Prinsippene til oto. Generell relativitet er den konsistent? Stemmer det med den fysiske virkeligheten?

Det ble sagt om denne teorien at bare tre mennesker i verden forstår den, og da matematikere forsøkte å uttrykke i tall det som følger av den, spøkte forfatteren selv – Albert Einstein – med at nå hadde han sluttet å forstå den.

Spesiell og generell relativitetsteori er uatskillelige deler av doktrinen som moderne vitenskapelige syn på verdens struktur er bygget på.

"Miraklernes år"

I 1905 publiserte Annalen der Physik (Annals of Physics), en ledende tysk vitenskapelig publikasjon, den ene etter den andre fire artikler av 26 år gamle Albert Einstein, som jobbet som 3. klasseseksaminator - en liten kontorist - ved Forbundskontoret for Patentoppfinnelser i Bern. Han hadde samarbeidet med bladet før, men utgivelsen av så mange aviser på ett år var en ekstraordinær begivenhet. Det ble enda mer enestående da verdien av ideene i hver av dem ble tydelig.

I den første av artiklene ble tanker uttrykt om lysets kvantenatur, og prosessene med absorpsjon og frigjøring av elektromagnetisk stråling ble vurdert. På dette grunnlaget ble den fotoelektriske effekten først forklart - utslipp av elektroner fra materie, slått ut av fotoner av lys, formler ble foreslått for å beregne mengden energi som frigjøres i dette tilfellet. Det er for den teoretiske utviklingen av den fotoelektriske effekten, som ble begynnelsen på kvantemekanikken, og ikke for postulatene til relativitetsteorien, Einstein vil bli tildelt Nobelprisen i fysikk i 1922.

I en annen artikkel ble grunnlaget lagt for anvendte områder av fysisk statistikk basert på studiet av den brownske bevegelsen til de minste partiklene suspendert i en væske. Einstein foreslo metoder for å søke etter mønstre av fluktuasjoner - tilfeldige og tilfeldige avvik av fysiske mengder fra deres mest sannsynlige verdier.

Og til slutt, i artiklene "Om elektrodynamikken til bevegelige kropper" og "Avhenger tregheten til en kropp av energiinnholdet i den?" inneholdt kimene til det som i fysikkens historie vil bli betegnet som Albert Einsteins relativitetsteori, eller snarere dens første del - SRT - den spesielle relativitetsteorien.

Kilder og forgjengere

På slutten av 1800-tallet virket det for mange fysikere som om de fleste av de globale problemene i universet var løst, de viktigste oppdagelsene var gjort, og menneskeheten måtte bare bruke den akkumulerte kunnskapen for å kraftig akselerere teknologisk fremgang. Bare noen teoretiske inkonsekvenser ødela det harmoniske bildet av universet fylt med eter og som lever i henhold til uforanderlige Newtonske lover.

Harmony ble ødelagt av Maxwells teoretiske forskning. Ligningene hans, som beskrev interaksjonene mellom elektromagnetiske felt, var i strid med de generelt aksepterte lovene i klassisk mekanikk. Dette gjaldt måling av lysets hastighet i dynamiske referansesystemer, da Galileos relativitetsprinsipp sluttet å virke - den matematiske modellen for interaksjonen mellom slike systemer når de beveget seg med lyshastighet førte til at elektromagnetiske bølger forsvant.

I tillegg ga ikke eteren, som skulle forene den samtidige eksistensen av partikler og bølger, makro og mikrokosmos, for deteksjon. Eksperimentet, som ble utført i 1887 av Albert Michelson og Edward Morley, var rettet mot å oppdage den "eteriske vinden", som uunngåelig måtte registreres av en unik enhet - et interferometer. Eksperimentet varte i et helt år - tiden for den fullstendige revolusjonen av jorden rundt solen. Planeten måtte bevege seg mot eterstrømmen i et halvt år, eteren måtte "blåse inn i seilene" på jorden i et halvt år, men resultatet var null: ingen forskyvning av lysbølger under påvirkning av eteren var funnet, noe som sår tvil om selve eksistensen av eteren.

Lorentz og Poincaré

Fysikere har forsøkt å finne en forklaring på resultatene av eksperimenter for å oppdage eteren. Hendrik Lorentz (1853-1928) foreslo sin matematiske modell. Den vekket den eteriske fyllingen av rommet til live igjen, men bare under en svært betinget og kunstig antagelse om at når de beveger seg gjennom eteren, kan objekter trekke seg sammen i bevegelsesretningen. Denne modellen ble ferdigstilt av den store Henri Poincaré (1854-1912).

I arbeidene til disse to forskerne dukket det for første gang opp konsepter som i stor grad utgjorde hovedpostulatene til relativitetsteorien, og dette lar ikke Einsteins anklager om plagiering avta. Disse inkluderer betingelsen til begrepet samtidighet, hypotesen om konstanten til lysets hastighet. Poincaré innrømmet at Newtons mekanikklover krever omarbeiding i høye hastigheter, han kom med en konklusjon om relativiteten til bevegelse, men i anvendelse på den eteriske teorien.

Spesiell relativitet - SRT

Problemer med en korrekt beskrivelse av elektromagnetiske prosesser ble motivasjonen for å velge et tema for teoretisk utvikling, og Einsteins artikler publisert i 1905 inneholdt en tolkning av et bestemt tilfelle - ensartet og rettlinjet bevegelse. I 1915 ble den generelle relativitetsteorien dannet, som forklarte interaksjonene og gravitasjonsinteraksjonene, men den første var teorien, kalt den spesielle.

Einsteins spesielle relativitetsteori kan oppsummeres i to grunnleggende postulater. Den første utvider effekten av Galileos relativitetsprinsipp til alle fysiske fenomener, og ikke bare til mekaniske prosesser. I en mer generell form heter det: Alle fysiske lover er like for alle treghets (beveger seg jevnt rettlinjet eller i hvile) referanserammer.

Den andre uttalelsen, som inneholder den spesielle relativitetsteorien: hastigheten på lysets forplantning i vakuum for alle treghetsreferanserammer er den samme. Videre er en mer global konklusjon gjort: lysets hastighet er den maksimale verdien av overføringshastigheten for interaksjoner i naturen.

I de matematiske beregningene av SRT er formelen E=mc² gitt, som har dukket opp i fysiske publikasjoner før, men det var takket være Einstein at den ble den mest kjente og populære i vitenskapens historie. Konklusjonen om ekvivalensen mellom masse og energi er den mest revolusjonerende formelen i relativitetsteorien. Konseptet om at ethvert objekt med masse inneholder en enorm mengde energi ble grunnlaget for utviklingen i bruken av atomenergi og førte fremfor alt til utseendet til atombomben.

Effekter av spesiell relativitet

Flere konsekvenser følger av SRT, som kalles relativistiske (relativitet engelsk – relativitet) effekter. Tidsutvidelse er en av de mest slående. Dens essens er at i en bevegelig referanseramme går tiden langsommere. Beregninger viser at på et romfartøy som foretok en hypotetisk flytur til stjernesystemet Alpha Centauri og tilbake med en hastighet på 0,95 c (c er lysets hastighet), vil det gå 7,3 år, og på jorden - 12 år. Slike eksempler er ofte gitt når man forklarer relativitetsteorien for dummies, så vel som det relaterte tvillingparadokset.

En annen effekt er reduksjonen av lineære dimensjoner, det vil si fra observatørens synspunkt vil objekter som beveger seg i forhold til ham med en hastighet nær c ha mindre lineære dimensjoner i bevegelsesretningen enn deres egen lengde. Denne effekten spådd av relativistisk fysikk kalles Lorentz-sammentrekningen.

I følge lovene til relativistisk kinematikk er massen til et objekt i bevegelse større enn hvilemassen. Denne effekten blir spesielt betydelig i utviklingen av instrumenter for studiet av elementærpartikler - det er vanskelig å forestille seg driften av LHC (Large Hadron Collider) uten å ta det i betraktning.

romtid

En av de viktigste komponentene i SRT er en grafisk representasjon av relativistisk kinematikk, et spesielt konsept for en enkelt rom-tid, som ble foreslått av den tyske matematikeren Hermann Minkowski, som på en gang var matematikklærer for en elev av Albert Einstein.

Essensen av Minkowski-modellen ligger i en helt ny tilnærming til å bestemme posisjonen til samvirkende objekter. Den spesielle relativitetsteorien om tid er spesielt oppmerksom. Tid blir ikke bare den fjerde koordinaten til det klassiske tredimensjonale koordinatsystemet, tid er ikke en absolutt verdi, men en uatskillelig karakteristikk av rommet, som tar form av et rom-tidskontinuum, grafisk uttrykt som en kjegle, der alle interaksjoner finner sted.

Et slikt rom i relativitetsteorien, med sin utvikling til en mer generell karakter, ble senere utsatt for ytterligere krumning, noe som gjorde en slik modell egnet til å beskrive gravitasjonsinteraksjoner også.

Videreutvikling av teorien

SRT fant ikke umiddelbart forståelse blant fysikere, men etter hvert ble det hovedverktøyet for å beskrive verden, spesielt verden av elementærpartikler, som ble hovedfaget for studier av naturvitenskap. Men oppgaven med å supplere SRT med en forklaring av gravitasjonskreftene var veldig relevant, og Einstein sluttet ikke å virke, og finpusset prinsippene for den generelle relativitetsteorien - GR. Den matematiske behandlingen av disse prinsippene tok ganske lang tid - omtrent 11 år, og spesialister fra eksakte vitenskaper ved siden av fysikk deltok i den.

Dermed ga den tidens ledende matematiker, David Hilbert (1862-1943), som ble en av medforfatterne av ligningene for gravitasjonsfeltet, et stort bidrag. De var den siste steinen i konstruksjonen av en vakker bygning, som fikk navnet - den generelle relativitetsteorien, eller GR.

Generell relativitetsteori - GR

Den moderne teorien om gravitasjonsfeltet, teorien om "rom-tid"-strukturen, geometrien til "rom-tid", loven om fysiske interaksjoner i ikke-tregasjonsrammer - alt dette er de forskjellige navnene som Albert Einsteins generell relativitetsteori er utstyrt med.

Teorien om universell gravitasjon, som i lang tid bestemte naturvitenskapens syn på tyngdekraften, på samspillet mellom objekter og felt av forskjellige størrelser. Paradoksalt nok, men dens største ulempe var den uhåndgripelige, illusoriske, matematiske naturen til dens essens. Det var et tomrom mellom stjernene og planetene, tiltrekningen mellom himmellegemer ble forklart av langdistansevirkningen til visse krefter, og øyeblikkelige. Albert Einsteins generelle relativitetsteori fylte gravitasjonen med fysisk innhold, presenterte den som en direkte kontakt med ulike materielle objekter.

Tyngdekraftens geometri

Hovedideen som Einstein forklarte gravitasjonsinteraksjoner med er veldig enkel. Han erklærer det fysiske uttrykket av tyngdekreftene for å være rom-tid, utstyrt med ganske håndgripelige trekk - metrikk og deformasjoner, som er påvirket av massen til objektet som slike krumninger dannes rundt. På et tidspunkt ble Einstein til og med kreditert med oppfordringer om å returnere til teorien om universet begrepet eter, som et elastisk materiell medium som fyller rommet. Han forklarte også at det var vanskelig for ham å kalle et stoff som har mange kvaliteter som kan beskrives som et vakuum.

Således er tyngdekraften en manifestasjon av de geometriske egenskapene til firedimensjonal rom-tid, som ble utpekt i SRT som ikke-buet, men i mer generelle tilfeller er den utstyrt med krumning som bestemmer bevegelsen til materielle objekter, som er gitt samme akselerasjon i samsvar med prinsippet om ekvivalens erklært av Einstein.

Dette grunnleggende prinsippet i relativitetsteorien forklarer mange av "flaskehalsene" i den newtonske teorien om universell gravitasjon: lysets krumning observert når det passerer i nærheten av massive romobjekter under noen astronomiske fenomener og den samme akselerasjonen av kroppsfall notert av de gamle, uavhengig av deres masse.

Modellering av krumningen av rommet

Et vanlig eksempel som forklarer den generelle relativitetsteorien for dummies er representasjonen av rom-tid i form av en trampoline - en elastisk tynn membran som gjenstander (oftest baller) er lagt ut på, som imiterer gjenstander som samvirker. Tunge kuler bøyer membranen og danner en trakt rundt dem. En mindre ball som lanseres på overflaten beveger seg i full overensstemmelse med tyngdelovene, og ruller gradvis inn i fordypningene dannet av mer massive gjenstander.

Men dette eksemplet er ganske vilkårlig. Den virkelige romtiden er flerdimensjonal, dens krumning ser heller ikke så elementær ut, men prinsippet om dannelsen av gravitasjonsinteraksjon og essensen av relativitetsteorien blir tydelig. Uansett eksisterer ikke en hypotese som mer logisk og sammenhengende vil forklare gravitasjonsteorien ennå.

Sannhetsbevis

Generell relativitetsteori ble raskt sett på som et kraftig grunnlag som moderne fysikk kunne bygges på. Relativitetsteorien helt fra begynnelsen slo til med sin harmoni og harmoni, og ikke bare spesialister, og like etter begynte dens utseende å bli bekreftet av observasjoner.

Det nærmeste punktet til Solen - periheliumet - av Merkurs bane forskyves gradvis i forhold til banene til andre planeter i solsystemet, som ble oppdaget tilbake på midten av 1800-tallet. En slik bevegelse – presesjon – fant ikke en rimelig forklaring innenfor rammen av Newtons teori om universell gravitasjon, men ble beregnet med nøyaktighet på grunnlag av den generelle relativitetsteorien.

Solformørkelsen som skjedde i 1919 ga en mulighet for nok et bevis på generell relativitet. Arthur Eddington, som spøkefullt kalte seg den andre personen av tre som forstår det grunnleggende om relativitetsteorien, bekreftet avvikene forutsagt av Einstein under passasjen av lysfotoner nær stjernen: på tidspunktet for formørkelsen, et skifte i den tilsynelatende plasseringen av noen stjerner ble merkbar.

Eksperimentet for å oppdage klokkenedgang eller gravitasjonsrødforskyvning ble foreslått av Einstein selv, blant andre bevis på generell relativitet. Først etter mange år var det mulig å forberede det nødvendige eksperimentelle utstyret og gjennomføre dette eksperimentet. Gav stråling fra senderen og mottakeren, adskilt i høyden, viste seg å være innenfor grensene forutsagt av generell relativitet, og Harvard-fysikerne Robert Pound og Glen Rebka, som utførte dette eksperimentet, økte bare nøyaktigheten av målingene ytterligere. , og formelen til relativitetsteorien viste seg igjen å være riktig.

Einsteins relativitetsteori er alltid til stede i underbyggelsen av de mest betydningsfulle romutforskningsprosjektene. Kort kan vi si at det har blitt et ingeniørverktøy for spesialister, spesielt de som er involvert i satellittnavigasjonssystemer - GPS, GLONASS, etc. Det er umulig å beregne koordinatene til et objekt med den nødvendige nøyaktigheten, selv i et relativt lite rom, uten å ta hensyn til bremsene til signaler forutsagt av generell relativitet. Spesielt hvis vi snakker om objekter adskilt av kosmiske avstander, hvor feilen i navigasjonen kan være stor.

Skaperen av relativitetsteorien

Albert Einstein var fortsatt en ung mann da han publiserte grunnlaget for relativitetsteorien. Deretter ble dets mangler og inkonsekvenser tydelige for ham. Spesielt var hovedproblemet til GR umuligheten av å vokse til kvantemekanikk, siden beskrivelsen av gravitasjonsinteraksjoner bruker prinsipper som er radikalt forskjellige fra hverandre. I kvantemekanikk vurderes samspillet mellom objekter i et enkelt rom-tid, og ifølge Einstein danner dette rommet selv tyngdekraften.

Å skrive «formelen for alt som eksisterer» – en enhetlig feltteori som ville eliminere motsetningene til generell relativitet og kvantefysikk, var Einsteins mål i mange år, han jobbet med denne teorien til siste time, men oppnådde ikke suksess. Problemene med generell relativitet har blitt en stimulans for mange teoretikere i jakten på mer perfekte modeller av verden. Dette er hvordan strengteorier, løkkekvantetyngdekraft og mange andre dukket opp.

Personligheten til forfatteren av generell relativitet satte spor i historien som kan sammenlignes med betydningen for vitenskapen av selve relativitetsteorien. Hun går ikke likegyldig så langt. Einstein lurte selv på hvorfor så mye oppmerksomhet ble viet ham og hans arbeid av folk som ikke hadde noe med fysikk å gjøre. Takket være hans personlige egenskaper, berømte vidd, aktive politiske posisjon og til og med uttrykksfulle utseende, ble Einstein den mest kjente fysikeren på jorden, helten i mange bøker, filmer og dataspill.

Slutten av livet hans beskrives dramatisk av mange: han var ensom, anså seg som ansvarlig for utseendet til det mest forferdelige våpenet som ble en trussel mot alt liv på planeten, hans enhetlige feltteori forble en urealistisk drøm, men Einsteins ord, talt kort før hans død, kan betraktes som det beste resultatet at han oppfylte sin oppgave på jorden. Det er vanskelig å argumentere med dette.

Generell relativitetsteori(GR) er en geometrisk gravitasjonsteori publisert av Albert Einstein i 1915-1916. Innenfor rammen av denne teorien, som er en videreutvikling av den spesielle relativitetsteorien, postuleres det at gravitasjonseffekter ikke er forårsaket av kraftinteraksjonen mellom kropper og felt lokalisert i rom-tid, men av deformasjon av rom-tid. seg selv, som spesielt er assosiert med tilstedeværelsen av masseenergi. Således, i generell relativitetsteori, som i andre metriske teorier, er ikke tyngdekraften en kraftinteraksjon. Generell relativitet skiller seg fra andre metriske teorier om gravitasjon ved å bruke Einsteins ligninger for å relatere krumningen til romtiden til materien som er tilstede i rommet.

Generell relativitetsteori er for tiden den mest vellykkede gravitasjonsteorien, godt støttet av observasjoner. Den første suksessen til generell relativitetsteori var å forklare den unormale presesjonen til Merkurs perihelium. Så, i 1919, rapporterte Arthur Eddington observasjonen av en avbøyning av lys nær solen under en total formørkelse, noe som bekreftet spådommene om generell relativitet.

Siden den gang har mange andre observasjoner og eksperimenter bekreftet et betydelig antall av teoriens spådommer, inkludert gravitasjonstidsdilatasjon, gravitasjonsrødforskyvning, signalforsinkelse i et gravitasjonsfelt og så langt bare indirekte gravitasjonsstråling. I tillegg tolkes en rekke observasjoner som bekreftelse på en av de mest mystiske og eksotiske spådommene til den generelle relativitetsteorien - eksistensen av sorte hull.

Til tross for den overveldende suksessen til generell relativitetsteori, er det ubehag i det vitenskapelige samfunnet at den ikke kan omformuleres som den klassiske grensen for kvanteteori på grunn av tilsynekomsten av uløselige matematiske divergenser når man vurderer sorte hull og rom-tids-singulariteter generelt. En rekke alternative teorier har blitt foreslått for å løse dette problemet. Nåværende eksperimentelle bevis indikerer at enhver type avvik fra generell relativitetsteori bør være svært liten, hvis den eksisterer i det hele tatt.

Grunnleggende prinsipper for generell relativitet

Newtons gravitasjonsteori er basert på begrepet gravitasjon, som er en langdistansekraft: den virker øyeblikkelig uansett avstand. Denne øyeblikkelige karakteren av handlingen er uforenlig med feltparadigmet til moderne fysikk og spesielt med den spesielle relativitetsteorien som ble opprettet i 1905 av Einstein, inspirert av arbeidet til Poincaré og Lorentz. I Einsteins teori kan ingen informasjon reise raskere enn lysets hastighet i et vakuum.

Matematisk er Newtons gravitasjonskraft utledet fra den potensielle energien til et legeme i et gravitasjonsfelt. Gravitasjonspotensialet som tilsvarer denne potensielle energien adlyder Poisson-ligningen, som ikke er invariant under Lorentz-transformasjoner. Grunnen til ikke-invariansen er at energien i den spesielle relativitetsteorien ikke er en skalar størrelse, men går inn i tidskomponenten til 4-vektoren. Vektorteorien om tyngdekraft viser seg å være lik Maxwells teori om det elektromagnetiske feltet og fører til negativ energi av gravitasjonsbølger, som er assosiert med arten av interaksjonen: som ladninger (masser) i tyngdekraften tiltrekkes, og ikke frastøtes, som i elektromagnetisme. Dermed er Newtons gravitasjonsteori uforenlig med det grunnleggende prinsippet i den spesielle relativitetsteorien - invariansen av naturlovene i enhver treghetsreferanseramme, og den direkte vektorgeneraliseringen av Newtons teori, først foreslått av Poincaré i 1905 i hans arbeid "On the Dynamics of the Electron", fører til fysisk utilfredsstillende resultater. .

Einstein begynte å søke etter en teori om tyngdekraften som ville være forenlig med prinsippet om invariansen av naturlovene med hensyn til enhver referanseramme. Resultatet av dette søket var den generelle relativitetsteorien, basert på prinsippet om identiteten til gravitasjons- og treghetsmasse.

Prinsippet om likhet mellom gravitasjons- og treghetsmasser

I klassisk newtonsk mekanikk er det to begreper om masse: det første refererer til Newtons andre lov, og det andre til loven om universell gravitasjon. Den første massen - treghet (eller treghet) - er forholdet mellom ikke-gravitasjonskraften som virker på kroppen og akselerasjonen. Den andre massen - gravitasjon (eller, som den noen ganger kalles, tung) - bestemmer tiltrekningskraften til kroppen av andre legemer og dens egen tiltrekningskraft. Generelt sett måles disse to massene, som det fremgår av beskrivelsen, i forskjellige forsøk, så de trenger ikke være proporsjonale med hverandre i det hele tatt. Deres strenge proporsjonalitet tillater oss å snakke om en enkelt kroppsmasse i både ikke-gravitasjons- og gravitasjonsinteraksjoner. Ved et passende valg av enheter kan disse massene gjøres like med hverandre. Selve prinsippet ble fremmet av Isaac Newton, og masselikheten ble verifisert av ham eksperimentelt med en relativ nøyaktighet på 10?3. På slutten av 1800-tallet gjennomførte Eötvös mer subtile eksperimenter, noe som brakte nøyaktigheten av verifiseringen av prinsippet til 10?9. I løpet av 1900-tallet gjorde eksperimentelle teknikker det mulig å bekrefte massenes likhet med en relativ nøyaktighet på 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke, etc.). Noen ganger kalles prinsippet om likhet mellom gravitasjons- og treghetsmasser det svake ekvivalensprinsippet. Albert Einstein la det til grunn for den generelle relativitetsteorien.

Prinsippet om bevegelse langs geodesiske linjer

Hvis gravitasjonsmassen er nøyaktig lik treghetsmassen, så reduseres begge massene i uttrykket for akselerasjonen til et legeme, som kun gravitasjonskrefter virker på. Derfor avhenger ikke kroppens akselerasjon, og dermed dens bane, av kroppens masse og indre struktur. Hvis alle legemer på samme punkt i rommet mottar samme akselerasjon, kan denne akselerasjonen ikke assosieres med egenskapene til legemene, men med egenskapene til selve rommet på dette punktet.

Dermed kan beskrivelsen av gravitasjonsinteraksjonen mellom legemer reduseres til en beskrivelse av rom-tid som legemer beveger seg i. Det er naturlig å anta, slik Einstein gjorde, at legemer beveger seg ved treghet, det vil si på en slik måte at deres akselerasjon i deres egen referanseramme er null. Banene til kroppene vil da være geodesiske linjer, teorien om disse ble utviklet av matematikere tilbake på 1800-tallet.

Selve de geodesiske linjene kan finnes ved å spesifisere i rom-tid en analog av avstanden mellom to hendelser, tradisjonelt kalt et intervall eller en verdensfunksjon. Intervallet i tredimensjonalt rom og endimensjonal tid (med andre ord i firedimensjonalt rom-tid) er gitt av 10 uavhengige komponenter av den metriske tensoren. Disse 10 tallene danner rommetrikken. Den definerer "avstanden" mellom to uendelig nære punkter i rom-tid i forskjellige retninger. Geodesiske linjer som tilsvarer verdenslinjene til fysiske kropper hvis hastighet er mindre enn lysets hastighet, viser seg å være linjene for den største riktige tiden, det vil si tiden målt av en klokke som er stivt festet til en kropp som følger denne banen. Moderne eksperimenter bekrefter bevegelsen til legemer langs geodesiske linjer med samme nøyaktighet som likheten mellom gravitasjons- og treghetsmasser.

Krumning av rom-tid

Hvis to kropper skytes ut fra to nære punkter parallelt med hverandre, vil de i gravitasjonsfeltet gradvis enten nærme seg eller bevege seg bort fra hverandre. Denne effekten kalles avviket til geodesiske linjer. En lignende effekt kan observeres direkte hvis to kuler skytes parallelt med hverandre over en gummimembran, hvorpå en massiv gjenstand er plassert i midten. Kulene vil spre seg: den som var nærmere gjenstanden som presset gjennom membranen, vil tendere mot midten sterkere enn den fjernere ballen. Dette avviket (avviket) skyldes krumningen av membranen. På samme måte, i rom-tid, er avviket til geodesikk (divergensen i kroppens baner) assosiert med krumningen. Krumningen av rom-tid er unikt bestemt av dens metriske - den metriske tensoren. Forskjellen mellom den generelle relativitetsteorien og alternative gravitasjonsteorier bestemmes i de fleste tilfeller nettopp i forbindelsen mellom materie (legemer og felt av ikke-gravitasjonsnatur som skaper et gravitasjonsfelt) og de metriske egenskapene til rom-tid .

Rom-tid GR og det sterke ekvivalensprinsippet

Det anses ofte feilaktig at grunnlaget for den generelle relativitetsteorien er prinsippet om ekvivalens av gravitasjons- og treghetsfeltene, som kan formuleres som følger:
Et tilstrekkelig lite lokalt fysisk system lokalisert i et gravitasjonsfelt kan ikke skilles i oppførsel fra det samme systemet lokalisert i en akselerert (i forhold til den treghetsreferanserammen) referanseramme, nedsenket i den flate romtiden til spesiell relativitet.

Noen ganger postuleres det samme prinsippet som "lokal gyldighet av spesiell relativitet" eller kalt "sterk ekvivalensprinsipp".

Historisk sett spilte dette prinsippet virkelig en stor rolle i utviklingen av den generelle relativitetsteorien og ble brukt av Einstein i dens utvikling. Imidlertid, i den mest endelige formen av teorien, er den faktisk ikke inneholdt, siden romtiden både i den akselererte og i den innledende referanserammen i den spesielle relativitetsteorien er ukrumme - flat, og i den generelle relativitetsteorien den er buet av enhver kropp, og nettopp dens krumning forårsaker gravitasjonstiltrekning av kropper.

Det er viktig å merke seg at hovedforskjellen mellom romtiden til den generelle relativitetsteorien og romtiden til den spesielle relativitetsteorien er dens krumning, som uttrykkes av en tensormengde - krumningstensoren. I rom-tid av spesiell relativitet er denne tensor identisk lik null og rom-tid er flat.

Av denne grunn er ikke navnet "generell relativitetsteori" helt korrekt. Denne teorien er bare en av en rekke gravitasjonsteorier som for tiden vurderes av fysikere, mens den spesielle relativitetsteorien (mer presist, dens prinsipp om rom-tid metrisitet) er generelt akseptert av det vitenskapelige samfunnet og utgjør hjørnesteinen i grunnlaget av moderne fysikk. Det bør imidlertid bemerkes at ingen av de andre utviklede teoriene om gravitasjon, bortsett fra generell relativitet, har bestått testen av tid og eksperimenter.

Hovedkonsekvenser av generell relativitet

I henhold til korrespondanseprinsippet, i svake gravitasjonsfelt, faller spådommene om generell relativitet sammen med resultatene av å anvende Newtons lov om universell gravitasjon med små korreksjoner som øker når feltstyrken øker.

De første forutsagte og verifiserte eksperimentelle konsekvensene av generell relativitet var tre klassiske effekter, oppført nedenfor i kronologisk rekkefølge etter deres første verifisering:
1. Ytterligere forskyvning av periheliumet til Merkurs bane sammenlignet med spådommene til Newtonsk mekanikk.
2. Avvik til en lysstråle i solens gravitasjonsfelt.
3. Gravitasjonsrødforskyvning, eller tidsutvidelse i et gravitasjonsfelt.

Det er en rekke andre effekter som kan verifiseres eksperimentelt. Blant dem kan vi nevne avviket og forsinkelsen (Shapiro-effekten) av elektromagnetiske bølger i gravitasjonsfeltet til solen og Jupiter, Lense-Thirring-effekten (presesjon av et gyroskop nær et roterende legeme), astrofysiske bevis for eksistensen av svart hull, bevis for utslipp av gravitasjonsbølger fra nære systemer av binære stjerner og utvidelsen av universet.

Så langt er det ikke funnet pålitelige eksperimentelle bevis som tilbakeviser generell relativitet. Avvikene til de målte verdiene av effektene fra de som er forutsagt av generell relativitet, overstiger ikke 0,1% (for de tre klassiske fenomenene ovenfor). Til tross for dette, på grunn av forskjellige årsaker, har teoretikere utviklet minst 30 alternative teorier om tyngdekraft, og noen av dem gjør det mulig å oppnå resultater vilkårlig nær generell relativitet for de tilsvarende verdiene til parameterne som er inkludert i teorien.

100 r første ordre bonus

Velg type arbeid Avgangsarbeid Semesteroppgave Abstrakt Masteroppgave Rapport om praksis Artikkel Rapport Gjennomgang Prøvearbeid Monografi Problemløsning Forretningsplan Svar på spørsmål Kreativt arbeid Essay Tegning Komposisjoner Oversettelse Presentasjoner Skriving Annet Øke det unike i teksten Kandidatens oppgave Laboratoriearbeid Hjelp på- linje

Spør etter en pris

Den spesielle relativitetsteorien ble utviklet på begynnelsen av det 20. århundre ved innsatsen til G. A. Lorentz, A. Poincaré og A. Einstein.

Einsteins postulater

SRT er fullstendig avledet på det fysiske nivået av strenghet fra to postulater (antakelser):

Einsteins relativitetsprinsipp er gyldig, en utvidelse av Galileos relativitetsprinsipp.

Lysets hastighet er ikke avhengig av kildens hastighet i alle treghetsreferanserammer.

Eksperimentell verifisering av SRT-postulatene er til en viss grad hemmet av problemer av filosofisk natur: muligheten for å skrive likningene til enhver teori i en invariant form, uavhengig av dens fysiske innhold, og kompleksiteten ved å tolke begrepene "lengde" , "tid" og "treghetsreferanseramme" i forhold med relativistiske effekter.

Essensen av SRT

Konsekvensene av postulatene til SRT er Lorentz-transformasjonene, som erstatter de galileiske transformasjonene for ikke-relativistisk, "klassisk" bevegelse. Disse transformasjonene kobler sammen koordinatene og tidspunktene for de samme hendelsene observert fra forskjellige treghetsreferanserammer.

Det er de som beskriver slike kjente effekter som å bremse tidens gang og forkorte lengden på raskt bevegelige kropper, eksistensen av en begrensende hastighet til en kropp (som er lysets hastighet), relativiteten til begrepet samtidighet (to hendelser skjer samtidig i henhold til klokker i en referanseramme, men på forskjellige tidspunkt i henhold til timer i et annet referansesystem).

Den spesielle relativitetsteorien har mottatt en rekke eksperimentelle bekreftelser og er utvilsomt den riktige teorien i sitt anvendelsesområde. Den spesielle relativitetsteorien slutter å virke på skalaen til hele universet, så vel som i tilfeller med sterke gravitasjonsfelt, hvor den erstattes av en mer generell teori - den generelle relativitetsteorien. Den spesielle relativitetsteorien er også anvendelig i mikrokosmos, dens syntese med kvantemekanikk er kvantefeltteori.

Kommentarer

Akkurat som i tilfellet med kvantemekanikk, er mange spådommer av relativitetsteorien kontraintuitive, virker utrolige og umulige. Dette betyr imidlertid ikke at relativitetsteorien er feil. I virkeligheten kan det være veldig forskjellig hvordan vi ser (eller ønsker å se) verden rundt oss og hvordan den faktisk er. I mer enn et århundre har forskere over hele verden forsøkt å tilbakevise SRT. Ingen av disse forsøkene kunne finne den minste feil i teorien. Det faktum at teorien er matematisk korrekt bevises av den strenge matematiske formen og klarheten i alle formuleringer. Det faktum at SRT virkelig beskriver vår verden er bevist av en enorm eksperimentell opplevelse. Mange konsekvenser av denne teorien brukes i praksis. Det er åpenbart at alle forsøk på å "motbevise SRT" er dømt til å mislykkes fordi teorien i seg selv er basert på Galileos tre postulater (som er noe utvidet), som den newtonske mekanikken er bygget på, samt på et tilleggspostulat av konstanten til lysets hastighet i alle referanserammer. Alle fire reiser ingen tvil innenfor den maksimale nøyaktigheten til moderne målinger: bedre enn 10 - 12, og i noen aspekter - opp til 10 - 15. Dessuten er nøyaktigheten av verifiseringen deres så høy at konstanten til lyshastigheten legges til grunn for definisjonen av måleren - lengdeenheter, som et resultat av at lyshastigheten automatisk blir konstant hvis målinger utføres i samsvar med metrologiske krav.

SRT beskriver ikke-gravitasjons fysiske fenomener med svært høy nøyaktighet. Men dette utelukker ikke muligheten for avklaring og tillegg. For eksempel er den generelle relativitetsteorien en foredling av SRT som tar hensyn til gravitasjonsfenomener. Utviklingen av kvanteteori pågår fortsatt, og mange fysikere tror at fremtidens komplette teori vil svare på alle spørsmål som har en fysisk betydning, og vil gi både SRT i kombinasjon med kvantefeltteori og generell relativitet innenfor grensene. Mest sannsynlig vil SRT møte samme skjebne som Newtons mekanikk - grensene for dens anvendelighet vil bli nøyaktig skissert. Samtidig er en slik maksimalt generell teori fortsatt et veldig fjernt perspektiv, og ikke alle forskere tror at konstruksjonen til og med er mulig.

Generell relativitetsteori

Generell relativitetsteori er for tiden (2007) den mest vellykkede gravitasjonsteorien, godt bekreftet av observasjoner. Den første suksessen til generell relativitetsteori var å forklare den unormale presesjonen til Merkurs perihelium. Så, i 1919, rapporterte Arthur Eddington at han observerte avbøyningen av lys nær Solen under en total formørkelse, noe som bekreftet spådommene om generell relativitet. I tillegg tolkes tallrike observasjoner som bekrefter en av de mest mystiske og eksotiske spådommene om generell relativitet - eksistensen av sorte hull.

Prinsippet om likhet mellom gravitasjons- og treghetsmasser

Prinsippet om bevegelse langs geodesiske linjer

Moderne eksperimenter bekrefter bevegelsen til legemer langs geodesiske linjer med samme nøyaktighet som likheten mellom gravitasjons- og treghetsmasser.

Krumning av rom-tid

Hovedkonsekvenser av generell relativitet

De første forutsagte og verifiserte eksperimentelle konsekvensene av generell relativitet var tre klassiske effekter, oppført nedenfor i kronologisk rekkefølge etter deres første verifisering:

Et ekstra skifte i periheliumet til Merkurs bane sammenlignet med spådommene fra newtonsk mekanikk.
Avbøyning av en lysstråle i solens gravitasjonsfelt.
Gravitasjonsrødforskyvning, eller tidsutvidelse i et gravitasjonsfelt.

Generell relativitet er allerede brukt på alle referanserammer (og ikke bare på de som beveger seg med konstant hastighet i forhold til hverandre) og ser matematisk mye mer komplisert ut enn spesiell (noe som forklarer gapet på elleve år mellom publiseringen). Den inkluderer som et spesielt tilfelle den spesielle relativitetsteorien (og derav Newtons lover). Samtidig går den generelle relativitetsteorien mye lenger enn alle sine forgjengere. Spesielt gir det en ny tolkning av tyngdekraften.

Den generelle relativitetsteorien gjør verden firedimensjonal: tid legges til tre romlige dimensjoner. Alle fire dimensjonene er uatskillelige, så vi snakker ikke lenger om den romlige avstanden mellom to objekter, slik tilfellet er i den tredimensjonale verden, men om rom-tidsintervallene mellom hendelser som forener deres avstand fra hverandre - begge i tid og i rom. Det vil si at rom og tid betraktes som et firedimensjonalt rom-tid-kontinuum eller rett og slett rom-tid. På dette kontinuumet kan observatører som beveger seg i forhold til hverandre til og med være uenige om hvorvidt to hendelser skjedde samtidig - eller om den ene gikk foran den andre. Heldigvis for vårt stakkars sinn, kommer det ikke til et brudd på årsakssammenhenger - det vil si eksistensen av koordinatsystemer der to hendelser ikke skjer samtidig og i en annen rekkefølge, selv den generelle relativitetsteorien tillater ikke.

Klassisk fysikk betraktet tyngdekraften som en vanlig kraft blant mange naturkrefter (elektriske, magnetiske, etc.). Tyngdekraften ble foreskrevet "langdistansevirkning" (penetrasjon "gjennom tomrommet") og en fantastisk evne til å gi lik akselerasjon til kropper med forskjellige masser.

Newtons lov om universell gravitasjon forteller oss at mellom to kropper i universet er det en kraft av gjensidig tiltrekning. Fra dette synspunktet dreier jorden rundt solen, siden det er krefter med gjensidig tiltrekning mellom dem.

Generell relativitet tvinger oss imidlertid til å se annerledes på dette fenomenet. I følge denne teorien er tyngdekraften en konsekvens av deformasjonen ("krumning") av det elastiske stoffet i rom-tid under påvirkning av masse (i dette tilfellet, jo tyngre kroppen er, for eksempel solen, jo mer rom-tid "bøyer" seg under den og følgelig jo sterkere gravitasjonsfeltet er). Se for deg et tett strukket lerret (en slags trampoline), som en massiv ball er plassert på. Lerretet deformeres under vekten av ballen, og en traktformet fordypning dannes rundt det. I følge den generelle relativitetsteorien, roterer Jorden rundt Solen som en liten ball rullet rundt kjeglen til en trakt dannet som et resultat av å "slå" rom-tid av en tung ball - Solen. Og det som for oss ser ut som tyngdekraften, er faktisk en rent ytre manifestasjon av romtidens krumning, og slett ikke en kraft i newtonsk forstand. Til dags dato har man ikke funnet en bedre forklaring på tyngdekraftens natur enn den generelle relativitetsteorien gir oss.

Først diskuteres likheten mellom akselerasjoner av fritt fall for kropper med forskjellige masser (det faktum at en massiv nøkkel og en lett fyrstikk faller like raskt fra bordet til gulvet). Som Einstein bemerket, gjør denne unike egenskapen tyngdekraften veldig lik treghet.

Faktisk oppfører nøkkelen og fyrstikken seg som om de beveget seg i vektløshet av treghet, og gulvet i rommet beveget seg mot dem med akselerasjon. Etter å ha nådd nøkkelen og kampen, ville gulvet oppleve deres innvirkning, og deretter press, fordi. tregheten til nøkkelen og fyrstikken ville ha påvirket den videre akselerasjonen av gulvet.

Dette trykket (astronauter sier - "overbelastning") kalles treghetskraften. En lignende kraft påføres alltid legemer i akselererte referanserammer.

Hvis raketten flyr med en akselerasjon lik akselerasjonen for fritt fall på jordoverflaten (9,81 m/s), vil treghetskraften spille rollen som vekten til nøkkelen og fyrstikken. Deres "kunstige" gravitasjon vil være nøyaktig den samme som den naturlige på jordens overflate. Dette betyr at akselerasjonen til referanserammen er et fenomen ganske likt tyngdekraften.

Tvert imot, i en frittfallende heis elimineres naturlig tyngdekraft ved at kabinreferansesystemets akselererte bevegelse "jager" nøkkelen og fyrstikken. Selvfølgelig ser ikke klassisk fysikk i disse eksemplene den sanne fremveksten og forsvinningen av tyngdekraften. Tyngdekraften blir bare simulert eller kompensert av akselerasjon. Men i generell relativitet er likheten mellom treghet og tyngdekraft anerkjent for å være mye dypere.

Einstein la frem det lokale prinsippet om ekvivalens av treghet og tyngdekraft, og uttalte at på tilstrekkelig små skalaer av avstander og varighet, kan et fenomen ikke skilles fra et annet ved noe eksperiment. Dermed har generell relativitet endret den vitenskapelige forståelsen av verden enda dypere. Den første loven for newtonsk dynamikk har mistet sin universalitet - det viste seg at bevegelsen ved treghet kan være krumlinjet og akselerert. Behovet for begrepet en tung masse har forsvunnet. Universets geometri har endret seg: i stedet for direkte euklidisk rom og ensartet tid, har en buet romtid, en buet verden, dukket opp. Vitenskapens historie har aldri kjent en så skarp omstrukturering av syn på universets fysiske grunnleggende prinsipper.

Å teste generell relativitet er vanskelig fordi resultatene under normale laboratorieforhold er nesten identiske med de som er forutsagt av Newtons universelle gravitasjonslov. Likevel ble det utført flere viktige eksperimenter, og resultatene deres lar oss vurdere teorien bekreftet. I tillegg hjelper generell relativitet med å forklare fenomenene vi observerer i rommet, ett eksempel er en lysstråle som passerer nær solen. Både newtonsk mekanikk og generell relativitet erkjenner at den må avvike mot solen (fallet). Imidlertid forutsier generell relativitet to ganger stråleforskyvningen. Observasjoner under solformørkelser beviste riktigheten av Einsteins spådom. Et annet eksempel. Planeten Merkur nærmest Solen har mindre avvik fra en stasjonær bane, uforklarlige fra den klassiske newtonske mekanikkens synspunkt. Men akkurat en slik bane er gitt ved beregningen av GR-formlene. Nedbremsingen av tiden i et sterkt gravitasjonsfelt forklarer reduksjonen i frekvensen av lysoscillasjoner i strålingen fra hvite dverger - stjerner med svært høy tetthet. Og de siste årene har denne effekten blitt registrert i laboratorieforhold. Til slutt, rollen til generell relativitet i moderne kosmologi, vitenskapen om strukturen og historien til hele universet, er veldig viktig. Mange bevis på Einsteins gravitasjonsteori er også funnet i dette kunnskapsfeltet. Faktisk avviker resultatene forutsagt av generell relativitet merkbart fra resultatene forutsagt av Newtons lover bare i nærvær av supersterke gravitasjonsfelt. Dette betyr at en fullstendig test av den generelle relativitetsteorien krever enten ultranøyaktige målinger av veldig massive objekter, eller sorte hull, som ingen av våre vanlige intuitive ideer er anvendelige på. Så utviklingen av nye eksperimentelle metoder for å teste relativitetsteorien er fortsatt en av de viktigste oppgavene til eksperimentell fysikk.

Relativitetsteorien er en fysisk teori som vurderer rom-tids-regulariteter som er gyldige for alle fysiske prosesser. Den mest generelle teorien om rom-tid kalles den generelle relativitetsteorien (GR), eller gravitasjonsteorien. I den private (eller spesielle) relativitetsteorien (SRT) studeres egenskapene til rom-tid, som er gyldige med den nøyaktigheten som tyngdekraften kan neglisjeres med. (Physical Encyclopedic Dictionary, 1995)

Tid og masse En kropp trekker seg sammen langs sin bevegelsesakse når den nærmer seg lysets hastighet

Atomforfall Atommassen til nye atomer og mengden bevegelsesenergi som dannes er ekvivalent med massen til det opprinnelige atomet

På slutten av 1800-tallet ble bevegelses- og gravitasjonslovene oppdaget av Newton mye brukt til beregninger og fant stadig flere eksperimentelle bevis. Ingenting så ut til å innlede en revolusjon på dette området. Imidlertid var saken ikke lenger begrenset til bare mekanikk: Som et resultat av eksperimentelle aktiviteter til mange forskere innen elektrisitet og magnetisme dukket Maxwells ligninger opp. Det var her problemene med fysikkens lover begynte. Maxwells ligninger samler elektrisitet, magnetisme og lys. Det følger av dem at hastigheten til elektromagnetiske bølger, inkludert lysbølger, ikke avhenger av bevegelsen til emitteren og er lik omtrent 300 tusen km/s i vakuum. Dette er på ingen måte i samsvar med mekanikken til Newton og Galileo. Anta at en ballong flyr i forhold til jorden med en hastighet på 100 000 km/s. La oss skyte fremover fra en lett pistol med en lett kule, hvis hastighet er 300 tusen km/s. Deretter, i henhold til Galileos formler, skal hastighetene ganske enkelt legges sammen, noe som betyr at kulen vil fly i forhold til jorden med en hastighet på 400 tusen km/s. Ingen konstant lyshastighet oppnås!

Mye innsats har blitt gjort for å oppdage endringen i lyshastigheten når emitteren beveger seg, men ingen av de geniale eksperimentene har lyktes. Selv den mest nøyaktige av dem, Michelson-Morley-eksperimentet, ga et negativt resultat. Så noe er galt med Maxwells ligninger? Men de beskriver perfekt alle elektriske og magnetiske fenomener. Og så foreslo Henri Poincaré at poenget fortsatt ikke er i ligningene, men i relativitetsprinsippet: alle fysiske lover, ikke bare mekaniske, som Newtons, men også elektriske, må være de samme i systemer som beveger seg jevnt i forhold til hverandre og rettlinjet. I 1904 fikk dansken Hendrik Anton Lorentz, spesifikt for Maxwells ligninger, nye formler for omregning av koordinatene til et bevegelig system i forhold til et stasjonært og omvendt. Men dette hjalp bare delvis: det viste seg at for Newtons lover må man bruke noen transformasjoner, og for Maxwells ligninger andre. Spørsmålet forble åpent.

Spesiell relativitetsteori

Transformasjonene som ble foreslått av Lorentz hadde to viktige implikasjoner. Det viste seg at når man flytter fra ett system til et annet, er det nødvendig å utsette ikke bare koordinater, men også tid til transformasjoner. Og dessuten endret størrelsen på den bevegelige kroppen, beregnet etter Lorentz sine formler - den ble mindre langs bevegelsesretningen! Derfor mistet hastigheter som oversteg lysets hastighet all fysisk betydning, siden kroppene i dette tilfellet ble komprimert til null dimensjoner. Mange fysikere, inkludert Lorentz selv, betraktet disse konklusjonene som bare en matematisk hendelse. Helt til Einstein tok over.

Hvorfor er relativitetsteorien oppkalt etter Einstein, hvis relativitetsprinsippet ble formulert av Poincare, konstanten til lysets hastighet ble utledet av Maxwell, og reglene for å transformere koordinater ble oppfunnet av Lorentz? Først av alt, la oss si at alt vi har snakket om så langt kun gjelder den såkalte "spesielle relativitetsteorien" (SRT). I motsetning til hva folk tror, er Einsteins bidrag til denne teorien på ingen måte begrenset til en enkel generalisering av resultatene. Først klarte han å få alle ligningene basert på bare to postulater - relativitetsprinsippet og prinsippet om konstant lyshastighet. Og for det andre forsto han hvilken endring som bør gjøres i Newtons lov slik at den ikke faller ut av det nye verdensbildet og ikke endres under Lorentz sine transformasjoner. For å gjøre dette var det nødvendig å kritisk behandle to tidligere urokkelige grunnlag av klassisk mekanikk - tidens absolutthet og kroppsmassens konstanthet.

Ingenting absolutt

I newtonsk mekanikk ble siderisk tid stilltiende identifisert med absolutt tid, og i Einsteins teori tilsvarer hver referanseramme sin egen, "lokale" tid, og det er ingen klokker som kan måle tid for hele universet. Men konklusjonene om tidens relativitet var ikke nok til å eliminere motsetningene mellom elektrodynamikk og klassisk mekanikk. Dette problemet ble løst da en annen klassisk bastion falt - massens konstanthet. Einstein introduserte endringer i Newtons grunnleggende lov om proporsjonaliteten mellom kraft og akselerasjon og fant ut at massen øker i det uendelige når man nærmer seg lysets hastighet. Tross alt følger det av postulatene til SRT at en hastighet større enn lysets hastighet ikke har noen fysisk betydning, noe som betyr at ingen kraft kan øke hastigheten til en kropp som allerede flyr med lysets hastighet, det vil si under disse forholdene forårsaker ikke kraften lenger akselerasjon! Jo større hastighet kroppen har, desto vanskeligere er det å akselerere den.

Og siden proporsjonalitetskoeffisienten er massen (eller treghet), følger det at kroppens masse øker med økende hastighet.

Det er bemerkelsesverdig at denne konklusjonen ble gjort på et tidspunkt da det ikke var åpenbare motsetninger og inkonsekvenser mellom resultatene av eksperimenter og Newtons lover. Under normale forhold er endringen i massen ubetydelig, og den kan kun oppdages eksperimentelt ved svært høye hastigheter, nær lysets hastighet. Selv for en satellitt som flyr med en hastighet på 8 km/s, vil korreksjonen til massen ikke være mer enn en to-milliarddel. Men allerede i 1906 ble konklusjonene til SRT bekreftet i studiet av elektroner som beveger seg med høye hastigheter: i Kaufmans eksperimenter ble det registrert en endring i massen til disse partiklene. Og på moderne akseleratorer vil det rett og slett ikke være mulig å spre partikler hvis beregninger utføres på klassisk måte uten å ta hensyn til den spesielle relativitetsteorien.

Men så viste det seg at massens inkonstans tillater oss å trekke en enda mer grunnleggende konklusjon. Med en hastighetsøkning øker massen, bevegelsesenergien øker ... Er det ikke det samme? Matematiske beregninger bekreftet formodningen om ekvivalensen mellom masse og energi, og i 1907 fikk Einstein sin berømte formel E = mc2. Dette er hovedkonklusjonen til SRT. Masse og energi er ett og det samme og forvandles til hverandre! Og hvis et eller annet legeme (for eksempel et uranatom) plutselig brytes opp i to, som totalt har en mindre masse, så går resten av massen over i bevegelsesenergien. Einstein antok selv at det ville være mulig å legge merke til en endring i massen bare med store energiutgivelser, siden koeffisienten c2 i formelen han mottok er veldig, veldig stor. Men han hadde nok heller ikke forventet at disse teoretiske betraktningene ville føre menneskeheten så langt. Opprettelsen av atombomben bekreftet gyldigheten av den spesielle relativitetsteorien, bare til en for høy pris.

Det ser ut til at det ikke er noen grunn til å tvile på riktigheten av teorien. Men her er det på tide å minne om Einsteins ord: "Erfaring vil aldri si "ja" til en teori, men i beste fall sier den "kanskje", men for det meste sier den bare "nei". Det siste, mest nøyaktige eksperimentet for å teste et av SRT-postulatene, konstanten til lysets hastighet, ble utført ganske nylig, i 2001, ved Universitetet i Konstanz (Tyskland). En stående laserbølge ble plassert i en "boks" av ultraren safir, avkjølt til temperaturen til flytende helium, og endringen i lysets frekvens ble overvåket i et halvt år. Hvis lyshastigheten var avhengig av hastigheten til laboratoriet, ville frekvensen til denne bølgen endres etter hvert som jorden beveget seg i bane. Men ingen endringer er merket så langt.

Generell relativitetsteori

I 1905, da Einstein publiserte sitt berømte verk "On the Electrodynamics of Moving Bodies", dedikert til SRT, gikk han videre. Han var overbevist om at STO bare var en del av reisen. Relativitetsprinsippet må være gyldig i enhver referanseramme, og ikke bare i de som beveger seg jevnt og rettlinjet. Denne overbevisningen til Einstein var ikke bare en gjetning, den var basert på et eksperimentelt faktum, overholdelse av prinsippet om ekvivalens. La oss forklare hva det er. Den såkalte "treghets"-massen dukker opp i bevegelseslovene, som viser hvor vanskelig det er for et legeme å akselerere, og i tyngdelovene - en "tung" masse som bestemmer tiltrekningskraften mellom kropper. Ekvivalensprinsippet forutsetter at disse massene er nøyaktig like hverandre, men bare erfaring kan bekrefte om dette faktisk er tilfelle. Det følger av ekvivalensprinsippet at alle legemer må bevege seg i gravitasjonsfeltet med samme akselerasjon. Selv Galileo sjekket denne omstendigheten, og kastet, ifølge legenden, forskjellige kropper fra det skjeve tårnet i Pisa. Da var målenøyaktigheten 1 %, Newton brakte den til 0,1 %, og ifølge de siste dataene fra 1995 kan vi være sikre på at ekvivalensprinsippet er oppfylt med en nøyaktighet på 5 x 10−13.

Med utgangspunkt i ekvivalensprinsippet og relativitetsprinsippet, skapte Einstein etter ti år med hardt arbeid sin gravitasjonsteori, eller den generelle relativitetsteorien (GR), som den dag i dag aldri slutter å forbløffe teoretikere med sin matematiske skjønnhet. Rom og tid i Einsteins gravitasjonsteori viste seg å være gjenstand for fantastiske metamorfoser. Tyngdefeltet, som er skapt rundt seg selv av kropper med masse, bøyer det omkringliggende rommet. Se for deg en ball som ligger på en trampoline. Jo tyngre ballen er, jo mer vil trampolinnettingen bøye seg. Og tiden, omgjort til den fjerde dimensjonen, står ikke til side: jo større gravitasjonsfeltet, jo langsommere flyter tiden.

Den første bekreftede spådommen om generell relativitet ble laget av Einstein selv i 1915. Det gjaldt Merkurs bevegelse. Periheliumet til denne planeten (det vil si punktet for dens nærmeste tilnærming til solen) endrer gradvis sin posisjon. Over hundre år med observasjoner fra jorden var forskyvningen 43,1 buesekunder. Bare den generelle relativitetsteorien var i stand til å gi en forbløffende nøyaktig prediksjon av denne verdien - 43 buesekunder. Det neste trinnet var å observere avbøyningen av lysstråler i solens gravitasjonsfelt under den totale solformørkelsen i 1919. Siden den gang har mange slike eksperimenter blitt utført, og alle bekrefter generell relativitet – til tross for at nøyaktigheten øker stadig. For eksempel, i 1984 var det 0,3 %, og i 1995 var det allerede mindre enn 0,1 %.

Med ankomsten av atomklokker kom det til selve tiden. Det er nok å plassere den ene klokken på toppen av fjellet, den andre ved foten - og du kan fange forskjellen over tid! Og med ankomsten av globale posisjoneringssatellittsystemer, flyttet relativitetsteorien endelig fra kategorien vitenskapelig underholdning til et rent praktisk område. GPS-satellitter flyr for eksempel i en høyde på ca. 20 000 km med en hastighet på ca. 4 km/s. Siden de er ganske langt fra jorden, går klokkene på dem, ifølge generell relativitetsteori, med omtrent 45 mikrosekunder (µs) per dag, men fordi de flyr i høy hastighet, på grunn av STR, henger de samme klokkene etter med omtrent 7 µs daglig. Hvis disse endringene ikke tas i betraktning, vil hele systemet bli ubrukelig i løpet av få dager! Før de sendes i bane, blir atomklokkene på satellittene justert slik at de går saktere med omtrent 38 mikrosekunder per dag. Og det faktum at min enkle GPS-mottaker etter en slik justering viser koordinatene mine på den enorme jordoverflaten riktig hver dag, styrker seriøst min tillit til relativitetsteorien.

Alle disse suksessene oppildner bare jegerne etter relativitet. I dag har ethvert universitet med respekt for seg selv et laboratorium for å lete etter gravitasjonsbølger, som ifølge Einsteins gravitasjonsteori skal forplante seg med lysets hastighet. Har ikke klart å finne dem enda. En annen snublestein er sammenhengen mellom generell relativitetsteori og kvantemekanikk. Begge stemmer perfekt med eksperimentet, men er helt uforenlige med hverandre. Minner det ikke litt om klassisk mekanikk og elektromagnetisme på slutten av 1800-tallet? Kanskje det er verdt å vente på en endring.