AT široký zmysel Teória relativity zahŕňa špeciálnu a všeobecnú teóriu relativity. Špeciálna teória relativity (SRT) sa vzťahuje na procesy, pri ktorých štúdiu možno zanedbať gravitačné polia; všeobecná teória relativity (GR) je teória gravitácie, ktorá zovšeobecňuje Newtonovu. V užšom zmysle sa teória relativity nazýva špeciálna teória relativity.

Rozdiely SRT od newtonovskej mechaniky

Po prvýkrát nová teória nahradila 200 rokov starú mechaniku Newtona. Radikálne zmenilo vnímanie sveta. klasickej mechaniky Newton sa ukázal byť pravdivý iba v pozemských a blízkych podmienkach: pri rýchlostiach oveľa menších ako rýchlosť svetla a veľkostiach výrazne presahujúcich veľkosti atómov a molekúl a pri vzdialenostiach alebo podmienkach, keď rýchlosť šírenia gravitácie možno považovať za nekonečnú.

Newtonovské koncepcie pohybu boli radikálne opravené prostredníctvom novej, pomerne hlbokej aplikácie princípu relativity pohybu. Čas už nebol absolútny (a od GR dokonca jednotný).

Einstein navyše zmenil základné názory na čas a priestor. Podľa teórie relativity treba čas vnímať ako takmer rovnakú zložku (súradnicu) časopriestoru, ktorá sa môže podieľať na transformáciách súradníc pri zmene referenčného systému spolu s obyčajnými priestorovými súradnicami, rovnako ako sa všetky tri priestorové súradnice transformujú pri zmene referenčného systému. osi konvenčného trojrozmerného súradnicového systému sa otáčajú.

Rozsah pôsobnosti

Rozsah použiteľnosti SRT

Špeciálna teória relativity je použiteľná na štúdium pohybu telies s akýmikoľvek rýchlosťami (vrátane rýchlostí blízkych alebo rovných rýchlosti svetla) v neprítomnosti veľmi silných gravitačných polí.

Rozsah pôsobnosti GR

Všeobecná teória relativity je použiteľná na štúdium pohybu telies ľubovoľnou rýchlosťou v gravitačných poliach akejkoľvek intenzity, ak možno zanedbať kvantové efekty.

Aplikácia

Aplikácia STO

Špeciálna teória relativity sa vo fyzike a astronómii používa od 20. storočia. Teória relativity výrazne rozšírila chápanie fyziky ako celku a tiež výrazne prehĺbila poznatky v oblasti fyziky elementárnych častíc, čím dala silný impulz a seriózne nové teoretické nástroje pre rozvoj fyziky, ktorých význam sa dá len ťažko dosiahnuť precenil.

Aplikácia GR

Pomocou tejto teórie boli kozmológia a astrofyzika schopné predpovedať také nezvyčajné javy ako neutrónové hviezdy, čierne diery a gravitačné vlny.

Prijatie vedeckou komunitou

Prijatie SRT

V súčasnosti je špeciálna teória relativity vo vedeckej komunite všeobecne akceptovaná a tvorí základ modernej fyziky. Niektorí z popredných fyzikov okamžite prijali novú teóriu, vrátane Maxa Plancka, Hendrika Lorentza, Hermanna Minkowského, Richarda Tolmana, Erwina Schrödingera a ďalších. V Rusku pod redakciou Oresta Daniloviča Khvolsona vyšiel slávny kurz všeobecnej fyziky, ktorý podrobne popísal špeciálnu teóriu relativity a opis experimentálnych základov teórie. Zároveň laureáti Nobelovej ceny Philip Lenard, J. Stark, J. J. Thomson vyjadrili kritický postoj k ustanoveniam teórie relativity, ako užitočná sa ukázala diskusia s Maxom Abrahamom a ďalšími vedcami.

Prijatie GR

Obzvlášť produktívna bola konštruktívna diskusia o základných otázkach všeobecná teória relativity (Schrödinger a spol.), v skutočnosti táto diskusia pokračuje dodnes.

Všeobecná teória relativity (GR), v menšej miere ako SRT, je experimentálne overená, obsahuje niekoľko zásadných problémov a je známe, že zatiaľ sú v zásade prípustné niektoré alternatívne teórie gravitácie, z ktorých však väčšina , možno do určitej miery považovať jednoducho za modifikáciu GR. Napriek tomu, na rozdiel od mnohých alternatívnych teórií, podľa vedeckej komunity všeobecná relativita v oblasti svojej doterajšej použiteľnosti zatiaľ zodpovedá všetkým známym experimentálnym skutočnostiam, vrátane relatívne nedávno objavených (napr. ďalším možným potvrdením existencie gravitačných vĺn bolo napr. nedávno nájdené). Vo všeobecnosti je všeobecná relativita vo svojej oblasti použiteľnosti „štandardnou teóriou“, teda vedeckou komunitou uznávanou ako hlavná.

Špeciálna teória relativity

Špeciálna relativita (SRT) je teória lokálnej štruktúry časopriestoru. Prvýkrát ho predstavil v roku 1905 Albert Einstein vo svojom diele „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“. Teória popisuje pohyb, zákony mechaniky, ako aj časopriestorové vzťahy, ktoré ich určujú, pri akejkoľvek rýchlosti pohybu, vrátane rýchlosti blízkej rýchlosti svetla. Vnútri klasickej newtonskej mechaniky špeciálna teória relativita je aproximácia pre nízke rýchlosti. SRT možno použiť tam, kde je možné zaviesť inerciálne vzťažné sústavy (aspoň lokálne); je nepoužiteľné pre prípady silných gravitačných polí, v podstate neinerciálnych vzťažných sústav a pre popis globálnej geometrie Vesmíru (okrem konkrétneho prípadu plochého prázdneho stacionárneho Vesmíru).

Špeciálna relativita vznikla ako riešenie rozporu medzi klasickou elektrodynamikou (vrátane optiky) a klasickým Galileovým princípom relativity. Ten tvrdí, že všetky procesy v inerciálnych referenčných sústavách prebiehajú rovnakým spôsobom, bez ohľadu na to, či je systém stacionárny alebo je v stave rovnomerného a priamočiary pohyb. To znamená najmä, že akékoľvek mechanický experimenty v uzavretom systéme neumožnia bez pozorovania vonkajších telies určiť, ako sa pohybuje, ak je jeho pohyb rovnomerný a priamočiary. Avšak optický experimenty (napríklad meranie rýchlosti šírenia svetla v rôznych smeroch) vo vnútri systému by v princípe mali takýto pohyb detekovať. Einstein rozšíril princíp relativity na elektrodynamické javy, čo v prvom rade umožnilo opísať takmer celý kruh fyzikálnych javov z jednotnej pozície a po druhé umožnil vysvetliť výsledky Michelsonovho-Morleyho experimentu (pri ktorom nebol zistený žiadny vplyv kvázi-zotrvačného pohybu Zeme na rýchlosť šírenia svetla). Princíp relativity bol prvým postulátom nová teória. Dôsledný popis fyzikálnych javov v rámci rozšíreného princípu relativity sa však stal možným len za cenu opustenia newtonovského absolútneho euklidovského priestoru a absolútneho času a ich spojenia do nového geometrického konštruktu – pseudoeuklidovského časopriestoru, v r. ktoré vzdialenosti a časové intervaly medzi udalosťami sú transformované určitým spôsobom (prostredníctvom transformácií Lorentz) v závislosti od referenčného rámca, z ktorého sú pozorované. To si vyžiadalo zavedenie ďalšieho princípu – postulát nemennosti rýchlosti svetla. Špeciálna teória relativity je teda založená na dvoch postulátoch:

1. Všetky fyzikálne procesy v inerciálnych vzťažných sústavách prebiehajú rovnako, bez ohľadu na to, či je sústava stacionárna alebo je v stave rovnomerného a priamočiareho pohybu.

Formálne sa v limite nekonečnej rýchlosti svetla menia vzorce špeciálnej teórie relativity na vzorce klasickej mechaniky.

Obrázok 1. Relativistická mechanika hmotného bodu. Author24 - online výmena študentských prác

Pri takýchto ultravysokých rýchlostiach sa začnú objavovať úplne neočakávané a magické procesy s fyzickými vecami, ako je dilatácia času a relativistická kontrakcia dĺžky.

V rámci štúdia relativistickej mechaniky sa menia formulácie niektorých fyzikálnych veličín, ktoré sú vo fyzike ustálené.

Tento vzorec, ktorý pozná takmer každý človek, ukazuje, že hmotnosť je absolútnou mierou energie tela, a tiež demonštruje základnú pravdepodobnosť prechodu energetického potenciálu látky na energiu žiarenia.

Základný zákon relativistickej mechaniky v tvare hmotného bodu je napísaný rovnako ako druhý Newtonov zákon: $F=\frac(dp)(dT)$.

Princíp relativity v relativistickej mechanike

Obrázok 2. Postuláty Einsteinovej teórie relativity. Author24 - online výmena študentských prác

Einsteinov princíp relativity implikuje nemennosť všetkých existujúcich prírodných zákonov s ohľadom na postupný prechod od jedného inerciálneho konceptu referencie k druhému. To znamená, že všetky vzorce opisujúce prírodné zákony musia byť pri Lorentzových transformáciách úplne invariantné. V čase, keď vznikol SRT, už Maxwellova klasická elektrodynamika predložila teóriu, ktorá túto podmienku spĺňa. Všetky rovnice newtonovskej mechaniky sa však ukázali ako absolútne neinvariantné vzhľadom na iné vedecké postuláty, a preto SRT vyžadovala revíziu a spresnenie mechanických zákonov.

Ako základ pre takú dôležitú revíziu vyslovil Einstein požiadavky na realizovateľnosť zákona zachovania hybnosti a vnútornej energie, ktoré sa nachádzajú v uzavretých systémoch. Aby sa princípy novej doktríny naplnili vo všetkých inerciálnych referenčných konceptoch, ukázalo sa ako dôležité a prvoradé zmeniť definíciu hybnosti samotného fyzického tela.

Ak prijmeme a použijeme takúto definíciu, tak zákon zachovania konečnej hybnosti interagujúcich aktívnych častíc (napríklad pri náhlych zrážkach) sa začne napĺňať vo všetkých inerciálnych sústavách priamo spojených Lorentzovými transformáciami. Ako $β → 0$ sa relativistická vnútorná hybnosť automaticky transformuje na klasickú. Hmotnosť $m$, ktorá je zahrnutá v hlavnom výraze pre hybnosť, je základnou charakteristikou najmenšej častice, ktorá nezávisí od ďalšieho výberu pojmu referencie, a teda od koeficientu jej pohybu.

Relativistická hybnosť

Obrázok 3. Relativistická hybnosť. Author24 - online výmena študentských prác

Relativistická hybnosť nie je úmerná počiatočnej rýchlosti častice a jej zmeny nezávisia od možného zrýchlenia prvkov interagujúcich v inerciálnej vzťažnej sústave. Preto konštantná sila v smere a module nespôsobuje priamku rovnomerne zrýchlený pohyb. Napríklad v prípade jednorozmerného a plynulého pohybu pozdĺž stredová os x zrýchlenie všetkých častíc pod vplyvom konštantnej sily sa rovná:

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

Ak sa rýchlosť určitej klasickej častice pod vplyvom stabilnej sily zvyšuje donekonečna, potom rýchlosť relativistickej hmoty nakoniec nemôže prekročiť rýchlosť svetla v absolútnom vákuu. V relativistickej mechanike, rovnako ako v Newtonových zákonoch, sa napĺňa a realizuje zákon zachovania energie. Kinetická energia hmotné telo$Ek$ sa určuje z hľadiska vonkajšej práce sily potrebnej na komunikáciu danej rýchlosti v budúcnosti. Na zrýchlenie elementárnej častice s hmotnosťou m zo stavu pokoja na rýchlosť pod vplyvom konštantného parametra $F$ musí táto sila vykonať prácu.

Mimoriadne dôležitým a užitočným záverom relativistickej mechaniky je, že hmotnosť $m$ v konštantnom pokoji obsahuje neskutočné množstvo energie. Toto vyhlásenie má rôzne praktické aplikácie vrátane oblasti jadrovej energie. Ak sa hmotnosť ktorejkoľvek častice alebo sústavy prvkov niekoľkonásobne zníži, potom by sa mala uvoľniť energia rovnajúca sa $\Delta E = \Delta m c^2. $

Početné priame štúdie poskytujú presvedčivý dôkaz o existencii pokojovej energie. Prvý experimentálny dôkaz o správnosti Einsteinovho vzťahu, ktorý sa týka objemu a hmotnosti, bol získaný porovnaním vnútornej energie uvoľnenej počas okamžitého rádioaktívny rozpad, s rozdielom koeficientov konečné produkty a pôvodné jadro.

Hmotnosť a energia v relativistickej mechanike

Obrázok 4. Hybnosť a energia v relativistickej mechanike. Author24 - online výmena študentských prác

V klasickej mechanike hmotnosť telesa nezávisí od rýchlosti pohybu. A v tej relativistickej rastie s rastúcou rýchlosťou. Vidno to zo vzorca: $m=\frac(m_0)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

• $m_0$ je hmotnosť hmotného telesa v pokojnom stave;
• $m$ je hmotnosť fyzického tela v tomto inerciálnom referenčnom koncepte, vzhľadom na ktorú sa pohybuje rýchlosťou $v$;
• $c$ je rýchlosť svetla vo vákuu.

Rozdiel v hmotnostiach sa stáva viditeľným až pri vysokých rýchlostiach približujúcich sa rýchlosti svetla.

Kinetická energia pri špecifických rýchlostiach blížiacich sa rýchlosti svetla sa vypočíta ako určitý rozdiel medzi kinetickou energiou pohybujúceho sa telesa a kinetickou energiou telesa v pokoji:

$T=\frac(mc^2)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

Pri rýchlostiach oveľa menších ako je rýchlosť svetla sa tento výraz zmení na klasický mechanický vzorec pre kinetickú energiu: $T=\frac(1)(2mv^2)$.

Rýchlosť svetla je vždy hraničná hodnota. rýchlejšie ako svetlo v zásade sa žiadne fyzické telo nemôže pohybovať.

Mnoho úloh a problémov by ľudstvo mohlo vyriešiť, keby sa vedcom podarilo vyvinúť univerzálne zariadenia schopné pohybovať sa rýchlosťou blížiacou sa rýchlosti svetla. O takomto zázraku môžu ľudia zatiaľ len snívať. Ale jedného dňa lietanie do vesmíru alebo na iné planéty relativistickou rýchlosťou sa nestane fantáziou, ale skutočnosťou.

Fyzika a redukcionizmus. Fyzika a viditeľnosť. Teória relativity.

Fyzika a redukcionizmus

V tejto téme poskytneme akoby momentku modernej štruktúry sveta. Jeden z najstarších a základné vedy- fyzika. Fyzika je hlavnou z prírodných vied, pretože v doslovnom preklade z Grécke slovo„fusis“ znamená „príroda“. Fyzika je teda veda o prírode. Fyzika bola vždy považovaná za štandard vedeckého poznania. V akom zmysle? Nie, že dáva najdôležitejšie a pravdivé poznatky, ale že odhaľuje pravdy platné pre celý Vesmír, o vzťahu niekoľkých základných premenných. Jej všestrannosť je nepriamo úmerná počtu premenných, ktoré zavádza do svojich vzorcov.

Ako sú atómy a kvarky „tehlami“ vesmíru, tak fyzikálne zákony sú „tehlami“ poznania. „Tehly“ poznania sú zákony fyziky nielen preto, že používajú niektoré základné a univerzálne premenné a konštanty, ktoré pôsobia v celom vesmíre, ale aj preto, že vo vede funguje princíp redukcionizmu, ktorý hovorí, že čoraz zložitejšie zákony vývoja sú zložitejšie.úrovne reality treba zredukovať na zákony jednoduchších úrovní.

Napríklad zákonitosti reprodukcie života v genetike sú odhalené na molekulárnej úrovni ako zákony interakcie medzi molekulami DNA a RNA. Koordináciou zákonitostí rôznych oblastí hmotného sveta sa zaoberajú špeciálne hraničné vedy ako molekulárna biológia, biofyzika, biochémia, geofyzika, geochémia atď.. Veľmi často vznikajú nové vedy práve na styčných plochách dávnejších disciplín.

O sfére aplikovateľnosti princípu redukcionizmu v metodológii vedy sa vedú prudké spory, no vysvetlenie ako také vždy predpokladá redukciu vysvetľovaného na nižšiu pojmovú úroveň. V tomto zmysle veda jednoducho potvrdzuje svoju racionalitu.

Fyzici tvrdia, že ani jedno telo vo vesmíre nemôže poslúchať zákon univerzálnej gravitácie, a ak je jeho správanie v rozpore s týmto zákonom, zasahujú do toho iné zákony. Lietadlo vďaka svojej konštrukcii a motoru nespadne na zem. Kozmická loď prekonáva zemskú gravitáciu vďaka leteckému palivu atď. Ani lietadlo, ani vesmírna loď nepopierajte zákon univerzálnej gravitácie, ale používajte faktory, ktoré neutralizujú jej pôsobenie.

Môžete poprieť zákony filozofie, náboženstva, mystické zázraky, a to sa považuje za normálne. Ale s nedôverou sa pozerajú na človeka, ktorý popiera zákony vedy, povedzme, zákon univerzálnej gravitácie. V tomto zmysle môžeme povedať, že fyzikálne zákony sú základom vedeckého chápania reality.

Fyzika a viditeľnosť

Pochopeniu modernej fyziky bránia dve okolnosti. Po prvé, použitie najkomplexnejšieho matematického aparátu, ktorý treba najskôr naštudovať. A. Einstein sa úspešne pokúsil prekonať tento problém napísaním učebnice, v ktorej nie je jediný vzorec. Ale je tu ešte jedna okolnosť, ktorá sa ukazuje ako neprekonateľná – nemožnosť tvorby vizuálny model moderné fyzikálne pojmy: zakrivený priestor; častica, ktorá je súčasne vlnou atď. Východisko zo situácie je jednoduché - netreba sa o to ani pokúšať.

Pokrok fyziky (a vedy vôbec) je spojený s postupným odmietaním priamej viditeľnosti. Akoby takýto záver mal protirečiť skutočnosti, že moderná veda a fyzika je primárne založená na experimente, teda na empirickej skúsenosti, ktorá sa odohráva v podmienkach kontrolovaných človekom a môže byť reprodukovaná kedykoľvek a koľkokrát. Ide však o to, že niektoré aspekty reality sú pre povrchné pozorovanie neviditeľné a viditeľnosť môže byť zavádzajúca. Aristotelova mechanika spočívala na princípe: "Pohybujúce sa teleso sa zastaví, ak prestane pôsobiť sila, ktorá ho tlačí." Ukázalo sa, že zodpovedá realite jednoducho preto, že si nevšimli, že dôvodom zastavenia tela je trenie. Vyrobiť správny záver, chcelo to experiment, ktorý nebol skutočným experimentom, nemožným v tento prípad, ale ideálny experiment.

Takýto experiment uskutočnil veľký taliansky vedec Galileo Galilei, autor knihy Dialóg o dvoch hlavné systémy sveta, Ptolemaiov a Kopernikov“ (1632). Aby to bolo možné myšlienkový experiment sa stalo možným, vyžadovalo si to myšlienku dokonale hladkého tela a dokonale hladkého povrchu, ktorý eliminuje trenie. Galileov experiment, ktorý viedol k záveru, že ak nič neovplyvňuje pohyb telesa, môže pokračovať donekonečna, sa stal základom Newtonovej klasickej mechaniky (spomeňte si na tri pohybové zákony z r. školské osnovy fyzika). V roku 1686 Isaac Newton predložil Kráľovskej spoločnosti v Londýne svoje „Matematické princípy prírodnej filozofie“, v ktorých sformuloval základné zákony pohybu, zákon univerzálnej gravitácie, pojmy hmotnosti, zotrvačnosti a zrýchlenia. Tak sa vďaka myšlienkovým experimentom stal možný nový mechanistický obraz sveta.

Možno sa slávne Galileiho myšlienkové experimenty inšpirovali vytvorením heliocentrického systému sveta vynikajúcim poľským vedcom Mikulášom Kopernikom (1473-1543), ktorý sa stal ďalším príkladom odmietnutia priamej viditeľnosti. Hlavné dielo Koperníka „O revolúcii nebeských svetov“ zhrnulo jeho pozorovania a úvahy o týchto otázkach za viac ako 30 rokov. Dánsky astronóm Tycho Brahe (1546-1601), aby zachoval jasnosť, predložil v roku 1588 hypotézu, podľa ktorej všetky planéty obiehajú okolo Slnka s výnimkou Zeme, ktorá je nehybná a Slnko s planétami a Mesiac sa točí okolo neho. A iba Johannes Kepler (1571-1630), ktorý stanovil tri zákony planetárneho pohybu nesúce jeho meno (prvé dva - v roku 1609, tretí - v roku 1618), nakoniec potvrdil platnosť Kopernikovho učenia.

Takže pokrok modernej vedy bol určený idealizovanými myšlienkami, ktoré sa rozchádzajú s bezprostrednou realitou. Fyzika 20. storočia nás však núti opustiť nielen priamu vizualizáciu, ale aj vizualizáciu ako takú. To bráni reprezentácii fyzickej reality, ale umožňuje lepšie si uvedomiť platnosť Einsteinových slov, že „ fyzikálne pojmy sú slobodné výtvory ľudskej mysle a nie sú jednoznačne určené vonkajším svetom “(Einstein A., Infeld L. Evolúcia fyziky. - S. 30). „V našej snahe pochopiť realitu sme trochu ako ľudia, ktorí chcú pochopiť mechanizmus zatvorených hodín. Vidí ciferník a pohybujúce sa ručičky, dokonca počuje tikanie, ale nemá prostriedky na otvorenie puzdra. Ak je vtipný, môže si pre seba nakresliť určitý obraz mechanizmu, ktorý by zodpovedal všetkému, čo pozoruje, ale nikdy si nemôže byť celkom istý, že jeho obraz je jediný, ktorý by mohol vysvetliť jeho pozorovania “(Tamtiež - C tridsať).

Odmietnutie viditeľnosti vedeckých myšlienok je nevyhnutnou cenou za prechod k štúdiu hlbších úrovní reality, ktoré nezodpovedajú evolučne vyvinutým mechanizmom ľudského vnímania.

Teória relativity

Dokonca aj v klasickej mechanike bol známy Galileov princíp relativity: „Ak zákony mechaniky platia v jednom súradnicovom systéme, potom platia aj v akomkoľvek inom systéme, ktorý sa pohybuje priamočiaro a rovnomerne vzhľadom na prvý“ (Einstein A., Infeld L. Evolúcia fyziky.- S. 130). Takéto systémy sa nazývajú inerciálne, pretože pohyb v nich sa riadi zákonom zotrvačnosti, ktorý hovorí: „Každé teleso si zachováva stav pokoja alebo rovnomerného priamočiareho pohybu, pokiaľ nie je nútené ho zmeniť vplyvom hnacích síl“ (Tamže – S. 126).

Začiatkom 20. storočia sa ukázalo, že princíp relativity platí aj v optike a elektrodynamike, teda aj v iných odvetviach fyziky. Princíp relativity rozšíril svoj význam a teraz znel takto: každý proces prebieha rovnako v izolovanom hmotnom systéme a v tom istom systéme, ktorý je v stave rovnomerného priamočiareho pohybu. Alebo: fyzikálne zákony majú rovnakú formu vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách.

Keď fyzici opustili myšlienku existencie éteru ako všeobecného média, zrútila sa aj myšlienka štandardného referenčného rámca. Všetky referenčné rámce boli uznané ako ekvivalentné a princíp relativity sa stal univerzálnym. Relativita v teórii relativity znamená, že všetky vzťažné sústavy sú rovnaké a neexistuje žiadna, ktorá by mala výhody oproti ostatným (voči ktorej by bol éter nehybný).

Prechod z jedného inerciálneho rámca do druhého sa uskutočnil v súlade s Lorentzovými transformáciami. Experimentálne údaje o stálosti rýchlosti svetla však viedli k paradoxu, ktorého riešenie si vyžiadalo zavedenie zásadne nových myšlienok.

Nasledujúci príklad vám to pomôže objasniť. Predpokladajme, že sa plavíme na lodi pohybujúcej sa v priamej línii a rovnomerne vzhľadom na breh. Všetky zákony pohybu tu zostávajú rovnaké ako na brehu. Celková rýchlosť pohybu bude určená súčtom pohybu na lodi a pohybu samotnej lode. Pri rýchlostiach ďaleko od rýchlosti svetla to nevedie k odchýlke od zákonov klasickej mechaniky. Ale ak naša loď dosiahne rýchlosť blízku rýchlosti svetla, potom súčet rýchlosti lode a na lodi môže prekročiť rýchlosť svetla, čo v skutočnosti nemôže byť, pretože v súlade s Michelson-Morleyho experimentom , „Rýchlosť svetla je vždy rovnaká vo všetkých systémových súradniciach, bez ohľadu na to, či sa vyžarujúci zdroj pohybuje alebo nie, a bez ohľadu na to, ako sa pohybuje“ (Einstein A., Infeld L. Citované - S. 140).

V snahe prekonať ťažkosti, ktoré sa vyskytli, v roku 1904 X. Lorentz navrhol, aby sa pohybujúce sa telesá sťahovali v smere ich pohybu (a koeficient kontrakcie závisí od rýchlosti telesa) a že zdanlivé časové intervaly sa merajú v rôznych referenčných rámcoch. . Ale budúci rok A. Einstein interpretoval zdanlivý čas v Lorentzových transformáciách ako pravdivý.

Rovnako ako Galileo, aj Einstein použil myšlienkový experiment s názvom „Einsteinov vlak“. „Predstavme si pozorovateľa, ktorý jazdí vo vlaku a meria rýchlosť svetla vyžarovaného lampami na kraji cesty, teda pohybuje sa rýchlosťou C v referenčnom rámci, voči ktorému sa vlak pohybuje rýchlosťou V. Podľa klasického teorém o pridávaní rýchlosti, pozorovateľ cestujúci vo vlaku, mal prisúdiť svetlu šíriacemu sa v smere vlaku rýchlosť C - V. (Prigozhiy I., Stengers I. Order out of chaos. - S. 87). Rýchlosť svetla však pôsobí ako univerzálna konštanta prírody.

Vzhľadom na tento rozpor Einstein navrhol opustiť myšlienku absolútnosti a nemennosti vlastností priestoru a času. Tento záver je v rozpore so zdravým rozumom a tým, čo Kant nazval podmienkami kontemplácie, keďže si nevieme predstaviť iný priestor ako trojrozmerný a žiaden čas iný ako jednorozmerný. Ale veda sa nemusí nutne riadiť zdravým rozumom a nemennými formami vnímavosti. Hlavným kritériom je súlad medzi teóriou a experimentom. Einsteinova teória splnila toto kritérium a bola prijatá. Kedysi sa zdalo, že aj predstava, že Zem je guľatá a pohybuje sa okolo Slnka, je v rozpore so zdravým rozumom a pozorovaním, no práve oni sa ukázali ako pravdivé.

Priestor a čas boli vo filozofii a vede tradične považované za hlavné formy existencie hmoty, zodpovedné za vzájomné usporiadanie jednotlivých prvkov hmoty a za pravidelnú koordináciu po sebe nasledujúcich javov. Zohľadnili sa vlastnosti priestoru homogénnosť- rovnaké vlastnosti vo všetkých smeroch, a izotropia- nezávislosť vlastností od smeru. Čas bol tiež považovaný za homogénny, t. j. každý proces je v zásade po určitom čase opakovateľný. Tieto vlastnosti sú spojené so symetriou sveta, ktorý má veľký význam za jeho vedomosti. Priestor bol považovaný za trojrozmerný a čas za jednorozmerný a smerujúci jedným smerom - z minulosti do budúcnosti. Čas je nezvratný, ale vo všetkých fyzikálnych zákonoch sa zo zmeny znamenia času na opačný nič nemení, a preto je fyzikálne budúcnosť na nerozoznanie od minulosti.

V dejinách vedy sú známe dva pojmy priestoru: priestor je nemenný ako nádoba hmoty (Newtonov pohľad) a priestor, ktorého vlastnosti sú spojené s vlastnosťami telies v ňom (Leibnizov pohľad). V súlade s teóriou relativity každé teleso určuje geometriu priestoru.

Zo špeciálnej teórie relativity vyplýva, že dĺžka telesa (vo všeobecnosti vzdialenosť medzi dvoma hmotné body) a trvanie (ako aj rytmus) procesov v ňom prebiehajúcich nie sú absolútne, ale relatívne hodnoty. Keď sa blíži rýchlosť svetla, všetky procesy v systéme sa spomaľujú, zmenšujú sa pozdĺžne (pozdĺž pohybu) rozmery tela a udalosti, ktoré sú súčasné pre jedného pozorovateľa, sa ukážu ako v rôznych časoch pre iného, ​​​​ktorý sa k nemu pohybuje. . „Tyč sa zmenší na nulu, ak jej rýchlosť dosiahne rýchlosť svetla... hodiny by sa úplne zastavili, ak by sa mohli pohybovať rýchlosťou svetla“ (Einstein A., Infeld L. Citované op. - S. 158).

Experimentálne bolo potvrdené, že častica (napríklad nukleón) sa môže prejaviť ako sférická častica vo vzťahu k častici, ktorá sa voči nej pohybuje pomaly, a ako disk sploštený v smere pohybu vo vzťahu k častici dopadajúcej na to pri veľmi vysokej rýchlosti. V súlade s tým je životnosť pomaly sa pohybujúceho nabitého pi-mezónu približne 10 ~ 8 sekúnd, zatiaľ čo životnosť rýchlo sa pohybujúceho (pri rýchlosti blízkej svetlu) je mnohonásobne dlhšia. Priestor a čas sú teda všeobecnými formami koordinácie materiálnych javov a neexistujú nezávisle od hmoty počiatku bytia.

Einsteinovo zjednotenie Galileovho princípu relativity s relativitou simultánnosti sa nazýva Einsteinov princíp relativity. Pojem relativity sa stal jedným z hlavných pojmov moderných prírodných vied.

V špeciálnej teórii relativity sa vlastnosti priestoru a času berú do úvahy bez zohľadnenia gravitačných polí, ktoré nie sú inerciálne. Všeobecná relativita rozširuje zákony prírody na všetko, vrátane neinerciálnych systémov. Všeobecná teória relativity spájala gravitáciu s elektromagnetizmom a mechanikou. Newtonov mechanický zákon univerzálnej gravitácie nahradila zákonom gravitačného poľa. „Schechaticky môžeme povedať: prechod od Newtonovho gravitačného zákona vo všeobecnej teórii relativity je do určitej miery podobný prechodu od teórie elektrických tekutín a Coulombovho zákona k Maxwellovej teórii“ (Einstein A., Infeld L. cit. S. 196). A tu sa fyzika posunula od reálnej k teórii poľa.

Po tri storočia bola fyzika mechanická a zaoberala sa iba hmotou. Ale „Maxwellove rovnice opisujú štruktúru elektromagnetického poľa. Arénou týchto zákonov je celý priestor, nielen body, kde sa nachádza hmota alebo náboje, ako je to v prípade mechanických zákonov “(tamže - str. 120). Myšlienka poľa zvíťazila nad mechanizmom.

Maxwellove rovnice „nesúvisia, ako to robia Newtonove zákony, s dvoma široko oddelenými udalosťami; nesúvisia tu udalosti s tamojšími podmienkami. Pole tu a teraz závisí od poľa v bezprostrednom susedstve v momente, ktorý práve prešiel“ (Ibid. - S. 120). Toto je v podstate nový moment v terénnom obraze sveta. Elektromagnetické vlny sa šíria rýchlosťou svetla v priestore a podobne pôsobí aj gravitačné pole.

Hmoty, ktoré vytvárajú gravitačné pole, podľa všeobecnej teórie relativity ohýbajú priestor a menia priebeh času. Čím silnejšie pole, tým pomalšie plynie čas v porovnaní s časom mimo poľa. Gravitácia závisí nielen od rozloženia hmôt v priestore, ale aj od ich pohybu, od tlaku a napätí prítomných v telesách, od elektromagnetických a všetkých ostatných fyzikálnych polí. Zmeny gravitačné pole distribuované vo vákuu rýchlosťou svetla. V Einsteinovej teórii hmota ovplyvňuje vlastnosti priestoru a času.

Pri prechode do kozmických mierok geometria priestoru prestáva byť euklidovská a mení sa z jednej oblasti do druhej v závislosti od hustoty hmôt v týchto oblastiach a ich pohybu. Na stupnici metagalaxie sa geometria priestoru mení s časom v dôsledku expanzie metagalaxie. Pri rýchlostiach blížiacich sa rýchlosti svetla so silným poľom sa priestor dostáva do singulárneho stavu, t.j. zmršťuje sa do bodu. Prostredníctvom tejto kompresie sa megasvet dostáva do interakcie s mikrosvetom a v mnohých ohľadoch sa mu podobá. Klasická mechanika zostáva v platnosti ako obmedzujúci prípad pri rýchlostiach oveľa nižších ako je rýchlosť svetla a hmotnostiach oveľa nižších ako sú hmoty v mega svete.

Teória relativity ukázala jednotu priestoru a času, ktorá sa prejavuje spoločnou zmenou ich charakteristík v závislosti od koncentrácie hmôt a ich pohybu. Čas a priestor sa už neuvažovali nezávisle od seba a vznikla myšlienka časopriestorového štvorrozmerného kontinua.

Teória relativity tiež spojila hmotnosť a energiu vzťahom E=MC 2 , kde C je rýchlosť svetla. V teórii relativity „dva zákony – zákon zachovania hmoty a zákon zachovania energie – stratili svoju platnosť nezávisle od seba a ukázalo sa, že sa spojili do jediného zákona, ktorý možno nazvať zákonom zachovania energie. alebo omše“ (Heisenberg V. Fyzika a filozofia. Časť a celok.- M., 1989.- S. 69). Fenomén anihilácie, pri ktorom sa častica a antičastica navzájom anihilujú, a ďalšie javy fyziky mikrokozmu tento záver potvrdzujú.

Takže teória relativity je založená na postulátoch nemennosti rýchlosti svetla a zhodnosti prírodných zákonov vo všetkých fyzikálnych systémoch a hlavné výsledky, ku ktorým prichádza, sú nasledovné: relativita vlastností vesmírny čas; relativita hmoty a energie; ekvivalencia ťažkých a inertná hmota(dôsledok toho, čo si všimol Galileo, že všetky telesá bez ohľadu na ich zloženie a hmotnosť padajú v gravitačnom poli s rovnakým zrýchlením).

Až do 20. storočia boli objavené zákony fungovania hmoty (Newton) a poľa (Maxwell). V 20. storočí sa opakovane objavovali pokusy o vytvorenie jednotnej teórie poľa, ktorá by spájala reálne a terénne reprezentácie, ktoré však boli neúspešné.

V roku 1967 bola predložená hypotéza o prítomnosti tachyónových častíc, ktoré sa pohybujú rýchlosťou vyššou ako rýchlosť svetla. Ak sa táto hypotéza niekedy potvrdí, potom je možné, že zo sveta relativity, ktorý je pre bežného človeka veľmi nepohodlný, v ktorom je konštantná len rýchlosť svetla, sa opäť vrátime do známejšieho sveta, v ktorom je absolútne priestor pripomína spoľahlivý dom so stenami a strechou. Ale to sú zatiaľ len sny, o ktorých skutočnej realizovateľnosti sa bude diskutovať pravdepodobne až v III. tisícročí.

Na záver tejto časti budeme citovať slová z Heisenbergovej knihy „Časť a celok“ o tom, čo znamená chápanie ako také. „Pochopiť“ - to zrejme znamená osvojiť si myšlienky, koncepty, pomocou ktorých môžeme uvažovať o veľkom množstve rôznych javov v ich integrálnom spojení, inými slovami, „zakryť“ ich. Naša myšlienka sa upokojí, keď sa dozvieme, že nejaké konkrétne, zjavné neprehľadná situácia je len konkrétnym dôsledkom niečoho všeobecnejšieho, a teda prístupný jednoduchšej formulácii. Redukcia pestrej rozmanitosti javov na spoločný a jednoduchý prvý princíp, alebo, ako by povedali Gréci, „veľa“ na „jeden“, je presne to, čo nazývame „porozumenie“. Schopnosť predpovedať udalosť numericky je často dôsledkom porozumenia, správneho konceptu, ale nie je priamo totožná s porozumením “(Heisenberg V. Fyzika a filozofia. Časť a celok. - M., 1989. - S. 165 ).

V teórii relativity závisí výber systému od prítomnosti telies a ich pohybu, ktorý musí byť popísaný v rámci zvoleného referenčného rámca. Všeobecne povedané, v modernej fyzike a astronómii neexistuje inerciálna vzťažná sústava. Dá sa hovoriť len o tom, ako blízko je tento systém k inerciálnemu.

Aký rozdielny je jednotný priebeh času v rôznych referenčných rámcoch pridružených pohyblivých s obvyklými pre moderný človek rýchlosti? Je možné si to všimnúť? Pred 50 rokmi boli odpovede na tieto otázky negatívne. Hodiny, ktoré ľudstvo používalo v každodennom živote aj vo fyzických laboratóriách na meranie času, boli primitívne mechanické zariadenia s chybou často presahujúcou sekundu za deň. Ich presnosť bola príliš nízka na zistenie relativistických efektov v priebehu času.

Existujú dva hlavné relativistické efekty, ktoré ovplyvňujú rýchlosť času. Prvým je rýchlosť. Ak hodinky patria rôznych systémov odkaz, z ktorých jeden sa pohybuje vzhľadom na druhý, potom hodiny v prvom systéme pôjdu pomalšie. Ak stanovíme simultánnosť dvoch hodín v určitom časovom bode, potom keďže rýchlosť času v pohyblivom systéme bude pomalšia, hodiny v ňom budú zaostávať. Čím dlhší je časový interval medzi pozorovaniami hodín, tým viac hodiny zaostávajú v pohyblivom referenčnom rámci. Povedzme, že pre moderné lietadlo, ktoré letí rýchlosťou zvuku (300 m/s), bude rozdiel v taktovej frekvencii za jednu hodinu letu nanosekundy.

Druhým efektom ovplyvňujúcim rýchlosť je rozdiel v gravitačných potenciáloch. Dve hodiny vo vzájomnom pokoji, ktoré sa nachádzajú v rôznych bodoch priestoru, pôjdu rôznymi rýchlosťami. V mieste, kde je sila gravitácie slabšia, hodiny pôjdu rýchlejšie.

Nech sú jedny hodiny na hladine mora a druhé na 10 km vysokej hore. Potom druhé hodiny pôjdu rýchlejšie a časový rozdiel za hodinu bude 3,6 nanosekundy.

Registrácia hodín s takou presnosťou bola možná, keď boli vytvorené atómové a vodíkové hodiny s presnosťou nie horšou ako asi jedna hodina.

Moderné hodiny sú oveľa presnejšie. Fyzikom sa s ich pomocou podarilo zmerať nerovnomernosť priebehu času v dvoch rôzne body priestor.

V jednom prípade išlo o experiment talianskych vedcov. Synchronizovali dve hodiny. Jednu hodinku nechali na fyzikálnej fakulte a druhú odviezli kamiónom do hôr a nainštalovali vo výške 3250 metrov nad morom. Po čakaní 66 dní znížili druhé hodinky a porovnali hodnoty. Experiment ukázal úplnú zhodu s Einsteinovou teóriou! Hodiny, ktoré boli na hore, išli dopredu, hodiny, ktoré zostali na hladine mora, zaostali.

Potom boli štyri rovnaké hodinky naložené do konvenčných lietadiel a vyrazili na cestu. Dve hodiny na východ, dve na západ (keďže celková rýchlosť bola súčtom rýchlosti lietadla a rýchlosti rotácie Zeme, rýchlosti hodín voči inerciálnej sústave boli rôzne). Po lete glóbus Hodiny boli vyložené a ich hodnoty sa porovnali. Hoci chyby merania boli pomerne veľké (udalosť sa odohrala v roku 1971), nebolo pochýb – experiment potvrdil predpovede teórie relativity, potvrdil správnosť A. Einsteina a vytvoril experimentálny základ pre vplyv nerovnomerných hodiny.

V roku 1975 bol vytvorený špeciálny vysoko presný experiment na meranie nepravidelnosti hodín na lietadle, ktoré preletelo ponad Chesapeake Bay (v blízkosti ústia rieky Potomac, USA). Presnosť hodín v tom čase dosiahla. Lietadlo letelo 15 hodín, z toho hodín na palube pred hodiny na Zemi vplyvom nerovnomernosti meniaceho sa gravitačného potenciálu (lietadlo stúpalo a klesalo), ako aj nerovnomernosti plynutia času v dôsledku pohybu vzťažnej sústavy voči stacionárnym hodinám. Hodiny zostávajúce na Zemi počítali čas v gravitačnom poli s veľkou hodnotou potenciálu, hodiny na palube lietadla počítali čas v gravitačnom poli s nižšou hodnotou gravitačného potenciálu. Tento časový rozdiel dosiahol 53 nanosekúnd počas 15 hodín letu. Zároveň sa hodiny na palube pohybovali v porovnaní s hodinami na zemskom povrchu v pokoji a zaostávali za nimi. Tento efekt bol oveľa menší. Za 15 hodín letu bolo oneskorenie iba 6 nanosekúnd. Oba efekty viedli k posunu hodín o 47 nanosekúnd. Presnosť merania nerovnomerného pohybu bola lepšia ako jedno percento! Takže ako výsledok priamych meraní sa preukázala nehomogenita priebehu času v rôznych bodoch priestoru a rôznych súradnicových sústavách.

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

Špeciálna alebo súkromná teória relativity je teória štruktúry časopriestoru. Prvýkrát ho predstavil v roku 1905 Albert Einstein vo svojom diele „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“. Teória popisuje pohyb, zákony mechaniky, ako aj časopriestorové vzťahy, ktoré ich určujú, pri rýchlostiach pohybu blízkych rýchlosti svetla. Klasická newtonovská mechanika v rámci špeciálnej teórie relativity je aproximáciou pre nízke rýchlosti.

Všeobecná teória relativity

Všeobecná relativita je teória gravitácie vyvinutá Einsteinom v rokoch 1905-1917. Je ďalší vývojšpeciálna teória relativity. Vo všeobecnej teórii relativity sa predpokladá, že gravitačné účinky nie sú spôsobené silovou interakciou telies a polí, ale deformáciou samotného časopriestoru, v ktorom sa nachádzajú. Táto deformácia je spojená najmä s prítomnosťou hmoty-energie.

Odkazy

• Všeobecná teória relativity – časopriestorové kontinuum (ruština) – len o komplexe.
• Špeciálna teória relativity (ruština) - Jednoducho o komplexe.

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „relativistická fyzika“ v iných slovníkoch:

Fyzika a realita- "FYZIKA A REALITA" zbierka článkov A. Einsteina, napísaných v r rôzne obdobia jeho tvorivý život. Rus. vydanie M., 1965. Kniha odráža hlavné epistemologické a metodologické názory veľkého fyzika. Medzi nimi… … Encyklopédia epistemológie a filozofie vedy

- (RTG) teória gravitácie založená na reprezentácii gravitačného poľa ako symetrického tenzorového fyzikálneho poľa valencie 2 v Minkowského priestore. Vyvinutý akademikom Ruskej akadémie vied A. A. Logunovom so skupinou ... ... Wikipedia

- (grécky τὰ φυσικά - náuka o prírode, z φύσις - príroda) - komplex ved. študujúcich odborov všeobecné vlastnostištruktúry, interakcie a pohyby hmoty. V súlade s týmito úlohami moderné F. možno veľmi podmienečne rozdeliť na tri veľké ... ... Filozofická encyklopédia

Hypernukleárna fyzika je oblasť fyziky na priesečníku jadrovej fyziky a fyziky elementárnych častíc, v ktorej sú predmetom výskumu jadrové sústavy obsahujúce okrem protónov a neutrónov aj iné elementárne častice hyperóny. Tiež ... ... Wikipedia

Oblasť fyziky, ktorá študuje dynamiku častíc v urýchľovačoch, ako aj početné technické problémy spojené s konštrukciou a prevádzkou urýchľovačov častíc. Fyzika urýchľovačov zahŕňa otázky súvisiace s produkciou a akumuláciou častíc ... Wikipedia

FYZIKA. 1. Predmet a štruktúra fyziky F. veda, ktorá študuje najjednoduchšie a zároveň najviac. všeobecné vlastnosti a zákony pohybu objektov hmotného sveta, ktorý nás obklopuje. V dôsledku tejto všeobecnosti neexistujú žiadne prírodné javy, ktoré by nemali fyzické. vlastnosti... Fyzická encyklopédia

Relativistická mechanika je oblasť fyziky, ktorá zohľadňuje zákony mechaniky (zákony pohybu telies a častíc) pri rýchlostiach porovnateľných s rýchlosťou svetla. Pri rýchlostiach oveľa nižších ako je rýchlosť svetla prechádza do klasického (newtonovského) ... ... Wikipedia

Fyzikálny odbor venovaný štúdiu jadrových procesov, v ktorých sa častice tvoriace jadrovú hmotu pohybujú rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla c. RI. f. vznikla v roku 1970 72 v súvislosti s experimentmi na zväzkoch relativistických jadier, ... ... Fyzická encyklopédia

I. Predmet a štruktúra fyziky Fyzika je veda, ktorá študuje najjednoduchšie a zároveň najvšeobecnejšie zákonitosti prírodných javov, vlastnosti a štruktúru hmoty a zákonitosti jej pohybu. Preto sú pojmy F. a jeho zákony základom všetkého ... ... Veľká sovietska encyklopédia

Príklady rôznych fyzikálnych javov Fyzika (z iného gréckeho φύσις ... Wikipedia

knihy

• Fyzika vysokoprúdových relativistických elektrónových lúčov, A. A. Rukhadze, L. S. Bogdankevich, S. E. Rosinsky, V. G. Rukhlin. Systematicky sú prezentované základy fyziky pulzných vysokoprúdových elektrónových lúčov a ich interakcie s plazmou. Rôzne rovnovážne konfigurácie, formovanie a…