Тэорыя адноснасці - што гэта такое? Пастулаты тэорыі адноснасці. Час і прастора ў тэорыі адноснасці

Яшчэ ў пачатку 20-га стагоддзя была сфармуляваная тэорыя адноснасці. Што гэта такое і хто яе стваральнік, ведае сёння кожны школьнік. Яна настолькі цікавая, што ёй цікавяцца нават людзі, далёкія ад навукі. У гэтым артыкуле даступнай мовай апісваецца тэорыя адноснасці: што гэта такое, якія яе пастулаты і прымяненне.

Кажуць, што да Альберту Эйнштэйну, яе стваральніку, прасвятленне прыйшло ў адно імгненне. Вучоны быццам бы ехаў на трамваі па швейцарскаму Бэрна. Ён паглядзеў на вулічныя гадзіны і раптам усвядоміў, што гэтыя гадзіны спыняцца, калі трамвай разгоніцца да хуткасці святла. У гэтым выпадку часу б не стала. Час у тэорыі адноснасці гуляе вельмі важную ролю. Адзін з пастулатаў, сфармуляваных Эйнштэйнам, - розныя назіральнікі ўспрымаюць рэчаіснасць па-рознаму. Гэта ставіцца ў прыватнасці да часу і адлегласці.

Ўлік палажэнні назіральніка

У той дзень Альберт зразумеў, што, выяўляючыся мовай навукі, апісанне любога фізічнага з'явы ці падзеі залежыць ад таго, у якой сістэме адліку знаходзіцца назіральнік. Да прыкладу, калі якая-небудзь пасажырка трамвая ўпусьціць акуляры, яны ўпадуць ў адносінах да яе вертыкальна ўніз. Калі ж паглядзець з пазіцыі які стаяў на вуліцы пешахода, то траекторыя іх падзення будзе адпавядаць парабалу, так як трамвай рухаецца і адначасова падаюць акуляры. Такім чынам, сістэма адліку ў кожнага свая. Прапануем падрабязней разгледзець асноўныя пастулаты тэорыі адноснасці.

Закон размеркаванага руху і прынцып адноснасці

Нягледзячы на тое што пры змене сістэм адліку апісання падзей мяняюцца, існуюць і ўніверсальныя рэчы, якія застаюцца нязменнымі. Для таго каб зразумець гэта, трэба задацца пытаннем не падзення ачкоў, а закона прыроды, які выклікае гэта падзенне. Для любога назіральніка, незалежна ад таго, у рухаецца або нерухомай сістэме каардынат ён знаходзіцца, адказ на яго застаецца нязменным. Гэты закон называецца законам размеркаванага руху. Ён аднолькава дзейнічае як у трамваі, так і на вуліцы. Іншымі словамі, калі апісанне падзей заўсёды залежыць ад таго, хто іх назірае, то гэта не ставіцца да законаў прыроды. Яны з'яўляюцца, як прынята казаць на навуковай мове, інварыянтнай. Вось у гэтым і складаецца прынцып адноснасці.

Дзве тэорыі Эйнштэйна

Дадзены прынцып, як і любую іншую гіпотэзу, неабходна было спачатку праверыць, суаднясення яго з прыроднымі з'явамі, якія дзейнічаюць у нашай рэальнасці. Эйнштэйн вывеў 2 тэорыі з прынцыпу адноснасці. Хоць яны і роднасныя, але лічацца асобнымі.

Прыватная, або спецыяльная, тэорыя адноснасці (СТА) грунтуецца на становішчы аб тым, што для разнастайных сістэм адліку, хуткасць руху якіх сталая, законы прыроды застаюцца аднымі і тымі ж. Агульная тэорыя адноснасці (АТА) дадзены прынцып распаўсюджвае на любыя сістэмы адліку, у тым ліку і тыя, якія рухаюцца з паскарэннем. У 1905 году А. Эйнштэйн апублікаваў першую тэорыю. Другую, больш складаную ў плане матэматычнага апарата, завяршыў да 1916 году. Стварэнне тэорыі адноснасці, як СТА, так і АМАіК, стала важным этапам у развіцці фізікі. Спынімся падрабязней на кожнай з іх.

Спецыяльная тэорыя адноснасці

Што гэта такое, у чым яе сутнасць? Давайце адкажам на гэтае пытанне. Менавіта гэтай тэорыяй прадказваецца мноства парадаксальных эфектаў, якія супярэчаць нашым інтуітыўным паданнях аб тым, як уладкованы свет. Гаворка ідзе пра тых эфектах, якія назіраюцца тады, калі хуткасць руху набліжаецца да хуткасці святла. Найбольш вядомым сярод іх з'яўляецца эфект запаволення часу (ходу гадзін). Гадзіннік, якія рухаюцца адносна назіральніка, для яго ідуць павольней, чым тыя, якія знаходзяцца ў яго ў руках.

У сістэме каардынат пры руху з хуткасцю, набліжанай да хуткасці святла, час расцягваецца адносна назіральніка, а даўжыня аб'ектаў (прасторавая працягласць), наадварот, сціскаецца ўздоўж восі напрамкі гэтага руху. Дадзены эфект навукоўцы называюць скарачэннем Лорэнца-Фіцджэральд. Яшчэ ў 1889 годзе яго апісаў Джордж Фіцджэральд, італьянскі фізік. А ў 1892 году Хендрык Лорэнц, нідэрландзец, дапоўніў яго. Гэты эфект тлумачыць адмоўны вынік, які дае вопыт Майкельсона-Морлі, у якім хуткасць руху нашай планеты ў касмічнай прасторы вызначаецца замерам "эфірнага ветру". Такія асноўныя пастулаты тэорыі адноснасці (спецыяльнай). Эйнштэйн дапоўніў гэтыя ўраўненні формулай пераўтварэнні масы, зробленай па аналогіі. Згодна з ёй, па меры таго, як хуткасць цела набліжаецца да хуткасці святла, маса цела павялічваецца. Напрыклад, калі хуткасць складзе 260 тыс. Км / с, ці 87% ад хуткасці святла, з пункту гледжання назіральніка, які знаходзіцца ў якая спачывае сістэме адліку, маса аб'екта падвоіцца.

пацверджання СТА

Усе гэтыя палажэнні, як бы яны ні супярэчылі здароваму сэнсу, з часу Эйнштэйна знаходзяць прамое і поўнае пацверджанне ў мностве эксперыментаў. Адзін з іх правялі навукоўцы Мічыганскага універсітэта. Гэтым цікаўным вопытам пацвярджаецца тэорыя адноснасці у фізіцы. Даследнікі змясцілі на борт авіялайнера, які рэгулярна здзяйсняў трансатлантычныя рэйсы, звышдакладныя атамныя гадзіны. Кожны раз пасля вяртання яго ў аэрапорт паказанні гэтых гадзін звяраліся з кантрольнымі. Аказалася, што гадзіннік на самалёце кожны раз усё больш адставалі ад кантрольных. Вядома, гаворка ішла толькі аб нязначных лічбах, долях секунды, але сам факт вельмі паказальны.

Апошнія паўстагоддзя даследчыкі вывучаюць элементарныя часціцы на паскаральніках - велізарных апаратных комплексах. У іх пучкі электронаў або пратонаў, то ёсць зараджаных субатомных часціц, разганяюцца да таго часу, пакуль іх хуткасці не набліжаюцца да хуткасці святла. Пасля гэтага імі абстрэльваюцца ядзерныя мішэні. У дадзеных досведах трэба ўлічваць тое, што маса часціц павялічваецца, у адваротным выпадку вынікі эксперыменту не паддаюцца інтэрпрэтацыі. У гэтых адносінах СТА ўжо даўно не проста гіпатэтычная тэорыя. Яна стала адным з інструментаў, якія выкарыстоўваюцца ў прыкладной інжынерыі, нароўні з ньютоновской законамі механікі. Прынцыпы тэорыі адноснасці знайшлі вялікае практычнае прымяненне ў нашы дні.

СТО і законы Ньютана

Дарэчы, кажучы аб законах Ньютана (партрэт гэтага вучонага прадстаўлены вышэй), варта сказаць, што спецыяльная тэорыя адноснасці, якая, здавалася б, ім супярэчыць, у рэчаіснасці прайгравае ўраўненні законаў Ньютана практычна ў дакладнасці, калі яе выкарыстоўваць для апісання тэл, хуткасць руху якіх нашмат менш хуткасці святла. Іншымі словамі, калі прымяняецца спецыяльная тэорыя адноснасці, фізіка Ньютана зусім не адмяняецца. Гэтая тэорыя, насупраць, дапаўняе і пашырае яе.

Хуткасць святла - універсальная канстанта

Выкарыстоўваючы прынцып адноснасці, можна зразумець, чаму ў дадзенай мадэлі будовы свету вельмі важную ролю адыгрывае менавіта хуткасць святла, а не нешта яшчэ. Гэтым пытаннем задаюцца тыя, хто толькі пачынае знаёмства з фізікай. Хуткасць святла з'яўляецца універсальнай канстантай дзякуючы таму, што яна вызначана ў якасці такой прыродазнаўчым законам (падрабязней пра гэта можна даведацца, вывучыўшы ўраўненні Максвела). Хуткасць святла ў вакууме, у сілу дзеяння прынцыпу адноснасці, у любой сістэме адліку з'яўляецца аднолькавай. Можна падумаць, што гэта супярэчыць здароваму сэнсу. Выходзіць, што да назіральніка адначасова даходзіць святло як ад нерухомага крыніцы, так і ад які рухаецца (незалежна ад таго, з якой хуткасцю ён рухаецца). Аднак гэта не так. Хуткасці святла, дзякуючы асаблівай яе ролі, адводзіцца цэнтральнае месца не толькі ў спецыяльнай, але і ў АМАіК. Раскажам і пра яе.

Агульная тэорыя адноснасці

Яна выкарыстоўваецца, як мы ўжо казалі, для ўсіх сістэм адліку, не абавязкова тых, хуткасць руху якіх адносна адзін аднаго з'яўляецца сталай. Матэматычна гэтая тэорыя выглядае нашмат складаней, чым спецыяльная. Гэтым і тлумачыцца тое, што паміж іх публікацыямі прайшло 11 гадоў. АМАіК ўключае ў сябе спецыяльную ў якасці прыватнага выпадку. Такім чынам, законы Ньютана таксама ўваходзяць у яе. Аднак АМАіК ідзе нашмат далей яе папярэдніц. Да прыкладу, у ёй па-новаму тлумачыцца гравітацыя.

чацвёртае вымярэнне

Дзякуючы АМАіК свет становіцца четырехмерное: час дадаецца да трох прасторавым вымярэннях. Усе яны непарыўныя, такім чынам, трэба казаць ужо не пра прасторавым адлегласці, існуючым у трохмерным свеце паміж двума аб'ектамі. Гаворка цяпер ідзе пра простанственно-часавых інтэрвалах паміж рознымі падзеямі, якія аб'ядноўваюць як прасторавую, так і часовую аддаленасць іх адзін ад аднаго. Іншымі словамі, час і прастора ў тэорыі адноснасці разглядаюцца як нейкі четырехмерном кантынуум. Яго можна вызначыць як прастора-час. У дадзеным кантынууме тыя назіральнікі, якія рухаюцца адносна адзін аднаго, будуць мець розныя меркаванні нават пра тое, адначасова Ці адбыліся два якіх-небудзь падзеі, ці ж адно з іх папярэднічала іншаму. Аднак прычынна-выніковыя сувязі пры гэтым не парушаюцца. Іншымі словамі, існавання такой сістэмы каардынатаў, дзе дзве падзеі адбываюцца ў рознай паслядоўнасці і не адначасова, не дапускае нават АМАіК.

АМАіК закон сусветнага прыцягнення

Згодна з законам сусветнага прыцягнення, адкрытага Ньютанам, сіла ўзаемнага прыцягнення існуе ва Сусвету паміж любымі двума целамі. Зямля з гэтай пазіцыі круціцца вакол Сонца, так як паміж імі маюцца сілы ўзаемнага прыцягнення. Тым не менш, АМАіК прымушае зірнуць з іншага боку на гэта з'ява. Гравітацыя, згодна з дадзенай тэорыі, - следства "скрыўлення" (дэфармацыі) прасторы-часу, якое назіраецца пад уздзеяннем масы. Чым цела цяжэй (у нашым прыкладзе, Сонца), тым больш "прагінаецца" пад ім прастору-час. Адпаведна, яго гравітацыйнае поле тым мацней.

Для таго каб лепш зразумець сутнасць тэорыі адноснасці, звернемся да параўнання. Зямля, згодна з АМАіК, круціцца вакол Сонца, як маленькі шарык, які коціцца вакол конусу варонкі, створанай у выніку "прасочвання" Сонцам прасторы-часу. А тое, што мы прывыклі лічыць сілай цяжару, з'яўляецца на самай справе знешніх праявай дадзенага скрыўлення, а не сілай, у разуменні Ньютана. Лепшага тлумачэння феномену гравітацыі, чым прапанаванае ў АМАіК, на сённяшні дзень не знойдзена.

Спосабы праверкі АМАіК

Адзначым, што АМАіК праверыць няпроста, так як яе вынікі ў лабараторных умовах амаль адпавядаюць закону сусветнага прыцягнення. Аднак навукоўцы ўсё ж такі правялі шэраг важных эксперыментаў. Іх вынікі дазваляюць зрабіць выснову аб тым, што тэорыя Эйнштэйна з'яўляецца пацверджанай. АМАіК, акрамя таго, дапамагае растлумачыць розныя з'явы, назіраныя ў космасе. Гэта, напрыклад, невялікія адхіленні Меркурыя ад сваёй стацыянарнай арбіты. З пункту гледжання ньютоновской класічнай механікі іх нельга растлумачыць. Гэта таксама тое, чаму электрамагнітнае выпраменьванне, якое зыходзіць ад далёкіх зорак, перакрыўляецца пры праходжанні яго зблізку ад Сонца.

Вынікі, прадказаныя АМАіК, на самай справе істотна адрозніваюцца ад тых, якія даюць законы Ньютана (партрэт яго прадстаўлены вышэй), толькі тады, калі прысутнічаюць звышмоцныя гравітацыйныя поля. Такім чынам, для паўнавартаснай праверкі АМАіК неабходныя альбо вельмі дакладныя вымярэння аб'ектаў велізарнай масы, альбо чорныя дзіркі, паколькі нашы звыклыя ўяўленні ў адносінах да іх непрыдатныя. Таму распрацоўка эксперыментальных спосабаў праверкі гэтай тэорыі з'яўляецца адной з галоўных задач сучаснай эксперыментальнай фізікі.

Розумы многіх вучоных, ды і далёкіх ад навукі людзей займае створаная Эйнштэйнам тэорыя адноснасці. Што гэта такое, мы сцісла распавялі. Гэтая тэорыя пераварочвае нашы звыклыя ўяўленні аб свеце, таму цікавасць да яе да гэтага часу не згасае.