerzuma i proglasio ga beskonačnim i homogenim. Ova ideja je dostigla svoj završetak sa Njutnom. U homogenom prostoru mijenja se ideja apsolutnog kretanja, odnosno tijelo u njemu se kreće zbog inercije. Inercijalne sile ne nastaju u odsustvu ubrzanja. Značenje pravolinijskog i ravnomjernog kretanja svodi se na promjenu udaljenosti između datog tijela i proizvoljno odabranog referentnog tijela. Pravolinijsko i ravnomjerno kretanje je relativno.

Istorijski gledano, prvi i najvažniji matematički prostor je ravan Euklidski prostor, koji predstavlja apstraktnu sliku realnog prostora. Svojstva ovog prostora su opisana pomoću 5 glavnih postulata i 9 aksioma. U Euklidovoj geometriji postojala je slaba tačka, takozvani peti postulat o paralelnim linijama koje se ne seku. Matematičari antičkog i modernog vremena su bezuspješno pokušavali dokazati ovu poziciju. U 18. - 19. veku, D. Saccheri, Lambert i A. Legendre pokušavaju da reše ovaj problem. Neuspješni pokušaji dokazivanja 5. postulata donijeli su veliku korist. Matematičari su krenuli putem modifikacije koncepata geometrije euklidskog prostora. Najozbiljniju modifikaciju uveo je u prvoj polovini 19. veka N. I. Lobačevski (1792 - 1856).

Došao je do zaključka da se umjesto aksioma o dvije paralelne prave može postaviti direktno suprotna hipoteza i na njenoj osnovi stvoriti konzistentnu geometriju. U ovoj novoj geometriji, neke izjave su izgledale čudno, pa čak i paradoksalno. Na primjer, euklidski aksiom kaže: u ravni, kroz tačku koja ne leži na datoj pravoj, može se povući jedna i samo jedna prava paralelna s prvom. U geometriji Lobačevskog ovaj aksiom je zamijenjen sljedećim: u ravni, kroz tačku koja ne leži na datoj pravoj, može se povući više od jedne prave koja ne siječe datu pravu. U ovoj geometriji, zbir uglova trougla je manji od dve prave, itd. Ali, uprkos vanjskom paradoksu, logično su ove izjave potpuno jednake euklidskim. Oni su radikalno promijenili ideje o prirodi prostora. Gotovo istovremeno sa Lobačevskim, mađarski matematičar J. Bolyai i poznati matematičar K. Gauss došli su do sličnih zaključaka. Savremenici naučnika bili su skeptični prema neeuklidskoj geometriji, smatrajući je čistom fantazijom. Međutim, rimski matematičar E. Beltrami pronašao je model za neeuklidsku geometriju, a to je pseudosfera:

Slika 1. Pseudo-sfera

Sljedeći veliki korak u razumijevanju prirode svemira napravio je B. Riemann (1826 - 1866). Nakon što je 1851. diplomirao na Univerzitetu u Getingenu, on je već 1854. (28 godina) dao izveštaj „O hipotezama u osnovi geometrije“, gde je dao opštu ideju o matematičkom prostoru, u kojem je Euklidova geometrija i Lobačevski su bili posebni slučajevi. U n-dimenzionalnom Rimanovom prostoru, sve linije su podeljene na elementarne segmente čije je stanje određeno koeficijentom g. Ako je koeficijent 0, tada su sve linije na ovom segmentu prave - Euklidovi postulati rade. U drugim slučajevima, prostor će biti zakrivljen. Ako je zakrivljenost pozitivna, tada se prostor naziva Rimanov sferičan. Ako je negativan, to je pseudosferični prostor Lobačevskog. Tako je sredinom 19. vijeka mjesto ravnog trodimenzionalnog euklidskog prostora zauzimao višedimenzionalni zakrivljeni prostor. Koncepti Rimanova prostora su na kraju poslužili kao jedan od glavnih preduslova za Ajnštajnovo stvaranje opšte teorije relativnosti.

Slika 2 Rimanov sferni prostor

Konačnu pripremu prostorno-geometrijske pozadine teorije relativnosti dao je Ajnštajnov neposredni učitelj G. Minkowski (1864 - 1909), koji je formulisao ideju o četverodimenzionalni prostor-vremenski kontinuum, ujedinjujući fizički trodimenzionalni prostor i vrijeme. Aktivno se bavio elektrodinamikom pokretnih medija zasnovanih na elektronskoj teoriji i principu relativnosti. Jednačine koje je dobio, kasnije nazvane Minkowskijevske jednačine, donekle se razlikuju od Lorentzovih jednačina, ali su u skladu s eksperimentalnim činjenicama. Oni čine matematičku teoriju fizičkih procesa u četverodimenzionalnom prostoru. Prostor Minkovskog omogućava vizuelno tumačenje kinematičkih efekata specijalne teorije relativnosti i leži u osnovi modernog matematičkog aparata teorije relativnosti.

Ova ideja o jedinstvenom prostoru i vremenu, kasnije nazvana prostor-vrijeme, a njegova fundamentalna razlika od Njutnovskog nezavisnog prostora i vremena, očigledno, uhvatila je Ajnštajna mnogo pre 1905. godine i nije direktno povezana ni sa Michelsonovim eksperimentom ni sa Lorentz-Poincareovom teorijom.

Godine 1905. Albert Ajnštajn je objavio članak “O elektrodinamici pokretnih tela” u časopisu “Annals of Physics” i još jedan mali članak u kojem je formula prvi put prikazana. E=mc2. Kako su kasnije počeli da govore, to je glavna formula našeg veka.

Članak o elektrodinamici predstavlja teoriju koja isključuje postojanje privilegovanog koordinatnog sistema za pravolinijsko i ravnomerno kretanje. Ajnštajnova teorija isključuje vreme nezavisno od prostornog referentnog sistema i napušta klasično pravilo zbrajanja brzina. Einstein je pretpostavio da je brzina svjetlosti konstantna i predstavlja ograničenje brzine u prirodi. On je ovu teoriju nazvao "Specijalna teorija relativnosti".

Ajnštajn je svoju teoriju razvio na osnovu sledećih osnovnih postulata:

• zakoni po kojima se mijenjaju stanja fizičkih sistema ne zavise od toga na koji se od dva koordinatna sistema, koji se jedno u odnosu na drugi ravnomjerno i pravolinijski kreću, te promjene odnose. Prema tome, ne postoji preferirani referentni okvir za ravnomjerno i pravolinijsko kretanje - princip relativnosti
• Svaki zrak svjetlosti kreće se u koordinatnom sistemu u mirovanju određenom brzinom, bez obzira da li ovu zraku svjetlosti emituje stacionarni ili pokretni izvor. Ova brzina je maksimalna brzina interakcija u prirodi - postulat o konstantnosti brzine svjetlosti

Iz ovih postulata proizilaze dvije posljedice:

• ako se događaji u okviru 1 dešavaju u jednoj tački i simultani su, onda nisu simultani u drugom inercijskom referentnom okviru. Ovo je princip relativnosti istovremenosti
• za bilo koje brzine 1 i 2, njihov zbir ne može biti veći od brzine svjetlosti. Ovo je relativistički zakon sabiranja brzina

Ovi postulati - princip relativnosti i princip konstantnosti brzine svjetlosti - osnova su Ajnštajnove specijalne teorije relativnosti. Iz njih dobija relativnost dužina i relativnost vremena.

Suština Ajnštajnovog pristupa bila je odbacivanje ideja o apsolutnom prostoru i vremenu, na kojima se zasniva hipoteza o etru. Umjesto toga, usvojen je relacijski pristup elektromagnetnim pojavama i širenju elektromagnetnog zračenja. Njutnovi zakoni kretanja izraženi su istim relacijama u svim ravnomerno pokretnim sistemima međusobno povezanim Galilejevim transformacijama, a zakon invarijantnosti posmatrane vrednosti brzine svetlosti izražen je istom relacijom u svim ravnomerno pokretnim sistemima međusobno povezanim Lorencovim transformacijama.

Međutim, Newtonovi zakoni kretanja nisu invarijantni prema Lorentzovim transformacijama. Iz toga slijedi da Newtonovi zakoni ne mogu biti pravi zakoni mehanike (oni su samo približni, važeći u graničnom slučaju kada je omjer v/c teži nuli).

Međutim, specijalna teorija relativnosti važi i za ograničene uslove - za jednoliko pokretne sisteme.

Ajnštajn je nastavio razvoj specijalne teorije relativnosti u svom delu „Zakon održanja kretanja centra gravitacije i inercije tela“. Za osnovu je uzeo Maksvelov zaključak da svetlosni snop ima masu, odnosno da prilikom kretanja vrši pritisak na prepreku. Ovu pretpostavku je eksperimentalno dokazao P.N. U svom radu Ajnštajn je potkrepio odnos između mase i energije. Došao je do zaključka da kada tijelo emituje energiju L, njegova masa se smanjuje za iznos jednak L/V2. Iz ovoga je izvučen opći zaključak - masa tijela je mjera energije sadržane u njemu. Ako se energija promijeni za iznos jednak L, tada se i masa mijenja za iznos L podijeljen s kvadratom brzine svjetlosti. Tako se prvi put pojavljuje Ajnštajnova čuvena relacija E = MC2.

U periodu 1911-1916, Ajnštajn je uspeo da generalizuje teoriju relativnosti. Teorija, nastala 1905. godine, kao što je već pomenuto, nazvana je specijalnom teorijom relativnosti, jer. važio je samo za pravolinijsko i ravnomerno kretanje.

U općoj teoriji relativnosti otkriveni su novi aspekti zavisnosti prostorno-vremenskih odnosa i materijalnih procesa. Ova teorija je dala fizičku osnovu za neeuklidske geometrije i povezala zakrivljenost prostora i odstupanje njegove metrike od euklidske sa dejstvom gravitacionih polja koje stvaraju mase tela.

Opšta teorija relativnosti zasniva se na principu ekvivalencije inercijalnih i gravitacionih masa, čija je kvantitativna jednakost odavno utvrđena u klasičnoj fizici. Kinematički efekti koji nastaju pod uticajem gravitacionih sila su ekvivalentni efektima koji nastaju pod uticajem ubrzanja. Dakle, ako raketa poleti sa ubrzanjem od 3 g, tada će se posada rakete osjećati kao da se nalazi u trostrukom gravitacijskom polju Zemlje.

Klasična mehanika nije mogla objasniti zašto se inercija i težina mjere istom količinom - masom, zašto je teška masa proporcionalna inercijskoj masi, zašto, drugim riječima, tijela padaju istim ubrzanjem. S druge strane, klasična mehanika, objašnjavajući sile inercije ubrzanim kretanjem u apsolutnom prostoru, smatrala je da taj apsolutni prostor djeluje na tijela, ali da na njega ne djeluju. To je dovelo do identifikacije inercijalnih sistema kao posebnih sistema u kojima se poštuju samo zakoni mehanike. Ajnštajn je proglasio ubrzano kretanje sistema izvan gravitacionog polja i inercijalno kretanje u gravitacionom polju suštinski nerazlučivim. Ubrzanje i gravitacija proizvode fizički nerazlučive efekte.

Ovu činjenicu je u suštini ustanovio Galileo: sva se tijela kreću u gravitacionom polju (u nedostatku otpora okoline) s istim ubrzanjem, putanje svih tijela sa datom brzinom su jednako zakrivljene u gravitacionom polju. Zbog toga nijedan eksperiment ne može otkriti gravitacijsko polje u liftu koji slobodno pada. Drugim riječima, u referentnom okviru koji se slobodno kreće u gravitacionom polju u malom području prostor-vremena ne postoji gravitacija. Posljednja izjava je jedna od formulacija principa ekvivalencije. Ovaj princip objašnjava fenomen bestežinskog stanja u svemirskim letjelicama.

Ako proširimo princip ekvivalencije na optičke fenomene, to će dovesti do niza važnih posljedica. Ovo je fenomen crvenog pomaka i skretanja svetlosnog snopa pod uticajem gravitacionog polja. Efekt crvenog pomaka nastaje kada je svjetlost usmjerena iz tačke sa većim gravitacionim potencijalom u tačke sa manjim gravitacionim potencijalom. Odnosno, u ovom slučaju se njegova frekvencija smanjuje, a talasna dužina povećava i obrnuto. Na primjer, sunčeva svjetlost koja pada na Zemlju će ovamo stizati sa promijenjenom frekvencijom, u kojoj će se spektralne linije pomicati prema crvenom dijelu spektra.

Zaključak o promeni frekvencije svetlosti u gravitacionom polju povezan je sa efektom dilatacije vremena u blizini velikih gravitacionih masa. Tamo gdje su polja sjenki veća, sat radi sporije.

Tako je dobijen novi fundamentalni rezultat - brzina svjetlosti više nije konstantna vrijednost, već se povećava ili smanjuje u gravitacijskom polju, ovisno o tome da li se smjer svjetlosnog snopa poklapa sa smjerom gravitacionog polja.

Nova teorija je malo kvantitativno promijenila Newtonovu teoriju, ali je uvela duboke kvalitativne promjene. Inercija, gravitacija i metričko ponašanje tijela i satova svedeni su na jedno svojstvo polja, a generalizovani zakon inercije preuzeo je ulogu zakona kretanja. Istovremeno se pokazalo da prostor i vrijeme nisu apsolutne kategorije – tijela i njihove mase utiču na njih i mijenjaju njihovu metriku.

Kako se može zamisliti zakrivljenost prostora i dilatacija vremena, o čemu se govori u općoj teoriji relativnosti?

Zamislimo model prostora u obliku gumenog lima (čak i ako to nije cijeli prostor, već njegov ravni komad). Ako ovu ploču razvučemo vodoravno i na nju stavimo velike loptice, onda će one saviti gumu, što više, to je veća masa lopte. Ovo jasno pokazuje zavisnost zakrivljenosti prostora od mase tela i takođe pokazuje kako se mogu prikazati neeuklidske geometrije Lobačevskog i Rimanna.

Teorija relativnosti utvrdila je ne samo zakrivljenost prostora pod uticajem gravitacionih polja, već i usporavanje vremena u jakom gravitacionom polju. Svetlosti koje putuje duž talasa prostora potrebno je duže nego da se kreće duž ravnog dela prostora. Jedno od najfantastičnijih predviđanja opšte teorije relativnosti je potpuno zaustavljanje vremena u veoma jakom gravitacionom polju. Dilatacija vremena se manifestuje u gravitacionom crvenom pomaku svetlosti: što je gravitacija jača, to je duža talasna dužina i niža frekvencija. Pod određenim uslovima, talasna dužina može težiti beskonačnosti, a njena frekvencija - nuli. One. svjetlo će nestati.

Uz svjetlost koju emituje naše Sunce, to bi se moglo dogoditi ako bi se naša zvijezda smanjila i pretvorila u loptu prečnika 5 km (prečnik Sunca je »1,5 miliona km). Sunce bi se pretvorilo u „crnu rupu“. U početku su "crne rupe" bile predviđene teoretski. Međutim, 1993. godine dvojica astronoma, Hulse i Taylor, dobili su Nobelovu nagradu za otkriće takvog objekta u sistemu Crna rupa-Pulsar. Otkriće ovog objekta bilo je još jedna potvrda Ajnštajnove opšte teorije relativnosti.

Opšta teorija relativnosti je bila u stanju da objasni neslaganje između izračunatih i stvarnih orbita Merkura. U njemu orbite planeta nisu zatvorene, odnosno nakon svake revolucije planeta se vraća u drugu tačku u svemiru. Izračunata orbita Merkura dala je grešku od 43??, odnosno uočena je rotacija njegovog perihela (perihel je tačka orbite planete koja kruži oko njega najbliža Suncu.).

Samo je opšta teorija relativnosti mogla objasniti ovaj efekat zakrivljenošću prostora pod uticajem gravitacione mase Sunca.

Ideje o prostoru i vremenu formulirane u teoriji relativnosti su najdosljednije i najdosljednije. Ali oslanjaju se na makrokosmos, na iskustvo proučavanja velikih objekata, velikih udaljenosti, velikih vremenskih perioda. Prilikom konstruisanja teorija koje opisuju fenomene mikrosvijeta, Einsteinova teorija možda neće biti primjenjiva, iako ne postoje eksperimentalni podaci koji bi bili u suprotnosti s njenom upotrebom u mikrosvijetu. Ali moguće je da će sam razvoj kvantnih koncepata zahtijevati reviziju razumijevanja fizike prostora i vremena.

Trenutno je opća teorija relativnosti općeprihvaćena teorija u znanstvenom svijetu koja opisuje procese koji se odvijaju u vremenu i prostoru. Ali, kao i svaka naučna teorija, ona odgovara nivou znanja za određeni period. Sa akumulacijom novih informacija i sticanjem novih eksperimentalnih podataka, svaka teorija može biti opovrgnuta.

Opća i specijalna teorija relativnosti (nova teorija prostora i vremena) dovele su do toga da su svi referentni sistemi postali jednaki, stoga sve naše ideje imaju smisla samo u određenom referentnom sistemu. Slika svijeta je dobila relativan, relativan karakter, modificirane su ključne ideje o prostoru, vremenu, kauzalnosti, kontinuitetu, odbačena je nedvosmislena opozicija subjekta i objekta, percepcija je zavisna od referentnog okvira koji uključuje oboje. subjekt i objekt, metod posmatranja itd.)

Na osnovu novog relativističkog pristupa percepciji prirode, formulisana je nova, treća prirodnonaučna paradigma u istoriji nauke. Zasnovan je na sljedećim idejama:

• Ø Relativizam– nova naučna paradigma je napustila ideju apsolutnog znanja. Svi fizički zakoni koje su otkrili naučnici su objektivni u datom trenutku. Nauka se bavi ograničenim i približnim pojmovima i samo teži da shvati istinu.
• Ø Neodeterminizam- nelinearni determinizam. Najvažniji aspekt razumijevanja determinizma kao nelinearnog je odbacivanje ideje prisilne uzročnosti, koja pretpostavlja postojanje takozvanog vanjskog uzroka za tekuće prirodne procese. I nužnost i slučajnost imaju jednaka prava kada analiziraju tok prirodnih procesa.
• Ø Globalni evolucionizam– ideja prirode kao sistema koji se stalno razvija. Nauka je počela proučavati prirodu ne samo sa stanovišta njene strukture, već i procesa koji se u njoj odvijaju. Istovremeno, istraživanje procesa u prirodi daje se prioritet.
• Ø Holizam- vizija svijeta kao jedinstvene cjeline. Univerzalna priroda veze između elemenata ove cjeline (obavezna veza).
• Ø Sinergija– kao istraživački metod, kao univerzalni princip samoorganizacije i razvoja otvorenih sistema.
• Ø Uspostavljanje razumne ravnoteže između analize i sinteze prilikom proučavanja prirode. Učenje je razumjelo da je nemoguće beskrajno drobiti prirodu u najsitnije cigle. Njegova svojstva mogu se razumjeti samo kroz dinamiku prirode u cjelini.
• Ø Tvrdnja da se evolucija prirode odvija u četverodimenzionalnom prostor-vremenskom kontinuumu.

Teoriju relativnosti uveo je Albert Ajnštajn početkom 20. veka. Šta je njegova suština? Hajde da razmotrimo glavne tačke i opišemo TOE jasnim jezikom.

Teorija relativnosti je praktično otklonila nedosljednosti i kontradiktornosti fizike 20. stoljeća, nametnula radikalnu promjenu ideje strukture prostor-vremena i eksperimentalno je potvrđena u brojnim eksperimentima i studijama.

Tako je TOE formirao osnovu svih modernih fundamentalnih fizičkih teorija. U stvari, ovo je majka moderne fizike!

Za početak, vrijedi napomenuti da postoje 2 teorije relativnosti:

• Specijalna teorija relativnosti (STR) – razmatra fizičke procese u jednoliko pokretnim objektima.
• Opća teorija relativnosti (GTR) - opisuje ubrzavajuće objekte i objašnjava porijeklo takvih fenomena kao što su gravitacija i postojanje.

Jasno je da se STR pojavio ranije i da je u suštini dio GTR-a. Hajdemo prvo o njoj.

OPD jednostavnim rečima

Teorija se zasniva na principu relativnosti, prema kojem su svi zakoni prirode isti u odnosu na tijela koja miruju i kreću se konstantnom brzinom. A iz takve naizgled jednostavne misli proizlazi da je brzina svjetlosti (300.000 m/s u vakuumu) ista za sva tijela.

Na primjer, zamislite da ste dobili svemirski brod iz daleke budućnosti koji može letjeti velikom brzinom. Na pramcu broda je instaliran laserski top, sposoban da ispaljuje fotone naprijed.

U odnosu na brod, takve čestice lete brzinom svjetlosti, ali u odnosu na stacionarnog posmatrača, čini se da bi trebale letjeti brže, jer se obje brzine zbrajaju.

Međutim, u stvarnosti se to ne dešava! Spoljašnji posmatrač vidi fotone koji putuju brzinom od 300.000 m/s, kao da im nije dodata brzina svemirske letjelice.

Morate zapamtiti: u odnosu na bilo koje tijelo, brzina svjetlosti će biti konstantna vrijednost, bez obzira koliko se brzo kreće.

Iz ovoga slijede nevjerojatni zaključci kao što su dilatacija vremena, uzdužna kontrakcija i ovisnost tjelesne težine o brzini. Više o najzanimljivijim posljedicama Specijalne teorije relativnosti pročitajte u članku na linku ispod.

Suština opšte relativnosti (GR)

Da bismo to bolje razumjeli, moramo ponovo spojiti dvije činjenice:

• Živimo u četvorodimenzionalnom prostoru

Prostor i vrijeme su manifestacije istog entiteta koji se naziva „prostorno-vremenski kontinuum“. Ovo je 4-dimenzionalni prostor-vrijeme sa koordinatnim osovinama x, y, z i t.

Mi ljudi nismo u stanju da percipiramo 4 dimenzije jednako. U suštini, vidimo samo projekcije pravog četverodimenzionalnog objekta na prostor i vrijeme.

Zanimljivo je da teorija relativnosti ne kaže da se tijela mijenjaju kada se kreću. 4-dimenzionalni objekti uvijek ostaju nepromijenjeni, ali s relativnim kretanjem njihove projekcije se mogu promijeniti. A mi to doživljavamo kao usporavanje vremena, smanjenje veličine itd.

• Sva tijela padaju konstantnom brzinom i ne ubrzavaju

Hajde da napravimo zastrašujući misaoni eksperiment. Zamislite da se vozite u zatvorenom liftu i da ste u bestežinskom stanju.

Ova situacija može nastati samo iz dva razloga: ili ste u svemiru, ili slobodno padate zajedno sa kabinom pod uticajem zemljine gravitacije.

Bez gledanja iz kabine, apsolutno je nemoguće razlikovati ova dva slučaja. Samo u jednom slučaju letite ujednačeno, a u drugom ubrzano. Moraćete da pogodite!

Možda je i sam Albert Ajnštajn razmišljao o zamišljenom liftu i imao je jednu nevjerovatnu misao: ako se ova dva slučaja ne mogu razlikovati, onda je i padanje uslijed gravitacije jednoobrazno kretanje. Kretanje je jednostavno uniformno u četvorodimenzionalnom prostoru-vremenu, ali je u prisustvu masivnih tela (na primer) zakrivljeno i jednoliko kretanje se projektuje u naš uobičajeni trodimenzionalni prostor u vidu ubrzanog kretanja.

Pogledajmo još jedan jednostavniji, iako ne sasvim tačan primjer zakrivljenosti dvodimenzionalnog prostora.

Možete zamisliti da bilo koje masivno tijelo stvara neku vrstu oblikovanog lijevka ispod sebe. Tada druga tijela koja prolete neće moći da nastave pravolinijsko kretanje i mijenjat će svoju putanju prema zavojima zakrivljenog prostora.

Usput, ako tijelo nema puno energije, tada se njegovo kretanje može pokazati zatvorenim.

Vrijedi napomenuti da se sa stanovišta tijela u pokretu nastavljaju kretati pravolinijski, jer ne osjećaju ništa što ih tjera da se okreću. Oni su jednostavno završili u zakrivljenom prostoru i, ne svjesni toga, imaju nelinearnu putanju.

Treba napomenuti da su 4 dimenzije savijene, uključujući vrijeme, tako da ovu analogiju treba tretirati s oprezom.

Dakle, u općoj teoriji relativnosti, gravitacija uopće nije sila, već samo posljedica zakrivljenosti prostor-vremena. Trenutno je ova teorija radna verzija nastanka gravitacije i odlično se slaže s eksperimentima.

Iznenađujuće posledice opšte teorije relativnosti

Svjetlosni zraci mogu biti savijeni kada lete u blizini masivnih tijela. Zaista, u svemiru su pronađeni udaljeni objekti koji se "skrivaju" iza drugih, ali se oko njih savijaju svjetlosni zraci, zahvaljujući kojima svjetlost dopire do nas.

Prema opštoj relativnosti, što je gravitacija jača, vrijeme prolazi sporije. Ovu činjenicu morate uzeti u obzir pri radu GPS-a i GLONASS-a, jer su njihovi sateliti opremljeni najpreciznijim atomskim satovima, koji otkucavaju malo brže nego na Zemlji. Ako se ova činjenica ne uzme u obzir, tada će u roku od jednog dana koordinatna greška biti 10 km.

Zahvaljujući Albertu Einsteinu možete razumjeti gdje se biblioteka ili prodavnica nalazi u blizini.

I konačno, opća teorija relativnosti predviđa postojanje crnih rupa oko kojih je gravitacija toliko jaka da vrijeme jednostavno staje u blizini. Stoga, svjetlost koja padne u crnu rupu ne može je napustiti (reflektirati).

U središtu crne rupe, usled kolosalne gravitacione kompresije, formira se objekat beskonačno velike gustine, a to, čini se, ne može postojati.

Dakle, opća teorija relativnosti može dovesti do vrlo kontradiktornih zaključaka, za razliku od , zbog čega ga većina fizičara nije u potpunosti prihvatila i nastavila je tražiti alternativu.

Ali ona uspeva da predvidi mnoge stvari uspešno, na primer, nedavno senzacionalno otkriće potvrdilo je teoriju relativnosti i nateralo nas da se još jednom prisetimo velikog naučnika sa ispaljenim jezikom. Ako volite nauku, pročitajte WikiScience.

SRT, TOE - ove skraćenice skrivaju poznati izraz „teorija relativnosti“, koji je poznat gotovo svima. Jednostavnim jezikom sve se može objasniti, pa čak i izjava genija, pa nemojte očajavati ako se ne sjećate školskog kursa fizike, jer u stvari, sve je mnogo jednostavnije nego što se čini.

Poreklo teorije

Dakle, krenimo sa kursom "Teorija relativnosti za lutke". Albert Ajnštajn je objavio svoj rad 1905. godine i izazvao je pometnju među naučnicima. Ova teorija je gotovo u potpunosti pokrila mnoge praznine i nedosljednosti u fizici prošlog stoljeća, ali je, povrh svega, revolucionirala ideju prostora i vremena. Njegovim savremenicima je bilo teško povjerovati u mnoge Ajnštajnove izjave, ali eksperimenti i istraživanja samo su potvrdili riječi velikog naučnika.

Ajnštajnova teorija relativnosti je jednostavno objasnila sa čime su se ljudi borili vekovima. Može se nazvati osnovom sve moderne fizike. Međutim, prije nego što nastavimo razgovor o teoriji relativnosti, treba razjasniti pitanje pojmova. Sigurno su mnogi, čitajući naučnopopularne članke, naišli na dvije skraćenice: STO i GTO. U stvari, oni podrazumijevaju malo drugačije koncepte. Prva je specijalna teorija relativnosti, a druga je skraćenica za "opću relativnost".

Samo nešto komplikovano

STR je starija teorija, koja je kasnije postala dio GTR. Može uzeti u obzir samo fizičke procese za objekte koji se kreću ujednačenom brzinom. Opšta teorija može opisati šta se dešava sa objektima koji se ubrzavaju, a takođe i objasniti zašto čestice gravitona i gravitacija postoje.

Ako trebate opisati kretanje, kao i odnos prostora i vremena kada se približavate brzini svjetlosti, specijalna teorija relativnosti to može učiniti. Jednostavnim riječima to se može objasniti na sljedeći način: na primjer, prijatelji iz budućnosti su vam dali svemirski brod koji može letjeti velikom brzinom. Na nosu svemirskog broda nalazi se top sposoban da ispaljuje fotone na sve što dođe ispred.

Kada se puca, u odnosu na brod ove čestice lete brzinom svjetlosti, ali, logično, stacionarni posmatrač bi trebao vidjeti zbir dvije brzine (samih fotona i broda). Ali ništa slično. Posmatrač će vidjeti fotone koji se kreću brzinom od 300.000 m/s, kao da je brzina broda nula.

Stvar je u tome da bez obzira koliko brzo se objekat kreće, brzina svetlosti za njega je konstantna vrednost.

Ova izjava je osnova nevjerovatnih logičkih zaključaka poput usporavanja i izobličenja vremena, ovisno o masi i brzini objekta. Na tome se zasnivaju radnje mnogih naučnofantastičnih filmova i TV serija.

Opća teorija relativnosti

Jednostavnim jezikom može se objasniti obimnija opšta teorija relativnosti. Za početak treba uzeti u obzir činjenicu da je naš prostor četverodimenzionalan. Vrijeme i prostor ujedinjeni su u takvom "subjektu" kao što je "prostorno-vremenski kontinuum". U našem prostoru postoje četiri koordinatne ose: x, y, z i t.

Ali ljudi ne mogu direktno percipirati četiri dimenzije, baš kao što hipotetička ravna osoba koja živi u dvodimenzionalnom svijetu ne može gledati gore. U stvari, naš svijet je samo projekcija četverodimenzionalnog prostora u trodimenzionalni prostor.

Zanimljiva je činjenica da se, prema opštoj teoriji relativnosti, tijela ne mijenjaju kada se kreću. Predmeti četverodimenzionalnog svijeta su zapravo uvijek nepromijenjeni, a kada se kreću mijenjaju se samo njihove projekcije, što doživljavamo kao izobličenje vremena, smanjenje ili povećanje veličine itd.

Eksperiment sa liftom

Teorija relativnosti može se jednostavno objasniti pomoću malog misaonog eksperimenta. Zamislite da ste u liftu. Kabina je počela da se kreće, a vi ste se našli u bestežinskom stanju. Šta se desilo? Mogu biti dva razloga: ili je lift u svemiru, ili je u slobodnom padu pod uticajem gravitacije planete. Najzanimljivije je da je nemoguće otkriti uzrok bestežinskog stanja ako nije moguće pogledati iz kabine lifta, odnosno oba procesa izgledaju isto.

Možda je nakon provođenja sličnog misaonog eksperimenta Albert Einstein došao do zaključka da ako se ove dvije situacije ne razlikuju jedna od druge, onda zapravo tijelo pod utjecajem gravitacije nije ubrzano, to je jednolično kretanje koje se pod utjecajem zakrivi. masivnog tijela (u ovom slučaju planete). Dakle, ubrzano kretanje je samo projekcija jednolikog kretanja u trodimenzionalni prostor.

Dobar primjer

Još jedan dobar primjer na temu "Relativnost za lutke". Nije sasvim tačno, ali je vrlo jednostavno i jasno. Ako stavite bilo koji predmet na rastegnutu tkaninu, on ispod nje formira "otklon" ili "lijevak". Sva manja tijela će biti primorana da iskrive svoju putanju prema novom zavoju prostora, a ako tijelo ima malo energije, možda uopće neće savladati ovaj lijevak. Međutim, sa stanovišta samog objekta koji se kreće, putanja ostaje ravna, neće osjetiti savijanje prostora.

Gravitacija "degradirana"

Sa pojavom opšte teorije relativnosti, gravitacija je prestala da bude sila i sada se zadovoljava time da bude jednostavna posledica zakrivljenosti vremena i prostora. Opća teorija relativnosti može izgledati fantastično, ali to je radna verzija i potvrđena je eksperimentima.

Teorija relativnosti može objasniti mnoge naizgled nevjerovatne stvari u našem svijetu. Jednostavno rečeno, takve stvari se nazivaju posljedicama opće relativnosti. Na primjer, zraci svjetlosti koji lete blizu masivnih tijela su savijeni. Štaviše, mnogi objekti iz dubokog svemira skriveni su jedan iza drugog, ali zbog činjenice da se zraci svjetlosti savijaju oko drugih tijela, naizgled nevidljivi objekti dostupni su našim očima (tačnije, očima teleskopa). To je kao gledanje kroz zidove.

Što je gravitacija veća, to sporije vrijeme teče na površini objekta. Ovo se ne odnosi samo na masivna tijela poput neutronskih zvijezda ili crnih rupa. Efekat dilatacije vremena može se uočiti čak i na Zemlji. Na primjer, uređaji za satelitsku navigaciju opremljeni su visoko preciznim atomskim satovima. Oni su u orbiti naše planete, i tamo vrijeme otkucava malo brže. Stotine sekunde u danu će se zbrajati u cifru koja će dati do 10 km greške u proračunima rute na Zemlji. Teorija relativnosti nam omogućava da izračunamo ovu grešku.

Jednostavnije rečeno, možemo to reći ovako: opšta teorija relativnosti je u osnovi mnogih modernih tehnologija, a zahvaljujući Ajnštajnu, lako možemo pronaći piceriju i biblioteku u nepoznatom području.

Kako se opšta teorija relativnosti razlikuje od specijalne teorije relativnosti?

Specijalna teorija relativnosti (STR) (posebna teorija relativnosti; relativistička mehanika) je teorija koja opisuje kretanje, zakone mehanike i prostorno-vremenske odnose pri brzinama kretanja bliskim brzini svjetlosti. U okviru specijalne relativnosti, klasična Njutnova mehanika je aproksimacija male brzine. Generalizacija STR za gravitaciona polja naziva se opšta relativnost.

Opšta teorija relativnosti je geometrijska teorija gravitacije koja razvija specijalnu teoriju relativnosti (STR), koju je objavio Albert Ajnštajn 1915-1916. U okviru opšte teorije relativnosti, kao iu drugim metričkim teorijama, postulira se da gravitacioni efekti nisu uzrokovani interakcijom sila tela i polja koja se nalaze u prostor-vremenu, već deformacijom samog prostor-vremena, što je povezan, posebno, sa prisustvom mase-energije. Opća teorija relativnosti razlikuje se od drugih metričkih teorija gravitacije korištenjem Ajnštajnovih jednačina za povezivanje zakrivljenosti prostor-vremena sa materijom prisutnom u njemu.

Dajte eksperimentalne dokaze o valjanosti Einsteinove teorije.

Dokazi opšte relativnosti

Efekti povezani sa ubrzanjem referentnih okvira

Prvi od ovih efekata je gravitaciona dilatacija vremena, zbog koje će svaki sat ići sporije što je dublje u gravitacionoj rupi (bliže gravitacionom telu). Ovaj efekat je direktno potvrđen u Hafele-Keating eksperimentu, kao i u eksperimentu Gravity Probe A, a stalno se potvrđuje u GPS-u.

Direktno povezan efekat je gravitacijski crveni pomak svjetlosti. Ovaj efekat se shvata kao smanjenje frekvencije svetlosti u odnosu na lokalni sat (prema tome, pomeranje linija spektra ka crvenom kraju spektra u odnosu na lokalnu skalu) kada se svetlost širi iz gravitacionog bunara prema van (od područje s manjim gravitacijskim potencijalom u područje s većim potencijalom) /

Gravitaciona dilatacija vremena povlači za sobom još jedan efekat koji se zove Shapiro efekat (takođe poznat kao kašnjenje gravitacionog signala). Zbog ovog efekta, elektromagnetski signali putuju duže u gravitacionom polju nego u odsustvu ovog polja. Ovaj fenomen je otkriven radarskim praćenjem planeta Sunčevog sistema i svemirskih letelica koje prolaze iza Sunca, kao i posmatranjem signala sa dvostrukih pulsara.

Najpoznatiji rani test opšte teorije relativnosti omogućio je potpuno pomračenje Sunca 1919. Arthur Eddington je pokazao da je svjetlost sa zvijezde bila savijena blizu Sunca upravo onako kako je predviđeno opštom relativnošću.

Savijanje putanje svjetlosti događa se u bilo kojem ubrzanom referentnom okviru. Detaljan izgled posmatrane trajektorije i efekata gravitacionog sočiva zavise, međutim, od zakrivljenosti prostor-vremena. Ajnštajn je za ovaj efekat saznao 1911. godine, a kada je heuristički izračunao količinu zakrivljenosti putanja, ispostavilo se da je ona ista kao što je predviđala klasična mehanika za čestice koje se kreću brzinom svetlosti. Godine 1916. Einstein je otkrio da je u općoj teoriji relativnosti ugaoni pomak u smjeru širenja svjetlosti dvostruko veći nego u Njutnovoj teoriji, za razliku od prethodnog razmatranja. Tako je ovo predviđanje postalo još jedan način testiranja opšte relativnosti.

Od 1919. godine ovaj fenomen je potvrđen astronomskim opservacijama zvijezda tokom pomračenja Sunca, a također je s velikom preciznošću potvrđen radio interferometrijskim zapažanjima kvazara koji prolaze pored Sunca tokom njegovog puta duž ekliptike.

Konačno, svaka zvijezda može povećati sjaj kada kompaktni, masivni objekt prođe ispred nje. U ovom slučaju, slike udaljene zvijezde, uvećane i izobličene zbog gravitacijskog skretanja svjetlosti, ne mogu se razriješiti (preblizu su jedna drugoj) i jednostavno se opaža povećanje sjaja zvijezde. Ovaj efekat se naziva mikrolensing, a sada se redovno posmatra u okviru projekata proučavanja nevidljivih tela naše Galaksije gravitacionim mikrolensingom svetlosti zvezda - MASNO, EROS (engleski) i drugi.

Orbitalni efekti

Opšta teorija relativnosti ispravlja predviđanja Njutnove teorije nebeske mehanike u vezi sa dinamikom gravitaciono vezanih sistema: Sunčev sistem, dvostruke zvezde, itd.

Prvi efekat Opće relativnosti bio je da bi perihelija svih planetarnih orbita precesirala, budući da bi Njutnov gravitacioni potencijal imao mali relativistički aditiv, što bi dovelo do formiranja otvorenih orbita. Ovo predviđanje je bila prva potvrda opšte teorije relativnosti, budući da se vrednost precesije koju je Ajnštajn izveo 1916. godine u potpunosti poklapala sa anomalnom precesijom Merkurovog perihela. Na taj način je riješen problem nebeske mehanike, poznat u to vrijeme.

Kasnije je uočena i relativistička precesija perihela u blizini Venere, Zemlje, asteroida Ikar i kao jači efekat u sistemima dvostrukih pulsara. Za otkriće i istraživanje prvog dvostrukog pulsara PSR B1913+16 1974. godine, R. Hulse i D. Taylor dobili su Nobelovu nagradu 1993. godine.

SRT dokaz

Specijalna teorija relativnosti leži u osnovi cijele moderne fizike. Stoga, ne postoji poseban eksperiment koji „dokazuje“ SRT. Čitav korpus eksperimentalnih podataka u fizici visokih energija, nuklearnoj fizici, spektroskopiji, astrofizici, elektrodinamici i drugim oblastima fizike u skladu je s teorijom relativnosti u granicama eksperimentalne točnosti. Na primjer, u kvantnoj elektrodinamici (kombinacija STR, kvantne teorije i Maxwellovih jednadžbi), vrijednost anomalnog magnetskog momenta elektrona poklapa se sa teorijskim predviđanjem sa relativnom tačnošću od 10? 9.

U stvari, SRT je inženjerska nauka. Njegove formule se koriste u proračunu akceleratora čestica. Obrada ogromne količine podataka o sudarima čestica koje se kreću relativističkim brzinama u elektromagnetnim poljima zasniva se na zakonima relativističke dinamike, odstupanja od kojih nisu otkrivena. Korekcije koje proizlaze iz SRT i GTR koriste se u satelitskim navigacijskim sistemima (GPS). SRT je osnova nuklearne energije itd.