Факты в пользу теории относительности
О замедлении времени и истоках Вселенной — о чем еще может рассказать общая теория относительности.
Людям нравится обсуждать теорию относительности Альберта Эйнштейна, будто они говорят о последнем голливудском блокбастере. Возможно, они делают это, чтобы казаться умнее. Но что такое теория относительности? Скорее всего, вы знаете, что она связана с гравитацией, притягивающей объекты, и с замедлением времени. Но мы уверены: вы даже не подозреваете, что это совершенно новый способ описания самой реальности!
Вы можете считать само собой разумеющимся, что завтра вы встретитесь с другом за завтраком в вашем любимом месте, скажем, в 10 утра. Но без сил, изложенных в теории относительности, вы бы встретились в совершенно иное время в совершенно другом месте!
Теория относительности Эйнштейна, которая была впервые опубликована в 1915 году, смогла решить проблемы, с которыми веками боролись физики и астрономы. Она раскрыла некоторые секреты о черных дырах, планетарных орбитах и космических путешествиях.
Мы в 1Gai.ru предлагаем вам ознакомиться с несколькими фактами о теории относительности, которые покажут вам, насколько она удивительна.
Общая теория исходит из специальной теории относительности Эйнштейна
YouTube / QWERTY
В 1905 году Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности, которая стала очень популярной среди математиков и физиков. Согласно ей, законы природы абсолютно одинаковы для объектов, движущихся прямолинейно с одинаковой скоростью.
Суть в том, что эти объекты не могут ускоряться — они должны иметь постоянную скорость. В теории также говорится о том, что, несмотря на ускорение или скорость, скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат.
Общая теория относительности учитывает ускорение
einstein-online.info
В течение десяти лет после создания специальной теории относительности Эйнштейн работал над изучением ускорения. Он определил, что законы физики (например, пространства и времени) одинаковы для двух людей, движущихся с одинаковой постоянной скоростью.
Однако в ту минуту, когда один человек начинает ускоряться, возникают проблемы. Чем больше ускоряется объект, тем сильнее будет разница во времени между этим объектом и теми, кто движется с более медленной скоростью.
Гравитация и ускорение имеют одинаковый эффект
Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала, что пространство-время вокруг Земли будет не только искривлено, но и искривлено вращением планеты. Гравитационный зонд «B» показал, что это правильно. Изображение NASA
В 1911 году Эйнштейн сформулировал «принцип эквивалентности», который утверждает, что тяжелая и инертная масса (от ускорения) любого тела равны.
Если вы когда-нибудь задумывались, почему астронавтам так тяжело дается запуск космического челнока, все потому, что постоянное ускорение, необходимое для преодоления гравитации Земли, накладывает гравитационные силы на людей внутри корабля.
Поэтому космонавтам требуется предварительная подготовка. Например, обучение в центрифуге G-Force готовит их к воздействию этой силы на их тела.
Пространство-время — четвертое измерение
Чтобы все эти теории работали, Вселенную нужно измерять по-другому. Стандартные координаты X и Y описывают положение в двухмерной плоскости, но поскольку Вселенная — пространство трехмерное, нужна координата Z. Однако на самом деле в этой «игре» есть и четвертое измерение — время.
Можно сказать, что пространство-время — это симбиоз времени и трехмерного пространства. Все это дало физикам совершенно новый взгляд на понимание Вселенной.
Гравитация влияет на пространство-время
Tenor
Когда Эйнштейну стало понятно, что гравитация может нарушить пространство-время, он изменил константы, с которыми работал прежде. Когда ускорение (и, следовательно, сила тяжести) постоянны или вовсе отсутствуют, постоянно и пространство-время. Но когда сила тяжести меняется, вы должны быть готовы изменить все переменные.
Пространство и время работают сообща
writings.stephenwolfram.com
Альберт Эйнштейн понял, что объекты, как правило, движутся по прямым линиям. Он также понял, что гравитация может изменить вид этих линий. Но сама линия не изгибается — изгибается пространство-время. Таким образом, две отдельные концепции работают вместе.
Вы тоже влияете на пространство-время
Каждый из нас обладает небольшой силой притяжения, но это не значит, что мы не можем влиять на Вселенную. Все, что имеет массу, обладает гравитационным притяжением, а значит, пока Земля притягивает нас, мы отталкиваем ее обратно. Но поскольку наша планета обладает гораздо большей массой, она выигрывает в этих «состязаниях» по перетягиванию каната и удерживает нас на поверхности.
Все во Вселенной, что имеет массу, влияет на другие расположенные в ней объекты. Так, гравитация Луны создает приливы, а гравитация Солнца удерживает все планеты на эллиптических орбитах.
Гравитационное линзирование показывает, что пространство-время искривлено
ru.wikipedia.org
Как же экспертам удалось выяснить, что пространство-время искривлено гравитацией? Эффект можно увидеть через гравитационное линзирование — наблюдение за объектом через другой космический объект.
В этом процессе участвует кусок материи с такой большой гравитационной силой, что она сильно изгибает пространство-время вокруг себя.
Обычно гравитационные изгибы практически не влияют на свет: он движется очень быстро. Но когда массивный объект — скажем, черная дыра или квазар — выступает в качестве линзы, посредника при наблюдении, даже свет начинает искривляться.
Астрономы могут использовать этот изогнутый свет, чтобы посмотреть, что находится вокруг и позади этого массивного объекта. Это прекрасный пример нарушения гравитационного поля и искривления пространства-времени.
Теория относительности объясняет странную орбиту Меркурия
ru.wikipedia.org
Орбита Меркурия на протяжении веков ставила астрономов в тупик. Исаак Ньютон смог точно рассчитать орбиты других планет, но Меркурий оказался трудной задачей — точка его орбиты, перигелий, смещалась с более быстрой скоростью, чем предполагалось. Некоторые эксперты даже предположили, что на орбиту Меркурия влияла совершенно новая планета — Вулкан.
Но теория относительности Эйнштейна наконец пролила свет на причину этого странного поведения. Дело в том, что масса Солнца искривляла пространство, заставляя Меркурий — ближайшую к Солнцу планету — проходить не самый обычный путь через Солнечную систему.
Гравитация влияет на свет и звук
Uximetc pavel / Shutterstock
Теория относительности также объясняет, как гравитация влияет на свет и звук. Находясь внутри гравитационного поля, механические волны (например, звуковые) и электромагнитные волны (например, световые) обычно расширяются по мере удаления от центра масс. Этот процесс называют эффектом Доплера.
Гравитационные волны — ключ к истокам Вселенной
Столкновение двух черных дыр 1,3 миллиарда лет назад (как показано на этой анимации) породило гравитационные волны, которые впервые были обнаружены исследователями из гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO) 14 сентября 2015 года. Фото: Caltech
Когда происходит массивное звездное событие, оно создает заметную рябь в пространстве-времени — гравитационные волны. Этот феномен может помочь теоретикам выяснить, как была создана Вселенная.
Если ученые смогут обнаружить волны от Большого взрыва — самого масштабного события в известной Вселенной, — это открытие поможет доказать, что взрыв действительно был, а также определить, когда именно он произошел.
И хотя к настоящему времени ученые обнаружили лишь одну подтвержденную гравитационную волну, космические агентства по всему миру не оставляют попытки найти и другие.
Квантовая механика и общая теория относительности порой противоречат друг другу
theconversation.com
Общая теория относительности Эйнштейна объясняет многое из того, что происходит во Вселенной, но не всегда согласуется с квантовой механикой. Согласно квантовым теориям, частицы взаимодействуют с помощью других частиц.
Например, электричество, которое работает, посылая фотон между двумя заряженными частицами. Проблема в том, что маршрут, по которому движется частица, довольно случаен.
Отслеживание гравитации означает, что вы должны уметь определять, каким образом движутся вещи в пространстве-времени. Но в квантовой механике иные правила.
Сегодня разрабатывается единая теория квантовой гравитации, но никто не знает, когда ученые смогут согласовать эти две концепции.
Обложка: 1Gai.Ru / SHUTTERSTOCK
Источник
Вряд ли какое-нибудь научное открытие вызывало столько споров, как теория относительности созданная Альбертом Эйнштейном. Даже основанная Максом Планком квантовая физика не вызвала столько дебатов, поскольку описываемые ей объекты были частью микромира. Эйнштейн же замахнулся на макромир, правда в необыкновенных условиях.
Чтобы подтвердить теорию относительности Эйнштейна было проведено множество различных опытов и экспериментов. Источник изображения: gazeteyeniyuzyil.com
До появления научной работы германского физика мир представлялся вполне понятным и прекрасно описывался теорией, созданной сэром Исааком Ньютоном. Идеи Эйнштейна перевернули человеческие знания с ног на голову – понять, что время может замедляться было практически невозможно. Странным кажется и изменение геометрических размеров тел, при приближении их скорости движения к световой. Понять, почему скорость света является предельной для движения материальных тел тоже сложно, а искривление пространства под действием огромных тяготеющих масс и вовсе кажется нонсенсом.
Понять научные выкладки Альберта Эйнштейна сложно даже маститым ученым. Неудивительно, что сразу на его теорию относительности обрушился громадный массив критики. Любая теория требует экспериментального подтверждения. И попытки это сделать предпринимались неоднократно. Правда все они не дали абсолютного доказательства правоты Эйнштейна, но разобраться в экспериментах стоит.
Изменение перигелия Меркурия
Последовательное смещение перигелия Меркурия. Источник изображения: spacegid.com
В 1859 году была зафиксирована дополнительная скорость движения перигелия Меркурия, который смещался примерно на 43 угловые секунды в течение века. Объяснить это с точки классической физики не удавалось. Предполагали, что внутри орбиты Меркурия движется еще одна планета Вулкан, обнаружить которую в телескоп не удается из-за ее близости к Солнцу. Только после появления теории относительности Эйнштейна удалось объяснить прецессию орбитального движения Меркурия искривлением пространства, вызванным гравитацией нашего светила.
Отклонение лучей света гравитационным полем
Отклонение луча в поле Солнца. Источник изображения:: Е.М. Балдин. Краткая физическая энциклопедия.
Из курса школьной физики известно, что в вакууме лучи света двигаются по прямой. На самом деле, свет избирает не кратчайший, а практически всегда с ним совпадающий экстремальный путь. Вблизи звезд, согласно Эйнштейну, меняется сама геометрия пространства, следовательно, траектория луча, проходящего возле Солнца, должна искривляться. В обычной ситуации подобное искривление обнаружить невозможно, но при солнечном затмении отклонение луча от прямолинейности можно зафиксировать.
В 1919 году происходило полное затмение, причем Солнце должно было проходить поблизости крупных звезд. Под руководством А. Эддингтона было отправлено 2 британские экспедиции – в Собрал (Бразилия) и остров Принсипи (возле побережья Африки). Отчет, обобщающий результаты экспедиций утверждал, что полученные результаты полностью согласуются с теорией Эйнштейна.
Измерения 1922 года также совпадали с результатами предсказанными в рамках общей теории относительности.
В 1979 году Денис Уолш из университета Манчестера открыл 2 квазара, отстоящие между собой на 6 угловых секунд. Однако, после анализа и совместной работы еще с 2 учеными, было решено, что квазар только один, а изображение раздвоилось после прохождения его лучей возле гравитационной линзы, созданной полем тяготения галактики, встретившейся на пути лучей. Эта галактика появилась на снимках, после отделения красных и голубых лучей. Это подтверждает работу немецкого физика.
Красное смещение спектра небесных тел
Красное смещение. Источник изображения: infourok.ru
В 1923-26 годах проводился ряд опытов по исследованию спектра Солнца. Другим подобным объектом исследований стал самый крупный в Солнечной системе спутник, входящий в систему Сатурна, Титан. Исследования спектра этих небесных тел ясно показали наличие красного смещения, что подтверждало выкладки Альберта Эйнштейна.
Отражение радиосигнала от Венеры
В 1964 году физик Массачусетского технологического института Ирвин Шапиро предложил оригинальный способ подтверждения теории Эйнштейна. Его идея заключалась в посылке радиосигналов к Меркурию или Венере в момент верхнего соединения этих планет с Землей. В то время техника не позволяла провести подобный эксперимент, но ученый с коллегами нашел выход. Специалисты проанализировали большой массив радиолокаций поверхности Венеры, при этом были учтены всевозможные отклонения связанные с воздействием планет, а также с альбедо и особенностями поверхности Утренней звезды. Результаты полностью совпали с вычислениями, основанными на общей теории относительности.
Отклонение гироскопов
В 2008 году завершилась миссия американского орбитального аппарата Gravity Probe B, вращавшегося на орбите на высоте 600 километров над поверхностью Земли. Целью 16 месяцев работы этого аппарата была экспериментальная проверка теории относительности. НАСА ради опыта пошло на крупные траты – вся миссия обошлась в 700 000 000 долларов.
Идея эксперимента была на редкость красивая – ось, свободно вращающегося гироскопа (если на него не действуют никакие внешние силы), будет сохранять свое направление вечно. 4 идеально отполированных шарика из кварца поместили в звуконепроницаемый термостат, имевший внутри практически полный вакуум, да еще охлажденный практически до абсолютного нуля. Отклонение во вращении могло наблюдаться только из-за гравитационных вихрей, порожденных нашей планетой.
Ученым удалось зафиксировать отдельные проявления искривления пространства и замедления времени. Беда была в том, что эти эффекты никогда не проявлялись одновременно. Специалисты полагают, что сказывались относительно небольшие земные расстояния.
Источники изображения: read01.com
Часть ученых полагает, что теория относительности этими экспериментами была подтверждена, другая часть настаивает на корректировке выкладок Эйнштейна.
Противники теории относительности вообще уверены, что эксперименты доказывают теорию суперструн, и наличие не обнаруженных пока носителей гравитации – гравитонов. Причем, гравитоны должны двигаться быстрее скорости света.
P.S. Кроме описанных в статье экспериментов по доказательству теории относительности было и несколько других. Беда ВСЕХ проведенных опытов в том, что ЧЕТКОГО ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ИСТИННОСТИ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ НЕ ДАЛ НИ ОДИН ИЗ НИХ. Практически всегда полученные результаты, вроде бы укладывающиеся в теорию относительности, не выходили за рамки общей погрешности измерений – а потому, строго говоря, и доказательствами считаться не могут.
В случаях, когда погрешность измерений была меньше зафиксированных отклонений, однозначного доказательства так же нет. Результаты этих экспериментов могут объясняться наличием неких частиц или взаимодействий пока не открытых наукой и существующих только на бумаге.
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
Пространство и время едины, существует связь между массой и энергией – специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей.
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.
Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.
Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.
Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно.
Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.
Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:
1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.
2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).
Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.
Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных .
В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная.
Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.
Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.
Однородность пространства и времени
В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.
Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.
На картинке представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею.
Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует.
Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор.
Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору
Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.
Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.
Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным.
Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее.
Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.
Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.
Объединение массы и энергии
В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.
Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными.
Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.
До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.
Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.
©
Источник