Särskild relativitetsteori . Den speciella relativitetsteorin (STR), publicerad av Einstein 1905, beskriver relativistiska processer och fenomen och manifesterar sig i hastigheter nära ljusets hastighet. För att skapa SRT antog Einstein två postulat: 1) ljusets hastighet i alla tröghetsreferensramar förblir konstant; 2) naturlagarna i alla tröghetsreferensramar är invarianta (samma). Dessutom tillämpade han omvandlingarna av den holländska teoretiska fysikern Hendrik Lorenz.

Förhållandet mellan rum och tid manifesteras i fyrdimensionell rum-tid. Detta förhållande återspeglas tydligt i formeln för avståndet (s) mellan två händelser i fyrdimensionell Plats:

var är tiden, ∆ℓ är avståndet mellan två punkter i tredimensionell Plats.

Omvandling Lorenz innehåller även förhållandet mellan rum och tid i form av ett förhållande mellan koordinaterna för icke-rörliga (K) och drivande (K 1) referenssystem x 1 = γּ(x─ ) och t 1 = γּ(t─ ), var γ = 1/- ringde relativistisk koefficient. Lorentz hittade uttryck för γ baserat på transformationens linjäritet och ljusets hastighets konstantitet i rörliga (K 1) och icke-rörliga (K) referenssystem.

Genom att använda Lorentz-transformationen skapade Einstein generell relativitetsteori, enligt vilken längden på en rörlig kropp minskar i lagen:

Massan av en kropp som rör sig i en hastighet kommer att öka i lagen:

Tidsflöde av rörlig klocka saktar ner i lagen:

τ = τ 0 ּ ,

Följande exempel visar tydligare tidens avmattning när du rör dig i höga hastigheter. Låt oss säga att ett rymdskepp lanserades med en hastighet av 0,99 km/s och återvände efter 50 år. Enligt STO, enligt astronautens klocka, varade denna flygning bara ett år. Om en astronaut vid 20 års ålder lämnade en nyfödd son på jorden, då kommer den 50-årige sonen att träffa sin 21-åriga far.

SRT erhöll följande ersättningsformel lagen om summering av hastigheter:

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

om en kropp rör sig med ljusets hastighet =s. och referensramen rör sig med ljusets hastighet u= c, då får vi: 1 = Med. Följaktligen förblev ljusets hastighet konstant, oavsett hastigheten på referensramen.

Allmän relativitetsteori . I referenssystem som rör sig med acceleration är varken tröghetsprincipen eller mekanikens lagar uppfyllda. Det fanns ett behov av att skapa en teori som beskriver en kropps rörelser i icke-tröghetsreferenssystem. Einstein utförde denna uppgift när han skapade allmän relativitetsteori(OTO).

I GTR Einstein utvidgar relativitetsprincipen till icke-tröghetsreferensramar. Han antar att en kropps gravitations- och tröghetsmassa är ekvivalenta. Tillbaka 1890, den ungerske fysikern L. Eotvos ekvivalensen av kroppens gravitations- och tröghetsmassa upp till 10 -9 bekräftades med hög noggrannhet. Detta uttalande om ekvivalensen av gravitations- och tröghetsmassa var grunden för den allmänna relativitetsteorien.

Allmän relativitetsteori visade att utrymmet runt masskoncentrationen, vriden och har karaktären av ett Riemann-utrymme. Allmän relativitet ersätter Newtons universella gravitationslag med Einsteins relativistiska gravitationslag, från vilken Newtons lag i ett särskilt fall följer. 1919 och 1922 studeras under en solförmörkelse strålavböjning, kommer från avlägsna stjärnor, från rakhet i solens gravitationsfält. Experiment har visat utrymmets krökning nära solen och därigenom bevisade riktigheten av den allmänna relativitetsteorien.

Allmän relativitet beskriver de relativistiska gravitationslagarna som materiens inflytande på rummets och tidens egenskaper. Och rummets och tidens egenskaper påverkar de fysiska processer som sker i dem. Därför sker rörelsen av en materialpunkt i fyrdimensionell rymd längs den geodetiska linjen av krökt rymd. Följaktligen beskriver rörelseekvationen för en materialpunkt den geodetiska linjen i det krökta rummet. Einstein hittade denna ekvation. Den består av 10 ekvationer. I dessa ekvationer beskrivs gravitationsfältet med hjälp av 10 fältpotentialer. Den generella relativitetsteoriens matematiska apparat är komplex nästan alla problem som är förknippade med allmän relativitetsteori kan ännu inte lösas, förutom de enklaste. Därför försöker forskare fortfarande förstå innebörden av allmän relativitet.

Newtons arbete är ett exempel på en stor vetenskaplig revolution, en radikal förändring av nästan alla naturvetenskapliga idéer. Från Newtons tid uppstod den klassiska fysikens paradigm och blev det huvudsakliga och definierande synsättet inom vetenskapen i nästan 250 år.

Newtons anhängare började på ett meningsfullt sätt förfina de konstanter han upptäckte. Gradvis började vetenskapliga skolor bildas, metoder för observation och analys och klassificering av olika naturfenomen etablerades. Instrument och vetenskaplig utrustning började tillverkas på ett fabriksmässigt sätt. Tidskrifter började publiceras inom många grenar av naturvetenskapen. Vetenskapen har blivit den viktigaste grenen av mänsklig verksamhet.

Så, Newtonsk mekanik och kosmologi etablerade sig som grunden för en ny världsbild, och ersatte Aristoteles lära och medeltida skolastiska konstruktioner som hade dominerat i mer än tusen år.

Men i slutet av 1800-talet började det dyka upp fakta som motsade det dominerande paradigmet. Och de viktigaste inkonsekvenserna observerades återigen i fysiken, den mest dynamiskt utvecklande vetenskapen vid den tiden.

Ett klassiskt exempel på denna situation är uttalandet av Lord Kelvin (William Thomson), som i slutet av 1800-talet noterade att "på den klara och lysande himlen av klassisk fysik under dessa år fanns det bara två små moln." En av dem är förknippad med det negativa resultatet av Michelsons experiment för att bestämma jordens absoluta hastighet, den andra är med motsägelsen mellan teoretiska och experimentella data om fördelningen av energi i spektrumet av en absolut svart kropp.

Kelvin visade enastående insikt. Dessa olösta problem ledde till uppkomsten av både Einsteins relativitetsteori och kvantteorin, som låg till grund för ett nytt naturvetenskapligt paradigm.

Det kan också noteras att användningen av klassisk newtonsk fysik inte gjorde det möjligt att exakt beräkna Merkurius omloppsbana, och Maxwells elektrodynamiska ekvationer motsvarade inte de klassiska rörelselagarna.

Förutsättningen för skapandet av relativitetsteorin var just de redan nämnda motsättningarna. Deras lösning blev möjlig med införandet av en ny relativistisk syn på naturvetenskapen.

Vad som vanligtvis inte förstås tydligt är det faktum att den allmänna önskan om ett relativt (eller relativistiskt) förhållningssätt till fysiska lagar började dyka upp på ett mycket tidigt stadium i utvecklingen av modern vetenskap. Från och med Aristoteles ansåg forskare att jorden var den centrala punkten i rymden, och det första ögonblicket ansågs vara det första trycket som satte den ursprungliga materien i rörelse. Aristoteles idéer accepterades som absoluta i det medeltida medvetandet, men i slutet av 1400-talet hade de redan kommit i konflikt med observerade naturfenomen. Särskilt många inkonsekvenser har ackumulerats inom astronomi.

Det första allvarliga försöket att lösa motsägelserna gjordes av Kopernikus, helt enkelt genom att acceptera att planeterna rör sig runt solen, och inte runt jorden. Det vill säga, för första gången tog han bort jorden från universums centrum och berövade rymden dess utgångspunkt. Detta var i själva verket början på en avgörande omstrukturering av allt mänskligt tänkande. Även om Copernicus placerade solen i detta centrum tog han ändå ett stort steg mot att se till att senare människor insåg att till och med solen bara kunde vara en av många stjärnor och att inget centrum alls kunde hittas. Sedan uppstod naturligtvis en liknande tanke om tiden, och universum började ses som oändligt och evigt, utan något skapelseögonblick och utan något "slut" mot vilket det rör sig.

Det är denna övergång som leder till ursprunget till relativitetsteorin. Eftersom det inte finns några privilegierade positioner i rymden och privilegierade ögonblick i tiden, så kan fysiska lagar tillämpas lika på vilken punkt som helst som tas som centrum, och samma slutsatser kommer att följa av dem. I detta avseende är situationen fundamentalt annorlunda än den som utspelar sig i Aristoteles teori, där till exempel jordens centrum tilldelades en speciell roll som den punkt dit all materia tenderar. Tendensen till relativisering återspeglades senare i Galileos och Newtons lagar

Galileo uttryckte idén att rörelse är relativ till sin natur. Det vill säga, den enhetliga och rätlinjiga rörelsen hos kroppar kan endast bestämmas i förhållande till ett föremål som inte deltar i en sådan rörelse.

Låt oss föreställa oss mentalt att ett tåg passerar ett annat med konstant hastighet och utan ryck. Dessutom är gardinerna stängda och ingenting syns. Kan passagerare se vilket tåg som rör sig och vilket som står stilla? De kan bara observera relativ rörelse. Detta är huvudtanken i den klassiska relativitetsprincipen.

Upptäckten av principen om rörelserelativitet är en av de största upptäckterna. Utan honom hade fysikens utveckling varit omöjlig. Enligt Galileos hypotes är tröghetsrörelse och vila omöjliga att skilja i sina effekter på materiella kroppar. För att gå vidare till beskrivningen av händelser i en rörlig referensram var det nödvändigt att genomföra koordinattransformationer, kallad "Galileos förvandlingar", uppkallad efter deras författare.

Låt oss ta till exempel något koordinatsystem X, associerad med ett fast referenssystem. Låt oss nu föreställa oss ett föremål som rör sig längs axeln X vid konstant hastighet v. Koordinater X " , t", taget i förhållande till detta objekt, bestäms sedan av den galileiska transformationen

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

Särskilt anmärkningsvärt är den tredje ekvationen ( t" = t) enligt vilken klockfrekvensen inte beror på relativ rörelse. Samma lag gäller både i den gamla och i den nya referensramen. Detta är den begränsade relativitetsprincipen. Vi säger detta eftersom mekanikens lagar uttrycks av samma relationer i alla referenssystem som är sammankopplade av galileiska transformationer.

Enligt Newton, som utvecklade Galileos idé om rörelsens relativitet, kommer alla fysiska experiment som utförs i ett laboratorium som rör sig enhetligt och rätlinjigt (en tröghetsreferensram) att ge samma resultat som om det vore i vila.

Som tidigare nämnts, trots framgångarna med klassisk fysik under dessa år, har vissa fakta samlats som motsäger den.

Dessa nya data, som upptäcktes på 1800-talet, ledde till Einsteins relativistiska koncept.

Revolutionen inom fysiken började med Roemers upptäckt. Det visade sig att ljusets hastighet är ändlig och lika med ungefär 300 000 km/sek. Bradry upptäckte då fenomenet stjärnaberration. Baserat på dessa upptäckter slogs det fast att ljusets hastighet i vakuum är konstant och inte beror på källans och mottagarens rörelse.

Den kolossala, men ändå inte oändliga ljushastigheten i tomheten ledde till en konflikt med principen om rörelserelativitet. Låt oss föreställa oss ett tåg som rör sig i enorm hastighet - 240 000 kilometer per sekund. Låt oss stå i spetsen för tåget, och en glödlampa tänds i svansen. Låt oss fundera på vad som kan bli resultatet av att mäta den tid det tar ljus att resa från ena änden av tåget till den andra.

Den här gången, verkar det som, kommer att vara annorlunda än den vi får i ett tåg i vila. I själva verket, i förhållande till ett tåg som rör sig med en hastighet av 240 000 kilometer per sekund, skulle ljuset ha en hastighet (framåt längs tåget) på endast 300 000 - 240 000 = 60 000 kilometer per sekund. Ljuset verkar komma ikapp med frontväggen på huvudbilen som springer iväg från den. Om du placerar en glödlampa i spetsen på ett tåg och mäter tiden det tar för ljuset att nå den sista vagnen, så verkar det som att ljusets hastighet i motsatt riktning mot tågets rörelse borde vara 240 000 + 300 000 = 540 000 kilometer per sekund (Ljuset och bakvagnen rör sig mot varandra).

Så det visar sig att i ett tåg i rörelse skulle ljuset behöva spridas i olika riktningar med olika hastigheter, medan i ett stillastående tåg är denna hastighet densamma i båda riktningarna.

Det är av denna anledning som, under galileiska transformationer, Maxwells ekvationer för det elektromagnetiska fältet inte har en invariant form. De beskriver utbredningen av ljus och andra typer av elektromagnetisk strålning med hastigheter lika med ljusets hastighet C. För att lösa motsägelsen inom ramen för klassisk fysik var det nödvändigt att hitta en privilegierad referensram där Maxwells ekvationer skulle vara exakt uppfyllda, och ljusets hastighet skulle vara lika med C i alla riktningar. Därför postulerade fysiker på 1800-talet existensen av en eter, vars roll faktiskt reducerades till att skapa en fysisk grund för en sådan privilegierad referensram.

Experiment utfördes för att bestämma hastigheten på jordens rörelse genom etern (som Michelson-Morley-experimentet). För att göra detta delades en ljusstråle från en källa, som passerade genom ett prisma, i riktning mot jordens rörelse och vinkelrätt mot den. Enligt idéer, om hastigheterna är desamma, kommer båda strålarna att anlända till prismat samtidigt och ljusets intensitet kommer att öka. Om hastigheterna är olika kommer ljusintensiteten att försvagas. Resultatet av experimentet var noll det var omöjligt att bestämma jordens hastighet i förhållande till etern.

När experimenten inte bekräftade förutsägelserna från den enkla teorin om etern om egenskaperna hos detta referenssystem, föreslog H. Lorentz, återigen med målet att rädda klassisk fysik, en ny teori som förklarade de negativa resultaten av sådana experiment som en konsekvens av förändringar som sker i mätinstrument när de rör sig i förhållande till etern. Han förklarade diskrepansen mellan observationsresultaten och Newtons lagar med förändringar som sker med instrument när de rör sig i hastigheter nära C.

Lorentz föreslog att när man rör sig i hastigheter nära ljusets hastighet kan galileiska transformationer inte användas, eftersom de inte tar hänsyn till effekten av höga hastigheter. Hans transformationer, för hastigheter nära ljusets hastighet, kallas "Lorentz-transformationer". Galileiska transformationer är ett specialfall av Lorentz-transformationer för system med låga hastigheter.

Lorentz-transformationer har formen:

I enlighet med Lorentz-transformationer beror fysiska kvantiteter - en kropps massa, dess längd i rörelseriktningen och tiden på kropparnas rörelsehastigheter enligt följande relationer:

	Var M- kroppsmassa	Innebörden av dessa Lorentz-transformationer säger: ökning av kroppsvikt vid hastigheter nära ljuset minskning av kroppslängd vid rörelse i en riktning som sammanfaller med hastighetsvektorn öka tiden mellan två händelser eller sakta ner tiden
	Var L- kroppslängd
	Var ∆t – tidsintervall mellan två händelser

När vi försöker hitta den fysiska innebörden av mönstren som upptäcktes av Lorentz, kan vi anta att i x-riktningen, som sammanfaller med hastighetsvektorn, är alla kroppar komprimerade, och ju starkare desto högre hastighet på deras rörelse. Det vill säga, kroppar upplever sammandragning på grund av tillplattning av elektronbanor. När underljushastigheter uppnås kan vi prata om tidsutvidgning i ett rörligt system. Den välkända tvillingparadoxen bygger på denna princip. Om en av tvillingarna åker på en rymdresa under en period av fem år på ett fartyg i underljushastighet, kommer han att återvända till jorden när hans tvillingbror redan är en mycket gammal person. Effekten av att öka massan på ett föremål som rör sig med hastigheter nära ljusets hastighet kan förklaras av ökningen av kinetisk energi hos en snabbrörlig kropp. I enlighet med Einsteins idéer om massans och energins identitet omvandlas en del av en kropps kinetiska energi till dess massa under rörelse.

Om vi ​​tillämpar Lorentz-transformationer på Maxwells elektrodynamiska ekvationer, visar det sig att de är invarianta under sådana transformationer.

Einstein använde Lorentz-transformationer för att utveckla sin relativitetsteori.

Rum och tid

En viktig förutsättning för skapandet av relativitetsteorin var nya idéer om rummets och tidens egenskaper.

I det vanliga medvetandet består tiden av en objektivt existerande naturlig koordination av successiva fenomen. Rumsliga egenskaper är positionerna för vissa kroppar i förhållande till andra och avstånden mellan dem.

I Newtons teoretiska system formulerades det första vetenskapliga begreppet tid som en objektiv, oberoende enhet tydligt – det substantiella begreppet tid. Detta koncept härstammar från de antika atomisterna och blomstrar i Newtons doktrin om absolut rum och tid. Efter Newton var det detta koncept som var ledande inom fysiken fram till början av 1900-talet. Newton tog ett dubbelt tillvägagångssätt för att definiera tid och rum. Enligt detta synsätt finns det både absolut och relativ tid.

Absolut, sann och matematisk tid i sig, utan någon relation till något yttre, flyter enhetligt och kallas varaktighet.

Relativ, skenbar eller vanlig tid är ett mått på varaktighet som används i vardagen istället för matematisk tid - detta är en timme, månad, år, etc.

Absolut tid kan inte ändras i dess flöde.

På vardagsnivå är ett system för att räkna långa tidsperioder möjligt. Om det föreskriver ordningen för att räkna dagar på ett år och eran anges i den, är det en kalender.

Det relationella begreppet tid är lika gammalt som det substantiella begreppet. Det utvecklades i verk av Platon och Aristoteles. Aristoteles var den första som gav en detaljerad uppfattning om detta tidsbegrepp i sin fysik. I detta koncept är tid inte något som existerar självständigt, utan är något som härrör från en mer fundamental enhet. För Platon skapades tiden av Gud, för Aristoteles är den resultatet av objektiv materiell rörelse. I den moderna tidens filosofi, som börjar med Descartes och slutar med 1800-talets positivister, är tiden en egenskap eller ett förhållande som uttrycker olika aspekter av det mänskliga medvetandets aktivitet.

Problemet med utrymme visar sig vid närmare granskning också vara svårt. Rymden är en logiskt tänkbar form som fungerar som ett medium där andra former och vissa strukturer existerar. Till exempel, i elementär geometri, är ett plan ett utrymme som fungerar som ett medium där olika men platta figurer konstrueras.

I Newtons klassiska mekanik förblir det absoluta rummet, genom sitt väsen, oberoende av något yttre, alltid detsamma och orörligt. Det fungerar som en analog till Demokritos tomhet och är arenan för fysiska objekts dynamik.

Aristoteles idé om det isotropiska rummet avvek från homogeniteten och oändligheten i Demokrits rymd. Enligt Aristoteles och hans anhängare fick rymden ett centrum - jorden, med sfärer som kretsar runt den, med den mest avlägsna himmelska sfären av stjärnor som tjänade som gränsen för den slutliga världsrymden. Aristoteles förkastar rymdens oändlighet, men håller fast vid begreppet oändlig tid. Detta koncept uttrycks i hans idé om universums sfäriska utrymme, som, även om det är begränsat, inte är ändligt.

Klassiskt Newtonskt utrymme är baserat på idén om dess homogenitet. Detta är grundidén för klassisk fysik, konsekvent utvecklad i verk av Copernicus, Bruno, Galileo och Descartes. Bruno övergav redan idén om universums centrum och förklarade den oändlig och homogen. Denna idé nådde sin fullbordan med Newton. I ett homogent utrymme förändras idén om absolut rörelse, det vill säga kroppen i den rör sig på grund av tröghet. Tröghetskrafter uppstår inte i frånvaro av acceleration. Innebörden av rätlinjig och enhetlig rörelse handlar om att ändra avståndet mellan en given kropp och en godtyckligt vald referenskropp. Rätlinjig och enhetlig rörelse är relativ.

Historiskt sett är det första och viktigaste matematiska rummet det platta euklidiska rummet, som representerar en abstrakt bild av det verkliga rummet. Egenskaperna för detta utrymme beskrivs med hjälp av 5 huvudpostulat och 9 axiom. Det fanns en svag punkt i Euklids geometri, det så kallade femte postulatet om icke-korsande parallella linjer. Matematiker från antiken och modern tid försökte utan framgång bevisa denna position. På 1700 - 1800-talen försökte D. Saccheri, Lambert och A. Legendre lösa detta problem. Misslyckade försök att bevisa det 5:e postulatet gav stora fördelar. Matematiker tog vägen att modifiera begreppen om geometrin i det euklidiska rummet. Den allvarligaste modifieringen infördes under första hälften av 1800-talet av N. I. Lobachevsky (1792 - 1856).

Han kom till slutsatsen att man istället för två parallella linjers axiom kan lägga fram en rakt motsatt hypotes och på grundval av den skapa en konsekvent geometri. I denna nya geometri såg vissa uttalanden konstiga och till och med paradoxala ut. Till exempel säger det euklidiska axiomet: i ett plan, genom en punkt som inte ligger på en given linje, kan en och endast en linje dras parallellt med den första. I Lobatsjovskijs geometri ersätts detta axiom med följande: i ett plan, genom en punkt som inte ligger på en given linje, kan mer än en rät linje dras som inte skär den givna. I denna geometri är summan av vinklarna i en triangel mindre än två räta linjer, etc. Men trots den yttre paradoxen är dessa uttalanden logiskt sett helt likvärdiga med de euklidiska. De förändrade radikalt idéer om rymdens natur. Nästan samtidigt med Lobachevsky kom den ungerske matematikern J. Bolyai och den berömde matematikern K. Gauss till liknande slutsatser. Samtida forskare var skeptiska till icke-euklidisk geometri och ansåg att det var ren fantasi. Den romerske matematikern E. Beltrami hittade dock en modell för icke-euklidisk geometri, som är pseudosfären:

Figur 1. Pseudo-sfär

Nästa stora steg för att förstå rymdens natur gjordes av B. Riemann (1826 - 1866). Efter att ha tagit examen från universitetet i Göttingen 1851, gav han redan 1854 (28 år gammal) en rapport "Om hypoteserna bakom geometrin", där han gav en allmän uppfattning om det matematiska rummet, där Euklids geometrier och Lobatsjovskij var specialfall. I det n-dimensionella Riemann-utrymmet är alla linjer indelade i elementära segment, vars tillstånd bestäms av koefficienten g. Om koefficienten är 0, är ​​alla linjer på detta segment raka - Euklids postulat fungerar. I andra fall kommer utrymmet att vara krökt. Om krökningen är positiv kallas utrymmet Riemannsk sfäriskt. Om det är negativt är det ett pseudosfäriskt Lobatsjovskij-rum. I mitten av 1800-talet upptogs således platsen för det platta tredimensionella euklidiska rymden av flerdimensionellt krökt rymd. Begreppen Riemannska rymden fungerade i slutändan som en av huvudförutsättningarna för Einsteins skapande av den allmänna relativitetsteorin.

Fig 2 Riemannskt sfäriskt utrymme

Den slutliga förberedelsen av den rumslig-geometriska bakgrunden till relativitetsteorin gavs av Einsteins närmaste lärare G. Minkowski (1864 - 1909), som formulerade idén om fyrdimensionell rum-tid kontinuum, som förenar fysiskt tredimensionellt rum och tid. Han var aktivt involverad i elektrodynamiken hos rörliga medier baserad på elektronisk teori och relativitetsprincipen. Ekvationerna han fick, senare kallade Minkowski-ekvationerna, skiljer sig något från Lorentz-ekvationerna, men överensstämmer med experimentella fakta. De utgör en matematisk teori om fysiska processer i fyrdimensionellt rum. Minkowski space gör det möjligt att visuellt tolka de kinematiska effekterna av den speciella relativitetsteorin, och ligger till grund för relativitetsteorins moderna matematiska apparat.

Denna idé om ett enda rum och tid, senare kallad rumtid, och dess grundläggande skillnad från Newtonskt oberoende rum och tid, uppenbarligen fångade Einstein långt före 1905, och är inte direkt relaterad till vare sig Michelson-experimentet eller Lorentz-Poincaré-teorin.

1905 publicerade Albert Einstein en artikel "On the electrodynamics of moving bodies" i tidskriften "Annals of Physics" och en annan liten artikel där formeln först visades E=mc2. Som de senare började säga är detta huvudformeln för vårt århundrade.

Artikeln om elektrodynamik presenterar en teori som utesluter existensen av ett privilegierat koordinatsystem för rätlinjig och enhetlig rörelse. Einsteins teori utesluter tid oberoende av det rumsliga referenssystemet och överger den klassiska regeln att addera hastigheter. Einstein antog att ljusets hastighet är konstant och representerar hastighetsgränsen i naturen. Han kallade denna teori "Särskild relativitetsteori".

Einstein utvecklade sin teori utifrån följande grundläggande postulat:

• de lagar enligt vilka de fysiska systemens tillstånd förändras beror inte på vilket av de två koordinatsystemen, som rör sig i förhållande till varandra enhetligt och rätlinjigt, dessa förändringar hänför sig till. Följaktligen finns det ingen föredragen referensram för enhetlig och rätlinjig rörelse - relativitetsprincipen
• Varje ljusstråle rör sig i ett stationärt koordinatsystem med en viss hastighet, oavsett om denna ljusstråle emitteras av en stationär eller rörlig källa. Denna hastighet är den maximala hastigheten för interaktioner i naturen - postulat om ljusets hastighets konstanthet

Två följder framgår av dessa postulat:

• om händelser i bildruta 1 inträffar vid en punkt och är samtidiga, är de inte samtidiga i en annan tröghetsram. Detta är principen om relativitet av samtidighet
• för alla hastigheter 1 och 2 kan summan inte vara större än ljusets hastighet. Detta är den relativistiska lagen för addition av hastigheter

Dessa postulat – relativitetsprincipen och principen om ljusets hastighets konstanthet – är grunden för Einsteins speciella relativitetsteori. Av dessa får han längdernas relativitet och tidens relativitet.

Kärnan i Einsteins tillvägagångssätt var förkastandet av idéer om absolut rum och tid, som eterhypotesen bygger på. Istället antogs ett relationellt förhållningssätt till elektromagnetiska fenomen och spridningen av elektromagnetisk strålning. Newtons rörelselagar uttrycktes av samma relationer i alla enhetligt rörliga system sammankopplade av galileiska transformationer, och lagen om invarians för det observerade värdet av ljusets hastighet uttrycktes av samma relation i alla enhetligt rörliga system sammankopplade av Lorentz-transformationer.

Emellertid är Newtons rörelselagar inte oföränderliga under Lorentz-transformationer. Härav följer att Newtons lagar inte kan vara mekanikens sanna lagar (de är endast ungefärliga, giltiga i det begränsande fallet när förhållandet v/c tenderar till noll).

Den speciella relativitetsteorin är dock giltig även för begränsade förhållanden - för system som rör sig enhetligt.

Einstein fortsatte utvecklingen av den speciella relativitetsteorin i sitt arbete "The Law of Conservation of Motion of the Gravity Center and Inertia of a Body." Han tog som grund Maxwells slutsats att en ljusstråle har massa, det vill säga när den rör sig utövar den ett tryck på ett hinder. Detta antagande bevisades experimentellt av P.N. I sitt arbete underbyggde Einstein förhållandet mellan massa och energi. Han kom till slutsatsen att när en kropp avger energi L, minskar dess massa med en mängd lika med L/V2. Av detta drogs en allmän slutsats - massan av en kropp är ett mått på energin som finns i den. Om energin ändras med en mängd lika med L, så ändras massan på motsvarande sätt med en mängd L dividerat med kvadraten på ljusets hastighet. Så här visas Einsteins berömda relation E = MC2 för första gången.

1911-1916 lyckades Einstein generalisera relativitetsteorin. Teorin, skapad 1905, som redan nämnts, kallades den speciella relativitetsteorin, eftersom. den gällde endast för rätlinjig och enhetlig rörelse.

I den allmänna relativitetsteorin avslöjades nya aspekter av beroendet av rum-tidsrelationer och materiella processer. Denna teori gav en fysisk grund för icke-euklidiska geometrier och kopplade samman krökningen av rymden och avvikelsen av dess metriska från den euklidiska med verkan av gravitationsfält skapade av massorna av kroppar.

Den allmänna relativitetsteorin är baserad på principen om ekvivalens av tröghets- och gravitationsmassor, vars kvantitativa likhet etablerades för länge sedan i klassisk fysik. Kinematiska effekter som uppstår under påverkan av gravitationskrafter är likvärdiga med effekter som uppstår under påverkan av acceleration. Så om en raket lyfter med en acceleration på 3 g, kommer raketbesättningen att kännas som om de befinner sig i jordens tredubbla gravitationsfält.

Klassisk mekanik kunde inte förklara varför tröghet och tyngd mäts med samma kvantitet - massa, varför tung massa är proportionell mot tröghetsmassa, varför, med andra ord, kroppar faller med samma acceleration. Å andra sidan trodde den klassiska mekaniken, som förklarade tröghetskrafterna genom accelererad rörelse i det absoluta rymden, att detta absoluta rymd verkar på kroppar, men inte påverkas av dem. Detta ledde till identifieringen av tröghetssystem som speciella system där endast mekanikens lagar observeras. Einstein förklarade att den accelererade rörelsen hos ett system utanför ett gravitationsfält och tröghetsrörelsen i ett gravitationsfält var i grunden omöjlig att skilja. Acceleration och gravitation ger fysiskt oskiljbara effekter.

Detta faktum fastställdes i huvudsak av Galileo: alla kroppar rör sig i ett gravitationsfält (i frånvaro av miljömotstånd) med samma acceleration, banorna för alla kroppar med en given hastighet är lika krökta i gravitationsfältet. På grund av detta kan inget experiment upptäcka ett gravitationsfält i en fritt fallande hiss. Med andra ord, i en referensram som rör sig fritt i ett gravitationsfält i ett litet område av rum-tid, finns det ingen gravitation. Det sista påståendet är en av formuleringarna av likvärdighetsprincipen. Denna princip förklarar fenomenet viktlöshet i rymdfarkoster.

Om vi ​​utvidgar likvärdighetsprincipen till att omfatta optiska fenomen kommer detta att leda till ett antal viktiga konsekvenser. Detta är fenomenet rödförskjutning och avböjning av en ljusstråle under påverkan av ett gravitationsfält. Rödförskjutningseffekten uppstår när ljus riktas från en punkt med större gravitationspotential till punkter med mindre gravitationspotential. Det vill säga, i detta fall minskar dess frekvens och våglängden ökar och vice versa. Till exempel kommer solljus som faller på jorden att anlända hit med en ändrad frekvens, där spektrallinjerna kommer att förskjutas mot den röda delen av spektrumet.

Slutsatsen om förändringen av ljusets frekvens i gravitationsfältet är förknippad med effekten av tidsdilatation nära stora gravitationsmassor. Där skuggfälten är större går klockan långsammare.

Således har ett nytt grundläggande resultat erhållits - ljusets hastighet är inte längre ett konstant värde, utan ökar eller minskar i gravitationsfältet, beroende på om ljusstrålens riktning sammanfaller med gravitationsfältets riktning.

Den nya teorin förändrade Newtons teori lite kvantitativt, men den introducerade djupgående kvalitativa förändringar. Tröghet, gravitation och det metriska beteendet hos kroppar och klockor reducerades till en enda egenskap hos fältet, och den generaliserade tröghetslagen tog över rollen som rörelselagen. Samtidigt visades det att rum och tid inte är absoluta kategorier – kroppar och deras massor påverkar dem och ändrar deras metrik.

Hur kan man föreställa sig rummets krökning och tidens utvidgning, som diskuteras i den allmänna relativitetsteorin?

Låt oss föreställa oss en modell av rymden i form av ett gummiark (även om det inte är hela utrymmet, utan dess plana skiva). Om vi ​​sträcker det här arket horisontellt och placerar stora bollar på det, kommer de att böja gummit, ju mer, desto större massa av bollen. Detta visar tydligt beroendet av rymdens krökning av massan av en kropp och visar också hur de icke-euklidiska geometrierna hos Lobatsjovsky och Riemann kan avbildas.

Relativitetsteorin etablerade inte bara krökningen av rymden under påverkan av gravitationsfält, utan också avmattningen av tiden i ett starkt gravitationsfält. Ljus som färdas längs rymdens vågor tar längre tid än det gör att röra sig längs en platt del av rymden. En av de mest fantastiska förutsägelserna i den allmänna relativitetsteorin är tidens fullständiga stopp i ett mycket starkt gravitationsfält. Tidsdilatation visar sig i ljusets gravitationella rödförskjutning: ju starkare gravitationen är, desto längre våglängd och lägre frekvens. Under vissa förhållanden kan våglängden tendera till oändligheten och dess frekvens - till noll. De där. ljuset kommer att försvinna.

Med det ljus som vår sol sänder ut kan detta hända om vår stjärna skulle krympa och förvandlas till en boll med en diameter på 5 km (solens diameter är » 1,5 miljoner km). Solen skulle förvandlas till ett "svart hål". Till en början förutspåddes "svarta hål" teoretiskt. Men 1993 tilldelades två astronomer, Hulse och Taylor, Nobelpriset för upptäckten av ett sådant föremål i Black Hole-Pulsar-systemet. Upptäckten av detta föremål var ytterligare en bekräftelse på Einsteins allmänna relativitetsteori.

Allmän relativitetsteori kunde förklara diskrepansen mellan Merkurius beräknade och sanna banor. I den är planeternas banor inte stängda, det vill säga efter varje varv återvänder planeten till en annan punkt i rymden. Den beräknade omloppsbanan för Merkurius gav ett fel på 43??, det vill säga rotationen av dess perihelion observerades (perihelion är punkten för planetens omloppsbana som kretsar runt den närmast solen.).

Endast den allmänna relativitetsteorin kunde förklara denna effekt genom krökningen av rymden under påverkan av solens gravitationsmassa.

De idéer om rum och tid som formuleras i relativitetsteorin är de mest konsekventa och konsekventa. Men de förlitar sig på makrokosmos, på erfarenheten av att studera stora föremål, stora avstånd, stora tidsperioder. När man konstruerar teorier som beskriver fenomenen i mikrovärlden kanske Einsteins teori inte är tillämplig, även om det inte finns några experimentella data som motsäger dess användning i mikrovärlden. Men det är möjligt att själva utvecklingen av kvantbegrepp kommer att kräva en revidering av förståelsen av rummets och tidens fysik.

För närvarande är den allmänna relativitetsteorin en allmänt accepterad teori i den vetenskapliga världen som beskriver processer som sker i tid och rum. Men, som alla vetenskapliga teorier, motsvarar den kunskapsnivån för en viss specifik period. Med ackumuleringen av ny information och förvärvet av nya experimentella data kan vilken teori som helst vederläggas.

Den allmänna och speciella relativitetsteorin (den nya teorin om rum och tid) ledde till att alla referenssystem blev lika, därför är alla våra idéer meningsfulla endast i ett visst referenssystem. Världsbilden fick en relativ, relativ karaktär, nyckelidéer om rum, tid, kausalitet, kontinuitet modifierades, den otvetydiga motsättningen av subjekt och objekt förkastades, perception visade sig vara beroende av referensramen, vilket inkluderar både subjektet och objektet, observationsmetoden, etc.)

Utifrån ett nytt relativistiskt synsätt på naturuppfattningen formulerades ett nytt, tredje naturvetenskapligt paradigm i vetenskapshistorien. Den bygger på följande idéer:

• Ø Relativism– det nya vetenskapliga paradigmet övergav idén om absolut kunskap. Alla fysiska lagar som upptäckts av forskare är objektiva vid en given tidpunkt. Vetenskapen behandlar begränsade och ungefärliga begrepp och strävar bara efter att förstå sanningen.
• Ø Neodeterminism- olinjär determinism. Den viktigaste aspekten av att förstå determinism som olinjär är förkastandet av idén om påtvingat orsakssamband, vilket förutsätter närvaron av en så kallad yttre orsak för pågående naturliga processer. Både nödvändighet och slump får lika rättigheter när man analyserar förloppet av naturliga processer.
• Ø Global evolutionism– idén om naturen som ett ständigt utvecklande, dynamiskt system. Vetenskapen började studera naturen inte bara utifrån dess struktur, utan också de processer som förekommer i den. Samtidigt prioriteras forskning om processer i naturen.
• Ø Holism- vision av världen som en helhet. Den universella karaktären av kopplingen mellan elementen i denna helhet (obligatorisk koppling).
• Ø Synergi– som en forskningsmetod, som en universell princip för självorganisering och utveckling av öppna system.
• Ø Att etablera en rimlig balans mellan analys och syntes när man studerar naturen. Undervisningen förstod att det är omöjligt att oändligt krossa naturen i de minsta tegelstenar. Dess egenskaper kan bara förstås genom naturens dynamik som helhet.
• Ø Påståendet att naturens utveckling sker i ett fyrdimensionellt rum-tidskontinuum.

Relativitetsteorin introducerades av Albert Einstein i början av 1900-talet. Vad är dess väsen? Låt oss titta på huvudpunkterna och beskriva TOE i ett tydligt språk.

Relativitetsteorin eliminerade praktiskt taget inkonsekvenserna och motsägelserna i 1900-talets fysik, tvingade fram en radikal förändring i idén om strukturen av rum-tid och bekräftades experimentellt i många experiment och studier.

Således utgjorde TOE grunden för alla moderna grundläggande fysikaliska teorier. I själva verket är detta modern fysiks moder!

Till att börja med är det värt att notera att det finns två relativitetsteorier:

• Special relativitetsteori (STR) – tar hänsyn till fysiska processer i objekt som rör sig likformigt.
• Allmän relativitetsteori (GTR) - beskriver accelererande objekt och förklarar ursprunget till sådana fenomen som gravitation och existens.

Det är tydligt att STR dök upp tidigare och är i huvudsak en del av GTR. Låt oss prata om henne först.

STO i enkla ord

Teorin bygger på relativitetsprincipen, enligt vilken alla naturlagar är desamma med avseende på kroppar som är stationära och rör sig med konstant hastighet. Och av en sådan till synes enkel tanke följer att ljusets hastighet (300 000 m/s i vakuum) är densamma för alla kroppar.

Föreställ dig till exempel att du fick ett rymdskepp från en avlägsen framtid som kan flyga i hög hastighet. En laserkanon är installerad på fartygets fören, som kan skjuta fotoner framåt.

I förhållande till fartyget flyger sådana partiklar med ljusets hastighet, men i förhållande till en stationär observatör verkar det som om de borde flyga snabbare, eftersom båda hastigheterna är sammanfattade.

Men i verkligheten händer inte detta! En utomstående observatör ser fotoner färdas med 300 000 m/s, som om rymdfarkostens hastighet inte hade lagts till dem.

Du måste komma ihåg: i förhållande till vilken kropp som helst kommer ljusets hastighet att vara ett konstant värde, oavsett hur snabbt den rör sig.

Av detta följer fantastiska slutsatser som tidsutvidgning, longitudinell sammandragning och kroppsviktens beroende av hastighet. Läs mer om de mest intressanta konsekvenserna av den speciella relativitetsteorin i artikeln på länken nedan.

Kärnan i allmän relativitetsteori (GR)

För att förstå det bättre måste vi kombinera två fakta igen:

• Vi lever i ett fyrdimensionellt rum

Rum och tid är manifestationer av samma varelse som kallas "rum-tidskontinuum". Detta är 4-dimensionell rum-tid med koordinataxlar x, y, z och t.

Vi människor kan inte uppfatta de fyra dimensionerna lika. I huvudsak ser vi bara projektioner av ett verkligt fyrdimensionellt objekt på rum och tid.

Intressant nog säger inte relativitetsteorin att kroppar förändras när de rör sig. 4-dimensionella objekt förblir alltid oförändrade, men med relativ rörelse kan deras projektioner förändras. Och vi uppfattar detta som att tiden saktar ner, storleksminskning osv.

• Alla kroppar faller med konstant hastighet och accelererar inte

Låt oss göra ett läskigt tankeexperiment. Föreställ dig att du åker i en stängd hiss och befinner dig i ett tillstånd av viktlöshet.

Denna situation kan bara uppstå av två skäl: antingen är du i rymden eller så faller du fritt tillsammans med kabinen under påverkan av jordens gravitation.

Utan att titta ut ur båset är det absolut omöjligt att skilja mellan dessa två fall. Det är bara att i det ena fallet flyger du jämnt och i det andra med acceleration. Du måste gissa!

Kanske Albert Einstein själv tänkte på en imaginär hiss, och han hade en fantastisk tanke: om dessa två fall inte kan särskiljas, så är fall på grund av gravitationen också en enhetlig rörelse. Rörelse är helt enkelt enhetlig i fyrdimensionell rum-tid, men i närvaro av massiva kroppar (till exempel) är den krökt och enhetlig rörelse projiceras in i vårt vanliga tredimensionella rum i form av accelererad rörelse.

Låt oss titta på ett annat enklare, men inte helt korrekt, exempel på krökningen av tvådimensionellt utrymme.

Du kan föreställa dig att vilken massiv kropp som helst skapar någon form av tratt under den. Då kommer andra kroppar som flyger förbi inte att kunna fortsätta sin rörelse i en rak linje och kommer att ändra sin bana i enlighet med krökningarna i det krökta rummet.

Förresten, om kroppen inte har mycket energi, kan dess rörelse visa sig vara stängd.

Det är värt att notera att ur rörliga kroppars synvinkel fortsätter de att röra sig i en rak linje, eftersom de inte känner något som får dem att vända sig. De hamnade precis i ett krökt utrymme och har, utan att inse det, en icke-linjär bana.

Det bör noteras att 4 dimensioner är böjda, inklusive tid, så denna analogi bör behandlas med försiktighet.

I den allmänna relativitetsteorin är gravitationen alltså inte en kraft alls, utan endast en konsekvens av rum-tidens krökning. För närvarande är denna teori en fungerande version av gravitationens ursprung och stämmer utmärkt överens med experiment.

Överraskande konsekvenser av allmän relativitet

Ljusstrålar kan böjas när de flyger nära massiva kroppar. Visserligen har avlägsna föremål hittats i rymden som "gömmer sig" bakom andra, men ljusstrålar böjer sig runt dem, tack vare vilket ljuset når oss.

Enligt allmän relativitetsteori, ju starkare gravitationen är, desto långsammare går tiden. Detta faktum måste beaktas när du använder GPS och GLONASS, eftersom deras satelliter är utrustade med de mest exakta atomklockorna, som tickar lite snabbare än på jorden. Om detta faktum inte beaktas, kommer koordinatfelet att vara 10 km inom en dag.

Det är tack vare Albert Einstein som du kan förstå var ett bibliotek eller en butik ligger i närheten.

Och slutligen förutspår generell relativitetsteori förekomsten av svarta hål runt vilka gravitationen är så stark att tiden helt enkelt stannar i närheten. Därför kan ljus som faller ner i ett svart hål inte lämna det (reflektera).

I mitten av ett svart hål, på grund av kolossal gravitationskompression, bildas ett föremål med en oändligt hög densitet, och detta verkar inte existera.

Allmän relativitetsteori kan alltså leda till mycket motsägelsefulla slutsatser, till skillnad från , varför majoriteten av fysiker inte accepterade den helt och fortsatte att leta efter ett alternativ.

Men hon lyckas förutsäga många saker framgångsrikt, till exempel bekräftade en sensationell upptäckt nyligen relativitetsteorin och fick oss återigen att minnas den store vetenskapsmannen med tungan hängande. Om du älskar vetenskap, läs WikiScience.

SRT, TOE - dessa förkortningar döljer den välbekanta termen "relativitetsteori", som är bekant för nästan alla. På ett enkelt språk kan allt förklaras, till och med uttalandet om ett geni, så misströsta inte om du inte kommer ihåg din skolfysikkurs, för i själva verket är allt mycket enklare än det verkar.

Teorins ursprung

Så, låt oss börja kursen "The Theory of Relativity for Dummies". Albert Einstein publicerade sitt arbete 1905, och det väckte uppståndelse bland forskare. Denna teori täckte nästan helt många av luckorna och inkonsekvenserna i fysiken under förra seklet, men utöver allt annat revolutionerade den idén om rum och tid. Många av Einsteins uttalanden var svåra för hans samtida att tro, men experiment och forskning bekräftade bara den store vetenskapsmannens ord.

Einsteins relativitetsteori förklarade i enkla termer vad människor hade brottats med i århundraden. Det kan kallas grunden för all modern fysik. Innan samtalet om relativitetsteorin fortsätter bör dock frågan om termer klargöras. Säkert har många, som läser populärvetenskapliga artiklar, stött på två förkortningar: STO och GTO. Faktum är att de antyder lite olika begrepp. Den första är den speciella relativitetsteorin, och den andra står för "allmän relativitet".

Bara något komplicerat

STR är en äldre teori, som senare blev en del av GTR. Den kan endast beakta fysiska processer för objekt som rör sig med jämn hastighet. Den allmänna teorin kan beskriva vad som händer med accelererande föremål, och även förklara varför gravitonpartiklar och gravitation existerar.

Om du behöver beskriva rörelsen och även förhållandet mellan rum och tid när du närmar dig ljusets hastighet, kan den speciella relativitetsteorin göra detta. Med enkla ord kan det förklaras så här: till exempel gav vänner från framtiden dig ett rymdskepp som kan flyga i hög hastighet. På nosen av rymdskeppet finns en kanon som kan skjuta fotoner mot allt som kommer framför.

När ett skott avlossas flyger dessa partiklar i förhållande till skeppet med ljusets hastighet, men logiskt sett bör en stationär observatör se summan av två hastigheter (fotonerna själva och skeppet). Men inget sådant. Observatören kommer att se fotoner som rör sig med en hastighet av 300 000 m/s, som om fartygets hastighet var noll.

Saken är den att oavsett hur snabbt ett föremål rör sig är ljusets hastighet för det ett konstant värde.

Detta uttalande är grunden för fantastiska logiska slutsatser som att sakta ner och förvränga tid, beroende på föremålets massa och hastighet. Handlingen i många science fiction-filmer och tv-serier är baserade på detta.

Allmän relativitetsteori

På ett enkelt språk kan man förklara mer omfattande allmän relativitet. Till att börja med bör vi ta hänsyn till att vårt utrymme är fyrdimensionellt. Tid och rum är förenade i ett sådant "ämne" som "rum-tidskontinuum". I vårt utrymme finns fyra koordinataxlar: x, y, z och t.

Men människor kan inte direkt uppfatta fyra dimensioner, precis som en hypotetisk platt person som lever i en tvådimensionell värld inte kan lyfta blicken. Faktum är att vår värld bara är en projektion av fyrdimensionellt rymd till tredimensionellt rum.

Ett intressant faktum är att kroppar enligt den allmänna relativitetsteorin inte förändras när de rör sig. Objekt i den fyrdimensionella världen är i själva verket alltid oförändrade, och när de rör sig förändras bara deras projektioner, vilket vi uppfattar som en förvrängning av tiden, en minskning eller ökning i storlek, och så vidare.

Hissexperiment

Relativitetsteorin kan förklaras i enkla termer med hjälp av ett litet tankeexperiment. Föreställ dig att du befinner dig i en hiss. Kabinen började röra på sig och du befann dig i ett tillstånd av viktlöshet. Vad hände? Det kan finnas två anledningar: antingen är hissen i rymden eller så är den i fritt fall under påverkan av planetens gravitation. Det mest intressanta är att det är omöjligt att ta reda på orsaken till viktlöshet om det inte är möjligt att titta ut ur hisskorgen, det vill säga båda processerna ser likadana ut.

Kanske efter att ha genomfört ett liknande tankeexperiment kom Albert Einstein till slutsatsen att om dessa två situationer inte går att skilja från varandra, så accelereras faktiskt inte kroppen under påverkan av gravitationen, det är en enhetlig rörelse som kröks under påverkan av en massiv kropp (i detta fall en planet). Således är accelererad rörelse endast en projektion av enhetlig rörelse in i tredimensionellt rymd.

Ett bra exempel

Ett annat bra exempel på ämnet "Relativity for Dummies". Det är inte helt korrekt, men det är väldigt enkelt och tydligt. Om du lägger något föremål på ett sträckt tyg, bildar det en "avböjning" eller en "tratt" under den. Alla mindre kroppar kommer att tvingas förvränga sin bana i enlighet med rymdens nya krökning, och om kroppen har lite energi kanske den inte övervinner denna tratt alls. Men ur det rörliga objektets synvinkel förblir banan rak, de kommer inte att känna rymdens böjning.

Gravity "degraderad"

Med tillkomsten av den allmänna relativitetsteorin har gravitationen upphört att vara en kraft och nöjer sig nu med att vara en enkel konsekvens av krökningen av tid och rum. Allmän relativitetsteori kan verka fantastisk, men det är en fungerande version och bekräftas av experiment.

Relativitetsteorin kan förklara många till synes otroliga saker i vår värld. Enkelt uttryckt kallas sådana saker för konsekvenser av allmän relativitet. Till exempel är ljusstrålar som flyger nära massiva kroppar böjda. Dessutom är många föremål från rymden gömda bakom varandra, men på grund av det faktum att ljusstrålar böjer sig runt andra kroppar, är till synes osynliga föremål tillgängliga för våra ögon (mer exakt, för ögonen på ett teleskop). Det är som att titta genom väggar.

Ju större gravitationen är, desto långsammare flyter tiden på ett föremåls yta. Detta gäller inte bara massiva kroppar som neutronstjärnor eller svarta hål. Effekten av tidsutvidgning kan observeras även på jorden. Till exempel är satellitnavigeringsenheter utrustade med mycket exakta atomklockor. De är i omloppsbana om vår planet, och tiden tickar lite snabbare där. Hundradelar av en sekund på en dag kommer att summera till en siffra som ger upp till 10 km fel i ruttberäkningar på jorden. Det är relativitetsteorin som gör att vi kan beräkna detta fel.

Enkelt uttryckt kan vi uttrycka det så här: allmän relativitet ligger till grund för många moderna teknologier, och tack vare Einstein kan vi enkelt hitta en pizzeria och ett bibliotek i ett obekant område.

Hur skiljer sig allmän relativitet från speciell relativitet?

Special relativitetsteori (STR) (särskild relativitetsteori; relativistisk mekanik) är en teori som beskriver rörelse, mekanikens lagar och rum-tidsrelationer vid rörelsehastigheter nära ljusets hastighet. Inom ramen för speciell relativitet är klassisk newtonsk mekanik en låghastighetsapproximation. En generalisering av STR för gravitationsfält kallas allmän relativitet.

Allmän relativitetsteori är en geometrisk gravitationsteori som utvecklar den speciella relativitetsteorin (STR), publicerad av Albert Einstein 1915-1916. Inom ramen för den allmänna relativitetsteorin, liksom i andra metriska teorier, postuleras att gravitationseffekter inte orsakas av kraftväxelverkan mellan kroppar och fält belägna i rum-tid, utan av deformationen av rumtiden i sig, vilket är särskilt förknippat med närvaron av massenergi . Allmän relativitet skiljer sig från andra metriska gravitationsteorier genom att använda Einsteins ekvationer för att relatera rumtidens krökning till den materia som finns i den.

Ge experimentella bevis på giltigheten av Einsteins teori.

Bevis för allmän relativitet

Effekter associerade med acceleration av referensramar

Den första av dessa effekter är gravitationstidsdilatation, på grund av vilken varje klocka kommer att gå långsammare ju djupare i gravitationshålet (närmare den graviterande kroppen) den är. Denna effekt bekräftades direkt i Hafele-Keating-experimentet, såväl som i Gravity Probe A-experimentet, och bekräftas ständigt i GPS.

En direkt relaterad effekt är ljusets gravitationsrödförskjutning. Denna effekt förstås som en minskning av ljusets frekvens i förhållande till den lokala klockan (i enlighet därmed, en förskjutning av spektrumlinjerna till den röda änden av spektrumet i förhållande till den lokala skalan) när ljus fortplantar sig från gravitationsbrunnen utåt (från en område med lägre gravitationspotential till ett område med högre potential) /

Gravitationstidsdilatation innebär en annan effekt som kallas Shapiro-effekten (även känd som gravitationssignalfördröjning). På grund av denna effekt färdas elektromagnetiska signaler längre i ett gravitationsfält än i frånvaro av detta fält. Detta fenomen upptäcktes genom radarövervakning av solsystemets planeter och rymdfarkoster som passerade bakom solen, samt genom att observera signaler från dubbla pulsarer.

Det mest kända tidiga testet av allmän relativitet möjliggjordes av den totala solförmörkelsen 1919. Arthur Eddington visade att ljuset från stjärnan böjdes nära solen exakt som förutspått av allmän relativitetsteori.

Böjningen av ljusets väg sker i vilken accelererad referensram som helst. Det detaljerade utseendet på den observerade banan och gravitationslinseffekterna beror dock på rumtidens krökning. Einstein lärde sig om denna effekt 1911, och när han heuristiskt beräknade mängden krökning av banor visade det sig vara samma som den klassiska mekaniken förutspådde för partiklar som rör sig med ljusets hastighet. 1916 upptäckte Einstein att i den allmänna relativitetsteorien är vinkelförskjutningen i ljusets utbredningsriktning dubbelt så stor som i Newtons teori, i motsats till tidigare överväganden. Således blev denna förutsägelse ett annat sätt att testa allmän relativitet.

Sedan 1919 har detta fenomen bekräftats av astronomiska observationer av stjärnor under solförmörkelser, och även verifierats med hög noggrannhet av radiointerferometriska observationer av kvasarer som passerar nära solen under dess väg längs ekliptikan.

Slutligen kan vilken stjärna som helst öka i ljusstyrka när ett kompakt, massivt föremål passerar framför den. I det här fallet kan bilderna av den avlägsna stjärnan, förstorade och förvrängda på grund av gravitationsavböjning av ljus, inte lösas (de är för nära varandra) och en ökning av stjärnans ljusstyrka observeras helt enkelt. Denna effekt kallas mikrolinsning, och den observeras nu regelbundet inom ramen för projekt som studerar de osynliga kropparna i vår galax genom gravitationsmikrolinsning av ljus från stjärnor - MASNO, EROS (engelska) och andra.

Orbitala effekter

Allmän relativitet korrigerar förutsägelserna i Newtons teori om himlamekanik angående dynamiken i gravitationsbundna system: solsystemet, dubbelstjärnor, etc.

Den första effekten av allmän relativitet var att perihelia av alla planetbanor skulle precessera, eftersom Newtons gravitationspotential skulle ha en liten relativistisk additiv, vilket leder till bildandet av öppna banor. Denna förutsägelse var den första bekräftelsen av allmän relativitet, eftersom värdet av precession som härleddes av Einstein 1916 helt sammanföll med den anomala precessionen av Merkurius perihelion. På så sätt löstes problemet med den himmelska mekaniken, känt på den tiden.

Senare observerades även relativistisk perihelionprecession nära Venus, jorden, asteroiden Ikarus och som en starkare effekt i system av dubbla pulsarer. För upptäckten och forskningen av den första dubbelpulsaren PSR B1913+16 1974 fick R. Hulse och D. Taylor Nobelpriset 1993.

SRT-bevis

Special relativitetsteori ligger till grund för all modern fysik. Därför finns det inget separat experiment som "bevisar" SRT. Hela mängden experimentella data inom högenergifysik, kärnfysik, spektroskopi, astrofysik, elektrodynamik och andra fysikområden överensstämmer med relativitetsteorin inom gränserna för experimentell noggrannhet. Till exempel, inom kvantelektrodynamik (en kombination av STR, kvantteori och Maxwells ekvationer), sammanfaller värdet av det anomala magnetiska momentet hos en elektron med den teoretiska förutsägelsen med en relativ noggrannhet på 10? 9.

Faktum är att SRT är en ingenjörsvetenskap. Dess formler används vid beräkning av partikelacceleratorer. Bearbetning av enorma mängder data om kollisioner av partiklar som rör sig med relativistiska hastigheter i elektromagnetiska fält är baserad på lagarna för relativistisk dynamik, avvikelser från vilka inte har upptäckts. Korrigeringar från SRT och GTR används i satellitnavigeringssystem (GPS). SRT är grunden för kärnenergi osv.