Успокойся
Успокойся
Теория относительности Эйнштейна: кратко и понятно
Теория относительности была представлена Альбертом Эйнштейном в начале 20-го века. В чем же состоит её суть? Рассмотрим основные моменты и понятным языком охарактеризуем ТОЭ.
Теория относительности практически ликвидировала несостыковки и противоречия физики 20-го века, заставила в корне поменять представление о структуре пространства-времени и экспериментально подтвердилась в многочисленных опытах и исследованиях.
Таким образом, ТОЭ легла в основу всех современных фундаментальных физических теорий. По сути – это мама современной физики!
Для начала стоит отметить, что существует 2 теории относительности:
Специальная теория относительности (СТО) – рассматривает физические процессы в равномерно движущихся объектов.
Общая теория относительности (ОТО) – описывает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение такого явления как гравитация и существование частиц гравитонов.
Понятное дело, что СТО появилась раньше и по сути является частью ОТО. О ней и поговорим в первую очередь.
СТО простыми словами
В основе теории лежит принцип относительности, согласно которому любые законы природы одинаковы отноительно неподвижных и движущихся с постоянной скоростью тел. И из такой казалось бы простой мысли следует, что скорость света (300 000 м/с в вакууме) одинакова для всех тел.
Например, представьте, что вам подарили космический корабль из далёкого будущего, который может летать с огромной скоростью. На носу корабля устанавливается лазерная пушка, способная стрелять вперёд фотонами.
Относительно корабля такие частицы летят со скоростью света, однако относительно неподвижного наблюдателя они, казалось бы, должны лететь быстрее, так как обе скорости суммируются.
Однако на самом деле этого не происходит! Сторонний наблюдатель видит фотоны, летящие 300 000 м/с, как будто скорость космического корабля к ним не добавлялась
Нужно запомнить: относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, как бы быстро оно не двигалось.
Из этого следуют потрясающие воображение выводы вроде замедления времени, продольном сокращении и зависимости массы тела от скорости. Подробнее об интереснейших следствиях Специальной теории относительности читайте в статье по ссылке ниже.
Суть общей теории относительности (ОТО)
Чтобы лучше её понять, нам нужно вновь объединить два факта:
Мы живем в четырехмерном пространстве
Пространство и время – это проявления одной и той же сущности под названием «пространственно-временной континуум». Это и есть 4-мерное пространство-время с осями координат x, y, z и t.
Мы, люди, не в состоянии воспринимать 4 измерения одинаково. По сути, мы видим только проекции настоящего четырехмерного объекта на пространство и время.
Что интересно, теория относительности не утверждает, что тела изменяются при движении. 4-мерные объекты всегда остаются неизменными, но при относительном движении их проекции могут меняться. И мы это воспринимаем как замедление времени, сокращение размеров и т. д.
Все тела падают с постоянной скоростью, а не разгоняются
Давайте проведём страшный мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в закрытой кабине лифта и находитесь в состоянии невесомости.
Такая ситуация могла возникнуть только по двум причинам: либо вы находитесь в космосе, либо свободно падаете вместе с кабиной под действием земной гравитации.
Не выглядывая из кабинки, абсолютно невозможно отличить два этих случая. Просто в одном случае вы летите равномерно, а в другом с ускорением. Вам придется угадывать!
Возможно, сам Альберт Эйнштейн размышлял над воображаемым лифтом, и у него появилась одна потрясающая мысль: если эти два случая невозможно отличить, значит падение за счет гравитации тоже является равномерным движением. Просто равномерным движение является в четырехмерном пространстве-времени, но при наличии массивных тел (например, планет Солнечной системы) оно искривляется и равномерное движение проецируется в обычное нам трёхмерное пространство в виде ускоренного движения
Давайте рассмотрим еще один более простой, хоть и не совсем корректный пример искривления двухмерного пространства.
Можно представлять, что любое массивное тело под собой создает некоторую образную воронку. Тогда другие тела, пролетающие мимо, не смогут продолжить свое движение по прямой и изменят свою траекторию согласно изгибам искривленного пространства.
Кстати, если у тела не так много энергии, то его движение вообще может оказаться замкнутым.
Стоит отметить, что с точки зрения движущихся тел они продолжают перемещаться по прямой, ведь не чувствуют ничего такого, что заставляет их повернуть. Просто они попали в искривленное пространство и сами того не осознавая имеют непрямолинейную траекторию.
Нужно обратить внимание, что искривляется 4 измерения, в том числе и время, поэтому к этой аналогии стоит относиться осторожно.
Таким образом, в общей теории относительности гравитация – это вообще не сила, а лишь следствие искривление пространства-времени. На данный момент эта теория является рабочей версией происхождения гравитации и прекрасно согласуется с экспериментами.
Удивительные следствия ОТО
Световые лучи могут искривляться, пролетая вблизи массивных тел. Действительно, в космосе найдены далёкие объекты, которые «прячутся» за другими, но световые лучи их огибают, благодаря чему свет доходит до нас.
Согласно ОТО чем сильнее гравитация, тем медленнее протекает время. Этот факт обязательно учитывается при работе GPS и ГЛОНАСС, ведь на их спутниках установлены точнейшие атомные часы, которые тикают чуть-чуть быстрее, чем на Земле. Если этот факт не учитывать, то уже через сутки погрешность координат составит 10 км.
Именно благодаря Альберту Эйнштейну вы можете понять, где по близости располагается библиотека или магазин.
И, наконец, ОТО предсказывает существование черных дыр, вокруг которых гравитация настолько сильна, что время вблизи просто напросто останавливается. Поэтому свет, угодивший в черную дыру, не может её покинуть (отразиться).
В центре черной дыры из-за колоссального гравитационного сжатия образуется объект с бесконечно большой плотностью, а такого, вроде как, быть не может.
Таким образом, ОТО может приводить к весьма противоречивым выводам в отличие от Специальной теории относительности, поэтому основная масса физиков не приняла её полностью и продолжила искать альтернативу.
Но многое ей и удаётся предсказывать удачно, примеру недавнее сенсационное открытие гравитационных волн подтвердило теорию относительности и заставило вновь вспомнить великого учёного с высунутым языком. Любите науку, читайте ВикиНауку.
Источник http://wikinauka.ru/fizika/%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D1%82%D...
Найдено подтверждение главного принципа Эйнштейна. Но это не точно, надо доказывать.
Физики из Австрии и Австралии описали принцип эквивалентности Эйнштейна в рамках квантовой механики. Это открытие, возможно, позволит разрешить противоречия, возникающие при попытках создать единую теорию, описывающую гравитационное и другие виды фундаментальных взаимодействий. Статья ученых опубликована в журнале Nature Physics.
Согласно принципу эквивалентности, в равномерном гравитационном поле (на поверхности Земли) все тела двигаются точно так же, как если бы они находились в равномерно ускоренной системе координат в отсутствии тяготения (разгоняющийся в пустом пространстве лифт). Иными словами, гравитационная и инертная массы равны. Этот принцип также объясняет, почему все тела, независимо от массы, падают на землю с одинаковой скоростью. Для перемещения тел с большой массой требуется приложить значительную силу, однако они и притягиваются гравитацией сильнее, чем легкие предметы.
Принцип эквивалентности лежит в основе общей теории относительности Эйнштейна, однако он применим лишь к макромиру. Квантовая механика, объясняющая фундаментальные взаимодействия в микромире, и теория гравитации оказались несовместимы, хотя каждая максимально точно описывает физические явления в соответствующих масштабах. Отчасти это связано с тем, что не было известно, как принцип эквивалентности может применяться по отношению к фундаментальным частицам, которые, например, могут находиться в суперпозиции — одновременно в двух взаимоисключающих энергетических состояниях.
В новой работе ученые показали, что принцип эквивалентности может выполняться в квантовом мире. Новая формулировка учитывает суперпозицию энергетических состояний, и, поскольку энергия можно выразить через массу, суперпозицию масс. Таким образом, физики постулировали эквивалентность между массой покоя частицы, инертной массой и гравитационной массой. Однако ученые отмечают, что для доказательства принципа потребуются экспериментальные исследования.
Ньютон был не прав. Как работают научные теории
Фразы «учёные предполагают», «теория может объяснить» и даже само слово «теория» нередко отпугивают не близких к науке людей. Почему учёные всегда так неуверены? Неужели нельзя точно сказать, как же было на самом деле? Давайте разберёмся, почему это так и как работает наука
Ньютон не прав. Ньютон — лев! Только посмотрите на эту гриву
Как на самом деле устроен мир
Этого не знает никто. Подробный ответ на то, почему это так философы разрабатывали сотни лет. И вот в чём дело: предположим мы узнали какой-то факт об окружающем мире. Как мы можем быть уверены, что он описывает то, каким мир является на самом деле. Если мы увидели что-то своими глазами, мы могли плохо это разглядеть или не так понять. Если мы измерили какой-то показатель прибором, то с чего мы взяли, что прибор не врёт? Если мы прочитали факт в книге, то откуда нам знать, что он правдив, даже если так написано в этой книге. Одна гипсовая голова говорила "Я знаю, что я ничего не знаю", когда ещё не была гипсовой
Но в мире вокруг происходит множество вещей! Иногда идёт дождь, случаются солнечные затмения, а яблоки всегда падают только вниз. Очень хочется описать, как же это всё работает, найти закономерности. Пусть мы не можем знать, как это работает на самом деле. Давайте попытаемся сделать это хоть как-нибудь
И именно так и работают научные теории! Сначала люди пытаются описывать мир так, как могут. Более простым и очевидным образом. Земля кажется плоской — мы предполагаем, что она и есть плоская. Пусть мы не можем знать, какая она на самом деле, если жить с такой мыслью, можно уйти в депрессию. Давайте будем жить с той мыслью, что Земля плоская, пока не появятся свидетельства о том, что это не так
Очевидным предположением было, что все прочие небесные тела вращаются вокруг Земли — это называется геоцентризм. Научная ли это теория? Да! Это не псевдонаука (на том этапе развития человечества). Но со временем люди поняли, что если принять, что планеты в нашей солнечной системе вращаются вокруг Солнца, это позволит лучше и проще описывать наблюдаемые явления!
Так и работает наука. Учёный готов отвергнуть любую, даже самую красивую теорию, даже от величайшего человека, если она хуже описывает окружающий мир, чем новая. Пока же мы не изобрели новую теорию получше (или не доработали старую) мы пользуемся существующей. Как правило, у любой теории есть проблемы, есть вопросы, на которые она не может ответить полностью. Но если учёные её используют, значит она работает лучше всего, что ещё известно
Так что там с Ньютоном?
В школе все мы учили теорию гравитации Ньютона. Она была настоящим прорывом для своего времени. Но на данный момент она… неверна! Теория относительности Эйнштейна описывает мир куда лучше и поэтому встала на её место. Плоха ли теория Ньютона? Она очень хороша! Настолько хороша, что её достаточно, чтобы отправить человека в космос. Но мы готовы отвергнуть её в пользу более точной теории
Что же такое научная теория
Несмотря на то, что в этой статье я назвал геоцентризм и теорию плоской Земли научными, сейчас они такими не являются. Какими же свойствами должна обладать теория, чтобы она называлась научной?
1. Описание общих законов и сферы их применения. Наука должна правильно объяснять явления. Именно из-за несоответствия действительности была отвергнута теория плоской Земли
2. Предсказание неизвестных явлений. Если ваша теория может описать что-то уже существующее —это не так интересно. Важно, чтобы новая теория могла предсказывать новые явления — так наука движется вперёд
Например, Ньютон не просто понял, что яблоки падают вниз — наверняка, это замечали и другие люди. Гениальность Ньютона в том, что он предположил, что точно такие же законы притяжения работают для всех тел — в том числе небесных. Так Ньютон смог описать движение планет!
Из-за сложности предсказания новых явлений была отвергнута теория геоцентризма
3. Логико-математические выводы. Наука опирается на логику. Если в теории используются некорректные логические выводы или иррациональные понятия, она не научна
Поэтому любая религия не является научной теорией: она опирается на иррациональное — веру
4. Фальсифицируемость. Научная теория не может быть принципиально неопровержимой. Должен существовать такой эксперимент или факт, который мог бы её опровергнуть. Например, теорию относительности Эйнштейна можно опровергнуть: достаточно всего лишь одного несоответствия опыта её предсказаниям
Благодаря этому критерию теория эволюции является научной теорией, а психоанализ Фрейда — нет. Потому что психоанализ может объяснить любой факт в своих рамках
Надеюсь, после этого стало немного яснее неуверенность учёных и то, как на самом деле работает наука. Больше постов про науку, IT и учёбу — в моей группе ВК. Спасибо за чтение!
Что такое время? Могут ли существовать прошлое, настоящее и будущее одновременно?
Эйнштейн заключил, что прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно. Однажды он написал в письме: «Мы, физики, считаем, что разделение между прошлым, настоящим и будущим - всего лишь иллюзия, хотя и убедительная».
Эта точка зрения предполагает, что сам Эйнштейн вовсе не был уверен, что Время было экзистенциальным.
Прежде чем пытаться интерпретировать Время, полезно подумать о том, что на самом деле известно о времени. Недвусмысленный ответ - «НИЧЕГО». Прошлое, настоящее и будущее существуют исключительно как понятия в человеческом разуме.
Время не наблюдается. Это человеческое понятие, изобретенное людьми для людей.
Специальная теория относительности, вероятно, привела к тому, что характеристика времени является четвертым измерением, но на самом деле пространство / время - это просто удобный способ описания области пространства вместе с ее местным гравитационным полем. Время не может наблюдаться и, по всей вероятности, является просто человеческим понятием (хотя и очень полезным понятием!). Физика определяет время как «то, что измеряется часами», это все.
Измерение времени - это просто произвольная количественная оценка заданного множества событий. Существует распространенное заблуждение, что время - это то, что на самом деле существует как четвертое измерение независимо от материи, энергии и пространства и их различных взаимодействий (событий). Время не может быть соблюдено, и нет никаких доказательств того, что оно действительно существует вне пределов человеческого разума. Когда мы измеряем время, мы фактически подсчитываем такие события, как тиканье часов. События достаточно реальны, но интервал времени, который мы измеряем, лучше всего рассматривать как мнимый интервал между событиями.
Происхождение понятия времени
Вероятно, что люди придумали понятие времени как удобный способ разделения задач для нескольких человек, находящихся в одном месте. Например, соглашение о встрече с двумя людьми для охоты на восходе солнца на берегу реки рядом с большой скалой представляет собой синхронизацию события восхода солнца с двумя людьми и уникальную географическую точку на планете. Человеческое понятие времени служит для точной синхронизации событий для вида, который во многом обязан своим успехом организованному кооперативному поведению.
Хотя сегодня мы будем ассоциировать восход солнца с определенным временем, указанным на наручных часах (точнее, атомными часами), в любой системе координат нет «известного» абсолютного эталона времени. т.е. нет «известного» универсального стандартного времени в любой точке Вселенной с релятивистскими эффектами скорости и силы тяжести или без них. Примечательно, что восход солнца на берегу реки никогда не будет точно совпадать по времени (даже измеряя его атомными часами) с тем же восходом солнца, наблюдаемым со скалы. Частично это объясняется постоянными изменениями на орбите Земли и, в частности, неопределенностью расположения и скорости квантовых частиц. Квантовые наблюдения показывают, что предсказать или измерить точное местное время любого события во Вселенной невозможно.
А что вы думаете о времени?
Как подготовить машину к долгой поездке
Взять с собой побольше вкусняшек, запасное колесо и знак аварийной остановки. А что сделать еще — посмотрите в нашем чек-листе. Бонусом — маршруты для отдыха, которые можно проехать даже в плохую погоду.