Теория относительности — это, в самом простом изложении, физическая теория, утверждающая, что все физические законы одинаковы во всей Вселенной. Исходя из этого простого предположения, Эйнштейн вывел две теории относительности: сначала специальную теорию относительности в 1905 году, а затем общую теорию относительности в 1915 году. Обе теории произвели революцию в современном понимании физики, пошатнув сами основы физики. Чтобы понять, что это такое, давайте начнём с истоков первой теории относительности — специальной теории относительности.
Истоки Специальной теории относительности
Покой и движение
До специальной теории относительности преобладающей теорией, объясняющей движение, была теория Ньютона. Считалось, что трех законов движения Ньютона достаточно для объяснения всех форм движения с точки зрения сил и ускорения. В то время она также была чрезвычайно успешной, когда дело дошло до экспериментальных данных, поскольку полученные результаты вполне соответствовали теории.
В рамках математических законов движения Ньютона существовало преобразование Галилея, которое, по сути, представляло собой математический способ соотнесения скоростей в разных системах отсчёта.
Теперь возникает вопрос: что такое система отсчета? В нетехническом смысле система отсчета - это точка зрения, с которой наблюдатель производит наблюдения. Например, платформа на железнодорожной станции является системой отсчета. Люди на платформе делают наблюдения относительно покоя и движения объектов относительно этой платформы.
Точно так же для людей в поезде, движущемся по платформе, сам поезд является системой отсчёта.
Основная идея преобразования Галилея заключается в том, что скорости складываются в разных системах отсчёта так, как это кажется «очевидным». Чтобы представить это, подумайте о поезде, движущемся со скоростью 40 км/ч на север. В поезде человек А идёт на север со скоростью 5 км/ч. Очевидно, что, по нашему опыту, человеку Б на земле кажется, что человек А движется со скоростью 45 км/ч на север, потому что его 5 км/ч складываются с 40 км/ч поезда.
В противоположном случае предположим, что человек А движется на юг на поезде со скоростью 5 км/ч. Для человека Б, находящегося на земле, будет казаться, что А по-прежнему движется на север, но со скоростью 35 км/ч, потому что его скорость 5 км/ч противоположна по направлению скорости поезда 40 км/ч.
Всё это кажется «здравым смыслом», но вскоре обнаружились противоречия.
Скорость света
К концу XIX века благодаря работам Максвелла, Герца и других учёных было принято считать, что свет — это электромагнитная волна, которая распространяется с измеримой высокой скоростью — почти 300 000 километров в секунду. Четыре простые математические формулы, лежащие в основе этой теории электромагнетизма, были названы уравнениями Максвелла. Предполагалось, что они применимы повсеместно.
Интересно, что когда преобразования Галилея (которые кажутся правильными с точки зрения «здравого смысла») были применены к уравнениям Максвелла, возникли проблемы. Уравнения Максвелла утратили свою простоту, а это означало, что существует только одна форма, в которой они просты. Это привело как минимум к трём возможным вариантам:
- Только уравнения Максвелла были неверными, так как они не были универсальными.
- Только преобразования Галилея были неверными, потому что они меняли математику преобразований Максвелла.
- Оба утверждения были верны, но существовала только одна фиксированная система отсчёта, в которой уравнения Максвелла были простыми.
Первые две возможности казались учёным слишком радикальными, чтобы их принять. Поэтому они решили принять третью, которая означала, что существует одна неподвижная система отсчёта, в которой уравнения Максвелла были простыми. Эта система отсчёта называлась системой отсчёта эфира, и учёные начали её искать.
В поисках эфира
Система отсчёта, связанная с эфиром, была важна, потому что это была единственная система отсчёта, в которой уравнения Максвелла сохраняли свою простую форму. Прямой вывод, основанный на преобразовании Галилея, заключался в том, что скорость света составляет 300 000 км/с только в этой системе отсчёта. В любой другой системе отсчёта скорость системы отсчёта должна складываться со скоростью света, как в случае с человеком и поездом в предыдущем примере.
Однако доказательств существования эфира было мало или не было вовсе. Его предполагаемые свойства также были очень необычными. Считалось, что он распространяется по всей Вселенной, чрезвычайно лёгок, но при этом чрезвычайно силён, полностью невидим и не оказывает никакого влияния на физические объекты.
В то время был разработан оригинальный эксперимент для проверки существования эфира. Он был назван экспериментом Майкельсона-Морли в честь двух крупных ученых, работавших над ним. Ее целью было вычислить скорость движения Земли в эфире, основываясь на галилеевой идее о том, как складываются скорости.
Эксперимент был тщательно спланирован и проведён с достаточной точностью, чтобы с высокой степенью достоверности определить ненулевую скорость Земли. Однако результаты показали, что такой скорости не было: Земля не двигалась относительно эфира, если эфир вообще существовал.
Дальнейшие повторения этого и других экспериментов показали, что теория эфира была ошибочной: во Вселенной не было ни эфира, ни эфирной системы отсчёта.
Специальная теория Относительности
Новые начинания
После отказа от теории эфира пришлось искать новые объяснения противоречиям между преобразованиями Галилея и уравнениями Максвелла. Шагом вперёд стал Альберт Эйнштейн, который сделал радикальное предположение и заявил, что преобразования Галилея ошибочны.
Казалось, это противоречило здравому смыслу, который решительно поддерживал преобразования Галилея. Однако Эйнштейн начал свою новую теорию всего с двух основных предположений.
Постулаты Специальной теории относительности
- Все не ускоряющиеся системы отсчета эквивалентны.
- Скорость света одинакова (300 000 км/с или 3 • 108 м с-1) во всех системах отсчёта.
Хотя это может показаться не слишком радикальным, они прямо противоречат преобразованию Галилея. В то время как преобразование Галилея подразумевает, что существует только один кадр, в котором скорость света равна 3 • 108 м с-1, постулаты Эйнштейна гласят, что скорость света одинакова во всех кадрах.
Если это не кажется вам необычным, вспомните предыдущий пример с двумя людьми и поездом. Скорость человека А в поезде составляет 5 км/ч, но для человека Б на земле она равна 45 (или 35, в зависимости от направления). Если бы свет вёл себя как человек А, его скорость в поезде составляла бы 300 000 км/ч, а для человека Б на земле — 300 040 км/ч.
Однако, согласно Эйнштейну, скорость света одинакова — 300 000 км/ч — как для людей в поезде, так и для людей на земле.
Последствия
Исходя из этой замечательной гипотезы, Эйнштейн получил множество результатов, многие из которых, казалось бы, противоречили здравому смыслу. Общая идея заключалась в том, что все измерения относительны и не существует абсолютной «правильности» наблюдений. Наблюдения верны только в той системе отсчёта, в которой они сделаны, и не обязательно должны совпадать с наблюдениями в других системах отсчёта.
К фундаментальным эффектам специальной теории относительности относятся сокращение длины, замедление времени и потеря одновременности. Говоря простым языком, они подразумевают, что наблюдатели в разных системах отсчёта, как правило, не согласуются в наблюдениях за длиной, временем и одновременностью (то есть происходят ли два события одновременно?). Например, для неподвижного наблюдателя движущийся объект кажется короче, чем для наблюдателя, движущегося вместе с ним. Другой результат заключается в том, что для более быстро движущихся наблюдателей время идёт медленнее.
На основе этих базовых результатов были получены более впечатляющие результаты, часто называемые парадоксами. Один из самых популярных — парадокс близнецов, связанный с возрастом двух близнецов, один из которых отправляется в межпланетное путешествие, а другой остаётся на Земле.
Несмотря на кажущуюся бессмысленность так называемых парадоксов, их можно объяснить, если внимательно изучить теорию.
Тем не менее остаётся вопрос: было ли достаточно экспериментальных данных, чтобы подтвердить «необычные» на тот момент утверждения специальной теории относительности? Ответ был однозначным: да.
Доказательства
Факты убедительно свидетельствуют в пользу специальной теории относительности Эйнштейна. Эксперимент Майкельсона — Морли и связанные с ним эксперименты, которые опровергли существование эфира, уже свидетельствовали в её пользу. Кроме того, физика элементарных частиц предоставила множество экспериментов, подтверждающих специальную теорию относительности. Измерения массы, энергии, импульса и периодов полураспада частиц, близких к скорости света, предоставили убедительные доказательства в пользу специальной теории относительности.
На пути к Общей теории Относительности
Как мы уже видели, специальная теория относительности имеет дело с неускоряющимися системами отсчёта. Завершив работу над этой теорией, Эйнштейн хотел перейти к более общей теории, которая описывала бы движение во всех формах, ускоренное или нет. Кроме того, он надеялся включить гравитацию в такую систему, которая могла бы успешно объяснить любое движение.
Принцип Эквивалентности
На начальных этапах этого процесса использовался принцип эквивалентности: гравитационная и инерционная массы эквивалентны. Если говорить более подробно, то можно сказать, что человек, находящийся в гравитационном поле (например, вблизи Земли), не может отличить свои ощущения от ощущений человека, находящегося в ускоряющейся системе отсчёта (например, в ракете, ускоряющейся с ускорением, равным ускорению свободного падения).
Применив эти идеи к результатам, полученным в рамках специальной теории относительности, Эйнштейн пришёл к выводам, которые показали, что масса и гравитация вызывают релятивистские эффекты, такие как гравитационное замедление времени и искривление света.
Использование математических инструментов
В этот момент Эйнштейн начал использовать математические инструменты, такие как тензоры и риманова геометрия, которые помогли ему создать более полную теорию относительности, названную общей теорией относительности. Подробности довольно сложны и выходят за рамки этой статьи, но здесь достаточно сказать, что они помогли понять гравитацию в релятивистском смысле.
Общая теория Относительности
Обзор
Общая теория относительности — это, по сути, теория гравитации. В отличие от теории гравитации Ньютона, она рассматривает гравитацию не как силу, а как геометрическое свойство самого пространства-времени. Она утверждает, что наличие массы искривляет пространство-время таким образом, что возникает то, что мы воспринимаем как «силу» гравитации.
Распространённая метафора для этого — положить большой мяч на натянутую резиновую ленту. Лента изгибается вокруг мяча, и если положить на неё другой мяч, он будет двигаться к большому мячу, как будто его «притягивает» к нему какая-то сила.
Общая теория относительности также предсказывает множество поддающихся проверке явлений, таких как гравитационное замедление времени, гравитационное линзирование, гравитационные волны и многое другое. Они составляют основу экспериментальных данных, на которых базируется общая теория относительности.
Доказательства
Некоторые из первых экспериментов по проверке общей теории относительности были предложены самим Эйнштейном. Это были: аномальная орбита Меркурия, отклонение света Солнцем и гравитационное красное смещение.
Сам Эйнштейн сумел объяснить долго остававшуюся загадкой аномалию орбиты Меркурия вокруг Солнца, обратившись к общей теории относительности и искривлению пространства-времени. Доказательство отклонения света под действием гравитации было впервые получено во время солнечного затмения в 1919 году, когда изменение положения наблюдаемых звёзд стало прямым следствием общей теории относительности.
Наконец, эксперименты 1950-х годов, связанные с замедлением времени, помогли подтвердить и гравитационное красное смещение света. Кроме того, каждый эксперимент, подтверждающий специальную теорию относительности, частично подтверждает и общую теорию относительности, поскольку последняя является обобщением первой.
Более современные эксперименты по проверке общей теории относительности ещё больше укрепили доказательства в её пользу. Многие космологические наблюдения, такие как гравитационное линзирование света, существование чёрных дыр и орбиты двойных звёзд, являются частью этого. Некоторые из последних экспериментов включают обнаружение гравитационных волн в 2016 году и получение изображения чёрной дыры в 2019 году.
Приложения теории относительности
Как всеобъемлющая теория движения, теория относительности применима ко всем физическим явлениям. Однако наиболее явно она проявляется там, где значительно отличается от классических предсказаний. Например, GPS (система глобального позиционирования) использует как специальную, так и общую теорию относительности для учёта различных эффектов, таких как замедление времени и потеря одновременности, которые иначе объяснить невозможно.
Свойства материи при скоростях, близких к скорости света, также объясняются теорией относительности. Одним из ярких примеров является цвет и химические свойства золота, которые объясняются релятивистской скоростью электронов. Теория относительности также помогает нам лучше понять многие космологические явления, такие как происхождение и расширение Вселенной, а также поведение таких тел, как чёрные дыры и двойные звёзды.
Заключение
Теория относительности — это революционная научная теория, которая изменила наше представление о Вселенной. Она изменила наши взгляды на то, что считалось основополагающим, — на такие факты, как покой, движение и масса. Возможно, в будущем она станет частью более единой теории, объясняющей Вселенную: какой-нибудь формы квантовой гравитации или теории всего.