NA široki smisao Teorija relativnosti uključuje specijalnu i opću relativnost. Posebna teorija relativnosti (SRT) odnosi se na procese u čijem se proučavanju gravitacijska polja mogu zanemariti; opća teorija relativnosti (GR) je teorija gravitacije koja generalizira Newtonovu. U užem smislu, teorija relativnosti naziva se posebnom teorijom relativnosti.

Razlike SRT od Newtonove mehanike

Po prvi put, nova teorija je istisnula 200 godina staru Newtonovu mehaniku. To je radikalno promijenilo percepciju svijeta. klasična mehanika Newton se pokazao istinitim samo u zemaljskim i njima bliskim uvjetima: pri brzinama mnogo manjim od brzine svjetlosti i veličinama koje znatno premašuju veličine atoma i molekula, te na udaljenostima ili uvjetima kada se brzina prostiranja gravitacije može smatrati beskonačnom .

Newtonov koncept gibanja radikalno je ispravljen kroz novu, prilično duboku primjenu načela relativnosti gibanja. Vrijeme više nije bilo apsolutno (a, počevši od GR, čak ni uniformno).

Štoviše, Einstein je promijenio temeljne poglede na vrijeme i prostor. Prema teoriji relativnosti, vrijeme se mora percipirati kao gotovo jednaka komponenta (koordinata) prostor-vremena, koja može sudjelovati u koordinatnim transformacijama kada se referentni sustav mijenja zajedno s običnim prostornim koordinatama, kao što se sve tri prostorne koordinate transformiraju kada zakreću se osi konvencionalnog trodimenzionalnog koordinatnog sustava .

Opseg primjenjivosti

Opseg primjenjivosti SRT

Posebna teorija relativnosti primjenjiva je za proučavanje gibanja tijela bilo kojim brzinama (uključujući one koje su blizu ili jednake brzini svjetlosti) u odsutnosti vrlo jakih gravitacijskih polja.

Opseg primjenjivosti GR

Opća teorija relativnosti primjenjiva je na proučavanje gibanja tijela bilo kojom brzinom u gravitacijskim poljima bilo kojeg intenziteta, ako se kvantni učinci mogu zanemariti.

Primjena

STO aplikacija

Posebna teorija relativnosti koristi se u fizici i astronomiji od 20. stoljeća. Teorija relativnosti značajno je proširila razumijevanje fizike kao cjeline, ali i značajno produbila znanja u području fizike elementarnih čestica, dajući snažan poticaj i ozbiljne nove teorijske alate za razvoj fizike, čija se važnost teško može mjeriti. precijenjen.

Primjena GR

Uz pomoć ove teorije, kozmologija i astrofizika su to mogle predvidjeti neobične pojave poput neutronskih zvijezda, crnih rupa i gravitacijskih valova.

Prihvaćenost od strane znanstvene zajednice

Prihvaćanje SRT-a

Trenutno je specijalna teorija relativnosti općeprihvaćena u znanstvenoj zajednici i čini osnovu moderne fizike. Neki od vodećih fizičara odmah su prihvatili novu teoriju, uključujući Maxa Plancka, Hendrika Lorentza, Hermanna Minkowskog, Richarda Tolmana, Erwina Schrödingera i druge. U Rusiji je pod uredništvom Oresta Daniloviča Khvolsona objavljen poznati tečaj opće fizike, koji je detaljno izložio specijalnu teoriju relativnosti i opisao eksperimentalne temelje teorije. Istodobno, nobelovci Philip Lenard, J. Stark, J. J. Thomson izrazili su kritički stav prema odredbama teorije relativnosti, rasprava s Maxom Abrahamom i drugim znanstvenicima pokazala se korisnom.

Usvajanje GR

Osobito je produktivna bila konstruktivna rasprava o temeljnim pitanjima opća teorija relativnosti (Schrödinger et al.), zapravo, ova rasprava traje do danas.

Opća teorija relativnosti (OTO), u manjoj je mjeri nego OTO, eksperimentalno provjerena, sadrži nekoliko temeljnih problema, a poznato je da su za sada načelno prihvatljive neke od alternativnih teorija gravitacije, od kojih većina, međutim, može se donekle smatrati samo modifikacijom GR. Ipak, za razliku od mnogih alternativnih teorija, prema znanstvenoj zajednici, opća relativnost u svom dosadašnjem području primjene odgovara svim poznatim eksperimentalnim činjenicama, uključujući i one relativno nedavno otkrivene (primjerice, još jedna moguća potvrda postojanja gravitacijskih valova bila je nedavno pronađen) . Općenito, opća relativnost je u svom području primjene "standardna teorija", odnosno priznata od strane znanstvene zajednice kao glavna.

Specijalna teorija relativnosti

Posebna teorija relativnosti (SRT) je teorija lokalne strukture prostorvremena. Prvi ga je 1905. godine predstavio Albert Einstein u svom djelu "O elektrodinamici tijela koja se kreću". Teorija opisuje gibanje, zakone mehanike, kao i prostorno-vremenske odnose koji ih određuju, pri bilo kojoj brzini gibanja, uključujući i one bliske brzini svjetlosti. Klasična Newtonova mehanika unutar posebna teorija relativnost je aproksimacija za male brzine. SRT se može primijeniti tamo gdje je moguće uvesti inercijalne referentne okvire (barem lokalno); neprimjenjiv je za slučajeve jakih gravitacijskih polja, u biti neinercijalnih referentnih okvira, i za opisivanje globalne geometrije Svemira (osim za poseban slučaj ravnog praznog stacionarnog Svemira).

Posebna teorija relativnosti pojavila se kao rješenje proturječja između klasične elektrodinamike (uključujući optiku) i klasičnog Galilejeva načela relativnosti. Potonji tvrdi da se svi procesi u inercijalnim referentnim sustavima odvijaju na isti način, neovisno o tome je li sustav stacionaran ili je u stanju jednolike i pravocrtno gibanje. To posebice znači da bilo koji mehanički pokusi u zatvorenom sustavu neće omogućiti, bez promatranja tijela izvan njega, odrediti kako se on giba, je li njegovo gibanje jednoliko i pravocrtno. Međutim optički eksperimenti (na primjer, mjerenje brzine svjetlosti u različitim smjerovima) unutar sustava, u načelu, trebali su otkriti takvo kretanje. Einstein je načelo relativnosti proširio na elektrodinamičke pojave, što je, prvo, omogućilo opis gotovo cijele kružnice fizičke pojave s jedinstvene pozicije, a drugo, omogućio je objašnjenje rezultata Michelson-Morleyevog eksperimenta (u kojem nije utvrđen utjecaj kvaziinercijalnog gibanja Zemlje na brzinu širenja svjetlosti). Načelo relativnosti bio je prvi postulat nova teorija. Međutim, dosljedan opis fizikalnih pojava u okviru proširenog načela relativnosti postao je moguć tek po cijenu napuštanja Newtonovog apsolutnog euklidskog prostora i apsolutnog vremena i njihovog spajanja u novu geometrijsku konstrukciju - pseudoeuklidsko prostor-vrijeme, u koje se udaljenosti i vremenski razmaci između događaja transformiraju na određeni način (kroz transformacije Lorentza) ovisno o referentnom okviru iz kojeg se promatraju. To je zahtijevalo uvođenje dodatnog principa – postulata o nepromjenjivosti brzine svjetlosti. Dakle, posebna teorija relativnosti temelji se na dva postulata:

1. Svi fizikalni procesi u inercijskim referentnim okvirima odvijaju se na isti način, bez obzira da li sustav miruje ili je u stanju jednolikog i pravocrtnog gibanja.

Formalno, u granici beskonačne brzine svjetlosti, formule specijalne teorije relativnosti prelaze u formule klasične mehanike.

Slika 1. Relativistička mehanika materijalne točke. Author24 - online razmjena studentskih radova

Pri takvim ultra velikim brzinama počinju se događati potpuno neočekivani i magični procesi s fizičkim stvarima, poput dilatacije vremena i relativističkog skupljanja duljine.

U okviru proučavanja relativističke mehanike mijenjaju se formulacije nekih fizikalnih veličina koje su uvriježene u fizici.

Ova formula, koja je poznata gotovo svakoj osobi, pokazuje da je masa apsolutna mjera energije tijela, a također pokazuje temeljnu vjerojatnost prijelaza energetskog potencijala tvari u energiju zračenja.

Osnovni zakon relativističke mehanike u obliku materijalne točke zapisan je na isti način kao drugi Newtonov zakon: $F=\frac(dp)(dT)$.

Načelo relativnosti u relativističkoj mehanici

Slika 2. Postulati Einsteinove teorije relativnosti. Author24 - online razmjena studentskih radova

Einsteinovo načelo relativnosti podrazumijeva nepromjenjivost svih postojećih zakona prirode s obzirom na postupni prijelaz s jednog inercijalnog koncepta referencije na drugi. To znači da sve formule koje opisuju prirodne zakone moraju biti potpuno invarijantne prema Lorentzovim transformacijama. U vrijeme kada je nastao SRT, teorija koja zadovoljava ovaj uvjet već je bila predstavljena Maxwellovom klasičnom elektrodinamikom. Međutim, pokazalo se da su sve jednadžbe Newtonove mehanike apsolutno neinvarijantne u odnosu na druge znanstvene postavke, pa je stoga SRT zahtijevao reviziju i doradu mehaničkih zakona.

Kao osnovu za tako važnu reviziju, Einstein je izrazio zahtjeve za izvedivost zakona o održanju momenta i unutarnje energije, koji se nalaze u zatvorenim sustavima. Kako bi se principi nove doktrine ispunili u svim inercijalnim konceptima referencije, pokazalo se važnim i najvažnijim promijeniti definiciju količine gibanja samog fizičkog tijela.

Ako prihvatimo i koristimo takvu definiciju, tada će se u svim inercijskim sustavima izravno povezanim Lorentzovim transformacijama početi ispunjavati zakon o održanju konačnog momenta količine gibanja aktivnih čestica koje međusobno djeluju (primjerice, tijekom iznenadnih sudara). Kako je $β → 0$, relativistički unutarnji moment automatski prelazi u klasični. Masa $m$, koja je uključena u glavni izraz za količinu gibanja, temeljna je karakteristika najmanje čestice, koja ne ovisi o daljnjem izboru pojma referencije, a time ni o koeficijentu njezina gibanja.

Relativistički zamah

Slika 3. Relativistički zamah. Author24 - online razmjena studentskih radova

Relativistički moment nije proporcionalan početnoj brzini čestice, a njegove promjene ne ovise o mogućem ubrzanju elemenata koji međusobno djeluju u inercijalnom referentnom okviru. Stoga sila konstantna u smjeru i modulu ne uzrokuje pravocrtnu jednoliko ubrzano gibanje. Na primjer, u slučaju jednodimenzionalnog i glatkog gibanja duž središnja os x ubrzanje svih čestica pod utjecajem konstantne sile ispada da je jednako:

$a= \frac(F)(m)(1-\frac(v^2)(c^2))\frac(3)(2)$

Ako se brzina određene klasične čestice neograničeno povećava pod djelovanjem stabilne sile, tada brzina relativističke materije ne može na kraju premašiti brzinu svjetlosti u apsolutnom vakuumu. U relativističkoj mehanici, kao iu Newtonovim zakonima, ispunjava se i ostvaruje zakon održanja energije. Kinetička energija materijalno tijelo$Ek$ se određuje u smislu vanjskog rada sile potrebne za komunikaciju zadane brzine u budućnosti. Da bi se elementarna čestica mase m ubrzala iz stanja mirovanja do brzine pod utjecajem konstantnog parametra $F$, ta sila mora izvršiti rad.

Izuzetno važan i koristan zaključak relativističke mehanike je da masa $m$ u stalnom mirovanju sadrži nevjerojatnu količinu energije. Ova izjava ima različite praktične aplikacije, uključujući i područje nuklearne energije. Ako se masa bilo koje čestice ili sustava elemenata smanji za nekoliko puta, tada bi se trebala osloboditi energija jednaka $\Delta E = \Delta m c^2. $

Brojna izravna istraživanja pružaju uvjerljive dokaze o postojanju energije mirovanja. Prvi eksperimentalni dokaz točnosti Einsteinove relacije, koja povezuje volumen i masu, dobiven je usporedbom unutarnje energije oslobođene tijekom trenutnog radioaktivni raspad, s razlikom koeficijenata finalni proizvodi i originalni kernel.

Masa i energija u relativističkoj mehanici

Slika 4. Moment i energija u relativističkoj mehanici. Author24 - online razmjena studentskih radova

U klasičnoj mehanici masa tijela ne ovisi o brzini gibanja. A u relativističkoj raste sve većom brzinom. To se može vidjeti iz formule: $m=\frac(m_0)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

• $m_0$ je masa materijalnog tijela u mirnom stanju;
• $m$ je masa fizičkog tijela u tom inercijalnom referentnom pojmu, u odnosu na koju se ono giba brzinom $v$;
• $c$ je brzina svjetlosti u vakuumu.

Razlika u masama postaje vidljiva tek pri velikim brzinama koje se približavaju brzini svjetlosti.

Kinetička energija pri određenim brzinama koje se približavaju brzini svjetlosti izračunava se kao određena razlika između kinetičke energije tijela koje se kreće i kinetičke energije tijela u mirovanju:

$T=\frac(mc^2)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

Pri brzinama mnogo manjim od brzine svjetlosti, ovaj se izraz pretvara u formulu klasične mehanike za kinetičku energiju: $T=\frac(1)(2mv^2)$.

Brzina svjetlosti uvijek je granična vrijednost. brže od svjetlosti u principu se nijedno fizičko tijelo ne može kretati.

Mnoge zadatke i probleme čovječanstvo bi moglo riješiti kada bi znanstvenici uspjeli razviti univerzalne uređaje koji bi se mogli kretati brzinom koja se približava brzini svjetlosti. Do sada ljudi mogu samo sanjati o takvom čudu. Ali jednog dana let u svemir ili na druge planete relativističkom brzinom neće postati fantazija, već stvarnost.

Fizika i redukcionizam. Fizika i vidljivost. Teorija relativnosti.

Fizika i redukcionizam

U ovoj temi dat ćemo, takoreći, snimku moderne strukture svijeta. Jedan od najstarijih i fundamentalne znanosti- fizika. Fizika je glavna prirodna znanost, budući da se doslovno prevodi sa grčka riječ"fusis" znači "priroda". Dakle, fizika je znanost o prirodi. Fizika se oduvijek smatrala standardom znanstvenog znanja. U kojem smislu? Ne da daje ono najvažnije i najistinitije znanje, nego da otkriva istine koje vrijede za cijeli Svemir, o odnosu nekoliko osnovnih varijabli. Njezina svestranost obrnuto je proporcionalna broju varijabli koje uvodi u svoje formule.

Kao što su atomi i kvarkovi "cigle" svemira, tako su i zakoni fizike "cigle" znanja. “Cigle” znanja su zakoni fizike ne samo zato što koriste neke osnovne i univerzalne varijable i konstante koje djeluju u cijelom Svemiru, već i zato što u znanosti djeluje princip redukcionizma koji kaže da sve složeniji zakoni razvoja su složenije.razine stvarnosti moraju se svesti na zakone jednostavnijih razina.

Na primjer, zakoni reprodukcije života u genetici otkriveni su na molekularna razina kao zakoni međudjelovanja između molekula DNA i RNA. Usklađivanjem zakonitosti različitih područja materijalnog svijeta bave se posebne granične znanosti kao što su molekularna biologija, biofizika, biokemija, geofizika, geokemija itd. Vrlo često nove znanosti nastaju upravo na spojevima drevnijih disciplina.

O sferi primjenjivosti načela redukcionizma u metodologiji znanosti vode se žestoki sporovi, ali samo objašnjenje kao takvo uvijek pretpostavlja svođenje objašnjenog na nižu pojmovnu razinu. U tom smislu znanost jednostavno potvrđuje svoju racionalnost.

Fizičari kažu da niti jedno tijelo u svemiru ne može poštovati zakon univerzalne gravitacije, a ako je njegovo ponašanje u suprotnosti s tim zakonom, onda se drugi zakoni miješaju. Avion ne pada na tlo zbog svog dizajna i motora. Letjelica svladava gravitaciju Zemlje zbog mlaznog goriva itd. Niti letjelica niti svemirski brod ne poriču zakon univerzalne gravitacije, već koriste čimbenike koji neutraliziraju njegov učinak.

Možete poricati zakone filozofije, religije, mističnih čuda, i to se smatra normalnim. Ali oni sa sumnjom gledaju na osobu koja negira zakone znanosti, recimo, zakon univerzalne gravitacije. U tom smislu možemo reći da su zakoni fizike temelj znanstvenog poimanja stvarnosti.

Fizika i vidljivost

Dvije okolnosti ometaju razumijevanje moderne fizike. Prvo, korištenje najsloženijeg matematičkog aparata, koji se mora prvo proučiti. A. Einstein je uspješno pokušao prevladati ovu poteškoću napisavši udžbenik u kojem nema niti jedne formule. Ali postoji još jedna okolnost koja se pokazuje nepremostivom – nemogućnost stvaranja vizualni model suvremeni fizikalni pojmovi: zakrivljeni prostor; čestica koja je istovremeno i val itd. Izlaz iz situacije je jednostavan - nema potrebe to ni pokušavati učiniti.

Napredak fizike (i znanosti općenito) povezan je s postupnim odbacivanjem izravne vidljivosti. Kao da bi takav zaključak trebao proturječiti činjenici da moderna znanost a fizika se primarno temelji na eksperimentu, odnosno empirijskom iskustvu koje se odvija u ljudskim kontroliranim uvjetima i može se reproducirati u bilo kojem trenutku neograničeni broj puta. Ali stvar je u tome što su neki aspekti stvarnosti nevidljivi površnom promatranju i vidljivost može zavarati. Aristotelova mehanika počivala je na principu: "Tijelo koje se kreće se zaustavlja ako prestane djelovati sila koja ga gura." Ispostavilo se da odgovara stvarnosti jednostavno zato što nije uočeno da je razlog zaustavljanja tijela trenje. Napraviti ispravan zaključak, bio je potreban eksperiment koji nije bio pravi eksperiment, nemoguć ovaj slučaj, ali idealan eksperiment.

Takav eksperiment izveo je veliki talijanski znanstvenik Galileo Galilei, autor Dijaloga o dvoje glavni sustavi svijeta, Ptolomeja i Kopernika" (1632.). Da bi za ovo misaoni eksperiment postalo moguće, zahtijevala je ideju o savršeno glatkom tijelu i savršeno glatkoj površini koja eliminira trenje. Galilejev pokus, koji je doveo do zaključka da ako ništa ne utječe na gibanje tijela, ono se može nastaviti beskonačno, postao je osnova Newtonove klasične mehanike (sjetite se triju zakona gibanja iz školski plan i program fizika). Godine 1686. Isaac Newton predstavio je svoja "Matematička načela prirodne filozofije" Kraljevskom društvu u Londonu, u kojima je formulirao osnovne zakone gibanja, zakon univerzalne gravitacije, koncepte mase, inercije i ubrzanja. Tako je zahvaljujući misaonim eksperimentima postala moguća nova mehanicistička slika svijeta.

Možda su poznati Galileovi misaoni eksperimenti bili inspirirani stvaranjem heliocentričnog sustava svijeta izvanrednog poljskog znanstvenika Nikole Kopernika (1473.-1543.), što je postalo još jedan primjer odbacivanja izravne vidljivosti. Glavno Kopernikovo djelo "O revoluciji nebeskih svjetova" saželo je njegova zapažanja i razmišljanja o tim pitanjima tijekom više od 30 godina. Danski astronom Tycho Brahe (1546.-1601.), radi očuvanja jasnoće, iznio je 1588. godine hipotezu prema kojoj svi planeti kruže oko Sunca osim Zemlje, koja je nepomična, a Sunce s planetima i Mjesec se okreće oko njega. I tek je Johannes Kepler (1571.-1630.), utvrdivši tri zakona planetarnih gibanja koji nose njegovo ime (prva dva - 1609., treći - 1618.), konačno potvrdio valjanost Kopernikova učenja.

Dakle, napredak moderne znanosti odredile su idealizirane ideje koje se raskidaju s neposrednom stvarnošću. Međutim, fizika 20. stoljeća tjera nas da napustimo ne samo izravnu vizualizaciju, nego i vizualizaciju kao takvu. To onemogućuje prikaz fizičke stvarnosti, ali omogućuje bolje shvaćanje valjanosti Einsteinovih riječi da " fizički pojmovi su slobodne kreacije ljudskog uma i nisu nedvosmisleno određene vanjskim svijetom ”(Einstein A., Infeld L. Evolucija fizike. - str. 30). “U našoj potrazi za razumijevanjem stvarnosti, pomalo smo poput osobe koja želi razumjeti mehanizam zatvorenog sata. Vidi brojčanik i pokretne kazaljke, čak čuje otkucaje, ali ne može otvoriti kućište. Ako je duhovit, može sebi nacrtati određenu sliku mehanizma koja bi odgovarala svemu što promatra, ali nikada ne može biti sasvim siguran da je njegova slika jedina koja bi mogla objasniti njegova opažanja” (Ibid. - C trideset).

Odbacivanje vidljivosti znanstvenih ideja neizbježna je cijena prijelaza na proučavanje dubljih razina stvarnosti koje ne odgovaraju evolucijski razvijenim mehanizmima ljudske percepcije.

Teorija relativnosti

Još u klasičnoj mehanici bilo je poznato Galilejevo načelo relativnosti: "Ako zakoni mehanike vrijede u jednom koordinatnom sustavu, onda vrijede i u bilo kojem drugom sustavu koji se giba pravocrtno i jednoliko u odnosu na prvi" (Einstein A., Infeld L. Evolucija fizike.- S. 130). Takvi se sustavi nazivaju inercijskim, budući da se kretanje u njima pokorava zakonu tromosti, koji kaže: „Svako tijelo zadržava stanje mirovanja ili jednolikog pravocrtnog gibanja, osim ako ga je prisiljeno promijeniti pod utjecajem pokretačke snage"(Isto - S. 126).

Početkom 20. stoljeća postalo je jasno da načelo relativnosti vrijedi iu optici i elektrodinamici, odnosno u drugim granama fizike. Načelo relativnosti je proširilo svoje značenje i sada je zvučalo ovako: bilo koji proces se odvija na isti način u izoliranom materijalnom sustavu, iu istom sustavu, koji je u stanju ravnomjernog pravocrtnog gibanja. Ili: zakoni fizike imaju isti oblik u svim inercijskim referentnim okvirima.

Nakon što su fizičari napustili ideju o postojanju etera kao općeg medija, ideja o standardnom referentnom okviru također je propala. Svi referentni okviri prepoznati su kao ekvivalentni, a načelo relativnosti postalo je univerzalno. Relativnost u teoriji relativnosti znači da su svi referentni okviri isti i ne postoji niti jedan koji ima prednosti nad drugima (u odnosu na koje bi eter bio nepomičan).

Prijelaz iz jednog inercijalnog okvira u drugi izveden je u skladu s Lorentzovim transformacijama. Međutim, eksperimentalni podaci o postojanosti brzine svjetlosti doveli su do paradoksa čije je rješavanje zahtijevalo uvođenje temeljno novih ideja.

Sljedeći primjer će vam pomoći da to pojasnite. Pretpostavimo da plovimo na brodu koji se kreće pravocrtno i ravnomjerno u odnosu na obalu. Svi zakoni kretanja ovdje ostaju isti kao i na obali. Ukupna brzina kretanja bit će određena zbrojem kretanja na brodu i kretanja samog broda. Pri brzinama daleko od brzine svjetlosti to ne dovodi do odstupanja od zakona klasične mehanike. Ali ako naš brod postigne brzinu blisku brzini svjetlosti, tada zbroj brzina broda i na brodu može premašiti brzinu svjetlosti, što zapravo ne može biti, jer, u skladu s Michelson-Morleyjevim eksperimentom , “brzina svjetlosti je uvijek ista u svim koordinatama sustava, bez obzira kreće li se izvor zračenja ili ne, i bez obzira na to kako se kreće ” (Einstein A., Infeld L. Citirano cit. - str. 140).

Pokušavajući prevladati nastale poteškoće, X. Lorentz je 1904. predložio da se tijela koja se kreću skupljaju u smjeru kretanja (a koeficijent kontrakcije ovisi o brzini tijela) te da se prividni vremenski intervali mjere u različitim referentnim okvirima. . Ali sljedeće godine, A. Einstein je protumačio prividno vrijeme u Lorentzovim transformacijama kao istinito.

Kao i Galileo, Einstein je koristio misaoni eksperiment nazvan "Einsteinov vlak". “Zamislimo promatrača koji se vozi u vlaku i mjeri brzinu svjetlosti koju emitiraju svjetiljke na rubu ceste, tj. kreće se brzinom C u referentnom okviru u odnosu na koji se vlak kreće brzinom V. Prema klasičnom Teorem zbrajanja brzina, promatrač koji putuje u vlaku, trebao je svjetlosti koja se širi u smjeru vlaka pripisati brzinu C - V. (Prigožij I., Stengers I. Red iz kaosa. - str. 87). Međutim, brzina svjetlosti djeluje kao univerzalna konstanta prirode.

S obzirom na ovu kontradikciju, Einstein je predložio napuštanje ideje o apsolutnosti i nepromjenjivosti svojstava prostora i vremena. Taj je zaključak suprotan zdravom razumu i onome što je Kant nazvao uvjetima kontemplacije, budući da ne možemo zamisliti niti jedan prostor osim trodimenzionalnog, niti jedno vrijeme osim jednodimenzionalnog. Ali znanost ne mora nužno slijediti zdrav razum i nepromjenjive oblike osjećajnosti. Glavni kriterij za to je korespondencija između teorije i eksperimenta. Einsteinova teorija zadovoljila je ovaj kriterij i bila je prihvaćena. Svojedobno se i ideja da je Zemlja okrugla i da se kreće oko Sunca također činila protivnom zdravom razumu i opažanjima, no pokazalo se da je točna.

Prostor i vrijeme tradicionalno se u filozofiji i znanosti smatraju glavnim oblicima postojanja materije, odgovornima za raspored pojedinačnih elemenata materije jedan u odnosu na drugi i za pravilnu koordinaciju uzastopnih pojava. Razmotrene su karakteristike prostora homogenost- ista svojstva u svim smjerovima, i izotropija- neovisnost svojstava o smjeru. Vrijeme se također smatralo homogenim, tj. svaki proces je u načelu ponovljiv nakon određenog vremenskog razdoblja. Ova svojstva su povezana sa simetrijom svijeta, koja ima veliki značaj za njegovo znanje. Prostor je smatran trodimenzionalnim, a vrijeme jednodimenzionalnim i ide u jednom smjeru - iz prošlosti u budućnost. Vrijeme je ireverzibilno, ali u svim fizikalnim zakonima ništa se ne mijenja od promjene predznaka vremena na suprotan, pa se stoga, fizički, budućnost ne može razlikovati od prošlosti.

U povijesti znanosti poznata su dva koncepta prostora: prostor je nepromjenjiv kao spremnik materije (Newtonovo stajalište) i prostor čija su svojstva povezana sa svojstvima tijela u njemu (Leibnizovo gledište). U skladu s teorijom relativnosti, svako tijelo određuje geometriju prostora.

Iz posebne teorije relativnosti proizlazi da je duljina tijela (općenito udaljenost između dva materijalne bodove) i trajanje (kao i ritam) procesa koji se u njemu odvijaju nisu apsolutne, već relativne vrijednosti. Kada se približava brzini svjetlosti, svi procesi u sustavu se usporavaju, uzdužne (uzduž gibanja) dimenzije tijela se smanjuju, a događaji koji su istovremeni za jednog promatrača ispadaju u različitim vremenima za drugog koji se kreće relativno u odnosu na njega. . “Štap će se smanjiti na nulu ako njegova brzina dosegne brzinu svjetlosti ... sat bi potpuno stao kada bi se mogao kretati brzinom svjetlosti” (Einstein A., Infeld L. Citirano op. - str. 158).

Eksperimentalno je potvrđeno da se čestica (primjerice nukleon) može manifestirati kao kuglasta čestica u odnosu na česticu koja se sporo kreće u odnosu na nju, te kao disk spljošten u smjeru gibanja u odnosu na česticu koja pada na nju. to vrlo velikom brzinom. Sukladno tome, životni vijek pi-mezona koji se sporo kreće je približno 10~8 sekundi, dok je životni vijek pi-mezona koji se brzo kreće (brzinom blizu svjetlosti) višestruko duži. Dakle, prostor i vrijeme su opći oblici koordinacije materijalnih pojava, a ne samostalno postojanje neovisno o materiji početka bića.

Einsteinovo sjedinjavanje Galileovog načela relativnosti s relativnošću simultanosti naziva se Einsteinovim načelom relativnosti. Pojam relativnosti postao je jedan od glavnih pojmova u modernoj prirodnoj znanosti.

U posebnoj teoriji relativnosti svojstva prostora i vremena razmatraju se bez uzimanja u obzir gravitacijskih polja, koja nisu inercijalna. Opća teorija relativnosti proširuje zakone prirode na sve, uključujući i neinercijalne sustave. Opća teorija relativnosti povezivala je gravitaciju s elektromagnetizmom i mehanikom. Ona je Newtonov mehanički zakon univerzalne gravitacije zamijenila poljem zakona gravitacije. “Shematski, možemo reći: prijelaz s Newtonovog zakona gravitacije u općoj teoriji relativnosti donekle je sličan prijelazu s teorije električnih tekućina i Coulombovog zakona na Maxwellovu teoriju” (Einstein A., Infeld L. Citirano op. - str. 196). I ovdje je fizika prešla sa stvarne na teoriju polja.

Tri stoljeća fizika je bila mehanistička i bavila se samo materijom. Ali "Maxwellove jednadžbe opisuju strukturu elektromagnetsko polje. Arena ovih zakona je cijeli prostor, a ne samo točke u kojima se nalaze materija ili naboji, kao što je slučaj s mehaničkim zakonima ”(Isto - str. 120). Ideja polja pobijedila je mehanizam.

Maxwellove jednadžbe "ne povezuju, kao Newtonovi zakoni, dva međusobno razdvojena događaja; one ne povezuju događaje ovdje s tamošnjim uvjetima. Polje ovdje i sada ovisi o polju u neposrednom susjedstvu u trenutku koji je upravo prošao” (Ibid. - str. 120). To je bitno novi moment u terenskoj slici svijeta. Elektromagnetski valovišire se brzinom svjetlosti u prostoru, a gravitacijsko polje djeluje na sličan način.

Mase koje stvaraju gravitacijsko polje, prema općoj teoriji relativnosti, savijaju prostor i mijenjaju tijek vremena. Što je polje jače, vrijeme teče sporije u odnosu na vrijeme izvan polja. Gravitacija ne ovisi samo o rasporedu masa u prostoru, već io njihovom kretanju, o pritisku i napetostima prisutnim u tijelima, o elektromagnetskim i svim drugim fizičkim poljima. Promjene gravitacijsko polje distribuira u vakuumu brzinom svjetlosti. U Einsteinovoj teoriji, materija utječe na svojstva prostora i vremena.

Prelaskom na kozmička mjerila, geometrija prostora prestaje biti euklidska i mijenja se iz jednog područja u drugo ovisno o gustoći masa u tim područjima i njihovom kretanju. Na skali metagalaksije, geometrija prostora se mijenja s vremenom zbog širenja metagalaksije. Pri brzinama koje se približavaju brzini svjetlosti, uz jako polje, prostor dolazi u singularno stanje, tj. skuplja se u točku. Kroz ovu kompresiju, mega-svijet dolazi u interakciju s mikro-svijetom iu mnogim aspektima ispada mu sličan. Klasična mehanika ostaje važeća kao granični slučaj pri brzinama mnogo manjim od brzine svjetlosti i masama mnogo manjim od masa u mega svijetu.

Teorija relativnosti pokazala je jedinstvo prostora i vremena, koje se izražava u zajedničkoj promjeni njihovih karakteristika ovisno o koncentraciji masa i njihovom kretanju. Vrijeme i prostor više se nisu razmatrali neovisno jedno o drugom, a pojavila se ideja o prostorno-vremenskom četverodimenzionalnom kontinuumu.

Teorija relativnosti također povezuje masu i energiju relacijom E=MC 2 , gdje je C brzina svjetlosti. U teoriji relativnosti, "dva zakona - zakon održanja mase i očuvanja energije - izgubili su svoju valjanost neovisno jedan o drugom i ispostavilo se da su spojeni u jedan zakon, koji se može nazvati zakon održanja energije ili masa" (Heisenberg V. Fizika i filozofija. Dio i cjelina.- M., 1989.- S. 69). Fenomen anihilacije, u kojem se čestica i antičestica međusobno poništavaju, i drugi fenomeni fizike mikrokozmosa potvrđuju ovaj zaključak.

Dakle, teorija relativnosti temelji se na postulatima o postojanosti brzine svjetlosti i istovjetnosti zakona prirode u svim fizičkim sustavima, a glavni rezultati do kojih dolazi su sljedeći: relativnost svojstava prostor-vrijeme; relativnost mase i energije; ekvivalentnost teških i inertna masa(posljedica onoga što je primijetio Galileo, da sva tijela, bez obzira na njihov sastav i masu, padaju u gravitacijskom polju istom akceleracijom).

Sve do 20. stoljeća otkriveni su zakoni funkcioniranja materije (Newton) i polja (Maxwell). U 20. stoljeću u više se navrata pokušavalo stvoriti jedinstvenu teoriju polja koja bi kombinirala realne i terenske prikaze, ali su bili neuspješni.

Godine 1967. postavljena je hipoteza o prisutnosti tahionskih čestica koje se kreću brzinom većom od brzine svjetlosti. Ako se ova hipoteza ikad potvrdi, moguće je da ćemo se iz svijeta relativnosti, za običnog čovjeka vrlo neugodnog, u kojem je samo brzina svjetlosti konstantna, ponovno vratiti u poznatiji svijet, u kojemu apsolutni prostor nalikuje pouzdanoj kući sa zidovima i krovom. Ali za sada su to samo snovi, o čijoj će se stvarnoj izvedivosti vjerojatno raspravljati tek u III tisućljeću.

U zaključku ovog odjeljka citirat ćemo riječi iz Heisenbergove knjige "Dio i cjelina" o tome što razumijevanje kao takvo znači. "Razumjeti" - to, naizgled, znači ovladati idejama, pojmovima, uz pomoć kojih možemo promatrati ogromnu raznolikost različitih pojava u njihovoj cjelovitoj povezanosti, drugim riječima, "pokriti" ih. Misao nam se smiruje kada saznamo da neki konkretan, prividan zbunjujuća situacija je samo posebna posljedica nečeg općenitijeg, i stoga podložna jednostavnijoj formulaciji. Svođenje šarolike raznolikosti pojava na zajedničko i jednostavno prvo načelo, ili, kako bi Grci rekli, "mnogo" na "jedno", upravo je ono što nazivamo "razumijevanje". Sposobnost numeričkog predviđanja događaja često je rezultat razumijevanja, posjedovanja pravih koncepata, ali nije izravno identična razumijevanju ”(Heisenberg V. Fizika i filozofija. Dio i cjelina. - M., 1989. - str. 165 ).

U teoriji relativnosti izbor sustava ovisi o prisutnosti tijela i njihovom gibanju, koje se mora opisati unutar odabranog referentnog okvira. Općenito govoreći, u modernoj fizici i astronomiji ne postoji inercijski referentni okvir. Može se samo govoriti koliko je ovaj sustav blizak inercijalnom.

Koliko se razlikuje jednolik tijek vremena u različitim referentnim okvirima pridruženih pokretnih s uobičajenim za modernog čovjeka brzine? Je li to moguće primijetiti? Prije pedeset godina odgovori na ova pitanja bili su negativni. Satovi koje je čovječanstvo koristilo kako u svakodnevnom životu tako iu fizikalnim laboratorijima za mjerenje vremena bili su primitivni mehanički uređaji s greškom koja je često prelazila sekundu dnevno. Njihova je točnost bila preniska za otkrivanje relativističkih učinaka tijekom vremena.

Dva su glavna relativistička učinka koja utječu na brzinu vremena. Prvi je brzina. Ako sat pripada različitim sustavima referenca, od kojih se jedna pomiče u odnosu na drugu, tada će sat u prvom sustavu ići sporije. Ako uspostavimo simultanost dvaju satova u nekom trenutku u vremenu, tada će satovi u njemu kasniti, budući da će brzina vremena u pokretnom sustavu biti sporija. Što je duži vremenski interval između promatranja sata, to više sat zaostaje u pokretnom referentnom okviru. Recimo, za modernu letjelicu koja leti brzinom zvuka (300 m/s), razlika takta za jedan sat leta bit će nanosekunde.

Drugi učinak koji utječe na brzinu je razlika u gravitacijskim potencijalima. Dva sata u mirovanju jedan u odnosu na drugi, smještena na različitim točkama u prostoru, ići će različitim brzinama. Na mjestu gdje je sila gravitacije slabija, sat će ići brže.

Neka jedan sat bude na razini mora, a drugi na planini visokoj 10 km. Tada će drugi sat ići brže i vremenska razlika po satu bit će 3,6 nanosekundi.

Registracija takta sata s takvom točnošću postala je moguća kada su stvoreni atomski i vodikovi satovi s točnošću ne gorom od otprilike jednog sata.

Moderni satovi mnogo su precizniji. Uz njihovu pomoć, fizičari su uspjeli izmjeriti neravnomjernost tijeka vremena u dva razne točke prostor.

U jednom slučaju radilo se o eksperimentu koji su proveli talijanski znanstvenici. Uskladili su dva sata. Jedan sat ostavili su na Fizičkom fakultetu, a drugi su kamionom odvezli u planine i postavili na nadmorskoj visini od 3250 metara. Nakon što su čekali 66 dana, spustili su drugi sat i usporedili očitanja. Eksperiment je pokazao potpuno slaganje s Einsteinovom teorijom! Sati koji su bili na planini otišli su naprijed, sati koji su ostali na razini mora zaostali su.

Zatim su četiri identična sata ukrcana u konvencionalne avione i krenula na put. Dva sata na istoku, dva na zapadu (kako je ukupna brzina bila zbroj brzine letjelice i brzine rotacije Zemlje, brzine satova u odnosu na inercijski okvir bile su različite). Nakon leta globus Sat je ispražnjen i njihova očitanja su uspoređena. Iako su pogreške mjerenja bile prilično velike (događaj se zbio 1971.), dvojbe nije moglo biti – pokus je potvrdio predviđanja teorije relativnosti, potvrdio ispravnost A. Einsteina i postavio eksperimentalnu osnovu za učinak neravnomjernosti. satovi.

Godine 1975. postavljen je poseban eksperiment visoke preciznosti za mjerenje nejednakosti sata na zrakoplovu koji je letio iznad zaljeva Chesapeake (blizu ušća rijeke Potomac, SAD). Do tada je dostignuta točnost sata. Avion je letio 15 sati, od kojih sati u zrakoplovu ispred nečega satova na Zemlji zbog utjecaja neravnomjernosti u promjeni gravitacijskog potencijala (zrakoplov se penjao i spuštao), kao i neravnomjernosti protoka vremena zbog pomicanja referentnog okvira u odnosu na stacionarni sat. Satovi koji su ostali na Zemlji računali su vrijeme u gravitacijskom polju s velikom vrijednošću potencijala, satovi u zrakoplovu računali su vrijeme u gravitacijskom polju s nižom vrijednošću gravitacijskog potencijala. Ova vremenska razlika dosegla je 53 nanosekunde tijekom 15 sati leta. U isto vrijeme, satovi na brodu kretali su se u odnosu na satove na Zemljinoj površini u mirovanju, zaostajući za njima. Ovaj učinak je bio mnogo manji. Za 15 sati leta zaostatak je bio samo 6 nanosekundi. Oba efekta rezultirala su pomakom sata od 47 nanosekundi. Točnost mjerenja neravnomjernog hoda bila je bolja od jedan posto! Dakle, kao rezultat izravnih mjerenja, pokazana je nehomogenost tijeka vremena u različitim točkama prostora i različitim koordinatnim sustavima.

www.pereplet.ru/pops/sazhin/node3.html

Posebna ili privatna teorija relativnosti je teorija strukture prostor-vremena. Prvi ga je 1905. godine predstavio Albert Einstein u svom djelu "O elektrodinamici tijela koja se kreću". Teorija opisuje gibanje, zakone mehanike, kao i prostorno-vremenske odnose koji ih određuju, pri brzinama gibanja bliskim brzini svjetlosti. Klasična Newtonova mehanika u okviru specijalne teorije relativnosti je aproksimacija za male brzine.

Opća teorija relativnosti

Opća teorija relativnosti je teorija gravitacije koju je razvio Einstein 1905.-1917. Je daljnji razvoj specijalna teorija relativnosti. U općoj teoriji relativnosti postulira se da gravitacijski učinci nisu posljedica međudjelovanja sila između tijela i polja, već deformacije samog prostor-vremena u kojem se nalaze. Ova deformacija povezana je, posebice, s prisutnošću mase-energije.

Linkovi

• Opća teorija relativnosti - Prostorno-vremenski kontinuum (ruski) - Samo o kompleksu.
• Specijalna teorija relativnosti (ruski) - Jednostavno o složenom.

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

Pogledajte što je "Relativistička fizika" u drugim rječnicima:

Fizika i stvarnost- "FIZIKA I STVARNOST" zbirka članaka A. Einsteina, napisana god različita razdoblja njegov kreativni život. rus. izdanje M., 1965. Knjiga odražava glavne epistemološke i metodološke poglede velikog fizičara. Među njima… … Enciklopedija epistemologije i filozofije znanosti

- (RTG) teorija gravitacije koja se temelji na prikazu gravitacijskog polja kao simetričnog tenzorskog fizičkog polja valencije 2 u prostoru Minkowskog. Razvio akademik Ruske akademije znanosti A. A. Logunov sa grupom ... ... Wikipedia

- (grč. τὰ φυσικά - nauka o prirodi, od φύσις - priroda) - kompleks znanstvenih. proučavanje disciplina opća svojstva strukture, interakcije i kretanja materije. U skladu s tim zadaćama suvremeni F. može se vrlo uvjetno podijeliti na tri velika ... ... Filozofska enciklopedija

Hipernuklearna fizika je grana fizike na sjecištu nuklearne fizike i fizike elementarnih čestica, u kojoj su predmet istraživanja sustavi slični jezgri koji osim protona i neutrona sadrže i druge elementarne čestice hiperoni. Također ... ... Wikipedia

Grana fizike koja proučava dinamiku čestica u akceleratorima, kao i brojne tehničke probleme povezane s konstrukcijom i radom akceleratora čestica. Fizika akceleratora uključuje pitanja vezana uz proizvodnju i nakupljanje čestica ... Wikipedia

FIZIKA. 1. Predmet i struktura fizike F. znanost koja proučava najjednostavnije i ujedno najviše. opća svojstva i zakonitosti kretanja objekata materijalnog svijeta koji nas okružuje. Kao rezultat ove općenitosti, nema prirodnih pojava koje nemaju fizičke. Svojstva... Fizička enciklopedija

Relativistička mehanika je grana fizike koja razmatra zakone mehanike (zakone gibanja tijela i čestica) pri brzinama usporedivim s brzinom svjetlosti. Pri brzinama puno nižim od brzine svjetlosti prelazi u klasičnu (Newtonovu) ... ... Wikipedia

Grana fizike posvećena proučavanju nuklearnih procesa, u kojima se čestice koje čine nuklearnu materiju kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti c. R. i. f. nastao 1970. 72 u vezi s eksperimentima na snopovima relativističkih jezgri, ... ... Fizička enciklopedija

I. Predmet i struktura fizike Fizika je znanost koja proučava najjednostavnije, a ujedno i najopćenitije zakonitosti prirodnih pojava, svojstva i strukturu materije te zakonitosti njezina gibanja. Stoga su koncepti F. i njegovi zakoni u osnovi svega ... ... Velika sovjetska enciklopedija

Primjeri raznih fizičkih pojava Fizika (od dr.grč. φύσις ... Wikipedia

knjige

• Fizika relativističkih elektronskih zraka velike struje, A. A. Rukhadze, L. S. Bogdankevich, S. E. Rosinsky, V. G. Rukhlin. Sustavno su prikazane osnove fizike pulsirajućeg jakostrujnog snopa elektrona i njihove interakcije s plazmom. Razne konfiguracije ravnoteže, formiranje i…