Теория относительности — гений Эйнштейна

Обновлено:
1.7K
Теория относительности — гений Эйнштейна
Фото: 1informer.com
Ратмир Белов
Журналист-райтер

Большим преимуществом Эйнштейна было его воображение, которое характеризовалось детской фантазией, неограниченной шаблонами, навязанными реалистической зрелостью.

Для него было недостаточно описания функционирования мира, предоставленного тогдашней физикой. Он спросил «почему?» и так долго он искал ответы, пока в его уме не возникла модель, объясняющая законы природы. Так он создал теорию относительности — научную гипотезу, которую нельзя понять, не дав волю своему воображению.

Постоянная скорость света

Не исключено, что первым вдохновением для ученого был поезд, идущий на станцию в Цюрихе, где тогда жил и работал Альберт Эйнштейн. Когда мы медленно движемся от вокзала, глядя в окно, мы видим отъезжающую платформу. Взрослый человек сразу поймет, что движется не платформа, а поезд. Однако Эйнштейн задался вопросом: откуда мы это знаем?

Ответ — Земля. Это то, что мы считаем стационарным, и поэтому мы приписываем объектам скорость по отношению к ней. Но что, если бы Земли не было? Как мы узнаем, движется ли наш космический корабль или космическая станция удаляется от нас? Первое, что приходит в голову, — это законы физики. Возможно, есть какие-то правила, которые учитывают скорость, и таким образом мы узнаем из хода явлений, стоим мы или движемся?

Новое предположение о природе гравитации

Лучший кандидат — магнитное и электрическое поля. В школе мы узнали, что это действительно одна сила — электромагнетизм. Работа голландского физика Хендрика Лоренца показывает, что свет, который на самом деле представляет собой переменное электромагнитное поле, всегда должен двигаться с одинаковой скоростью, независимо от нашего движения.

Как проверить? Поскольку мы знаем, что Земля движется (довольно быстро) вокруг Солнца и вокруг своей оси, то, если скорость света зависит от движения, луч света, движущийся с запада на восток — и, следовательно, в направлении движения Земли — следует идти по тому же пути, отличному от второго, с севера на юг. Такой эксперимент провели американские ученые Альберт А. Майкельсон и Эдвард Морли. И оказалось, что скорость света действительно не зависит от направления его движения.

Эйнштейн, зная результаты работ Лоренца, Майкельсона и Морли, а также многих других физиков того времени, пришел к выводу, что тогда вообще невозможно отличить движущиеся системы от стационарных.

Специальная теория относительности

Движение существует только в контексте двух наблюдателей, сравнивающих свои системы, оно всегда взаимно, и нет смысла определять системы в состоянии покоя. Следовательно, все правильные физические теории не должны зависеть от скорости и положения, а также от времени. Если бы было иначе, можно было бы различать подвижные и стационарные системы.

Изобретения Николы Тесла

Как примириться с этой постоянной скоростью света? Ведь это означает, что если бы космический «маяк» послал световой сигнал, а мы попали в ракету, летящую со скоростью, близкой к скорости света, и погнались бы за этим сигналом, она так же быстро удалялась бы от нас и маяка. Это парадоксально, но не детское воображение.

Альберт Эйнштейн
Альберт Эйнштейн. Фото: polzam.ru

Если это так, то либо расстояние между нами и лучом увеличивается, либо время для нас замедляется. Степень растяжения пространства или замедления времени пропорциональна относительной скорости. В случае погони за светом пространство будет бесконечно растягиваться, а время остановится.

Мы доходим до точки, когда нашего воображения нам может не хватить. Что значит, что время остановится? Будем ли мы застывать в одной позиции? Что ж, нет, мы будем жить нормально в нашей системе отсчета — но мы будем чувствовать себя богами, существующими вне времени остальной вселенной. Но поскольку движение относительное и взаимное, мы можем сказать то же самое о мире вне нас. Так что же будет за одновременность? Как вы примиряете с этим принцип причины и следствия?

Все выводы из теории относительности еще не поняты. Эйнштейн назвал два наиболее важных. Во-первых, невозможно достичь скорости света. Энергия, необходимая для увеличения скорости, увеличивается обратно пропорционально разнице между ней и скоростью света. Объект, движущийся со скоростью света, будет обладать бесконечной энергией. Но поскольку движение относительное, что это за энергия? Как мы помним из школы, энергия движения пропорциональна скорости и массе. Итак, Эйнштейн сказал, что оно должно быть массовым. Отсюда он вывел свое самое известное уравнение. E=mc^2 — масса — это покоящаяся форма энергии.

Великий аттрактор — что это?

Второй вывод из постоянства скорости света — это необходимость интегрировать время как четвертое измерение в известное нам трехмерное пространство, уже описанное в древности Евклидом. Только созданное таким образом пространство-время, впервые определенное немецким математиком Германом Минковским, будет правильно описывать физику. Точка в пространстве-времени — это определенное место в пространстве в определенный момент времени. Отрезок пространства-времени, соединяющий две его точки, — это расстояние между двумя событиями.

Следует отметить, что оно может быть пространственным (например, Краков-Варшава), временным (например, 2010-2016), но также пространственно-временным. Каждая из этих форм означает одно и то же. Более того, оказывается, что постулат скорости света как максимальной величины приводит к тому, что пространство-время для каждого наблюдателя делится на часть, которая может быть известна, и часть, которая ему недоступна.

Общая теория относительности

Масса — это не только мера силы, которая должна быть приложена для приведения объекта в движение, и, следовательно, степень его инерции. Масса также является источником силы тяжести. Эти определения относятся к совершенно разным явлениям. Могут ли они содержать одинаковое физическое количество? Таких «казусов» в природе не бывает.

Ошибка выжившего — что-то парадоксальное

Соответствующий эксперимент был проведен венгерским геофизиком Лорандом Этвешем с использованием торсионного маятника. Оказалось, что инерционная и гравитационная массы совершенно равны. Для Эйнштейна это было доказательством того, что, как и электрическое и магнитное поля, гравитация и инерция должны следовать одной и той же модели. Под действием силы мы меняем значение или направление нашей скорости, что в физике называется ускорением. Ускорение — это изменение скорости, а скорость всегда относительна. Поскольку само движение относительно, ускорение также должно быть относительным.

Альберт Эйнштейн
Альберт Эйнштейн. Фото: habr.com

Вдохновленный примером Земли — искривленной поверхности, на которой мы живем и проводим измерения, — Эйнштейн знал, что плоская поверхность — не единственная возможность, допускаемая геометрией. Если бы четырехмерное пространство-время не было плоскостью, то траектории объектов, лишенных каких-либо внешних помех и, следовательно, движущихся по прямым линиям согласно классическим законам физики, должны были бы искривляться.

В одних системах это можно было объяснить гравитацией, в других — инерцией, а в модели — просто искривлением пространства. Два поезда, идущие по соседним параллельным путям, а также по одному и тому же пути, но с постоянным интервалом, могут столкнуться.

Кот Шрёдингера — невероятный эксперимент

Необходимо было переосмыслить понятия параллелизма и прямого, как и понятие времени. Поскольку пространство искривлено, в таких изгибах должен искривляться и свет. Поскольку кривизна должна вызывать такие эффекты, как гравитация, каждая масса должна создавать пространственно-временные неоднородности и, таким образом, например, влиять на течение времени.

Многие из этих выводов были подтверждены экспериментально, например, неравномерность течения времени в самой близкой и самой дальней точке орбиты Меркурия, приводящая к его медленным изменениям, или возможность увидеть звезды, скрытые за другими массивными космическими телами. Многие другие все еще ждут подтверждения.

На данный момент, теория относительности, сформулированная Эйнштейном столетие назад, выдержала все испытания и получила подтверждение с большой точностью. И подумать только, что все могло начаться с одного швейцарского поезда…

1
Обсудить Содержание