Einsteini relatiivsusteooria põhineb väitel, et esimese keha liikumise määramine on võimalik üksnes tänu teise keha liikumisele. See järeldus on muutunud neljamõõtmelises aegruumi kontiinumis ja selle teadvustamises fundamentaalseks. Millel on aega ja kolme mõõdet arvestades sama alus.

Erirelatiivsusteooria 1905. aastal avastatud ja suuremal määral koolis uuritud, omab raamistikku, mis lõpeb vaid toimuva kirjeldusega, vaatlemise poolelt, mis on ühtlases suhtelises liikumises. Mis tõi kaasa mitmeid olulisi tagajärgi:

1 Iga vaatleja jaoks on valguse kiirus konstantne.

2 Mida suurem on kiirus, seda suurem on keha mass valguse kiirusel.

3 Energia-E ja mass-m on üksteisega võrdsed ja ekvivalentsed, millest järeldub valem, milles c- on valguse kiirus.
E = mc2
Sellest valemist järeldub, et mass muutub energiaks, vähem massi toob kaasa rohkem energiat.

4 Suurematel kiirustel tekib kere kokkusurumine (Lorentz-Fitzgeraldi kompressioon).

5 Arvestades puhkeolekus vaatlejat ja liikuvat objekti, läheb teisel korral aeglasemalt. See 1915. aastal valminud teooria sobib kiirenevas liikumises olevale vaatlejale. Nagu gravitatsioon ja ruum on näidanud. Sellest tulenevalt võib oletada, et ruum on selles aine olemasolu tõttu kõver, moodustades seeläbi gravitatsioonivälju. Selgub, et ruumi omadus on gravitatsioon. Huvitav on see, et gravitatsiooniväli painutab valgust, kuhu tekkisid mustad augud.

Märkus. Kui olete huvitatud arheoloogiast (http://arheologija.ru/), järgige lihtsalt linki huvitavale saidile, mis ei räägi teile mitte ainult väljakaevamistest, esemetest jne, vaid jagab ka viimaseid uudiseid.

Joonisel on toodud näited Einsteini teooriast.

Under A kujutab vaatlejat, kes vaatab erinevatel kiirustel liikuvaid autosid. Kuid punane auto liigub kiiremini kui sinine auto, mis tähendab, et valguse kiirus selle suhtes on absoluutne.

Under IN arvestatakse esituledest lähtuvat valgust, mis hoolimata autode ilmsest kiiruste erinevusest jääb samaks.

Under KOOS on näidatud tuumaplahvatus, mis tõestab, et E energia = T mass. Või E = mс2.

Under D Jooniselt on näha, et väiksem mass annab rohkem energiat, samas kui keha on kokku surutud.

Under E aja muutumine ruumis Mu mesonite toimel. Aeg voolab ruumis aeglasemalt kui maa peal.

Sööma relatiivsusteooria mannekeenide jaoks mis on lühidalt näidatud videos:

Väga huvitav fakt relatiivsusteooria kohta, mille avastasid tänapäeva teadlased 2014. aastal, kuid mis jääb saladuseks.

SRT, tuntud ka kui erirelatiivsusteooria, on keerukas kirjeldav mudel aegruumi, liikumise ja mehaanikaseaduste suhete jaoks, mille lõi 1905. aastal Nobeli preemia laureaat Albert Einstein.

Astudes Müncheni ülikooli teoreetilise füüsika osakonda, pöördus Max Planck nõu saamiseks professor Philipp von Jolly poole, kes tol ajal juhtis selle ülikooli matemaatika osakonda. Millele ta sai nõu: "Selles valdkonnas on peaaegu kõik juba lahtine ja jääb üle vaid mõned mitte eriti olulised probleemid lappida." Noor Planck vastas, et ta ei taha avastada uusi asju, vaid tahab ainult mõista ja süstematiseerida juba teadaolevaid teadmisi. Selle tulemusena tekkis ühest sellisest "mitte väga olulisest probleemist" hiljem kvantteooria ja teisest relatiivsusteooria, mille eest Max Planck ja Albert Einstein said Nobeli füüsikaauhinna.

Erinevalt paljudest teistest füüsikalistele katsetele tuginevatest teooriatest põhines Einsteini teooria peaaegu täielikult tema mõttekatsetel ja leidis alles hiljem kinnitust praktikas. Nii et 1895. aastal (ainult 16-aastaselt) mõtles ta, mis juhtuks, kui ta liiguks paralleelselt valguskiire selle kiirusega? Sellises olukorras selgus, et välisvaatleja jaoks oleksid valgusosakesed pidanud võnkuma ümber ühe punkti, mis läks vastuollu Maxwelli võrrandite ja relatiivsusprintsiibiga (mis väitis, et füüsikalised seadused ei sõltu kohast, kus sa oled ja kiirus, millega liigute). Nii jõudis noor Einstein järeldusele, et valguse kiirus peaks olema materiaalse keha jaoks kättesaamatu, ja esimene telliskivi pandi tulevikuteooria aluseks.

Järgmise katse tegi ta 1905. aastal ja see seisnes selles, et liikuva rongi otstes on kaks impulssvalgusallikat, mis süttivad korraga. Rongist mööduva välisvaatleja jaoks toimuvad mõlemad sündmused samaaegselt, kuid rongi keskel asuva vaatleja jaoks näivad need sündmused olevat aset leidnud erinevatel aegadel, kuna valgussähvatus auto algusest. saabub varem kui selle lõpust (valguse pideva kiiruse tõttu).

Sellest tegi ta väga julge ja kaugeleulatuva järelduse, et sündmuste samaaegsus on suhteline. Ta avaldas nende katsete põhjal saadud arvutused töös “Liikuvate kehade elektrodünaamikast”. Veelgi enam, liikuva vaatleja jaoks on ühel neist impulssidest suurem energia kui teisel. Selleks, et sellises olukorras ühest inertsiaalsest tugisüsteemist teise liikudes impulsi jäävuse seadust ei rikutaks, oli vaja, et objekt samaaegselt energiakaoga kaotaks ka massi. Nii jõudis Einstein massi ja energia suhet iseloomustava valemini E=mc 2 – mis on ehk hetkel kõige kuulsam füüsikaline valem. Selle katse tulemused avaldas ta hiljem samal aastal.

Põhipostulaadid

Valguse kiiruse püsivus– 1907. aastaks tehti katseid mõõtmiseks täpsusega ±30 km/s (mis oli suurem kui Maa orbiidi kiirus) ja selle muutusi aasta jooksul ei tuvastatud. See oli esimene tõend valguse kiiruse muutumatusest, mida hiljem kinnitasid paljud teised katsed, nii maa peal katsetajate kui ka kosmoses asuvate automaatsete seadmete poolt.

Relatiivsusteooria põhimõte– see põhimõte määrab füüsikaseaduste muutumatuse ruumi mis tahes punktis ja mis tahes inertsiaalses tugiraamistikus. See tähendab, et olenemata sellest, kas liigute kiirusega umbes 30 km/s Päikese orbiidil koos Maaga või kosmoselaevaga kaugel selle piiridest – kui sooritate füüsilist katset, jõuate alati samad tulemused (kui teie laev on selles ajas, ei kiirenda ega aeglustu). Seda põhimõtet kinnitasid kõik Maal tehtud katsed ja Einstein pidas seda põhimõtet targalt kogu ülejäänud Universumi kohta tõeseks.

Tagajärjed

Nendel kahel postulaadil põhinevate arvutuste abil jõudis Einstein järeldusele, et laevas liikuva vaatleja aeg peaks kiiruse suurenedes aeglustuma ja tema suurus koos laevaga vähenema liikumissuunas (et kompenseerida seeläbi liikumise mõju ja säilitada relatiivsuspõhimõte). Materiaalse keha lõpliku kiiruse tingimusest tulenes ka see, et kiiruste liitmise reegel (millel oli Newtoni mehaanikas lihtne aritmeetiline vorm) tuleks asendada keerukamate Lorentzi teisendustega – antud juhul isegi siis, kui liidame kaks kiirust. 99%-ni valguse kiirusest, saame sellest kiirusest 99,995%, kuid me ei ületa seda.

Teooria staatus

Kuna Einsteinil kulus konkreetsest teooriast üldise versiooni moodustamiseks vaid 11 aastat, ei tehtud katseid STR otseseks kinnitamiseks. Kuid samal aastal, kui see avaldati, avaldas Einstein ka oma arvutused, mis selgitasid Merkuuri periheeli nihkumist murdosa protsendi piiresse, ilma et oleks vaja kasutusele võtta uusi konstante ja muid eeldusi, mida nõudsid teised teooriad. selgitas seda protsessi. Sellest ajast alates on üldrelatiivsusteooria õigsust katseliselt kinnitatud täpsusega 10 -20 ja selle põhjal on tehtud palju avastusi, mis tõestavad selgelt selle teooria õigsust.

Meistrivõistlused avaringis

Kui Einstein avaldas oma esimesed teosed erirelatiivsusteooria kohta ja hakkas kirjutama selle üldist versiooni, olid teised teadlased juba avastanud olulise osa selle teooria aluseks olevatest valemitest ja ideedest. Ütleme nii, et Lorentzi teisendused üldisel kujul sai Poincare esmakordselt 1900. aastal (5 aastat enne Einsteini) ja need said nime Hendrik Lorentzi järgi, kes sai nende teisenduste ligikaudse versiooni, kuigi isegi selles rollis edestas ta Waldemar Vogti.

Sissejuhatus

2. Einsteini üldrelatiivsusteooria

Järeldus

Kasutatud allikate loetelu

Sissejuhatus

Ka 19. sajandi lõpul kaldus enamik teadlasi seisukohale, et füüsiline maailmapilt on põhimõtteliselt konstrueeritud ja jääb ka edaspidi vankumatuks – selgusele jäid vaid detailid. Kuid kahekümnenda sajandi esimestel kümnenditel muutusid füüsilised vaated radikaalselt. See oli äärmiselt lühikese ajalooperioodi jooksul tehtud teaduslike avastuste “kaskaadi” tagajärg, mis hõlmas 19. sajandi viimaseid ja 20. sajandi esimesi kümnendeid, millest paljud olid täiesti vastuolus tavainimese kogemuse mõistmisega. Ilmekas näide on Albert Einsteini (1879-1955) loodud relatiivsusteooria.

Relatiivsusprintsiibi kehtestas esmakordselt Galileo, kuid see sai lõpliku sõnastuse alles Newtoni mehaanikas.

Relatiivsuspõhimõte tähendab, et kõigis inertsiaalsüsteemides toimuvad kõik mehaanilised protsessid ühtemoodi.

Kui loodusteadustes domineeris mehhaaniline maailmapilt, ei kahelnud relatiivsusprintsiip. Olukord muutus dramaatiliselt, kui füüsikud hakkasid tõsiselt uurima elektrilisi, magnetilisi ja optilisi nähtusi. Klassikalise mehaanika ebapiisav loodusnähtuste kirjeldamisel sai füüsikutele ilmseks. Tekkis küsimus: kas relatiivsuspõhimõte kehtib ka elektromagnetiliste nähtuste puhul?

Kirjeldades oma arutluskäiku, osutab Albert Einstein kahele argumendile, mis andsid tunnistust relatiivsusprintsiibi universaalsuse poolt:

Seda põhimõtet rakendatakse mehaanikas suure täpsusega ja seetõttu võib loota, et see on õige ka elektrodünaamikas.

Kui inertsiaalsüsteemid ei ole loodusnähtuste kirjeldamiseks samaväärsed, siis on mõistlik eeldada, et loodusseadusi on kõige lihtsam kirjeldada vaid ühes inertsiaalsüsteemis.

Mõelgem näiteks Maa liikumisele ümber Päikese kiirusega 30 kilomeetrit sekundis. Kui antud juhul relatiivsusprintsiip ei täituks, siis kehade liikumisseadused sõltuksid Maa suunast ja ruumilisest orientatsioonist. Mitte midagi sellist, st. erinevate suundade füüsilist ebavõrdsust ei tuvastatud. Siin aga ilmneb relatiivsusprintsiibi näiline kokkusobimatus väljakujunenud valguse kiiruse püsivuse printsiibiga vaakumis (300 000 km/s).

Tekib dilemma: kas valguse kiiruse püsivuse printsiibi või relatiivsusprintsiibi tagasilükkamine. Esimene põhimõte on paika pandud nii täpselt ja üheselt, et sellest loobumine oleks selgelt põhjendamatu; vähem raskusi ei teki ka relatiivsuspõhimõtte eitamisel elektromagnetiliste protsesside valdkonnas. Tegelikult, nagu Einstein näitas:

"Valguse levimise seadus ja relatiivsuspõhimõte sobivad kokku."

Relatiivsusprintsiibi näiline vastuolu valguse kiiruse püsivusseadusega tuleneb sellest, et klassikaline mehaanika põhines Einsteini sõnul "kahel põhjendamatul hüpoteesil": kahe sündmuse vaheline ajavahemik ei sõltu liikumisolekust. etalonkeha ja jäiga keha kahe punkti vaheline ruumiline kaugus ei sõltu võrdluskeha liikumisolekust. Oma teooria arendamise käigus pidi ta loobuma: Galilei teisendustest ja leppima Lorentzi teisendustega; Newtoni absoluutse ruumi kontseptsioonist ja keha liikumise määratlusest selle absoluutse ruumi suhtes.

Iga keha liikumine toimub konkreetse võrdluskeha suhtes ja seetõttu tuleb kõik füüsikalised protsessid ja seadused sõnastada seoses täpselt määratletud referentssüsteemi või koordinaatidega. Seetõttu ei ole absoluutset kaugust, pikkust ega pikendust, nagu ei saa olla absoluutset aega.

Uued relatiivsusteooria kontseptsioonid ja põhimõtted muutsid oluliselt enam kui kakssada aastat teaduses domineerinud füüsikalisi ja üldteaduslikke ruumi, aja ja liikumise kontseptsioone.

Kõik eelnev õigustab valitud teema asjakohasust.

Käesoleva töö eesmärgiks on Albert Einsteini eri- ja üldrelatiivsusteooriate loomise põhjalik uurimus ja analüüs.

Töö koosneb sissejuhatusest, kahest osast, järeldusest ja kirjanduse loetelust. Töö kogumaht on 16 lehekülge.

1. Einsteini erirelatiivsusteooria

1905. aastal jõudis Albert Einstein absoluutse liikumise tuvastamise võimatuse põhjal järeldusele, et kõik inertsiaalsed referentssüsteemid on võrdsed. Ta sõnastas kaks kõige olulisemat postulatsiooni, mis moodustasid aluse uuele ruumi ja aja teooriale, mida nimetatakse erirelatiivsusteooriaks (STR):

1. Einsteini relatiivsusprintsiip – see printsiip oli Galilei relatiivsusprintsiibi üldistus mis tahes füüsikalistele nähtustele. See ütleb: kõik füüsikalised protsessid samadel tingimustel inertsiaalsetes tugisüsteemides (IRS) kulgevad samal viisil. See tähendab, et ükski suletud ISO sees läbi viidud füüsiline katse ei suuda kindlaks teha, kas see on puhkeasendis või liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt. Seega on kõik IFR-id täiesti võrdsed ja füüsikalised seadused on IFR-ide valiku suhtes muutumatud (st neid seadusi väljendavad võrrandid on kõigis inertsiaalsetes referentssüsteemides ühesuguse kujuga).

2. Valguse kiiruse püsivuse printsiip - valguse kiirus vaakumis on konstantne ega sõltu valguse allika ja vastuvõtja liikumisest. See on kõigis suundades ja kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides sama. Valguse kiirus vaakumis – piirav kiirus looduses – on üks olulisemaid füüsikalisi konstante, nn maailmakonstandid.

Nende postulaatide sügav analüüs näitab, et need on vastuolus Newtoni mehaanikas aktsepteeritud ja Galilei teisendustes kajastuvate ideedega ruumi ja aja kohta. Tõepoolest, vastavalt põhimõttele 1 peavad kõik loodusseadused, sealhulgas mehaanika ja elektrodünaamika seadused, olema muutumatud samade koordinaatide ja aja teisenduste suhtes, mis viiakse läbi ühest võrdlussüsteemist teise liikumisel. Newtoni võrrandid vastavad selle nõude, aga Maxwelli elektrodünaamika võrrandid mitte, s.t. osutuvad muutumatuks. See asjaolu viis Einsteini järeldusele, et Newtoni võrrandid vajavad täpsustamist, mille tulemusena osutuvad nii mehaanika kui ka elektrodünaamika võrrandid samade teisenduste suhtes muutumatuteks. Mehaanikaseaduste vajaliku muutmise viis läbi Einstein. Selle tulemusena tekkis mehaanika, mis oli kooskõlas Einsteini relatiivsusprintsiibiga – relativistliku mehaanikaga.

Relatiivsusteooria looja sõnastas üldistatud relatiivsusteooria, mis nüüd laieneb elektromagnetilistele nähtustele, sealhulgas valguse liikumisele. See põhimõte ütleb, et ükski antud võrdlusraamistiku piires läbiviidud füüsikalised katsed (mehaanilised, elektromagnetilised jne) ei suuda kindlaks teha erinevust puhkeseisundite ja ühtlase lineaarse liikumise vahel. Klassikaline kiiruste liitmine ei ole rakendatav elektromagnetlainete ja valguse levimisel. Kõigi füüsikaliste protsesside puhul on valguse kiirusel lõpmatu kiirus. Selleks, et anda kehale valguse kiirusega võrdne kiirus, on vaja lõpmatult palju energiat ja seetõttu on ühelgi kehal füüsiliselt võimatu seda kiirust saavutada. Seda tulemust kinnitasid elektronidega tehtud mõõtmised. Punktmassi kineetiline energia kasvab kiiremini kui selle kiiruse ruut ja valguse kiirusega võrdse kiiruse korral muutub see lõpmatuks.

Valguse kiirus on materiaalsete mõjude maksimaalne levimiskiirus. See ei saa summeeruda ühelgi kiirusel ja osutub kõigi inertsiaalsüsteemide jaoks konstantseks. Kõigi Maal liikuvate kehade kiirus on valguse kiiruse suhtes null. Tõepoolest, heli kiirus on vaid 340 m/s. See on valguse kiirusega võrreldes vaikus.

Nendest kahest printsiibist – valguse kiiruse püsivusest ja Galileo laiendatud relatiivsusprintsiibist – lähtuvad matemaatiliselt kõik erirelatiivsusteooria sätted. Kui valguse kiirus on kõigi inertsiaalsüsteemide puhul konstantne ja need kõik on võrdsed, siis on keha pikkuse, ajaintervalli, massi füüsikalised suurused erinevate võrdlussüsteemide puhul erinevad. Seega on liikuva süsteemi keha pikkus statsionaarse keha suhtes väikseim. Vastavalt valemile:

kus /" on keha pikkus liikuvas süsteemis kiirusega V paigalseisva süsteemi suhtes; / on keha pikkus statsionaarses süsteemis.

Teatud ajaperioodi, protsessi kestuse kohta on vastupidi. Aeg justkui venib, voolab liikuvas süsteemis aeglasemalt kui statsionaarses süsteemis, kus see protsess on kiirem. Vastavalt valemile:

Tuletagem meelde, et erirelatiivsusteooria mõju tuvastatakse valguselähedasel kiirusel. Valguse kiirusest oluliselt väiksematel kiirustel muunduvad SRT valemid klassikalise mehaanika valemiteks.

Joonis 1. Eksperiment "Einsteini rong"

Einstein püüdis selgelt näidata, kuidas aja kulg aeglustub liikuvas süsteemis paigalseisva suhtes. Kujutagem ette raudteeplatvormi, millest möödub rong valguse kiirusele lähedase kiirusega (joonis 1).

SRT, TOE - need lühendid peidavad tuttavat terminit "relatiivsusteooria", mis on tuttav peaaegu kõigile. Lihtsa keeles saab kõike seletada, isegi geeniuse avaldust, nii et ärge heitke meelt, kui te ei mäleta oma kooli füüsikakursust, sest tegelikult on kõik palju lihtsam, kui tundub.

Teooria päritolu

Niisiis, alustame kursusega "Relatiivsusteooria mannekeenidele". Albert Einstein avaldas oma töö 1905. aastal ja see tekitas teadlaste seas segadust. See teooria kattis peaaegu täielikult palju lünki ja ebakõlasid eelmise sajandi füüsikas, kuid lisaks kõigele muule muutis see ruumi ja aja idee. Paljusid Einsteini väiteid oli tema kaasaegsetel raske uskuda, kuid katsed ja uuringud kinnitasid vaid suure teadlase sõnu.

Einsteini relatiivsusteooria selgitas lihtsate sõnadega, millega inimesed olid sajandeid hädas olnud. Seda võib nimetada kogu kaasaegse füüsika aluseks. Enne relatiivsusteooria teemalise vestluse jätkamist tuleks aga selgeks teha terminite küsimus. Kindlasti on paljud populaarteaduslikke artikleid lugedes kohanud kahte lühendit: STO ja GTO. Tegelikult viitavad need veidi erinevatele mõistetele. Esimene on erirelatiivsusteooria ja teine ​​tähistab "üldist relatiivsusteooriat".

Lihtsalt midagi keerulist

STR on vanem teooria, millest sai hiljem osa GTR-ist. See võib arvestada ainult ühtlase kiirusega liikuvate objektide füüsilisi protsesse. Üldteooria võib kirjeldada, mis juhtub kiirendavate objektidega, ja selgitada ka gravitoniosakeste ja gravitatsiooni olemasolu.

Kui valguse kiirusele lähenedes on vaja kirjeldada liikumist ning ka ruumi ja aja suhet, saab seda teha spetsiaalne relatiivsusteooria. Lihtsate sõnadega saab seda seletada järgmiselt: näiteks sõbrad tulevikust kinkisid sulle kosmoselaeva, mis suudab lennata suurel kiirusel. Kosmoselaeva ninas on kahur, mis suudab tulistada footoneid kõige pihta, mis ette tuleb.

Laske sooritades lendavad need osakesed laeva suhtes valguse kiirusel, kuid loogiliselt võttes peaks seisev vaatleja nägema kahe kiiruse (footonid ise ja laev) summat. Aga ei midagi sellist. Vaatleja näeb footoneid liikumas kiirusega 300 000 m/s, nagu oleks laeva kiirus null.

Asi on selles, et ükskõik kui kiiresti objekt liigub, on valguse kiirus selle jaoks konstantne väärtus.

See väide on aluseks hämmastavatele loogilistele järeldustele, nagu näiteks aja aeglustamine ja moonutamine, olenevalt objekti massist ja kiirusest. Sellel põhinevad paljude ulmefilmide ja telesarjade süžeed.

Üldrelatiivsusteooria

Lihtsas keeles saab seletada mahukamat üldrelatiivsusteooriat. Alustuseks peaksime arvestama asjaoluga, et meie ruum on neljamõõtmeline. Aeg ja ruum on ühendatud sellises "subjektis" nagu "ruumi-aja kontiinum". Meie ruumis on neli koordinaattelge: x, y, z ja t.

Kuid inimesed ei suuda nelja dimensiooni otseselt tajuda, nagu ka kahemõõtmelises maailmas elav hüpoteetiline lame inimene ei suuda üles vaadata. Tegelikult on meie maailm vaid neljamõõtmelise ruumi projektsioon kolmemõõtmeliseks ruumiks.

Huvitav fakt on see, et üldise relatiivsusteooria järgi kehad liikumisel ei muutu. Neljamõõtmelise maailma objektid on tegelikult alati muutumatud ja nende liikumisel muutuvad ainult nende projektsioonid, mida me tajume aja moonutamise, suuruse vähenemise või suurenemisena jne.

Lifti eksperiment

Relatiivsusteooriat saab lihtsate sõnadega seletada väikese mõtteeksperimendi abil. Kujutage ette, et olete liftis. Kabiin hakkas liikuma ja sa leidsid end kaaluta olekust. Mis juhtus? Põhjuseid võib olla kaks: kas lift on kosmoses või on planeedi gravitatsiooni mõjul vabalanguses. Kõige huvitavam on see, et kaaluta oleku põhjust on võimatu välja selgitada, kui pole võimalik liftikabiinist välja vaadata ehk mõlemad protsessid näevad välja ühesugused.

Võib-olla jõudis Albert Einstein pärast sarnase mõtteeksperimendi läbiviimist järeldusele, et kui need kaks olukorda on üksteisest eristamatud, siis tegelikult gravitatsiooni mõjul keha ei kiirendata, see on ühtlane liikumine, mis on mõjul kõver. massiivsest kehast (antud juhul planeedist). Seega on kiirendatud liikumine vaid ühtlase liikumise projektsioon kolmemõõtmelisse ruumi.

Hea näide

Veel üks hea näide teemal "Relatiivsus mannekeenidele". See ei ole täiesti õige, kuid see on väga lihtne ja selge. Kui asetate venitatud kangale mõne eseme, moodustab see selle alla "läbipainde" või "lehtri". Kõik väiksemad kehad on sunnitud oma trajektoori moonutama vastavalt uuele ruumikõverale ja kui kehal on vähe energiat, ei pruugi ta sellest lehtrist üldse üle saada. Kuid liikuva objekti enda seisukohast jääb trajektoor sirgeks, ruumi paindumist ei tunneta.

Gravitatsioon "alandatud"

Üldrelatiivsusteooria tulekuga on gravitatsioon lakanud olemast jõud ja on nüüd rahul aja ja ruumi kõveruse lihtsa tagajärjega. Üldrelatiivsusteooria võib tunduda fantastiline, kuid see on töötav versioon ja seda kinnitavad katsed.

Relatiivsusteooria võib seletada paljusid uskumatuna näivaid asju meie maailmas. Lihtsamalt öeldes nimetatakse selliseid asju üldrelatiivsusteooria tagajärgedeks. Näiteks massiivsete kehade lähedal lendavad valguskiired on painutatud. Pealegi on paljud süvakosmosest pärit objektid üksteise taga peidus, kuid tänu sellele, et valguskiired painduvad ümber teiste kehade, on meie silmadele (täpsemalt teleskoobi silmadele) ligipääsetavad näiliselt nähtamatud objektid. See on nagu läbi seinte vaatamine.

Mida suurem on gravitatsioon, seda aeglasemalt liigub aeg objekti pinnal. See ei kehti ainult massiivsete kehade kohta, nagu neutrontähed või mustad augud. Aja dilatatsiooni mõju on täheldatav isegi Maal. Näiteks on satelliitnavigatsiooniseadmed varustatud ülitäpsete aatomkelladega. Nad on meie planeedi orbiidil ja aeg tiksub seal veidi kiiremini. Sajad sekundid päevas annavad tulemuseks kuni 10 km vea Maal teekonna arvutamisel. See on relatiivsusteooria, mis võimaldab meil selle vea arvutada.

Lihtsamalt öeldes võib selle öelda nii: üldrelatiivsusteooria on paljude kaasaegsete tehnoloogiate aluseks ja tänu Einsteinile leiame pizzeria ja raamatukogu lihtsalt võõrast piirkonnast.

Seda maailma ümbritses sügav pimedus.
Saagu valgus! Ja siis ilmus Newton.
Epigramm 18. sajandist.

Kuid Saatan ei oodanud kättemaksu kaua.
Einstein tuli ja kõik muutus samasuguseks nagu enne.
20. sajandi epigramm.

Relatiivsusteooria postulaadid

Postulaat (aksioom)- teooria aluseks olev ja ilma tõenditeta aktsepteeritud põhiväide.

Esimene postulaat: kõik füüsikaseadused, mis kirjeldavad mis tahes füüsikalisi nähtusi, peavad olema kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides ühesuguse kujuga.

Sama postulaadi võib sõnastada erinevalt: mis tahes inertsiaalsetes tugisüsteemides kulgevad kõik füüsikalised nähtused samadel algtingimustel ühtemoodi.

Teine postulaat: kõikides inertsiaalsetes referentssüsteemides on valguse kiirus vaakumis sama ega sõltu nii valgusallika kui ka vastuvõtja liikumiskiirusest. See kiirus on kõigi protsesside ja liikumiste maksimaalne kiirus, millega kaasneb energia ülekandmine.

Massi ja energia suhte seadus

Relativistlik mehaanika– mehaanika haru, mis uurib kehade liikumisseadusi valguse kiirusele lähedasel kiirusel.

Igal kehal on selle olemasolu tõttu energia, mis on võrdeline selle puhkemassiga.

Mis on relatiivsusteooria (video)

Relatiivsusteooria tagajärjed

Samaaegsuse suhtelisus. Kahe sündmuse samaaegsus on suhteline. Kui erinevates punktides toimuvad sündmused on samaaegsed ühes inertsiaalses tugiraamistikus, siis ei pruugi need olla samaaegsed teistes inertsiaalsetes tugisüsteemides.

Pikkuse vähendamine. Keha pikkus, mõõdetuna võrdlusraamis K", milles see on puhkeasendis, on suurem kui pikkus võrdlusraamis K, mille suhtes K" liigub kiirusega v piki Ox-telge:

Aja aeglustumine. Inertsiaalses tugikaadris K" seisva kellaga mõõdetud ajavahemik on väiksem kui inertsiaalses tugikaadris K mõõdetud ajavahemik, mille suhtes K" liigub kiirusega v:

Relatiivsusteooria

materjal Stephen Hawkingi ja Leonard Mlodinowi raamatust "A Brief History of Time".

Relatiivsus

Einsteini põhipostulaat, mida nimetatakse relatiivsusprintsiibiks, väidab, et kõik füüsikaseadused peavad olema ühesugused kõigile vabalt liikuvatele vaatlejatele, sõltumata nende kiirusest. Kui valguse kiirus on konstantne, peaks iga vabalt liikuv vaatleja salvestama sama väärtuse olenemata kiirusest, millega ta valgusallikale läheneb või sellest eemaldub.

Nõue, et kõik vaatlejad oleksid valguse kiiruses ühel meelel, sunnib muutma aja mõistet. Relatiivsusteooria kohaselt erinevad rongis liikuva ja platvormil seisva vaatleja hinnangud valguse läbitud vahemaa kohta. Ja kuna kiirus on vahemaa jagatud ajaga, on vaatlejatel ainus viis valguse kiiruses kokku leppida, kui nad ei nõustu ka ajas. Teisisõnu, relatiivsusteooria tegi lõpu absoluutse aja ideele! Selgus, et igal vaatlejal peab olema oma ajamõõt ja et erinevate vaatlejate identsed kellad ei pruugi näidata sama aega.

Kui me ütleme, et ruumil on kolm mõõdet, siis peame silmas seda, et punkti asukohta selles saab väljendada kolme arvu – koordinaatide – abil. Kui sisestame oma kirjeldusse aja, saame neljamõõtmelise aegruumi.

Teine relatiivsusteooria tuntud tagajärg on massi ja energia samaväärsus, mida väljendab Einsteini kuulus võrrand E = mc2 (kus E on energia, m on keha mass, c on valguse kiirus). Energia ja massi samaväärsuse tõttu suurendab kineetiline energia, mis materiaalse objekti liikumise tõttu omab, selle massi. Teisisõnu muutub objekti kiirendamine keerulisemaks.

See mõju on oluline ainult nende kehade puhul, mis liiguvad valguse kiirusele lähedase kiirusega. Näiteks kiirusel, mis on võrdne 10% valguse kiirusest, on kehamass vaid 0,5% suurem kui puhkeolekus, kuid kiirusel, mis on võrdne 90% valguse kiirusest, on mass rohkem kui kaks korda suurem. tavaline. Valguse kiirusele lähenedes suureneb keha mass üha kiiremini, nii et selle kiirendamiseks on vaja üha rohkem energiat. Relatiivsusteooria järgi ei saa objekt kunagi saavutada valguse kiirust, kuna sel juhul muutuks selle mass lõpmatuks ning massi ja energia võrdväärsuse tõttu oleks selleks vaja lõpmatut energiat. Seetõttu mõistab relatiivsusteooria igaveseks hukka iga tavalise keha liikumise valguse kiirusest väiksema kiirusega. Valguse kiirusel võivad liikuda ainult valgus või muud lained, millel pole oma massi.

Väändunud ruum

Einsteini üldine relatiivsusteooria põhineb revolutsioonilisel eeldusel, et gravitatsioon ei ole tavaline jõud, vaid selle tagajärg, et aegruum ei ole tasane, nagu varem arvati. Üldrelatiivsusteoorias on aegruum painutatud või kõverdunud sellesse paigutatud massi ja energia mõjul. Sellised kehad nagu Maa liiguvad kõveratel orbiitidel, mitte gravitatsioonijõu mõjul.

Kuna geodeetiline joon on lühim joon kahe lennujaama vahel, juhivad navigaatorid lennukeid mööda neid marsruute. Näiteks võite jälgida kompassi näitu ja lennata 5966 kilomeetrit New Yorgist Madridi mööda geograafilist paralleeli peaaegu otse itta. Kuid peate läbima vaid 5802 kilomeetrit, kui lennate suurel ringil, suundudes esmalt kirdesse ja seejärel pöörates järk-järgult itta ja seejärel kagusse. Nende kahe marsruudi välimus kaardil, kus maapind on moonutatud (esitatud tasapinnalisena), on petlik. Maakera pinnal ühest punktist teise "otse" ida poole liikudes ei liigu te tegelikult mööda sirget, õigemini mitte mööda kõige lühemat geodeetilist joont.

Kui projitseerida läbi kosmose sirgjooneliselt liikuva kosmoseaparaadi trajektoor Maa kahemõõtmelisele pinnale, selgub, et see on kõver.

Üldrelatiivsusteooria järgi peaksid gravitatsiooniväljad valgust painutama. Näiteks ennustab teooria, et Päikese lähedal peaksid valguskiired tähe massi mõjul veidi selle poole painduma. See tähendab, et kauge tähe valgus, kui see juhtub Päikese lähedalt mööduma, kaldub väikese nurga võrra kõrvale, mistõttu ei näe vaatleja Maal tähte täpselt seal, kus see tegelikult asub.

Meenutagem, et erirelatiivsusteooria põhipostulaadi kohaselt on kõik füüsikaseadused kõigi vabalt liikuvate vaatlejate jaoks ühesugused, sõltumata nende kiirusest. Jämedalt öeldes laiendab samaväärsuse põhimõte seda reeglit neile vaatlejatele, kes ei liigu vabalt, vaid gravitatsioonivälja mõjul.

Piisavalt väikestel ruumialadel on võimatu hinnata, kas olete gravitatsiooniväljas puhkamas või liigute tühjas ruumis pideva kiirendusega.

Kujutage ette, et olete liftis keset tühja ruumi. Puudub gravitatsioon, pole "üles" ja "alla". Sa hõljud vabalt. Seejärel hakkab lift liikuma pideva kiirendusega. Sa tunned äkki kaalu. See tähendab, et olete surutud vastu lifti ühte seina, mida nüüd tajutakse põrandana. Kui võtad õuna üles ja lased sellel lahti, kukub see põrandale. Tegelikult toimub nüüd, kui liigute kiirendusega, kõik lifti sees täpselt samamoodi, nagu siis, kui lift üldse ei liiguks, vaid oleks ühtlases gravitatsiooniväljas paigal. Einstein mõistis, et nii nagu rongivagunis olles ei saa te aru, kas see seisab või liigub ühtlaselt, ei saa te ka liftis olles aru, kas see liigub pideva kiirendusega või on ühtlases gravitatsiooniväljas. Selle arusaamise tulemuseks oli samaväärsuse põhimõte.

Samaväärsuse põhimõte ja antud näide selle avaldumisest kehtivad ainult siis, kui inertsiaalmass (osa Newtoni teisest seadusest, mis määrab, kui suure kiirenduse annab sellele rakendatav jõud kehale) ja gravitatsioonimass (osa Newtoni seadusest gravitatsioon, mis määrab gravitatsioonijõu suuruse) külgetõmbejõud) on üks ja sama asi.

Einsteini inertsiaal- ja gravitatsioonimasside samaväärsuse kasutamine samaväärsuse printsiibi ja lõpuks ka kogu üldrelatiivsusteooria tuletamiseks on näide loogiliste järelduste püsivast ja järjekindlast arengust, mis on inimmõtte ajaloos enneolematu.

Aja dilatatsioon

Teine üldrelatiivsusteooria ennustus on see, et aeg peaks aeglustuma selliste massiivsete kehade nagu Maa ümber.

Nüüd, kui oleme tuttavad samaväärsuse põhimõttega, saame jälgida Einsteini mõtlemist, viies läbi teise mõtteeksperimendi, mis näitab, miks gravitatsioon aega mõjutab. Kujutage ette raketti, mis lendab kosmoses. Mugavuse huvides eeldame, et selle korpus on nii suur, et valguse ülevalt alla liikumiseks kulub terve sekund. Lõpuks oletame, et raketis on kaks vaatlejat: üks üleval, lae lähedal, teine ​​all, põrandal, ja mõlemad on varustatud sama kellaga, mis loeb sekundeid.

Oletame, et ülemine vaatleja, oodanud oma kella loendamist, saadab koheselt alumisele valgussignaali. Järgmisel loendusel saadab see teise signaali. Meie tingimuste kohaselt kulub iga signaali alumise vaatlejani jõudmiseks üks sekund. Kuna ülemine vaatleja saadab kaks valgussignaali ühesekundilise intervalliga, registreerib ka alumine vaatleja need sama intervalliga.

Mis muutuks, kui selles katses, selle asemel, et vabalt kosmoses hõljuda, seisaks rakett Maal ja kogeks gravitatsiooni mõju? Newtoni teooria järgi ei mõjuta gravitatsioon asjade seisu kuidagi: kui ülaltoodud vaatleja edastab signaale sekundilise intervalliga, siis allolev vaatleja võtab need vastu sama intervalliga. Kuid samaväärsuse põhimõte ennustab sündmuste teistsugust arengut. Millist, saame aru, kui võrdväärsuse põhimõtte kohaselt asendame gravitatsiooni tegevuse vaimselt pideva kiirendusega. See on üks näide sellest, kuidas Einstein kasutas oma uue gravitatsiooniteooria loomisel samaväärsuse põhimõtet.

Ütleme nii, et meie rakett kiirendab. (Eeldame, et see kiirendab aeglaselt, nii et selle kiirus ei läheneks valguse kiirusele.) Kuna raketi kere liigub ülespoole, peab esimene signaal läbima varasemast väiksema vahemaa (enne kiirenduse algust), ja see jõuab madalama vaatlejani varem kui pärast seda, andke mulle sekund. Kui rakett liiguks konstantsel kiirusel, siis teine ​​signaal saabuks täpselt sama palju varem, nii et kahe signaali vaheline intervall jääks võrdseks ühe sekundiga. Kuid teise signaali saatmise hetkel liigub rakett kiirenduse tõttu kiiremini kui esimese saatmise hetkel, seega läbib teine ​​signaal lühema vahemaa kui esimene ja võtab veelgi vähem aega. Allpool oma kella kontrolliv vaatleja märkab, et signaalide vaheline intervall on alla ühe sekundi, ja ei nõustu ülaltoodud vaatlejaga, kes väidab, et saatis signaalid täpselt üks sekund hiljem.

Kiirendava raketi puhul ei tohiks see efekt ilmselt eriti üllatada. Lõppude lõpuks me lihtsalt selgitasime seda! Kuid pidage meeles: samaväärsuse põhimõte ütleb, et sama juhtub ka siis, kui rakett on gravitatsiooniväljas paigal. Järelikult, isegi kui rakett ei kiirenda, vaid seisab näiteks Maa pinnal stardiplatvormil, jõuavad ülemise vaatleja poolt sekundilise intervalliga (tema kella järgi) saadetud signaalid madalam vaatleja väiksema intervalliga (tema kella järgi) . See on tõeliselt hämmastav!

Gravitatsioon muudab aja kulgu. Nii nagu erirelatiivsusteooria ütleb meile, et aeg möödub üksteise suhtes liikuvate vaatlejate jaoks erinevalt, ütleb üldrelatiivsusteooria, et aeg kulgeb vaatlejate jaoks erinevates gravitatsiooniväljades erinevalt. Üldrelatiivsusteooria järgi registreerib madalam vaatleja signaalide vahel lühema intervalli, kuna aeg liigub Maa pinnal aeglasemalt, kuna gravitatsioon on seal tugevam. Mida tugevam on gravitatsiooniväli, seda suurem on see mõju.

Meie bioloogiline kell reageerib ka aja kulgemise muutustele. Kui üks kaksikutest elab mäe otsas ja teine ​​mere ääres, vananeb esimene kiiremini kui teine. Sel juhul on vanusevahe tühine, kuid see suureneb märgatavalt kohe, kui üks kaksikutest läheb pikale teekonnale kosmoselaevaga, mis kiirendab valguse kiirusele. Kui rännumees naaseb, on ta palju noorem kui tema Maa peale jäänud vend. Seda juhtumit tuntakse kaksikparadoksina, kuid see on paradoksaalne ainult neile, kes klammerduvad absoluutse aja ideest. Relatiivsusteoorias pole unikaalset absoluutset aega – igal indiviidil on oma ajamõõt, mis sõltub sellest, kus ta asub ja kuidas ta liigub.

Satelliidilt signaale vastuvõtvate ülitäpsete navigatsioonisüsteemide tulekuga on erinevatel kõrgustel kellasageduste erinevus omandanud praktilise tähtsuse. Kui aparatuur eiras üldrelatiivsusteooria ennustusi, võib viga asukoha määramisel olla mitu kilomeetrit!

Üldrelatiivsusteooria tekkimine muutis olukorda radikaalselt. Ruum ja aeg omandasid dünaamiliste olemite staatuse. Kui kehad liiguvad või jõud toimivad, põhjustavad nad ruumi ja aja kumerust ning aegruumi struktuur omakorda mõjutab kehade liikumist ja jõudude toimet. Ruum ja aeg ei mõjuta mitte ainult kõike, mis universumis toimub, vaid nad ise sõltuvad sellest kõigest.

Aeg musta augu lähedal

Kujutagem ette kartmatut astronauti, kes jääb katastroofilise kokkutõmbumise ajal kokkuvariseva tähe pinnale. Mingil hetkel kahaneb täht tema kella järgi, ütleme kell 11:00, kriitilise raadiuseni, millest kaugemale intensiivistub gravitatsiooniväli nii palju, et sellest pole võimalik põgeneda. Oletame nüüd, et vastavalt juhistele peab astronaut saatma oma kellal iga sekundi järel signaali kosmoselaevale, mis asub orbiidil tähe keskpunktist mingil kindlal kaugusel. See hakkab signaale edastama kell 10:59:58, st kaks sekundit enne kella 11:00. Mida registreerib meeskond kosmoselaeva pardal?

Varem, olles teinud raketi sees valgussignaalide edastamise mõtteeksperimendi, olime veendunud, et gravitatsioon aeglustab aega ja mida tugevam see on, seda olulisem on mõju. Tähe pinnal viibiv astronaut on tugevamas gravitatsiooniväljas kui tema kolleegid orbiidil, seega kestab üks sekund tema kellal kauem kui sekund laevakellal. Kui astronaut liigub pinnaga tähe keskpunkti poole, muutub talle mõjuv väli järjest tugevamaks, nii et intervallid tema kosmoselaeva pardal vastuvõetavate signaalide vahel pikenevad pidevalt. See aja dilatatsioon on kuni kella 10:59:59-ni väga väike, nii et orbiidil olevate astronautide jaoks on kell 10:59:58 ja 10:59:59 edastatud signaalide vaheline intervall veidi üle sekundi. Aga kell 11:00 saadetud signaali enam laevale ei võeta.

Kõik, mis toimub tähe pinnal ajavahemikus 10:59:59 kuni 11:00 astronaudi kella järgi, ulatub kosmoselaeva kella järgi lõpmatu aja jooksul. Kell 11.00 lähenedes muutuvad intervallid tähe kiirgavate valguslainete järjestikuste harjade orbiidile jõudmise ja madalseisude vahel järjest pikemaks; sama juhtub ka astronaudi signaalide vaheliste intervallidega. Kuna kiirguse sageduse määrab sekundis saabuvate harude (või lohkude) arv, registreerib kosmoselaev tähe kiirguse järjest madalamaid sagedusi. Tähe valgus muutub üha punasemaks ja samal ajal tuhmub. Lõpuks muutub täht nii hämaraks, et muutub kosmoselaeva vaatlejatele nähtamatuks; alles jääb vaid must auk kosmosesse. Tähe gravitatsiooni mõju kosmoselaevale jääb aga alles ja see jätkab tiirlemist.