Obecná relativita. Albert Einsteinova teorie relativity

Bylo řečeno o této teorii, že to pochopí jen tři lidé na světě, a když se matematici pokusili vyjádřit v číslech, co z toho vyplývá, autor sám - Albert Einstein - žertoval, že teď přestal rozumět. Zvláštní a obecná teorie relativity je nedílnou součástí výuky, na které jsou postaveny moderní vědecké názory na strukturu světa.

"Rok zázraků"

V roce 1905 publikovala přední vědecká publikace v Německu Annalen der Physik (Annals of Physics) jeden po druhém čtyři články 26-letého Alberta Einsteina, který pracoval jako expert třetí třídy - malý úředník - federální úřad pro patentování vynálezů v Bernu. Dříve spolupracoval s časopisem, ale publikování tolika prací za jeden rok bylo mimořádnou událostí. Stalo se ještě více, když se ukázala hodnota myšlenek obsažených v každém z nich.

V prvním článku byly vyjádřeny myšlenky o kvantové povaze světla a byly zvažovány procesy absorpce a emise elektromagnetického záření. Na tomto základě byl poprvé vysvětlen fotoelektrický efekt - emise elektronů emitovaných fotony světla látkou - a pro výpočet množství energie uvolněné v tomto procesu byly navrženy vzorce. Je to pro teoretický vývoj fotoelektrického efektu, který začal kvantovou mechaniku, a nikoli pro postuláty teorie relativity, Einstein bude v roce 1922 udělen Nobelovu cenu za fyziku.

Další článek položil základy pro použité oblasti fyzické statistiky založené na výzkumu. Brownian pohyb nejmenší částice suspendované v kapalině. Einstein navrhl metody pro nalezení vzorků kolísání - náhodné a náhodné odchylky fyzikálních veličin od jejich nejpravděpodobnějších hodnot.

A nakonec články "O elektrodynamice pohybujících se těles" a "Je tělesná setrvačnost závislá na energetickém obsahu?" Obsahovaly zárodky toho, co bude v historii fyziky označeno jako teorie relativity Albert Einstein, nebo spíše jeho první část - SRT - relativnost.

Zdroje a předchůdcové

Na konci 19. století mnoho fyziků připadalo, že většina globálních problémů vesmíru byla vyřešena, hlavní objevy byly učiněny a lidstvo muselo využít pouze nahromaděné poznatky k silnému urychlení technologického pokroku. Pouze několik teoretických nesrovnalostí zkazilo harmonický obraz vesmíru, naplněného etherem a životem podle neotřesitelných newtonských zákonů.

Harmony zkazila teoretické studie Maxwell. Jeho rovnice, které popisovaly interakci elektromagnetických polí, odporovaly obecně uznávaným zákonům klasické mechaniky. Jednalo se o měření. rychlost světla v dynamických referenčních systémech, kdy zásada relativity Galileo přestala fungovat, matematický model interakce takových systémů při pohybu s rychlostí světla vedl ke zmizení elektromagnetické vlny.

Kromě toho neodpověděl na objev etheru, který měl sladit současnou existenci částic a vln, makro a mikrokosmu. Experiment, který byl proveden v roce 1887 Albertem Michelsonem a Edwardem Morleym, byl zaměřen na detekci "éterického větru", který musel být nevyhnutelně fixován unikátním nástrojem - interferometrem. Experiment trval celý rok - čas úplné revoluce Země kolem Slunce. Planeta se po půl roku musí pohybovat proti etherovému proudu, éter musel "pádět do plachet" na Zemi po půl roku, ale výsledek byl nulový: žádná vlna světla se nepohybovala pod vlivem éteru, což zpochybňovalo samotnou existenci éteru.

Lorenz a Poincare

Fyzici se snažili najít vysvětlení výsledků pokusů o detekci etheru. Hendrick Lorenz (1853-1928) navrhl svůj matematický model. Oživila éterické vyplňování vesmíru, ale pouze pod velmi podmíněným a umělým předpokladem, že když se pohybuje éterem, objekty se mohou zmenšit ve směru pohybu. Tento model byl upraven modelem Henri Poincaré (1854-1912).

V pracích těchto dvou vědců se poprvé objevily koncepty, které představovaly hlavní principy teorie relativity, a to nedovoluje, aby Einsteinovy ​​obvinění z plagiátorství zmírnila. Patří sem konvenčnost koncepce souběžnosti, hypotéza stálosti rychlosti světla. Poincaré připustil, že při vysokých rychlostech zákony Newtonovy mechaniky vyžadují zpracování, dospěl k závěru, že pohyb je relativní, ale vztahuje se na teorii éteru.

Speciální teorie relativity - SRT

Problémy správného popisu elektromagnetických procesů se staly motivujícím důvodem pro výběr tématu teoretického vývoje a Einsteinovy ​​články z roku 1905 obsahovaly interpretaci konkrétního případu - rovnoměrného a přímočarého pohybu. Do roku 1915 byla vytvořena obecná teorie relativity, která také vysvětlovala interakce gravitačních interakcí, ale první byla teorie volala zvláštní.

Speciální teorie relativity Einstein lze shrnout jako dva základní postuláty. První rozšiřuje akci Galilejský princip relativity na všech fyzických jevech, a ne jen na mechanických procesech. V obecnější podobě zní: Všechny fyzické zákony jsou stejné pro všechny inerciální (pohyblivé rovnoměrně, přímočaré nebo v klidu) referenční systémy.

Druhé tvrzení, které obsahuje speciální teorii relativity: rychlost světla ve vakuu pro všechny inerciální referenční systémy je stejná. Dále je dosaženo globálnějšího závěru: rychlost světla je nejvyšší možnou rychlostí přenosu interakcí v přírodě.

V matematických výpočtech je SRT dán vzorec E = mc², který se dříve objevil ve fyzických publikacích, ale díky Einsteinovi se stal nejznámějším a nejoblíbenějším v dějinách vědy. Závěr o ekvivalenci hmoty a energie je nejrevolučtější vzorec teorie relativity. Koncepce, že nějaký objekt s hmotou obsahuje obrovské množství energie, se stal základem pro rozvoj využívání jaderné energie a především vedl k výskytu atomové bomby.

Účinky speciální teorie relativity

SRT zahrnuje několik důsledků, které se nazývají relativistické (relativity nebo relativity). Časová dilatace je jedna z nejjasnějších. Její podstatou je, že v pohybujícím se referenčním čase jde pomaleji. Výpočty ukazují, že na kosmické lodi, která provedla hypotetický let do hvězdného systému Alpha Centauri a zpět rychlostí 0,95 s (c je rychlost světla), to bude trvat 7,3 let a na Zemi bude 12 let. Takové příklady se často uvádějí, když je vysvětlena teorie relativity pro čajníky, stejně jako dvojí paradox spojený s tímto účinkem.

Dalším účinkem je snížení lineárních rozměrů - to znamená z pohledu pozorovatele objekty pohybující se vzhledem k němu při rychlosti blízké k c budou mít menší směry ve směru pohybu než jejich vlastní délka. Tento efekt předpovídá relativistická fyzika se nazývá Lorentzova kontrakce.

Podle zákonů relativistické kinematiky je hmotnost pohybujícího se objektu větší než zbytek hmoty. Tento efekt je obzvláště významný ve vývoji nástrojů pro studium elementárních částic - bez ohledu na to je obtížné představit si práci LHC (Large Andron Collider).

Prostorový čas

Jednou z nejdůležitějších součástí speciální relativity je grafické zobrazení relativistické kinematiky, zvláštní koncepce sjednoceného časoprostoru, kterou navrhl německý matematik Hermann Minkowski, který byl kdysi učitelem matematiky od studenta Alberta Einsteina.

Podstatou modelu Minkowski je zcela nový přístup k určení polohy objektů vstupujících do interakce. Speciální teorie relativity věnuje zvláštní pozornost. Čas se stává nejen čtvrtou souřadnicí klasického trojrozměrného souřadného systému, čas není absolutní hodnotou, nýbrž neoddělitelnou charakteristikou prostoru, který má podobu prostorově-časového kontinua, graficky vyjádřeného jako kužel, ve kterém dochází ke všem interakcím.

Takový prostor v teorii relativity se svým vývojem ke zobecňujícímu charakteru později také podléhal zakřivení, což způsobilo, že tento model je vhodný pro popis a gravitační interakce.

Další vývoj teorie

SRT okamžitě nenalezl porozumění mezi fyziky, ale postupně se stal hlavním nástrojem pro popis světa, zvláště svět elementárních částic, který se stal hlavním předmětem studia fyzikálních věd. Úkolem doplnit STR o vysvětlení sil síly bylo velmi naléhavé a Einstein nepřestal pracovat, zdokonaloval zásady obecné teorie relativity - GRT. Matematické zpracování těchto principů trvalo poměrně dlouhou dobu - zhruba 11 let, a na něm se podíleli odborníci z fyziky.

Významný přispěl tak vedoucí matematik té doby, David Hilbert (1862-1943), který se stal jedním ze spoluautorů rovnic gravitačního pole. Byly to poslední kámen při stavbě krásné budovy, která získala jméno - obecná teorie relativity nebo GR.

Obecná relativita - GR

Moderní teorie gravitačního pole, teorie struktury časoprostoru, geometrie časoprostoru, zákon fyzikálních interakcí v systémech neintervalních hlášení jsou různá jména, která byla věnována obecné teorii relativity Alberta Einsteina.

Rozsáhlé teorie světa, která po dlouhou dobu určovala názory fyzikálních věd na gravitaci, na interakci objektů a polí různých velikostí. Paradoxně, jeho hlavní nevýhodou byla nevýznamnost, iluzivita, matematika jeho podstaty. Mezi hvězdami a planetami byla prázdnota, přitažlivost mezi nebeskými těly byla vysvětlitelná akcími některých velmocí na dlouhé vzdálenosti a okamžitým. Obecná teorie relativity Albert Einstein naplnila gravitace fyzickým obsahem, prezentovala ji jako přímý kontakt různých hmotných objektů.

Gravitální geometrie

Hlavním nápadem, s pomocí kterého Einstein vysvětlil gravitační interakce, je velmi jednoduchý. Fyzický výraz sil vykládá prostor-čas, obdařený zcela hmatatelnými znaky - metrickou a deformačními, která jsou ovlivněna hmotností objektu, kolem něhož se vytvářejí takové zakřivení. Jeden čas byl Einstein dokonce připisován výzvám, aby se k teorii vesmíru vrátil pojem éter jako elastické materiální médium, které vyplňuje prostor. Vysvětlil, že pro něj je obtížné volat látku s množstvím vlastností, které lze označit za vakuum.

Tudíž gravitace je projevem geometrických vlastností čtyřrozměrného časoprostoru, který byl v SRT označen jako nekřivý, ale obecněji je obdarován zakřivením, které určuje pohyb hmotných objektů, které jsou dány stejným akceleracím v souladu s Einsteinovým ekvivalenčním principem.

Tento základní princip teorie relativity vysvětluje mnoho "úzkých míst" Newtonovské teorie světové rozšíření: zakřivení světla pozorované, když prochází kolem masivních vesmírných objektů s některými astronomickými jevy, a poznamenané staršími, stejné zrychlení těl padácích bez ohledu na jejich hmotnost.

Modelování zakřivení prostoru

Společným příkladem, který vysvětluje obecnou teorii relativity pro čajníky, je reprezentace prostoru-času ve formě trampolíny - elastické tenké membrány, na které jsou umístěny předměty (nejčastěji koule) simulující vzájemně se ovlivňující předměty. Těžké kuličky ohýbají membránu a tvoří kolem sebe nálevku. Menší kulička, vypuštěná na povrchu, se pohybuje v plném souladu se zákony gravitace, postupně se vtahuje do drážek tvořených masivnějšími předměty.

Ale takový příklad je zcela libovolný. Reálný prostor-čas je vícerozměrný, jeho zakřivení také nevypadá tak zásadně, ale princip jasné gravitační interakce a podstaty teorie relativity jsou jasné. V každém případě ještě neexistuje hypotéza, která by více graficky a koherentně vysvětlovala teorii gravitace.

Důkaz pravdy

GTR se rychle začal vnímat jako silný základ, na kterém by mohla být budována moderní fyzika. Teorie relativity byla od samého počátku pozoruhodná ve své harmonii a harmonii, a to nejen odborníky, a brzy po jejím vzhledu to bylo potvrzeno pozorováním.

Nejbližší místo k Slunci - perihelionu - oběžné dráhy Merkura je postupně posunuto vzhledem k oběžné dráze jiných planet Sluneční soustavy, které byly objeveny v polovině 19. století. Takové hnutí - precese - nenašlo rozumné vysvětlení v rámci Newtonovy teorie světové šíře, ale bylo přesně vypočítáno na základě obecné teorie relativity.

Zatmění Slunce, k němuž došlo v roce 1919, poskytlo příležitost pro další doklad GR. Arthur Eddington, který si žertovně nazýval druhého ze tří, který pochopil základy teorie relativity, potvrdil odchylky předpověděné Einsteinem při průchodu světelných fotonů v blízkosti hvězdy: v době zatmění se zdála viditelná pozice některých hvězd.

Pokus o detekci zpomalování hodin nebo gravitačního rudého posunu byl navržen samotným Einsteinem, mezi jinými důkazy o obecné relativitě. Teprve po mnoha letech se podařilo připravit potřebné experimentální vybavení a provést tuto zkušenost. Gravitační posun radiových kmitočtů z vysílače a přijímače, oddělených výškou, byl v mezích předpovědí GR, zatímco fyzikové z Harvarda Robert Pound a Glen Rebka, kteří tento experiment prováděli, později zvýšili přesnost měření a vzorec teorie relativity se opět ukázal jako správný.

Ve zdůvodnění nejvýznamnějších projektů průzkumu vesmíru je nutně přítomna Einsteinova teorie relativity. Zkrátka lze říci, že se stala inženýrským nástrojem pro specialisty, zejména ty, které se zabývají družicovými navigačními systémy - GPS, GLONASS atd. Není možné vypočítat souřadnice objektu s požadovanou přesností ani v poměrně malém prostoru bez ohledu na zpomalení signálů předpokládaných GTR. Zvláště pokud jde o objekty oddělené prostorem, kde může být chyba v navigaci obrovská.

Stvořitel teorie relativity

Albert Einstein byl ještě mladý muž, když publikoval základy teorie relativity. Následně sám zjistil své nedostatky a nesrovnalosti. Zejména nejdůležitějším problémem obecné relativity byl nemožnost jeho růstu do kvantové mechaniky, neboť principy radikálně odlišné od sebe se používají k popisu gravitačních interakcí. V kvantové mechanice se zvažuje interakce objektů v jednom časoprostoru, zatímco pro Einstein tento prostor sám tvoří gravitaci.

Psaní "vzorce všech věcí" - sjednocené teorie pole, která by eliminovala rozpory GR a kvantové fyziky, byl Einsteinovým cílem po mnoho let, pracoval na této teorii až do poslední hodiny, ale neuspěl. Problémy GR se staly motivací mnoha teoretiků při hledání pokročilejších modelů světa. Takže se objevily řetězové teorie, smyčková kvantová gravitace a mnoho dalších.

Osobnost autora UTO opustila historickou známku srovnatelnou s hodnotou vědy teorie relativity sama. Zanechává nikoho tak lhostejného. Einstein uvažoval, proč mu byla věnována tak velká pozornost a jeho práci od lidí, kteří neměli nic společného s fyzikou. Díky svým osobním vlastnostem, známému vtipu, aktivní politické pozici a dokonce výraznému vzhledu se stal Einstein nejslavnějším fyzikem na Zemi, hrdinou mnoha knih, filmů a počítačových her.

Konec svého života dramaticky popisuje mnoho lidí: byl osamělý a považoval se za zodpovědný za vzhled nejnebezpečnější zbraně, která se stala hrozbou pro všechny živé věci na planetě, jeho jednotná teorie pole zůstala nereálným snem, ale nejlepší výsledek lze považovat za slova Einsteina že dokončil svůj úkol na Zemi. Je těžké se s tím vypořádat.