Сверим часы?: теория относительности — про космос и вселенную и нашу жизнь.

Теория относительности — физическая теория, разглядывающая пространственно-временные закономерности, честные для любых физических процессов. самая общая теория пространства-времени именуется неспециализированной теорией относительности (ОТО), либо теорией тяготения. В личной (либо особой) теории относительности (СТО) изучаются свойства пространства-времени, честные с той точностью, с какой возможно пренебрегать действием тяготения. (Физический энциклопедический словарь, 1995) масса и Время Тело сжимается на протяжении оси перемещения по мере приближения к скорости света Ядерный распад количество и новых Атомная масса атомов появившейся энергии перемещения эквивалентны массе начального атома

В конце XIX века тяготения и законы движения, открытые Ньютоном, везде употреблялись для расчетов и обнаружили все больше экспериментальных подтверждений. Ничто, казалось, не предсказывало переворот в данной области. Но дело уже давно не исчерпывалось лишь механикой: как результат экспериментальной деятельности многих ученых в области магнетизма и электричества показались уравнения Максвелла. Вот тут-то и начались неприятности с законами физики.

Уравнения Максвелла сводят воедино электричество, свет и магнетизм. Из них направляться, что скорость электромагнитных волн, среди них и световых, не зависит от перемещения излучателя и равна в вакууме приблизительно 300 тыс. км/с. Это никак не согласуется с механикой Галилея и Ньютона. Предположим, воздушный шар летит относительно Земли со скоростью 100 тыс. км/с.

Выстрелим вперед из светового ружья световой пулей, скорость которой 300 тыс. км/с. Тогда, по формулам Галилея, скорости направляться , соответственно, пуля полетит относительно Земли со скоростью уже 400 тыс. км/с. Никакого постоянства скорости света не получается!

Было приложено много упрочнений, дабы найти изменение скорости света при перемещении излучателя, но ни один из хитроумных опытов не удался. Кроме того самый правильный из них, опыт Майкельсона — Морли, дал отрицательный итог. Значит, что-то неверно в уравнениях Максвелла?

Но так как они замечательно обрисовывают все электрические и магнитные явления. И тогда Анри Пуанкаре высказал идея, что дело все-таки не в уравнениях, а в принципе относительности: все физические законы, не только механические, как у Ньютона, но и электрические, должны быть однообразны в совокупностях, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

В 1904 году датчанин Хендрик Антон Лоренц специально для уравнений Максвелла приобрел новые формулы пересчета координат движущейся совокупности довольно неподвижной и напротив. Но это помогло только частично: получалось, что для законов Ньютона необходимо применять одни преобразования, а для уравнений Максвелла другие. Вопрос оставался открытым.

Особая теория относительности

Преобразования, предложенные Лоренцем, содержит два серьёзных следствия. Оказалось, что при переходе от одной совокупности к второй необходимо в обязательном порядке подвергать преобразованиям не только координаты, но и время. А помимо этого, размер движущегося тела, вычисленный по формулам Лоренца, изменялся — он становился меньше на протяжении направления перемещения! Исходя из этого скорости, превышающие скорость света, теряли каждый физический суть, поскольку наряду с этим тела сжимались до нулевых размеров.

Многие физики, среди них и сам Лоренц, вычисляли эти выводы легко математическим казусом. До тех пор пока за дело не взялся Эйнштейн.

Отчего же теория относительности носит имя Эйнштейна, в случае если принцип относительности сформулировал Пуанкаре, постоянство скорости света вывел Максвелл, а правила преобразования координат придумал Лоренц? В первую очередь скажем, что все, о чем мы говорили до сих пор, касается лишь так называемой «особой теории относительности» (СТО). Не смотря на бытующую точку зрения, вклад Эйнштейна в эту теорию отнюдь не исчерпывается несложным обобщением результатов.

Во-первых, ему удалось взять все уравнения, основываясь всего на двух постулатах — принципе постоянства и принципе относительности скорости света. А во-вторых, он осознал, какую поправку направляться внести в закон Ньютона, дабы тот не выпадал из новой картины мира и не изменялся при преобразованиях Лоренца. Для этого было нужно критически отнестись к двум до того незыблемым базам классической механики — к абсолютности времени и постоянству массы тела.

Ничего безотносительного

В Ньютоновой механике звездное время было молчаливо отождествлено с полным временем, а в теории Эйнштейна каждой совокупности отсчета соответствует собственный собственное, «местное» время и нет таких часов, каковые отсчитывали бы время для всей Вселенной. Но выводов об относительности времени выяснилось не хватает, дабы устранить разногласия между классической механикой и электродинамикой. Эта задача была решена, в то время, когда пал второй хороший бастион — постоянство массы.

Эйнштейн ввел трансформации в фундаментальный закон Ньютона о пропорциональности силы ускорению и взял, что масса неограниченно возрастает при приближении к скорости света. Вправду, поскольку из постулатов СТО направляться, что скорость, громадная скорости света, не имеет физического смысла, соответственно, никакая сила не имеет возможности больше увеличивать скорость тела, уже летящего со скоростью света, другими словами в этих условиях сила уже не приводит к! Чем больше скорость тела, тем тяжелее его ускорить.

А потому, что коэффициент пропорциональности и имеется масса (либо инерция), то из этого следует, что масса тела возрастает при повышении скорости.

Превосходно, что данный вывод был сделан еще в ту пору, в то время, когда не наблюдалось явных несоответствий и противоречий между законами Ньютона и результатами опытов. В простых условиях изменение массы незначительно, а найти его экспериментально возможно только при больших скоростях, родных к скорости света. Кроме того для спутника, летящего со скоростью 8 км/с, поправка к массе составит не более одной двухмиллиардной.

Но уже в 1906 году выводы СТО нашли собственный подтверждение при изучении электронов, движущихся с громадными скоростями: в опытах Кауфмана было зафиксировано изменение массы этих частиц. А на современных ускорителях разогнать частицы просто не окажется, в случае если совершить расчеты хорошим методом не учитывая особой теории относительности.

Но дальше оказалось, что непостоянство массы разрешает сделать еще более фундаментальное заключение. При повышении скорости растет масса, растет энергия перемещения Не одно ли это да и то же? Математические выкладки подтвердили предположение об энергии и эквивалентности массы, и в 1907 году Эйнштейн взял собственную известную формулу E = mc2. Это и имеется основной вывод СТО.

энергия и Масса являются одно да и то же и преобразуются приятель в приятеля! И в случае если какое-нибудь тело (к примеру, атом урана) внезапно распадается на два, каковые в сумме имеют меньшую массу, то остаток массы переходит в энергию перемещения. Сам Эйнштейн предполагал, что подметить изменение массы возможно будет только при огромных выделениях энергии, потому, что коэффициент c2 в взятой им формуле весьма и весьма велик.

Но и он, возможно, не ожидал, что эти теоретические рассуждения заведут человечество так на большом растоянии. Создание ядерной бомбы подтвердило справедливость особой теории относительности, лишь уж через чур дорогой ценой.

Казалось бы, нет оснований сомневаться в правильности теории. Но тут в самый раз отыскать в памяти слова Эйнштейна: «Опыт ни при каких обстоятельствах не сообщит теории «да», но говорит в лучшем случае «возможно», большей же частью — легко «нет». Последний, самый правильный опыт по проверке одного из постулатов СТО, постоянства скорости света, был совершён совсем сравнительно не так давно, в 2001 году, в Университете города Констанц (Германия).

Стоячую лазерную волну помещали в «коробочку» из сверхчистого сапфира, охлажденную до температуры жидкого гелия, и в течение шести месяцев смотрели за трансформацией частоты света. Если бы скорость света зависела от скорости перемещения лаборатории, то и частота данной волны изменялась бы при перемещении Почвы по орбите. Но никаких трансформаций подметить пока не удалось.

Неспециализированная теория относительности

Разместив в 1905 году собственную известную работу «К электродинамике движущихся тел», посвященную СТО, Эйнштейн двинулся дальше. Он был уверен, что СТО — это лишь часть пути. Принцип относительности должен быть честен в произвольных совокупностях отсчета, а не только в тех, каковые движутся равномерно и прямолинейно. Это убеждение Эйнштейна было не просто предположением, в его основе лежал экспериментальный факт, соблюдение принципа эквивалентности.

Поясним, что это такое. В законах перемещения фигурирует так называемая «инертная» масса, которая показывает, как тело тяжело ускорить, а в законах тяготения — «тяжелая» масса, определяющая силу притяжения между телами. Принцип эквивалентности предполагает, что эти массы в точности равны друг другу, но лишь опыт может подтвердить, так ли это в действительности. Из принципа эквивалентности направляться, что все тела должны двигаться в поле тяжести с однообразным ускорением.

Еще Галилей контролировал это событие, бросая, в соответствии с легенде, различные тела с Пизанской башни. Тогда точность измерений составила 1%, Ньютон довел ее до 0,1%, а, по последним данным 1995 года, мы можем быть уверены, что принцип эквивалентности выполняется с точностью 5 х 10−13.

Забрав за базу принцип относительности и принцип эквивалентности, через десятилетие напряженной работы Эйнштейн создал собственную теорию тяготения, либо неспециализированную теорию относительности (ОТО), которая и сейчас постоянно восхищает теоретиков собственной математической красотой. время и Пространство в теории тяготения Эйнштейна были подвержены необычным видоизменениям. Гравитационное поле, которое создают около себя тела, владеющие массой, искривляет окружающее пространство.

Представьте себе шарик, лежащий на батуте. Чем тяжелее шарик, тем больше прогнется сетка батута. И время, перевоплощённое в четвертое измерение, не остается в стороне: чем больше гравитационное поле, тем медленнее течет время.

Первое подтвердившееся предсказание ОТО сделал сам Эйнштейн еще в 1915 году. Оно касалось перемещения Меркурия. Перигелий данной планеты (другими словами точка ее большого приближения к Солнцу) неспешно меняет собственный положение. За сто лет наблюдений с Почвы смещение составило 43,1 угловой секунды.

Лишь неспециализированная теория относительности смогла дать потрясающе правильное предсказание данной величины — 43 угловых секунды. Следующим шагом стали наблюдения за отклонением световых лучей в гравитационном поле Солнца на протяжении полного солнечного затмения 1919 года. С того времени совершено много таких опытов, и все они подтверждают ОТО — при том, что точность всегда растёт.

К примеру, в первой половине 80-ых годов XX века она составила 0,3%, а в 1995 году — уже менее 0,1%.

С возникновением ядерных часов дело дошло и до самого времени. Достаточно поместить одни часы на вершине горы, другие у ее подножия — и возможно уловить отличие хода времени! А с возникновением спутниковых совокупностей глобального позиционирования теория относительности перешла наконец из разряда ученых развлечений в сугубо практическую область. Спутники GPS, к примеру, летают на высоте порядка 20 тыс. км со скоростью около четырех километров/с.

Так как они находятся довольно далеко от Почвы, часы на них, в соответствии с ОТО, торопятся приблизительно на 45 микросекунд (мкс) в сутки, но потому, что они летят с громадной скоростью, то благодаря СТО те же часы каждый день отстают приблизительно на 7 мкс. В случае если эти поправки не учесть, то вся совокупность станет никуда не годной в течение нескольких суток! Перед отправкой на орбиту ядерные часы на спутниках корректируют так, дабы они шли медленнее где-то на 38 мкс в сутки.

Да и то, что по окончании таковой корректировки мой простенький приемник GPS изо дня в сутки верно показывает мои координаты на необъятной земной поверхности, без шуток усиливает мое доверие к теории относительности.

Все эти удачи лишь раззадоривают охотников за относительностью. Сейчас в каждом уважающем себя университете имеется лаборатория по поиску гравитационных волн, каковые, в соответствии с теории тяготения Эйнштейна, должны распространяться со скоростью света. Отыскать их пока не удалось. Еще один камень преткновения — сообщение ОТО и квантовой механики. Обе они замечательно согласуются с опытом, но совсем не совместимы между собой.

Не правда ли, чем-то напоминает классическую механику и электромагнетизм финиша XIX века? Пожалуй, стоит ожидать изменений.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№10, август 2003).

Специальная теория относительности

Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме:

Естьли жизнь набране?: теория струн

Пример разомкнутой струны Пример замкнутой струны Пример замкнутой струны В теории суперструн принимается, что струна имеется свободный физический…
Сверхпроводимость на службе у общей теории относительности

Число опытов, для объяснения которых нужно завлекать неспециализированную теорию относительности (ОТО) Эйнштейна, возможно пересчитать по пальцам. Как…
Вселенная своими руками: теория инфлатонов

Возможно, мы на данный момент ломаем голову над значением фундаментальных физических постоянных и их соотношением как раз вследствие того что…
Контракт еще на сто лет

Д. А. Тайц, к.ф.-м.н. Так, то возражение, что космология не есть наукой, потому, что не имеет под собой наблюдательной базы, более не существует….
Теория промышленного штандорта а. вебера

Главный труд социолога и немецкого экономиста А. Вебера «О размещении индустрии: чистая территория штандорта» был размещён в 1909 г. Ученый поставил…
Про закрученный свет

На рисунке изображен умный кран, что, как утверждает разработчик, экономит расход воды. Эта водяная картина весьма похожа на световой закрученный луч, о…