Теория относительности

---

Сразу нужно понять - на самом деле это не одна теория, их ДВЕ. И это вовсе не «теории» - есть подтверждённые факты правильности!

Сколько существует теорий относительности? Чем они отличаются и что описывают? Что такое теория инвариантности? Почему, согласно теории относительности, гравитации нет? Что представляет собой замедление времени и что такое парадокс близнецов?

Специальная теория относительности (СТО)

СТО сформулировал Альберт Эйнштейн в 1905 году и она связана с объяснением постоянства скорости света и тем на что это влияет.

Из электродинамики Максвелла следовало, что электромагнитные волны (свет — это тоже волна) всегда распространяются с одной и той же скоростью - примерно 300 тыс. километров в секунду.

Однако в механике Ньютона есть утверждение об относительности движения,  что скорость любого тела любого объекта  должна зависеть от того, в какой системе отсчета мы за этим объектом.  наблюдая

Например, если вы едете на автомобиле со скоростью сто километров в час и вам навстречу едет другой автомобиль со скоростью 50 километров в час, вы  будете сближаться со скоростью равной сумме ваших скоростей  — 150 километров в час.

Это так называемый принцип относительности Галилея.

Однако, если бытовыми аналогиями рассуждать то почему, собственно мы должны именно складывать скорости, почему мы их не перемножаем или не делим или не производит какие-то другие математические операции?

Из механики Ньютона следует, что мы должны их складывать, то есть это  чисто математически доказывается.

Если, к примеру,  вы едете на машине со скоростью 50 километров в час а вас догоняет машина со скоростью 80 км в час, тогда вы будете сближаться со скоростью равной разности ваших скоростей, т.е. 80 минус 50 равно 30 километров час.

Так вот со светом такой фокус не проходит!

Из электродинамики Максвелла следует, что если вы движетесь навстречу  лучу света (не важно с какой скоростью хоть сто километров в час, хоть сто тысяч километров в час) вы всё равно сближаетесь с этим лучом света со  скоростью 300 тыс. километров в секунду, со скоростью света.

И даже если вы убегаете, а свет вас догоняет независимо от того, с какой  скоростью вы убегаете всегда вы будете сближаться со скоростью равной  скорости света скорости света в вакууме (опять же - 300 тысяч километров в секунду).

И вот это вот противоречие между классической механикой и электро динамикой дало начало новой физики, уже не классической физики и теории относительности.

Как этот парадокс удалось разрешить? 

«Разрешил» его Альберт Эйнштейн в 1905 году в своей классической работе, где он просто постулировал (т.е. ввёл как аксиому), что скорость света  одинакова во всех системах отсчета независимо от того, движетесь вы навстречу лучу света или убегаете от него.

Всегда скорость света будет одна и та же!

Это единственный постулат, который он добавил к обычным аксиомам, к  обычным основаниям классической физики.

Т.е. если в механику добавить этот постулат —  мы получаем принципиально новую физику, которая получила название «Теория относительности».

Кстати, сам Эйнштейн долгое время возражал, чтобы его теорию называли теорией относительности,он просил называть её теорией инвариантности,потому что то, что скорость света одинакова во всех системах отсчета — это как раз означает инвариантность (инвариант  — некая величина, одинаковая во всех системах отчета).

Относительность была известна еще и до Энштейна, и тут что ничего нового он не добавил, но вот этот дополнительный постулат (дополнительная аксиома) очень сильно перевернула наши представления о том, как устроена природа, как устроено пространство и время.

Оказалось, что пространство и время связаны друг с другом.

Каким образом?

Например, если вы движетесь в пространстве, то время на ваших часах будет замедляться —  это один из релятивистских эффектов.

Также есть довольно много других релятивистских эффектов, но то, что поражает наше воображение — это как раз эффект замедления времени, на котором основаны множество фантастических сюжетов.

Так называемый парадокс близнецов, когда есть два близнеца, один из которых  (космонавт) улетает в космос на ракете с большой скоростью, а второй близнец (не космонавт) остается на Земле.

За счет того, что близнец,  который двигался на ракете, летел с большой скоростью, соответственно его часы шли медленнее. Вернувшись  домой через сколько-то лет (допустим через двадцать) по часам у космонавта  прошло буквально там три года.

Т.е. на Земле прошло двадцать лет, а на часах космонавта — всего три года!

Одно из следствий, которые нам будет важно для дальнейшего рассуждения, это то, что скорость света — максимально возможная скорость движения во Вселенной, то есть это не аксиома, это не постулат, это следствие.

Никакое взаимодействие не может передаваться быстрее, чем чем  скорость света, к примеру гравитационные взаимодействия.

Вот мы знаем сегодня, что Солнце находится от Земли на расстоянии примерно восемь световых минут, то есть свет от Солнца до Земли летит примерно восемь  минут.

Т.е. если прямо сейчас, в данный момент времени, на Солнце произойдет какой-то взрыв, какая-то вспышка, то мы ее увидим не прямо сейчас, а только через 8 минут, пока свет от этой вспышки долетит до Земли.

И вот это противоречие, которое возникло сразу же, буквально через несколько месяцев, после того как Эйнштейн сформулировал СТО.

Как объяснить теорию гравитации, как её согласовать закон всемирного тяготения с теорией относительности, с тем, что свет — это  максимально возможная скорость для взаимодействия?

Закон всемирного тяготения - два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Потому что по закону всемирного тяготения (закону гравитации) следует, что это взаимодействие передаётся мгновенно, потому что формула для силы  притяжения между двумя телами содержит только расстояние между этими телами.

Если, к примеру, произойдёт глобальная катастрофа и Солнце ВДРУГ исчезнет, Земля должна в этот же самый момент, как исчезло Солнце, сойти со своей орбиты (Солнце ведь её уже не притягивает) и улететь в открытый космос.

Но согласно СТО Земля не может узнать, что Солнце исчезло раньше, чем свет от Солнца долетит до Земли то есть по СТО Земля должна ещё восемь минут вращаться вокруг ПУСТОГО места, где раньше было Солнце и только потом улетит в космос!

Но по закону всемирного тяготения такого не может быть.

Общая теория относительности (ОТО)

Чтобы объяснить этот парадокс, чтобы согласовать специальную теорию относительности и закон всемирного тяготения, Эйнштейну пришлось разработать новую теорию —  Общую теорию относительности.

Если про специальную теорию относительности ещё можно сказать, что это некое такое коллективное творение, что не только Эйнштейн приложил к её созданию свою руку (он, по сути, просто обобщил те известные данные, 
математические выкладки, которые уже были известны до него, он просто это  собрал в единую теорию и оформил в рамках своей статьи), то когда мы  говорим про общую теории относительности, это уже безусловно достижение лично Альберта Эйнштейна.

Здесь он уже является полноценным автором этой теории.

Общая теория относительности объясняет то, как устроена гравитация и как она работает. 

На чём основывается ОТО?

В основе ОТО лежит еще один постулат —  о том, что никакой гравитации, как отдельной силы не существует, то есть такой силы, которая  входит в закон всемирного тяготения не существует.

Этот эффект, который мы наблюдаем, что все тела падают на Землю или космические объекты притягиваются друг другу и планеты вращаются вокруг Солнца - все это является следствием не воздействия какой-то силы, а следствием искривления пространства-времени.

Т.е. тела движутся так, как если бы пространство вокруг массивных тел было  искривлено.

Такая довольно «простая» может быть на первый взгляд идея требует  довольно сложной математики, которая на момент создания общей теории относительности еще была мало кому известна, про нее знали только отдельные математики.

Эйнштейну пришлось изучить раздел дифференциальной геометрии (то есть раздел математики, который работает с искривленными поверхностями, искривленными пространствами, пространством переменной кривизны), чтобы на этом сложном математическом языке сформулировать   принцип, что вокруг всех массивных объектов пространство искривляется.

На это Эйнштейну потребовалось около десяти лет!

В итоге в ОТО имеется уравнения (называются уравнения Эйнштейна), которые связывает между собой распределение массы и энергии в пространстве с одной стороны и кривизну пространства с другой стороны,

Решая эту систему уравнений (даже сами математики до сих пор еще не научились решать такие уравнения), в общем виде удалось найти только отдельные  частные решения или приближенные решение этой системы уравнений.

Но даже то, что удалось получить, довольно точно согласуется с экспериментом и самые первые подтверждения теории учёные получили уже в 1919 году, когда наблюдали искривление пространства возле нашего Солнца.

Свет от звезды, проходя вблизи Солнца, откланялся на определенный угол и  величину этого угла удалось измерить, и эта величина совпало с  предсказаниями.

В качестве других подтверждений ОТО можно, например, назвать недавно открытые гравитационные волны, за открытие которых несколько лет назад была присуждена Нобелевская премия по физике — это тоже прямое следствие теории относительности и гипотезы, что пространство время искривляется вблизи массивных объектов.

Если искривление пространства еще как-то можно себе представить визуально (хотя тоже не очень просто) то что значит искривления времени?

Искривление времени означает его замедление, вблизи массивных объектов время должно замедляться, например, на поверхности Земли время течёт чуть чуть медленнее чем на орбите.

Часы на спутниках, запускаемых в космос, идут немного быстрее, чем часы на поверхности Земли

Это создает трудности, например, для работы таких приборов как GPS-навигаторы или Глонасс.

Навигаторы, которые работают по принципу синхронизации часов, очень зависят от точности времени, часы на спутниках должны быть синхронизированы, чтобы знать, сколько времени сигнал от спутника шел до вашего прибора.

Инженерам приходится учитывать поправки из теории относительности, чтобы приборы были точными.

Если эти поправки в расчетах не учитывать, то окажется, что погрешность в определении ваших координаты будет нарастать со скоростью примерно 10 километров в сутки!

 

Интересное Наука