0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое теория относительности

Теория относительности Эйнштейна, объясняем и читаем краткими понятными словами

Теория относительности Эйнштейна — всегда представлялась чем то абстрактным и непонятным для меня. Попробуем описать теорию относительности Эйнштейна простыми словами. Представьте, как вы находитесь на улице в сильный дождь и ветер дует вам на спину. Если вы начнете быстро бежать, капли дождя не будут попадать на спину. Капли будут медленнее или вовсе не достигать вашей спины, это научно доказанный факт, да и сами вы сможете проверить это в ливень. А теперь представим, если бы вы обернулись и побежали против ветра с дождем, капли будут сильнее попадать на одежду и лицо, чем если бы вы просто стояли.

Ранее ученые думали, что свет действует как дождь в ветреную погоду. Они думали, что если Земля двигается вокруг Солнца, а Солнце двигается вокруг галактики, то возможно измерить скорость их движения в пространстве. По их мнению, все что им остается сделать это измерить скорость света и то как она изменяется относительно двух тел.

Ученые это сделали и обнаружили что-то очень странное. Скорость света была такой же, несмотря ни на что, как бы тела не двигались и не важно в каком направлении проводить измерения.

Это было очень странно. Если брать ситуацию с ливнем, то при обычных обстоятельствах капли дождя будут воздействовать на вас сильнее или слабее в зависимости от ваших передвижений. Согласитесь, было бы очень странно, если бы ливень с одинаковой силой дул вам в спину, как при беге, так и при остановке.

Ученые обнаружили, что свет не имеет такие же свойства, как капли дождя или что-то другое во вселенной. Независимо от того, как быстро вы двигаетесь, и независимо от того, в каком направлении вы направляетесь, скорость света всегда будет одинаковой. Это очень запутанно и только Альберт Эйнштейн смог пролить свет на эту несправедливость.

Теория относительности Эйнштейна кратко

Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.

Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее, всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.

Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился. Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.

Двоякость измерений

Другое, что Эйнштейн и Лоренц выяснили, это то, что два человека при разных обстоятельствах могут получить разные расчетные значения и самое странное, что они оба будут правы. Это еще один побочный эффект того, что свет всегда движется с одинаковой скоростью.

Проведем мысленный эксперимент

Представьте, что вы стоите в центре своей комнаты, и вы установили лампу прямо посередине комнаты. Теперь представьте, что скорость света очень медленна, и вы можете видеть, как он распространяется, представьте, что вы включили лампу.

Как только вы включите лампу, свет начнет расходится и освещать. Поскольку обе стены находятся на одном и том же расстоянии, свет достигнет обе стены одновременно.

Теперь представьте, что в вашей комнате есть большое окно, и ваш знакомый проезжает мимо. Он увидит уже другое. Для него это будет выглядеть так, как будто ваша комната движется вправо и когда вы включите лампу, он увидит, что левая стена движется к свету. а правая стена отодвигается от света. Он увидит, что свет сначала попал в левую стену, а потом на правую. Ему покажется, что свет не осветил обе стены одновременно.

Согласно теории относительности Эйнштейна, обе точки зрения будут правы. С вашей точки зрения, свет попадает в обе стены одновременно. С точки зрения вашего знакомого это не так. В этом нет ничего плохого.

Вот почему ученые говорят, что «одновременность относительна». Если вы измеряете две вещи, которые должны произойти одновременно, то тот, кто движется с другой скоростью или в другом направлении, не сможет их измерить одинаково с вами.

Нам это кажется очень странным, потому что скорость света для нас мгновенная, и мы двигаемся очень медленно по сравнению с ней. Поскольку скорость света настолько велика, мы не замечаем скорость распространения света, до тех пор пока не будем проводить специальные эксперименты.

Чем быстрее движется предмет, тем он короче и меньше

Еще один очень странный побочный эффект того, что скорость света не изменяется. При скорости света движущиеся вещи становятся короче.

Читать еще:  Как понять

Опять же, давайте представим, что скорость света очень медленная. Представьте, что вы едете в поезде, и вы установили лампу посередине вагона. Теперь представьте, что вы включили лампу, как в комнате.

Свет будет распространяться и одновременно достигнет стен спереди и сзади вагона. Таким образом вы можете даже измерить длину вагона, измерив, сколько времени потребовалось свету достигнуть обеих сторон.

Проведем расчеты:

Представим себе, что для прохождения 10 метров требуется 1 секунда и чтобы свет распространился от лампы до стены вагона потребуется 1 секунда. Это значит, что лампа находится на расстоянии 10 метров от обеих сторон вагона. Так как 10 + 10 = 20, то значит длина вагона 20 метров.

Теперь давайте представим, что ваш знакомый находится на улице, наблюдая, как поезд проходит мимо. Помните, что он видит вещи по другому. Задняя стена вагона движется к лампе, а передняя отодвигается от нее. Таким образом для него свет не будет касаться передней и задней части стены вагона одновременно. Сначала свет дойдет до задней части, а потом до передней.

Таким образом если вы и ваш знакомый измерите скорость распространения света от лампы до стен, вы получите разные значения, при этом с точки зрения науки оба расчета будут верны. Только для вас, согласно измерениям, длина вагона будет одного размера, а для знакомого длина вагона будет меньше.

Помните, все дело в том, каким образом и при каких условиях вы производите измерения. Если бы вы оказались внутри летящей ракеты, которая движется со скоростью света, вы бы не почувствовали ничего необычного, в отличие от измеряющих ваше движение людей на земле. Вы не смогли бы понять, что время для вас идет медленнее или что передняя и задняя часть корабля вдруг стали ближе друг к другу.

При этом, если бы вы летели на ракете, то вам казалось бы так, как будто все планеты и звезды пролетают мимо вас со скоростью света. В таком случае если вы попробуете измерить их время и размер, то по логике для них время должно замедлится, а размеры уменьшаться, правильно?

Все это было очень странно и непонятно, но Эйнштейн предложил решение и объединил все эти явления в одну теорию относительности.

Общая теория относительности: Простое объяснение

Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы он это сделал. В ответ он создал свое величайшее творение — Общую теорию относительности.

Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжения действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.

Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации всё еще использовались в течение десятилетий, как основа для универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движения планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую теорию тяготения и на то, где она не дотягивает.

Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают», а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.

Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, — это орбиты небесных тел, почему Луна вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца. В конечном счете, ответ Ньютона на это заключался в том, что гравитация — это сила, пропорциональная массе объекта. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.

Но, как мы уже упоминали ранее, проблема ньютоновской гравитации заключается в её действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстояния между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Также проблема в том, что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжения, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.

В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью. Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.

Читать еще:  Почему развивается гангрена

В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.

Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый пространственно-временной континуум.

В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.

Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.

Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени — три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле. Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.

Откуда мы знаем, что Общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.

Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.

Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву. С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.

Как выразился физик-теоретик Джон Уилер (John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться».

Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.

Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.

Теория относительности для чайников

Ещё очень давно один подписчик просил меня написать статью про основные положения теории относительности Эйнштейна, однако, времени не хватало и постепенно эта мысль отходила на второй план, но буквально недавно на днях в беседе нашего канала эта тема была поднята вновь, так что я решил, что пора бы уже написать)

Сначала давайте вообще разберёмся с самим принципом относительности . Для этого я приведу вам такой пример:

Пассажир едет в поезде и роняет телефон. Для него он упадёт вертикально вниз, но относительно человека, стоящего на улице, траектория падения мобильника будет соответствовать параболе. Очевидно, что системы отсчёта здесь меняются, и получаемые результаты (в данном случае траектория падения мобилы) зависят от этих СО. Однако, существуют и универсальные вещи, которые остаются неизменными (в научном языке их называют инвариантными ). Для того чтобы понять это, нужно задаться вопросом не падения очков, а закона природы, который вызывает это падение. Для любого наблюдателя, независимо от СО , ответ на него остаётся неизменным. Этот закон называется законом распределённого движения . Он одинаково действует и в поезде, и на улице. Иными словами, если описание событий всегда зависит от того, кто их наблюдает, то это не относится к законам природы . Вот в этом и состоит принцип относительности .

Читать еще:  Что такое околоцветник

Итак, для начала мне нужно отметить, что существует 2 теории относительности Эйнштейна: СТО и ОТО . Расшифровываются они следующим образом:

СТО — специальная теория относительности ОТО — общая теория относительности

Незнакомому с данными понятиями человеку может показаться, что эти понятия весомой разницы не имеют, однако это не так, поэтому разберёмся с ними поочерёдно, а для этого начнём с СТО .

СТО основывается на том, что для всевозможных систем отсчета, скорость движения которых постоянна, законы природы остаются одними и теми же. Но всё же в чём её суть?

Именно этой теорией предсказывается множество парадоксальных эффектов, противоречащих нашим интуитивным представлениям об устройстве мира. Речь идет о тех эффектах, которые наблюдаются при достижении скорости движения, сравнимой со световой. Наиболее известным среди них является эффект замедления времени (хода часов). Часы, которые движутся относительно наблюдателя, для него идут медленнее, нежели те, которые находятся у него в руках.

Этот эффект, кстати, был уже подтверждён экспериментально (при чём несколько раз). Вот один из примеров:

Учёные из Мичиганского университета поместили на борт авиалайнера, который регулярно совершал трансатлантические рейсы, сверхточные атомные (квантовые) часы (что это такое — уже рассказывал на канале, но если вы не видели, то я прикреплю картинку чуть ниже). Каждый раз после возвращения его в аэропорт показания этих часов сверялись с контрольными. Оказалось, что часы на самолете каждый раз все больше отставали от контрольных. Конечно, речь шла лишь о незначительных цифрах, долях секунды, но сам факт весьма показателен.

Также не стоит забывать, что благодаря той же СТО Эйнштейна мы можем позволить себе такую замечательную вещь, как GPS-навигаторы , ведь в космосе объекты перемещаются гораздо быстрее, поэтому для них время течёт чуть-чуть, но всё же по-другому (медленнее). Про это я тоже рассказывал в одном из своих постов. Его, кстати, вы можете видеть ниже:

Кстати, многие могут посчитать, что СТО Эйнштейна противоречит законам Ньютона , однако, формулы теории относительности воспроизводят уравнения Ньютоновских законов практически в точности, если их использовать для описания тел, скорость движения которых намного меньше скорости света. Другими словами, если применяется СТО, физика Ньютона вовсе не отменяется. Эта теория, напротив, дополняет и расширяет ее.

Итак, думаю вам уже надоело разжёвывание одной лишь теории относительности, ведь их ДВЕ ! 😀 Поэтому теперь мы переходим к общей теории относительности !

Для начала хотелось бы теперь уточнить, что между публикациями СТО и ОТО Эйнштейна прошло 11 лет ! Столько времени ушло, на то, чтобы доработать общую ТО , которая включала бы в себя специальную и дополняла её.

Но что же в ней такого особенного? Почему разница в публикации этих двух статей равняется довольно большому отрезку времени в 11 лет ?

Напомню, что ОТО включает в себя СТО, которая является здесь частным случаем.

Ну так вот, общая теория относительности позволяет нам взглянуть на мир совершенно по-иному. Для начала советую вам осознать, что наш мир — четырёхмерный . Да, все мы знаем из стереометрии, что существуют оси x , y и z , но ОТО добавляет новую ось — ось времени t .

Однако мы не можем видеть четвёртое измерение ровно так же, как и, допустим, Санёк из 2D-мира не может посмотреть вверх

Тогда возникает вопрос: так какого лешего мы находимся в четырёхмерном измерении, но мы не можем этого увидеть?! Всё просто: наш мир (ну т.е. то, что мы понимаем под этим словом) — это всего лишь проекция четырёхмерного пространства в трёхмерное .

Также довольно интересным фактом является то, что в четырёхмерном пространстве объекты ВСЕГДА неизменны , т.е., опять же, такие явления, как замедление времени, изменение размеров объектов — всего лишь изменение ПРОЕКЦИЙ этих объектов, а не их самих.

С появлением ОТО Эйнштейна, кстати, позволяет по-другому взглянуть на гравитацию. Согласно закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном, сила взаимного притяжения существует во Вселенной между любыми двумя телами. Земля, с этой позиции, вращается вокруг Солнца, т.к. между ними имеются силы взаимного притяжения. ОТО же, как я говорил, показывает нам гравитацию с другой стороны. Это явление — следствие «искривления» (тобишь деформации) пространства-времени под массивными объектами. Т.е. чем тело тяжелее — тем сильнее пространство-время под ним «прогибается», из-за чего и возрастает гравитация около него.

Для того чтобы лучше это понять, обратимся к сравнению. Земля, согласно ОТО , вращается вокруг Солнца, как маленький шарик, который катится вокруг конуса воронки, созданной в результате «продавливания» Солнцем пространства-времени. А то, что мы привыкли считать силой тяжести, является на самом деле внешним проявлением данного искривления, а не силой, в понимании Ньютона. Лучшего объяснения феномена гравитации, чем предложенное в ОТО , на сегодняшний день не найдено.

Источники:

http://oldinvent.ru/teoriya-otnositelnosti-ejnshtejna-ob/
http://medium.com/space-review/%D0%BE%D0%B1%D1%89%D0%B0%D1%8F-%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B5-%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D1%8F%D1%81%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-2f528130bbcf
http://zen.yandex.ru/media/id/5a6dcd48168a917fd79633cd/5a82f8513dceb785fda560e0

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector