Nguyên tắc của Oto. Thuyết tương đối rộng Nó có nhất quán không? Nó có tương ứng với thực tế vật lý không?

Họ nói về lý thuyết này rằng chỉ có ba người trên thế giới hiểu nó, và khi các nhà toán học cố gắng diễn đạt bằng con số những gì diễn ra sau nó, chính tác giả, Albert Einstein, đã nói đùa rằng bây giờ ông cũng đã không còn hiểu nó nữa.

Các lý thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát là những phần không thể tách rời của học thuyết làm nền tảng cho các quan điểm khoa học hiện đại về cấu trúc của thế giới.

"Năm của những điều kỳ diệu"

Năm 1905, ấn phẩm khoa học hàng đầu của Đức "Annalen der Physik" ("Biên niên sử vật lý") lần lượt xuất bản bốn bài báo của Albert Einstein, 26 tuổi, người từng làm chuyên gia hạng 3 - một thư ký nhỏ - tại Văn phòng Liên bang. để cấp bằng sáng chế ở Bern. Anh ấy đã từng cộng tác với tạp chí này trước đây, nhưng việc xuất bản nhiều tác phẩm như vậy trong một năm là một sự kiện đặc biệt. Nó càng trở nên đáng chú ý hơn khi giá trị của những ý tưởng chứa đựng trong mỗi ý tưởng đó trở nên rõ ràng.

Trong bài viết đầu tiên, những suy nghĩ đã được trình bày về bản chất lượng tử của ánh sáng và các quá trình hấp thụ và giải phóng bức xạ điện từ đã được xem xét. Trên cơ sở đó, hiệu ứng quang điện lần đầu tiên được giải thích - sự phát xạ electron của một chất bị các photon ánh sáng đánh bật ra và các công thức tính lượng năng lượng giải phóng trong trường hợp này được đề xuất. Chính vì những phát triển lý thuyết về hiệu ứng quang điện, vốn đã trở thành sự khởi đầu của cơ học lượng tử, chứ không phải vì những định đề của thuyết tương đối, mà Einstein đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1922.

Một bài báo khác đặt nền móng cho các lĩnh vực ứng dụng của thống kê vật lý dựa trên nghiên cứu chuyển động Brown của các hạt cực nhỏ lơ lửng trong chất lỏng. Einstein đã đề xuất các phương pháp tìm kiếm mô hình dao động - những sai lệch ngẫu nhiên và mất trật tự của các đại lượng vật lý so với các giá trị có thể xảy ra nhất của chúng.

Và cuối cùng là trong các bài “Về điện động lực học của các vật chuyển động” và “Quán tính của một vật có phụ thuộc vào hàm lượng năng lượng trong đó không?” chứa mầm mống của cái sẽ được lịch sử vật lý chỉ định là thuyết tương đối của Albert Einstein, hay đúng hơn là phần đầu tiên của nó - SRT - lý thuyết tương đối đặc biệt.

Nguồn và người tiền nhiệm

Vào cuối thế kỷ 19, đối với nhiều nhà vật lý, dường như hầu hết các vấn đề toàn cầu của vũ trụ đã được giải quyết, những khám phá chính đã được thực hiện và nhân loại chỉ cần sử dụng kiến thức tích lũy được để đẩy nhanh tiến bộ kỹ thuật một cách mạnh mẽ. Chỉ một số mâu thuẫn về mặt lý thuyết đã làm hỏng bức tranh hài hòa của Vũ trụ, chứa đầy ether và sống theo những định luật bất biến của Newton.

Sự hòa hợp đã bị phá hỏng bởi nghiên cứu lý thuyết của Maxwell. Các phương trình của ông mô tả sự tương tác của các trường điện từ, mâu thuẫn với các định luật cơ học cổ điển được chấp nhận rộng rãi. Điều này liên quan đến việc đo tốc độ ánh sáng trong các hệ quy chiếu động, khi nguyên lý tương đối của Galileo ngừng hoạt động - mô hình toán học về sự tương tác của các hệ như vậy khi chuyển động ở tốc độ ánh sáng dẫn đến sự biến mất của sóng điện từ.

Ngoài ra, ether, thứ được cho là dung hòa sự tồn tại đồng thời của các hạt và sóng, thế giới vĩ mô và thế giới vi mô, lại không thể phát hiện được. Thí nghiệm được thực hiện vào năm 1887 bởi Albert Michelson và Edward Morley, nhằm mục đích phát hiện “gió thanh tao”, chắc chắn phải được ghi lại bằng một thiết bị độc đáo - giao thoa kế. Thí nghiệm kéo dài cả năm - thời điểm Trái đất quay hoàn toàn quanh Mặt trời. Hành tinh này được cho là sẽ chuyển động ngược dòng ether trong sáu tháng, ether được cho là “thổi vào cánh buồm” của Trái đất trong sáu tháng, nhưng kết quả là bằng không: sự dịch chuyển của sóng ánh sáng dưới tác động của ether là không được phát hiện, điều này gây ra nghi ngờ về sự tồn tại của ether.

Lorentz và Poincaré

Các nhà vật lý cố gắng tìm lời giải thích cho kết quả thí nghiệm phát hiện ether. Hendrik Lorenz (1853-1928) đã đề xuất mô hình toán học của mình. Nó làm sống lại sự lấp đầy không gian bằng ether, nhưng chỉ với một giả định rất có điều kiện và nhân tạo rằng khi chuyển động trong ether, các vật thể có thể co lại theo hướng chuyển động. Mô hình này đã được sửa đổi bởi Henri Poincaré vĩ đại (1854-1912).

Trong tác phẩm của hai nhà khoa học này, lần đầu tiên những khái niệm hình thành nên các định đề chính của thuyết tương đối đã xuất hiện, và điều này không cho phép những cáo buộc đạo văn của Einstein lắng xuống. Chúng bao gồm tính quy ước của khái niệm tính đồng thời, giả thuyết về tốc độ không đổi của ánh sáng. Poincaré thừa nhận rằng ở tốc độ cao, các định luật cơ học của Newton cần phải làm lại, và kết luận rằng chuyển động là thuyết tương đối, nhưng khi áp dụng vào lý thuyết ether.

Thuyết tương đối đặc biệt - SRT

Các vấn đề về mô tả chính xác các quá trình điện từ đã trở thành lý do thúc đẩy việc chọn chủ đề phát triển lý thuyết, và các bài báo của Einstein xuất bản năm 1905 có cách giải thích một trường hợp đặc biệt - chuyển động đều và chuyển động thẳng. Đến năm 1915, thuyết tương đối rộng được hình thành, giải thích được tương tác hấp dẫn, nhưng lý thuyết đầu tiên được gọi là đặc biệt.

Thuyết tương đối đặc biệt của Einstein có thể được phát biểu ngắn gọn dưới dạng hai tiên đề chính. Lý thuyết thứ nhất mở rộng tác dụng của nguyên lý tương đối của Galileo đối với mọi hiện tượng vật lý, chứ không chỉ đối với các quá trình cơ học. Ở dạng tổng quát hơn, nó phát biểu: Mọi định luật vật lý đều giống nhau đối với mọi hệ quy chiếu quán tính (chuyển động đều theo đường thẳng hoặc đứng yên).

Phát biểu thứ hai, chứa đựng thuyết tương đối đặc biệt: tốc độ truyền ánh sáng trong chân không là như nhau đối với mọi hệ quy chiếu quán tính. Tiếp theo, một kết luận mang tính tổng quát hơn được đưa ra: tốc độ ánh sáng là giá trị cực đại tối đa cho tốc độ truyền tải các tương tác trong tự nhiên.

Trong các phép tính toán học của STR, người ta đã đưa ra công thức E=mc2, công thức này trước đây đã xuất hiện trong các ấn phẩm vật lý, nhưng chính nhờ Einstein mà nó trở nên nổi tiếng và phổ biến nhất trong lịch sử khoa học. Kết luận về sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng là công thức mang tính cách mạng nhất của thuyết tương đối. Khái niệm cho rằng bất kỳ vật thể nào có khối lượng đều chứa một lượng năng lượng khổng lồ đã trở thành cơ sở cho sự phát triển trong việc sử dụng năng lượng hạt nhân và trên hết, dẫn đến sự xuất hiện của bom nguyên tử.

Hiệu ứng của thuyết tương đối đặc biệt

Một số hệ quả xuất phát từ STR, được gọi là hiệu ứng tương đối tính (thuyết tương đối). Sự giãn nở thời gian là một trong những điểm nổi bật nhất. Bản chất của nó là trong một hệ quy chiếu chuyển động, thời gian chuyển động chậm hơn. Các tính toán cho thấy trên một con tàu vũ trụ thực hiện chuyến bay giả định đến hệ sao Alpha Centauri và quay trở lại với tốc độ 0,95 c (c là tốc độ ánh sáng), 7,3 năm sẽ trôi qua và trên Trái đất - 12 năm. Những ví dụ như vậy thường được trích dẫn khi giải thích thuyết tương đối cho người giả, cũng như nghịch lý song sinh có liên quan.

Một hiệu ứng khác là sự giảm kích thước tuyến tính, nghĩa là, theo quan điểm của người quan sát, các vật chuyển động tương đối với anh ta với tốc độ gần bằng c sẽ có kích thước tuyến tính nhỏ hơn theo hướng chuyển động so với chiều dài của chính chúng. Hiệu ứng này, được dự đoán bởi vật lý tương đối tính, được gọi là sự co Lorentz.

Theo các định luật động học tương đối tính, khối lượng của một vật chuyển động lớn hơn khối lượng nghỉ của nó. Hiệu ứng này trở nên đặc biệt quan trọng khi phát triển các công cụ nghiên cứu các hạt cơ bản - nếu không tính đến nó thì thật khó để hình dung hoạt động của LHC (Máy Va chạm Hadron Lớn).

không thời gian

Một trong những thành phần quan trọng nhất của SRT là biểu diễn đồ họa của động học tương đối tính, một khái niệm đặc biệt về không-thời gian thống nhất, được đề xuất bởi nhà toán học người Đức Hermann Minkowski, người từng là giáo viên dạy toán cho một học trò của Albert Einstein. .

Bản chất của mô hình Minkowski là một cách tiếp cận hoàn toàn mới để xác định vị trí của các đối tượng tương tác. Thuyết tương đối đặc biệt đặc biệt chú ý đến thời gian. Thời gian không chỉ trở thành tọa độ thứ tư của hệ tọa độ ba chiều cổ điển; thời gian không phải là một giá trị tuyệt đối mà là một đặc tính không thể tách rời của không gian, nó có dạng liên tục không-thời gian, được biểu diễn bằng đồ họa dưới dạng hình nón, trong đó mọi tương tác xảy ra.

Không gian như vậy trong thuyết tương đối, với sự phát triển của nó đến một bản chất tổng quát hơn, sau này chịu sự uốn cong, điều này làm cho một mô hình như vậy trở nên phù hợp để mô tả các tương tác hấp dẫn.

Sự phát triển hơn nữa của lý thuyết

SRT không ngay lập tức tìm được sự hiểu biết của các nhà vật lý, nhưng dần dần nó trở thành công cụ chính để mô tả thế giới, đặc biệt là thế giới của các hạt cơ bản, trở thành đối tượng nghiên cứu chính của khoa học vật lý. Nhưng nhiệm vụ bổ sung cho SRT lời giải thích về lực hấp dẫn là rất cấp bách, và Einstein đã không ngừng làm việc, mài giũa các nguyên lý của thuyết tương đối rộng - GTR. Quá trình xử lý toán học của các nguyên tắc này mất khá nhiều thời gian - khoảng 11 năm và các chuyên gia từ các lĩnh vực khoa học chính xác liên quan đến vật lý đã tham gia vào việc đó.

Như vậy, đã có sự đóng góp to lớn của nhà toán học hàng đầu thời bấy giờ, David Hilbert (1862-1943), người đã trở thành một trong những đồng tác giả của các phương trình trường hấp dẫn. Chúng là những viên đá cuối cùng trong việc xây dựng một tòa nhà đẹp đẽ được đặt tên là thuyết tương đối tổng quát, hay GTR.

Thuyết Tương Đối Tổng Quát - General Relativity

Lý thuyết hiện đại về trường hấp dẫn, lý thuyết về cấu trúc “không-thời gian”, hình học về “không-thời gian”, định luật tương tác vật lý trong các hệ báo cáo phi quán tính - tất cả đều là những tên gọi khác nhau được đặt cho Albert Einstein thuyết tương đối tổng quát.

Lý thuyết về lực hấp dẫn phổ quát, từ lâu đã xác định quan điểm của khoa học vật lý về lực hấp dẫn, về sự tương tác của các vật thể và trường có kích thước khác nhau. Nghịch lý thay, nhược điểm chính của nó là bản chất vô hình, ảo tưởng và toán học của nó. Có một khoảng trống giữa các ngôi sao và các hành tinh; lực hút giữa các thiên thể được giải thích bằng tác dụng tầm xa của một số lực nhất định và các lực tức thời tại đó. Lý thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein đã lấp đầy lực hấp dẫn bằng nội dung vật lý và trình bày nó dưới dạng tiếp xúc trực tiếp với các vật thể vật chất khác nhau.

Hình học của trọng lực

Ý tưởng chính mà Einstein giải thích về tương tác hấp dẫn rất đơn giản. Ông tuyên bố không-thời gian là một biểu hiện vật lý của lực hấp dẫn, có những dấu hiệu khá hữu hình - các hệ mét và sự biến dạng, bị ảnh hưởng bởi khối lượng của vật thể xung quanh mà các độ cong như vậy được hình thành. Có một thời, Einstein thậm chí còn được ghi nhận là người đã kêu gọi quay trở lại lý thuyết vũ trụ với khái niệm ether, như một môi trường vật chất đàn hồi lấp đầy không gian. Anh ấy giải thích rằng anh ấy khó có thể gọi một chất có nhiều đặc tính có thể mô tả là vauum.

Do đó, lực hấp dẫn là biểu hiện của các tính chất hình học của không-thời gian bốn chiều, được chỉ định trong SRT là không bị cong, nhưng trong những trường hợp tổng quát hơn, nó có độ cong, xác định chuyển động của các vật thể vật chất, được cho như nhau gia tốc theo nguyên lý tương đương do Einstein tuyên bố.

Nguyên lý cơ bản này của thuyết tương đối giải thích nhiều “nút thắt cổ chai” trong lý thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton: sự bẻ cong ánh sáng quan sát thấy khi đi qua gần các vật thể vũ trụ có khối lượng lớn trong một số hiện tượng thiên văn và, được người xưa ghi nhận, cùng gia tốc rơi của cơ thể, bất kể khối lượng của chúng.

Mô hình hóa độ cong của không gian

Một ví dụ phổ biến được sử dụng để giải thích lý thuyết tương đối tổng quát cho hình nộm là sự biểu diễn không-thời gian dưới dạng tấm bạt lò xo - một màng mỏng đàn hồi trên đó các vật thể (thường là các quả bóng) được đặt ra, mô phỏng các vật thể tương tác. Những quả bóng nặng uốn cong màng, tạo thành một cái phễu xung quanh chúng. Một quả bóng nhỏ hơn được phóng đi trên bề mặt sẽ chuyển động hoàn toàn theo định luật hấp dẫn, dần dần lăn vào những chỗ lõm được tạo thành bởi những vật thể có khối lượng lớn hơn.

Nhưng một ví dụ như vậy là khá thông thường. Không-thời gian thực là đa chiều, độ cong của nó trông cũng không có gì sơ đẳng, nhưng nguyên lý hình thành tương tác hấp dẫn và bản chất của thuyết tương đối trở nên rõ ràng. Dù thế nào đi nữa, vẫn chưa tồn tại một giả thuyết nào có thể giải thích thuyết hấp dẫn một cách hợp lý và mạch lạc hơn.

Bằng chứng của sự thật

Thuyết tương đối rộng nhanh chóng được coi là nền tảng vững chắc để xây dựng nền vật lý hiện đại. Ngay từ đầu, thuyết tương đối đã khiến không chỉ các chuyên gia kinh ngạc về sự hài hòa và hài hòa của nó, và ngay sau khi xuất hiện, nó đã bắt đầu được xác nhận bằng các quan sát.

Điểm gần Mặt trời nhất - điểm cận nhật - của quỹ đạo Sao Thủy đang dần dịch chuyển so với quỹ đạo của các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời, được phát hiện vào giữa thế kỷ 19. Chuyển động này - tuế sai - không tìm được lời giải thích hợp lý trong khuôn khổ lý thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, nhưng được tính toán chính xác trên cơ sở thuyết tương đối rộng.

Nhật thực xảy ra vào năm 1919 mang lại cơ hội cho một bằng chứng khác về thuyết tương đối rộng. Arthur Eddington, người tự gọi đùa mình là người thứ hai trong số ba người hiểu được những điều cơ bản của thuyết tương đối, đã xác nhận những sai lệch mà Einstein dự đoán khi các photon ánh sáng đi qua gần ngôi sao: tại thời điểm nhật thực, một sự dịch chuyển biểu kiến vị trí của một số ngôi sao trở nên đáng chú ý.

Một thí nghiệm nhằm phát hiện sự chậm lại của đồng hồ hoặc dịch chuyển đỏ hấp dẫn đã được chính Einstein đề xuất, cùng với những bằng chứng khác về thuyết tương đối rộng. Chỉ sau nhiều năm người ta mới có thể chuẩn bị được những thiết bị thí nghiệm cần thiết và tiến hành thí nghiệm này. Sự dịch chuyển hấp dẫn của tần số bức xạ từ máy phát và máy thu, cách nhau về độ cao, hóa ra nằm trong giới hạn được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng, và các nhà vật lý Harvard Robert Pound và Glen Rebka, người thực hiện thí nghiệm này, sau đó chỉ làm tăng độ chính xác của các phép đo và công thức của thuyết tương đối một lần nữa hóa ra lại đúng.

Thuyết tương đối của Einstein luôn hiện diện trong sự biện minh cho những dự án thám hiểm không gian quan trọng nhất. Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng nó đã trở thành một công cụ kỹ thuật dành cho các chuyên gia, đặc biệt là những người làm việc với hệ thống định vị vệ tinh - GPS, GLONASS, v.v. Không thể tính tọa độ của một vật thể với độ chính xác cần thiết, ngay cả trong một không gian tương đối nhỏ, mà không tính đến sự chậm lại tín hiệu được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng. Đặc biệt là khi chúng ta đang nói về những vật thể cách nhau khoảng cách vũ trụ, nơi sai số trong việc điều hướng có thể rất lớn.

Người sáng tạo ra thuyết tương đối

Albert Einstein vẫn còn trẻ khi ông công bố các nguyên lý của thuyết tương đối. Sau đó, anh ấy thấy rõ những thiếu sót và mâu thuẫn của nó. Đặc biệt, vấn đề quan trọng nhất của thuyết tương đối rộng là không thể tích hợp nó vào cơ học lượng tử, vì việc mô tả các tương tác hấp dẫn sử dụng các nguyên lý hoàn toàn khác nhau. Cơ học lượng tử xem xét sự tương tác của các vật thể trong một không-thời gian duy nhất và đối với Einstein, chính không gian này tạo thành lực hấp dẫn.

Viết “công thức của mọi thứ tồn tại” - một lý thuyết trường thống nhất sẽ loại bỏ những mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử, là mục tiêu của Einstein trong nhiều năm; ông đã nghiên cứu lý thuyết này cho đến giờ cuối cùng, nhưng không đạt được thành công. Các vấn đề của thuyết tương đối rộng đã trở thành động lực thúc đẩy nhiều nhà lý thuyết tìm kiếm những mô hình tiên tiến hơn của thế giới. Đây là cách các lý thuyết dây, lực hấp dẫn lượng tử vòng và nhiều lý thuyết khác xuất hiện.

Nhân cách của tác giả Thuyết tương đối rộng đã để lại dấu ấn trong lịch sử có thể so sánh với tầm quan trọng đối với khoa học của chính thuyết tương đối. Cô vẫn không để bất cứ ai thờ ơ. Bản thân Einstein cũng tự hỏi tại sao những người không liên quan gì đến vật lý lại dành nhiều sự quan tâm đến ông và công trình của ông đến vậy. Nhờ những phẩm chất cá nhân, sự hóm hỉnh nổi tiếng, vị trí chính trị tích cực và thậm chí cả vẻ ngoài biểu cảm, Einstein đã trở thành nhà vật lý nổi tiếng nhất Trái đất, anh hùng của nhiều cuốn sách, phim ảnh và trò chơi máy tính.

Sự kết thúc cuộc đời của ông được nhiều người mô tả một cách đầy ấn tượng: ông cô đơn, tự cho rằng mình phải chịu trách nhiệm về sự xuất hiện của loại vũ khí khủng khiếp nhất, thứ đã trở thành mối đe dọa đối với mọi sự sống trên hành tinh, lý thuyết trường thống nhất của ông vẫn là một giấc mơ viển vông, nhưng là điều tốt nhất Kết quả có thể coi là lời của Einstein, đã nói không lâu trước khi qua đời về việc ông đã hoàn thành nhiệm vụ của mình trên Trái đất. Thật khó để tranh luận với điều đó.

Thuyết tương đối tổng quát(GTR) là một lý thuyết hình học về lực hấp dẫn được Albert Einstein công bố vào năm 1915–16. Trong khuôn khổ của lý thuyết này, là sự phát triển hơn nữa của lý thuyết tương đối đặc biệt, người ta cho rằng hiệu ứng hấp dẫn được gây ra không phải bởi sự tương tác lực giữa các vật thể và trường nằm trong không-thời gian, mà là do sự biến dạng của không-thời gian. bản thân nó, đặc biệt là gắn liền với sự hiện diện của năng lượng khối lượng. Do đó, trong thuyết tương đối tổng quát, cũng như trong các lý thuyết số liệu khác, lực hấp dẫn không phải là một tương tác lực. Thuyết tương đối rộng khác với các lý thuyết số liệu khác về lực hấp dẫn ở chỗ sử dụng các phương trình Einstein để liên hệ độ cong của không thời gian với vật chất có trong không gian.

Thuyết tương đối rộng hiện nay là lý thuyết hấp dẫn thành công nhất, được xác nhận rõ ràng bởi các quan sát. Thành công đầu tiên của thuyết tương đối rộng là giải thích được sự tiến động dị thường của điểm cận nhật của Sao Thủy. Sau đó, vào năm 1919, Arthur Eddington báo cáo quan sát thấy ánh sáng bị bẻ cong gần Mặt trời trong hiện tượng nhật thực toàn phần, xác nhận những dự đoán của thuyết tương đối rộng.

Kể từ đó, nhiều quan sát và thí nghiệm khác đã xác nhận một số lượng đáng kể các dự đoán của lý thuyết, bao gồm sự giãn nở thời gian do hấp dẫn, dịch chuyển đỏ hấp dẫn, độ trễ tín hiệu trong trường hấp dẫn, và cho đến nay chỉ là bức xạ hấp dẫn một cách gián tiếp. Ngoài ra, nhiều quan sát được hiểu là sự xác nhận cho một trong những dự đoán bí ẩn và kỳ lạ nhất của thuyết tương đối rộng - sự tồn tại của các lỗ đen.

Bất chấp sự thành công đáng kinh ngạc của thuyết tương đối rộng, cộng đồng khoa học vẫn cảm thấy khó chịu vì thực tế là nó không thể được phát biểu lại thành giới hạn cổ điển của lý thuyết lượng tử do sự xuất hiện của các phân kỳ toán học không thể xóa bỏ khi xem xét các lỗ đen và không-thời gian. những điểm kỳ dị nói chung. Một số lý thuyết thay thế đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này. Dữ liệu thực nghiệm hiện đại chỉ ra rằng bất kỳ loại sai lệch nào so với thuyết tương đối rộng sẽ rất nhỏ, nếu nó tồn tại.

Nguyên tắc cơ bản của thuyết tương đối rộng

Lý thuyết hấp dẫn của Newton dựa trên khái niệm lực hấp dẫn, là một lực có tầm xa: nó tác dụng tức thời ở bất kỳ khoảng cách nào. Bản chất tức thời này của tác dụng không tương thích với mô hình trường của vật lý hiện đại và đặc biệt là với thuyết tương đối đặc biệt, được Einstein tạo ra vào năm 1905, lấy cảm hứng từ công trình của Poincaré và Lorentz. Theo lý thuyết của Einstein, không có thông tin nào có thể truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không.

Về mặt toán học, lực hấp dẫn của Newton được suy ra từ thế năng của một vật thể trong trường hấp dẫn. Thế năng hấp dẫn tương ứng với thế năng này tuân theo phương trình Poisson, phương trình này không bất biến dưới các phép biến đổi Lorentz. Sở dĩ có tính bất biến là năng lượng trong thuyết tương đối đặc biệt không phải là đại lượng vô hướng mà đi vào thành phần thời gian của vectơ 4 chiều. Lý thuyết vectơ hấp dẫn hóa ra giống với lý thuyết trường điện từ của Maxwell và dẫn đến năng lượng âm của sóng hấp dẫn, gắn liền với bản chất của sự tương tác: các điện tích (khối lượng) giống nhau trong lực hấp dẫn thì hút nhau và không đẩy nhau, như trong điện từ. Do đó, lý thuyết hấp dẫn của Newton không tương thích với nguyên lý cơ bản của thuyết tương đối hẹp - tính bất biến của các định luật tự nhiên trong bất kỳ hệ quy chiếu quán tính nào, và sự khái quát hóa vectơ trực tiếp của lý thuyết Newton, lần đầu tiên được đề xuất bởi Poincaré vào năm 1905 trong cuốn sách của ông. công trình “Về động lực học của điện tử” dẫn đến kết quả không đạt yêu cầu về mặt vật lý.

Einstein bắt đầu tìm kiếm một lý thuyết về lực hấp dẫn có thể tương thích với nguyên lý bất biến của các định luật tự nhiên đối với bất kỳ hệ quy chiếu nào. Kết quả của cuộc tìm kiếm này là lý thuyết tương đối tổng quát, dựa trên nguyên tắc đồng nhất khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính.

Nguyên lý bằng nhau của khối lượng hấp dẫn và quán tính

Trong cơ học Newton cổ điển, có hai khái niệm về khối lượng: khái niệm thứ nhất đề cập đến định luật thứ hai của Newton và khái niệm thứ hai đề cập đến định luật vạn vật hấp dẫn. Khối lượng đầu tiên - quán tính (hoặc quán tính) - là tỷ số giữa lực không hấp dẫn tác dụng lên vật và gia tốc của nó. Khối lượng thứ hai - trọng lực (hay đôi khi được gọi là nặng) - xác định lực hút của một vật thể bởi các vật thể khác và lực hút của chính nó. Nói chung, hai khối lượng này được đo, như có thể thấy từ mô tả, trong các thí nghiệm khác nhau, và do đó hoàn toàn không cần phải tỷ lệ với nhau. Tính tỉ lệ chặt chẽ của chúng cho phép chúng ta nói về một khối lượng vật thể duy nhất trong cả tương tác không hấp dẫn và tương tác hấp dẫn. Bằng cách chọn đơn vị thích hợp, các khối lượng này có thể bằng nhau. Bản thân nguyên lý này đã được đưa ra bởi Isaac Newton, và sự bằng nhau của khối lượng đã được ông xác minh bằng thực nghiệm với độ chính xác tương đối là 10?3. Vào cuối thế kỷ 19, Eötvös đã thực hiện những thí nghiệm tinh tế hơn, nâng độ chính xác của việc kiểm tra nguyên lý lên 10?9. Trong thế kỷ 20, công nghệ thực nghiệm đã giúp người ta có thể xác nhận sự bằng nhau của khối lượng với độ chính xác tương đối là 10?12-10?13 (Braginsky, Dicke, v.v.). Đôi khi nguyên lý về sự bằng nhau của khối lượng hấp dẫn và quán tính được gọi là nguyên lý tương đương yếu. Albert Einstein dựa trên lý thuyết tương đối rộng.

Nguyên lý chuyển động dọc theo đường trắc địa

Nếu khối lượng hấp dẫn chính xác bằng khối lượng quán tính thì trong biểu thức tính gia tốc của vật chỉ chịu tác dụng của lực hấp dẫn, cả hai khối lượng đều triệt tiêu. Do đó, gia tốc của một vật và do đó quỹ đạo của nó không phụ thuộc vào khối lượng và cấu trúc bên trong của vật đó. Nếu tất cả các vật tại cùng một điểm trong không gian đều nhận được một gia tốc như nhau, thì gia tốc này có thể không liên quan đến các tính chất của vật thể mà liên quan đến các tính chất của chính không gian tại điểm đó.

Do đó, việc mô tả tương tác hấp dẫn giữa các vật thể có thể quy giản thành mô tả không-thời gian trong đó các vật thể chuyển động. Thật tự nhiên khi giả định, như Einstein đã làm, rằng các vật thể chuyển động theo quán tính, nghĩa là sao cho gia tốc của chúng trong hệ quy chiếu của chính chúng bằng không. Quỹ đạo của các vật thể khi đó sẽ là các đường trắc địa, lý thuyết về đường này đã được các nhà toán học phát triển vào thế kỷ 19.

Bản thân các đường trắc địa có thể được tìm thấy bằng cách xác định trong không-thời gian một khoảng cách tương tự giữa hai sự kiện, theo truyền thống được gọi là một khoảng hoặc một hàm thế giới. Một khoảng trong không gian ba chiều và thời gian một chiều (nói cách khác, trong không-thời gian bốn chiều) được cho bởi 10 thành phần độc lập của tenxơ mét. 10 số này tạo thành thước đo không gian. Nó xác định “khoảng cách” giữa hai điểm vô cùng gần nhau trong không-thời gian theo các hướng khác nhau. Các đường trắc địa tương ứng với các đường thế giới của các vật thể vật chất có tốc độ nhỏ hơn tốc độ ánh sáng hóa ra lại là các đường có thời gian riêng lớn nhất, tức là thời gian được đo bằng một chiếc đồng hồ gắn chặt vào vật thể theo quỹ đạo này. Các thí nghiệm hiện đại xác nhận chuyển động của các vật thể dọc theo các đường trắc địa với độ chính xác tương đương với sự bằng nhau của khối lượng hấp dẫn và quán tính.

Độ cong của không thời gian

Nếu bạn phóng hai vật song song với nhau từ hai điểm gần nhau, thì trong trường hấp dẫn, chúng sẽ dần dần tiến lại gần nhau hoặc di chuyển ra xa nhau. Hiệu ứng này được gọi là độ lệch đường trắc địa. Một hiệu ứng tương tự có thể được quan sát trực tiếp nếu hai quả bóng được phóng song song với nhau dọc theo một màng cao su trên đó đặt một vật nặng ở giữa. Các quả bóng sẽ phân tán: quả bóng ở gần vật đẩy qua màng sẽ có xu hướng về tâm mạnh hơn quả bóng ở xa hơn. Sự khác biệt (độ lệch) này là do độ cong của màng. Tương tự, trong không-thời gian, độ lệch của đường trắc địa (sự phân kỳ quỹ đạo của các vật thể) gắn liền với độ cong của nó. Độ cong của không-thời gian được xác định duy nhất bởi số liệu của nó - tenxơ số liệu. Sự khác biệt giữa thuyết tương đối tổng quát và các lý thuyết thay thế về hấp dẫn trong hầu hết các trường hợp được xác định chính xác ở phương pháp kết nối giữa vật chất (các vật thể và trường có bản chất phi hấp dẫn tạo ra trường hấp dẫn) và các tính chất số liệu của không-thời gian.

Thuyết tương đối rộng không-thời gian và nguyên lý tương đương mạnh

Người ta thường tin một cách sai lầm rằng cơ sở của thuyết tương đối tổng quát là nguyên lý tương đương của trường hấp dẫn và trường quán tính, lý thuyết này có thể được phát biểu như sau:
Một hệ thống vật lý cục bộ, có kích thước khá nhỏ, nằm trong trường hấp dẫn, không thể phân biệt được về hành vi với cùng một hệ thống nằm trong một hệ quy chiếu có gia tốc (so với hệ quy chiếu quán tính), được đặt trong không-thời gian phẳng của lý thuyết đặc biệt. của thuyết tương đối.

Đôi khi nguyên lý tương tự được coi là "giá trị cục bộ của thuyết tương đối đặc biệt" hay được gọi là "nguyên lý tương đương mạnh".

Trong lịch sử, nguyên lý này thực sự đóng một vai trò lớn trong sự phát triển của thuyết tương đối rộng và đã được Einstein sử dụng trong quá trình phát triển nó. Tuy nhiên, ở dạng cuối cùng nhất của lý thuyết, trên thực tế, nó không bị chứa đựng, vì không-thời gian, cả trong hệ quy chiếu gia tốc lẫn trong hệ quy chiếu ban đầu trong lý thuyết tương đối đặc biệt, đều không bị cong - phẳng, và ở dạng thuyết tương đối rộng nó bị uốn cong bởi bất kỳ vật thể nào và chính xác độ cong của nó gây ra lực hút hấp dẫn của các vật thể.

Điều quan trọng cần lưu ý là sự khác biệt chính giữa không-thời gian của thuyết tương đối rộng và không-thời gian của thuyết tương đối hẹp là độ cong của nó, được biểu thị bằng đại lượng tensor - tenxơ cong. Trong không-thời gian của thuyết tương đối hẹp, tensor này bằng 0 và không-thời gian là phẳng.

Vì lý do này, cái tên “thuyết tương đối rộng” không hoàn toàn chính xác. Lý thuyết này chỉ là một trong số các lý thuyết về lực hấp dẫn hiện đang được các nhà vật lý xem xét, trong khi lý thuyết tương đối đặc biệt (chính xác hơn là nguyên lý về độ đo của không-thời gian) thường được cộng đồng khoa học chấp nhận và tạo thành nền tảng của nền tảng của vật lý hiện đại. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không có lý thuyết nào về lực hấp dẫn được phát triển khác, ngoại trừ Thuyết tương đối rộng, đã đứng vững được trước thử thách của thời gian và thực nghiệm.

Những hệ quả chính của thuyết tương đối rộng

Theo nguyên lý tương ứng, trong trường hấp dẫn yếu, các tiên đoán của thuyết tương đối rộng trùng khớp với kết quả áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton với những hiệu chỉnh nhỏ tăng dần khi cường độ trường tăng.

Các hệ quả được dự đoán và thử nghiệm đầu tiên của thuyết tương đối rộng là ba hiệu ứng cổ điển, được liệt kê dưới đây theo thứ tự thời gian của lần thử nghiệm đầu tiên:
1. Sự thay đổi bổ sung về điểm cận nhật của quỹ đạo Sao Thủy so với dự đoán của cơ học Newton.
2. Sự lệch của chùm sáng trong trường hấp dẫn của Mặt trời.
3. Dịch chuyển đỏ hấp dẫn, hay sự giãn nở thời gian trong trường hấp dẫn.

Có một số tác dụng khác có thể được xác minh bằng thực nghiệm. Trong số đó có thể kể đến sự làm lệch và làm chậm lại (hiệu ứng Shapiro) của sóng điện từ trong trường hấp dẫn của Mặt trời và Sao Mộc, hiệu ứng Lense-Thirring (sự tiến động của con quay hồi chuyển gần một vật thể quay), bằng chứng vật lý thiên văn về sự tồn tại của lỗ đen. , bằng chứng về sự phát xạ sóng hấp dẫn của các hệ sao đôi ở gần và sự giãn nở của Vũ trụ.

Cho đến nay, không có bằng chứng thực nghiệm đáng tin cậy nào bác bỏ thuyết tương đối rộng được tìm thấy. Độ lệch của kích thước hiệu ứng đo được so với kích thước được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng không vượt quá 0,1% (đối với ba hiện tượng cổ điển ở trên). Mặc dù vậy, vì nhiều lý do khác nhau, các nhà lý thuyết đã phát triển ít nhất 30 lý thuyết thay thế về lực hấp dẫn và một số trong số đó có thể thu được kết quả gần với thuyết tương đối rộng một cách tùy ý với các giá trị phù hợp của các tham số có trong lý thuyết.

100 RUR tiền thưởng cho đơn hàng đầu tiên

Chọn loại công việc Bài tập cấp bằng Bài tập khóa học Tóm tắt Luận văn thạc sĩ Báo cáo thực hành Bài viết Báo cáo Đánh giá Bài kiểm tra Chuyên khảo Giải quyết vấn đề Kế hoạch kinh doanh Trả lời câu hỏi Công việc sáng tạo Tiểu luận Vẽ bài luận Dịch thuật Trình bày Đánh máy Khác Tăng tính độc đáo của văn bản Luận văn thạc sĩ Công việc trong phòng thí nghiệm Trợ giúp trực tuyến

Tìm hiểu giá

Thuyết tương đối đặc biệt được phát triển vào đầu thế kỷ 20 nhờ nỗ lực của G. A. Lorentz, A. Poincaré và A. Einstein.

Các tiên đề của Einstein

SRT hoàn toàn có nguồn gốc ở mức độ chặt chẽ về mặt vật lý từ hai định đề (giả định):

Nguyên lý tương đối của Einstein là sự mở rộng của nguyên lý tương đối của Galileo.

Tốc độ ánh sáng không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn trong mọi hệ quy chiếu quán tính.

Việc xác minh bằng thực nghiệm các định đề của STR ở một mức độ nhất định phức tạp bởi các vấn đề triết học: khả năng viết các phương trình của bất kỳ lý thuyết nào ở dạng bất biến bất kể nội dung vật lý của nó và khó khăn trong việc diễn giải các khái niệm về “độ dài”, “thời gian”. ” và “hệ quy chiếu quán tính” trong điều kiện có hiệu ứng tương đối tính.

Bản chất của trạm dịch vụ

Một hệ quả của các định đề của SRT là các phép biến đổi Lorentz, chúng thay thế các phép biến đổi Galilê cho chuyển động “cổ điển”, phi tương đối tính. Những phép biến đổi này kết nối tọa độ và thời gian của cùng một sự kiện được quan sát từ các hệ quy chiếu quán tính khác nhau.

Chính họ là người mô tả những hiệu ứng nổi tiếng như sự chậm lại của thời gian và sự rút ngắn chiều dài của các vật chuyển động nhanh, sự tồn tại tốc độ chuyển động cực đại của một vật (tức là tốc độ ánh sáng), tính tương đối của khái niệm tính đồng thời (hai sự kiện xảy ra đồng thời theo đồng hồ trong cùng một hệ quy chiếu, nhưng ở các thời điểm khác nhau theo đồng hồ trong một hệ quy chiếu khác).

Lý thuyết tương đối đặc biệt đã nhận được nhiều xác nhận thực nghiệm và là một lý thuyết chính xác vô điều kiện trong lĩnh vực ứng dụng của nó. Lý thuyết tương đối đặc biệt không còn hoạt động trên quy mô của toàn bộ Vũ trụ, cũng như trong trường hợp trường hấp dẫn mạnh, nơi nó được thay thế bằng một lý thuyết tổng quát hơn - lý thuyết tương đối tổng quát. Lý thuyết tương đối đặc biệt cũng được áp dụng trong thế giới vi mô; sự tổng hợp của nó với cơ học lượng tử là lý thuyết trường lượng tử.

Bình luận

Cũng giống như trường hợp của cơ học lượng tử, nhiều dự đoán của thuyết tương đối là phản trực giác, có vẻ khó tin và không thể thực hiện được. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là thuyết tương đối sai. Trên thực tế, cách chúng ta nhìn (hoặc muốn nhìn) thế giới xung quanh và cách nó thực sự diễn ra có thể rất khác nhau. Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học trên thế giới đã cố gắng bác bỏ SRT. Không nỗ lực nào trong số này có thể tìm ra sai sót nhỏ nhất trong lý thuyết. Thực tế là lý thuyết này đúng về mặt toán học được chứng minh bằng dạng toán học chặt chẽ và sự rõ ràng của tất cả các công thức. Việc SRT thực sự mô tả thế giới của chúng ta được chứng minh bằng kinh nghiệm thực nghiệm rộng lớn. Nhiều hệ quả của lý thuyết này được ứng dụng trong thực tế. Rõ ràng, mọi nỗ lực “bác bỏ STR” đều thất bại vì bản thân lý thuyết này dựa trên ba định đề của Galileo (được mở rộng phần nào), trên cơ sở đó cơ học Newton được xây dựng, cũng như trên một định đề bổ sung về hằng số tốc độ ánh sáng trong mọi hệ quy chiếu. Cả bốn đều không gây nghi ngờ gì trong giới hạn độ chính xác tối đa của các phép đo hiện đại: tốt hơn 10 - 12 và ở một số khía cạnh - lên tới 10 - 15. Hơn nữa, độ chính xác của việc xác minh của chúng cao đến mức độ ổn định của Tốc độ ánh sáng là cơ sở để định nghĩa đồng hồ - đơn vị chiều dài, do đó tốc độ ánh sáng tự động trở thành một hằng số nếu các phép đo được thực hiện theo các yêu cầu đo lường.

STR mô tả các hiện tượng vật lý phi hấp dẫn với độ chính xác rất cao. Nhưng điều này không loại trừ khả năng làm rõ và bổ sung nó. Ví dụ, lý thuyết tương đối rộng là sự cải tiến của SRT có tính đến hiện tượng hấp dẫn. Sự phát triển của lý thuyết lượng tử vẫn đang tiếp tục và nhiều nhà vật lý tin rằng lý thuyết hoàn chỉnh trong tương lai sẽ trả lời tất cả các câu hỏi có ý nghĩa vật lý và sẽ cung cấp trong giới hạn của cả STR kết hợp với lý thuyết trường lượng tử và GRT. Rất có thể, SRT sẽ phải đối mặt với số phận tương tự như cơ học Newton - những giới hạn về khả năng ứng dụng của nó sẽ được vạch ra một cách chính xác. Đồng thời, một lý thuyết tổng quát tối đa như vậy vẫn còn là một viễn cảnh rất xa vời và không phải tất cả các nhà khoa học đều tin rằng việc xây dựng nó thậm chí có thể thực hiện được.

Thuyết tương đối tổng quát

Thuyết tương đối rộng hiện nay (2007) là lý thuyết hấp dẫn thành công nhất, được xác nhận rõ ràng bởi các quan sát. Thành công đầu tiên của thuyết tương đối rộng là giải thích được sự tiến động dị thường của điểm cận nhật của Sao Thủy. Sau đó, vào năm 1919, Arthur Eddington báo cáo quan sát thấy ánh sáng bị bẻ cong gần Mặt trời trong hiện tượng nhật thực toàn phần, điều này đã xác nhận những dự đoán của thuyết tương đối rộng. - sự tồn tại của lỗ đen.

Nguyên lý bằng nhau của khối lượng hấp dẫn và quán tính

Trong cơ học Newton cổ điển, có hai khái niệm về khối lượng: khái niệm thứ nhất đề cập đến định luật thứ hai của Newton và khái niệm thứ hai đề cập đến định luật vạn vật hấp dẫn. Khối lượng thứ nhất - trơ (hoặc quán tính) - là tỉ số không hấp dẫn lực tác dụng lên vật làm nó tăng tốc. Khối lượng thứ hai là trọng lực (hoặc, như đôi khi nó được gọi là, nặng) - xác định lực hấp dẫn của một vật bởi các vật khác và lực hấp dẫn của chính nó. Nói chung, hai khối lượng này được đo, như có thể thấy từ mô tả, trong các thí nghiệm khác nhau, và do đó hoàn toàn không cần phải tỷ lệ với nhau. Tính tỉ lệ chặt chẽ của chúng cho phép chúng ta nói về một khối lượng vật thể duy nhất trong cả tương tác không hấp dẫn và tương tác hấp dẫn. Bằng cách chọn đơn vị thích hợp, các khối lượng này có thể bằng nhau.

Nguyên lý chuyển động dọc theo đường trắc địa

Các thí nghiệm hiện đại xác nhận chuyển động của các vật thể dọc theo các đường trắc địa với độ chính xác tương đương với sự bằng nhau của khối lượng hấp dẫn và quán tính.

Độ cong của không thời gian

Những hệ quả chính của thuyết tương đối rộng

Các hệ quả được dự đoán và thử nghiệm đầu tiên của thuyết tương đối rộng là ba hiệu ứng cổ điển, được liệt kê dưới đây theo thứ tự thời gian của lần thử nghiệm đầu tiên:

Sự thay đổi bổ sung về điểm cận nhật của quỹ đạo Sao Thủy so với dự đoán của cơ học Newton.
Sự lệch của chùm tia sáng trong trường hấp dẫn của Mặt trời.
Dịch chuyển đỏ hấp dẫn, hay sự giãn nở thời gian trong trường hấp dẫn.

Lý thuyết tương đối rộng áp dụng cho tất cả các hệ quy chiếu (và không chỉ cho những hệ quy chiếu chuyển động với tốc độ không đổi so với nhau) và về mặt toán học có vẻ phức tạp hơn nhiều so với hệ quy chiếu đặc biệt (điều này giải thích khoảng cách 11 năm giữa hai lần xuất bản của chúng). Nó bao gồm một trường hợp đặc biệt là thuyết tương đối đặc biệt (và do đó là các định luật Newton). Đồng thời, thuyết tương đối tổng quát còn tiến xa hơn nhiều so với tất cả những thuyết trước đó. Đặc biệt, nó đưa ra một cách giải thích mới về lực hấp dẫn.

Thuyết tương đối rộng làm cho thế giới có bốn chiều: thời gian được thêm vào ba chiều không gian. Tất cả bốn chiều đều không thể tách rời, vì vậy chúng ta không còn nói về khoảng cách không gian giữa hai vật thể, như trường hợp trong thế giới ba chiều, mà là về khoảng cách không-thời gian giữa các sự kiện, kết hợp khoảng cách của chúng với nhau - cả hai trong thời gian và trong không gian. Nghĩa là, không gian và thời gian được coi là một thể liên tục không-thời gian bốn chiều hay nói đơn giản là không-thời gian. Trong sự liên tục này, những người quan sát chuyển động tương đối với nhau thậm chí có thể bất đồng về việc liệu hai sự kiện có xảy ra đồng thời hay không hay liệu sự kiện này có xảy ra trước sự kiện kia hay không. Thật may mắn cho trí óc kém cỏi của chúng ta, nó không đến mức vi phạm mối quan hệ nhân quả - tức là ngay cả thuyết tương đối rộng cũng không cho phép tồn tại những hệ tọa độ trong đó hai sự kiện không xảy ra đồng thời và khác nhau. trình tự.

Vật lý cổ điển coi trọng lực là một lực thông thường trong số nhiều lực tự nhiên (điện, từ, v.v.). Trọng lực được quy định là “tác dụng tầm xa” (sự thâm nhập “thông qua sự trống rỗng”) và khả năng đáng kinh ngạc là truyền gia tốc như nhau cho các vật thể có khối lượng khác nhau.

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton cho chúng ta biết rằng giữa hai vật thể bất kỳ trong Vũ trụ đều có lực hút lẫn nhau. Theo quan điểm này, Trái đất quay quanh Mặt trời, vì lực hút lẫn nhau tác dụng giữa chúng.

Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng buộc chúng ta phải nhìn hiện tượng này theo cách khác. Theo lý thuyết này, lực hấp dẫn là hệ quả của sự biến dạng (“độ cong”) của kết cấu đàn hồi của không-thời gian dưới tác dụng của khối lượng (vật thể càng nặng, ví dụ như Mặt trời, thì không-thời gian càng “uốn cong” dưới tác dụng của khối lượng). nó và theo đó, trường lực hấp dẫn của nó càng mạnh). Hãy tưởng tượng một tấm bạt căng (một loại tấm bạt lò xo) trên đó đặt một quả bóng lớn. Tấm bạt bị biến dạng dưới sức nặng của quả bóng và xung quanh nó hình thành một vết lõm hình phễu. Theo thuyết tương đối rộng, Trái đất quay quanh Mặt trời giống như một quả bóng nhỏ được phóng đi lăn quanh hình nón của một cái phễu được hình thành do sự “đẩy” không-thời gian bởi một quả bóng nặng - Mặt trời. Và những gì đối với chúng ta dường như là lực hấp dẫn, trên thực tế, về cơ bản là một biểu hiện thuần túy bên ngoài của độ cong của không-thời gian, chứ không hề là một lực theo cách hiểu của Newton. Cho đến nay, không có lời giải thích nào về bản chất của lực hấp dẫn tốt hơn thuyết tương đối tổng quát mang lại cho chúng ta.

Đầu tiên, chúng ta thảo luận về sự bằng nhau của gia tốc trọng trường đối với các vật có khối lượng khác nhau (sự thật là một chiếc chìa khóa nặng và một que diêm nhẹ rơi từ bàn xuống sàn nhanh như nhau). Như Einstein đã lưu ý, đặc tính độc đáo này làm cho lực hấp dẫn rất giống với quán tính.

Trên thực tế, chiếc chìa khóa và que diêm hoạt động như thể chúng đang chuyển động không trọng lượng theo quán tính và sàn phòng đang chuyển động về phía chúng với gia tốc. Sau khi chạm tới chìa khóa và que diêm, sàn nhà sẽ chịu tác động của chúng và sau đó là áp lực, bởi vì quán tính của chìa khóa và que diêm sẽ ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc thêm của sàn.

Áp suất này (các phi hành gia nói là “quá tải”) được gọi là lực quán tính. Một lực như vậy luôn tác dụng lên các vật thể trong hệ quy chiếu có gia tốc.

Nếu tên lửa bay với gia tốc bằng gia tốc trọng trường trên mặt đất (9,81 m/s) thì lực quán tính sẽ đóng vai trò là trọng lượng của chìa khóa và que diêm. Lực hấp dẫn “nhân tạo” của chúng sẽ giống hệt như lực hấp dẫn tự nhiên trên bề mặt Trái đất. Điều này có nghĩa là gia tốc của hệ quy chiếu là một hiện tượng khá giống với trọng lực.

Ngược lại, trong thang máy rơi tự do, trọng lực tự nhiên bị triệt tiêu bởi chuyển động tăng tốc của hệ quy chiếu trong cabin “đuổi theo” chìa khóa và diêm. Tất nhiên, vật lý cổ điển không thấy được sự xuất hiện và biến mất thực sự của lực hấp dẫn trong những ví dụ này. Trọng lực chỉ được mô phỏng hoặc bù đắp bằng gia tốc. Nhưng trong thuyết tương đối rộng, sự giống nhau giữa quán tính và trọng lực được thừa nhận là sâu sắc hơn nhiều.

Einstein đưa ra nguyên lý cục bộ về sự tương đương của quán tính và lực hấp dẫn, phát biểu rằng trên những phạm vi khoảng cách và thời gian đủ nhỏ, một hiện tượng không thể được phân biệt với một hiện tượng khác bằng bất kỳ thí nghiệm nào. Do đó, Thuyết tương đối rộng đã thay đổi nhận thức khoa học về thế giới một cách sâu sắc hơn. Định luật đầu tiên của động lực học Newton đã mất đi tính phổ quát - hóa ra chuyển động theo quán tính có thể cong và có gia tốc. Khái niệm khối lượng nặng không còn cần thiết nữa. Hình dạng của Vũ trụ đã thay đổi: thay vì không gian Euclid thẳng và thời gian đồng nhất, không-thời gian cong, một thế giới cong, đã xuất hiện. Lịch sử khoa học chưa bao giờ chứng kiến một sự tái cấu trúc quan điểm mạnh mẽ như vậy về các nguyên tắc vật lý cơ bản của vũ trụ.

Việc kiểm tra thuyết tương đối rộng rất khó khăn vì trong điều kiện bình thường trong phòng thí nghiệm, kết quả của nó gần như giống hệt với những gì định luật hấp dẫn của Newton dự đoán. Tuy nhiên, một số thí nghiệm quan trọng đã được thực hiện và kết quả của chúng cho phép chúng ta coi lý thuyết đã được xác nhận. Ngoài ra, thuyết tương đối rộng giúp giải thích các hiện tượng mà chúng ta quan sát được trong không gian, một ví dụ là tia sáng đi gần Mặt trời. Cả cơ học Newton và thuyết tương đối rộng đều thừa nhận rằng nó phải lệch về phía Mặt trời (rơi). Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng dự đoán độ dịch chuyển của chùm tia gấp đôi. Những quan sát về nhật thực đã chứng minh dự đoán của Einstein là đúng. Một vi dụ khac. Hành tinh Sao Thủy, gần Mặt trời nhất, có những sai lệch nhỏ so với quỹ đạo đứng yên của nó, điều này không thể giải thích được theo quan điểm của cơ học cổ điển Newton. Nhưng đây chính xác là quỹ đạo được tính toán bằng các công thức của thuyết tương đối tổng quát. Sự giãn nở thời gian trong trường hấp dẫn mạnh giải thích sự giảm tần số dao động ánh sáng trong bức xạ của sao lùn trắng - sao có mật độ rất cao. Và trong những năm gần đây, hiệu ứng này đã được ghi nhận trong điều kiện phòng thí nghiệm. Cuối cùng, vai trò của thuyết tương đối rộng là rất lớn trong vũ trụ học hiện đại - ngành khoa học về cấu trúc và lịch sử của toàn bộ Vũ trụ. Trong lĩnh vực kiến thức này, nhiều bằng chứng về lý thuyết hấp dẫn của Einstein cũng đã được tìm thấy. Trên thực tế, các kết quả được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng khác biệt rõ rệt với những kết quả được tiên đoán bởi các định luật Newton chỉ khi có trường hấp dẫn siêu mạnh. Điều này có nghĩa là để kiểm tra đầy đủ thuyết tương đối rộng, chúng ta cần những phép đo cực kỳ chính xác đối với những vật thể rất nặng hoặc các lỗ đen, mà không có ý tưởng trực quan thông thường nào của chúng ta có thể áp dụng được. Vì vậy việc phát triển các phương pháp thực nghiệm mới để kiểm tra thuyết tương đối vẫn là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của vật lý thực nghiệm.

Lý thuyết tương đối là một lý thuyết vật lý xem xét các mô hình không-thời gian có giá trị đối với bất kỳ quá trình vật lý nào. Lý thuyết tổng quát nhất về không-thời gian được gọi là lý thuyết tương đối tổng quát (GTR), hay lý thuyết về lực hấp dẫn. Trong lý thuyết tương đối một phần (hoặc đặc biệt) (STR), các tính chất của không-thời gian được nghiên cứu có giá trị với độ chính xác mà nhờ đó tác dụng của lực hấp dẫn có thể bị bỏ qua. (Từ điển bách khoa vật lý, 1995)

Thời gian và khối lượng Vật thể co lại dọc theo trục chuyển động khi nó đạt tới tốc độ ánh sáng

Phân rã nguyên tử Khối lượng nguyên tử của các nguyên tử mới và lượng năng lượng chuyển động được tạo ra tương đương với khối lượng của nguyên tử ban đầu

Vào cuối thế kỷ 19, các định luật về chuyển động và trọng lực do Newton phát hiện đã được sử dụng rộng rãi để tính toán và ngày càng có nhiều xác nhận thực nghiệm. Dường như không có gì báo trước một cuộc cách mạng trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, vấn đề không còn chỉ giới hạn ở cơ học nữa: nhờ công trình thực nghiệm của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực điện và từ, các phương trình Maxwell đã xuất hiện. Đây là nơi các vấn đề với các định luật vật lý bắt đầu. Các phương trình Maxwell tập hợp điện, từ và ánh sáng. Theo đó, tốc độ của sóng điện từ, bao gồm cả sóng ánh sáng, không phụ thuộc vào chuyển động của bộ phát và bằng khoảng 300 nghìn km/s trong chân không. Điều này không hề phù hợp với cơ học của Newton và Galileo. Giả sử một khinh khí cầu bay so với Trái đất với tốc độ 100 nghìn km/s. Hãy bắn về phía trước từ một khẩu súng ánh sáng với một viên đạn ánh sáng, tốc độ của nó là 300 nghìn km/s. Sau đó, theo công thức của Galileo, vận tốc chỉ cần được cộng vào, nghĩa là viên đạn sẽ bay tương đối so với Trái đất với tốc độ 400 nghìn km/s. Không có sự cố định của tốc độ ánh sáng!

Người ta đã nỗ lực rất nhiều để phát hiện sự thay đổi tốc độ ánh sáng khi bộ phát chuyển động, nhưng không có thí nghiệm khéo léo nào thành công. Ngay cả thí nghiệm chính xác nhất trong số đó, thí nghiệm Michelson-Morley, cũng cho kết quả âm tính. Vậy có điều gì sai trong các phương trình Maxwell? Nhưng chúng mô tả hoàn hảo mọi hiện tượng điện và từ. Và sau đó Henri Poincaré bày tỏ ý tưởng rằng điểm không nằm trong các phương trình, mà nằm trong nguyên lý tương đối: tất cả các định luật vật lý, không chỉ cơ học, như Newton, mà cả điện học, đều phải giống nhau trong các hệ chuyển động tương đối đồng đều với nhau và theo đường thẳng. Năm 1904, Dane Hendrik Anton Lorenz, đặc biệt với các phương trình Maxwell, đã thu được các công thức mới để tính toán lại tọa độ của một hệ chuyển động so với hệ đứng yên và ngược lại. Nhưng điều này chỉ giúp ích được một phần: hóa ra là đối với các định luật Newton cần phải sử dụng một số phép biến đổi nhất định, còn đối với các phương trình Maxwell thì cần phải sử dụng các phép biến đổi khác. Câu hỏi vẫn mở.

Thuyết tương đối đặc biệt

Những phép biến đổi do Lorenz đề xuất dẫn đến hai hệ quả quan trọng. Hóa ra, khi chuyển từ hệ này sang hệ khác, cần phải trải qua các phép biến đổi không chỉ về tọa độ mà còn về thời gian. Và bên cạnh đó, kích thước của một vật chuyển động, được tính theo công thức Lorentz, đã thay đổi - nó trở nên nhỏ hơn theo hướng chuyển động! Do đó, tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng đã mất hết ý nghĩa vật lý, vì trong trường hợp này các vật thể bị nén về không chiều. Nhiều nhà vật lý, kể cả chính Lorentz, coi những kết luận này chỉ đơn giản là một sự cố toán học. Cho đến khi Einstein bắt tay vào kinh doanh.

Tại sao thuyết tương đối được đặt theo tên Einstein, nếu nguyên lý tương đối do Poincaré đưa ra, hằng số tốc độ ánh sáng do Maxwell suy ra, và các quy luật biến đổi tọa độ do Lorentz phát minh ra? Trước hết, hãy nói rằng mọi thứ chúng ta đã nói đến cho đến nay chỉ liên quan đến cái gọi là “thuyết tương đối đặc biệt” (STR). Ngược lại với niềm tin phổ biến, đóng góp của Einstein cho lý thuyết này không hề bị giới hạn ở việc khái quát hóa đơn giản các kết quả. Đầu tiên, ông thu được tất cả các phương trình chỉ dựa trên hai định đề - nguyên lý tương đối và nguyên lý hằng số tốc độ ánh sáng. Và thứ hai, ông hiểu cần phải sửa đổi định luật Newton để nó không nằm ngoài bức tranh mới về thế giới và không thay đổi trong quá trình biến đổi Lorentz. Để làm được điều này, cần phải có cái nhìn phê phán về hai nền tảng không thể lay chuyển trước đây của cơ học cổ điển - tính tuyệt đối của thời gian và tính không đổi của khối lượng vật thể.

Không có gì tuyệt đối

Trong cơ học Newton, thời gian thiên văn được ngầm đồng nhất với thời gian tuyệt đối, nhưng trong lý thuyết của Einstein, mỗi hệ quy chiếu tương ứng với thời gian “cục bộ” của chính nó và không có đồng hồ nào có thể đo thời gian cho toàn bộ Vũ trụ. Nhưng những kết luận về tính tương đối của thời gian không đủ để loại bỏ những mâu thuẫn giữa điện động lực học và cơ học cổ điển. Vấn đề này đã được giải quyết khi một pháo đài cổ điển khác, hằng số khối lượng, sụp đổ. Einstein đã đưa ra những thay đổi đối với định luật cơ bản của Newton về tỷ lệ lực với gia tốc và nhận thấy rằng khối lượng tăng vô hạn khi nó đạt tới tốc độ ánh sáng. Thật vậy, từ các định đề của SRT, ta suy ra rằng tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng không có ý nghĩa vật lý, có nghĩa là không lực nào không thể làm tăng tốc độ của một vật đã bay với tốc độ ánh sáng, nghĩa là dưới những định đề này. điều kiện lực không còn gây ra gia tốc nữa! Tốc độ của vật thể càng lớn thì việc tăng tốc nó càng khó khăn hơn.

Và vì hệ số tỷ lệ là khối lượng (hoặc quán tính), nên khối lượng của một vật tăng lên khi tốc độ tăng dần.

Điều đáng chú ý là kết luận này được đưa ra vào thời điểm không có mâu thuẫn và mâu thuẫn rõ ràng giữa kết quả thí nghiệm và các định luật Newton. Trong điều kiện bình thường, sự thay đổi khối lượng là không đáng kể và nó chỉ có thể được phát hiện bằng thực nghiệm ở tốc độ rất cao, gần bằng tốc độ ánh sáng. Ngay cả đối với một vệ tinh bay với tốc độ 8 km/s, sự hiệu chỉnh khối lượng sẽ không quá một phần hai tỷ. Nhưng vào năm 1906, kết luận của STR đã được xác nhận bằng nghiên cứu về các electron chuyển động ở tốc độ cao: trong các thí nghiệm của Kaufman, người ta đã ghi lại sự thay đổi khối lượng của các hạt này. Nhưng đơn giản là không thể tăng tốc các hạt bằng máy gia tốc hiện đại nếu các phép tính được thực hiện bằng phương pháp cổ điển mà không tính đến thuyết tương đối đặc biệt.

Nhưng sau đó hóa ra sự bất biến của khối lượng cho phép chúng ta rút ra một kết luận cơ bản hơn nữa. Khi tốc độ tăng, khối lượng tăng, năng lượng chuyển động tăng... Đây không phải là điều tương tự sao? Các phép tính toán học đã xác nhận giả thuyết về sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, và vào năm 1907 Einstein đã nhận được công thức nổi tiếng E = mc2. Đây là kết luận chính của SRT. Khối lượng và năng lượng giống nhau và được chuyển đổi thành nhau! Và nếu một vật thể nào đó (ví dụ, một nguyên tử uranium) đột nhiên vỡ thành hai, tổng cộng có khối lượng nhỏ hơn, thì phần còn lại của khối lượng sẽ chuyển thành năng lượng chuyển động. Bản thân Einstein cho rằng chỉ có thể nhận thấy sự thay đổi về khối lượng khi giải phóng năng lượng cực lớn, vì hệ số c2 trong công thức mà ông thu được là rất rất lớn. Nhưng có lẽ ông không ngờ rằng những cân nhắc mang tính lý thuyết này lại đưa nhân loại đi xa đến vậy. Việc tạo ra bom nguyên tử đã khẳng định tính đúng đắn của thuyết tương đối đặc biệt, nhưng với chi phí rất cao.

Có vẻ như không có lý do gì để nghi ngờ tính đúng đắn của lý thuyết này. Nhưng đây là lúc để nhớ lại những lời của Einstein: “Kinh nghiệm sẽ không bao giờ nói “có” với một lý thuyết, nhưng tốt nhất là nó nói “có thể”, nhưng phần lớn nó chỉ nói “không”. Thí nghiệm cuối cùng, chính xác nhất để kiểm tra một trong những định đề của SRT, tính hằng số của tốc độ ánh sáng, được thực hiện khá gần đây, vào năm 2001, tại Đại học Konstanz (Đức). Một sóng laser đứng được đặt trong một “hộp” sapphire siêu tinh khiết, được làm lạnh đến nhiệt độ của helium lỏng và sự thay đổi tần số ánh sáng được theo dõi trong sáu tháng. Nếu tốc độ ánh sáng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phòng thí nghiệm thì tần số của sóng này sẽ thay đổi khi Trái đất chuyển động trên quỹ đạo. Nhưng cho đến nay chúng tôi vẫn chưa thể nhận thấy bất kỳ thay đổi nào.

Thuyết tương đối tổng quát

Sau khi xuất bản tác phẩm nổi tiếng “Về điện động lực học của các vật chuyển động” dành riêng cho SRT vào năm 1905, Einstein đã tiến xa hơn. Anh tin rằng trạm dịch vụ chỉ là một phần của cuộc hành trình. Nguyên lý tương đối phải có giá trị trong bất kỳ hệ quy chiếu nào, chứ không chỉ trong những hệ quy chiếu chuyển động đều và thẳng. Niềm tin này của Einstein không chỉ là phỏng đoán; nó dựa trên thực tế thực nghiệm, sự tuân thủ nguyên lý tương đương. Hãy giải thích nó là gì. Các định luật chuyển động bao gồm cái gọi là khối lượng “quán tính”, cho thấy việc tăng tốc một vật thể khó đến mức nào, và định luật về trọng lực bao gồm khối lượng “nặng”, xác định lực hấp dẫn giữa các vật thể. Nguyên lý tương đương giả định rằng những khối lượng này hoàn toàn bằng nhau, nhưng chỉ có kinh nghiệm mới có thể xác nhận liệu điều này có thực sự như vậy hay không. Từ nguyên lý tương đương, mọi vật đều phải chuyển động trong trường hấp dẫn với cùng gia tốc. Theo truyền thuyết, Galileo cũng kiểm tra tình huống này bằng cách ném nhiều vật thể khác nhau từ Tháp nghiêng Pisa. Khi đó độ chính xác của phép đo là 1%, Newton đưa nó lên 0,1% và theo dữ liệu mới nhất từ năm 1995, chúng ta có thể chắc chắn rằng nguyên lý tương đương được thỏa mãn với độ chính xác 5 x 10−13.

Lấy nguyên lý tương đương và nguyên lý tương đối làm cơ sở, sau mười năm làm việc chăm chỉ, Einstein đã tạo ra lý thuyết về trọng lực, hay lý thuyết tương đối tổng quát (GR), lý thuyết này cho đến ngày nay vẫn tiếp tục khiến các nhà lý thuyết hài lòng vì vẻ đẹp toán học của nó. Không gian và thời gian trong lý thuyết hấp dẫn của Einstein hóa ra lại có những biến đổi đáng kinh ngạc. Trường hấp dẫn mà các vật thể có khối lượng tạo ra xung quanh chúng làm cong không gian xung quanh. Hãy tưởng tượng một quả bóng nằm trên tấm bạt lò xo. Bóng càng nặng thì lưới bạt lò xo sẽ càng uốn cong. Và thời gian, được chuyển sang chiều thứ tư, không bị gạt sang một bên: trường hấp dẫn càng lớn thì thời gian càng trôi chậm.

Dự đoán đầu tiên được xác nhận về thuyết tương đối rộng được chính Einstein đưa ra vào năm 1915. Nó liên quan đến sự chuyển động của sao Thủy. Điểm cận nhật của hành tinh này (tức là điểm tiếp cận gần Mặt trời nhất của nó) dần dần thay đổi vị trí của nó. Hơn một trăm năm quan sát từ Trái đất, độ dịch chuyển là 43,1 giây cung. Chỉ có thuyết tương đối rộng mới có thể đưa ra dự đoán chính xác đến kinh ngạc về giá trị này - 43 giây cung. Bước tiếp theo là quan sát sự lệch của các tia sáng trong trường hấp dẫn của Mặt trời trong nhật thực toàn phần năm 1919. Kể từ đó, nhiều thí nghiệm như vậy đã được thực hiện và tất cả chúng đều xác nhận thuyết tương đối rộng - mặc dù thực tế là độ chính xác không ngừng tăng lên. Ví dụ, năm 1984 là 0,3% và năm 1995 là dưới 0,1%.

Với sự ra đời của đồng hồ nguyên tử, mọi thứ đều quay về thời gian. Chỉ cần đặt một chiếc đồng hồ trên đỉnh núi, một chiếc đồng hồ khác dưới chân núi là đủ - và bạn có thể nhận ra sự khác biệt trong thời gian trôi qua! Và với sự ra đời của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, thuyết tương đối cuối cùng đã chuyển từ phạm trù giải trí khoa học sang một lĩnh vực thuần túy thực tiễn. Ví dụ, vệ tinh GPS bay ở độ cao khoảng 20 nghìn km với tốc độ khoảng 4 km/s. Vì chúng ở khá xa Trái đất nên đồng hồ của chúng, theo thuyết tương đối rộng, nhanh khoảng 45 micro giây (μs) mỗi ngày, nhưng vì chúng bay với tốc độ cao nên do SR nên các đồng hồ tương tự bị trễ khoảng 7 μs. Hằng ngày. Nếu những sửa đổi này không được tính đến thì toàn bộ hệ thống sẽ trở nên vô giá trị trong vòng vài ngày! Trước khi được đưa vào quỹ đạo, đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh được điều chỉnh sao cho chúng chạy chậm hơn khoảng 38 micro giây mỗi ngày. Và thực tế là, sau những điều chỉnh như vậy, máy thu GPS đơn giản của tôi, ngày này qua ngày khác, hiển thị chính xác tọa độ của tôi trên bề mặt trái đất rộng lớn, củng cố thêm niềm tin của tôi vào lý thuyết tương đối.

Tất cả những thành công này chỉ kích thích những người săn lùng thuyết tương đối. Ngày nay, mọi trường đại học tự trọng đều có một phòng thí nghiệm để tìm kiếm sóng hấp dẫn, theo lý thuyết về lực hấp dẫn của Einstein, sóng này sẽ lan truyền với tốc độ ánh sáng. Chúng tôi vẫn chưa thể tìm thấy chúng. Một trở ngại khác là mối liên hệ giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Cả hai đều rất phù hợp với thử nghiệm, nhưng hoàn toàn không tương thích với nhau. Chẳng phải nó phần nào gợi nhớ đến cơ học cổ điển và điện từ học vào cuối thế kỷ 19 sao? Có lẽ chúng ta nên chờ đợi những thay đổi.