header

» » » » » История теории относительности

История теории относительности

История теории относительности


Столетие назад, в ноябре 1915 года в Прусскую академию поступила: «Общая теория относительности». Физики тех дней отличались некоторой инертностью и неприятием новинок, но у ученых новая теория от Эйнштейна сразу получила заслуженную славу. Альберт построил ее на собственной ранней специальной теории относительности, разрешавшей несколько несоответствий и загадок физики 19-го века.

 

Красота инвариантности


В 17-м веке один ученый, на голову которого если верить научным мифам часто падали яблоки, разработал систему, описывавшую физические свойства реального мира. Его идеи были очень продвинутыми и помогали описать полет пушечного ядра и предсказать движение планет.

Уравнения Ньютона имели еще одно, очень привлекательное свойство, любые участники событий, вне зависимости, двигаются они или нет (в какой инерциальной системе находятся) увидят мир вокруг них одинаково. Два человека, двигаясь в разные стороны, будут наблюдать события, который разворачиваются таким же образом.


Даже если формально они будут видеть все немного по-разному, для одного все будет двигаться слева направо, а для другого справа налево, фундаментальное описание разворачивающихся событий будет одинаковым для обоих наблюдателей, законы физики для них будут иметь одинаковую форму. Но в 19-м веке люди начали замечать, что не все происходит в соответствии с идеями Ньютона.

 

Капризы электромагнетизма


Первым гвоздем в теорию Ньютона были уравнения Джемса Клерка Максвелла, которые он объединил в один феномен электромагнетизм. Они прекрасно работали, но их форма менялась при перескакивании из выбранной позиции наблюдения к следующей. Оказалось, что человек, который не двигается, может наблюдать физические явления более отчетливо, чем его двигающийся сосед. Физики пытались сохранить жизнь красоте инвариантности, однако всем было понятно, что некоторые явления очевидцы видят различно.


Специальная теория относительности: фундамент


В первой декаде 20-го века Хе́ндрик Ло́ренц предложил удивительную модель, которую позже назвали преобразованиями Лоренца. Благодаря ей удавалось сохранить структуру уравнений Максвелла в случаях, когда нужно было переходить в другие инерциальные системы. Преобразование Лоренца кардинально отличалось от преобразования инерциальных систем, использовавшихся в ньютоновской физике. Ньютон считал, что длина и время – это абсолютные величины. По мнению Лоренца, они меняют характеристики, в зависимости от местоположения наблюдателя.

 

Принцип относительности


Необычные преобразования Лоренца заинтересовали Эйнштейна, он задался вопросом, является ли сохранение структуры уравнений Максвелла с помощью преобразований Лоренца математическим трюком или фундаментальным законом. Он задумался над тем, являются ли время и пространство абсолютными величинами или инвариантность законов физики должна иметь первостепенное значение.

 

В 1905 году ученый пришел к выводу, что инвариантность законов должна иметь самый высокий статус и изложил принцип относительности: любые инерциальные системы отсчета эквивалентны, движение наблюдателя не имеет значения, а все законы физики в любых инерциальных точках должны иметь тот же вид.

 

С учетом капризов электромагнетизма этот принцип не будет требовать, чтобы переход из инерциальной системы в следующую требовал сложных преобразований. Эйнштейн признал, что время и пространство могут изменять свои свойства при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Специальная теория относительности объяснила почти все, но тут в игру вступила гравитация.


Падающий мячик


В 1907 году Эйнштейн понял, специальная теория относительности не отвечает на все вопросы. Принцип относительности можно применить только для наблюдателей, которые двигаются с постоянной скоростью. Были и нестыковки с ньютоновским описанием тяжести. Так как в те времена ученый работал клерком в патентном бюро и не имел доступа к лабораторному оборудованию, ему приходилось проводить множество мысленных экспериментов, рассматривая в голове различные сценарии, шаг за шагом.

 

В 17-м веке, Ньютон сделал вывод, что все предметы падают на Землю потому, что притягиваются ее силой тяжести. Эйнштейн сказал, что ничего не падает. Объекты и Земля свободно двигаются в искривленном пространстве времени, и это искривление приводит к появлению массы и энергии всех объектов.

 

После многочисленных мысленных экспериментов Эйнштейн пришел к выводу, что гравитация не отличается от ускорения. Человек, который стоит на земле неподвижно, чувствует то же, что и космонавт в ракете при ускорении в 1 G. Кроме того, ученый доказал, что ускоренный наблюдатель сможет заметить как меняются геометрические свойства. Например, математическую константу π нельзя будет определить, как отношение длины окружности к ее диаметру.

 

Не просто время и пространство перестали быть абсолютными. Даже геометрия, которая почти не изменялась на протяжении нескольких тысячелетий, перестала быть абсолютной, оказалось, что она может меняться под воздействием физических условий.

 

Дорога к общей теории относительности


Рассуждения на тему геометрии, пространства времени и физических процессов, протекающих в них, убедили Энштейна в их взаимосвязи и способности влиять друг на друга. Это также привело к поразительному выводу то, что мы воспринимаем, как гравитацию, это всего лишь следствия движения сквозь пространство-время. И чем больше кривизна пространства-времени, тем сильнее сила тяжести.

 

Эйнштейну понадобилось восемь лет, чтобы найти связь между физикой и геометрией пространства-времени. В 1915 году он подарил миру уравнения, которые не просто изменили интерпретацию событий вокруг нас, но и объяснили некоторые загадочные и даже не открытые явления: от аномальной орбиты меркурия до предсказания черных дыр и расширяющейся вселенной.

 

Путь от физики Ньютона к общей относительности Эйнштейна был долгим, но в итоге ученый создал картину мироздания, которая используется физиками сейчас.

Автор: Katerina3007   13-11-2015

Рубрика: Новости » Планета Земля » История

Рейтинг:

Просмотров: 955

Комментариев: 1

Статьи по теме

Комментарии

Lisava

Простите великодушно, но мой мозг плохо воспринимает Эйнштейна в это время суток wink
По мне, так пусть себе яблоки падают на чью угодно голову, лишь бы вреда от этого не было.
Вспомнила нечто вроде анекдота на тему теории относительности -
когда в руках горячая сковородка, минута кажется часом;
а когда в руках горячая красотка - час пролетает за минуту
feel
Думаю, студенты-физики такую лекцию поймут гораздо быстрее wink

21 ноября 2015 01:01
Комментировать

Зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии