A relativitáselmélet azt állítja. Általános relativitáselmélet Következetes? Megfelel a fizikai valóságnak?

Száz évvel ezelőtt, 1915-ben egy fiatal svájci tudós, aki akkoriban már forradalmi felfedezéseket tett a fizikában, a gravitáció alapvetően új megértését javasolta.

1915-ben Einstein közzétette az általános relativitáselméletet, amely a gravitációt a téridő alapvető tulajdonságaként jellemzi. Egy sor egyenletet mutatott be, amelyek a téridő görbületének a benne lévő anyag és sugárzás energiájára és mozgására gyakorolt ​​hatását írták le.

Száz évvel később az általános relativitáselmélet (GTR) lett a modern tudomány építésének alapja, kiállt minden próbát, amellyel a tudósok támadták.

De egészen a közelmúltig lehetetlen volt extrém körülmények között kísérleteket végezni az elmélet stabilitásának tesztelésére.

Elképesztő, hogy 100 év alatt milyen erősnek bizonyult a relativitáselmélet. Még mindig azt használjuk, amit Einstein írt!

Clifford Will, elméleti fizikus, Floridai Egyetem

A tudósok ma már rendelkeznek azzal a technológiával, hogy az általános relativitáselméleten túlmenően keressenek fizikát.

Új pillantás a gravitációra

Az általános relativitáselmélet a gravitációt nem erőként írja le (ahogyan a newtoni fizikában megjelenik), hanem mint a téridő görbületét a tárgyak tömege miatt. A Föld nem azért kering a Nap körül, mert a csillag vonzza, hanem azért, mert a Nap deformálja a téridőt. Ha nehéz bowlinglabdát teszel egy kifeszített takaróra, a takaró alakja megváltozik – a gravitáció nagyjából ugyanúgy hat a térre.

Einstein elmélete őrült felfedezéseket jósolt. Például a fekete lyukak létezésének lehetősége, amelyek olyan mértékben meghajlítják a téridőt, hogy belülről semmi sem tud kiszabadulni, még a fény sem. Az elmélet alapján bizonyítékot találtak arra a ma általánosan elfogadott véleményre, hogy az Univerzum tágul és gyorsul.

Az általános relativitáselméletet számos megfigyelés igazolta. Maga Einstein az általános relativitáselmélet segítségével számította ki a Merkúr pályáját, amelynek mozgása nem írható le Newton törvényeivel. Einstein megjósolta olyan masszív tárgyak létezését, hogy elhajlítják a fényt. Ez egy gravitációs lencse jelenség, amellyel a csillagászok gyakran találkoznak. Például az exobolygók keresése a sugárzás finom változásaira támaszkodik, amelyeket a bolygó körül keringő csillag gravitációs tere hajlít meg.

Einstein elméletének tesztelése

Az általános relativitáselmélet jól működik közönséges gravitáció esetén, amint azt a Földön végzett kísérletek és a Naprendszer bolygóinak megfigyelései mutatják. De soha nem tesztelték rendkívül erős mezők körülményei között a fizika határain fekvő terekben.

Az elmélet ilyen körülmények között történő tesztelésének legígéretesebb módja a téridő változásainak megfigyelése, amelyeket gravitációs hullámoknak nevezünk. Nagy események, két hatalmas test, például fekete lyukak, vagy különösen sűrű objektumok - neutroncsillagok - egyesülése következtében jelennek meg.

Egy ekkora kozmikus tűzijáték csak a téridő legkisebb hullámait tükrözné. Például, ha két fekete lyuk ütközik és egyesül valahol Galaxisunkban, a gravitációs hullámok megnyújthatják és összenyomhatják a Földön egymástól méter távolságra lévő objektumok közötti távolságot az atommag átmérőjének ezredével.

Megjelentek olyan kísérletek, amelyek rögzíthetik a téridő változásait az ilyen események miatt.

Jó esély van a gravitációs hullámok észlelésére a következő két évben.

Clifford Will

A Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a Richland (Washington állam) és Livingston (Louisiana) közelében található obszervatóriumok segítségével lézert használ a kettős L alakú detektorok apró torzításainak észlelésére. Ahogy a téridő hullámai áthaladnak a detektorokon, megnyújtják és összenyomják a teret, aminek következtében a detektor mérete megváltozik. A LIGO pedig mérni tudja őket.

A LIGO 2002-ben elindított egy sorozatot, de nem ért el eredményeket. 2010-ben fejlesztések történtek, a szervezet utódjának, az Advanced LIGO-nak idén újra működnie kell. A tervezett kísérletek közül sok a gravitációs hullámok felkutatására irányul.

A relativitáselmélet tesztelésének másik módja a gravitációs hullámok tulajdonságainak vizsgálata. Például polarizáltak lehetnek, mint a polarizált üvegeken áthaladó fény. A relativitáselmélet megjósolja egy ilyen hatás jellemzőit, és a számításoktól való bármilyen eltérés okot adhat arra, hogy kétségbe vonjuk az elméletet.

Egységes elmélet

Clifford Will úgy véli, hogy a gravitációs hullámok felfedezése csak megerősíti Einstein elméletét:

Úgy gondolom, hogy továbbra is keresnünk kell az általános relativitáselmélet bizonyítékait, hogy megbizonyosodjunk a helyességéről.

Miért van egyáltalán szükség ezekre a kísérletekre?

A modern fizika egyik legfontosabb és legmegfoghatatlanabb feladata egy olyan elmélet keresése, amely összekapcsolja Einstein kutatásait, vagyis a makrokozmosz tudományát és a kvantummechanikát, a legkisebb objektumok valóságát.

Az ezen a területen, a kvantumgravitációban elért előrelépések az általános relativitáselmélet megváltoztatását igényelhetik. Lehetséges, hogy a kvantumgravitációs kísérletek annyi energiát igényelnének, hogy lehetetlen lenne végrehajtani őket. "De ki tudja," mondja Will, "talán van egy hatás a kvantum-univerzumban, amely jelentéktelen, de kereshető."

A relativitáselméletet Albert Einstein briliáns tudós javasolta 1905-ben.

A tudós ezután fejlődésének egy különleges esetéről beszélt.

Ma ezt Speciális Relativitáselméletnek vagy STR-nek nevezik. Az SRT-ben az egyenletes és lineáris mozgás fizikai elveit tanulmányozzák.

Különösen így mozog a fény, ha nincs akadály az útjában.

Az SRT középpontjában Einstein két alapelvet határozott meg:

1. A relativitás elve. Bármely fizikai törvény ugyanaz az álló objektumokra és az egyenletesen és egyenesen mozgó testekre.
2. A fény sebessége vákuumban minden megfigyelő számára azonos, és 300 000 km/s.

A relativitáselmélet a gyakorlatban tesztelhető;

Nézzük meg az elveket példákkal.

• Képzeljük el, hogy két objektum állandó sebességgel, szigorúan egyenes vonalban mozog. Ahelyett, hogy mozgásukat egy fix ponthoz viszonyította volna, Einstein azt javasolta, hogy tanulmányozzák őket egymáshoz képest. Például két vonat különböző sebességgel halad a szomszédos vágányokon. Az egyikben te ülsz, a másikban éppen ellenkezőleg, a barátod. Látod, és a képedhez viszonyított sebessége csak a vonatok sebességének különbségétől függ, de nem attól, hogy milyen gyorsan haladnak. Legalábbis addig, amíg a vonatok felgyorsulnak vagy kanyarodnak.
• Szeretik kozmikus példákkal magyarázni a relativitáselméletet. Ez azért történik, mert a hatások a sebesség és a távolság növekedésével nőnek, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy a fény nem változtatja meg a sebességét. Ezenkívül vákuumban semmi sem akadályozza meg a fény terjedését. Tehát a második elv a fénysebesség állandóságát hirdeti. Ha megerősíted és bekapcsolod a sugárforrást egy űrhajón, akkor bármi történik magával a hajóval: nagy sebességgel mozoghat, mozdulatlanul lóghat, vagy teljesen eltűnhet a kibocsátóval együtt, az állomásról érkező megfigyelő látni fogja a fényt. ugyanannyi idő elteltével minden incidens esetén.

Általános relativitáselmélet.

1907 és 1916 között Einstein az általános relativitáselmélet megalkotásán dolgozott. A fizika ezen szakasza általában az anyagi testek mozgását vizsgálja, amelyek képesek felgyorsítani és megváltoztatni a pályájukat. Az általános relativitáselmélet egyesíti a tér és idő elméletét a gravitáció elméletével, és függőséget állapít meg közöttük. Egy másik név is ismert: a gravitáció geometriai elmélete. Az általános relativitáselmélet a speciális relativitáselmélet következtetésein alapul. A matematikai számítások ebben az esetben rendkívül összetettek.

Próbáljuk képletek nélkül elmagyarázni.

Az általános relativitáselmélet posztulátumai:

• a környezet, amelyben a tárgyakat és mozgásukat vizsgálják, négydimenziós;
• minden test állandó sebességgel esik.

Térjünk át a részletekre.

Tehát az általános relativitáselméletben Einstein négy dimenziót használ: a szokásos háromdimenziós teret idővel egészítette ki. A tudósok az így létrejövő szerkezetet téridő kontinuumnak vagy téridőnek nevezik. Azt állítják, hogy a négydimenziós objektumok mozgás közben változatlanok, de csak a háromdimenziós vetületüket tudjuk érzékelni. Vagyis bármennyire is hajlítod a vonalzót, csak egy ismeretlen 4 dimenziós test vetületeit fogod látni. Einstein a tér-idő kontinuumot oszthatatlannak tartotta.

A gravitációval kapcsolatban Einstein a következő posztulátumot terjesztette elő: a gravitáció a téridő görbülete.

Vagyis Einstein szerint, ha egy alma a feltaláló fejére esik, az nem a gravitáció következménye, hanem a tömegenergia jelenléte a téridő érintett pontjában. Lapos példával élve: vegyünk egy vásznat, feszítsük rá négy támaszra, helyezzünk rá testet, a vásznon horpadást látunk; a világosabb testek, amelyek az első tárgy közelében találják magukat, a vászon görbülete következtében gördülni fognak (nem vonzanak).

Bebizonyosodott, hogy a fénysugarak meghajlanak gravitációs testek jelenlétében. Kísérletileg megerősítették a növekvő magassággal járó időtágulást is. Einstein arra a következtetésre jutott, hogy a téridő meggörbül egy hatalmas test jelenlétében, és a gravitációs gyorsulás csak a 4 dimenziós térben folyó egyenletes mozgás 3D vetülete. A vásznon egy nagyobb tárgy felé gördülő kis testek pályája pedig egyenes vonalú marad önmaguknak.

Jelenleg az általános relativitáselmélet vezető szerepet tölt be más gravitációs elméletek között, és a gyakorlatban mérnökök, csillagászok és a műholdas navigáció fejlesztői használják. Albert Einstein valójában a tudomány és a természettudomány fogalmának nagy átalakítója. A relativitáselmélet mellett megalkotta a Brown-mozgás elméletét, tanulmányozta a fény kvantumelméletét, részt vett a kvantumstatisztika alapjainak kidolgozásában.

A webhely anyagainak felhasználása csak akkor engedélyezett, ha a forrásra mutató aktív hivatkozást közzétesznek.

SRT, TOE - ezek a rövidítések az ismerős „relativitáselmélet” kifejezést rejtik, amely szinte mindenki számára ismerős. Egyszerű nyelven mindent meg lehet magyarázni, még egy zseni kijelentését is, szóval ne essen kétségbe, ha nem emlékszik az iskolai fizikatanfolyamra, mert valójában minden sokkal egyszerűbb, mint amilyennek látszik.

Az elmélet eredete

Tehát kezdjük el a "Relativitáselmélet bábuknak" tanfolyamot. Albert Einstein 1905-ben publikálta munkáját, és ez nagy feltűnést keltett a tudósok körében. Ez az elmélet szinte teljesen lefedte a múlt század fizikájának számos hiányosságát és következetlenségét, de minden más mellett forradalmasította a tér és az idő elképzelését. Einstein számos kijelentését nehezen hitték el kortársai, de a kísérletek és a kutatások csak megerősítették a nagy tudós szavait.

Einstein relativitáselmélete egyszerű szavakkal magyarázta el, mivel küzdöttek az emberek évszázadok óta. Minden modern fizika alapjának nevezhető. Mielőtt azonban folytatnánk a relativitáselméletről szóló beszélgetést, tisztázni kell a kifejezések kérdését. Bizonyára sokan, népszerű tudományos cikkeket olvasva találkoztak két rövidítéssel: SRT és GTO. Valójában kissé eltérő fogalmakat tartalmaznak. Az első a speciális relativitáselmélet, a második pedig az „általános relativitáselmélet”.

Csak valami bonyolult

Az STR egy régebbi elmélet, amely később a GTR részévé vált. Csak az egyenletes sebességgel mozgó objektumok fizikai folyamatait tudja figyelembe venni. Az általános elmélet leírhatja, mi történik a gyorsuló objektumokkal, és megmagyarázza, miért léteznek graviton részecskék és gravitáció.

Ha a fénysebességhez közeledve le kell írni a mozgást, valamint a tér és az idő kapcsolatát, akkor erre a speciális relativitáselmélet képes. Egyszerű szavakkal a következőképpen magyarázható: például a jövőből származó barátok adtak neked egy űrhajót, amely nagy sebességgel tud repülni. Az űrhajó orrán van egy ágyú, amely képes fotonokat lőni mindenre, ami elé kerül.

Lövéskor ezek a részecskék a hajóhoz képest fénysebességgel repülnek, de logikusan egy álló megfigyelőnek két sebesség (maguk a fotonok és a hajó) összegét kell látnia. De semmi ilyesmi. A megfigyelő 300 000 m/s sebességgel mozgó fotonokat fog látni, mintha a hajó sebessége nulla lenne.

A helyzet az, hogy bármilyen gyorsan mozog egy tárgy, a fénysebesség állandó érték.

Ez az állítás olyan elképesztő logikai következtetések alapja, mint például az idő lelassítása és torzítása, a tárgy tömegétől és sebességétől függően. Számos sci-fi film és tévésorozat cselekménye épül erre.

Általános relativitáselmélet

Egyszerű nyelven el lehet magyarázni a terjedelmesebb általános relativitáselméletet. Először is figyelembe kell vennünk azt a tényt, hogy terünk négydimenziós. Az idő és a tér egy olyan „szubjektumban” egyesül, mint a „tér-idő kontinuum”. A mi terünkben négy koordinátatengely van: x, y, z és t.

De az ember nem képes közvetlenül érzékelni a négy dimenziót, ahogy egy kétdimenziós világban élő hipotetikus lapos ember sem tud felnézni. Valójában világunk csak a négydimenziós tér háromdimenziós térré való kivetítése.

Érdekes tény, hogy az általános relativitáselmélet szerint a testek mozgás közben nem változnak. A négydimenziós világ tárgyai valójában mindig változatlanok, és amikor mozognak, csak a vetületeik változnak, amit az idő torzulásaként, méretcsökkenésként vagy -növekedésként érzékelünk, stb.

Liftkísérlet

A relativitáselmélet egyszerű kifejezésekkel magyarázható egy kis gondolatkísérlet segítségével. Képzelje el, hogy egy liftben van. A kabin mozogni kezdett, és a súlytalanság állapotában találtad magad. Mi történt? Két oka lehet: vagy a lift az űrben van, vagy szabadesésben van a bolygó gravitációja hatására. A legérdekesebb az, hogy nem lehet kideríteni a súlytalanság okát, ha nem lehet kinézni a liftfülkéből, vagyis mindkét folyamat ugyanúgy néz ki.

Talán egy hasonló gondolatkísérlet elvégzése után Albert Einstein arra a következtetésre jutott, hogy ha ez a két helyzet nem különböztethető meg egymástól, akkor valójában a gravitáció hatására a test nem gyorsul, hanem egyenletes mozgás, amely a hatás hatására görbül. egy hatalmas test (jelen esetben egy bolygó). Így a gyorsított mozgás csak az egyenletes mozgás háromdimenziós térbe való vetülete.

Jó példa

Egy másik jó példa a "Relativitás a bábuknak" témában. Nem teljesen helyes, de nagyon egyszerű és világos. Ha bármilyen tárgyat egy kifeszített anyagra helyez, az „elhajlást” vagy „tölcsért” képez alatta. Minden kisebb test kénytelen lesz eltorzítani a pályáját a tér új kanyarulatának megfelelően, és ha a testnek kevés az energiája, akkor ezt a tölcsért egyáltalán nem tudja legyőzni. A mozgó tárgy szempontjából azonban a pálya egyenes marad, nem fogják érezni a tér elhajlását.

A gravitáció "lefokozott"

Az általános relativitáselmélet megjelenésével a gravitáció megszűnt erő lenni, és megelégszik azzal, hogy az idő és a tér görbületének egyszerű következménye. Az általános relativitáselmélet fantasztikusnak tűnhet, de ez egy működő változat, és kísérletek igazolják.

A relativitáselmélet sok hihetetlennek tűnő dolgot megmagyarázhat világunkban. Egyszerűen fogalmazva az ilyen dolgokat az általános relativitáselmélet következményeinek nevezzük. Például a masszív testek közelében repülő fénysugarak meghajlanak. Sőt, a mélyűrből sok tárgy rejtőzik egymás mögött, de a fénysugarak más testek köré hajló fénysugarak miatt a szemünk (pontosabban a távcső szeme) számára elérhetőek a láthatatlannak tűnő tárgyak. Mintha a falakon keresztül néznénk.

Minél nagyobb a gravitáció, annál lassabban folyik az idő egy tárgy felületén. Ez nem csak az olyan hatalmas testekre vonatkozik, mint a neutroncsillagok vagy a fekete lyukak. Az idődilatáció hatása még a Földön is megfigyelhető. Például a műholdas navigációs eszközök rendkívül pontos atomórákkal vannak felszerelve. Bolygónk pályáján vannak, és ott egy kicsit gyorsabban telik az idő. Egy nap alatti másodpercszázadok összeadják azt a számot, amely akár 10 km-es hibát is jelezhet a Földön az útvonal-számítások során. Ezt a hibát a relativitáselmélet teszi lehetővé.

Leegyszerűsítve úgy is fogalmazhatunk: az általános relativitáselmélet számos modern technológia hátterében áll, és Einsteinnek köszönhetően könnyen találhatunk pizzériát és könyvtárat egy ismeretlen területen.

Az általános relativitáselmélet a speciális relativitáselmélettel együtt Albert Einstein zseniális munkája, aki a 20. század elején megváltoztatta a fizikusok világnézetét. Száz évvel később az általános relativitáselmélet a fizika alapvető és legfontosabb elmélete a világon, és a kvantummechanikával együtt azt állítja, hogy a „minden elmélet” két sarokkövének egyike. Az általános relativitáselmélet a gravitációt a téridő (az általános relativitáselméletben egyetlen egésszé egyesülő) téridő görbületének a tömeg hatására leírja. Az általános relativitáselméletnek köszönhetően a tudósok számos állandót származtattak, egy csomó megmagyarázhatatlan jelenséget teszteltek, és olyan dolgokra jutottak, mint a fekete lyukak, a sötét anyag és a sötét energia, az Univerzum tágulása, az Ősrobbanás és még sok más. Az általános relativitáselmélet emellett megvétózta a fénysebesség túllépését, és ezzel szó szerint bebörtönzött minket a környezetünkbe (a Naprendszerbe), de hagyott egy kiskaput féreglyukak formájában – rövid lehetséges utak a téridőn keresztül.

A RUDN Egyetem egyik alkalmazottja és brazil kollégái megkérdőjelezték a stabil féreglyukak portálként való használatát a téridő különböző pontjaihoz. Kutatásaik eredményeit a Physical Review D.-ben tették közzé – ez egy meglehetősen elcsépelt közhely a science fictionben. A féreglyuk vagy „féreglyuk” egyfajta alagút, amely a téridő görbületén keresztül a tér távoli pontjait, vagy akár két univerzumot köti össze.

A speciális relativitáselmélet (STR) vagy parciális relativitáselmélet Albert Einstein elmélete, amelyet 1905-ben tettek közzé „A mozgó testek elektrodinamikájáról” című művében (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 Juni 1905).

Megmagyarázta a különböző tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerek közötti mozgást vagy az egymáshoz képest állandó sebességgel mozgó testek mozgását. Ebben az esetben egyik objektumot sem kell referenciarendszernek venni, hanem egymáshoz viszonyítva kell őket tekinteni. Az SRT csak 1 esetet biztosít, amikor 2 test nem változtatja meg a mozgás irányát és egyenletesen mozog.

Az SRT törvényei megszűnnek érvényesülni, ha az egyik test megváltoztatja a pályáját vagy növeli a sebességét. Itt az általános relativitáselmélet (GTR) játszódik, amely a tárgyak mozgásának általános értelmezését adja.

Két posztulátum, amelyre a relativitáselmélet épül:

1. A relativitás elve- Szerinte minden létező, egymáshoz képest állandó sebességgel mozgó, irányt nem változtató referenciarendszerben ugyanazok a törvények érvényesülnek.
2. A fénysebesség elve- A fénysebesség minden megfigyelő számára azonos, és nem függ mozgásuk sebességétől. Ez a legnagyobb sebesség, és a természetben semminek sincs nagyobb sebessége. A fény sebessége 3*10^8 m/s.

Albert Einstein inkább kísérleti, mint elméleti adatokat vett alapul. Sikerének ez volt az egyik összetevője. Új kísérleti adatok szolgáltak alapul egy új elmélet megalkotásához.

A 19. század közepe óta a fizikusok egy új, titokzatos közeget, az étert keresik. Azt hitték, hogy az éter minden tárgyon áthalad, de nem vesz részt azok mozgásában. Az éterrel kapcsolatos hiedelmek szerint a néző sebességének az éterhez viszonyított megváltoztatásával a fény sebessége is megváltozik.

Einstein a kísérletekben bízva elutasította az új éterközeg koncepcióját, és azt feltételezte, hogy a fénysebesség mindig állandó, és nem függ semmilyen körülménytől, például magának az embernek a sebességétől.

Időintervallumok, távolságok és ezek egyenletessége

A speciális relativitáselmélet összekapcsolja az időt és a teret. Az Anyagi Univerzumban 3 ismert a térben: jobb és bal, előre és hátra, fel és le. Ha hozzáadunk hozzájuk egy másik dimenziót, amit időnek nevezünk, ez képezi majd a tér-idő kontinuum alapját.

Ha lassú sebességgel mozog, megfigyelései nem fognak konvergálni a gyorsabban mozgó emberekkel.

Későbbi kísérletek megerősítették, hogy a teret, akárcsak az időt, nem lehet egyformán érzékelni: érzékelésünk a tárgyak mozgási sebességétől függ.

Az energia összekapcsolása a tömeggel

Einstein egy olyan képletet talált ki, amely az energiát a tömeggel ötvözi. Ezt a képletet széles körben használják a fizikában, és minden diák számára ismerős: E=m*c², amelyben E-energia; m - testtömeg, c - sebesség a fény terjedése.

A test tömege a fénysebesség növekedésével arányosan növekszik. Ha eléri a fénysebességet, a test tömege és energiája dimenzió nélkülivé válik.

Egy tárgy tömegének növelésével nehezebbé válik sebességének növelése, azaz egy végtelenül hatalmas anyagtömegű testhez végtelen energia szükséges. De a valóságban ezt lehetetlen elérni.

Einstein elmélete két külön rendelkezést egyesített: a tömeg helyzetét és az energia helyzetét egy általános törvénybe. Ez lehetővé tette az energia anyagtömeggé alakítását és fordítva.