Oto principper. Generel relativitetsteori Er den konsekvent? Svarer det til den fysiske virkelighed?
De sagde om denne teori, at kun tre mennesker i verden forstod den, og da matematikere forsøgte at udtrykke i tal, hvad der følger af den, spøgte forfatteren selv, Albert Einstein, med at nu var han også holdt op med at forstå det.
Særlige og generelle relativitetsteorier er uadskillelige dele af den doktrin, som moderne videnskabelige syn på verdens struktur er baseret på.
"Miraklernes år"
I 1905 udgav Tysklands førende videnskabelige publikation "Annalen der Physik" ("Annals of Physics") den ene efter den anden fire artikler af den 26-årige Albert Einstein, der arbejdede som ekspert i 3. klasse - en lille kontorist - på Forbundskontoret for patentering af opfindelser i Bern. Han havde tidligere samarbejdet med bladet, men at udgive så mange værker på et år var en ekstraordinær begivenhed. Det blev endnu mere bemærkelsesværdigt, da værdien af ideerne i hver af dem blev tydelig.
I den første af artiklerne blev tanker udtrykt om lysets kvantenatur, og processerne med absorption og frigivelse af elektromagnetisk stråling blev overvejet. På dette grundlag blev den fotoelektriske effekt først forklaret - emissionen af elektroner fra et stof, slået ud af fotoner af lys, og formler blev foreslået til at beregne mængden af frigivet energi i dette tilfælde. Det var for den teoretiske udvikling af den fotoelektriske effekt, som blev begyndelsen til kvantemekanikken, og ikke for relativitetsteoriens postulater, at Einstein ville blive tildelt Nobelprisen i fysik i 1922.
En anden artikel lagde grundlaget for anvendte områder af fysisk statistik baseret på undersøgelsen af den brownske bevægelse af små partikler suspenderet i en væske. Einstein foreslog metoder til at søge efter mønstre af fluktuationer - uordnede og tilfældige afvigelser af fysiske mængder fra deres mest sandsynlige værdier.
Og endelig i artiklerne "Om elektrodynamikken i bevægelige legemer" og "Afhænger en krops inerti af energiindholdet i den?" indeholdt kimen til det, der i fysikkens historie ville blive betegnet som Albert Einsteins relativitetsteori, eller rettere dens første del - SRT - særlige relativitetsteori.
Kilder og forgængere
I slutningen af det 19. århundrede så det ud til for mange fysikere, at de fleste af universets globale problemer var blevet løst, de vigtigste opdagelser var gjort, og menneskeheden skulle kun bruge den akkumulerede viden til kraftigt at accelerere tekniske fremskridt. Kun nogle få teoretiske uoverensstemmelser spolerede det harmoniske billede af universet, fyldt med æter og lever i overensstemmelse med de uforanderlige Newtonske love.
Harmonien blev spoleret af Maxwells teoretiske forskning. Hans ligninger, som beskrev vekselvirkningen mellem elektromagnetiske felter, var i modstrid med de almindeligt accepterede love for klassisk mekanik. Dette vedrørte måling af lysets hastighed i dynamiske referencesystemer, da Galileos relativitetsprincip holdt op med at virke - den matematiske model af interaktionen mellem sådanne systemer, når de bevægede sig med lysets hastighed, førte til forsvinden af elektromagnetiske bølger.
Derudover var æteren, som skulle forene den samtidige eksistens af partikler og bølger, makrokosmos og mikrokosmos, uopdagelig. Eksperimentet, som blev udført i 1887 af Albert Michelson og Edward Morley, havde til formål at detektere den "æteriske vind", som uundgåeligt skulle optages af en unik enhed - et interferometer. Eksperimentet varede et helt år - tidspunktet for Jordens fuldstændige revolution omkring Solen. Planeten skulle bevæge sig mod æterstrømmen i seks måneder, æteren skulle "blæse ind i jordens sejl" i seks måneder, men resultatet var nul: forskydningen af lysbølger under påvirkning af æteren var ikke opdaget, hvilket sår tvivl om selve kendsgerningen om æterens eksistens.
Lorentz og Poincaré
Fysikere forsøgte at finde en forklaring på resultaterne af eksperimenter med påvisning af æter. Hendrik Lorenz (1853-1928) foreslog sin matematiske model. Det bragte den æteriske udfyldning af rummet tilbage til live, men kun under en meget betinget og kunstig antagelse om, at når de bevægede sig gennem æteren, kunne objekter trække sig sammen i bevægelsesretningen. Denne model blev modificeret af den store Henri Poincaré (1854-1912).
I disse to videnskabsmænds værker optrådte begreber, der i vid udstrækning dannede relativitetsteoriens hovedpostulater, og dette tillader ikke Einsteins beskyldninger om plagiat at aftage. Disse omfatter konventionaliteten af begrebet samtidighed, hypotesen om lysets konstante hastighed. Poincaré indrømmede, at Newtons mekaniklove ved høje hastigheder kræver omarbejdning, og konkluderede, at bevægelse er relativitet, men i anvendelse på æterteorien.
Særlig relativitetsteori - SRT
Problemerne med at beskrive elektromagnetiske processer korrekt blev den motiverende årsag til at vælge et emne til teoretisk udvikling, og Einsteins artikler udgivet i 1905 indeholdt en fortolkning af et særligt tilfælde - ensartet og retlinet bevægelse. I 1915 blev den generelle relativitetsteori dannet, som forklarede gravitationsinteraktioner, men den første teori blev kaldt speciel.
Einsteins særlige relativitetsteori kan kort formuleres i form af to hovedpostulater. Den første udvider virkningen af Galileos relativitetsprincip til alle fysiske fænomener og ikke kun til mekaniske processer. I en mere generel form hedder det: Alle fysiske love er ens for alle inerti (bevæger sig ensartet i en lige linje eller i hvile) referencerammer.
Det andet udsagn, som indeholder den specielle relativitetsteori: lysets udbredelseshastighed i et vakuum er den samme for alle inertielle referencerammer. Dernæst drages en mere global konklusion: lysets hastighed er den maksimale maksimale værdi for transmissionshastigheden af interaktioner i naturen.
I de matematiske beregninger af STR er der givet formlen E=mc², som tidligere var optrådt i fysiske publikationer, men det var takket være Einstein, at den blev den mest berømte og populære i videnskabens historie. Konklusionen om ækvivalensen af masse og energi er den mest revolutionerende formel i relativitetsteorien. Konceptet om, at ethvert objekt med masse indeholder en enorm mængde energi, blev grundlaget for udviklingen i brugen af atomenergi og førte frem for alt til udseendet af atombomben.
Virkninger af speciel relativitet
Flere konsekvenser følger af STR, kaldet relativistiske (relativitets)effekter. Tidsudvidelse er en af de mest slående. Dens essens er, at i en bevægende referenceramme bevæger tiden sig langsommere. Beregninger viser, at på et rumskib, der foretager en hypotetisk flyvning til Alpha Centauri-stjernesystemet og tilbage med en hastighed på 0,95 c (c er lysets hastighed), vil der gå 7,3 år, og på Jorden - 12 år. Sådanne eksempler nævnes ofte, når man forklarer relativitetsteorien for dummies, såvel som det relaterede tvillingeparadoks.
En anden effekt er en reduktion i lineære dimensioner, det vil sige fra en observatørs synspunkt vil objekter, der bevæger sig i forhold til ham med en hastighed tæt på c, have mindre lineære dimensioner i bevægelsesretningen end deres egen længde. Denne effekt, forudsagt af relativistisk fysik, kaldes Lorentz-kontraktion.
Ifølge lovene for relativistisk kinematik er massen af et objekt i bevægelse større end dets hvilemasse. Denne effekt bliver især væsentlig, når man udvikler instrumenter til at studere elementarpartikler – uden at tage det i betragtning, er det svært at forestille sig driften af LHC (Large Hadron Collider).
Rumtid
En af de vigtigste komponenter i SRT er den grafiske repræsentation af relativistisk kinematik, et særligt koncept for en samlet rumtid, som blev foreslået af den tyske matematiker Hermann Minkowski, som på et tidspunkt var matematiklærer for en elev af Albert Einstein .
Essensen af Minkowski-modellen er en helt ny tilgang til at bestemme positionen af interagerende objekter. Den særlige relativitetsteori lægger særlig vægt på tid. Tid bliver ikke blot den fjerde koordinat i det klassiske tredimensionelle koordinatsystem; tid er ikke en absolut værdi, men en uadskillelig karakteristik af rummet, som tager form af et rum-tidskontinuum, grafisk udtrykt i form af en kegle, hvor alle interaktioner forekommer.
Et sådant rum i relativitetsteorien, med dets udvikling til en mere generel karakter, blev senere udsat for krumning, hvilket gjorde en sådan model velegnet til at beskrive gravitationsinteraktioner.
Videreudvikling af teorien
SRT fandt ikke umiddelbart forståelse blandt fysikere, men efterhånden blev det hovedværktøjet til at beskrive verden, især elementarpartiklernes verden, som blev hovedfaget for studiet af fysisk videnskab. Men opgaven med at supplere SRT med en forklaring af tyngdekraften var meget presserende, og Einstein holdt ikke op med at arbejde og finpudsede principperne for den generelle relativitetsteori - GTR. Den matematiske behandling af disse principper tog ret lang tid - omkring 11 år, og specialister fra områder af de eksakte videnskaber relateret til fysik deltog i den.
Der blev således ydet et kæmpe bidrag af datidens førende matematiker, David Hilbert (1862-1943), som blev en af medforfatterne til gravitationsfeltligningerne. De var den sidste sten i konstruktionen af en smuk bygning, som fik navnet - den generelle relativitetsteori eller GTR.
Generel relativitetsteori - Generel relativitetsteori
Den moderne teori om gravitationsfeltet, teorien om "rum-tid" strukturen, geometrien for "rum-tid", loven om fysiske interaktioner i ikke-inertielle rapporteringssystemer - alt dette er forskellige navne givet til Albert Einsteins generel relativitetsteori.
Teorien om universel gravitation, som i lang tid bestemte den fysiske videnskabs syn på tyngdekraften, på samspillet mellem objekter og felter af forskellige størrelser. Paradoksalt nok var dens største ulempe dens uhåndgribelighed, illusoriske og matematiske karakter af dens essens. Der var et tomrum mellem stjernerne og planeterne; tiltrækningen mellem himmellegemerne blev forklaret ved langrækkende virkning af visse kræfter, og øjeblikkelige. Albert Einsteins generelle relativitetsteori fyldte tyngdekraften med fysisk indhold og præsenterede den som direkte kontakt med forskellige materielle objekter.
Tyngdekraftens geometri
Hovedideen, som Einstein forklarede gravitationsinteraktioner med, er meget enkel. Han erklærer rum-tid for at være et fysisk udtryk for gravitationskræfter, udstyret med ganske håndgribelige tegn - metrik og deformationer, som er påvirket af massen af objektet, omkring hvilke sådanne krumninger dannes. På et tidspunkt blev Einstein endda krediteret med opfordringer til at vende tilbage til teorien om universet begrebet æter, som et elastisk materielt medium, der fylder rummet. Han forklarede, at det er svært for ham at kalde et stof, der har mange kvaliteter, der kan beskrives som vauum.
Tyngdekraften er således en manifestation af de geometriske egenskaber af firedimensionel rumtid, som i SRT blev betegnet som ukrummet, men i mere generelle tilfælde er den udstyret med krumning, som bestemmer bevægelsen af materielle objekter, som er givet det samme acceleration i overensstemmelse med ækvivalensprincippet erklæret af Einstein.
Dette fundamentale princip i relativitetsteorien forklarer mange af "flaskehalsene" i Newtons teori om universel gravitation: bøjningen af lys observeret, når den passerer tæt på massive kosmiske objekter under nogle astronomiske fænomener og, bemærket af de gamle, den samme acceleration af faldet af kroppe, uanset deres masse.
Modellering af rummets krumning
Et almindeligt eksempel, der bruges til at forklare den generelle relativitetsteori for dummies, er repræsentationen af rum-tid i form af en trampolin - en elastisk tynd membran, hvorpå objekter (oftest bolde) er lagt ud, som simulerer interagerende objekter. Tunge bolde bøjer membranen og danner en tragt omkring sig selv. En mindre bold, der sendes hen over overfladen, bevæger sig i fuld overensstemmelse med tyngdelovene og ruller gradvist ind i fordybninger dannet af mere massive genstande.
Men sådan et eksempel er ret konventionelt. Virkelig rumtid er multidimensionel, dens krumning ser heller ikke så elementær ud, men princippet om dannelsen af gravitationsinteraktion og essensen af relativitetsteorien bliver tydeligt. Under alle omstændigheder eksisterer der endnu ikke en hypotese, der mere logisk og sammenhængende vil forklare tyngdekraftsteorien.
Bevis på sandhed
Generel relativitet begyndte hurtigt at blive opfattet som et stærkt grundlag, som moderne fysik kunne bygges på. Helt fra begyndelsen overraskede relativitetsteorien ikke kun specialister med dens harmoni og harmoni, og kort efter dens udseende begyndte den at blive bekræftet af observationer.
Det punkt, der er tættest på Solen - perihelium - af Merkurs bane, forskydes gradvist i forhold til kredsløbene fra andre planeter i Solsystemet, som blev opdaget i midten af det 19. århundrede. Denne bevægelse - præcession - fandt ikke en rimelig forklaring inden for rammerne af Newtons teori om universel gravitation, men blev præcist beregnet ud fra den generelle relativitetsteori.
Solformørkelsen, der fandt sted i 1919, gav mulighed for endnu et bevis på generel relativitet. Arthur Eddington, der i spøg kaldte sig selv den anden person ud af tre, der forstår det grundlæggende i relativitetsteorien, bekræftede de afvigelser, som Einstein forudsagde, da lysfotoner passerede nær stjernen: i tidspunktet for formørkelsen, et skift i det tilsyneladende placeringen af nogle stjerner blev mærkbar.
Et eksperiment til at detektere urets nedgang eller gravitationel rødforskydning blev foreslået af Einstein selv, blandt andet bevis på generel relativitet. Først efter mange år var det muligt at forberede det nødvendige eksperimentelle udstyr og udføre dette eksperiment. Gravitationsforskydningen af strålingsfrekvenser fra emitteren og modtageren, adskilt i højden, viste sig at være inden for de grænser, der var forudsagt af den generelle relativitetsteori, og Harvard-fysikerne Robert Pound og Glen Rebka, som udførte dette eksperiment, øgede efterfølgende kun nøjagtigheden af målingerne, og relativitetsteoriens formlen viste sig igen at være korrekt.
Einsteins relativitetsteori er altid til stede i begrundelsen for de mest betydningsfulde rumudforskningsprojekter. Kort sagt kan vi sige, at det er blevet et ingeniørværktøj for specialister, især dem, der arbejder med satellitnavigationssystemer - GPS, GLONASS osv. Det er umuligt at beregne koordinaterne for et objekt med den krævede nøjagtighed, selv i et relativt lille rum, uden at tage højde for signalafmatningerne forudsagt af den generelle relativitetsteori. Især når vi taler om objekter adskilt af kosmiske afstande, hvor fejlen i navigationen kan være enorm.
Skaberen af relativitetsteorien
Albert Einstein var stadig en ung mand, da han udgav principperne for relativitetsteorien. Efterfølgende blev dens mangler og uoverensstemmelser tydelige for ham. Især det vigtigste problem med generel relativitet var umuligheden af dens integration i kvantemekanikken, da beskrivelsen af gravitationsinteraktioner bruger principper, der er radikalt forskellige fra hinanden. Kvantemekanikken betragter vekselvirkningen af objekter i et enkelt rum-tid, og for Einstein danner dette rum selv tyngdekraften.
At skrive "formlen for alt, hvad der eksisterer" - en samlet feltteori, der ville eliminere modsigelserne af generel relativitet og kvantefysik, var Einsteins mål i mange år; han arbejdede på denne teori indtil den sidste time, men opnåede ikke succes. Problemerne med generel relativitet er blevet et incitament for mange teoretikere til at søge efter mere avancerede modeller af verden. Sådan optrådte strengteorier, sløjfekvantetyngdekraft og mange andre.
Personligheden af forfatteren af Generel Relativitet efterlod et præg på historien sammenlignelig med betydningen for videnskaben af relativitetsteorien selv. Hun lader stadig ingen være ligeglade. Einstein undrede sig selv over, hvorfor der blev givet så meget opmærksomhed til ham og hans arbejde af folk, der ikke havde noget med fysik at gøre. Takket være hans personlige kvaliteter, berømte vid, aktive politiske position og endda udtryksfulde udseende blev Einstein den mest berømte fysiker på jorden, helten i mange bøger, film og computerspil.
Slutningen af hans liv beskrives dramatisk af mange: han var ensom, betragtede sig selv som ansvarlig for udseendet af det mest forfærdelige våben, som blev en trussel mod alt liv på planeten, hans forenede feltteori forblev en urealistisk drøm, men den bedste resultatet kan betragtes som Einsteins ord, der blev talt kort før hans død om, at han fuldførte sin opgave på Jorden. Det er svært at argumentere med det.
Generel relativitetsteori(GTR) er en geometrisk teori om tyngdekraft udgivet af Albert Einstein i 1915-16. Inden for rammerne af denne teori, som er en videreudvikling af den særlige relativitetsteori, postuleres det, at gravitationseffekter ikke er forårsaget af kraftvekselvirkningen mellem kroppe og felter placeret i rum-tid, men af deformation af rum-tid. sig selv, hvilket især er forbundet med tilstedeværelsen af masseenergi. Således, i generel relativitetsteori, som i andre metriske teorier, er tyngdekraften ikke en kraftinteraktion. Generel relativitetsteori adskiller sig fra andre metriske teorier om tyngdekraft ved at bruge Einsteins ligninger til at relatere rumtidens krumning til det stof, der er til stede i rummet.
Generel relativitetsteori er i øjeblikket den mest succesrige gravitationsteori, godt understøttet af observationer. Den første succes med almen relativitet var at forklare den unormale præcession af Merkurs perihelium. Så, i 1919, rapporterede Arthur Eddington observationen af lys, der bøjer sig nær Solen under en total formørkelse, hvilket bekræfter forudsigelserne om den generelle relativitetsteori.
Siden da har mange andre observationer og eksperimenter bekræftet et betydeligt antal af teoriens forudsigelser, herunder gravitationel tidsudvidelse, gravitationel rødforskydning, signalforsinkelse i gravitationsfeltet og indtil videre kun indirekte gravitationsstråling. Derudover fortolkes adskillige observationer som bekræftelse af en af de mest mystiske og eksotiske forudsigelser i den generelle relativitetsteori - eksistensen af sorte huller.
På trods af den forbløffende succes med den generelle relativitetsteori er der ubehag i det videnskabelige samfund på grund af det faktum, at den ikke kan omformuleres som den klassiske grænse for kvanteteori på grund af tilsynekomsten af uløselige matematiske divergenser, når man betragter sorte huller og rumtid singulariteter generelt. En række alternative teorier er blevet foreslået for at løse dette problem. Moderne eksperimentelle data indikerer, at enhver form for afvigelse fra generel relativitetsteori bør være meget lille, hvis den overhovedet eksisterer.
Grundlæggende principper for generel relativitetsteori
Newtons teori om tyngdekraft er baseret på begrebet tyngdekraft, som er en langrækkende kraft: den virker øjeblikkeligt på enhver afstand. Denne øjeblikkelige karakter af handlingen er uforenelig med feltparadigmet i moderne fysik og i særdeleshed med den særlige relativitetsteori, skabt i 1905 af Einstein, inspireret af Poincarés og Lorentz' arbejde. I Einsteins teori kan ingen information rejse hurtigere end lysets hastighed i et vakuum.
Matematisk er Newtons gravitationskraft afledt af den potentielle energi af et legeme i et gravitationsfelt. Gravitationspotentialet svarende til denne potentielle energi adlyder Poisson-ligningen, som ikke er invariant under Lorentz-transformationer. Årsagen til ikke-invariansen er, at energi i den særlige relativitetsteori ikke er en skalær størrelse, men går ind i tidskomponenten af 4-vektoren. Vektorteorien om tyngdekraft viser sig at ligne Maxwells teori om det elektromagnetiske felt og fører til negativ energi af gravitationsbølger, som er forbundet med vekselvirkningens karakter: ligesom ladninger (masse) i tyngdekraften tiltrækker og frastøder ikke, som i elektromagnetisme. Newtons tyngdekraftsteori er således uforenelig med det grundlæggende princip i den særlige relativitetsteori - naturlovenes invarians i enhver inerti-referenceramme, og den direkte vektorgeneralisering af Newtons teori, første gang foreslået af Poincaré i 1905 i hans teori. arbejde "On the Dynamics of the Electron" fører til fysisk utilfredsstillende resultater.
Einstein begyndte at søge efter en teori om tyngdekraften, der ville være forenelig med princippet om invarians af naturlovene i forhold til enhver referenceramme. Resultatet af denne søgning var den generelle relativitetsteori, baseret på princippet om identiteten af gravitations- og inertimasse.
Princippet om lighed mellem gravitations- og inertimasser
I den klassiske Newtonske mekanik er der to begreber om masse: den første henviser til Newtons anden lov, og den anden til loven om universel gravitation. Den første masse - inerti (eller inerti) - er forholdet mellem den ikke-tyngdekraft, der virker på kroppen, og dens acceleration. Den anden masse - gravitationel (eller, som den nogle gange kaldes, tung) - bestemmer tiltrækningskraften af et legeme af andre legemer og dets egen tiltrækningskraft. Generelt bliver disse to masser målt, som det fremgår af beskrivelsen, i forskellige forsøg og behøver derfor slet ikke at være proportionale med hinanden. Deres strenge proportionalitet giver os mulighed for at tale om en enkelt kropsmasse i både ikke-gravitationelle og gravitationelle interaktioner. Ved et passende valg af enheder kan disse masser gøres ens med hinanden. Selve princippet blev fremsat af Isaac Newton, og massernes lighed blev verificeret af ham eksperimentelt med en relativ nøjagtighed på 10?3. I slutningen af det 19. århundrede udførte Eötvös mere subtile eksperimenter, hvilket bragte nøjagtigheden af at teste princippet til 10?9. I løbet af det 20. århundrede gjorde eksperimentel teknologi det muligt at bekræfte massernes lighed med en relativ nøjagtighed på 10?12-10?13 (Braginsky, Dicke, etc.). Nogle gange kaldes princippet om lighed mellem gravitations- og inertimasser for det svage ækvivalensprincip. Albert Einstein baserede det på den generelle relativitetsteori.
Princippet om bevægelse langs geodætiske linjer
Hvis gravitationsmassen er nøjagtig lig med inertialmassen, så ophæves begge masser i udtrykket for accelerationen af et legeme, på hvilket kun gravitationskræfter virker. Derfor afhænger accelerationen af et legeme, og dermed dets bane, ikke af kroppens masse og indre struktur. Hvis alle legemer på det samme punkt i rummet modtager den samme acceleration, så kan denne acceleration ikke forbindes med kroppens egenskaber, men med egenskaberne af selve rummet på dette tidspunkt.
Således kan beskrivelsen af gravitationsinteraktion mellem legemer reduceres til en beskrivelse af det rum-tid, hvori kroppene bevæger sig. Det er naturligt at antage, som Einstein gjorde, at legemer bevæger sig ved inerti, altså på en sådan måde, at deres acceleration i deres egen referenceramme er nul. Ligernes baner vil så være geodætiske linjer, hvis teori blev udviklet af matematikere tilbage i det 19. århundrede.
Selve de geodætiske linjer kan findes ved i rumtid at angive en analog af afstanden mellem to begivenheder, traditionelt kaldet et interval eller en verdensfunktion. Et interval i tredimensionelt rum og endimensionel tid (med andre ord i firedimensionelt rumtid) er givet af 10 uafhængige komponenter af den metriske tensor. Disse 10 tal danner metrikken for rummet. Den definerer "afstanden" mellem to uendeligt tætte punkter i rum-tid i forskellige retninger. Geodesiske linjer, der svarer til verdenslinjerne i fysiske legemer, hvis hastighed er mindre end lysets hastighed, viser sig at være linjer med størst egentlig tid, det vil sige tid målt af et ur, der er stift fastgjort til kroppen, der følger denne bane. Moderne eksperimenter bekræfter bevægelsen af legemer langs geodætiske linjer med samme nøjagtighed som ligheden mellem gravitations- og inertimasser.
Krumning af rumtid
Hvis du sender to kroppe parallelt med hinanden fra to tætte punkter, vil de i gravitationsfeltet gradvist begynde enten at nærme sig eller bevæge sig væk fra hinanden. Denne effekt kaldes geodætisk linjeafvigelse. En lignende effekt kan observeres direkte, hvis to bolde skydes parallelt med hinanden langs en gummimembran, hvorpå en massiv genstand er placeret i midten. Boldene vil spredes: den, der var tættere på objektet, der skubbede gennem membranen, vil tendere mod midten stærkere end den fjernere bold. Denne uoverensstemmelse (afvigelse) skyldes membranens krumning. På samme måde, i rum-tid, er afvigelsen af geodætik (divergensen af kroppens baner) forbundet med dens krumning. Krumningen af rum-tid er entydigt bestemt af dens metriske - den metriske tensor. Forskellen mellem den generelle relativitetsteori og alternative gravitationsteorier bestemmes i de fleste tilfælde netop i forbindelsesmetoden mellem stof (legemer og felter af ikke-gravitationel karakter, der skaber gravitationsfeltet) og rumtidens metriske egenskaber.
Rum-tid generel relativitet og det stærke ækvivalensprincip
Det antages ofte forkert, at grundlaget for den generelle relativitetsteori er princippet om ækvivalens af gravitations- og inertifelter, som kan formuleres som følger:
Et lokalt fysisk system, temmelig lille i størrelse, placeret i et gravitationsfelt, kan ikke skelnes i adfærd fra det samme system, der er placeret i et accelereret (i forhold til den inerti-referenceramme) referencesystem, nedsænket i den specielle teoris flade rumtid af relativitet.
Nogle gange postuleres det samme princip som "den lokale gyldighed af speciel relativitet" eller kaldes det "stærke ækvivalensprincip".
Historisk set spillede dette princip virkelig en stor rolle i udviklingen af den generelle relativitetsteori og blev brugt af Einstein i dens udvikling. Men i teoriens mest endelige form er den faktisk ikke indeholdt, da rumtiden, både i den accelererede og i den oprindelige referenceramme i den specielle relativitetsteori, er ukrumme - flad, og i den generelle relativitetsteori, den er buet af ethvert legeme, og netop dens krumning forårsager legemers gravitationstiltrækning.
Det er vigtigt at bemærke, at hovedforskellen mellem rumtiden for den generelle relativitetsteori og rumtiden for den specielle relativitetsteori er dens krumning, som er udtrykt ved en tensor størrelse - krumningstensoren. I rum-tid af speciel relativitet er denne tensor identisk lig nul, og rum-tid er flad.
Af denne grund er navnet "generel relativitetsteori" ikke helt korrekt. Denne teori er kun en af en række af tyngdekraftsteorier, der i øjeblikket overvejes af fysikere, mens den særlige relativitetsteori (mere præcist dens princip om rumtidens metricitet) er generelt accepteret af det videnskabelige samfund og danner hjørnestenen i grundlaget for moderne fysik. Det skal dog bemærkes, at ingen af de andre udviklede teorier om tyngdekraft, bortset fra den generelle relativitetsteori, har bestået tidens prøve og eksperimenter.
De vigtigste konsekvenser af generel relativitetsteori
Ifølge korrespondanceprincippet falder forudsigelserne af generel relativitet i svage gravitationsfelter sammen med resultaterne af anvendelsen af Newtons lov om universel gravitation med små korrektioner, der øges i takt med at feltstyrken øges.
De første forudsagte og eksperimentelt testede konsekvenser af generel relativitetsteori var tre klassiske effekter, anført nedenfor i den kronologiske rækkefølge af deres første test:
1. Yderligere skift i perihelium af Merkurs kredsløb sammenlignet med forudsigelserne fra newtonsk mekanik.
2. Afbøjning af en lysstråle i Solens gravitationsfelt.
3. Gravitationsrødforskydning eller tidsudvidelse i et gravitationsfelt.
Der er en række andre effekter, som kan verificeres eksperimentelt. Blandt dem kan vi nævne afbøjningen og retardationen (Shapiro-effekten) af elektromagnetiske bølger i Solens og Jupiters gravitationsfelt, Lense-Thirring-effekten (præcession af et gyroskop nær et roterende legeme), astrofysiske beviser på eksistensen af sorte huller , bevis på udsendelse af gravitationsbølger fra tætte systemer af dobbeltstjerner og universets udvidelse.
Indtil videre er der ikke fundet pålidelige eksperimentelle beviser, der modbeviser generel relativitet. Afvigelser af de målte effektstørrelser fra dem, der er forudsagt af den generelle relativitetsteori, overstiger ikke 0,1 % (for de ovennævnte tre klassiske fænomener). På trods af dette har teoretikere af forskellige årsager udviklet mindst 30 alternative teorier om tyngdekraft, og nogle af dem gør det muligt at opnå resultater vilkårligt tæt på den generelle relativitetsteori med passende værdier af de parametre, der er inkluderet i teorien.
100 RUR bonus for første ordre
Vælg type arbejde Diplomarbejde Kursusarbejde Abstrakt Kandidatafhandling Praksisrapport Artikel Rapport Gennemgang Testarbejde Monografi Problemløsning Forretningsplan Svar på spørgsmål Kreativt arbejde Essay Tegning Essays Oversættelse Præsentationer Indtastning Andet Forøgelse af tekstens unikke karakter Kandidatafhandling Laboratoriearbejde Onlinehjælp
Find ud af prisen
Den særlige relativitetsteori blev udviklet i begyndelsen af det 20. århundrede gennem indsatsen fra G. A. Lorentz, A. Poincaré og A. Einstein.
Einsteins postulater
SRT er fuldstændig afledt på det fysiske niveau af rigor fra to postulater (antagelser):
Einsteins relativitetsprincip er en forlængelse af Galileos relativitetsprincip.
Lysets hastighed afhænger ikke af kildens hastighed i alle inertiereferencerammer.
Eksperimentel verifikation af STRs postulater er til en vis grad kompliceret af filosofiske problemer: muligheden for at skrive ligningerne for enhver teori i en invariant form uanset dens fysiske indhold, og vanskeligheden ved at fortolke begreberne "længde", "tid" ” og “inertiel referenceramme” i forhold med relativistiske effekter.
Essensen af tankstation
En konsekvens af postulaterne af SRT er Lorentz-transformationerne, som erstatter de galileiske transformationer for ikke-relativistisk, "klassisk" bevægelse. Disse transformationer forbinder koordinaterne og tidspunkterne for de samme hændelser observeret fra forskellige inertielle referencesystemer.
Det er dem, der beskriver så berømte effekter som afmatningen af tiden og reduktionen i længden af hurtigt bevægende kroppe, eksistensen af den maksimale bevægelseshastighed af en krop (som er lysets hastighed), begrebets relativitet af samtidighed (to hændelser forekommer samtidigt ifølge uret i den samme referenceramme, men på forskellige tidspunkter i henhold til uret i et andet referencesystem).
Den særlige relativitetsteori har modtaget adskillige eksperimentelle bekræftelser og er en ubetinget korrekt teori inden for sit anvendelsesområde. Den særlige relativitetsteori holder op med at virke på skalaen af hele universet, såvel som i tilfælde af stærke gravitationsfelter, hvor den erstattes af en mere generel teori - den generelle relativitetsteori. Den specielle relativitetsteori er også anvendelig i mikroverdenen; dens syntese med kvantemekanik er kvantefeltteori.
Kommentarer
Ligesom i tilfældet med kvantemekanikken er mange af relativitetsteoriens forudsigelser kontraintuitive, virker utrolige og umulige. Dette betyder dog ikke, at relativitetsteorien er forkert. I virkeligheden kan den måde, vi ser (eller ønsker at se) verden omkring os, og den måde, den faktisk er på, være meget anderledes. I mere end et århundrede har videnskabsmænd over hele verden forsøgt at tilbagevise SRT. Ingen af disse forsøg kunne finde den mindste fejl i teorien. Det faktum, at teorien er matematisk korrekt, bevises af den strenge matematiske form og klarhed i alle formuleringer. Den kendsgerning, at SRT virkelig beskriver vores verden, vidnes om stor eksperimentel erfaring. Mange konsekvenser af denne teori bruges i praksis. Det er klart, at alle forsøg på at "gendrive STR" er dømt til at mislykkes, fordi teorien i sig selv er baseret på tre postulater af Galileo (som er noget udvidet), på grundlag af hvilke den newtonske mekanik er bygget, såvel som på et yderligere postulat om lyshastighedens konstanthed i alle referencesystemer. Alle fire rejser ingen tvivl inden for grænserne for den maksimale nøjagtighed af moderne målinger: bedre end 10 - 12, og i nogle aspekter - op til 10 - 15. Desuden er nøjagtigheden af deres verifikation så høj, at konstansen af lyshastighed er grundlaget for definitionen af måleren - længdeenheder, hvorved lyshastigheden automatisk bliver konstant, hvis målinger udføres i overensstemmelse med metrologiske krav.
STR beskriver ikke-gravitationelle fysiske fænomener med meget høj nøjagtighed. Men dette udelukker ikke muligheden for dens præcisering og tilføjelse. For eksempel er den generelle relativitetsteori en forfining af SRT, der tager højde for gravitationsfænomener. Udviklingen af kvanteteori er stadig i gang, og mange fysikere mener, at den fremtidige komplette teori vil besvare alle spørgsmål, der har en fysisk betydning, og vil yde inden for rammerne af både STR i kombination med kvantefeltteori og GTR. Mest sandsynligt vil SRT møde samme skæbne som Newtonsk mekanik - grænserne for dens anvendelighed vil blive præcist skitseret. Samtidig er en sådan maksimalt generel teori stadig et meget fjernt perspektiv, og ikke alle videnskabsmænd mener, at dens konstruktion overhovedet er mulig.
Generel relativitetsteori
Generel relativitetsteori(GTR) er en geometrisk teori om tyngdekraft udgivet af Albert Einstein i 1915-16. Inden for rammerne af denne teori, som er en videreudvikling af den særlige relativitetsteori, postuleres det, at gravitationseffekter ikke er forårsaget af kraftvekselvirkningen mellem kroppe og felter placeret i rum-tid, men af deformation af rum-tid. sig selv, hvilket især er forbundet med tilstedeværelsen af masseenergi.
Generel relativitet er i øjeblikket (2007) den mest succesrige gravitationsteori, godt bekræftet af observationer. Den første succes med almen relativitet var at forklare den unormale præcession af Merkurs perihelium. Så, i 1919, rapporterede Arthur Eddington om observationen af lys, der bøjer sig nær Solen under en total formørkelse, hvilket bekræftede forudsigelserne om den generelle relativitetsteori. Derudover fortolkes talrige observationer som bekræftelse af en af de mest mystiske og eksotiske forudsigelser af den generelle relativitetsteori. - eksistensen af sorte huller.
På trods af den forbløffende succes med den generelle relativitetsteori er der ubehag i det videnskabelige samfund på grund af det faktum, at den ikke kan omformuleres som den klassiske grænse for kvanteteori på grund af tilsynekomsten af uløselige matematiske divergenser, når man betragter sorte huller og rumtid singulariteter generelt. En række alternative teorier er blevet foreslået for at løse dette problem. Moderne eksperimentelle data indikerer, at enhver form for afvigelse fra generel relativitetsteori bør være meget lille, hvis den overhovedet eksisterer.
Einstein begyndte at søge efter en teori om tyngdekraften, der ville være forenelig med princippet om invarians af naturlovene i forhold til enhver referenceramme. Resultatet af denne søgning var den generelle relativitetsteori, baseret på princippet om identiteten af gravitations- og inertimasse.
Princippet om lighed mellem gravitations- og inertimasser
I den klassiske Newtonske mekanik er der to begreber om masse: den første henviser til Newtons anden lov, og den anden til loven om universel gravitation. Den første masse - inert (eller inerti) - er forholdet ikke-gravitationel kraft, der virker på et legeme for at accelerere det. Den anden masse er gravitationel (eller, som det nogle gange kaldes, tung) - bestemmer en krops tiltrækningskraft af andre legemer og dens egen tiltrækningskraft. Generelt bliver disse to masser målt, som det fremgår af beskrivelsen, i forskellige forsøg og behøver derfor slet ikke at være proportionale med hinanden. Deres strenge proportionalitet giver os mulighed for at tale om en enkelt kropsmasse i både ikke-gravitationelle og gravitationelle interaktioner. Ved et passende valg af enheder kan disse masser gøres ens med hinanden.
Princippet om bevægelse langs geodætiske linjer
Hvis gravitationsmassen er nøjagtig lig med inertialmassen, så ophæves begge masser i udtrykket for accelerationen af et legeme, på hvilket kun gravitationskræfter virker. Derfor afhænger accelerationen af et legeme, og dermed dets bane, ikke af kroppens masse og indre struktur. Hvis alle legemer på det samme punkt i rummet modtager den samme acceleration, så kan denne acceleration ikke forbindes med kroppens egenskaber, men med egenskaberne af selve rummet på dette tidspunkt.
Således kan beskrivelsen af gravitationsinteraktion mellem legemer reduceres til en beskrivelse af det rum-tid, hvori kroppene bevæger sig. Det er naturligt at antage, som Einstein gjorde, at legemer bevæger sig ved inerti, altså på en sådan måde, at deres acceleration i deres egen referenceramme er nul. Ligernes baner vil så være geodætiske linjer, hvis teori blev udviklet af matematikere tilbage i det 19. århundrede.
Moderne eksperimenter bekræfter bevægelsen af legemer langs geodætiske linjer med samme nøjagtighed som ligheden mellem gravitations- og inertimasser.
Krumning af rumtid
Hvis du sender to kroppe parallelt med hinanden fra to tætte punkter, vil de i gravitationsfeltet gradvist begynde enten at nærme sig eller bevæge sig væk fra hinanden. Denne effekt kaldes geodætisk linjeafvigelse. En lignende effekt kan observeres direkte, hvis to bolde skydes parallelt med hinanden langs en gummimembran, hvorpå en massiv genstand er placeret i midten. Boldene vil spredes: den, der var tættere på objektet, der skubbede gennem membranen, vil tendere mod midten stærkere end den fjernere bold. Denne uoverensstemmelse (afvigelse) skyldes membranens krumning.
De vigtigste konsekvenser af generel relativitetsteori
Ifølge korrespondanceprincippet falder forudsigelserne af generel relativitet i svage gravitationsfelter sammen med resultaterne af anvendelsen af Newtons lov om universel gravitation med små korrektioner, der øges i takt med at feltstyrken øges.
De første forudsagte og eksperimentelt testede konsekvenser af generel relativitetsteori var tre klassiske effekter, anført nedenfor i den kronologiske rækkefølge af deres første test:
- Yderligere skift i perihelium af Merkurs kredsløb sammenlignet med forudsigelserne fra newtonsk mekanik.
- Afbøjning af en lysstråle i Solens gravitationsfelt.
- Gravitationsrødforskydning eller tidsudvidelse i et gravitationsfelt.
Den generelle relativitetsteori gælder for alle referencesystemer (og ikke kun for dem, der bevæger sig med en konstant hastighed i forhold til hinanden) og ser matematisk meget mere kompliceret ud end den specielle (hvilket forklarer den elleve år lange afstand mellem deres udgivelse). Det omfatter som et særligt tilfælde den særlige relativitetsteori (og derfor Newtons love). Samtidig går den generelle relativitetsteori meget længere end alle dens forgængere. Det giver især en ny fortolkning af tyngdekraften.
Den generelle relativitetsteori gør verden firedimensionel: tid lægges til de tre rumlige dimensioner. Alle fire dimensioner er uadskillelige, så vi taler ikke længere om den rumlige afstand mellem to objekter, som det er tilfældet i den tredimensionelle verden, men om rum-tidsintervallerne mellem begivenheder, som kombinerer deres afstand fra hinanden - begge dele i tid og rum. Det vil sige, at rum og tid betragtes som et firedimensionalt rum-tidskontinuum eller simpelthen rum-tid. I dette kontinuum kan observatører, der bevæger sig i forhold til hinanden, endda være uenige om, hvorvidt to begivenheder fandt sted samtidigt - eller om den ene gik forud for den anden. Heldigvis for vores stakkels sind kommer det ikke til at krænke årsag-virkning-forhold - det vil sige, at selv den generelle relativitetsteori ikke tillader eksistensen af koordinatsystemer, hvor to begivenheder ikke forekommer samtidigt og i forskellige sekvenser.
Klassisk fysik anså tyngdekraften for at være en almindelig kraft blandt mange naturkræfter (elektriske, magnetiske osv.). Tyngdekraften blev foreskrevet "lang-rækkende handling" (gennemtrængning "gennem tomhed") og den fantastiske evne til at give lige stor acceleration til kroppe af forskellig masse.
Newtons lov om universel gravitation fortæller os, at der mellem to kroppe i universet er en gensidig tiltrækningskraft. Fra dette synspunkt roterer Jorden omkring Solen, da gensidige tiltrækningskræfter virker mellem dem.
Den generelle relativitetsteori tvinger os imidlertid til at se anderledes på dette fænomen. Ifølge denne teori er tyngdekraften en konsekvens af deformationen ("krumning") af rumtidens elastiske stof under påvirkning af masse (jo tungere kroppen er, f.eks. Solen, jo mere "bøjer" rumtiden sig under det og derfor, jo stærkere er dets gravitationskraftfelt). Forestil dig et stramt udspændt lærred (en slags trampolin), hvorpå en massiv bold er placeret. Lærredet deformeres under vægten af bolden, og der dannes en tragtformet fordybning omkring det. Ifølge den generelle relativitetsteori drejer Jorden sig om Solen som en lille kugle, der er lanceret for at rulle rundt om keglen i en tragt, der er dannet som et resultat af at "skubbe" rumtiden af en tung kugle - Solen. Og det, der for os forekommer at være tyngdekraften, er faktisk i det væsentlige en rent ydre manifestation af rumtidens krumning og slet ikke en kraft i den newtonske forståelse. Til dato har vi ingen bedre forklaring på tyngdekraftens natur end den generelle relativitetsteori.
Først diskuteres ligheden af gravitationsaccelerationer for kroppe med forskellige masser (det faktum, at en massiv nøgle og en let tændstik falder lige hurtigt fra bordet til gulvet). Som Einstein bemærkede, gør denne unikke egenskab tyngdekraften meget lig inerti.
Faktisk opfører nøglen og tændstikken sig, som om de bevægede sig i vægtløshed af træghed, og gulvet i rummet bevægede sig mod dem med acceleration. Efter at have nået nøglen og matchen, ville gulvet opleve deres påvirkning, og derefter presset, fordi inertien af nøglen og tændstikken ville have en effekt på yderligere acceleration af gulvet.
Dette tryk (kosmonauter siger "overbelastning") kaldes inertikraften. En sådan kraft påføres altid legemer i accelererede referencerammer.
Hvis en raket flyver med en acceleration svarende til tyngdeaccelerationen på jordens overflade (9,81 m/sek), så vil inertialkraften spille rollen som vægten af nøglen og tændstikken. Deres "kunstige" tyngdekraft vil være nøjagtig den samme som den naturlige på Jordens overflade. Det betyder, at accelerationen af referencerammen er et fænomen, der ligner tyngdekraften.
Tværtimod, i en frit faldende elevator elimineres den naturlige tyngdekraft ved den accelererede bevægelse af kabinens referencesystem "i jagten på" nøgle og tændstik. Naturligvis ser klassisk fysik ikke den sande fremkomst og forsvinden af tyngdekraften i disse eksempler. Tyngdekraften efterlignes eller kompenseres kun ved acceleration. Men i den generelle relativitet er ligheden mellem inerti og tyngdekraft anerkendt som meget dybere.
Einstein fremførte det lokale princip om ækvivalens af inerti og tyngdekraft, idet han udtalte, at på tilstrækkeligt små skalaer af afstande og varigheder kan et fænomen ikke skelnes fra et andet ved noget eksperiment. Således ændrede Generel Relativitet den videnskabelige forståelse af verden endnu dybere. Den første lov for newtonsk dynamik mistede sin universalitet - det viste sig, at bevægelse ved inerti kan være krumlinjet og accelereret. Der var ikke længere behov for begrebet tung masse. Universets geometri har ændret sig: i stedet for lige euklidisk rum og ensartet tid, er buet rumtid, en buet verden, dukket op. Videnskabshistorien har aldrig set en så dramatisk omstrukturering af syn på universets fysiske fundamentaler.
At teste generel relativitetsteori er vanskelig, fordi dens resultater under normale laboratorieforhold er næsten nøjagtig de samme som hvad Newtons tyngdelov forudsiger. Ikke desto mindre blev der udført flere vigtige eksperimenter, og deres resultater giver os mulighed for at betragte teorien bekræftet. Derudover hjælper den generelle relativitetsteori med at forklare de fænomener, vi observerer i rummet, et eksempel er en lysstråle, der passerer nær Solen. Både newtonsk mekanik og generel relativitetsteori erkender, at den skal afvige mod Solen (fald). Imidlertid forudsiger den generelle relativitetsteori det dobbelte af stråleforskydningen. Observationer under solformørkelser viste, at Einsteins forudsigelse var korrekt. Et andet eksempel. Planeten Merkur, der er tættest på Solen, har små afvigelser fra sin stationære bane, uforklarlige fra den klassiske newtonske mekaniks synspunkt. Men det er præcis den bane, der er givet ved beregningen ved hjælp af de generelle relativitetsformler. Tidsudvidelse i et stærkt gravitationsfelt forklarer faldet i frekvensen af lysoscillationer i strålingen fra hvide dværge - stjerner med meget høj tæthed. Og i de senere år er denne effekt blevet registreret under laboratorieforhold. Endelig er den generelle relativitetsteori meget stor i moderne kosmologi - videnskaben om hele universets struktur og historie. I dette vidensområde er der også fundet mange beviser for Einsteins teori om tyngdekraften. Faktisk adskiller de resultater, der er forudsagt af den generelle relativitetsteori, sig markant fra dem, der er forudsagt af Newtons love, kun i nærværelse af superstærke gravitationsfelter. Dette betyder, at for fuldt ud at teste den generelle relativitetsteori har vi brug for enten ultrapræcise målinger af meget massive objekter eller sorte huller, som ingen af vores sædvanlige intuitive ideer er anvendelige til. Så udviklingen af nye eksperimentelle metoder til at teste relativitetsteorien forbliver en af de vigtigste opgaver for eksperimentel fysik.
Relativitetsteorien er en fysisk teori, der overvejer rum-tidsmønstre, der er gyldige for enhver fysisk process. Den mest generelle teori om rum-tid kaldes den generelle relativitetsteori (GTR), eller teorien om tyngdekraften. I den partielle (eller specielle) relativitetsteori (STR) studeres rumtidens egenskaber, der er gyldige med den nøjagtighed, hvormed tyngdekraftens effekt kan negligeres. (Physical Encyclopedic Dictionary, 1995)
Tid og masse Kroppen trækker sig sammen langs bevægelsesaksen, når den nærmer sig lysets hastighed
Atomisk henfald Atommassen af nye atomer og mængden af genereret bevægelsesenergi svarer til massen af det oprindelige atom
I slutningen af det 19. århundrede blev bevægelses- og tyngdelovene opdaget af Newton i vid udstrækning brugt til beregninger og fandt mere og mere eksperimentel bekræftelse. Intet syntes at varsle en revolution på dette område. Imidlertid var sagen ikke længere kun begrænset til mekanik: Som et resultat af mange videnskabsmænds eksperimentelle arbejde inden for elektricitet og magnetisme dukkede Maxwells ligninger op. Det var her problemerne med fysikkens love begyndte. Maxwells ligninger samler elektricitet, magnetisme og lys. Det følger af dem, at hastigheden af elektromagnetiske bølger, herunder lette, ikke afhænger af emitterens bevægelse og er lig med cirka 300 tusinde km/s i et vakuum. Dette er på ingen måde i overensstemmelse med mekanikken fra Newton og Galileo. Antag, at en ballon flyver i forhold til Jorden med en hastighed på 100 tusinde km/s. Lad os skyde fremad fra en let pistol med en let kugle, hvis hastighed er 300 tusinde km/s. Derefter skal hastighederne ifølge Galileos formler blot tilføjes, hvilket betyder, at kuglen vil flyve i forhold til Jorden med en hastighed på 400 tusinde km/s. Der er ingen konstant lyshastighed!
Der blev gjort en stor indsats for at opdage ændringen i lysets hastighed, når emitteren bevæger sig, men ingen af de geniale eksperimenter lykkedes. Selv den mest nøjagtige af dem, Michelson-Morley-eksperimentet, gav et negativt resultat. Så er der noget galt med Maxwells ligninger? Men de beskriver perfekt alle elektriske og magnetiske fænomener. Og så udtrykte Henri Poincaré ideen om, at pointen ikke er i ligningerne, men i relativitetsprincippet: alle fysiske love, ikke kun mekaniske, som Newton, men også elektriske, skulle være ens i systemer, der bevæger sig ensartet i forhold til hinanden og retlinet. I 1904 opnåede danskeren Hendrik Anton Lorenz, specifikt for Maxwells ligninger, nye formler til genberegning af koordinaterne for et bevægende system i forhold til et stationært og omvendt. Men dette hjalp kun delvist: det viste sig, at for Newtons love var det nødvendigt at bruge visse transformationer, og for Maxwells ligninger andre. Spørgsmålet forblev åbent.
Særlig relativitetsteori
Transformationerne foreslået af Lorenz var fyldt med to vigtige konsekvenser. Det viste sig, at når man flytter fra et system til et andet, er det nødvendigt at gennemgå transformationer ikke kun af koordinater, men også af tid. Og desuden ændrede størrelsen af en bevægende krop, beregnet ved hjælp af Lorentz’ formler, sig - den blev mindre i bevægelsesretningen! Derfor mistede hastigheder, der oversteg lysets hastighed, al fysisk betydning, da kroppene i dette tilfælde blev komprimeret til nul dimensioner. Mange fysikere, herunder Lorentz selv, anså disse konklusioner for blot at være en matematisk hændelse. Indtil Einstein gik i gang.
Hvorfor er relativitetsteorien opkaldt efter Einstein, hvis relativitetsprincippet blev formuleret af Poincaré, konstanten af lysets hastighed blev udledt af Maxwell, og reglerne for transformation af koordinater blev opfundet af Lorentz? Først og fremmest, lad os sige, at alt, hvad vi har talt om indtil videre, kun vedrører den såkaldte "særlige relativitetsteori" (STR). I modsætning til populær tro var Einsteins bidrag til denne teori på ingen måde begrænset til en simpel generalisering af resultaterne. For det første lykkedes det ham at opnå alle ligningerne baseret på kun to postulater - relativitetsprincippet og princippet om lysets hastigheds konstanthed. Og for det andet forstod han, hvilken ændring der skulle laves i Newtons lov, så den ikke ville falde ud af det nye verdensbillede og ikke ændre sig under Lorentz-transformationer. For at gøre dette var det nødvendigt at tage et kritisk blik på to tidligere urokkelige grundlag for klassisk mekanik - tidens absoluthed og kropsmassens konstanthed.
Intet absolut
I den newtonske mekanik blev siderisk tid stiltiende identificeret med absolut tid, men i Einsteins teori svarer hver referenceramme til sin egen, "lokale" tid, og der er intet ur, der ville måle tiden for hele universet. Men konklusionerne om tidens relativitet var ikke nok til at eliminere modsætningerne mellem elektrodynamik og klassisk mekanik. Dette problem blev løst, da en anden klassisk bastion, massens konstanthed, faldt. Einstein introducerede ændringer til Newtons grundlæggende lov om kraftens proportionalitet til acceleration og fandt ud af, at massen stiger uendeligt, når den nærmer sig lysets hastighed. Det følger faktisk af postulaterne af SRT, at en hastighed større end lysets hastighed ikke har nogen fysisk betydning, hvilket betyder, at ingen kraft ikke længere kan øge hastigheden af et legeme, der allerede flyver med lysets hastighed, det vil sige under disse betingelser, at kraften ikke længere forårsager acceleration! Jo større hastighed en krop har, jo sværere er det at accelerere den.
Og da proportionalitetskoefficienten er masse (eller inerti), følger det, at en krops masse stiger med stigende hastighed.
Det er bemærkelsesværdigt, at denne konklusion blev lavet på et tidspunkt, hvor der ikke var åbenlyse modsætninger og uoverensstemmelser mellem de eksperimentelle resultater og Newtons love. Under normale forhold er ændringen i massen ubetydelig, og den kan kun opdages eksperimentelt ved meget høje hastigheder, tæt på lysets hastighed. Selv for en satellit, der flyver med en hastighed på 8 km/s, vil korrektionen til masse ikke være mere end en del ud af to mia. Men allerede i 1906 blev konklusionerne af STR bekræftet af undersøgelsen af elektroner, der bevægede sig ved høje hastigheder: i Kaufmans eksperimenter blev en ændring i massen af disse partikler registreret. Men det er simpelthen ikke muligt at accelerere partikler ved hjælp af moderne acceleratorer, hvis der udføres beregninger ved hjælp af den klassiske metode uden at tage hensyn til den særlige relativitetsteori.
Men så viste det sig, at massens inkonstans giver os mulighed for at drage en endnu mere grundlæggende konklusion. Når hastigheden stiger, stiger massen, øges bevægelsesenergien... Er det ikke det samme? Matematiske beregninger bekræftede formodningen om ækvivalensen af masse og energi, og i 1907 modtog Einstein sin berømte formel E = mc2. Dette er hovedkonklusionen af SRT. Masse og energi er det samme og omdannes til hinanden! Og hvis et eller andet legeme (for eksempel et uranatom) pludselig går i stykker i to, som i alt har mindre masse, så bliver resten af massen til bevægelsesenergi. Einstein antog selv, at det kun ville være muligt at bemærke en ændring i massen med enorme energifrigivelser, da koefficienten c2 i formlen, han fik, var meget, meget stor. Men han forventede nok ikke, at disse teoretiske overvejelser ville bringe menneskeheden så langt. Skabelsen af atombomben bekræftede gyldigheden af den særlige relativitetsteori, men til en meget høj pris.
Det ser ud til, at der ikke er nogen grund til at tvivle på rigtigheden af teorien. Men her er det tid til at huske Einsteins ord: "Erfaring vil aldrig sige "ja" til en teori, men i bedste fald siger den "måske", men for det meste siger den simpelthen "nej." Det sidste, mest nøjagtige eksperiment til at teste et af postulaterne af SRT, lysets hastigheds konstanthed, blev udført for ganske nylig, i 2001, ved Universitetet i Konstanz (Tyskland). En stående laserbølge blev placeret i en "kasse" af ultraren safir, afkølet til temperaturen af flydende helium, og ændringen i lysets frekvens blev overvåget i seks måneder. Hvis lysets hastighed afhang af laboratoriets bevægelseshastighed, ville frekvensen af denne bølge ændre sig, når Jorden bevægede sig i kredsløb. Men indtil videre har vi ikke kunne mærke nogen ændringer.
Generel relativitetsteori
Efter at have udgivet sit berømte værk "On the Electrodynamics of Moving Bodies", dedikeret til SRT, i 1905, rykkede Einstein videre. Han var overbevist om, at tankstationen kun var en del af rejsen. Relativitetsprincippet skal være gyldigt i enhver referenceramme, og ikke kun i dem, der bevæger sig ensartet og retlinet. Denne tro hos Einstein var ikke bare et gæt; den var baseret på en eksperimentel kendsgerning, overholdelse af ækvivalensprincippet. Lad os forklare, hvad det er. Bevægelseslovene omfatter den såkaldte "inertiale" masse, som viser, hvor svært det er at accelerere et legeme, og tyngdelovene omfatter "tung" masse, som bestemmer tiltrækningskraften mellem kroppe. Ækvivalensprincippet antager, at disse masser er nøjagtigt ens med hinanden, men kun erfaring kan bekræfte, om dette faktisk er tilfældet. Af ækvivalensprincippet følger det, at alle legemer skal bevæge sig i et gravitationsfelt med samme acceleration. Galileo testede også denne omstændighed ved ifølge legenden at kaste forskellige lig fra det skæve tårn i Pisa. Så var målenøjagtigheden 1 %, Newton bragte den til 0,1 %, og ifølge de seneste data fra 1995 kan vi være sikre på, at ækvivalensprincippet er opfyldt med en nøjagtighed på 5 x 10−13.
Med udgangspunkt i ækvivalensprincippet og relativitetsprincippet skabte Einstein efter ti års hårdt arbejde sin tyngdekraftsteori eller generel relativitetsteori (GR), som den dag i dag fortsat glæder teoretikere med sin matematiske skønhed. Rum og tid i Einsteins teori om tyngdekraft viste sig at være genstand for fantastiske metamorfoser. Det gravitationsfelt, som legemer med masse skaber omkring sig selv, bøjer det omgivende rum. Forestil dig en bold liggende på en trampolin. Jo tungere bolden er, jo mere bøjes trampolinnettet. Og tiden, omdannet til den fjerde dimension, står ikke til side: Jo større gravitationsfeltet er, jo langsommere flyder tiden.
Den første bekræftede forudsigelse af generel relativitet blev lavet af Einstein selv tilbage i 1915. Det vedrørte Merkurs bevægelse. Denne planets perihelium (det vil sige punktet for dens nærmeste tilgang til Solen) ændrer gradvist sin position. Over hundrede års observationer fra Jorden var forskydningen 43,1 buesekunder. Kun den generelle relativitetsteori var i stand til at give en forbløffende nøjagtig forudsigelse af denne værdi - 43 buesekunder. Det næste trin var observationer af afbøjningen af lysstråler i Solens gravitationsfelt under den totale solformørkelse i 1919. Siden da er der blevet udført mange sådanne eksperimenter, og alle bekræfter de den generelle relativitetsteori - på trods af at nøjagtigheden er konstant stigende. For eksempel var det i 1984 0,3 %, og i 1995 var det mindre end 0,1 %.
Med fremkomsten af atomure kom tingene ned til tiden selv. Det er nok at placere et ur på toppen af et bjerg, et andet ved dets fod - og du kan fange forskellen i tidens løb! Og med fremkomsten af satellit-globale positioneringssystemer flyttede relativitetsteorien sig endelig fra kategorien videnskabelig underholdning til et rent praktisk område. GPS-satellitter flyver for eksempel i en højde på omkring 20 tusind km med en hastighed på omkring 4 km/s. Da de er ret langt fra Jorden, er deres ure ifølge den generelle relativitetsteori hurtige med omkring 45 mikrosekunder (μs) om dagen, men da de flyver med høj hastighed, på grund af SR, er de samme ure forsinket med omkring 7 μs hver dag. Hvis disse ændringer ikke tages i betragtning, vil hele systemet blive værdiløst inden for få dage! Inden de sendes i kredsløb, bliver atomurene på satellitter justeret, så de kører langsommere med omkring 38 mikrosekunder om dagen. Og det faktum, at min simple GPS-modtager, efter sådanne justeringer, dag efter dag korrekt viser mine koordinater på den enorme jordoverflade, styrker for alvor min tillid til relativitetsteorien.
Alle disse succeser provokerer kun relativitetsjægere. I dag har ethvert universitet med respekt for sig selv et laboratorium til at søge efter gravitationsbølger, som ifølge Einsteins teori om tyngdekraften skulle forplante sig med lysets hastighed. Vi har ikke kunnet finde dem endnu. En anden anstødssten er forbindelsen mellem generel relativitetsteori og kvantemekanik. Begge er i glimrende overensstemmelse med eksperimentet, men er fuldstændig uforenelige med hinanden. Minder det ikke lidt om klassisk mekanik og elektromagnetisme fra slutningen af det 19. århundrede? Måske skulle vi vente på ændringer.