Oton periaatteet. Onko yleinen suhteellisuusteoria johdonmukainen? Vastaako se fyysistä todellisuutta?

Tästä teoriasta sanottiin, että vain kolme ihmistä maailmassa ymmärtää sen, ja kun matemaatikot yrittivät ilmaista numeroin, mitä siitä seuraa, kirjoittaja itse - Albert Einstein - vitsaili, että nyt hän oli lakannut ymmärtämästä sitä.

Erikois- ja yleinen suhteellisuusteoria ovat erottamattomia osia oppia, jolle nykyaikaiset tieteelliset näkemykset maailman rakenteesta rakentuvat.

"Ihmeiden vuosi"

Vuonna 1905 Annalen der Physik (Annals of Physics), johtava saksalainen tieteellinen julkaisu, julkaisi peräkkäin neljä artikkelia 26-vuotiaalta Albert Einsteinilta, joka työskenteli liittovaltion viraston 3. luokan tutkijana - pikkuvirkailijana. Patentointikeksinnöt Bernissä. Hän oli tehnyt yhteistyötä lehden kanssa aiemminkin, mutta niin monen lehden ilmestyminen yhdessä vuodessa oli poikkeuksellinen tapahtuma. Siitä tuli vieläkin upeampi, kun jokaiseen niistä sisältyvien ideoiden arvo tuli selväksi.

Ensimmäisessä artikkelissa esitettiin ajatuksia valon kvanttiluonteesta ja pohdittiin sähkömagneettisen säteilyn absorptio- ja vapautumisprosesseja. Tällä perusteella valosähköinen vaikutus selitettiin ensin - aineen elektronien emissio, valon fotonien tyrmäys, ehdotettiin kaavoja vapautuvan energian määrän laskemiseksi tässä tapauksessa. Einsteinille myönnetään Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1922 valosähköisen vaikutuksen teoreettisesta kehittämisestä, josta tuli kvanttimekaniikan alku, eikä suhteellisuusteorian postulaattien vuoksi.

Toisessa artikkelissa luotiin perusta fyysisten tilastojen soveltaville alueille, jotka perustuvat pienimpien nesteeseen suspendoituneiden hiukkasten Brownin liikkeen tutkimukseen. Einstein ehdotti menetelmiä vaihtelumallien etsimiseksi - fyysisten suureiden satunnaisten ja satunnaisten poikkeamien todennäköisimmistä arvoista.

Ja lopuksi artikkeleissa "Liikkuvien kappaleiden sähködynamiikasta" ja "Riippuuko kehon inertia sen energiasisällöstä?" sisälsi alkioita siitä, mitä fysiikan historiassa nimetään Albert Einsteinin suhteellisuusteoriaksi, tai pikemminkin sen ensimmäiseksi osaksi - SRT - erityiseksi suhteellisuusteoriaksi.

Lähteet ja edeltäjät

1800-luvun lopulla monet fyysikot näyttivät, että suurin osa maailmankaikkeuden globaaleista ongelmista oli ratkaistu, tärkeimmät löydöt tehty ja ihmiskunnan tarvitsisi vain käyttää kertynyttä tietoa nopeuttaakseen voimakkaasti teknologista kehitystä. Vain jotkin teoreettiset epäjohdonmukaisuudet pilasivat harmonisen kuvan maailmankaikkeudesta, joka oli täytetty eetterillä ja elää muuttumattomien Newtonin lakien mukaan.

Maxwellin teoreettinen tutkimus pilasi harmonian. Hänen yhtälönsä, jotka kuvasivat sähkömagneettisten kenttien vuorovaikutusta, olivat ristiriidassa klassisen mekaniikan yleisesti hyväksyttyjen lakien kanssa. Tämä koski valonnopeuden mittaamista dynaamisissa vertailujärjestelmissä, kun Galileon suhteellisuusperiaate lakkasi toimimasta - matemaattinen malli tällaisten järjestelmien vuorovaikutuksesta liikkuessa valonnopeudella johti sähkömagneettisten aaltojen katoamiseen.

Lisäksi eetteri, jonka piti sovittaa yhteen hiukkasten ja aaltojen, makron ja mikrokosmoksen samanaikainen olemassaolo, ei suostunut havaitsemiseen. Albert Michelsonin ja Edward Morleyn vuonna 1887 suorittaman kokeen tarkoituksena oli havaita "eteerinen tuuli", joka väistämättä oli tallennettava ainutlaatuisella laitteella - interferometrillä. Kokeilu kesti koko vuoden - Maan täydellisen kierroksen ajan Auringon ympäri. Planeetan täytyi liikkua eetterivirtausta vastaan puoli vuotta, eetterin piti "puhaltaa" Maan purjeisiin puoli vuotta, mutta tulos oli nolla: valoaaltojen siirtymistä eetterin vaikutuksesta ei tapahtunut. löydetty, mikä asetti kyseenalaiseksi eetterin olemassaolon.

Lorentz ja Poincaré

Fyysikot ovat yrittäneet löytää selityksen eetterin havaitsemiseksi tehtyjen kokeiden tuloksiin. Hendrik Lorentz (1853-1928) ehdotti matemaattista malliaan. Se herätti henkiin tilan eteerisen täytön, mutta vain sillä hyvin ehdollisella ja keinotekoisella oletuksella, että eetterin läpi liikkuessaan esineet voivat supistua liikkeen suuntaan. Tämän mallin viimeisteli suuri Henri Poincaré (1854-1912).

Näiden kahden tiedemiehen töissä ilmaantui ensimmäistä kertaa käsitteitä, jotka muodostivat suurelta osin suhteellisuusteorian pääpostulaatit, ja tämä ei anna Einsteinin plagiointisyytösten laantua. Näitä ovat samanaikaisuuden käsitteen ehdollisuus, hypoteesi valonnopeuden pysyvyydestä. Poincaré myönsi, että Newtonin mekaniikkalait vaativat uudelleentyöskentelyä suurilla nopeuksilla, hän teki johtopäätöksen liikkeen suhteellisuudesta, mutta soveltaen eetteriteoriaa.

Erikoissuhteellisuusteoria - SRT

Sähkömagneettisten prosessien oikean kuvauksen ongelmista tuli motivaatio valita aihe teoreettiselle kehitykselle, ja Einsteinin vuonna 1905 julkaistut artikkelit sisälsivät tulkinnan yksittäisestä tapauksesta - yhtenäisestä ja suoraviivaisesta liikkeestä. Vuoteen 1915 mennessä muodostui yleinen suhteellisuusteoria, joka selitti vuorovaikutuksia ja gravitaatiovuorovaikutuksia, mutta ensimmäinen oli teoria, jota kutsutaan erityiseksi.

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria voidaan tiivistää kahteen peruspostulaattiin. Ensimmäinen laajentaa Galileon suhteellisuusperiaatteen vaikutuksen kaikkiin fysikaalisiin ilmiöihin, ei vain mekaanisiin prosesseihin. Yleisemmässä muodossa se sanoo: Kaikki fysikaaliset lait ovat samat kaikille inertiaalisille (liikkuvat tasaisesti suoraviivaisesti tai levossa) viitekehykselle.

Toinen väite, joka sisältää erityisen suhteellisuusteorian: valon etenemisnopeus tyhjiössä kaikilla inertiaalisilla vertailukehyksillä on sama. Lisäksi tehdään globaalimpi johtopäätös: valon nopeus on luonnossa tapahtuvien vuorovaikutusten läpäisynopeuden maksimiarvo.

SRT:n matemaattisissa laskelmissa on annettu kaava E=mc², joka on esiintynyt fysikaalisissa julkaisuissa ennenkin, mutta Einsteinin ansiosta siitä tuli tieteen historian tunnetuin ja suosituin. Päätelmä massan ja energian vastaavuudesta on suhteellisuusteorian vallankumouksellisin kaava. Ajatus siitä, että mikä tahansa massainen esine sisältää valtavan määrän energiaa, tuli perustaksi ydinenergian käytön kehitykselle ja ennen kaikkea johti atomipommin ilmestymiseen.

Erikoissuhteellisuusteorian vaikutukset

SRT:stä seuraa useita seurauksia, joita kutsutaan relativistisiksi (relatiivisuus englanti - suhteellisuus) vaikutuksiksi. Ajan laajeneminen on yksi silmiinpistävimmistä. Sen ydin on, että liikkuvassa vertailukehyksessä aika kuluu hitaammin. Laskelmat osoittavat, että avaruusaluksella, joka teki hypoteettisen lennon tähtijärjestelmään Alpha Centauri ja takaisin nopeudella 0,95 c (c on valon nopeus), kuluu 7,3 vuotta ja maan päällä - 12 vuotta. Tällaisia esimerkkejä annetaan usein selitettäessä suhteellisuusteoriaa nukkeille sekä siihen liittyvää kaksoisparadoksia.

Toinen vaikutus on lineaaristen mittojen pieneneminen, eli havaitsijan näkökulmasta kohteet, jotka liikkuvat suhteessa häneen nopeudella, joka on lähellä c:tä, ovat liikkeen suunnassa pienempiä lineaarisia mittoja kuin niiden oma pituus. Tätä relativistisen fysiikan ennustamaa vaikutusta kutsutaan Lorentzin supistukseksi.

Relativistisen kinematiikan lakien mukaan liikkuvan kohteen massa on suurempi kuin lepomassa. Tämä vaikutus tulee erityisen merkittäväksi alkeishiukkasten tutkimiseen tarkoitettujen instrumenttien kehittämisessä - LHC:n (Large Hadron Collider) työtä on vaikea kuvitella ottamatta huomioon sitä.

aika-avaruus

Yksi SRT:n tärkeimmistä komponenteista on graafinen esitys relativistisesta kinematiikasta, yksittäisen aika-avaruuden erityiskäsityksestä, jonka ehdotti saksalainen matemaatikko Hermann Minkowski, joka oli aikoinaan matematiikan opettaja Albertin opiskelijalle. Einstein.

Minkowski-mallin ydin on täysin uusi lähestymistapa vuorovaikutuksessa olevien objektien sijainnin määrittämiseen. Ajan suhteellisuusteoria kiinnittää erityistä huomiota. Ajasta ei tule vain klassisen kolmiulotteisen koordinaattijärjestelmän neljäs koordinaatti, aika ei ole absoluuttinen arvo, vaan avaruuden erottamaton ominaisuus, joka on graafisesti kartiona ilmaistuna aika-avaruuden jatkumona, jossa kaikki vuorovaikutuksia tapahtuu.

Tällainen suhteellisuusteorian avaruus, joka kehittyi yleisempään luonteeseen, joutui myöhemmin edelleen kaareutumaan, mikä teki tällaisesta mallista sopivan myös gravitaatiovuorovaikutusten kuvaamiseen.

Teorian jatkokehitys

SRT ei heti löytänyt ymmärrystä fyysikkojen keskuudessa, mutta siitä tuli vähitellen tärkein työkalu maailman kuvaamiseen, erityisesti alkuainehiukkasten maailmaan, josta tuli fysiikan tutkimuksen pääkohde. Mutta tehtävä täydentää SRT:tä gravitaatiovoimien selityksellä oli erittäin tärkeä, eikä Einstein lopettanut työskentelyä hiomalla yleisen suhteellisuusteorian - GR -periaatteita. Näiden periaatteiden matemaattinen käsittely kesti melko kauan - noin 11 vuotta, ja siihen osallistuivat asiantuntijat fysiikan viereisiltä tieteiltä.

Niinpä tuon ajan johtava matemaatikko David Hilbert (1862-1943), josta tuli yksi gravitaatiokentän yhtälöiden kirjoittajista, antoi valtavan panoksen. Ne olivat viimeinen kivi kauniin rakennuksen rakentamisessa, joka sai nimen - yleinen suhteellisuusteoria tai GR.

Yleinen suhteellisuusteoria - GR

Nykyaikainen gravitaatiokentän teoria, "avaruus-aika" -rakenteen teoria, "avaruus-ajan" geometria, fyysisten vuorovaikutusten laki ei-inertiaalisissa viitekehyksessä - kaikki nämä ovat Albert Einsteinin eri nimiä. yleinen suhteellisuusteoria on varustettu.

Universaalin painovoiman teoria, joka määritti pitkään fysiikan näkemykset painovoimasta, erikokoisten esineiden ja kenttien vuorovaikutuksista. Paradoksaalista kyllä, mutta sen suurin haittapuoli oli sen olemuksen aineettomuus, illusorinen, matemaattinen luonne. Tähtien ja planeettojen välillä oli tyhjyys, taivaankappaleiden välinen vetovoima selittyy tiettyjen voimien pitkän kantaman vaikutuksilla ja hetkellisillä. Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria täytti painovoiman fysikaalisella sisällöllä, esitti sen erilaisten materiaalisten esineiden suorana kosketuksena.

Painovoiman geometria

Pääidea, jolla Einstein selitti gravitaatiovuorovaikutuksia, on hyvin yksinkertainen. Hän julistaa painovoimavoimien fyysisen ilmaisun aika-avaruudeksi, jolla on varsin konkreettisia piirteitä - metriikkaa ja muodonmuutoksia, joihin vaikuttaa sen kohteen massa, jonka ympärille tällaisia kaarevia muodostuu. Aikoinaan Einsteinille myönnettiin jopa kehotuksia palauttaa maailmankaikkeuden teoriaan eetterin käsite elastisena materiaalina, joka täyttää avaruuden. Hän selitti myös, että hänen oli vaikea kutsua ainetta, jolla on monia ominaisuuksia, joita voidaan kuvata tyhjiöksi.

Painovoima on siis neliulotteisen aika-avaruuden geometristen ominaisuuksien ilmentymä, joka SRT:ssä nimettiin ei-kaarevaksi, mutta yleisemmissä tapauksissa sillä on kaarevuus, joka määrää aineellisten esineiden liikkeen, joille annetaan sama kiihtyvyys Einsteinin julistaman vastaavuusperiaatteen mukaisesti.

Tämä suhteellisuusteorian perusperiaate selittää monet Newtonin yleismaailmallisen gravitaatioteorian "pullonkaulat": valon kaarevuus, joka havaitaan, kun se kulkee massiivisten avaruuskohteiden läheltä joidenkin tähtitieteellisten ilmiöiden aikana ja saman kappaleiden putoamisen kiihtyvyyden. muinaiset massasta riippumatta.

Avaruuden kaarevuuden mallinnus

Yleinen esimerkki, joka selittää yleistä suhteellisuusteoriaa nukkeille, on aika-avaruuden esitys trampoliinin muodossa - elastisena ohuena kalvona, jolle asetetaan esineitä (useimmiten palloja), jotka jäljittelevät vuorovaikutuksessa olevia esineitä. Raskaat pallot taivuttavat kalvoa muodostaen suppilon ympärilleen. Pintaan laukaistu pienempi pallo liikkuu täysin painovoiman lakien mukaisesti vierien vähitellen massiivisten esineiden muodostamiin syvennyksiin.

Mutta tämä esimerkki on melko mielivaltainen. Todellinen aika-avaruus on moniulotteinen, sen kaarevuus ei myöskään näytä niin alkeiselta, mutta gravitaatiovuorovaikutuksen muodostumisen periaate ja suhteellisuusteorian ydin tulevat selväksi. Joka tapauksessa hypoteesia, joka loogisemmin ja johdonmukaisemmin selittäisi painovoimateoriaa, ei vielä ole olemassa.

Todistuksia totuudesta

Yleinen suhteellisuusteoria alettiin nopeasti nähdä vahvana perustana, jolle moderni fysiikka voitiin rakentaa. Suhteellisuusteoria iski alusta alkaen harmonialla ja harmonialla, eikä vain asiantuntijoilla, ja pian sen ilmestymisen jälkeen havainnot alkoivat vahvistaa.

Merkuriuksen kiertoradan lähin piste Aurinkoa - perihelion - on vähitellen siirtymässä suhteessa muiden aurinkokunnan planeettojen kiertoradoihin, mikä löydettiin jo 1800-luvun puolivälissä. Tällainen liike - precessio - ei löytänyt järkevää selitystä Newtonin universaalin gravitaatioteorian puitteissa, vaan se laskettiin tarkasti yleisen suhteellisuusteorian perusteella.

Vuonna 1919 tapahtunut auringonpimennys tarjosi jälleen mahdollisuuden yleiseen suhteellisuusteoriaan. Arthur Eddington, joka kutsui itseään leikkimielisesti toiseksi henkilöksi kolmesta, joka ymmärtää suhteellisuusteorian perusteet, vahvisti Einsteinin ennustamat poikkeamat valon fotonien kulkiessa tähden lähellä: pimennyksen aikaan joidenkin tähtien näennäinen sijainti tuli havaittavaksi.

Kokeen kellon hidastumisen tai painovoiman punasiirtymän havaitsemiseksi ehdotti Einstein itse muiden yleisen suhteellisuusteorian todisteiden joukossa. Vasta monien vuosien jälkeen oli mahdollista valmistaa tarvittavat koelaitteet ja suorittaa tämä koe. Säteilyn gravitaatiotaajuussiirtymä lähettimestä ja vastaanottimesta, jotka sijaitsevat korkeusetäisyydellä toisistaan, osoittautui yleisen suhteellisuusteorian ennustamien rajojen sisällä, ja tämän kokeen suorittaneet Harvardin fyysikot Robert Pound ja Glen Rebka vain lisäsivät mittausten tarkkuutta. , ja suhteellisuusteorian kaava osoittautui jälleen oikeaksi.

Einsteinin suhteellisuusteoria on aina läsnä merkittävimpien avaruustutkimusprojektien perusteluissa. Lyhyesti sanottuna voimme sanoa, että siitä on tullut tekninen työkalu asiantuntijoille, erityisesti niille, jotka ovat mukana satelliittinavigointijärjestelmissä - GPS, GLONASS jne. Kohteen koordinaatteja on mahdotonta laskea vaaditulla tarkkuudella edes suhteellisen pienessä tilassa ottamatta huomioon yleisen suhteellisuusteorian ennustamia signaalien hidastumista. Varsinkin jos puhumme kosmisten etäisyyksien päässä toisistaan olevista kohteista, joissa navigointivirhe voi olla valtava.

Suhteellisuusteorian luoja

Albert Einstein oli vielä nuori mies, kun hän julkaisi suhteellisuusteorian perusteet. Myöhemmin sen puutteet ja epäjohdonmukaisuudet tulivat hänelle selväksi. Erityisesti GR:n pääongelma oli sen mahdottomuus kasvaa kvanttimekaniikaksi, koska gravitaatiovuorovaikutusten kuvauksessa käytetään radikaalisti toisistaan poikkeavia periaatteita. Kvanttimekaniikassa tarkastellaan esineiden vuorovaikutusta yhdessä aika-avaruudessa, ja Einsteinin mukaan tämä tila itsessään muodostaa painovoiman.

"Kaiken olemassa olevan kaavan" kirjoittaminen - yhtenäinen kenttäteoria, joka poistaisi yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan ristiriidat, oli Einsteinin tavoite useiden vuosien ajan, hän työskenteli tämän teorian parissa viimeiseen tuntiin asti, mutta ei saavuttanut menestystä. Yleisen suhteellisuusteorian ongelmista on tullut virikkeitä monille teoreetikoille etsiessään täydellisempiä maailmanmalleja. Näin ilmestyivät merkkijonoteoriat, silmukan kvanttigravitaatio ja monet muut.

Yleisen suhteellisuusteorian kirjoittajan persoonallisuus jätti historiaan jälkensä, joka on verrattavissa itse suhteellisuusteorian merkitykseen tieteelle. Hän ei jätä välinpitämättömäksi toistaiseksi. Einstein itse ihmetteli, miksi ihmiset, joilla ei ollut mitään tekemistä fysiikan kanssa, kiinnittivät niin paljon huomiota häneen ja hänen työhönsä. Henkilökohtaisten ominaisuuksiensa, kuuluisan nokkeluutensa, aktiivisen poliittisen asemansa ja jopa ilmeisen ulkonäön ansiosta Einsteinista tuli maan tunnetuin fyysikko, monien kirjojen, elokuvien ja tietokonepelien sankari.

Monet kuvailevat hänen elämänsä loppua dramaattisesti: hän oli yksinäinen, katsoi olevansa vastuussa kauheimman aseen ilmestymisestä, josta tuli uhka koko planeetan elämälle, hänen yhtenäinen kenttäteoriansa jäi epärealistiseksi unelmaksi, mutta Einsteinin sanat Hän täytti tehtävänsä maan päällä. Tämän kanssa on vaikea väitellä.

Yleinen suhteellisuusteoria(GR) on Albert Einsteinin vuosina 1915-1916 julkaisema geometrinen painovoimateoria. Tämän teorian, joka on erikoissuhteellisuusteorian jatkokehitys, puitteissa oletetaan, että gravitaatiovaikutuksia ei aiheuta aika-avaruudessa sijaitsevien kappaleiden ja kenttien voimavuorovaikutus, vaan aika-avaruuden muodonmuutos. itse, joka liittyy erityisesti massaenergian läsnäoloon. Siten yleisessä suhteellisuusteoriassa, kuten muissa metriikkateorioissa, painovoima ei ole voimavuorovaikutus. Yleinen suhteellisuusteoria eroaa muista gravitaatioteorioista käyttämällä Einsteinin yhtälöitä avaruuden kaarevuuden suhteuttamiseen avaruudessa olevaan aineeseen.

Yleinen suhteellisuusteoria on tällä hetkellä menestynein gravitaatioteoria, jota havainnot tukevat hyvin. Yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen menestys oli selittää Merkuriuksen periheelin poikkeavaa precessiota. Sitten vuonna 1919 Arthur Eddington raportoi havainneensa valon taipumista lähellä aurinkoa täydellisen pimennyksen aikana, mikä vahvisti yleisen suhteellisuusteorian ennusteet.

Sen jälkeen monet muut havainnot ja kokeet ovat vahvistaneet huomattavan määrän teorian ennusteita, mukaan lukien gravitaatioajan dilataatio, painovoiman punasiirtymä, signaalin viive gravitaatiokentässä ja toistaiseksi vain epäsuorasti gravitaatiosäteily. Lisäksi lukuisat havainnot tulkitaan vahvistukseksi yhdelle yleisen suhteellisuusteorian salaperäisimmistä ja eksoottisimmista ennusteista - mustien aukkojen olemassaolosta.

Yleisen suhteellisuusteorian ylivoimaisesta menestyksestä huolimatta tiedeyhteisössä on epämukavuutta, että sitä ei voida muotoilla uudelleen kvanttiteorian klassiseksi rajaksi, koska mustia aukkoja ja avaruus-aikasingulariteettia yleensä tarkasteltaessa ilmenee poistamattomia matemaattisia eroja. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu useita vaihtoehtoisia teorioita. Nykyiset kokeelliset todisteet osoittavat, että minkä tahansa poikkeaman yleisestä suhteellisuusteoriasta tulisi olla hyvin pieni, jos sitä ylipäätään on olemassa.

Yleisen suhteellisuusteorian perusperiaatteet

Newtonin painovoimateoria perustuu painovoiman käsitteeseen, joka on pitkän kantaman voima: se vaikuttaa välittömästi millä tahansa etäisyydellä. Tämä toiminnan hetkellinen luonne on ristiriidassa modernin fysiikan kenttäparadigman ja erityisesti Einsteinin vuonna 1905 luoman, Poincarén ja Lorentzin työn inspiroiman suhteellisuusteorian kanssa. Einsteinin teorian mukaan mikään tieto ei voi kulkea valon nopeutta nopeammin tyhjiössä.

Matemaattisesti Newtonin gravitaatiovoima johdetaan painovoimakentässä olevan kappaleen potentiaalienergiasta. Tätä potentiaalienergiaa vastaava gravitaatiopotentiaali noudattaa Poissonin yhtälöä, joka ei ole invariantti Lorentzin muunnoksissa. Syy ei-invarianssiin on se, että erityissuhteellisuusteorian energia ei ole skalaarisuure, vaan menee 4-vektorin aikakomponenttiin. Painovoiman vektoriteoria osoittautuu samankaltaiseksi kuin Maxwellin sähkömagneettisen kentän teoria ja johtaa gravitaatioaaltojen negatiiviseen energiaan, mikä liittyy vuorovaikutuksen luonteeseen: kuten painovoiman varaukset (massat) vetäytyvät, eivät hylkineet, kuten sähkömagnetismissa. Näin ollen Newtonin painovoimateoria on ristiriidassa erityissuhteellisuusteorian perusperiaatteen kanssa - luonnonlakien muuttumattomuuden kanssa missä tahansa inertiaalisessa vertailukehyksessä ja Newtonin teorian suoran vektoriyleistyksen kanssa, jonka Poincaré ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1905 teoksessaan. työ "Elektronin dynamiikasta" johtaa fyysisesti epätyydyttäviin tuloksiin.

Einstein alkoi etsiä painovoimateoriaa, joka olisi yhteensopiva luonnonlakien muuttumattomuuden periaatteen kanssa minkä tahansa viitekehyksen suhteen. Tämän haun tuloksena syntyi yleinen suhteellisuusteoria, joka perustuu gravitaatio- ja inertiamassan identiteettiperiaatteeseen.

Gravitaatio- ja inertiassojen tasa-arvon periaate

Klassisessa newtonilaisessa mekaniikassa on kaksi massan käsitettä: ensimmäinen viittaa Newtonin toiseen lakiin ja toinen universaalin gravitaatiolakiin. Ensimmäinen massa - inertia (tai inertia) - on kehoon vaikuttavan ei-gravitaatiovoiman suhde sen kiihtyvyyteen. Toinen massa - gravitaatio (tai, kuten sitä joskus kutsutaan, raskas) - määrittää kehon vetovoiman muiden kappaleiden toimesta ja oman vetovoimansa. Yleisesti ottaen nämä kaksi massaa mitataan, kuten kuvauksesta näkyy, eri kokeissa, joten niiden ei tarvitse olla lainkaan verrannollisia toisiinsa. Niiden tiukka suhteellisuus sallii meidän puhua yhdestä ruumiinmassasta sekä ei-gravitaatiossa että gravitaatiossa. Sopivalla yksiköiden valinnalla nämä massat voidaan saada keskenään tasa-arvoisiksi. Itse periaatteen esitti Isaac Newton, ja hän varmisti massojen tasa-arvon kokeellisesti suhteellisella tarkkuudella 10?3. 1800-luvun lopulla Eötvös teki hienovaraisempia kokeita, jotka nostivat periaatteen varmennustarkkuuden 10-9:ään. 1900-luvun aikana kokeelliset tekniikat mahdollistivat massojen tasa-arvon vahvistamisen suhteellisella tarkkuudella 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke jne.). Joskus gravitaatio- ja inertiassojen yhtäläisyyden periaatetta kutsutaan heikoksi ekvivalenssiperiaatteeksi. Albert Einstein asetti sen yleisen suhteellisuusteorian perustaksi.

Geodeettisia linjoja pitkin liikkumisen periaate

Jos gravitaatiomassa on täsmälleen yhtä suuri kuin inertiamassa, niin kappaleen kiihtyvyyden lausekkeessa, johon vaikuttavat vain gravitaatiovoimat, molemmat massat kumoavat. Siksi kehon kiihtyvyys ja siten sen liikerata ei riipu kehon massasta ja sisäisestä rakenteesta. Jos kaikki samassa avaruuden pisteessä olevat kappaleet saavat saman kiihtyvyyden, niin tämä kiihtyvyys ei voi liittyä kappaleiden ominaisuuksiin, vaan itse avaruuden ominaisuuksiin tässä pisteessä.

Siten kappaleiden välisen gravitaatiovuorovaikutuksen kuvaus voidaan pelkistää kuvaukseksi aika-avaruudesta, jossa kappaleet liikkuvat. On luonnollista olettaa, kuten Einstein teki, että kappaleet liikkuvat inertialla eli siten, että niiden kiihtyvyys omassa vertailukehyksessään on nolla. Kappaleiden liikeradat ovat sitten geodeettisia linjoja, joiden teorian matemaatikot kehittivät jo 1800-luvulla.

Itse geodeettiset viivat voidaan löytää määrittämällä aika-avaruudessa kahden tapahtuman välisen etäisyyden analogi, jota perinteisesti kutsutaan intervalliksi tai maailmanfunktioksi. Intervalli kolmiulotteisessa avaruudessa ja yksiulotteisessa ajassa (eli neliulotteisessa aika-avaruudessa) annetaan metrisen tensorin 10 itsenäisellä komponentilla. Nämä 10 numeroa muodostavat avaruusmetriikan. Se määrittelee "etäisyyden" kahden äärettömän läheisen aika-avaruuspisteen välillä eri suuntiin. Geodeettiset viivat, jotka vastaavat valon nopeutta pienempien fyysisten kappaleiden maailmanlinjoja, osoittautuvat suurimman oikea-ajan viivoiksi, toisin sanoen ajalla, jonka mittaa kello, joka on jäykästi kiinnitetty tätä liikerataa seuraaviin kappaleisiin. Nykyaikaiset kokeet vahvistavat kappaleiden liikkeen geodeettisia linjoja pitkin samalla tarkkuudella kuin gravitaatio- ja inertiamassat.

Aika-avaruuden kaarevuus

Jos kaksi kappaletta laukaistaan kahdesta läheisestä pisteestä yhdensuuntaisesti, ne gravitaatiokentässä vähitellen joko lähestyvät tai siirtyvät pois toisistaan. Tätä vaikutusta kutsutaan geodeettisten viivojen poikkeamaksi. Samanlainen vaikutus voidaan havaita suoraan, jos kaksi palloa laukaistaan rinnakkain kumikalvon yli, jonka keskelle asetetaan massiivinen esine. Pallot hajoavat: se, joka oli lähempänä kalvon läpi työntävää esinettä, pyrkii keskelle voimakkaammin kuin kauempana oleva pallo. Tämä poikkeama (poikkeama) johtuu kalvon kaarevuudesta. Samoin aika-avaruudessa geodesiikan poikkeama (kappaleiden liikeradan poikkeavuus) liittyy sen kaarevyyteen. Aika-avaruuden kaarevuus määräytyy yksiselitteisesti sen metriikan - metrisen tensorin - mukaan. Ero yleisen suhteellisuusteorian ja vaihtoehtoisten painovoimateorioiden välillä määräytyy useimmissa tapauksissa nimenomaan aineen (painovoimakentän luovien ei-gravitaatioluonteisten kappaleiden ja kenttien) ja aika-avaruuden metristen ominaisuuksien välillä. .

Avaruus-aika GR ja vahva ekvivalenssiperiaate

Usein ajatellaan väärin, että yleisen suhteellisuusteorian perustana on gravitaatio- ja inertiakenttien ekvivalenssiperiaate, joka voidaan muotoilla seuraavasti:
Gravitaatiokentässä sijaitseva riittävän pieni paikallinen fyysinen järjestelmä on käyttäytymisellään erottuva samasta järjestelmästä, joka sijaitsee kiihdytetyssä (suhteessa inertiaaliseen viitekehykseen) viitekehyksessä, upotettuna erityissuhteellisuusteorian tasaiseen aika-avaruuteen.

Joskus samaa periaatetta oletetaan "erityisen suhteellisuusteorian paikalliseksi pätevyydeksi" tai kutsutaan "vahvan ekvivalenssin periaatteeksi".

Historiallisesti tällä periaatteella oli todella suuri rooli yleisen suhteellisuusteorian kehittämisessä, ja Einstein käytti sitä sen kehittämisessä. Teorian lopullisimmassa muodossa sitä ei kuitenkaan itse asiassa sisälly, koska aika-avaruus sekä kiihdytetyssä että alkuperäisessä vertailukehyksessä erityisessä suhteellisuusteoriassa on kaarematon - tasainen ja yleisessä. suhteellisuusteoriassa sen kaarevuus on mikä tahansa kappale, ja juuri sen kaarevuus aiheuttaa kappaleiden vetovoiman.

On tärkeää huomata, että pääasiallinen ero yleisen suhteellisuusteorian aika-avaruuden ja erityisen suhteellisuusteorian aika-avaruuden välillä on sen kaarevuus, joka ilmaistaan tensorisuureella - kaarevuustensorilla. Erikoissuhteellisuusteorian aika-avaruudessa tämä tensori on identtisesti yhtä suuri kuin nolla ja aika-avaruus on tasainen.

Tästä syystä nimi "yleinen suhteellisuusteoria" ei ole täysin oikea. Tämä teoria on vain yksi lukuisista fyysikkojen tällä hetkellä harkitsemista painovoimateorioista, kun taas erityinen suhteellisuusteoria (tarkemmin sanottuna sen tila-aikametrisyyden periaate) on tiedeyhteisön yleisesti hyväksymä ja muodostaa perustan kulmakiven. modernista fysiikasta. On kuitenkin huomattava, että mikään muu kehitetty painovoimateoria yleistä suhteellisuusteoriaa lukuun ottamatta ei ole kestänyt ajan ja kokeen koetta.

Yleisen suhteellisuusteorian tärkeimmät seuraukset

Vastaavuusperiaatteen mukaan heikoissa gravitaatiokentissä yleisen suhteellisuusteorian ennusteet osuvat yhteen Newtonin yleisen gravitaatiolain soveltamisen tulosten kanssa pienin korjauksin, jotka kasvavat kentänvoimakkuuden kasvaessa.

Ensimmäiset ennustetut ja todetut yleisen suhteellisuusteorian kokeelliset seuraukset olivat kolme klassista vaikutusta, jotka on lueteltu alla niiden ensimmäisen tarkastuksen aikajärjestyksessä:
1. Merkuriuksen kiertoradan perihelion lisäsiirtymä verrattuna Newtonin mekaniikan ennusteisiin.
2. Valosäteen poikkeama Auringon gravitaatiokentässä.
3. Gravitaation punasiirtymä tai aikalaajennus gravitaatiokentässä.

On olemassa useita muita vaikutuksia, jotka voidaan todentaa kokeellisesti. Niistä voidaan mainita sähkömagneettisten aaltojen poikkeama ja viive (Shapiro-ilmiö) Auringon ja Jupiterin gravitaatiokentässä, linssi-Thirring-ilmiö (gyroskoopin painaminen pyörivän kappaleen lähellä), astrofysikaaliset todisteet mustan olemassaolosta. reikiä, todisteita läheisten kaksoistähtijärjestelmien gravitaatioaaltojen lähettämisestä ja maailmankaikkeuden laajenemisesta.

Toistaiseksi ei ole löydetty luotettavia kokeellisia todisteita yleisen suhteellisuusteorian kumoamisesta. Vaikutusten mitattujen arvojen poikkeamat yleisen suhteellisuusteorian ennustamista arvoista eivät ylitä 0,1 % (edellä mainituille kolmelle klassiselle ilmiölle). Tästä huolimatta teoreetikot ovat eri syistä johtuen kehittäneet ainakin 30 vaihtoehtoista painovoimateoriaa, ja osa niistä mahdollistaa mielivaltaisen yleistä suhteellisuusteoriaa lähellä olevien tulosten saamisen teoriaan sisältyvien parametrien vastaaville arvoille.

100 r ensimmäisen tilauksen bonus

Valitse työn tyyppi Valmistuminen Opinnäytetyö Abstrakti Diplomityö Raportti harjoittelusta Artikkeli Raportti Arvostelu Koetyö Monografia Ongelmanratkaisu Liiketoimintasuunnitelma Vastaukset kysymyksiin Luova työ Essee Piirustus Sävellykset Käännös Esitykset Kirjoittaminen Muu Tekstin ainutlaatuisuuden lisääminen Opinnäytetyö Laboratoriotyö Apua on- linja

Kysy hintaa

Erityinen suhteellisuusteoria kehitettiin 1900-luvun alussa G. A. Lorentzin, A. Poincarén ja A. Einsteinin ponnisteluilla.

Einsteinin postulaatit

SRT on täysin johdettu fysikaalisella kurinalaisella tasolla kahdesta postulaatista (oletuksesta):

Einsteinin suhteellisuusperiaate pätee, Galileon suhteellisuusperiaatteen laajennus.

Valon nopeus ei riipu lähteen nopeudesta kaikissa inertiavertailukehyksissä.

SRT-postulaattien kokeellista todentamista vaikeuttavat jossain määrin luonteeltaan filosofiset ongelmat: mahdollisuus kirjoittaa minkä tahansa teorian yhtälöt muuttumattomaan muotoon riippumatta sen fyysisestä sisällöstä, ja "pituuden" käsitteiden tulkinnan monimutkaisuus. , "aika" ja "inertiaalinen viitekehys" relativististen vaikutusten olosuhteissa.

SRT:n olemus

SRT:n postulaattien seuraukset ovat Lorentzin muunnokset, jotka korvaavat Galilean muunnokset ei-relativistiselle, "klassiselle" liikkeelle. Nämä muunnokset yhdistävät eri inertiavertailukehyksistä havaittujen samojen tapahtumien koordinaatit ja ajat.

Juuri he kuvaavat sellaisia kuuluisia vaikutuksia, kuten ajan kulumisen hidastuminen ja nopeasti liikkuvien kappaleiden pituuden lyhentäminen, kehon rajoittavan nopeuden olemassaolo (joka on valon nopeus), samanaikaisuuden käsitteen suhteellisuus. (kaksi tapahtumaa tapahtuu samanaikaisesti kellojen mukaan yhdessä vertailukehyksessä, mutta eri ajankohtina tuntien mukaan toisessa vertailujärjestelmässä).

Erityinen suhteellisuusteoria on saanut lukuisia kokeellisia vahvistuksia ja on epäilemättä oikea teoria soveltuvuusalueellaan. Erityinen suhteellisuusteoria lakkaa toimimasta koko maailmankaikkeuden mittakaavassa, samoin kuin voimakkaiden gravitaatiokenttien tapauksessa, jossa se korvataan yleisemmällä teorialla - yleisellä suhteellisuusteorialla. Erityinen suhteellisuusteoria on sovellettavissa myös mikrokosmuksessa, sen synteesi kvanttimekaniikan kanssa on kvanttikenttäteoriaa.

Kommentit

Aivan kuten kvanttimekaniikan tapauksessa, monet suhteellisuusteorian ennusteet ovat ristiriitaisia, vaikuttavat uskomattomilta ja mahdottomilta. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että suhteellisuusteoria olisi väärä. Todellisuudessa se, miten näemme (tai haluamme nähdä) ympäröivän maailman ja millainen se todella on, voi olla hyvin erilaista. Yli vuosisadan tiedemiehet ympäri maailmaa ovat yrittäneet kumota SRT:n. Mikään näistä yrityksistä ei löytänyt pienintäkään virhettä teoriassa. Se, että teoria on matemaattisesti oikea, todistaa kaikkien muotoilujen tiukka matemaattinen muoto ja selkeys. Valtava kokeellinen kokemus todistaa, että SRT todella kuvaa maailmaamme. Monia tämän teorian seurauksia käytetään käytännössä. On ilmeistä, että kaikki yritykset "kiistää SRT" ovat tuomittuja epäonnistumaan, koska teoria itsessään perustuu Galileon kolmeen postulaattiin (jotka on hieman laajennettu), joiden pohjalta newtonilainen mekaniikka rakennetaan, sekä lisäpostulaatille valonnopeuden vakio kaikissa vertailukehyksissä. Kaikki neljä eivät herätä epäilystäkään nykyaikaisten mittausten maksimitarkkuudesta: parempi kuin 10 - 12, ja joissain osissa - jopa 10 - 15. Lisäksi niiden verifioinnin tarkkuus on niin korkea, että valonnopeuden vakio Laitetaan mittarin määritelmän perustaksi - pituusyksiköt, jonka seurauksena valon nopeus muuttuu automaattisesti vakioksi, jos mittaukset suoritetaan metrologisten vaatimusten mukaisesti.

SRT kuvaa ei-gravitaatiofysikaalisia ilmiöitä erittäin suurella tarkkuudella. Mutta tämä ei sulje pois mahdollisuutta sen selventämiseen ja lisäämiseen. Esimerkiksi yleinen suhteellisuusteoria on SRT:n jalostus, joka ottaa huomioon gravitaatioilmiöt. Kvanttiteorian kehitys jatkuu edelleen, ja monet fyysikot uskovat, että tuleva täydellinen teoria vastaa kaikkiin kysymyksiin, joilla on fyysinen merkitys, ja antaa sekä SRT:n yhdessä kvanttikenttäteorian kanssa että yleisen suhteellisuusteorian rajoissa. Todennäköisesti SRT kohtaa saman kohtalon kuin Newtonin mekaniikka - sen sovellettavuuden rajat hahmotellaan tarkasti. Samaan aikaan tällainen mahdollisimman yleinen teoria on vielä hyvin kaukainen mahdollisuus, eivätkä kaikki tutkijat usko, että sen rakentaminen on edes mahdollista.

Yleinen suhteellisuusteoria

Yleinen suhteellisuusteoria on tällä hetkellä (2007) menestynein gravitaatioteoria, jonka havainnot ovat vahvistaneet. Yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen menestys oli selittää Merkuriuksen periheelin poikkeavaa precessiota. Sitten vuonna 1919 Arthur Eddington raportoi havainneensa valon taipumista lähellä aurinkoa täydellisen pimennyksen aikana, mikä vahvisti yleisen suhteellisuusteorian ennusteet. Lisäksi lukuisat havainnot tulkitaan vahvistavan yhden yleisen suhteellisuusteorian salaperäisimmistä ja eksoottisiimmista ennusteista - mustien aukkojen olemassaolosta.

Gravitaatio- ja inertiassojen tasa-arvon periaate

Geodeettisia linjoja pitkin liikkumisen periaate

Nykyaikaiset kokeet vahvistavat kappaleiden liikkeen geodeettisia linjoja pitkin samalla tarkkuudella kuin gravitaatio- ja inertiamassat.

Aika-avaruuden kaarevuus

Yleisen suhteellisuusteorian tärkeimmät seuraukset

Ensimmäiset ennustetut ja todetut yleisen suhteellisuusteorian kokeelliset seuraukset olivat kolme klassista vaikutusta, jotka on lueteltu alla niiden ensimmäisen tarkastuksen aikajärjestyksessä:

Ylimääräinen muutos Merkuriuksen kiertoradan perihelionissa verrattuna Newtonin mekaniikan ennusteisiin.
Valosäteen taipuma Auringon gravitaatiokentässä.
Gravitationaalinen punasiirtymä tai aikalaajennus gravitaatiokentässä.

Yleistä suhteellisuusteoriaa sovelletaan jo kaikkiin viitekehykseen (eikä vain niihin, jotka liikkuvat tasaisella nopeudella suhteessa toisiinsa), ja se näyttää matemaattisesti paljon monimutkaisemmalta kuin erityiseltä (mikä selittää yhdentoista vuoden eron niiden julkaisemisen välillä). Se sisältää erikoistapauksena erikoissuhteellisuusteorian (ja siten Newtonin lait). Samaan aikaan yleinen suhteellisuusteoria menee paljon pidemmälle kuin kaikki edeltäjänsä. Erityisesti se antaa uuden tulkinnan painovoimasta.

Yleinen suhteellisuusteoria tekee maailmasta neliulotteisen: kolmeen avaruudelliseen ulottuvuuteen lisätään aika. Kaikki neljä ulottuvuutta ovat erottamattomia, joten emme enää puhu kahden objektin välisestä avaruudellisesta etäisyydestä, kuten kolmiulotteisessa maailmassa, vaan tapahtumien välisistä aika-avaruusväleistä, jotka yhdistävät niiden etäisyyden toisistaan - molemmat ajassa ja avaruudessa. Eli tilaa ja aikaa pidetään neliulotteisena aika-avaruuden jatkumona tai yksinkertaisesti aika-avaruuden jatkumona. Tällä jatkumolla toistensa suhteen liikkuvat tarkkailijat voivat jopa olla eri mieltä siitä, tapahtuivatko kaksi tapahtumaa samaan aikaan – vai edelsikö toinen toista. Meidän köyhän mielemme onneksi se ei johda syy-suhteiden rikkomiseen - eli koordinaattijärjestelmien olemassaoloon, joissa kaksi tapahtumaa ei tapahdu samanaikaisesti ja eri järjestyksessä, edes yleinen suhteellisuusteoria ei salli.

Klassinen fysiikka piti painovoimaa tavallisena voimana monien luonnonvoimien joukossa (sähköinen, magneettinen jne.). Painovoimalle määrättiin "pitkän kantaman toiminta" (tunkeutuminen "tyhjyyden läpi") ja hämmästyttävä kyky antaa yhtäläinen kiihtyvyys eri massaisille kappaleille.

Newtonin universaalin painovoiman laki kertoo meille, että minkä tahansa kahden kappaleen välillä universumissa on molemminpuolinen vetovoima. Tästä näkökulmasta katsottuna Maa pyörii Auringon ympäri, koska niiden välillä on molemminpuolista vetovoimaa.

Yleinen suhteellisuusteoria kuitenkin pakottaa meidät katsomaan tätä ilmiötä eri tavalla. Tämän teorian mukaan painovoima on seurausta aika-avaruuden elastisen kudoksen muodonmuutoksesta ("kaarevuudesta") massan vaikutuksesta (tässä tapauksessa mitä raskaampi kappale, esimerkiksi aurinko, sitä enemmän avaruus-aikaa) "taipuu" sen alle ja vastaavasti, mitä vahvempi sen painovoimakenttä). Kuvittele tiukasti venytetty kangas (eräänlainen trampoliini), jonka päälle asetetaan massiivinen pallo. Kangas muotoutuu pallon painon alla ja sen ympärille muodostuu suppilomainen syvennys. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan Maa pyörii Auringon ympäri kuin pieni pallo, joka pyörii suppilon kartion ympäri, joka muodostuu raskaan pallon - Auringon - "lävistyksen" seurauksena. Ja se, mikä meistä näyttää painovoimalta, on itse asiassa puhtaasti ulkoinen ilmentymä aika-avaruuden kaarevuudesta, eikä ollenkaan voima newtonilaisessa mielessä. Tähän mennessä ei ole löydetty parempaa selitystä painovoiman luonteelle kuin yleinen suhteellisuusteoria antaa meille.

Ensin keskustellaan vapaan pudotuksen kiihtyvyyden yhtäläisyydestä eri massaisille kappaleille (se, että massiivinen avain ja kevyt tulitikku putoavat yhtä nopeasti pöydältä lattialle). Kuten Einstein totesi, tämä ainutlaatuinen ominaisuus tekee painovoimasta hyvin samanlaisen kuin inertia.

Itse asiassa avain ja tulitikku käyttäytyvät ikään kuin ne liikkuisivat painottomuudessa hitaudesta, ja huoneen lattia liikkui niitä kohti kiihtyvällä vauhdilla. Päästyään avaimeen ja otteluun lattia kokisi vaikutuksensa ja sitten paineen, koska. avaimen ja ottelun hitaus olisi vaikuttanut lattian lisäkiihtyvyyteen.

Tätä painetta (astronautit sanovat - "ylikuormitus") kutsutaan hitausvoimaksi. Samanlainen voima kohdistuu aina kiihdytetyssä vertailukehyksessä oleviin kappaleisiin.

Jos raketti lentää kiihtyvyydellä, joka on yhtä suuri kuin vapaan pudotuksen kiihtyvyys maan pinnalla (9,81 m/s), niin hitausvoimalla on avaimen ja tulitikku painon rooli. Niiden "keinotekoinen" painovoima on täsmälleen sama kuin luonnollinen maan pinnalla. Tämä tarkoittaa, että vertailukehyksen kiihtyvyys on ilmiö, joka on melko samanlainen kuin painovoima.

Päinvastoin, vapaasti putoavassa hississä luonnollinen painovoima eliminoituu hytin vertailujärjestelmän nopeutetulla liikkeellä, joka "jahtaa" avainta ja tulitikkua. Klassinen fysiikka ei tietenkään näe näissä esimerkeissä painovoiman todellista syntymistä ja katoamista. Painovoimaa vain simuloidaan tai kompensoidaan kiihtyvyydellä. Mutta yleisessä suhteellisuusteoriassa inertian ja painovoiman samankaltaisuus tunnustetaan paljon syvemmäksi.

Einstein esitti inertian ja painovoiman ekvivalenssin paikallisen periaatteen, jonka mukaan riittävän pienillä etäisyyksien ja kestojen asteikoilla yhtä ilmiötä ei voida erottaa toisesta millään kokeella. Siten yleinen suhteellisuusteoria on muuttanut tieteellistä käsitystä maailmasta vieläkin perusteellisemmin. Newtonin dynamiikan ensimmäinen laki on menettänyt universaalisuutensa - kävi ilmi, että liike inertialla voi olla kaarevaa ja kiihdytettyä. Tarve raskaan massan käsitteelle on kadonnut. Universumin geometria on muuttunut: suoran euklidisen avaruuden ja tasaisen ajan tilalle on ilmaantunut kaareva aika-avaruus, kaareva maailma. Tieteen historia ei ole koskaan tuntenut näin terävää näkemysten uudelleenjärjestelyä maailmankaikkeuden fyysisistä perusperiaatteista.

Yleisen suhteellisuusteorian testaus on vaikeaa, koska sen tulokset ovat normaaleissa laboratorio-olosuhteissa lähes identtisiä Newtonin yleisen gravitaatiolain ennusteiden kanssa. Siitä huolimatta tehtiin useita tärkeitä kokeita, joiden tulosten perusteella voimme katsoa teorian vahvistetuksi. Lisäksi yleinen suhteellisuusteoria auttaa selittämään avaruudessa havaitsemiamme ilmiöitä, yksi esimerkki on auringon läheltä kulkeva valonsäde. Sekä Newtonin mekaniikka että yleinen suhteellisuusteoria tunnustavat, että sen täytyy poiketa kohti aurinkoa (pudota). Yleinen suhteellisuusteoria kuitenkin ennustaa kaksinkertaisen säteen siirtymän. Auringonpimennysten aikana tehdyt havainnot osoittivat Einsteinin ennusteen oikeellisuuden. Toinen esimerkki. Aurinkoa lähinnä olevalla Merkurius-planeetalla on pieniä poikkeamia paikallaan olevasta kiertoradalta, mikä on klassisen newtonilaisen mekaniikan näkökulmasta käsittämätöntä. Mutta juuri tällainen kiertorata saadaan laskemalla GR-kaavojen avulla. Ajan hidastuminen vahvassa gravitaatiokentässä selittää valon värähtelytaajuuden pienenemisen valkoisten kääpiöiden - erittäin tiheiden tähtien - säteilyssä. Ja viime vuosina tämä vaikutus on rekisteröity laboratorio-olosuhteissa. Lopuksi yleisen suhteellisuusteorian rooli modernissa kosmologiassa, koko maailmankaikkeuden rakennetta ja historiaa koskevassa tieteessä, on erittäin tärkeä. Einsteinin gravitaatioteorialle on myös löydetty monia todisteita tällä tiedon alalla. Itse asiassa yleisen suhteellisuusteorian ennustamat tulokset eroavat huomattavasti Newtonin lakien ennustamista tuloksista vain supervoimakkaiden gravitaatiokenttien läsnä ollessa. Tämä tarkoittaa, että yleisen suhteellisuusteorian täydellinen testi vaatii joko erittäin massiivisten esineiden ultratarkkoja mittauksia tai mustia aukkoja, joihin mikään tavallisista intuitiivisista ideoistamme ei sovellu. Joten uusien kokeellisten menetelmien kehittäminen suhteellisuusteorian testaamiseksi on edelleen yksi kokeellisen fysiikan tärkeimmistä tehtävistä.

Suhteellisuusteoria on fysikaalinen teoria, joka ottaa huomioon aika-avaruuden säännönmukaisuudet, jotka ovat päteviä kaikille fysikaalisille prosesseille. Yleisintä aika-avaruusteoriaa kutsutaan yleiseksi suhteellisuusteoriaksi (GR) tai gravitaatioteoriaksi. Yksityisessä (tai erityisessä) suhteellisuusteoriassa (SRT) tutkitaan aika-avaruuden ominaisuuksia, jotka pätevät sillä tarkkuudella, jolla painovoiman toiminta voidaan jättää huomiotta. (Fyysinen tietosanakirja, 1995)

Aika ja massa Keho supistuu liikeakseliaan pitkin lähestyessään valon nopeutta

Atomihajoaminen Uusien atomien atomimassa ja muodostuneen liikeenergian määrä vastaavat alkuperäisen atomin massaa

1800-luvun lopulla Newtonin löytämiä liike- ja painovoimalakeja käytettiin laajalti laskelmissa ja niistä löydettiin yhä enemmän kokeellisia todisteita. Mikään ei näyttänyt ennustavan vallankumousta tällä alueella. Asia ei kuitenkaan rajoittunut enää vain mekaniikkaan: monien sähkön ja magnetismin alan tiedemiesten kokeellisen toiminnan tuloksena ilmestyivät Maxwellin yhtälöt. Tästä alkoivat fysiikan lakien ongelmat. Maxwellin yhtälöt yhdistävät sähkön, magnetismin ja valon. Niistä seuraa, että sähkömagneettisten aaltojen nopeus, mukaan lukien valoaallot, ei riipu emitterin liikkeestä ja on noin 300 tuhatta km/s tyhjiössä. Tämä ei ole millään tavalla sopusoinnussa Newtonin ja Galileon mekaniikan kanssa. Oletetaan, että ilmapallo lentää suhteessa maahan nopeudella 100 000 km/s. Ammutaan eteenpäin kevyestä aseesta kevyellä luodilla, jonka nopeus on 300 tuhatta km/s. Sitten Galileon kaavojen mukaan nopeudet pitäisi yksinkertaisesti laskea yhteen, mikä tarkoittaa, että luoti lentää suhteessa maahan nopeudella 400 tuhatta km / s. Valonnopeuden vakioisuutta ei saada!

Valon nopeuden muutoksen havaitsemiseksi emitterin liikkuessa on tehty paljon työtä, mutta mikään nerokas kokeilu ei ole onnistunut. Jopa tarkin niistä, Michelson-Morley-koe, antoi negatiivisen tuloksen. Onko Maxwellin yhtälöissä siis jotain vikaa? Mutta ne kuvaavat täydellisesti kaikkia sähköisiä ja magneettisia ilmiöitä. Ja sitten Henri Poincaré ehdotti, että asia ei edelleenkään ole yhtälöissä, vaan suhteellisuusperiaatteessa: kaikkien fysikaalisten lakien, ei vain mekaanisten, kuten Newtonin, vaan myös sähköisten lakien on oltava samat järjestelmissä, jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa tasaisesti ja suoraviivaisesti. Vuonna 1904 tanskalainen Hendrik Anton Lorentz sai nimenomaan Maxwellin yhtälöitä varten uusia kaavoja liikkuvan järjestelmän koordinaattien laskemiseksi uudelleen suhteessa kiinteään järjestelmään ja päinvastoin. Mutta tämä auttoi vain osittain: kävi ilmi, että Newtonin laeille täytyy käyttää joitain muunnoksia ja Maxwellin yhtälöille toisia. Kysymys jäi avoimeksi.

Erityinen suhteellisuusteoria

Lorentzin ehdottamilla muunnoksilla oli kaksi tärkeää merkitystä. Kävi ilmi, että siirryttäessä järjestelmästä toiseen, muunnoksille on tehtävä paitsi koordinaatit, myös aika. Ja lisäksi liikkuvan kappaleen koko, joka laskettiin Lorentzin kaavojen mukaan, muuttui - se pieneni liikkeen suunnassa! Siksi valonnopeuden ylittävät nopeudet menettivät kaiken fyysisen merkityksen, koska tässä tapauksessa kappaleet puristettiin nollaan. Monet fyysikot, mukaan lukien Lorentz itse, pitivät näitä päätelmiä vain matemaattisena tapahtumana. Kunnes Einstein otti vallan.

Miksi suhteellisuusteoria on nimetty Einsteinin mukaan, jos suhteellisuusperiaatteen muotoili Poincare, valonnopeuden vakion päätteli Maxwell ja säännöt koordinaattien muuntamiseen keksi Lorentz? Ensinnäkin sanotaan, että kaikki, mistä olemme tähän mennessä puhuneet, koskee vain niin kutsuttua "erityissuhteellisuusteoriaa" (SRT). Vastoin yleistä käsitystä Einsteinin panos tähän teoriaan ei rajoitu millään tavalla yksinkertaiseen tulosten yleistämiseen. Ensinnäkin hän onnistui saamaan kaikki yhtälöt perustuen vain kahteen postulaattiin - suhteellisuusperiaatteeseen ja valonnopeuden pysyvyyden periaatteeseen. Ja toiseksi, hän ymmärsi, mitä muutosta Newtonin lakiin pitäisi tehdä, jotta se ei putoaisi uudesta maailmankuvasta eikä muuttuisi Lorentzin muunnosten myötä. Tätä varten oli tarpeen käsitellä kriittisesti kahta aiemmin horjumatonta klassisen mekaniikan perustaa - ajan absoluuttisuutta ja kehon massan pysyvyyttä.

Ei mitään absoluuttista

Newtonilaisessa mekaniikassa sidereaalinen aika tunnistettiin hiljaisesti absoluuttiseen aikaan, ja Einsteinin teoriassa jokainen viitekehys vastaa omaa, "paikallista" aikaa, eikä ole olemassa kelloja, jotka mittaisivat aikaa koko universumille. Mutta johtopäätökset ajan suhteellisuudesta eivät riittäneet poistamaan ristiriitoja sähködynamiikan ja klassisen mekaniikan välillä. Tämä ongelma ratkesi, kun toinen klassinen bastioni kaatui - massan vakio. Einstein teki muutoksia Newtonin peruslakiin voiman suhteellisuudesta kiihtyvyyteen ja havaitsi, että massa kasvaa loputtomasti lähestyttäessä valon nopeutta. Loppujen lopuksi SRT:n postulaateista seuraa, että valon nopeutta suuremmalla nopeudella ei ole fyysistä merkitystä, mikä tarkoittaa, että mikään voima ei voi lisätä jo valonnopeudella lentävän kappaleen nopeutta, eli alle. Näissä olosuhteissa voima ei enää aiheuta kiihtyvyyttä! Mitä suurempi kehon nopeus, sitä vaikeampaa on kiihdyttää sitä.

Ja koska suhteellisuuskerroin on massa (tai inertia), tästä seuraa, että kehon massa kasvaa nopeuden kasvaessa.

On huomionarvoista, että tämä johtopäätös tehtiin aikana, jolloin kokeiden tulosten ja Newtonin lakien välillä ei ollut ilmeisiä ristiriitoja ja epäjohdonmukaisuuksia. Normaaliolosuhteissa massan muutos on merkityksetön, ja se voidaan havaita kokeellisesti vain hyvin suurilla nopeuksilla, lähellä valonnopeutta. Jopa 8 km/s nopeudella lentävän satelliitin massan korjaus on korkeintaan yksi kahdesta miljardisosasta. Mutta jo vuonna 1906 SRT:n päätelmät vahvistettiin suurilla nopeuksilla liikkuvien elektronien tutkimuksessa: Kaufmanin kokeissa näiden hiukkasten massan muutos kirjattiin. Ja nykyaikaisissa kiihdyttimissä ei yksinkertaisesti ole mahdollista hajottaa hiukkasia, jos laskelmat suoritetaan klassisella tavalla ottamatta huomioon erityistä suhteellisuusteoriaa.

Mutta sitten kävi ilmi, että massan epäjohdonmukaisuus antaa meille mahdollisuuden tehdä vielä perustavanlaatuisemman johtopäätöksen. Nopeuden kasvaessa massa kasvaa, liikkeen energia kasvaa... Eikö se ole sama asia? Matemaattiset laskelmat vahvistivat oletuksen massan ja energian ekvivalenssista, ja vuonna 1907 Einstein sai kuuluisan kaavansa E = mc2. Tämä on SRT:n tärkein johtopäätös. Massa ja energia ovat yksi ja sama ja muuttuvat toisikseen! Ja jos jokin kappale (esimerkiksi uraaniatomi) hajoaa yhtäkkiä kahteen osaan, joilla on yhteensä pienempi massa, niin loput massasta siirtyvät liikeenergiaksi. Einstein itse oletti, että massan muutos olisi mahdollista havaita vain suurilla energiapäästöillä, koska hänen saamansa kaavan kerroin c2 on erittäin, erittäin suuri. Mutta hänkään ei luultavasti odottanut, että nämä teoreettiset pohdinnat johtaisivat ihmiskunnan näin pitkälle. Atomipommin luominen vahvisti erityisen suhteellisuusteorian pätevyyden, vain liian korkealla hinnalla.

Vaikuttaa siltä, että teorian oikeellisuutta ei ole syytä epäillä. Mutta tässä on aika muistaa Einsteinin sanat: "Kokemus ei koskaan sano "kyllä" teorialle, mutta parhaimmillaan se sanoo "ehkä", suurimmaksi osaksi se sanoo yksinkertaisesti "ei". Viimeinen, tarkin koe yhden SRT-postulaatin, valonnopeuden pysyvyyden, testaamiseksi suoritettiin melko äskettäin, vuonna 2001, Konstanzin yliopistossa (Saksa). Seisova laseraalto asetettiin ultrapuhdasta safiirista valmistettuun "laatikkoon", joka jäähdytettiin nestemäisen heliumin lämpötilaan, ja valon taajuuden muutosta seurattiin puoli vuotta. Jos valon nopeus riippuisi laboratorion nopeudesta, niin tämän aallon taajuus muuttuisi maan liikkuessa kiertoradalla. Mutta mitään muutoksia ei ole toistaiseksi havaittu.

Yleinen suhteellisuusteoria

Vuonna 1905, kun Einstein julkaisi kuuluisan SRT:lle omistetun teoksensa "Liikkuvien kehojen elektrodynamiikasta", hän siirtyi eteenpäin. Hän oli vakuuttunut siitä, että STO oli vain osa matkaa. Suhteellisuusperiaatteen on oltava voimassa kaikissa viitekehyksessä, ei vain niissä, jotka liikkuvat tasaisesti ja suoraviivaisesti. Tämä Einsteinin vakaumus ei ollut vain arvaus, se perustui kokeelliseen tosiasiaan, vastaavuusperiaatteen noudattamiseen. Selitetään, mikä se on. Niin kutsuttu "inertiaalinen" massa ilmenee liikelaeissa, mikä osoittaa, kuinka vaikeaa kehon on kiihtyä, ja painovoimalaeissa - "raskas" massa, joka määrää kappaleiden välisen vetovoiman. Ekvivalenssiperiaate olettaa, että nämä massat ovat täsmälleen samat keskenään, mutta vain kokemus voi vahvistaa, onko näin todella. Ekvivalenssiperiaatteesta seuraa, että kaikkien kappaleiden tulee liikkua gravitaatiokentässä samalla kiihtyvyydellä. Jopa Galileo tarkisti tämän seikan ja heitti legendan mukaan erilaisia ruumiita Pisan kaltevasta tornista. Silloin mittaustarkkuus oli 1 %, Newton nosti sen 0,1 %:iin ja viimeisimpien vuodelta 1995 olevien tietojen mukaan voimme olla varmoja, että ekvivalenssiperiaate toteutuu 5 x 10−13 tarkkuudella.

Einstein loi ekvivalenssiperiaatteen ja suhteellisuusperiaatteen perustaksi kymmenen vuoden kovan työn jälkeen gravitaatioteoriansa eli yleisen suhteellisuusteorian (GR), joka tähän päivään asti ei lakkaa hämmästyttämästä teoreetikoita matemaattisuudellaan. kauneus. Avaruus ja aika Einsteinin gravitaatioteoriassa osoittautuivat hämmästyttävien metamorfoosien alaisiksi. Painovoimakenttä, jonka massaiset kappaleet luovat itsensä ympärille, taivuttaa ympäröivää tilaa. Kuvittele pallo, joka makaa trampoliinilla. Mitä raskaampi pallo, sitä enemmän trampoliiniverkko taipuu. Ja aika, joka on muutettu neljänneksi ulottuvuuteen, ei pysy sivussa: mitä suurempi gravitaatiokenttä, sitä hitaammin aika virtaa.

Ensimmäisen vahvistetun yleisen suhteellisuusteorian ennustuksen teki Einstein itse vuonna 1915. Se koski Merkuriuksen liikettä. Tämän planeetan perihelion (eli sen lähimmän lähestymispisteen Aurinkoa kohti) muuttaa vähitellen sijaintiaan. Yli sadan vuoden aikana Maasta tehtyjen havaintojen aikana siirtymä oli 43,1 kaarisekuntia. Vain yleinen suhteellisuusteoria pystyi antamaan hämmästyttävän tarkan ennusteen tästä arvosta - 43 kaarisekuntia. Seuraava askel oli tarkkailla valonsäteiden taipumista Auringon gravitaatiokentässä vuoden 1919 täydellisen auringonpimennyksen aikana. Sittemmin on tehty monia tällaisia kokeita, ja ne kaikki vahvistavat yleisen suhteellisuuden - huolimatta siitä, että tarkkuus kasvaa jatkuvasti. Esimerkiksi vuonna 1984 se oli 0,3 % ja vuonna 1995 jo alle 0,1 %.

Atomikellojen myötä aika tuli itse. Riittää, kun asetat yhden kellon vuoren huipulle, toisen sen juurelle - ja huomaat eron ajan kuluessa! Ja maailmanlaajuisten satelliittipaikannusjärjestelmien tultua käyttöön suhteellisuusteoria siirtyi lopulta tieteellisen viihteen luokasta puhtaasti käytännölliselle alueelle. Esimerkiksi GPS-satelliitit lentävät noin 20 000 km:n korkeudessa noin 4 km/s nopeudella. Koska ne ovat melko kaukana Maasta, niiden kellot etenevät yleisen suhteellisuusteorian mukaan noin 45 mikrosekuntia (µs) päivässä, mutta koska ne lentävät suurella nopeudella, STR:n vuoksi samat kellot ovat noin 7 jäljessä. µs päivittäin. Jos näitä muutoksia ei oteta huomioon, koko järjestelmä muuttuu hyödyttömäksi muutamassa päivässä! Ennen kiertoradalle lähettämistä satelliittien atomikellot säädetään niin, että ne hidastuvat noin 38 mikrosekuntia päivässä. Ja se, että tällaisen säädön jälkeen yksinkertainen GPS-vastaanottimeni näyttää oikein koordinaattini valtavalla maanpinnalla joka päivä, vahvistaa vakavasti luottamustani suhteellisuusteoriaan.

Kaikki nämä onnistumiset vain kiihottavat suhteellisuusteorian metsästäjiä. Nykyään jokaisella itseään kunnioittavalla yliopistolla on laboratorio, jossa etsitään gravitaatioaaltoja, joiden pitäisi Einsteinin painovoimateorian mukaan levitä valon nopeudella. Ei niitä ole vielä löytynyt. Toinen kompastuskivi on yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan välinen yhteys. Molemmat sopivat täydellisesti kokeiluun, mutta ovat täysin yhteensopimattomia toistensa kanssa. Eikö se muistuta jossain määrin 1800-luvun lopun klassista mekaniikkaa ja sähkömagnetismia? Ehkä muutosta kannattaa odottaa.