Teorie relativity - co je to? Postuláty teorie relativity. Čas a prostor v teorii relativity

Již počátkem 20. století byla formulována teorie relativity. Co je to a kdo je jeho tvůrcem, dnes ví každý školák. Je to tak fascinující, že se o to zajímá i lidé, kteří jsou daleko od vědy. V tomto článku v srozumitelně popisuje teorii relativity: co to je, jaké jsou jeho postuláty a aplikace.

Říkají, že v jednom okamžiku přišel Albert Einstein, jeho tvůrce, na epifany. Vědec údajně jel na tramvaj ve švýcarském Bernu. Podíval se na hodiny v ulici a najednou si uvědomil, že hodiny se zastaví, pokud se električka zrychluje rychlostí světla. V takovém případě by čas nebyl. Čas v teorii relativity hraje velmi důležitou roli. Jedním z postulátů formulovaných Einsteinem je, že různí pozorovatelé vnímají skutečnost různými způsoby. To se týká zejména času a vzdálenosti.

Účtování pozice pozorovatele

V ten den, Albert si uvědomil, že jazyk vědy, popis veškerého fyzikálního jevu či události závisí na tom, zda pozorovatel je v referenčním rámci. Například, pokud nějaký pasažér tramvaje sklopí brýle, padnou svisle směrem k ní. Podíváme-li se z pohledu stojí na pěší zóně, trajektorie pádu odpovídá parabole, jak tramvajových pohybuje zatímco snižující brýle. Každý má tedy svůj vlastní referenční rámec. Navrhujeme podrobněji zvážit základní postuláty teorie relativity.

Zákon distribuovaného pohybu a princip relativity

Navzdory skutečnosti, že při změně referenčních systémů se mění popis událostí, existují univerzální věci, které zůstávají nezměněny. Abychom to pochopili, musíme se ptát sama sebe, nikoliv pád sklenic, ale zákon přírody, který způsobuje tento pád. Pro každého pozorovatele, bez ohledu na to, zda se nachází v pohyblivém nebo pevném souřadném systému, odpověď na něj zůstává nezměněna. Tento zákon se nazývá zákon rozděleného pohybu. Stejně tak působí v ulici a na ulici. Jinými slovy, pokud popis událostí vždy závisí na tom, kdo je dodržuje, pak se to nevztahuje na přírodní zákony. Jsou, jak říkají ve vědeckém jazyce, invariantní. To je princip relativity.

Dvě teorie o Einsteinovi

Tento princip, stejně jako každá jiná hypotéza, musel být nejprve zkontrolován tím, že jsme ho spojili s přírodními jevy působícími v naší realitě. Einstein odvodil dvě teorie od principu relativity. I když jsou příbuzné, považují se za samostatné.

Soukromý nebo speciální teorie relativity (SRT) je založen na předpokladu, že pro všechny druhy referenčních systémů, které jsou konstantní rychlost, přírodní zákony jsou stejné. Obecná teorie relativity (GTR) rozšiřuje tento princip na libovolný referenční rámec, včetně těch, které se pohybují s akcelerací. V roce 1905 vydal A. Einstein první teorii. Druhá, složitější z hlediska matematického přístroje, dokončená v roce 1916. Vytvoření teorie relativity, jak SRT, tak GRT, se stalo důležitou etapou ve vývoji fyziky. Pojďme se podrobněji zabývat každým z nich.

Speciální teorie relativity

Co je to, co je jeho podstatou? Na tuto otázku odpovíme. Tato teorie předpovídá mnoho paradoxních efektů, které jsou v rozporu s našimi intuitívními představami o tom, jak funguje svět. Jedná se o efekty, které jsou pozorovány při rychlosti pohybu rychlost světla. Nejslavnější z nich je účinek zpomalení času (průběh hodin). Hodiny, které se pohybují ve vztahu k pozorovateli, jsou pro něj pomalejší než ty, které jsou v jeho rukou.

V souřadnicovém systému se při pohybu rychlostí blízkou rychlosti světla čas roztahuje vzhledem k pozorovateli a délka objektů (prostorový rozsah) je naopak komprimována podél osy směru tohoto pohybu. Tento efekt vědci nazývají kontrakci Lorentz-Fitzgerald. V roce 1889 ho popsal George Fitzgerald, italský fyzik. A v roce 1892 ho Hendrik Lorentz, Holanďan, doplnil. Tento efekt vysvětluje negativní výsledek experimentu Michelson-Morley, ve kterém je rychlost pohybu naší planety ve vesmíru určována měřením "éterického větru". Jedná se o základní postuláty teorie relativity (zvláštní). Einstein je doplnil rovnice podle vzorce transformace hmoty, provedené analogicky. Podle ní, jak se rychlost těla přibližuje rychlosti světla, se zvyšuje tělesná hmotnost. Například, pokud je rychlost 260K. Km / s, tj. 87% z rychlosti světla, z pohledu pozorovatele, který je ve stacionárním referenčním snímku, zdvojnásobit množství objektu.

Potvrzení SRT

Všechna tato ustanovení, bez ohledu na to, jak jsou v rozporu se zdravým rozumem, jsou od doby Einsteina přímo a plně potvrzena v řadě experimentů. Jeden z nich vedli vědci z University of Michigan. Tato zvláštní zkušenost potvrzuje teorii relativity ve fyzice. Vědci umístili na palubu letadla, která pravidelně prováděla transatlantické lety, atomové hodiny. Pokaždé, když se vrátil na letiště, svědectví tohoto hodinek bylo kontrolováno proti kontrole. Ukázalo se, že hodiny v letadle pokaždé stále více zaostávaly za kontrolou. Samozřejmě, byla to jen otázka drobných čísel, zlomek sekundy, ale samá skutečnost je velmi odhalená.

Za poslední půlstoletí vědci zkoumají elementární částice urychlovačů - obrovské hardwarové komplexy. V těchto elektronových svazků nebo protony, tj. Nabité elementární částice urychlit tak dlouho, dokud nepřijdou v blízkosti rychlosti rychlost světla. Poté vypařují jaderné cíle. Při těchto pokusech je třeba vzít v úvahu skutečnost, že hmotnost částic se zvyšuje, jinak nelze experimentální výsledky interpretovat. V tomto ohledu je SRT již dávno hypotetickou teorií. To se stalo jedním z nástrojů používaných v aplikovaném strojírenství spolu s newtonskými zákony mechaniky. Zásady teorie relativity našly v dnešní době velkou praktickou aplikaci.

SRT a Newtonovy zákony

Mluvení o Newtonovy zákony (Portrét vědce je uvedeno výše), je třeba poznamenat, že speciální teorie relativity, která je zdánlivě v rozporu, ve skutečnosti reprodukuje rovnice Newtonových zákonů téměř přesně, pokud se používá k popisu těla, rychlost je mnohem nižší, než je rychlost světla. Jinými slovy, je-li použita zvláštní teorie relativity, Newtonova fyzika není vůbec zrušena. Tato teorie naopak doplňuje a rozšiřuje ji.

Rychlost světla je univerzální konstanta

Použitím principu relativity, lze pochopit, proč se to hraje důležitou roli, je rychlost světla, spíše než cokoliv jiného v tomto světovém modelu konstrukce. Tuto otázku požadují ti, kteří se právě začínají seznámit s fyzikou. Rychlost světla je univerzální konstantní, protože je definován jako takový přirozený zákon (více na toto téma lze nalézt tím, že studuje Maxwellovy rovnice). Rychlost světla ve vakuu v důsledku působení principu relativity je stejná v jakémkoli referenčním rámci. Možná si myslíte, že to odporuje zdravému rozumu. Ukazuje se, že stacionární zdroj i pohyblivé světlo přijíždějí současně k pozorovateli (bez ohledu na to, jak rychle se pohybují). To však není pravda. Rychlost světla, díky své zvláštní roli, je dána ústředním místem nejen ve speciálních, ale i v OTO. O tom budeme také mluvit.

Obecná teorie relativity

Používá se, jak jsme již uvedli, u všech referenčních rámců, ne nutně těch, jejichž rychlost pohybu relativně vůči sobě je konstantní. Matematicky tato teorie vypadá mnohem komplikovanější než zvláštní. To vysvětluje skutečnost, že mezi jejich publikacemi uplynulo 11 let. GTR obsahuje speciální jako zvláštní případ. Následně vstupují do něj i Newtonovy zákony. Nicméně, UTO jde mnohem víc než jeho předchůdcové. Například vysvětluje gravitaci novým způsobem.

Čtvrtá dimenze

Díky OTO se svět stává čtyřrozměrným: čas se přidává do tří prostorových dimenzí. Všechny jsou neoddělitelné, a proto už nemůžeme hovořit o prostorové vzdálenosti existující v trojrozměrném světě mezi dvěma objekty. Nyní se jedná o časové intervaly mezi různými událostmi, které spojují prostorovou i časovou vzdálenost od sebe navzájem. Jinými slovy, čas a prostor v teorii relativity jsou považovány za druh čtyřrozměrného kontinua. Může být definován jako časoprostor. V tomto kontinuu se ti pozorovatelé, kteří se vzájemně pohybují, budou mít odlišné názory i na to, zda se vyskytly dvě události současně, nebo jeden z nich předcházel jiný. Kauzální vztah však není porušen. Jinými slovy, ani obecná relativita neumožňuje existenci souřadnicového systému, ve kterém se dvě události vyskytují v různých sekvencích a ne současně.

OTO a zákon univerzální gravitace

Podle zákona univerzální gravitace objevené Newtonem, síla vzájemné přitažlivosti existuje ve vesmíru mezi dvěma těly. Země z této pozice se otáčí kolem Slunce, protože mezi nimi existují síly vzájemné přitažlivosti. Nicméně OTO nás nutí, abychom se na tento fenomén podívali z druhé strany. Gravitace podle této teorie je důsledkem "zakřivení" (deformace) vesmírného času, který je pozorován pod vlivem hmoty. Tělo je těžší (v našem příkladu Slunce), tím více se vesmírný čas "ohýbá" pod ním. Proto je jeho gravitační pole silnější.

Abychom lépe pochopili podstatu teorie relativity, podívejme se na srovnání. Země se podle GRT točí kolem Slunce, jako malá kulička, která se pohybuje kolem kužele trychtýře, vytvořená jako výsledek "stlačení" prostoru a času Sluncem. A co jsme věřili gravitace, je ve skutečnosti vnějším projevem tohoto zakřivení, a ne silou, v Newtonově pochopení. Nejlepší vysvětlení pro fenomén gravitace než ten, který byl navržen v UTO, nebyl dosud nalezen.

Metody testování GRT

Všimněte si, že GRT není snadné zjistit, protože to vede v laboratoři téměř v souladu s právem univerzální gravitace. Vědci však stále prováděli řadu důležitých experimentů. Jejich výsledky nám umožňují dospět k závěru, že Einsteinova teorie je potvrzena. GTR navíc pomáhá vysvětlit různé jevy pozorované ve vesmíru. To například malé odchylky Merkuru z jeho stacionární oběžné dráhy. Z hlediska Newtonian klasické mechaniky nelze vysvětlit. To je také důvod, proč elektromagnetické záření vycházející ze vzdálených hvězd je zkroucené, když prochází u Slunce.

Výsledky předpovídané obecné relativity, ve skutečnosti, se podstatně liší od těch, které dávají zákony Newton (jeho portrét je uvedeno výše), pouze v případě, že jsou superstrong gravitační pole. Z tohoto důvodu k dokončení ověření obecné teorie relativity vyžaduje buď velmi přesná měření obrovského množství předmětů, nebo černé díry, protože naše obvyklé reprezentace ve vztahu k nim nepoužitelná. Proto je vývoj experimentálních metod pro testování této teorie jedním z hlavních úkolů moderní experimentální fyziky.

Mysl mnohých vědců a dokonce i lidí, kteří jsou vzdáleni od vědy, jsou obsazena teorií relativity vytvořenou Einsteinem. Co je to, řekl jsem krátce. Tato teorie mění naše obvyklé představy o světě, takže zájem o něj ještě není potlačen.