Speciālā relativitātes teorija . Speciālā relativitātes teorija (STR), ko Einšteins publicēja 1905. gadā, apraksta relativistiskus procesus un parādības un izpaužas ātrumos, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Lai izveidotu SRT, Einšteins pieņēma divi postulāti: 1) gaismas ātrums visās inerciālajās atskaites sistēmās paliek nemainīgs; 2) dabas likumi visās inerciālajās atskaites sistēmās ir nemainīgi (vienādi). Turklāt viņš pielietoja holandiešu teorētiskā fiziķa pārvērtības Hendriks Lorencs.

Telpas un laika attiecības izpaužas četrdimensiju laiktelpā. Šīs attiecības ir skaidri atspoguļotas formulā attālumam (-iem) starp diviem notikumiem četrdimensiju telpa:

kur ir laiks, ∆ℓ ir attālums starp diviem punktiem collā trīsdimensiju telpa.

Pārvēršana Lorencs satur arī attiecības starp telpu un laiku attiecību veidā starp nekustīgu (K) un braucošu (K 1) atskaites sistēmu koordinātām x 1 = γּ(x─ ) un t 1 = γּ(t─ ), kur γ = 1/- sauca relativistiskais koeficients. Lorencs atrada izteiksmes γ, pamatojoties uz transformācijas linearitāti un gaismas ātruma noturību kustīgās (K 1) un nekustīgās (K) atskaites sistēmās.

Izmantojot Lorenca transformāciju, Einšteins radīja vispārējo relativitāti, saskaņā ar kuru kustīga ķermeņa garums samazinās likumā:

Ar ātrumu kustīga ķermeņa masa palielināsies likumā:

Kustīgā pulksteņa laika plūsma palēninās likumā:

τ = τ 0 ּ ,

Nākamais piemērs skaidrāk parāda laika palēnināšanos, pārvietojoties lielā ātrumā. Teiksim, kosmosa kuģis startēja ar ātrumu 0,99 km/s un atgriezās pēc 50 gadiem. Saskaņā ar STO datiem, saskaņā ar astronauta pulksteņa datiem, šis lidojums ilga tikai vienu gadu. Ja astronauts 20 gadu vecumā uz Zemes atstāja tikko dzimušu dēlu, tad 50 gadus vecais dēls tiksies ar savu 21 gadu veco tēvu.

SRT ieguva šādu aizstāšanas formulu ātrumu summēšanas likums:

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

ja ķermenis pārvietojas ar gaismas ātrumu =s. un atskaites rāmis kustas ar gaismas ātrumu u= c, tad mēs iegūstam: 1 = Ar. Līdz ar to gaismas ātrums palika nemainīgs neatkarīgi no atskaites kadra ātruma.

Vispārējā relativitātes teorija . Atsauces sistēmās, kas pārvietojas ar paātrinājumu, netiek ievērots ne inerces princips, ne mehānikas likumi. Bija nepieciešams izveidot teoriju, kas apraksta ķermeņa kustības neinerciālās atskaites sistēmās. Einšteins paveica šo uzdevumu, kad viņš radīja vispārējā relativitātes teorija(OTO).

GTR Einšteins paplašina relativitātes principu uz neinerciālām atskaites sistēmām. Viņš pieņem, ka ķermeņa gravitācijas un inerciālās masas ir līdzvērtīgas. Vēl 1890. gadā ungāru fiziķis L. Eotvos ar augstu precizitāti tika apstiprināta ķermeņa gravitācijas un inerces masas līdz 10 -9 līdzvērtība. Šis apgalvojums par gravitācijas un inerciālās masas līdzvērtību bija vispārējās relativitātes teorijas pamatā.

Vispārējā relativitāte parādīja, ka telpa ap masas koncentrāciju, savīti un tai ir Rīmaņa telpas raksturs. Vispārējā relativitāte aizstāj Ņūtona universālās gravitācijas likumu ar Einšteina relativistisko gravitācijas likumu, no kura izriet Ņūtona likums konkrētajā gadījumā. 1919. un 1922. gadā pētīta saules aptumsuma laikā stara novirze, kas nāk no tālām zvaigznēm, no taisnuma Saules gravitācijas laukā. Eksperimenti ir parādījuši telpas izliekums netālu no Saules un tādējādi pierādīja vispārējās relativitātes teorijas pareizību.

Vispārējā relativitāte apraksta relativistiskos gravitācijas likumus kā matērijas ietekmi uz telpas un laika īpašībām. Un telpas un laika īpašības ietekmē tajās notiekošos fiziskos procesus. Tāpēc materiāla punkta kustība četrdimensiju telpā notiek pa izliektās telpas ģeodēzisko līniju. Līdz ar to materiāla punkta kustības vienādojums apraksta izliektās telpas ģeodēzisko līniju. Einšteins atrada šo vienādojumu. Tas sastāv no 10 vienādojumi. Šajos vienādojumos gravitācijas lauks ir aprakstīts, izmantojot 10 lauka potenciālus. Vispārējās relativitātes teorijas matemātiskais aparāts ir sarežģīts gandrīz visas problēmas, kas saistītas ar vispārējo relativitāti, izņemot visvienkāršākos. Tāpēc zinātnieki joprojām cenšas izprast vispārējās relativitātes teorijas nozīmi.

Ņūtona darbs ir lielas zinātniskas revolūcijas piemērs, radikālas izmaiņas gandrīz visās dabaszinātņu zinātniskajās koncepcijās. No Ņūtona laikiem radās klasiskās fizikas paradigma, kas gandrīz 250 gadus kļuva par galveno un noteicošo uzskatu sistēmu zinātnē.

Ņūtona sekotāji sāka jēgpilni pilnveidot viņa atklātās konstantes. Pamazām sāka veidoties zinātniskās skolas, tika izveidotas novērošanas un analīzes metodes, dažādu dabas parādību klasifikācija. Instrumentus un zinātnisko aprīkojumu sāka ražot rūpnīcā. Periodiskie izdevumi sāka izdoties daudzās dabaszinātņu nozarēs. Zinātne ir kļuvusi par vissvarīgāko cilvēka darbības nozari.

Tātad Ņūtona mehānika un kosmoloģija nostiprinājās kā jauna pasaules uzskata pamats, aizstājot Aristoteļa mācību un viduslaiku skolas konstrukcijas, kas dominēja vairāk nekā tūkstoš gadus.

Tomēr līdz 19. gadsimta beigām sāka parādīties fakti, kas bija pretrunā dominējošajai paradigmai. Un galvenās neatbilstības atkal tika novērotas fizikā, tolaik visdinamiskāk attīstošajā zinātnē.

Klasisks šīs situācijas piemērs ir lorda Kelvina (Viljams Tomsons) izteikums, kurš 19. gadsimta pašās beigās atzīmēja, ka “to gadu klasiskās fizikas skaidrajās un mirdzošajās debesīs bija tikai divi mazi mākoņi”. Viens no tiem ir saistīts ar Miķelsona eksperimenta negatīvo rezultātu Zemes absolūtā ātruma noteikšanai, otrs - ar pretrunu starp teorētiskajiem un eksperimentālajiem datiem par enerģijas sadalījumu absolūtā melnā ķermeņa spektrā.

Kelvins parādīja neparastu ieskatu. Šīs neatrisinātās problēmas izraisīja gan Einšteina relativitātes teorijas, gan kvantu teorijas rašanos, kas veidoja jaunas dabaszinātņu paradigmas pamatu.

Var arī atzīmēt, ka klasiskās Ņūtona fizikas izmantošana neļāva precīzi aprēķināt Merkura orbītu, un Maksvela elektrodinamikas vienādojumi neatbilda klasiskajiem kustības likumiem.

Relativitātes teorijas radīšanas priekšnoteikums bija tieši jau minētās pretrunas. To risinājums kļuva iespējams, ieviešot jaunu relatīvistisku pieeju dabaszinātnēs.

Tas, kas parasti nav skaidri saprotams, ir fakts, ka vispārējā vēlme pēc relatīvas (vai relativistiskas) pieejas fizikālajiem likumiem sāka parādīties ļoti agrīnā mūsdienu zinātnes attīstības stadijā. Sākot ar Aristoteli, zinātnieki uzskatīja Zemi par kosmosa centrālo punktu, un sākotnējais laika moments tika uzskatīts par sākotnējo grūdienu, kas iekustināja pirmatnējo matēriju. Aristoteļa idejas viduslaiku apziņā tika pieņemtas kā absolūts, taču 15. gadsimta beigās tās jau bija nonākušas pretrunā ar novērotajām dabas parādībām. Īpaši daudz neatbilstību sakrājušās astronomijā.

Pirmo nopietno mēģinājumu atrisināt pretrunas veica Koperniks, vienkārši pieņemot, ka planētas pārvietojas ap Sauli, nevis ap Zemi. Tas ir, pirmo reizi viņš noņēma Zemi no Visuma centra un atņēma telpai tās sākumpunktu. Tas faktiski bija sākums izšķirošai visas cilvēka domāšanas pārstrukturēšanai. Lai gan Koperniks Sauli novietoja šajā centrā, viņš tomēr spēra lielu soli, lai vēlāk cilvēki saprastu, ka pat Saule var būt tikai viena no daudzajām zvaigznēm un ka neviens centrs vispār nav atrodams. Tad, dabiski, radās līdzīga doma par laiku, un Visumu sāka uzskatīt par bezgalīgu un mūžīgu, bez jebkāda radīšanas brīža un bez jebkāda “gala”, uz kuru tas virzās.

Tieši šī pāreja noved pie relativitātes teorijas rašanās. Tā kā nav priviliģētu pozīciju telpā un priviliģētu momentu laikā, tad fizikālos likumus var vienādi attiecināt uz jebkuru punktu, kas tiek uzskatīts par centru, un no tiem izriet tādi paši secinājumi. Šajā ziņā situācija būtiski atšķiras no tās, kas notiek Aristoteļa teorijā, kur, piemēram, Zemes centram tika piešķirta īpaša loma kā punktam, uz kuru tiecas visa matērija. Relativizācijas tendence vēlāk tika atspoguļota Galileja un Ņūtona likumos

Galileo izteica domu, ka kustībai ir relatīvs raksturs. Tas ir, ķermeņu vienmērīgu un taisnu kustību var noteikt tikai attiecībā pret objektu, kas nepiedalās šādā kustībā.

Iedomāsimies garīgi, ka viens vilciens pabrauc garām otram nemainīgā ātrumā un bez grūdieniem. Turklāt aizkari ir aizvērti un nekas nav redzams. Vai pasažieri var pateikt, kurš vilciens brauc un kurš stāv? Viņi var novērot tikai relatīvu kustību. Šī ir klasiskā relativitātes principa galvenā ideja.

Kustības relativitātes principa atklāšana ir viens no lielākajiem atklājumiem. Bez viņa fizikas attīstība nebūtu iespējama. Saskaņā ar Galileja hipotēzi, inerciālā kustība un atpūta nav atšķiramas pēc to ietekmes uz materiālajiem ķermeņiem. Lai pārietu uz notikumu aprakstu kustīgā atskaites rāmī, bija nepieciešams veikt koordinātu transformācijas, t.s. "Galileo pārvērtības", kas nosaukti to autora vārdā.

Ņemsim, piemēram, kādu koordinātu sistēmu X, kas saistīts ar fiksētu atskaites sistēmu. Tagad iedomāsimies objektu, kas pārvietojas pa asi X nemainīgā ātrumā v. Koordinātas X " , t" , kas ņemti attiecībā pret šo objektu, pēc tam nosaka Galilejas transformācija

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

Īpaši ievērības cienīgs ir trešais vienādojums ( t" = t), saskaņā ar kuru pulksteņa ātrums nav atkarīgs no relatīvās kustības. Viens un tas pats likums attiecas gan uz veco, gan uz jauno atsauces sistēmu. Tas ir ierobežotais relativitātes princips. Mēs to sakām tāpēc, ka mehānikas likumi tiek izteikti ar vienādām attiecībām visās atskaites sistēmās, kuras savstarpēji saistītas ar Galilejas transformācijām.

Saskaņā ar Ņūtonu, kurš izstrādāja Galileo ideju par kustības relativitāti, visi fiziskie eksperimenti, kas veikti laboratorijā, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni (inerciāla atskaites sistēma), dos tādu pašu rezultātu kā miera stāvoklī.

Kā minēts iepriekš, neskatoties uz to gadu klasiskās fizikas panākumiem, ir uzkrāti daži fakti, kas ir pretrunā ar to.

Šie jaunie dati, kas atklāti 19. gadsimtā, noveda pie Einšteina relativistiskās koncepcijas.

Revolūcija fizikā sākās ar Rēmera atklājumu. Izrādījās, ka gaismas ātrums ir ierobežots un vienāds ar aptuveni 300 000 km/sek. Pēc tam Bredrijs atklāja zvaigžņu aberācijas fenomenu. Pamatojoties uz šiem atklājumiem, tika noskaidrots, ka gaismas ātrums vakuumā ir nemainīgs un nav atkarīgs no avota un uztvērēja kustības.

Kolosālais, bet joprojām ne bezgalīgais gaismas ātrums tukšumā izraisīja konfliktu ar kustības relativitātes principu. Iedomāsimies vilcienu, kas pārvietojas ar milzīgu ātrumu – 240 000 kilometru sekundē. Būsim vilciena priekšgalā, un aizmugurē iedegas spuldzīte. Padomāsim par to, kādi varētu būt rezultāti, mērot laiku, kas vajadzīgs gaismai, lai pārvietotos no viena vilciena gala līdz otram.

Šķiet, ka šī reize atšķirsies no tās, ko iekāpjam vilcienā miera stāvoklī. Faktiski attiecībā pret vilcienu, kas pārvietojas ar ātrumu 240 000 kilometru sekundē, gaismas ātrums (uz priekšu pa vilcienu) būtu tikai 300 000 - 240 000 = 60 000 kilometru sekundē. Šķiet, ka gaisma panāk galvas automašīnas priekšējo sienu, kas bēg no tās. Ja novietotu spuldzi vilciena priekšgalā un izmērītu laiku, kas nepieciešams, lai gaisma sasniegtu pēdējo vagonu, tad varētu šķist, ka gaismas ātrumam virzienā, kas ir pretējs vilciena kustībai, jābūt 240 000 + 300 000 = 540 000 kilometru sekundē (gaisma un aizmugurējais auto virzās viens pret otru).

Tātad, izrādās, ka braucošā vilcienā gaismai būtu jāizplatās dažādos virzienos dažādos ātrumos, savukārt stāvošā vilcienā šis ātrums ir vienāds abos virzienos.

Šī iemesla dēļ Galilejas transformācijās Maksvela elektromagnētiskā lauka vienādojumiem nav nemainīgas formas. Tie apraksta gaismas un cita veida elektromagnētiskā starojuma izplatīšanos ar ātrumu, kas vienāds ar gaismas ātrumu C. Lai atrisinātu pretrunu klasiskās fizikas ietvaros, bija nepieciešams atrast priviliģētu atskaites sistēmu, kurā Maksvela vienādojumi būtu precīzi apmierināts, un gaismas ātrums būtu vienāds ar C visos virzienos . Tāpēc 19. gadsimta fiziķi postulēja ētera esamību, kura loma faktiski tika samazināta līdz fiziska pamata radīšanai šādai priviliģētai atskaites sistēmai.

Tika veikti eksperimenti, lai noteiktu Zemes kustības ātrumu caur ēteri (piemēram, Mihelsona-Morlija eksperiments). Lai to izdarītu, gaismas stars no avota, kas iet caur prizmu, tika sadalīts Zemes kustības virzienā un perpendikulāri tai. Saskaņā ar idejām, ja ātrumi ir vienādi, abi stari nonāks prizmā vienlaikus un palielināsies gaismas intensitāte. Ja ātrumi ir atšķirīgi, gaismas intensitāte vājinās. Eksperimenta rezultāts bija nulle, nebija iespējams noteikt Zemes ātrumu attiecībā pret ēteri.

Kad eksperimenti neapstiprināja vienkāršās ētera teorijas prognozes par šīs atskaites sistēmas īpašībām, H. Lorencs, atkal ar mērķi glābt klasisko fiziku, ierosināja jaunu teoriju, kas izskaidroja šādu eksperimentu negatīvos rezultātus kā izmaiņu sekas, kas rodas mērinstrumentos, kad tie pārvietojas attiecībā pret ēteri. Viņš skaidroja neatbilstību starp novērojumu rezultātiem un Ņūtona likumiem ar izmaiņām, kas rodas ar instrumentiem, pārvietojoties ar ātrumu tuvu C.

Lorencs ierosināja, ka, pārvietojoties ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, Galilejas transformācijas nevar izmantot, jo tās neņem vērā liela ātruma ietekmi. Viņa transformācijas ātrumiem, kas ir tuvu gaismas ātrumam, sauc par "Lorenca transformācijām". Galilejas transformācijas ir īpašs Lorenca transformāciju gadījums sistēmām ar mazu ātrumu.

Lorenca transformācijām ir šāda forma:

Saskaņā ar Lorenca transformācijām fizikālie lielumi - ķermeņa masa, tā garums kustības virzienā un laiks ir atkarīgi no ķermeņu kustības ātrumiem saskaņā ar šādām attiecībām:

	Kur M- ķermeņa masa	Šo Lorenca transformāciju nozīme saka: ķermeņa masas palielināšanās ātrumā tuvu gaismai ķermeņa garuma samazināšanās, pārvietojoties virzienā, kas sakrīt ar ātruma vektoru palielināt laiku starp diviem notikumiem vai palēnināt laiku
	Kur L- ķermeņa garums
	Kur ∆t – laika intervāls starp diviem notikumiem

Mēģinot atrast Lorenca atklāto modeļu fizisko nozīmi, varam pieņemt, ka x virzienā, kas sakrīt ar ātruma vektoru, visi ķermeņi ir saspiesti, un jo spēcīgāks, jo lielāks ir to kustības ātrums. Tas ir, ķermeņi piedzīvo kontrakcijas elektronu orbītu saplacināšanas dēļ. Kad tiek sasniegti sublight ātrumi, mēs varam runāt par laika dilatāciju kustīgā sistēmā. Uz šī principa balstās labi zināmais dvīņu paradokss. Ja kāds no dvīņiem uz pieciem gadiem dodas kosmosa ceļojumā uz kuģa vājā ātrumā, tad viņš atgriezīsies uz Zemes, kad viņa dvīņubrālis jau būs ļoti vecs cilvēks. Masas pieauguma ietekme uz objektu, kas pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, ir izskaidrojams ar ātri kustīga ķermeņa kinētiskās enerģijas pieaugumu. Saskaņā ar Einšteina idejām par masas un enerģijas identitāti, daļa no ķermeņa kinētiskās enerģijas kustības laikā tiek pārvērsta masā.

Ja Lorenca transformācijas piemērojam Maksvela elektrodinamikas vienādojumiem, izrādās, ka tie ir nemainīgi šādās transformācijās.

Einšteins izmantoja Lorenca transformācijas, lai izstrādātu savu relativitātes teoriju.

Telpa un laiks

Svarīgs priekšnoteikums relativitātes teorijas radīšanai bija jaunas idejas par telpas un laika īpašībām.

Parastā apziņā laiks sastāv no objektīvi pastāvošas secīgu parādību dabiskas koordinācijas. Telpiskās īpašības ir dažu ķermeņu novietojums attiecībā pret citiem un attālumi starp tiem.

Ņūtona teorētiskajā sistēmā tika skaidri formulēts pirmais zinātniskais laika jēdziens kā objektīva, neatkarīga vienība - laika substanciālais jēdziens. Šis jēdziens cēlies no senajiem atomistiem un plaukst Ņūtona doktrīnā par absolūto telpu un laiku. Pēc Ņūtona šī koncepcija bija vadošā fizikā līdz pat divdesmitā gadsimta sākumam. Ņūtons izmantoja duālu pieeju laika un telpas definēšanai. Saskaņā ar šo pieeju pastāv gan absolūtais, gan relatīvais laiks.

Absolūtais, patiesais un matemātiskais laiks pats par sevi, bez jebkādas saistības ar kaut ko ārēju, plūst vienmērīgi un tiek saukts par ilgumu.

Relatīvais, šķietamais vai parastais laiks ir ilguma mērs, ko ikdienā izmanto matemātiskā laika vietā - tā ir stunda, mēnesis, gads utt.

Absolūto laiku nevar mainīt tā plūsmā.

Ikdienas līmenī ir iespējama sistēma ilgu laika periodu skaitīšanai. Ja tā paredz dienu skaitīšanas kārtību gadā un tajā ir norādīts laikmets, tad tas ir kalendārs.

Laika relāciju jēdziens ir tikpat sens kā substanciālais jēdziens. Tas tika izstrādāts Platona un Aristoteļa darbos. Aristotelis bija pirmais, kas sniedza detalizētu priekšstatu par šo laika jēdzienu savā fizikā. Šajā koncepcijā laiks nav kaut kas patstāvīgi pastāvošs, bet gan kaut kas atvasināts no fundamentālākas vienības. Platonam laiku radījis Dievs, Aristotelim tas ir objektīvas materiālās kustības rezultāts. Jauno laiku filozofijā, sākot ar Dekartu un beidzot ar 19. gadsimta pozitīvistiem, laiks ir īpašums jeb attiecības, kas pauž dažādus cilvēka apziņas darbības aspektus.

Arī telpas problēma, rūpīgāk izpētot, izrādās sarežģīta. Telpa ir loģiski iedomājama forma, kas kalpo kā medijs, kurā pastāv citas formas un noteiktas struktūras. Piemēram, elementārajā ģeometrijā plakne ir telpa, kas kalpo kā medijs, kurā tiek konstruētas dažādas, bet plakanas figūras.

Ņūtona klasiskajā mehānikā absolūtā telpa pēc savas būtības neatkarīgi no visa ārējā vienmēr paliek nemainīga un nekustīga. Tas darbojas kā Demokrita tukšuma analogs un ir fizisko objektu dinamikas arēna.

Aristoteļa ideja par izotropo telpu atkāpās no Demokrita telpas viendabīguma un bezgalības. Pēc Aristoteļa un viņa sekotāju domām, kosmoss ieguva centru - Zemi ar sfērām, kas griežas ap to, un visattālākā zvaigžņu debess sfēra kalpoja par galīgās pasaules telpas robežu. Aristotelis noraida telpas bezgalību, bet pieturas pie bezgalīgā laika jēdziena. Šī koncepcija ir izteikta viņa idejā par Visuma sfērisko telpu, kas, lai arī ierobežota, nav ierobežota.

Klasiskā Ņūtona telpa ir balstīta uz ideju par tās viendabīgumu. Šī ir klasiskās fizikas pamatideja, kas konsekventi attīstīta Kopernika, Bruno, Galileja un Dekarta darbos. Bruno jau atteicās no idejas par Visuma centru un pasludināja to par bezgalīgu un viendabīgu. Šī ideja tika pabeigta ar Ņūtonu. Viendabīgā telpā mainās ideja par absolūtu kustību, tas ir, ķermenis tajā pārvietojas inerces dēļ. Inerces spēki nerodas, ja nav paātrinājuma. Taisnās un vienmērīgās kustības nozīme ir saistīta ar attāluma izmaiņām starp noteiktu ķermeni un patvaļīgi izvēlētu atskaites ķermeni. Taisnvirziena un vienmērīga kustība ir relatīva.

Vēsturiski pirmā un vissvarīgākā matemātiskā telpa ir plakana Eiklīda telpa, kas attēlo abstraktu reālās telpas attēlu. Šīs telpas īpašības ir aprakstītas, izmantojot 5 galvenos postulātus un 9 aksiomas. Eiklida ģeometrijā bija vājais punkts, tā sauktais piektais postulāts par nekrustojas paralēlām līnijām. Seno un jauno laiku matemātiķi nesekmīgi mēģināja pierādīt šo nostāju. 18. - 19. gadsimtā šo problēmu mēģināja atrisināt D. Sačeri, Lamberts un A. Leģendre. Neveiksmīgie mēģinājumi pierādīt 5. postulātu deva lielus ieguvumus. Matemātiķi izvēlējās Eiklīda telpas ģeometrijas jēdzienu modificēšanas ceļu. Nopietnāko modifikāciju 19. gadsimta pirmajā pusē ieviesa N. I. Lobačevskis (1792 - 1856).

Viņš nonāca pie secinājuma, ka divu paralēlu līniju aksiomas vietā var izvirzīt tieši pretēju hipotēzi un uz tās pamata izveidot konsekventu ģeometriju. Šajā jaunajā ģeometrijā daži apgalvojumi izskatījās dīvaini un pat paradoksāli. Piemēram, Eiklīda aksioma saka: plaknē caur punktu, kas neatrodas uz noteiktas taisnes, paralēli pirmajai var novilkt vienu un tikai vienu taisni. Lobačevska ģeometrijā šī aksioma ir aizstāta ar šādu: plaknē caur punktu, kas neatrodas uz noteiktas taisnes, var novilkt vairāk nekā vienu taisni, kas nekrustojas ar doto. Šajā ģeometrijā trijstūra leņķu summa ir mazāka par divām taisnēm utt. Bet, neskatoties uz ārējo paradoksu, loģiski šie apgalvojumi ir pilnīgi līdzvērtīgi eiklīda apgalvojumiem. Viņi radikāli mainīja priekšstatus par kosmosa būtību. Gandrīz vienlaikus ar Lobačevski pie līdzīgiem secinājumiem nonāca ungāru matemātiķis J. Boļajs un slavenais matemātiķis K. Gauss. Zinātnieku laikabiedri bija skeptiski noskaņoti pret ne-eiklīda ģeometriju, uzskatot to par tīru fantāziju. Tomēr romiešu matemātiķis E. Beltrami atrada modeli ne-eiklīda ģeometrijai, kas ir pseidosfēra:

Attēls 1. Pseido-sfēra

Nākamo lielo soli telpas būtības izpratnē veica B. Rīmanis (1826 - 1866). Beidzis Getingenes universitāti 1851. gadā, viņš jau 1854. gadā (28 gadi) sniedza referātu “Par ģeometrijas pamatā esošajām hipotēzēm”, kurā sniedza vispārīgu priekšstatu par matemātisko telpu, kurā atrodas Eiklida ģeometrijas. un Lobačevskis bija īpaši gadījumi. N-dimensionālajā Rīmaņa telpā visas taisnes tiek sadalītas elementārajos segmentos, kuru stāvokli nosaka koeficients g. Ja koeficients ir 0, tad visas līnijas šajā segmentā ir taisnas - darbojas Eiklida postulāti. Citos gadījumos telpa būs izliekta. Ja izliekums ir pozitīvs, tad telpu sauc par Rīmaņa sfērisku. Ja negatīvs, tā ir pseidosfēriska Lobačevska telpa. Tādējādi līdz 19. gadsimta vidum plakanās trīsdimensiju eiklīda telpas vietu ieņēma daudzdimensionāla izliekta telpa. Rīmaņa telpas jēdzieni galu galā kalpoja par vienu no galvenajiem priekšnoteikumiem Einšteina vispārējās relativitātes teorijas radīšanai.

2. att. Rīmaņa sfēriskā telpa

Galīgo relativitātes teorijas telpiski ģeometriskā fona sagatavošanu veica Einšteina tiešais skolotājs G. Minkovskis (1864 - 1909), kurš formulēja ideju par četrdimensiju telpas-laika kontinuums, apvienojot fizisko trīsdimensiju telpu un laiku. Viņš aktīvi iesaistījās kustīgu mediju elektrodinamikā, pamatojoties uz elektronisko teoriju un relativitātes principu. Viņa iegūtie vienādojumi, vēlāk saukti par Minkovska vienādojumiem, nedaudz atšķiras no Lorenca vienādojumiem, taču atbilst eksperimentāliem faktiem. Tie veido matemātisko teoriju par fizikāliem procesiem četrdimensiju telpā. Minkovska telpa ļauj vizuāli interpretēt speciālās relativitātes teorijas kinemātiskos efektus un ir mūsdienu relativitātes teorijas matemātiskā aparāta pamatā.

Šī ideja par vienotu telpu un laiku, vēlāk saukta telpas laiks, un tā būtiskā atšķirība no Ņūtona neatkarīgās telpas un laika, acīmredzot, Einšteinu notvēra ilgi pirms 1905. gada, un tā nav tieši saistīta ne ar Miķelsona eksperimentu, ne ar Lorenca-Puankarē teoriju.

1905. gadā Alberts Einšteins publicēja rakstu “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku” žurnālā “Annals of Physics” un vēl vienu nelielu rakstu, kurā pirmo reizi tika parādīta formula. E=mc2. Kā viņi vēlāk sāka teikt, šī ir mūsu gadsimta galvenā formula.

Rakstā par elektrodinamiku ir izklāstīta teorija, kas izslēdz priviliģētas koordinātu sistēmas pastāvēšanu taisnai un vienmērīgai kustībai. Einšteina teorija izslēdz laiku, kas nav atkarīgs no telpiskās atskaites sistēmas, un atsakās no klasiskā ātruma pievienošanas likuma. Einšteins pieņēma, ka gaismas ātrums ir nemainīgs un atspoguļo ātruma ierobežojumu dabā. Viņš sauca šo teoriju "Speciālā relativitātes teorija".

Einšteins izstrādāja savu teoriju, pamatojoties uz šādiem pamata postulātiem:

• likumi, saskaņā ar kuriem mainās fizisko sistēmu stāvokļi, nav atkarīgi no tā, uz kuru no abām koordinātu sistēmām, pārvietojoties viena pret otru vienmērīgi un taisni, šīs izmaiņas attiecas. Līdz ar to nav vēlama atskaites sistēmas vienmērīgai un taisnvirziena kustībai. relativitātes princips
• Katrs gaismas stars kustas stacionārā koordinātu sistēmā ar noteiktu ātrumu neatkarīgi no tā, vai šo gaismas staru izstaro nekustīgs vai kustīgs avots. Šis ātrums ir maksimālais mijiedarbības ātrums dabā - postulāts par gaismas ātruma noturību

No šiem postulātiem izriet divas sekas:

• ja notikumi 1. kadrā notiek vienā punktā un ir vienlaicīgi, tad tie nav vienlaicīgi citā inerciālajā atskaites sistēmā. Tas ir vienlaicības relativitātes princips
• jebkuram ātrumam 1 un 2 to summa nevar būt lielāka par gaismas ātrumu. Šis ir ātrumu saskaitīšanas relativistiskais likums

Šie postulāti – relativitātes princips un gaismas ātruma noturības princips – ir Einšteina īpašās relativitātes teorijas pamatā. No tiem viņš iegūst garuma relativitāti un laika relativitāti.

Einšteina pieejas būtība bija ideju par absolūto telpu un laiku noraidīšana, uz kurām balstās ētera hipotēze. Tā vietā tika pieņemta relāciju pieeja elektromagnētiskajām parādībām un elektromagnētiskā starojuma izplatībai. Ņūtona kustības likumi tika izteikti ar vienādām attiecībām visās vienmērīgi kustīgās sistēmās, kuras savstarpēji saistītas ar Galilejas transformācijām, un novērotās gaismas ātruma vērtības nemainības likums tika izteikts ar vienādu attiecību visās vienmērīgi kustīgās sistēmās, kuras savstarpēji saistītas ar Lorenca transformācijām.

Tomēr Ņūtona kustības likumi Lorenca transformācijās nav nemainīgi. No tā izriet, ka Ņūtona likumi nevar būt īsti mehānikas likumi (tie ir tikai aptuveni, spēkā ierobežojošā gadījumā, kad attiecība v/c tiecas uz nulli).

Taču speciālā relativitātes teorija ir derīga arī ierobežotiem apstākļiem – vienmērīgi kustīgām sistēmām.

Einšteins turpināja speciālās relativitātes teorijas attīstību savā darbā “Ķermeņa smaguma centra un inerces kustības saglabāšanas likums”. Par pamatu viņš ņēma Maksvela secinājumu, ka gaismas staram ir masa, tas ir, kustoties, tas izdara spiedienu uz šķērsli. Šo pieņēmumu eksperimentāli pierādīja P. N. Ļebedevs. Savā darbā Einšteins pamatoja attiecības starp masu un enerģiju. Viņš nonāca pie secinājuma, ka tad, kad ķermenis izstaro enerģiju L, tā masa samazinās par summu, kas vienāda ar L / V2. No tā tika izdarīts vispārējs secinājums - ķermeņa masa ir tajā esošās enerģijas mērs. Ja enerģija mainās par daudzumu, kas vienāds ar L, tad masa attiecīgi mainās par summu L, kas dalīta ar gaismas ātruma kvadrātu. Šādi pirmo reizi parādās Einšteina slavenā sakarība E = MC2.

1911.-1916.gadā Einšteinam izdevās vispārināt relativitātes teoriju. 1905. gadā radītā teorija, kā jau minēts, tika saukta par speciālo relativitātes teoriju, jo. tas bija derīgs tikai taisnai un vienmērīgai kustībai.

Vispārējā relativitātes teorijā atklājās jauni telpas-laika attiecību un materiālo procesu atkarības aspekti. Šī teorija nodrošināja fizisko pamatu ne-eiklīda ģeometrijām un saistīja telpas izliekumu un tās metrikas novirzi no eiklīda ar ķermeņu masu radīto gravitācijas lauku darbību.

Vispārējā relativitātes teorija balstās uz inerciālo un gravitācijas masu ekvivalences principu, kura kvantitatīvā vienlīdzība jau sen tika noteikta klasiskajā fizikā. Kinemātiskie efekti, kas rodas gravitācijas spēku ietekmē, ir līdzvērtīgi efektiem, kas rodas paātrinājuma ietekmē. Tātad, ja raķete paceļas ar 3 g paātrinājumu, tad raķetes apkalpe jutīsies tā, it kā atrastos trīskāršā Zemes gravitācijas laukā.

Klasiskā mehānika nevarēja izskaidrot, kāpēc inerci un smagumu mēra ar vienu un to pašu lielumu - masu, kāpēc smagā masa ir proporcionāla inerciālajai masai, kāpēc, citiem vārdiem sakot, ķermeņi krīt ar tādu pašu paātrinājumu. No otras puses, klasiskā mehānika, skaidrojot inerces spēkus ar paātrinātu kustību absolūtā telpā, uzskatīja, ka šī absolūtā telpa iedarbojas uz ķermeņiem, bet to neietekmē. Tas noveda pie inerciālo sistēmu identificēšanas kā īpašas sistēmas, kurās tiek ievēroti tikai mehānikas likumi. Einšteins paziņoja, ka sistēmas paātrinātā kustība ārpus gravitācijas lauka un inerciālā kustība gravitācijas laukā ir principiāli neatšķirama. Paātrinājums un gravitācija rada fiziski neatšķiramas sekas.

Šo faktu būtībā konstatēja Galileo: visi ķermeņi pārvietojas gravitācijas laukā (ja nav vides pretestības) ar vienādu paātrinājumu, visu ķermeņu trajektorijas ar noteiktu ātrumu gravitācijas laukā ir vienādi izliektas. Sakarā ar to neviens eksperiments nevar atklāt gravitācijas lauku brīvi krītošā liftā. Citiem vārdiem sakot, atskaites sistēmā, kas brīvi pārvietojas gravitācijas laukā nelielā laika telpas reģionā, gravitācijas nav. Pēdējais apgalvojums ir viens no līdzvērtības principa formulējumiem. Šis princips izskaidro bezsvara fenomenu kosmosa kuģos.

Ja mēs ekvivalences principu attiecinām uz optiskām parādībām, tas radīs vairākas svarīgas sekas. Šī ir sarkanās nobīdes un gaismas stara novirzes parādība gravitācijas lauka ietekmē. Sarkanās nobīdes efekts rodas, ja gaisma tiek virzīta no punkta ar lielāku gravitācijas potenciālu uz punktiem ar mazāku gravitācijas potenciālu. Tas ir, šajā gadījumā tā frekvence samazinās un viļņa garums palielinās un otrādi. Piemēram, uz Zemes krītošā saules gaisma šeit ieradīsies ar mainītu frekvenci, kurā spektra līnijas nobīdīsies uz spektra sarkano daļu.

Secinājums par gaismas frekvences izmaiņām gravitācijas laukā ir saistīts ar laika dilatācijas efektu lielu gravitācijas masu tuvumā. Kur ēnu lauki ir lielāki, pulkstenis darbojas lēnāk.

Tādējādi ir iegūts jauns fundamentāls rezultāts - gaismas ātrums vairs nav nemainīgs lielums, bet palielinās vai samazinās gravitācijas laukā atkarībā no tā, vai gaismas stara virziens sakrīt ar gravitācijas lauka virzienu.

Jaunā teorija nedaudz mainīja Ņūtona teoriju kvantitatīvi, taču tā ieviesa dziļas kvalitatīvas izmaiņas. Ķermeņu un pulksteņu inerce, gravitācija un metriskā uzvedība tika samazināta līdz vienai lauka īpašībai, un vispārinātais inerces likums pārņēma kustības likuma lomu. Tajā pašā laikā tika parādīts, ka telpa un laiks nav absolūtas kategorijas - ķermeņi un to masas tos ietekmē un maina to metriku.

Kā var iedomāties telpas izliekumu un laika dilatāciju, par ko runā vispārējā relativitātes teorijā?

Iedomāsimies telpas modeli gumijas loksnes formā (pat ja tā nav visa telpa, bet tās plaknes šķēle). Ja izstiepsim šo palagu horizontāli un uzliksim uz tās lielas bumbiņas, tad tās salocīs gumiju, jo vairāk, jo lielāka bumbiņas masa. Tas skaidri parāda telpas izliekuma atkarību no ķermeņa masas, kā arī parāda, kā var attēlot Lobačevska un Rīmaņa ne-eiklīda ģeometrijas.

Relativitātes teorija noteica ne tikai telpas izliekumu gravitācijas lauku ietekmē, bet arī laika palēnināšanos spēcīgā gravitācijas laukā. Gaismai, kas pārvietojas pa kosmosa viļņiem, ir nepieciešams ilgāks laiks, nekā tas pārvietojas pa plakanu telpas daļu. Viena no fantastiskākajām vispārējās relativitātes teorijas prognozēm ir pilnīga laika apstāšanās ļoti spēcīgā gravitācijas laukā. Laika dilatācija izpaužas gaismas gravitācijas sarkanajā nobīdē: jo spēcīgāka ir gravitācija, jo garāks ir viļņa garums un zemāka frekvence. Noteiktos apstākļos viļņa garums var būt līdz bezgalībai, bet tā frekvence - līdz nullei. Tie. gaisma pazudīs.

Ar mūsu Saules izstaroto gaismu tas varētu notikt, ja mūsu zvaigzne saruktu un pārvērstos par bumbu ar diametru 5 km (Saules diametrs ir » 1,5 miljoni km). Saule pārvērstos par "melno caurumu". Sākumā “melnie caurumi” tika prognozēti teorētiski. Tomēr 1993. gadā diviem astronomiem Hulsam un Teiloram tika piešķirta Nobela prēmija par šāda objekta atklāšanu Melnā cauruma-Pulsāra sistēmā. Šī objekta atklāšana bija vēl viens Einšteina vispārējās relativitātes teorijas apstiprinājums.

Vispārējā relativitāte spēja izskaidrot neatbilstību starp aprēķinātajām un patiesajām Merkura orbītām. Tajā planētu orbītas nav slēgtas, tas ir, pēc katras apgrieziena planēta atgriežas citā kosmosa punktā. Aprēķinātā Merkura orbīta deva kļūdu 43??, tas ir, tika novērota tā perihēlija rotācija (perihēlijs ir planētas orbītas punkts, kas riņķo ap to vistuvāk Saulei.).

Tikai vispārējā relativitātes teorija šo efektu varētu izskaidrot ar telpas izliekumu Saules gravitācijas masas ietekmē.

Relativitātes teorijā formulētās idejas par telpu un laiku ir viskonsekventākās un konsekventākās. Bet viņi paļaujas uz makrokosmu, uz pieredzi, pētot lielus objektus, lielus attālumus, lielus laika periodus. Veidojot teorijas, kas apraksta mikropasaules parādības, Einšteina teorija var nebūt piemērojama, lai gan nav eksperimentālu datu, kas būtu pretrunā ar tās izmantošanu mikropasaulē. Taču iespējams, ka kvantu jēdzienu attīstība prasīs pārskatīt telpas un laika fizikas izpratni.

Pašlaik vispārējā relativitātes teorija ir zinātniskajā pasaulē vispārpieņemta teorija, kas apraksta laikā un telpā notiekošos procesus. Bet, tāpat kā jebkura zinātniska teorija, tā atbilst zināšanu līmenim konkrētajā periodā. Uzkrājoties jaunai informācijai un iegūstot jaunus eksperimentālos datus, jebkura teorija var tikt atspēkota.

Vispārējā un speciālā relativitātes teorija (jaunā telpas un laika teorija) noveda pie tā, ka visas atskaites sistēmas kļuva vienādas, tāpēc visām mūsu idejām ir jēga tikai noteiktā atskaites sistēmā. Pasaules attēls ieguva relatīvu, relatīvu raksturu, tika modificētas galvenās idejas par telpu, laiku, cēloņsakarību, nepārtrauktību, tika noraidīta nepārprotama subjekta un objekta opozīcija, uztvere izrādījās atkarīga no atskaites sistēmas, kas ietver gan subjekts un objekts, novērošanas metode utt.)

Balstoties uz jaunu relativistisku pieeju dabas uztverei, tika formulēta jauna, trešā dabaszinātņu paradigma zinātnes vēsturē. Tas ir balstīts uz šādām idejām:

• Ø Relatīvisms– jaunā zinātniskā paradigma atteicās no idejas par absolūtām zināšanām. Visi zinātnieku atklātie fizikālie likumi ir objektīvi noteiktā laikā. Zinātne nodarbojas ar ierobežotiem un aptuveniem jēdzieniem un tikai cenšas saprast patiesību.
• Ø Neodeterminisms- nelineārais determinisms. Vissvarīgākais determinisma kā nelineāra izpratnes aspekts ir piespiedu cēloņsakarības idejas noraidīšana, kas paredz tā sauktā ārēja cēloņa klātbūtni notiekošajiem dabas procesiem. Analizējot dabas procesu norisi, gan nepieciešamība, gan nejaušība saņem vienādas tiesības.
• Ø Globālais evolucionisms– ideja par dabu kā pastāvīgi attīstošu, dinamisku sistēmu. Zinātne sāka pētīt dabu ne tikai no tās struktūras viedokļa, bet arī no tajā notiekošajiem procesiem. Vienlaikus priekšroka tiek dota dabā notiekošo procesu izpētei.
• Ø Holisms- redzējums par pasauli kā vienotu veselumu. Šī veseluma elementu savienojuma universālais raksturs (obligāts savienojums).
• Ø Sinerģija– kā pētniecības metode, kā universāls pašorganizācijas un atvērto sistēmu attīstības princips.
• Ø Saprātīga līdzsvara noteikšana starp analīzi un sintēzi, pētot dabu. Mācība saprata, ka dabu nav iespējams bezgalīgi sasmalcināt mazākajos ķieģeļos. Tās īpašības var izprast tikai caur dabas dinamiku kopumā.
• Ø Apgalvojums, ka dabas evolūcija notiek četrdimensiju telpas-laika kontinuumā.

Relativitātes teoriju 20. gadsimta sākumā ieviesa Alberts Einšteins. Kāda ir tā būtība? Apskatīsim galvenos punktus un skaidrā valodā aprakstīsim TOE.

Relativitātes teorija praktiski novērsa 20. gadsimta fizikas neatbilstības un pretrunas, piespieda radikāli mainīt laika telpas struktūras ideju un tika eksperimentāli apstiprināta daudzos eksperimentos un pētījumos.

Tādējādi TOE veidoja visu mūsdienu fundamentālo fizisko teoriju pamatu. Patiesībā šī ir mūsdienu fizikas māte!

Vispirms ir vērts atzīmēt, ka ir 2 relativitātes teorijas:

• Speciālā relativitātes teorija (STR) – aplūko fizikālos procesus vienmērīgi kustīgos objektos.
• Vispārējā relativitāte (GTR) - apraksta paātrinātus objektus un izskaidro tādu parādību izcelsmi kā gravitācija un esamība.

Ir skaidrs, ka STR parādījās agrāk un būtībā ir daļa no GTR. Vispirms parunāsim par viņu.

STO vienkāršos vārdos

Teorija balstās uz relativitātes principu, saskaņā ar kuru jebkuri dabas likumi ir vienādi attiecībā uz ķermeņiem, kas ir nekustīgi un pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Un no tik šķietami vienkāršas domas izriet, ka gaismas ātrums (300 000 m/s vakuumā) visiem ķermeņiem ir vienāds.

Piemēram, iedomājieties, ka jums ir dots kosmosa kuģis no tālās nākotnes, kas var lidot lielā ātrumā. Kuģa priekšgalā ir uzstādīts lāzera lielgabals, kas spēj raidīt fotonus uz priekšu.

Salīdzinot ar kuģi, šādas daļiņas lido ar gaismas ātrumu, bet attiecībā pret stacionāru novērotāju šķiet, ka tām vajadzētu lidot ātrāk, jo abi ātrumi tiek summēti.

Tomēr patiesībā tas nenotiek! Ārējais novērotājs redz fotonus, kas pārvietojas ar ātrumu 300 000 m/s, it kā tiem nebūtu pievienots kosmosa kuģa ātrums.

Jums jāatceras: attiecībā pret jebkuru ķermeni gaismas ātrums būs nemainīga vērtība neatkarīgi no tā, cik ātri tas kustas.

No tā izriet pārsteidzoši secinājumi, piemēram, laika paplašināšanās, gareniskā kontrakcija un ķermeņa svara atkarība no ātruma. Vairāk par īpašās relativitātes teorijas interesantākajām sekām lasiet rakstā zemāk esošajā saitē.

Vispārējās relativitātes teorijas (GR) būtība

Lai to labāk saprastu, mums vēlreiz jāapvieno divi fakti:

• Mēs dzīvojam četrdimensiju telpā

Telpa un laiks ir vienas un tās pašas būtnes izpausmes, ko sauc par "telpas-laika kontinuumu". Tas ir 4-dimensiju telpas laiks ar koordinātu asīm x, y, z un t.

Mēs, cilvēki, nespējam vienādi uztvert 4 dimensijas. Būtībā mēs redzam tikai reāla četrdimensiju objekta projekcijas telpā un laikā.

Interesanti, ka relativitātes teorijā nav teikts, ka ķermeņi mainās, kad tie pārvietojas. 4-dimensiju objekti vienmēr paliek nemainīgi, bet ar relatīvu kustību to projekcijas var mainīties. Un mēs to uztveram kā laika palēnināšanos, izmēra samazināšanos utt.

• Visi ķermeņi krīt ar nemainīgu ātrumu un nepaātrinās

Veiksim biedējošu domu eksperimentu. Iedomājieties, ka braucat slēgtā liftā un esat bezsvara stāvoklī.

Šāda situācija var rasties tikai divu iemeslu dēļ: vai nu jūs atrodaties kosmosā, vai arī jūs brīvi krītat kopā ar kabīni zemes gravitācijas ietekmē.

Neskatoties ārā no kabīnes, ir absolūti neiespējami atšķirt šos divus gadījumus. Vienkārši vienā gadījumā jūs lidojat vienmērīgi, bet otrā - ar paātrinājumu. Jums būs jāuzmin!

Varbūt pats Alberts Einšteins domāja par iedomātu liftu, un viņam radās viena apbrīnojama doma: ja šos divus gadījumus nevar atšķirt, tad arī kritiens gravitācijas dēļ ir vienveidīga kustība. Kustība ir vienkārši viendabīga četrdimensiju laiktelpā, bet masīvu ķermeņu klātbūtnē (piemēram), tā ir izliekta un vienmērīga kustība tiek projicēta mūsu ierastajā trīsdimensiju telpā paātrinātas kustības veidā.

Apskatīsim vēl vienu vienkāršāku, lai arī ne gluži pareizu divdimensiju telpas izliekuma piemēru.

Varat iedomāties, ka jebkurš masīvs ķermenis zem tā izveido sava veida piltuvi. Tad citi garām lidojošie ķermeņi nevarēs turpināt kustību pa taisnu līniju un mainīs savu trajektoriju atbilstoši izliektās telpas līkumiem.

Starp citu, ja ķermenim nav daudz enerģijas, tad tā kustība var izrādīties slēgta.

Ir vērts atzīmēt, ka no kustīgo ķermeņu viedokļa tie turpina kustēties taisnā līnijā, jo nejūt neko tādu, kas liek griezties. Viņi tikko nokļuva izliektā telpā un, to neapzinoties, tiem ir nelineāra trajektorija.

Jāņem vērā, ka ir saliektas 4 dimensijas, ieskaitot laiku, tāpēc pret šo analoģiju jāizturas piesardzīgi.

Tādējādi vispārējā relativitātes teorijā gravitācija vispār nav spēks, bet gan tikai telpas-laika izliekuma sekas. Šobrīd šī teorija ir darba versija par gravitācijas izcelsmi un lieliski saskan ar eksperimentiem.

Pārsteidzošas vispārējās relativitātes teorijas sekas

Gaismas stari var saliekties, lidojot masīvu ķermeņu tuvumā. Patiešām, kosmosā ir atrasti attāli objekti, kas “slēpjas” aiz citiem, bet ap tiem liecas gaismas stari, pateicoties kuriem gaisma sasniedz mūs.

Saskaņā ar vispārējo relativitāti, jo spēcīgāka ir gravitācija, jo lēnāk paiet laiks. Šis fakts ir jāņem vērā, darbojoties ar GPS un GLONASS, jo to satelīti ir aprīkoti ar visprecīzākajiem atompulksteņiem, kas tikšķ nedaudz ātrāk nekā uz Zemes. Ja šo faktu neņem vērā, tad dienas laikā koordinātu kļūda būs 10 km.

Pateicoties Albertam Einšteinam, jūs varat saprast, kur tuvumā atrodas bibliotēka vai veikals.

Un visbeidzot, vispārējā relativitāte paredz melno caurumu esamību, ap kuriem gravitācija ir tik spēcīga, ka laiks vienkārši apstājas tuvumā. Tāpēc gaisma, kas iekrīt melnajā caurumā, nevar to atstāt (atspīdēt).

Melnā cauruma centrā kolosālas gravitācijas saspiešanas rezultātā veidojas objekts ar bezgala augstu blīvumu, un tas, šķiet, nevar pastāvēt.

Tādējādi vispārējā relativitāte var novest pie ļoti pretrunīgiem secinājumiem, atšķirībā no , tāpēc lielākā daļa fiziķu to pilnībā nepieņēma un turpināja meklēt alternatīvu.

Taču viņai izdodas daudz ko prognozēt veiksmīgi, piemēram, nesenais sensacionālais atklājums apstiprināja relativitātes teoriju un lika mums vēlreiz atcerēties dižo zinātnieku ar izkārušos mēli. Ja jums patīk zinātne, izlasiet WikiScience.

SRT, TOE - šie saīsinājumi slēpj pazīstamo terminu “relativitātes teorija”, kas ir pazīstams gandrīz ikvienam. Vienkāršā valodā visu var izskaidrot, pat ģēnija apgalvojumu, tāpēc nekrītiet izmisumā, ja neatceraties savu skolas fizikas kursu, jo patiesībā viss ir daudz vienkāršāk, nekā šķiet.

Teorijas izcelsme

Tātad, sāksim kursu "Relativitātes teorija manekeniem". Alberts Einšteins savu darbu publicēja 1905. gadā, un tas izraisīja zinātnieku satraukumu. Šī teorija gandrīz pilnībā aptvēra daudzas pagājušā gadsimta fizikas nepilnības un neatbilstības, taču papildus visam pārējam tā radīja revolūciju telpas un laika idejā. Daudziem Einšteina izteikumiem viņa laikabiedriem bija grūti noticēt, taču eksperimenti un pētījumi tikai apstiprināja izcilā zinātnieka vārdus.

Einšteina relativitātes teorija vienkāršā izteiksmē izskaidroja to, ar ko cilvēki bija cīnījušies gadsimtiem ilgi. To var saukt par visas mūsdienu fizikas pamatu. Taču, pirms turpināt sarunu par relativitātes teoriju, būtu jātiek skaidrībā ar terminu jautājumu. Protams, daudzi, lasot populārzinātniskus rakstus, ir saskārušies ar diviem saīsinājumiem: STO un GTO. Patiesībā tie ietver nedaudz atšķirīgus jēdzienus. Pirmā ir īpašā relativitātes teorija, bet otrā apzīmē "vispārējo relativitāti".

Vienkārši kaut kas sarežģīts

STR ir senāka teorija, kas vēlāk kļuva par GTR daļu. Tas var ņemt vērā tikai fiziskos procesus objektiem, kas pārvietojas ar vienmērīgu ātrumu. Vispārējā teorija var aprakstīt, kas notiek ar objektiem, kas paātrinās, kā arī izskaidrot, kāpēc pastāv gravitona daļiņas un gravitācija.

Ja jums jāapraksta kustība un arī telpas un laika attiecības, tuvojoties gaismas ātrumam, to var izdarīt īpašā relativitātes teorija. Vienkāršos vārdos to var izskaidrot šādi: piemēram, draugi no nākotnes jums uzdāvināja kosmosa kuģi, kas spēj lidot lielā ātrumā. Uz kosmosa kuģa deguna ir lielgabals, kas spēj šaut fotonus uz visu, kas nāk priekšā.

Kad tiek izšauts šāviens, šīs daļiņas attiecībā pret kuģi lido ar gaismas ātrumu, bet loģiski, ka stacionāram novērotājam vajadzētu redzēt divu ātrumu (pašu fotonu un kuģa) summu. Bet nekā tāda. Novērotājs redzēs fotonus, kas pārvietojas ar ātrumu 300 000 m/s, it kā kuģa ātrums būtu nulle.

Lieta tāda, ka neatkarīgi no tā, cik ātri objekts kustas, gaismas ātrums tam ir nemainīga vērtība.

Šis apgalvojums ir pamats pārsteidzošiem loģiskiem secinājumiem, piemēram, laika palēnināšanai un izkropļošanai atkarībā no objekta masas un ātruma. Uz to ir balstīti daudzu zinātniskās fantastikas filmu un seriālu sižeti.

Vispārējā relativitātes teorija

Vienkāršā valodā var izskaidrot apjomīgāku vispārējo relativitāti. Vispirms mums jāņem vērā fakts, ka mūsu telpa ir četrdimensiju. Laiks un telpa ir apvienoti tādā “subjektā” kā “telpas-laika kontinuums”. Mūsu telpā ir četras koordinātu asis: x, y, z un t.

Bet cilvēki nevar tieši uztvert četras dimensijas, tāpat kā hipotētisks dzīvoklis, kas dzīvo divdimensiju pasaulē, nevar skatīties uz augšu. Patiesībā mūsu pasaule ir tikai četrdimensiju telpas projekcija trīsdimensiju telpā.

Interesants fakts ir tas, ka saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju ķermeņi nemainās, kad tie pārvietojas. Četrdimensiju pasaules objekti patiesībā vienmēr ir nemainīgi, un, kad tie pārvietojas, mainās tikai to projekcijas, ko mēs uztveram kā laika izkropļojumu, izmēra samazināšanos vai palielināšanos utt.

Lifta eksperiments

Relativitātes teoriju var izskaidrot vienkārši, izmantojot nelielu domu eksperimentu. Iedomājieties, ka atrodaties liftā. Kabīne sāka kustēties, un tu nonāci bezsvara stāvoklī. Kas notika? Var būt divi iemesli: vai nu lifts atrodas kosmosā, vai arī tas ir brīvā kritienā planētas gravitācijas ietekmē. Interesantākais ir tas, ka bezsvara stāvokļa cēloni nav iespējams noskaidrot, ja nav iespējams paskatīties no lifta kabīnes, proti, abi procesi izskatās vienādi.

Varbūt pēc līdzīga domu eksperimenta veikšanas Alberts Einšteins nonāca pie secinājuma, ka, ja šīs divas situācijas nav atšķiramas viena no otras, tad patiesībā ķermenis gravitācijas ietekmē netiek paātrināts, tā ir viendabīga kustība, kas reibumā ir izliekta. masīva ķermeņa (šajā gadījumā planētas). Tādējādi paātrināta kustība ir tikai vienmērīgas kustības projekcija trīsdimensiju telpā.

Labs piemērs

Vēl viens labs piemērs par tēmu "Relativitāte manekeniem". Tas nav pilnīgi pareizi, bet tas ir ļoti vienkārši un skaidri. Ja jūs uzliekat kādu priekšmetu uz izstiepta auduma, tas veido “novirzi” vai “piltuvi” zem tā. Visi mazākie ķermeņi būs spiesti izkropļot savu trajektoriju atbilstoši jaunajam telpas līkumam, un, ja ķermenim ir maz enerģijas, tas var nepārvarēt šo piltuvi vispār. Tomēr no paša kustīgā objekta viedokļa trajektorija paliek taisna, viņi nejutīs telpas izliekumu.

Gravitācija "pazemināta"

Līdz ar vispārējās relativitātes teorijas parādīšanos gravitācija ir pārstājusi būt spēks un tagad ir apmierināta ar vienkāršām laika un telpas izliekuma sekām. Vispārējā relativitāte var šķist fantastiska, taču tā ir darba versija, un to apstiprina eksperimenti.

Relativitātes teorija var izskaidrot daudzas šķietami neticamas lietas mūsu pasaulē. Vienkārši izsakoties, šādas lietas sauc par vispārējās relativitātes teorijas sekām. Piemēram, gaismas stari, kas lido tuvu masīviem ķermeņiem, ir saliekti. Turklāt daudzi objekti no dziļā kosmosa ir paslēpti viens aiz otra, taču, pateicoties tam, ka gaismas stari liecas ap citiem ķermeņiem, šķietami neredzami objekti ir pieejami mūsu acīm (precīzāk, teleskopa acīm). Tas ir kā skatīties caur sienām.

Jo lielāka ir gravitācija, jo lēnāks laiks plūst uz objekta virsmas. Tas attiecas ne tikai uz masīviem ķermeņiem, piemēram, neitronu zvaigznēm vai melnajiem caurumiem. Laika dilatācijas efektu var novērot pat uz Zemes. Piemēram, satelītnavigācijas ierīces ir aprīkotas ar ļoti precīziem atompulksteņiem. Viņi atrodas mūsu planētas orbītā, un laiks tur rit nedaudz ātrāk. Sekunžu simtdaļas dienā veidos skaitli, kas radīs līdz 10 km kļūdu maršruta aprēķinos uz Zemes. Tā ir relativitātes teorija, kas ļauj mums aprēķināt šo kļūdu.

Vienkārši sakot, mēs to varam izteikt šādi: vispārējā relativitāte ir daudzu mūsdienu tehnoloģiju pamatā, un, pateicoties Einšteinam, mēs varam viegli atrast picēriju un bibliotēku nepazīstamā vietā.

Kā vispārējā relativitāte atšķiras no speciālās relativitātes teorijas?

Speciālā relativitātes teorija (STR) (īpaša relativitātes teorija; relativistiskā mehānika) ir teorija, kas apraksta kustību, mehānikas likumus un telpas-laika attiecības kustības ātrumos, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Speciālās relativitātes teorijas ietvaros klasiskā Ņūtona mehānika ir zema ātruma tuvinājums. STR vispārinājumu gravitācijas laukiem sauc par vispārējo relativitāti.

Vispārējā relativitātes teorija ir ģeometriskā gravitācijas teorija, kas izstrādā speciālo relativitātes teoriju (STR), ko publicēja Alberts Einšteins 1915.–1916. Vispārējās relativitātes teorijas ietvaros, tāpat kā citās metriskajās teorijās, tiek postulēts, ka gravitācijas efektus izraisa nevis ķermeņu un lauku spēku mijiedarbība, kas atrodas telpā-laikā, bet gan pašas telpas-laika deformācija, kas rada iespaidu, ka gravitācijas ietekme ir iespējama. jo īpaši ir saistīts ar masas enerģijas klātbūtni. Vispārējā relativitāte atšķiras no citām gravitācijas metriskajām teorijām, izmantojot Einšteina vienādojumus, lai saistītu telpas laika izliekumu ar tajā esošo vielu.

Sniedziet eksperimentālus pierādījumus par Einšteina teorijas pamatotību.

Vispārējās relativitātes teorijas pierādījumi

Efekti, kas saistīti ar atskaites kadru paātrinājumu

Pirmais no šiem efektiem ir gravitācijas laika dilatācija, kuras dēļ jebkurš pulkstenis darbosies lēnāk, jo dziļāk gravitācijas caurumā (tuvāk gravitācijas ķermenim) tas atrodas. Šis efekts tika tieši apstiprināts Hafele-Kītinga eksperimentā, kā arī eksperimentā Gravity Probe A, un tas tiek pastāvīgi apstiprināts GPS.

Tieši saistīta ietekme ir gaismas gravitācijas sarkanā nobīde. Šo efektu saprot kā gaismas frekvences samazināšanos attiecībā pret lokālo pulksteni (attiecīgi spektra līniju nobīde uz spektra sarkano galu attiecībā pret vietējo mērogu), kad gaisma izplatās no gravitācijas akas uz āru (no apgabals ar zemāku gravitācijas potenciālu uz apgabalu ar lielāku potenciālu) /

Gravitācijas laika dilatācija ietver citu efektu, ko sauc par Šapiro efektu (pazīstams arī kā gravitācijas signāla aizkave). Šī efekta dēļ elektromagnētiskie signāli gravitācijas laukā pārvietojas ilgāk nekā tad, ja šī lauka nav. Šī parādība tika atklāta, radara izsekojot Saules sistēmas planētas un kosmosa kuģus, kas iet aiz Saules, kā arī novērojot signālus no dubultpulsāriem.

Slavenākais vispārējās relativitātes tests bija iespējams, pateicoties pilnīgam Saules aptumsumam 1919. gadā. Arturs Edingtons parādīja, ka zvaigznes gaisma ir saliekta Saules tuvumā tieši tā, kā to paredz vispārējā relativitāte.

Gaismas ceļa izliekums notiek jebkurā paātrinātā atskaites rāmī. Novērotās trajektorijas detalizētais izskats un gravitācijas lēcas efekti tomēr ir atkarīgi no telpas laika izliekuma. Einšteins uzzināja par šo efektu 1911. gadā, un, kad viņš heiristiski aprēķināja trajektoriju izliekuma lielumu, tas izrādījās tāds pats, kā klasiskā mehānika paredzēja daļiņām, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu. 1916. gadā Einšteins atklāja, ka patiesībā vispārējā relativitātes teorijā leņķiskā nobīde gaismas izplatīšanās virzienā ir divas reizes lielāka nekā Ņūtona teorijā, atšķirībā no iepriekšējā apsvēruma. Tādējādi šī prognoze kļuva par vēl vienu veidu, kā pārbaudīt vispārējo relativitāti.

Kopš 1919. gada šī parādība ir apstiprināta ar astronomiskiem zvaigžņu novērojumiem Saules aptumsumu laikā, kā arī ar augstu precizitāti pārbaudīta ar radio interferometriskiem kvazāru novērojumiem, kas šķērso Sauli tās ceļā gar ekliptiku.

Visbeidzot, jebkura zvaigzne var palielināt spilgtumu, kad tai priekšā iet kompakts, masīvs objekts. Šajā gadījumā tālās zvaigznes attēlus, kas ir palielināti un izkropļoti gaismas gravitācijas novirzes dēļ, nevar atrisināt (tie atrodas pārāk tuvu viens otram), un vienkārši tiek novērots zvaigznes spilgtuma pieaugums. Šo efektu sauc par mikrolēcu, un tagad tas regulāri tiek novērots projektu ietvaros, kas pēta mūsu Galaktikas neredzamos ķermeņus, gravitācijas mikrolēcas gaismā no zvaigznēm - MASNO, EROS (angļu val.) un citiem.

Orbītas efekti

Vispārējā relativitāte koriģē Ņūtona debesu mehānikas teorijas prognozes attiecībā uz gravitācijas sistēmu saistītu sistēmu dinamiku: Saules sistēma, dubultzvaigznes utt.

Vispārējās relativitātes teorijas pirmais efekts bija tāds, ka visu planētu orbītu perihēlijas precesēs, jo Ņūtona gravitācijas potenciālam būtu neliela relatīvistiska piedeva, kas novedīs pie atvērtu orbītu veidošanās. Šis pareģojums bija pirmais vispārējās relativitātes teorijas apstiprinājums, jo precesijas vērtība, ko Einšteins atvasināja 1916. gadā, pilnībā sakrita ar Merkura perihēlija anomālo precesiju. Tādā veidā tika atrisināta tolaik zināmā debesu mehānikas problēma.

Vēlāk relativistiskā perihēlija precesija tika novērota arī pie Veneras, Zemes, asteroīda Ikara un kā spēcīgāka ietekme dubultpulsāru sistēmās. Par pirmā dubultpulsāra PSR B1913+16 atklāšanu un izpēti 1974. gadā R. Hulse un D. Teilors 1993. gadā saņēma Nobela prēmiju.

SRT pierādījums

Speciālā relativitāte ir visas mūsdienu fizikas pamatā. Tāpēc nav atsevišķa eksperimenta, kas "pierāda" SRT. Viss eksperimentālo datu kopums augstas enerģijas fizikā, kodolfizikā, spektroskopijā, astrofizikā, elektrodinamikā un citās fizikas jomās atbilst relativitātes teorijai eksperimentālās precizitātes robežās. Piemēram, kvantu elektrodinamikā (STR, kvantu teorijas un Maksvela vienādojumu kombinācija) elektrona anomālā magnētiskā momenta vērtība sakrīt ar teorētisko prognozi ar relatīvo precizitāti 10? 9.

Faktiski SRT ir inženierzinātne. Tās formulas tiek izmantotas daļiņu paātrinātāju aprēķinā. Milzīgu datu apjomu apstrāde par daļiņu sadursmēm, kas pārvietojas ar relatīvistisko ātrumu elektromagnētiskajos laukos, balstās uz relatīvistiskās dinamikas likumiem, no kuriem novirzes nav konstatētas. Korekcijas, kas izriet no SRT un GTR, tiek izmantotas satelītu navigācijas sistēmās (GPS). SRT ir kodolenerģijas pamats utt.