Relativitetsteorien - hvad er det? Postulaterne af relativitetsteorien. Tid og rum i relativitetsteorien

I begyndelsen af det 20. århundrede blev relativitetsteorien formuleret. Hvad er dette, og hvem er dets skaber, kender i dag hver skolepige. Det er så fascinerende, at selv folk, der er langt fra videnskaben, er interesserede i det. I denne artikel beskriver det tilgængelige sprog relativitetsteorien: hvad er det, hvad er dens postulater og anvendelse.

De siger, at epiphany kom til Albert Einstein, dens skaber, i et øjeblik. Forskeren redede angiveligt en sporvogn i den schweiziske Bern. Han så på gaden uret og opdagede pludselig, at dette ur ville stoppe, hvis sporvognen accelererede til lysets hastighed. I dette tilfælde ville tiden ikke være. Tid i relativitetsteorien spiller en meget vigtig rolle. En af postulaterne formuleret af Einstein er, at forskellige observatører opfatter virkeligheden på forskellige måder. Dette gælder især tid og afstand.

Regnskab for observatørens stilling

På den dag indså Albert, at i videnskabens sprog afhænger beskrivelsen af ethvert fysisk fænomen eller begivenhed af hvilken ramme observatøren er i. Hvis nogle sporvognspassagerer f.eks. Falder deres briller, falder de lodret ned mod hende. Hvis man ser ud fra et fodgængerperspektiv på gaden, svarer bane til deres fald til parabolen, da sporvognen bevæger sig og samtidig brillerne falder. Således har hver sin egen referenceramme. Vi foreslår mere detaljeret at overveje de grundlæggende postulater af relativitetsteorien.

Lov om distribueret bevægelse og relativitetsprincippet

På trods af, at når man ændrer referencesystemerne, ændres beskrivelserne af begivenheder, der er også universelle ting, som forbliver uændrede. For at forstå dette må vi spørge os selv ikke om brillernes fald, men naturloven, der forårsager dette efterår. For enhver observatør, uanset om det er i et bevægeligt eller fast koordinatsystem, forbliver svaret uændret. Denne lov hedder loven om distribueret bevægelse. Det virker ligeligt i sporvognen og på gaden. Med andre ord, hvis beskrivelsen af begivenheder altid afhænger af hvem der observerer dem, gælder dette ikke for naturens love. De er, som de siger på det videnskabelige sprog, invariant. Dette er relativitetsprincippet.

To teorier om Einstein

Dette princip, som enhver anden hypotese, blev først verificeret ved at korrelere det med de naturlige fænomener, der opererer i vores virkelighed. Einstein udledte 2 teorier fra relativitetsprincippet. Selv om de er relaterede, anses de for at være separate.

Privat eller speciel relativitetsteori (SRT) er baseret på forslaget om at for alle mulige referencesystemer, hvis bevægelseshastighed er konstant, forbliver naturens love det samme. Den generelle relativitetsteori (GTR) udvider dette princip til enhver referenceramme, herunder dem der bevæger sig med acceleration. I 1905 offentliggjorde A. Einstein den første teori. Den anden, mere komplekse i form af matematisk apparat, færdiggjort i 1916. Oprettelsen af relativitetsteorien, både SRT og GRT, er blevet et vigtigt stadium i udviklingen af fysik. Lad os dvæle på hver af dem mere detaljeret.

Særlig teori om relativitet

Hvad er det, hvad er dets essens? Lad os svare på dette spørgsmål. Det er denne teori, der forudser mange paradoksale virkninger, der modsiger vores intuitive forestillinger om hvordan verden virker. Disse er virkninger, der observeres, når bevægelseshastigheden nærmer sig lysets hastighed. Den mest berømte blandt dem er effekten af at sænke tiden (løbet af timer). Timer, der bevæger sig i forhold til observatøren, for ham er langsommere end dem der er i hans hænder.

I koordinatsystemet strækkes tiden ved en hastighed tæt på lysets hastighed i forhold til observatøren, og objektets længde (rumlig udstrækning) tværtimod komprimeres langs aksen i retningen af denne bevægelse. Denne effekt kaldes Lorentz-Fitzgerald-kontraktionen. Tilbage i 1889 blev han beskrevet af George Fitzgerald, en italiensk fysiker. Og i 1892 tilføjede Hendrik Lorenz, en hollandsk, ham. Denne effekt forklarer det negative resultat fra Michelson-Morley-eksperimentet, hvor hastigheden af vores planetens bevægelse i det ydre rum bestemmes af måling af "ethervinden". Dette er de grundlæggende postulater af relativitetsteorien (speciel). Einstein supplerede disse ligninger med formlen til transformation af masse, lavet analogt. Ifølge hende, når kroppens hastighed nærmer sig lysets hastighed, øges kroppens vægt. For eksempel, hvis hastigheden er 260 tusind km / s, det vil sige 87% af lysets hastighed, fra observatørens synspunkt, som er i den stationære referenceramme, vil objektets masse fordoble.

Bekræftelser af SRT

Alle disse bestemmelser, uanset hvordan de modsætter sig sund fornuft, siden Einsteins tid har fundet direkte og fuld bekræftelse i en række forskellige forsøg. En af dem blev udført af forskere ved University of Michigan. Denne nysgerrige oplevelse bekræfter relativitetsteorien i fysik. Forskerne satte om bord på et flyselskab, som regelmæssigt lavede transatlantiske fly, en ultra-præcis atomur. Hver gang han vendte tilbage til lufthavnen, blev vidnesbyrdene af disse timer kontrolleret mod kontrollen. Det viste sig, at uret på flyet hver gang mere og mere slog bag kontrolen. Selvfølgelig drejede det sig kun om mindre figurer, fraktioner af et sekund, men selve kendsgerningen er meget afslørende.

I det sidste halve århundrede har forskere studeret elementære partikler på acceleratorer - store hardwarekomplekser. I dem accelereres stråler af elektroner eller protoner, det vil sige ladede subatomære partikler, indtil deres hastigheder nærmer sig lysets hastighed. Derefter skyder de nukleare mål. I disse eksperimenter skal man tage højde for det faktum, at partikelmassen vokser, ellers er de eksperimentelle resultater ikke til forståelse for fortolkning. I den henseende har SRT længe været en ren hypotetisk teori. Det er blevet et af de værktøjer, der anvendes i anvendt teknik, sammen med de newtonske love om mekanik. Princippet om relativitetsteorien har fundet stor praktisk anvendelse i vores tid.

SRT og Newtons love

Af den måde, der tales om Newtons love (denne forskers portræt er præsenteret ovenfor), bør man sige, at den specielle relativitetsteori, som det synes at være i modstrid med, reelt gengiver nøjagtigheden af Newtons love næsten nøjagtigt, hvis det bruges til at beskrive organer, hvis hastighed Meget mindre end lysets hastighed. Med andre ord, hvis en speciel relativitetsteori anvendes, er Newtons fysik slet ikke afskaffet. Denne teori tværtimod supplerer og udvider den.

Lysets hastighed er en universel konstant

Ved hjælp af relativitetsprincippet kan man forstå, hvorfor i den givne model af verdens opbygning spiller en meget vigtig rolle af lysets hastighed frem for noget andet. Dette spørgsmål bliver stillet af dem, der lige er begyndt at lære fysikken at kende. Lysets hastighed er en universel konstant på grund af det faktum, at den er defineret som sådan ved en naturvidenskabelig lov (for mere detaljer, se Maxwell ligningerne). Lysets hastighed i et vakuum på grund af virkningen af relativitetsprincippet er det samme i enhver referenceramme. Du tror måske, at dette er i modstrid med sund fornuft. Det viser sig, at både den stationære kilde og det bevægende lys når observatøren samtidigt (uanset hvor hurtigt de bevæger sig). Dette er dog ikke tilfældet. Lysets hastighed, som følge af sin særlige rolle, gives et centralt sted ikke kun i speciel, men også generelt relativitet. Vi vil også tale om det.

Generel teori om relativitet

Det bruges som nævnt til alle referencerammer, ikke nødvendigvis dem, hvis bevægelseshastighed i forhold til hinanden er konstant. Matematisk ser denne teori sig meget mere kompliceret ud end den specielle. Dette forklarer det faktum, at der er gået 11 år mellem deres publikationer. GTR indeholder en speciel som en speciel sag. Derfor indgår Newtons love også i det. UTO går imidlertid langt længere end sine forgængere. For eksempel forklarer det tyngdekraften på en ny måde.

Den fjerde dimension

Takket være OTO bliver verden firedimensionel: tiden tilføjes til tre rumlige dimensioner. Alle er uadskillelige, derfor skal vi ikke længere tale om den rumlige afstand, der findes i en tredimensionel verden mellem to objekter. Det er nu et spørgsmål om tidsrumsintervaller mellem forskellige begivenheder, der forener både deres rumlige og tidsmæssige fjernhed fra hinanden. Med andre ord betragtes tid og rum i relativitetsteorien som en form for firedimensionelt kontinuum. Det kan defineres som rumtid. I dette kontinuum vil de observatører, der bevæger sig i forhold til hinanden, have forskellige meninger, selv om to begivenheder opstod samtidigt, eller en af dem gik forud for en anden. Dog er årsagssammenhænget ikke overtrådt. Med andre ord eksisterer eksistensen af et koordinatsystem, hvor to hændelser forekommer i forskellige sekvenser og ikke samtidig tillader ikke engang GRT.

OTO og loven om universel gravitation

I henhold til loven om universel gravitation, der er opdaget af Newton, eksisterer kraften af gensidig tiltrækning i universet mellem to legemer. Jorden fra denne position roterer rundt om Solen, for mellem dem er der kræfter af fælles attraktion. Ikke desto mindre tvinger GR en til at se på dette fænomen fra den anden side. Gravitation er ifølge denne teori en konsekvens af rumtids "krumning" (deformation), som observeres under påvirkning af masse. Kroppen er tungere (i vores eksempel, Solen), jo mere plads-tid "bøjer" under den. Derfor er dens tyngdekraft felt stærkere.

For at bedre forstå kernen i relativitetsteorien, lad os henvende os til en sammenligning. Jorden roterer rundt om solen, som om en lille kugle, der ruller rundt om tragtens kegle, der er skabt som følge af "klemme" rumtiden ved Solen. Og hvad vi plejede at tænke på som tyngdekraften, er faktisk en ydre manifestation af denne krumning, ikke tvingende, i Newtons forståelse. En bedre forklaring på fænomenet tyngdekraften end den, der blev foreslået i UTO, er ikke blevet fundet til dato.

Metoder til testning af GRT

Vi bemærker, at det ikke er let at kontrollere GRT, da dets resultater i laboratoriebetingelser næsten svarer til loven om universel gravitation. Forskere har dog stadig udført en række vigtige eksperimenter. Deres resultater giver os mulighed for at konkludere, at Einsteins teori er bekræftet. GTR hjælper desuden med at forklare de forskellige fænomener, der observeres i rummet. Dette for eksempel små afvigelser af kviksølv fra sin stationære kredsløb. Ud fra Newtons klassiske mekanikers synspunkt kan de ikke forklares. Det er også grunden til, at elektromagnetisk stråling, der kommer fra fjerntliggende stjerner, bliver skævt, når den passerer nær solen.

Resultaterne forudsagt af GRT er faktisk væsentligt forskellige fra dem, der giver Newtons love (hans portræt er præsenteret ovenfor), kun når superstrengte gravitationsfelter er til stede. Derfor er det nødvendigt at foretage meget præcise målinger af genstande med enorme masse- eller sorte huller for en fuldstændig verifikation af generel relativitet, da vores sædvanlige begreb i forhold til dem ikke er anvendelige. Derfor er udviklingen af eksperimentelle metoder til afprøvning af denne teori en af de vigtigste opgaver i den moderne eksperimentelle fysik.

Sindene hos mange forskere, og selv folk, der er fjernt fra videnskaben, er besat af Einsteins relativitetsteori. Hvad er det, fortalte vi kort. Denne teori vender vores sædvanlige forestillinger om verden, så interessen for det er stadig ikke slukket.