Diese Welt war in tiefe Dunkelheit gehüllt.
Es werde Licht! Und dann erschien Newton.
Epigramm aus dem 18. Jahrhundert.

Aber Satan ließ nicht lange auf Rache warten.
Einstein kam und alles wurde wie zuvor.
Epigramm des 20. Jahrhunderts.

Postulate der Relativitätstheorie

Postulat (Axiom)- eine grundlegende Aussage, die der Theorie zugrunde liegt und ohne Beweise akzeptiert wird.

Erstes Postulat: Alle physikalischen Gesetze, die physikalische Phänomene beschreiben, müssen in allen Trägheitsbezugssystemen die gleiche Form haben.

Dasselbe Postulat kann anders formuliert werden: In jedem Trägheitsbezugssystem verlaufen alle physikalischen Phänomene unter denselben Anfangsbedingungen auf die gleiche Weise.

Zweites Postulat: In allen Trägheitsbezugssystemen ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gleich und hängt nicht von der Bewegungsgeschwindigkeit sowohl der Lichtquelle als auch des Lichtempfängers ab. Diese Geschwindigkeit ist die maximale Geschwindigkeit aller Vorgänge und Bewegungen, die mit der Energieübertragung einhergehen.

Gesetz der Beziehung zwischen Masse und Energie

Relativistische Mechanik- ein Zweig der Mechanik, der die Bewegungsgesetze von Körpern mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit untersucht.

Jeder Körper verfügt aufgrund seiner Existenz über eine Energie, die proportional zu seiner Ruhemasse ist.

Was ist die Relativitätstheorie (Video)

Konsequenzen der Relativitätstheorie

Die Relativität der Gleichzeitigkeit. Die Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse ist relativ. Wenn die Ereignisse, die stattgefunden haben, in verschiedene Punkte, in einem Trägheitsreferenzsystem gleichzeitig sind, dann sind sie möglicherweise in anderen Inertialreferenzsystemen nicht gleichzeitig.

Längenreduzierung. Die Länge des Körpers, gemessen im Bezugssystem K", in dem er ruht, ist größer als die Länge im Bezugssystem K, relativ zu dem sich K" mit der Geschwindigkeit v entlang der Ox-Achse bewegt:

Zeitdilatation. Das Zeitintervall, das von einer im Inertial-Referenzsystem K" stationären Uhr gemessen wird, ist kleiner als das im Inertial-Referenzsystem K gemessene Zeitintervall, relativ zu dem sich K" mit der Geschwindigkeit v bewegt:

Relativitätstheorie

Material aus dem Buch „A Brief History of Time“ von Stephen Hawking und Leonard Mlodinow

Relativität

Einsteins grundlegendes Postulat, das sogenannte Relativitätsprinzip, besagt, dass alle Gesetze der Physik für alle sich frei bewegenden Beobachter gleich sein müssen, unabhängig von ihrer Geschwindigkeit. Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, dann sollte jeder frei bewegte Beobachter den gleichen Wert aufzeichnen, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der er sich der Lichtquelle nähert oder sich von ihr entfernt.

Die Forderung, dass sich alle Beobachter über die Lichtgeschwindigkeit einig sein müssen, erzwingt eine Änderung des Zeitbegriffs. Nach der Relativitätstheorie schätzen ein Beobachter in einem Zug und ein Beobachter auf dem Bahnsteig die vom Licht zurückgelegte Strecke unterschiedlich ein. Und da Geschwindigkeit die Entfernung geteilt durch die Zeit ist, können sich Beobachter nur dann auf die Lichtgeschwindigkeit einigen, wenn sie sich auch hinsichtlich der Zeit nicht einig sind. Mit anderen Worten: Die Relativitätstheorie hat der Idee der absoluten Zeit ein Ende gesetzt! Es stellte sich heraus, dass jeder Beobachter sein eigenes Zeitmaß haben muss und dass identische Uhren für verschiedene Beobachter nicht unbedingt die gleiche Zeit anzeigen.

Wenn wir sagen, dass der Raum drei Dimensionen hat, meinen wir, dass die Position eines Punktes darin durch drei Zahlen ausgedrückt werden kann – Koordinaten. Wenn wir die Zeit in unsere Beschreibung einbeziehen, erhalten wir eine vierdimensionale Raumzeit.

Eine weitere bekannte Konsequenz der Relativitätstheorie ist die Äquivalenz von Masse und Energie, ausgedrückt durch Einsteins berühmte Gleichung E = mc2 (wobei E die Energie, m die Körpermasse und c die Lichtgeschwindigkeit ist). Aufgrund der Äquivalenz von Energie und Masse erhöht die kinetische Energie, die ein materieller Gegenstand aufgrund seiner Bewegung besitzt, seine Masse. Mit anderen Worten: Es wird schwieriger, das Objekt zu beschleunigen.

Dieser Effekt ist nur für Körper von Bedeutung, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Beispielsweise ist die Körpermasse bei einer Geschwindigkeit von 10 % der Lichtgeschwindigkeit nur 0,5 % größer als im Ruhezustand, bei einer Geschwindigkeit von 90 % der Lichtgeschwindigkeit ist die Masse jedoch mehr als doppelt so groß das normale. Mit zunehmender Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit nimmt die Masse eines Körpers immer schneller zu, so dass für seine Beschleunigung immer mehr Energie erforderlich ist. Nach der Relativitätstheorie kann ein Körper niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen, da in diesem Fall seine Masse unendlich werden würde und aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie dafür unendlich viel Energie erforderlich wäre. Aus diesem Grund verurteilt die Relativitätstheorie jeden gewöhnlichen Körper für immer dazu, sich mit einer Geschwindigkeit zu bewegen, die unter der Lichtgeschwindigkeit liegt. Nur Licht oder andere Wellen, die keine eigene Masse haben, können sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Verzerrter Raum

Allgemeine Theorie Einsteins Relativitätstheorie basiert auf der revolutionären Annahme, dass die Schwerkraft keine gewöhnliche Kraft ist, sondern eine Folge der Tatsache, dass die Raumzeit nicht flach ist, wie bisher angenommen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Raumzeit durch die in ihr eingebrachte Masse und Energie gebogen oder gekrümmt. Körper wie die Erde bewegen sich auf gekrümmten Bahnen und unterliegen nicht dem Einfluss einer Kraft namens Schwerkraft.

Da die geodätische Linie ist kürzeste Linie Zwischen zwei Flughäfen leiten Navigatoren Flugzeuge auf genau diesen Routen. Sie könnten beispielsweise den Kompassanzeigen folgen und die 5.966 Kilometer von New York nach Madrid fast genau östlich entlang der geografischen Breite fliegen. Allerdings müssen Sie nur 5.802 Kilometer zurücklegen, wenn Sie in einem großen Kreis fliegen, zunächst nach Nordosten und dann nach und nach nach Osten und dann nach Südosten. Das Erscheinungsbild dieser beiden Routen auf einer Karte, auf der die Erdoberfläche verzerrt (als flach dargestellt) ist, täuscht. Wenn man sich „geradeaus“ nach Osten von einem Punkt zum anderen auf der Erdoberfläche bewegt, bewegt man sich eigentlich nicht entlang einer geraden Linie, oder besser gesagt, nicht entlang der kürzesten geodätischen Linie.

Wenn die Flugbahn Raumschiff, das sich geradlinig im Raum bewegt, wird auf die zweidimensionale Erdoberfläche projiziert, es stellt sich heraus, dass sie gekrümmt ist.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten Gravitationsfelder das Licht beugen. Die Theorie sagt beispielsweise voraus, dass sich Lichtstrahlen in der Nähe der Sonne unter dem Einfluss der Masse des Sterns leicht zu ihr hin krümmen. Das bedeutet, dass das Licht eines entfernten Sterns, wenn er zufällig in der Nähe der Sonne vorbeizieht, um einen kleinen Winkel abweicht, weshalb ein Beobachter auf der Erde den Stern nicht genau dort sehen wird, wo er sich tatsächlich befindet.

Erinnern wir uns daran, dass nach dem Grundpostulat der speziellen Relativitätstheorie alle physikalischen Gesetze für alle frei bewegten Beobachter gleich sind, unabhängig von ihrer Geschwindigkeit. Grob gesagt erweitert das Äquivalenzprinzip diese Regel auf diejenigen Beobachter, die sich nicht frei, sondern unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes bewegen.

In ausreichend kleinen Regionen des Weltraums ist es unmöglich zu beurteilen, ob man sich in einem Gravitationsfeld befindet oder sich damit bewegt konstante Beschleunigung im leeren Raum.

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Aufzug inmitten eines leeren Raums. Es gibt keine Schwerkraft, kein „oben“ und „unten“. Sie schweben frei. Anschließend beginnt sich der Aufzug mit konstanter Beschleunigung zu bewegen. Sie spüren plötzlich Gewicht. Das heißt, Sie werden gegen eine der Wände des Aufzugs gedrückt, die nun als Boden wahrgenommen wird. Wenn Sie einen Apfel aufheben und loslassen, fällt er zu Boden. Da Sie sich jetzt mit Beschleunigung bewegen, geschieht tatsächlich alles im Inneren des Aufzugs genauso, als ob sich der Aufzug überhaupt nicht bewegen würde, sondern in einem gleichmäßigen Gravitationsfeld ruhe. Einstein erkannte, dass man, genau wie man in einem Eisenbahnwaggon nicht sagen kann, ob er stationär ist oder sich gleichmäßig bewegt, auch in einem Aufzug nicht sagen kann, ob er sich mit konstanter Beschleunigung bewegt oder sich in einem gleichmäßigen Gravitationsfeld befindet. Das Ergebnis dieses Verständnisses war das Äquivalenzprinzip.

Das Äquivalenzprinzip und das gegebene Beispiel seiner Ausprägung gelten nur, wenn träge Masse(Teil von Newtons zweitem Gesetz, das bestimmt, wie viel Beschleunigung eine auf einen Körper ausgeübte Kraft ausübt) und Gravitationsmasse (Teil von Newtons Gravitationsgesetz, das die Größe der Gravitationsanziehung bestimmt) sind dasselbe.

Einsteins Verwendung der Äquivalenz von inertem und Gravitationsmasse für die Ableitung des Äquivalenzprinzips und letztendlich der gesamten Allgemeinen Relativitätstheorie - dies ist ein Beispiel für die beharrliche und konsequente Entwicklung logischer Schlussfolgerungen, die in der Geschichte des menschlichen Denkens beispiellos ist.

Zeitdilatation

Eine weitere Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie besagt, dass sich die Zeit um massive Körper wie die Erde verlangsamen sollte.

Da wir nun mit dem Äquivalenzprinzip vertraut sind, können wir Einsteins Gedanken folgen, indem wir ein weiteres Gedankenexperiment durchführen, das zeigt, warum die Schwerkraft die Zeit beeinflusst. Stellen Sie sich eine Rakete vor, die im Weltraum fliegt. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass sein Körper so groß ist, dass das Licht eine ganze Sekunde braucht, um ihn von oben nach unten zu passieren. Nehmen wir schließlich an, dass sich in der Rakete zwei Beobachter befinden: einer oben in der Nähe der Decke, der andere unten auf dem Boden, und beide sind mit ausgestattet die gleiche Uhr und zählt die Sekunden herunter.

Nehmen wir an, dass der obere Beobachter, nachdem er darauf gewartet hat, dass seine Uhr herunterzählt, sofort ein Lichtsignal an den unteren sendet. Bei der nächsten Zählung sendet es ein zweites Signal. Nach unseren Bedingungen dauert es eine Sekunde, bis jedes Signal den unteren Beobachter erreicht. Da der obere Beobachter zwei Lichtsignale im Abstand von einer Sekunde sendet, wird der untere Beobachter diese auch im gleichen Abstand registrieren.

Was würde sich ändern, wenn die Rakete in diesem Experiment nicht frei im Weltraum schweben würde, sondern auf der Erde stünde und der Wirkung der Schwerkraft ausgesetzt wäre? Nach Newtons Theorie hat die Schwerkraft keinerlei Einfluss auf die Sachlage: Wenn der Beobachter oben Signale im Sekundenabstand sendet, empfängt der Beobachter unten diese im gleichen Abstand. Das Äquivalenzprinzip sagt jedoch eine andere Entwicklung der Ereignisse voraus. Welches, können wir verstehen, wenn wir nach dem Äquivalenzprinzip gedanklich die Wirkung der Schwerkraft durch konstante Beschleunigung ersetzen. Dies ist ein Beispiel dafür, wie Einstein das Äquivalenzprinzip nutzte, um seine neue Gravitationstheorie zu entwickeln.

Nehmen wir also an, unsere Rakete beschleunigt. (Wir gehen davon aus, dass sie langsam beschleunigt, sodass ihre Geschwindigkeit nicht die Lichtgeschwindigkeit erreicht.) Da sich der Raketenkörper nach oben bewegt, muss das erste Signal eine kürzere Strecke zurücklegen als zuvor (bevor die Beschleunigung beginnt). und es wird früher beim unteren Beobachter ankommen, als nach einer Sekunde. Wenn sich die Rakete mit konstanter Geschwindigkeit bewegen würde, würde das zweite Signal genau gleich früher eintreffen, sodass der Abstand zwischen den beiden Signalen gleich einer Sekunde bleiben würde. Aber im Moment des Sendens des zweiten Signals bewegt sich die Rakete aufgrund der Beschleunigung schneller als im Moment des Sendens des ersten, sodass das zweite Signal eine kürzere Strecke zurücklegt als das erste und noch weniger Zeit benötigt. Der Beobachter unten, der auf seine Uhr schaut, wird feststellen, dass der Abstand zwischen den Signalen weniger als eine Sekunde beträgt, und wird dem Beobachter oben widersprechen, der behauptet, er habe die Signale genau eine Sekunde später gesendet.

Im Falle einer beschleunigenden Rakete sollte dieser Effekt wahrscheinlich nicht besonders überraschend sein. Schließlich haben wir es gerade erklärt! Aber denken Sie daran: Das Äquivalenzprinzip besagt, dass dasselbe passiert, wenn die Rakete in einem Gravitationsfeld ruht. Selbst wenn die Rakete nicht beschleunigt, sondern beispielsweise auf der Startrampe auf der Erdoberfläche steht, treffen daher Signale ein, die der obere Beobachter im Abstand von einer Sekunde (gemäß seiner Uhr) sendet niedrigerer Beobachter mit kleinerem Intervall (gemäß seiner Uhr). Das ist wirklich erstaunlich!

Die Schwerkraft verändert den Fluss der Zeit. So wie die spezielle Relativitätstheorie uns sagt, dass die Zeit für Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, unterschiedlich vergeht, sagt uns die allgemeine Relativitätstheorie, dass die Zeit für Beobachter in unterschiedlichen Gravitationsfeldern unterschiedlich vergeht. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie registriert der untere Beobachter einen kürzeren Abstand zwischen den Signalen, weil die Zeit an der Erdoberfläche langsamer vergeht, weil dort die Schwerkraft stärker ist. Je stärker das Gravitationsfeld ist, desto größer ist dieser Effekt.

Auch unsere biologische Uhr reagiert auf Veränderungen im Laufe der Zeit. Wenn einer der Zwillinge auf einem Berggipfel und der andere am Meer lebt, altert der erste schneller als der zweite. In diesem Fall wird der Altersunterschied vernachlässigbar gering sein, er wird sich jedoch erheblich vergrößern, sobald einer der Zwillinge eine lange Reise in einem Raumschiff antritt, das auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn der Wanderer zurückkehrt, wird er viel jünger sein als sein auf der Erde zurückgelassener Bruder. Dieser Fall ist als Zwillingsparadoxon bekannt, aber es ist nur für diejenigen ein Paradoxon, die an der Idee der absoluten Zeit festhalten. In der Relativitätstheorie gibt es keine eindeutige absolute Zeit – jeder Mensch hat sein eigenes Zeitmaß, das davon abhängt, wo er sich befindet und wie er sich bewegt.

Mit dem Aufkommen hochpräziser Navigationssysteme, die Signale von Satelliten empfangen, hat der Unterschied in den Taktraten in verschiedenen Höhen praktische Bedeutung erlangt. Würde die Ausrüstung die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ignorieren, könnte der Fehler bei der Standortbestimmung mehrere Kilometer betragen!

Das Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie veränderte die Situation radikal. Raum und Zeit erlangten den Status dynamischer Einheiten. Wenn sich Körper bewegen oder Kräfte wirken, verursachen sie eine Krümmung von Raum und Zeit, und die Struktur der Raumzeit beeinflusst wiederum die Bewegung von Körpern und die Wirkung von Kräften. Raum und Zeit beeinflussen nicht nur alles, was im Universum geschieht, sondern sie selbst hängen von allem ab.

Zeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs

Stellen wir uns einen unerschrockenen Astronauten vor, der während einer katastrophalen Kontraktion auf der Oberfläche eines kollabierenden Sterns bleibt. Irgendwann, so seine Uhr, etwa um 11:00 Uhr, wird der Stern auf einen kritischen Radius schrumpfen, jenseits dessen sich das Gravitationsfeld so stark verstärkt, dass es unmöglich ist, ihm zu entkommen. Nehmen wir nun an, dass der Astronaut gemäß den Anweisungen jede Sekunde auf seiner Uhr ein Signal an ein Raumschiff senden muss, das sich in einer festen Entfernung vom Zentrum des Sterns im Orbit befindet. Die Signalübertragung beginnt um 10:59:58 Uhr, also zwei Sekunden vor 11:00 Uhr. Was wird die Besatzung an Bord des Raumschiffs registrieren?

Nachdem wir zuvor ein Gedankenexperiment mit der Übertragung von Lichtsignalen im Inneren einer Rakete durchgeführt hatten, waren wir überzeugt, dass die Schwerkraft die Zeit verlangsamt und dass der Effekt umso bedeutender ist, je stärker sie ist. Ein Astronaut auf der Oberfläche eines Sterns befindet sich in einem stärkeren Gravitationsfeld als seine Kollegen im Orbit, sodass eine Sekunde auf seiner Uhr länger dauert als eine Sekunde auf der Schiffsuhr. Während sich der Astronaut mit der Oberfläche in Richtung Sternmitte bewegt, wird das auf ihn einwirkende Feld immer stärker, sodass die Abstände zwischen seinen an Bord der Raumsonde empfangenen Signalen immer länger werden. Diese Zeitdilatation wird bis 10:59:59 Uhr sehr gering sein, so dass für Astronauten im Orbit der Abstand zwischen den Signalen, die um 10:59:58 Uhr und um 10:59:59 Uhr gesendet werden, kaum mehr als eine Sekunde beträgt. Aber das um 11:00 Uhr gesendete Signal wird auf dem Schiff nicht mehr empfangen.

Alles, was auf der Oberfläche des Sterns zwischen 10:59:59 und 11:00 Uhr auf der Uhr des Astronauten passiert, erstreckt sich auf der Uhr des Raumfahrzeugs über einen unendlichen Zeitraum. Je näher 11:00 Uhr rückt, desto länger werden die Abstände zwischen der Ankunft aufeinanderfolgender Gipfel und Täler der vom Stern ausgesendeten Lichtwellen in der Umlaufbahn; Das Gleiche gilt für die Zeitintervalle zwischen den Astronautensignalen. Da die Frequenz der Strahlung durch die Anzahl der Kämme (oder Täler) bestimmt wird, die pro Sekunde eintreffen, wird die Raumsonde immer niedrigere Frequenzen der Strahlung des Sterns aufzeichnen. Das Licht des Sterns wird zunehmend rot und verblasst gleichzeitig. Schließlich wird der Stern so dunkel, dass er für Beobachter an der Raumsonde unsichtbar wird; Alles, was bleiben wird, ist ein schwarzes Loch im Weltraum. Die Wirkung der Schwerkraft des Sterns auf das Raumschiff wird jedoch bestehen bleiben und es wird seine Umlaufbahn fortsetzen.

Man sagt, dass Albert Einstein augenblicklich eine Offenbarung hatte. Der Wissenschaftler fuhr angeblich mit der Straßenbahn in Bern (Schweiz), schaute auf die Straßenuhr und erkannte plötzlich, dass, wenn die Straßenbahn nun auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte, diese Uhr seiner Wahrnehmung nach stehen bleiben würde – und es keine Zeit mehr gäbe. Dies veranlasste ihn, eines der zentralen Postulate der Relativitätstheorie zu formulieren – dass verschiedene Beobachter die Realität unterschiedlich wahrnehmen, einschließlich so grundlegender Größen wie Entfernung und Zeit.

Wissenschaftlich gesehen erkannte Einstein an diesem Tag, dass die Beschreibung jedes physikalischen Ereignisses oder Phänomens davon abhängt Referenzsysteme, in dem sich der Beobachter befindet. Wenn zum Beispiel ein Straßenbahnfahrer seine Brille fallen lässt, dann fällt sie ihr senkrecht nach unten, und bei einem Fußgänger, der auf der Straße steht, fällt die Brille parabelförmig, da sich die Straßenbahn bewegt, während die Brille fällt. Jeder hat seinen eigenen Bezugsrahmen.

Doch obwohl sich Beschreibungen von Ereignissen ändern, wenn man von einem Bezugsrahmen zum anderen wechselt, gibt es auch universelle Dinge, die unverändert bleiben. Wenn wir, anstatt den Fall von Gläsern zu beschreiben, eine Frage nach dem Naturgesetz stellen, das sie zum Fallen bringt, dann wird die Antwort darauf für einen Beobachter in einem stationären Koordinatensystem und für einen Beobachter in einem bewegten Koordinatensystem dieselbe sein System. Das Gesetz der verteilten Bewegung gilt gleichermaßen auf der Straße und in der Straßenbahn. Mit anderen Worten: Während die Beschreibung von Ereignissen vom Beobachter abhängt, hängen die Naturgesetze nicht von ihm ab, das heißt, wie es in der wissenschaftlichen Sprache allgemein heißt, sie sind es invariant. Das ist, worum es geht Relativitätsprinzip.

Wie jede Hypothese musste das Relativitätsprinzip überprüft werden, indem man es mit der Realität in Beziehung setzte Naturphänomen. Aus dem Relativitätsprinzip leitete Einstein zwei separate (wenn auch verwandte) Theorien ab. Spezielle oder besondere Relativitätstheorie kommt von der Position, dass die Naturgesetze für alle Bezugssysteme, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, gleich sind. Allgemeine Relativitätstheorie erweitert dieses Prinzip auf jeden Bezugsrahmen, einschließlich solcher, die sich mit Beschleunigung bewegen. Die spezielle Relativitätstheorie wurde 1905 veröffentlicht und die mathematisch komplexere allgemeine Relativitätstheorie wurde 1916 von Einstein fertiggestellt.

Spezielle Relativitätstheorie

Die meisten paradoxen und kontraintuitiven Effekte, die bei Bewegungen nahe der Lichtgeschwindigkeit auftreten, werden durch die spezielle Relativitätstheorie vorhergesagt. Der bekannteste davon ist der Effekt der Verlangsamung der Uhr, oder Zeitdilatationseffekt. Eine Uhr, die sich relativ zu einem Beobachter bewegt, geht für ihn langsamer als die exakt gleiche Uhr in seinen Zeigern.

Die Zeit in einem Koordinatensystem, das sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit relativ zum Beobachter bewegt, wird gedehnt, und die räumliche Ausdehnung (Länge) von Objekten entlang der Achse der Bewegungsrichtung wird im Gegenteil komprimiert. Dieser Effekt, bekannt als Lorentz-Fitzgerald-Kontraktion, wurde 1889 vom irischen Physiker George Fitzgerald (1851-1901) beschrieben und 1892 vom Niederländer Hendrick Lorentz (1853-1928) erweitert. Die Lorentz-Fitzgerald-Reduktion erklärt, warum das Michelson-Morley-Experiment zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Erdbewegung im Weltraum durch Messung des „Ätherwinds“ ein negatives Ergebnis lieferte. Später nahm Einstein diese Gleichungen in die Spezielle Relativitätstheorie auf und ergänzte sie um eine ähnliche Umrechnungsformel für die Masse, nach der auch die Masse eines Körpers zunimmt, wenn sich die Geschwindigkeit des Körpers der Lichtgeschwindigkeit nähert. Somit verdoppelt sich bei einer Geschwindigkeit von 260.000 km/s (87 % der Lichtgeschwindigkeit) die Masse des Objekts aus der Sicht eines Beobachters, der sich in einem ruhenden Bezugssystem befindet.

Seit der Zeit Einsteins haben alle diese Vorhersagen, egal wie widersprüchlich sie dem gesunden Menschenverstand erscheinen mögen, eine vollständige und direkte experimentelle Bestätigung gefunden. In einem der aufschlussreichsten Experimente brachten Wissenschaftler der University of Michigan hochpräzise Atomuhren an Bord eines Verkehrsflugzeugs an, das regelmäßig Transatlantikflüge durchführte, und verglichen ihre Messwerte nach jeder Rückkehr zu ihrem Heimatflughafen mit der Kontrolluhr. Es stellte sich heraus, dass die Uhr im Flugzeug nach und nach immer mehr hinter der Kontrolluhr zurückblieb (sozusagen, wenn es um Sekundenbruchteile geht). Seit einem halben Jahrhundert untersuchen Wissenschaftler Elementarteilchen mithilfe riesiger Hardwarekomplexe, sogenannter Beschleuniger. In ihnen werden Strahlen geladener subatomarer Teilchen (wie Protonen und Elektronen) auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann auf verschiedene nukleare Ziele abgefeuert. Bei solchen Experimenten an Beschleunigern muss die Zunahme der Masse der beschleunigten Teilchen berücksichtigt werden, da sich die Ergebnisse des Experiments sonst einfach nicht sinnvoll interpretieren lassen. Und in diesem Sinne ist die spezielle Relativitätstheorie längst von der Kategorie der hypothetischen Theorien in den Bereich der angewandten Ingenieurswerkzeuge übergegangen, wo sie auf Augenhöhe mit Newtons Gesetzen der Mechanik verwendet wird.

Um auf die Newtonschen Gesetze zurückzukommen, möchte ich besonders darauf hinweisen, dass die spezielle Relativitätstheorie, obwohl sie äußerlich den Gesetzen der klassischen Newtonschen Mechanik widerspricht, tatsächlich alle üblichen Gleichungen der Newtonschen Gesetze fast genau wiedergibt, wenn sie zur Beschreibung bewegter Körper angewendet wird mit Geschwindigkeiten, die deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit liegen. Das heißt, die spezielle Relativitätstheorie hebt die Newtonsche Physik nicht auf, sondern erweitert und ergänzt sie.

Das Relativitätsprinzip hilft auch zu verstehen, warum die Lichtgeschwindigkeit und keine andere eine solche Rolle spielt. wichtige Rolle in diesem Modell der Struktur der Welt - diese Frage wird von vielen gestellt, die zum ersten Mal mit der Relativitätstheorie in Berührung kamen. Die Lichtgeschwindigkeit sticht hervor und spielt als universelle Konstante eine besondere Rolle, da sie durch ein naturwissenschaftliches Gesetz bestimmt ist. Aufgrund des Relativitätsprinzips gilt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C ist in jedem Bezugssystem gleich. Dies scheint dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen, da sich herausstellt, dass Licht von einer sich bewegenden Quelle (egal wie schnell sie sich bewegt) und von einer stationären Quelle gleichzeitig den Beobachter erreicht. Dies ist jedoch wahr.

Aufgrund ihrer besonderen Rolle in den Naturgesetzen nimmt die Lichtgeschwindigkeit einen zentralen Platz in der Allgemeinen Relativitätstheorie ein.

Allgemeine Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie gilt für alle Bezugssysteme (und nicht nur für solche, die sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen) und sieht mathematisch viel komplizierter aus als die spezielle (was die elfjährige Lücke zwischen ihren Veröffentlichungen erklärt). Als Sonderfall umfasst es die spezielle Relativitätstheorie (und damit die Newtonschen Gesetze). Gleichzeitig geht die Allgemeine Relativitätstheorie viel weiter als alle ihre Vorgänger. Insbesondere gibt es eine neue Interpretation der Schwerkraft.

Die Allgemeine Relativitätstheorie macht die Welt vierdimensional: Zu den drei Raumdimensionen kommt die Zeit hinzu. Alle vier Dimensionen sind untrennbar miteinander verbunden, so die Rede es ist bereits im Gange Dabei geht es nicht um den räumlichen Abstand zwischen zwei Objekten, wie es in der dreidimensionalen Welt der Fall ist, sondern um die raumzeitlichen Abstände zwischen Ereignissen, die ihren Abstand zueinander vereinen – sowohl in der Zeit als auch im Raum. Das heißt, Raum und Zeit werden als vierdimensionales Raum-Zeit-Kontinuum oder einfach als Freizeit. In diesem Kontinuum können sich Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, sogar darüber uneinig sein, ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattfanden – oder ob eines dem anderen vorausging. Zum Glück für unseren armen Verstand kommt es nicht dazu, Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu verletzen – das heißt, selbst die allgemeine Relativitätstheorie erlaubt nicht die Existenz von Koordinatensystemen, in denen zwei Ereignisse nicht gleichzeitig und unterschiedlich stattfinden Sequenzen.

Gesetz universelle Schwerkraft Newton sagt uns, dass zwischen zwei beliebigen Körpern im Universum eine gegenseitige Anziehungskraft besteht. Aus dieser Sicht dreht sich die Erde um die Sonne, da zwischen ihnen gegenseitige Anziehungskräfte wirken. Die Allgemeine Relativitätstheorie zwingt uns jedoch, dieses Phänomen anders zu betrachten. Nach dieser Theorie ist die Schwerkraft eine Folge der Verformung („Krümmung“) des elastischen Gefüges der Raumzeit unter dem Einfluss von Masse (je schwerer der Körper, zum Beispiel die Sonne, desto stärker „biegt“ sich die Raumzeit unter). es und desto stärker ist dementsprechend sein Gravitationskraftfeld). Stellen Sie sich eine straff gespannte Leinwand (eine Art Trampolin) vor, auf der ein riesiger Ball platziert ist. Unter dem Gewicht des Balls verformt sich die Leinwand und um sie herum bildet sich eine trichterförmige Vertiefung. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie dreht sich die Erde um die Sonne wie eine kleine Kugel, die um den Kegel eines Trichters gerollt wird, der durch das „Schieben“ der Raumzeit durch eine schwere Kugel – die Sonne – entsteht. Und was uns wie Schwerkraft erscheint, ist in Wirklichkeit reine Schwerkraft äußere Manifestation Krümmung der Raumzeit und keineswegs durch Kraft im Newtonschen Sinne. Bis heute gibt es keine bessere Erklärung für die Natur der Schwerkraft als die allgemeine Relativitätstheorie.

Die Prüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie ist schwierig, da ihre Ergebnisse unter normalen Laborbedingungen fast genau mit denen übereinstimmen, die Newtons Gravitationsgesetz vorhersagt. Dennoch wurden mehrere wichtige Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse es uns ermöglichen, die Theorie als bestätigt zu betrachten. Darüber hinaus hilft die Allgemeine Relativitätstheorie, Phänomene zu erklären, die wir im Weltraum beobachten, wie etwa geringfügige Abweichungen des Merkur von einer stationären Umlaufbahn, die aus Sicht der klassischen Newtonschen Mechanik unerklärlich sind, oder die Krümmung des Merkur. elektromagnetische Strahlung entfernte Sterne, wenn sie in unmittelbarer Nähe der Sonne vorbeiziehen.

Tatsächlich unterscheiden sich die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Ergebnisse deutlich von denen, die von den Newtonschen Gesetzen vorhergesagt werden, nur wenn superstarke Gravitationsfelder vorhanden sind. Das bedeutet, dass wir, um die allgemeine Relativitätstheorie vollständig zu testen, entweder ultrapräzise Messungen von sehr massereichen Objekten oder Schwarzen Löchern benötigen, auf die keine unserer üblichen intuitiven Ideen anwendbar ist. Daher bleibt die Entwicklung neuer experimenteller Methoden zur Überprüfung der Relativitätstheorie einer der Schwerpunkte wichtigsten Aufgaben Experimentelle Physik.

GTO und RTG: einige Akzente

1. In unzähligen Büchern – Monographien, Lehrbüchern und populärwissenschaftlichen Veröffentlichungen sowie in Artikeln verschiedener Art – sind es die Leser gewohnt, Verweise auf die Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) als eine der größten Errungenschaften unseres Jahrhunderts zu betrachten, als eine wunderbare Theorie, ein unverzichtbares Werkzeug der modernen Physik und Astronomie. In der Zwischenzeit erfahren sie aus dem Artikel von A. A. Logunov, dass seiner Meinung nach die GTR aufgegeben werden sollte, dass sie schlecht, inkonsistent und widersprüchlich ist. Daher muss die GTR durch eine andere Theorie ersetzt werden, insbesondere durch die relativistische Gravitationstheorie (RTG), die von A. A. Logunov und seinen Mitarbeitern entwickelt wurde.

Ist eine solche Situation möglich, wenn viele Menschen sich in ihrer Einschätzung der GTR, die seit mehr als 70 Jahren existiert und untersucht wird, irren und nur wenige Menschen, angeführt von A. A. Logunov, wirklich herausgefunden haben, dass die GTR verworfen werden muss? Die meisten Leser erwarten wahrscheinlich die Antwort: Das ist unmöglich. Tatsächlich kann ich nur genau umgekehrt antworten: „Das“ ist grundsätzlich möglich, denn es geht hier nicht um Religion, sondern um Wissenschaft.

Die Gründer und Propheten verschiedener Religionen und Glaubensrichtungen schufen und erschaffen ihre eigenen „heiligen Bücher“, deren Inhalt als die ultimative Wahrheit erklärt wird. Wenn jemand zweifelt, umso schlimmer für ihn, wird er zum Ketzer mit den daraus resultierenden, oft sogar blutigen Folgen. Es ist besser, überhaupt nicht zu denken, sondern zu glauben, ganz nach der bekannten Formel eines Kirchenführers: „Ich glaube, weil es absurd ist.“ Die wissenschaftliche Weltanschauung ist grundsätzlich das Gegenteil: Sie verlangt, nichts als selbstverständlich hinzunehmen, lässt an allem zweifeln und kennt keine Dogmen. Unter dem Einfluss neuer Fakten und Überlegungen ist es nicht nur möglich, sondern auch notwendig, wenn dies gerechtfertigt ist, den Standpunkt zu ändern, eine unvollkommene Theorie durch eine perfektere zu ersetzen oder beispielsweise eine alte Theorie irgendwie zu verallgemeinern. Ähnlich verhält es sich mit Einzelpersonen. Die Begründer religiöser Lehren gelten als unfehlbar, und beispielsweise unter Katholiken wird sogar eine lebende Person – der „regierende“ Papst – für unfehlbar erklärt. Die Wissenschaft kennt keine unfehlbaren Menschen. Der große, manchmal sogar außergewöhnliche Respekt, den Physiker (ich werde der Klarheit halber über Physiker sprechen) gegenüber den großen Vertretern ihres Berufsstandes, insbesondere gegenüber Titanen wie Isaac Newton und Albert Einstein, haben nichts mit der Heiligsprechung von Heiligen zu tun Vergöttlichung. Und große Physiker sind Menschen, und alle Menschen haben ihre Schwächen. Wenn wir über die Wissenschaft sprechen, die uns hier nur interessiert, dann hatten die größten Physiker nicht immer in allem Recht; der Respekt vor ihnen und die Anerkennung ihrer Verdienste beruht nicht auf Unfehlbarkeit, sondern auf der Tatsache, dass es ihnen gelungen ist, die Wissenschaft mit bemerkenswerten Leistungen zu bereichern , weiter und tiefer zu sehen als ihre Zeitgenossen.

2. Nun ist es notwendig, auf die Anforderungen grundlegender physikalischer Theorien einzugehen. Erstens muss eine solche Theorie im Bereich ihrer Anwendbarkeit vollständig sein, oder, wie ich der Kürze halber sagen möchte, sie muss konsistent sein. Zweitens muss eine physikalische Theorie der physikalischen Realität entsprechen oder, einfacher ausgedrückt, mit Experimenten und Beobachtungen übereinstimmen. Man könnte noch andere Anforderungen nennen, vor allem die Einhaltung der Gesetze und Regeln der Mathematik, aber all das ist impliziert.

Erklären wir das Gesagte am Beispiel der klassischen, nichtrelativistischen Mechanik – der Newtonschen Mechanik, angewendet auf das prinzipiell einfachste Problem der Bewegung eines „Punkt“-Teilchens. Bekanntlich kann die Rolle eines solchen Teilchens bei Problemen der Himmelsmechanik ein ganzer Planet oder sein Satellit spielen. Lass den Moment herein t 0 Das Teilchen befindet sich an einem Punkt A mit Koordinaten xiA(t 0) und hat Geschwindigkeit v iA(t 0) (Hier ich= l, 2, 3, weil die Position eines Punktes im Raum durch drei Koordinaten charakterisiert wird und die Geschwindigkeit ein Vektor ist). Wenn dann alle auf das Teilchen wirkenden Kräfte bekannt sind, erlauben uns die Gesetze der Mechanik, die Position zu bestimmen B und Teilchengeschwindigkeit v ich zu jedem späteren Zeitpunkt T, das heißt, wohldefinierte Werte finden xiB(T) und v iB(T). Was würde passieren, wenn die verwendeten Gesetze der Mechanik keine eindeutige Antwort geben würden und sie beispielsweise in unserem Beispiel vorhersagen würden, dass sich das Teilchen im Moment befindet? T kann sich entweder am Punkt befinden B, oder an einem ganz anderen Punkt C? Es ist klar, dass eine solche klassische (Nicht-Quanten-)Theorie unvollständig oder, in der genannten Terminologie, inkonsistent wäre. Es müsste entweder ergänzt werden, um es eindeutig zu machen, oder ganz verworfen werden. Newtons Mechanik ist, wie gesagt, konsistent – ​​sie gibt eindeutige und klar definierte Antworten auf Fragen innerhalb ihres Kompetenz- und Anwendungsbereichs. Die Newtonsche Mechanik erfüllt auch die zweitgenannte Anforderung – die auf ihrer Grundlage erzielten Ergebnisse (und insbesondere die Koordinatenwerte). x i(T) und Geschwindigkeit v ich (T)) stimmen mit Beobachtungen und Experimenten überein. Deshalb basierte die gesamte Himmelsmechanik – die Beschreibung der Bewegung der Planeten und ihrer Satelliten – vorerst vollständig und mit vollem Erfolg auf der Newtonschen Mechanik.

3. Doch 1859 entdeckte Le Verrier, dass die Bewegung des sonnennächsten Planeten Merkur etwas anders war als die von der Newtonschen Mechanik vorhergesagte. Konkret stellte sich heraus, dass das Perihel – der sonnennächste Punkt der elliptischen Umlaufbahn des Planeten – mit einer Winkelgeschwindigkeit von 43 Bogensekunden pro Jahrhundert rotiert, anders als zu erwarten wäre, wenn man alle bekannten Störungen von anderen Planeten berücksichtigt ihre Satelliten. Noch früher stießen Le Verrier und Adams auf eine im Wesentlichen ähnliche Situation, als sie die Bewegung von Uranus analysierten, dem damals am weitesten von der Sonne entfernten Planeten. Und sie fanden eine Erklärung für die Diskrepanz zwischen Berechnungen und Beobachtungen, die darauf hindeutet, dass die Bewegung von Uranus noch von mehr beeinflusst wird entfernter Planet, genannt Neptun. Im Jahr 1846 wurde Neptun tatsächlich an seinem vorhergesagten Ort entdeckt, und dieses Ereignis gilt zu Recht als Triumph der Newtonschen Mechanik. Ganz natürlich versuchte Le Verrier, die erwähnte Anomalie in der Bewegung von Merkur mit der Existenz eines noch unbekannten Planeten zu erklären – in diesem Fall eines bestimmten Planeten Vulkan, der sich noch näher an die Sonne heranbewegt. Doch beim zweiten Mal scheiterte „der Trick“ – kein Vulkanier existierte. Dann begannen sie zu versuchen, das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation zu ändern, wonach sich die Gravitationskraft, wenn sie auf das Sonne-Planeten-System angewendet wird, gesetzesgemäß ändert

wobei ε ein kleiner Wert ist. Übrigens wird eine ähnliche Technik heutzutage (wenn auch ohne Erfolg) verwendet, um einige unklare Fragen der Astronomie zu klären (wir sprechen über das Problem der verborgenen Masse; siehe zum Beispiel das Buch des Autors „Über Physik und Astrophysik“, unten zitiert, S. 148). Damit sich aus einer Hypothese jedoch eine Theorie entwickeln kann, ist es notwendig, von einigen Prinzipien auszugehen, den Wert des Parameters ε anzugeben und ein konsistentes theoretisches Schema zu erstellen. Es gelang niemandem, und die Frage der Rotation des Merkurperihels blieb bis 1915 offen. Damals, mitten im Ersten Weltkrieg, als sich so wenige für die abstrakten Probleme der Physik und Astronomie interessierten, vollendete Einstein (nach etwa acht Jahren intensiver Bemühungen) die Erstellung der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese letzte Phase beim Aufbau des Fundaments von GTR wurde in drei kurzen Artikeln behandelt, über die im November 1915 berichtet und geschrieben wurde. In der zweiten davon, die am 11. November veröffentlicht wurde, berechnete Einstein auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie die zusätzliche Drehung des Perihels von Merkur im Vergleich zum Newtonschen, die sich als gleich herausstellte (im Bogenmaß pro Umdrehung des Planeten). Die Sonne)

Und C= 3·10 10 cm s –1 – Lichtgeschwindigkeit. Beim Übergang zum letzten Ausdruck (1) wurde das dritte Keplersche Gesetz verwendet

A 3 =	GM ☼	T 2
	4π 2

Wo T– Periode der Revolution des Planeten. Wenn wir die derzeit besten bekannten Werte aller Größen in Formel (1) einsetzen und außerdem eine elementare Umrechnung vom Bogenmaß pro Umdrehung in die Umdrehung in Bogensekunden (Vorzeichen ″) pro Jahrhundert vornehmen, dann kommen wir auf den Wert Ψ = 42 ″.98 / Jahrhundert. Die Beobachtungen stimmen mit diesem Ergebnis mit der derzeit erreichten Genauigkeit von etwa ± 0″,1/Jahrhundert überein (Einstein verwendete in seiner ersten Arbeit weniger genaue Daten, erreichte aber innerhalb der Fehlergrenzen eine vollständige Übereinstimmung zwischen der Theorie und den Beobachtungen). Formel (1) wird oben zunächst angegeben, um ihre Einfachheit zu verdeutlichen, die in mathematisch komplexen physikalischen Theorien so oft fehlt, in vielen Fällen auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Zweitens, und das ist das Wichtigste, geht aus (1) klar hervor, dass die Perihelrotation aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt, ohne dass neue unbekannte Konstanten oder Parameter einbezogen werden müssen. Daher wurde das von Einstein erzielte Ergebnis zu einem wahren Triumph der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Im besten von mir berühmte Biografien Einstein vertritt und begründet die Meinung, dass die Erklärung für die Rotation des Merkurperihels „das stärkste emotionale Ereignis überhaupt“ war wissenschaftliches Leben Einstein, und vielleicht sein ganzes Leben lang.“ Ja, das war Einsteins schönste Stunde. Aber nur für sich. Aus mehreren Gründen (es reicht aus, den Krieg zu erwähnen) war für GR selbst, damit diese Theorie und ihr Schöpfer die Weltbühne betraten, die „schönste Stunde“ ein weiteres Ereignis, das sich vier Jahre später - im Jahr 1919 - ereignete. Tatsache ist dass Einstein in derselben Arbeit, in der Formel (1) erhalten wurde, dies tat wichtige Vorhersage: Lichtstrahlen, die in der Nähe der Sonne vorbeigehen, müssen gebogen werden, und ihre Abweichung muss sein

α = 4GM ☼ = 1″.75 R ☼ , C 2 R R

(2)

Wo R ist der kleinste Abstand zwischen dem Strahl und dem Mittelpunkt der Sonne und R☼ = 6,96·10 10 cm – Radius der Sonne (genauer gesagt der Radius der Sonnenphotosphäre); somit beträgt die maximal beobachtbare Abweichung 1,75 Bogensekunden. Egal wie klein ein solcher Winkel ist (ungefähr in diesem Winkel ist ein Erwachsener aus einer Entfernung von 200 km sichtbar), er konnte bereits damals mit der optischen Methode gemessen werden, indem Sterne am Himmel in der Nähe der Sonne fotografiert wurden. Diese Beobachtungen wurden von zwei englischen Expeditionen während der totalen Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919 gemacht. Der Effekt der Ablenkung von Strahlen im Sonnenfeld wurde mit Sicherheit nachgewiesen und stimmt mit Formel (2) überein, obwohl die Genauigkeit der Messungen aufgrund der Kleinheit des Effekts gering war. Allerdings wurde eine halb so große Abweichung wie nach (2), also 0″.87, ausgeschlossen. Letzteres ist sehr wichtig, denn die Abweichung beträgt 0″,87 (mit R = R☼) kann bereits aus Newtons Theorie abgeleitet werden (die bloße Möglichkeit einer Lichtablenkung in einem Gravitationsfeld wurde von Newton bemerkt, und der Ausdruck für den Ablenkungswinkel, halb so groß wie nach Formel (2), wurde 1801 erhalten; eine andere Sache ist dass diese Vorhersage vergessen wurde und Einstein nichts davon wusste). Am 6. November 1919 wurden die Ergebnisse der Expeditionen in London auf einem gemeinsamen Treffen der Royal Society und der Royal Astronomical Society bekannt gegeben. Welchen Eindruck sie hinterließen, geht aus den Worten des Vorsitzenden, J. J. Thomson, bei diesem Treffen hervor: „Dies ist das wichtigste Ergebnis, das seit Newton im Zusammenhang mit der Gravitationstheorie erzielt wurde ... Es stellt eine der größten Errungenschaften des menschlichen Denkens dar.“ .“

Die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf das Sonnensystem sind, wie wir gesehen haben, sehr gering. Dies erklärt sich dadurch, dass das Gravitationsfeld der Sonne (ganz zu schweigen von den Planeten) schwach ist. Letzteres bedeutet, dass das Newtonsche Gravitationspotential der Sonne

Erinnern wir uns nun an das aus dem Schulphysikkurs bekannte Ergebnis: für Kreisbahnen der Planeten |φ ☼ | = v 2, wobei v die Geschwindigkeit des Planeten ist. Daher kann die Schwäche des Gravitationsfeldes durch einen eher visuellen Parameter v 2 / charakterisiert werden C 2, der für das Sonnensystem, wie wir gesehen haben, den Wert von 2,12·10 – 6 nicht überschreitet. Im Erdorbit v = 3 · 10 6 cm s – 1 und v 2 / C 2 = 10 – 8, für erdnahe Satelliten v ~ 8 10 5 cm s – 1 und v 2 / C 2 ~ 7 ·10 – 10 . Folglich testet man die genannten Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie auch mit der derzeit erreichten Genauigkeit von 0,1 %, also mit einem Fehler von nicht mehr als 10 – 3 des gemessenen Wertes (z. B. der Ablenkung von Lichtstrahlen im Feld der Sonne), erlaubt es uns noch nicht, die Allgemeine Relativitätstheorie umfassend und mit einer Genauigkeit der Größenordnung zu testen

Wir können nur davon träumen, beispielsweise die Ablenkung der Strahlen innerhalb des Sonnensystems mit der erforderlichen Genauigkeit zu messen. Projekte für entsprechende Experimente werden jedoch bereits diskutiert. In diesem Zusammenhang sagen Physiker, dass die allgemeine Relativitätstheorie hauptsächlich nur für ein schwaches Gravitationsfeld getestet wurde. Aber einen wichtigen Umstand haben wir (zumindest ich) lange Zeit irgendwie gar nicht bemerkt. Nach dem Start des ersten Erdsatelliten am 4. Oktober 1957 begann sich die Weltraumnavigation rasant zu entwickeln. Für Landeinstrumente auf Mars und Venus, bei Flügen in der Nähe von Phobos usw. sind Berechnungen mit einer Genauigkeit von bis zu Metern erforderlich (bei Entfernungen von der Erde in der Größenordnung von hundert Milliarden Metern), wenn die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie recht erheblich sind. Daher werden Berechnungen heute auf der Grundlage von Rechenschemata durchgeführt, die die allgemeine Relativitätstheorie organisch berücksichtigen. Ich erinnere mich, wie vor einigen Jahren ein Redner – ein Spezialist für Weltraumnavigation – meine Fragen zur Genauigkeit des allgemeinen Relativitätstests nicht einmal verstand. Er antwortete: Wir berücksichtigen die allgemeine Relativitätstheorie in unseren technischen Berechnungen, anders können wir nicht arbeiten, alles läuft richtig, was will man mehr? Natürlich kann man sich viel wünschen, aber man sollte nicht vergessen, dass GTR keine abstrakte Theorie mehr ist, sondern in „technischen Berechnungen“ verwendet wird.

4. Angesichts all dessen erscheint die Kritik von A. A. Logunov an der GTR besonders überraschend. Aber im Einklang mit dem, was am Anfang dieses Artikels gesagt wurde, ist es unmöglich, diese Kritik ohne Analyse abzutun. Ohne ist es noch unmöglicher Detaillierte Analyseäußern Sie ein Urteil über die von A. A. Logunov vorgeschlagene RTG – die relativistische Theorie der Schwerkraft.

Leider ist es völlig unmöglich, eine solche Analyse auf den Seiten populärwissenschaftlicher Publikationen durchzuführen. Tatsächlich erklärt und kommentiert A. A. Logunov in seinem Artikel nur seine Position. Auch hier kann ich nichts anderes machen.

Wir glauben also, dass GTR eine konsistente physikalische Theorie ist – auf alle richtig und klar gestellten Fragen, die im Bereich ihrer Anwendbarkeit zulässig sind, gibt GTR eine eindeutige Antwort (letzteres gilt insbesondere für die Verzögerungszeit von Signalen). bei der Ortung von Planeten). Es weist weder die allgemeine Relativitätstheorie noch irgendwelche Mängel mathematischer oder logischer Natur auf. Es muss jedoch geklärt werden, was oben mit der Verwendung des Pronomens „wir“ gemeint ist. „Wir“ sind natürlich ich selbst, aber auch all die sowjetischen und ausländischen Physiker, mit denen ich über die allgemeine Relativitätstheorie und in einigen Fällen über deren Kritik durch A. A. Logunov diskutieren musste. Der große Galileo sagte vor vier Jahrhunderten: In wissenschaftlichen Angelegenheiten ist die Meinung eines Einzelnen wertvoller als die Meinung von Tausenden. Mit anderen Worten: Wissenschaftliche Streitigkeiten werden nicht durch Mehrheitsbeschluss entschieden. Aber andererseits ist es ganz offensichtlich, dass die Meinung vieler Physiker im Allgemeinen viel überzeugender, oder besser gesagt, zuverlässiger und gewichtiger ist als die Meinung eines einzelnen Physikers. Daher ist hier der Übergang vom „Ich“ zum „Wir“ wichtig.

Ich hoffe, dass es nützlich und angebracht sein wird, noch ein paar Bemerkungen zu machen.

Warum mag A. A. Logunov GTR nicht so sehr? Hauptgrund ist, dass es in der Allgemeinen Relativitätstheorie im Allgemeinen kein Konzept von Energie und Impuls in der Form gibt, wie wir sie aus der Elektrodynamik kennen, und dass es in seinen Worten eine Weigerung gibt, „das Gravitationsfeld als klassisches Feld des Faraday-Maxwell darzustellen“. Typ, mit einer genau definierten Energiedichte – Impuls.“ Ja, Letzteres ist in gewissem Sinne wahr, aber es erklärt sich aus der Tatsache, dass „in der Riemannschen Geometrie im Allgemeinen keine notwendige Symmetrie in Bezug auf Verschiebungen und Rotationen besteht, das heißt, es gibt keine ... Gruppe.“ der Bewegung der Raumzeit.“ Die Geometrie der Raumzeit gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Riemannsche Geometrie. Aus diesem Grund weichen insbesondere Lichtstrahlen in der Nähe der Sonne von der Geraden ab.

Eine der größten Errungenschaften der Mathematik des letzten Jahrhunderts war die Schaffung und Entwicklung der nichteuklidischen Geometrie durch Lobatschewski, Bolyai, Gauß, Riemann und ihre Anhänger. Dann stellte sich die Frage: Wie ist eigentlich die Geometrie der physischen Raumzeit, in der wir leben? Wie bereits erwähnt, handelt es sich laut GTR um eine nichteuklidische, Riemannsche Geometrie und nicht um die pseudoeuklidische Geometrie von Minkowski (diese Geometrie wird im Artikel von A. A. Logunov ausführlicher beschrieben). Man könnte sagen, diese Minkowski-Geometrie war ein Produkt der speziellen Relativitätstheorie (STR) und ersetzte Newtons absolute Zeit und absoluten Raum. Unmittelbar vor der Gründung des SRT im Jahr 1905 versuchten sie, diesen mit dem bewegungslosen Lorentz-Äther zu identifizieren. Aber der Lorentz-Äther als absolut bewegungsloses mechanisches Medium wurde aufgegeben, weil alle Versuche, die Anwesenheit dieses Mediums festzustellen, erfolglos blieben (ich meine Michelsons Experiment und einige andere Experimente). Die Hypothese, dass die physikalische Raumzeit notwendigerweise genau der Minkowski-Raum ist, die A. A. Logunov als grundlegend akzeptiert, ist sehr weitreichend. Sie ähnelt in gewissem Sinne den Hypothesen über den absoluten Raum und den mechanischen Äther und bleibt, wie es uns scheint, völlig unbegründet und wird es auch bleiben, bis irgendwelche auf Beobachtungen und Experimenten basierenden Argumente zu ihren Gunsten angezeigt werden. Und solche Argumente fehlen, zumindest derzeit, völlig. Verweise auf die Analogie zur Elektrodynamik und die Ideale der bemerkenswerten Physiker des letzten Jahrhunderts Faraday und Maxwell überzeugen in dieser Hinsicht nicht.

5. Wenn wir über den Unterschied zwischen dem elektromagnetischen Feld und damit der Elektrodynamik und dem Gravitationsfeld sprechen (GR ist genau die Theorie eines solchen Feldes), dann ist Folgendes zu beachten. Durch die Wahl eines Referenzsystems ist es unmöglich, das gesamte elektromagnetische Feld auch nur lokal (in einem kleinen Bereich) zu zerstören (auf Null zu reduzieren). Daher ist die Energiedichte des elektromagnetischen Feldes

W =	E 2 + H 2
	8π

(E Und H– die Stärke des elektrischen bzw. magnetischen Feldes) in einem Bezugssystem von Null verschieden ist, dann wird es in jedem anderen Bezugssystem von Null verschieden sein. Das Gravitationsfeld hängt grob gesagt viel stärker von der Wahl des Bezugssystems ab. Somit entsteht ein gleichmäßiges und konstantes Gravitationsfeld (also ein Gravitationsfeld, das eine Beschleunigung verursacht). G darin platzierte Teilchen, unabhängig von Koordinaten und Zeit) können durch den Übergang in ein gleichmäßig beschleunigtes Bezugssystem vollständig „zerstört“ (auf Null reduziert) werden. Dieser Umstand, der den wesentlichen physikalischen Inhalt des „Äquivalenzprinzips“ darstellt, wurde erstmals von Einstein in einem 1907 veröffentlichten Artikel erwähnt und war der erste auf dem Weg zur Schaffung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Wenn kein Gravitationsfeld (insbesondere die dadurch verursachte Beschleunigung) vorhanden ist G gleich Null ist), dann ist auch die Dichte der ihr entsprechenden Energie gleich Null. Daraus wird deutlich, dass sich in der Frage der Energie- (und Impuls-)Dichte die Theorie des Gravitationsfeldes radikal von der Theorie des elektromagnetischen Feldes unterscheiden muss. An dieser Aussage ändert sich nichts dadurch, dass im allgemeinen Fall das Gravitationsfeld durch die Wahl des Bezugssystems nicht „zerstört“ werden kann.

Einstein verstand dies schon vor 1915, als er die Allgemeine Relativitätstheorie vollendete. So schrieb er 1911: „Natürlich ist es unmöglich, irgendein Gravitationsfeld durch den Bewegungszustand eines Systems ohne Gravitationsfeld zu ersetzen, genauso wie es unmöglich ist, alle Punkte eines sich beliebig bewegenden Mediums durch a in Ruhe umzuwandeln.“ relativistische Transformation.“ Und hier ist ein Auszug aus einem Artikel aus dem Jahr 1914: „Lassen Sie uns zunächst noch eine Bemerkung machen, um das entstehende Missverständnis auszuräumen. Anhänger des Üblichen moderne Theorie Relativitätstheorie (wir sprechen von STR - V.L.G.) mit einem bestimmten Recht nennt die Geschwindigkeit eines materiellen Punktes „scheinbar“. Er kann nämlich ein Bezugssystem so wählen, dass der materielle Punkt im betrachteten Moment eine Geschwindigkeit gleich Null hat. Wenn es ein System materieller Punkte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gibt, dann kann er ein solches Bezugssystem nicht mehr einführen, so dass die Geschwindigkeiten aller materiellen Punkte relativ zu diesem System Null werden. In ähnlicher Weise kann ein Physiker, der unseren Standpunkt vertritt, das Gravitationsfeld als „scheinbar“ bezeichnen, da er durch geeignete Wahl der Beschleunigung des Bezugssystems erreichen kann, dass an einem bestimmten Punkt in der Raumzeit das Gravitationsfeld Null wird. Bemerkenswert ist jedoch, dass das Verschwinden des Gravitationsfeldes durch eine Transformation im allgemeinen Fall für ausgedehnte Gravitationsfelder nicht erreicht werden kann. Beispielsweise kann das Schwerefeld der Erde nicht durch die Wahl eines geeigneten Bezugssystems auf Null gebracht werden.“ Schließlich betonte Einstein bereits 1916 als Reaktion auf die Kritik an der Allgemeinen Relativitätstheorie noch einmal dasselbe: „Es ist keineswegs möglich zu behaupten, dass das Gravitationsfeld in irgendeiner Weise rein kinematisch erklärt wird: „ein kinematisches, nichtdynamisches Verständnis.“ der Schwerkraft“ ist unmöglich. Wir können kein Gravitationsfeld durch einfache Beschleunigung eines galiläischen Koordinatensystems relativ zu einem anderen erhalten, da auf diese Weise nur Felder einer bestimmten Struktur erhalten werden können, die jedoch denselben Gesetzen gehorchen müssen wie alle anderen Gravitationsfelder. Dies ist eine weitere Formulierung des Äquivalenzprinzips (insbesondere zur Anwendung dieses Prinzips auf die Schwerkraft).“

Die Unmöglichkeit eines „kinematischen Verständnisses“ der Schwerkraft in Kombination mit dem Äquivalenzprinzip bestimmt den Übergang in der Allgemeinen Relativitätstheorie von Minkowskis pseudoeuklidischer Geometrie zur Riemannschen Geometrie (in dieser Geometrie hat die Raumzeit im Allgemeinen einen von Null verschiedenen Wert). Krümmung; das Vorhandensein einer solchen Krümmung unterscheidet das „echte“ Gravitationsfeld vom „kinematischen“. Die physikalischen Eigenschaften des Gravitationsfeldes bestimmen, wiederholen wir dies, eine radikale Veränderung der Rolle von Energie und Impuls in der Allgemeinen Relativitätstheorie im Vergleich zur Elektrodynamik. Gleichzeitig verhindern sowohl die Verwendung der Riemannschen Geometrie als auch die Unfähigkeit, aus der Elektrodynamik bekannte Energiekonzepte anzuwenden, wie bereits oben betont, nicht die Tatsache, dass aus der GTR für alle beobachtbaren Größen recht eindeutige Werte folgen und berechnet werden können (der Ablenkungswinkel von Lichtstrahlen, Änderungen der Orbitalelemente für Planeten und Doppelpulsare usw. usw.).

Es wäre wahrscheinlich nützlich zu beachten, dass die allgemeine Relativitätstheorie auch in der aus der Elektrodynamik bekannten Form mit dem Konzept der Energie-Impuls-Dichte formuliert werden kann (siehe dazu den zitierten Artikel von Ya. B. Zeldovich und L. P. Grishchuk. Aber was wird in diesem Fall eingeführt, der Minkowski-Raum ist rein fiktiv (nicht beobachtbar), und wir sprechen nur von derselben allgemeinen Relativitätstheorie, geschrieben in einer nicht standardmäßigen Form. In der Zwischenzeit, wiederholen wir dies, A. A. Logunov betrachtet den Minkowski-Raum als verwendet von ihm in der relativistischen Gravitationstheorie (RTG) als realer physikalischer und daher beobachtbarer Raum bezeichnet.

6. In diesem Zusammenhang ist die zweite Frage im Titel dieses Artikels besonders wichtig: Entspricht die GTR der physischen Realität? Mit anderen Worten: Was sagt die Erfahrung – der oberste Richter bei der Entscheidung über das Schicksal einer physikalischen Theorie? Zahlreiche Artikel und Bücher widmen sich diesem Problem – der experimentellen Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Schlussfolgerung ist ziemlich eindeutig – alle verfügbaren experimentellen oder Beobachtungsdaten bestätigen entweder die allgemeine Relativitätstheorie oder widersprechen ihr nicht. Wie wir jedoch bereits angedeutet haben, wurde die Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt und erfolgt hauptsächlich nur in einem schwachen Gravitationsfeld. Darüber hinaus ist die Genauigkeit jedes Experiments begrenzt. In starken Gravitationsfeldern (grob gesagt, wenn das Verhältnis |φ| / C 2 ist nicht genug; siehe oben) Die Allgemeine Relativitätstheorie ist noch nicht ausreichend verifiziert. Zu diesem Zweck ist es nun möglich, praktisch nur astronomische Methoden zu verwenden, die sich auf sehr entfernte Räume beziehen: die Studie Neutronensterne, Doppelpulsare, „Schwarze Löcher“, Ausdehnung und Struktur des Universums, wie man sagt, „im Großen“ – in riesigen Weiten, gemessen in Millionen und Abermilliarden Lichtjahren. In dieser Richtung wurde und wird bereits viel getan. Es reicht aus, die Untersuchungen des Doppelpulsars PSR 1913+16 zu erwähnen, für den (wie allgemein für Neutronensterne) der Parameter |φ| / C 2 beträgt bereits etwa 0,1. Darüber hinaus konnte in diesem Fall der Ordnungseffekt (v / C) 5 im Zusammenhang mit der Emission von Gravitationswellen. In den kommenden Jahrzehnten werden sich noch mehr Möglichkeiten für die Untersuchung von Prozessen in starken Gravitationsfeldern eröffnen.

Der Leitstern dieser atemberaubenden Forschung ist in erster Linie die Allgemeine Relativitätstheorie. Gleichzeitig werden natürlich auch einige andere Möglichkeiten diskutiert – andere, wie man manchmal sagt, alternative Theorien der Schwerkraft. Beispielsweise ist in der Allgemeinen Relativitätstheorie, wie in Newtons Theorie der universellen Gravitation, die Gravitationskonstante G wird tatsächlich als konstanter Wert angesehen. Eine der bekanntesten Gravitationstheorien, die die Allgemeine Relativitätstheorie verallgemeinert (oder genauer gesagt erweitert), ist eine Theorie, in der die „Konstante“ der Gravitation als neue Skalarfunktion betrachtet wird – eine Größe, die von Koordinaten und Zeit abhängt. Beobachtungen und Messungen deuten jedoch darauf hin, dass es zu möglichen relativen Veränderungen kommen kann G im Laufe der Zeit sehr gering – offenbar nicht mehr als hundert Milliarden pro Jahr, also | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G könnte eine Rolle spielen. Beachten Sie, dass dies auch unabhängig von der Frage der Unbeständigkeit der Fall ist G Annahme einer Existenz in der realen Raumzeit zusätzlich zum Gravitationsfeld g ik, auch ein Skalarfeld ψ ist die Hauptrichtung in der modernen Physik und Kosmologie. In anderen alternativen Gravitationstheorien (siehe dazu das oben in Anmerkung 8 erwähnte Buch von K. Will) wird GTR auf andere Weise geändert oder verallgemeinert. Gegen die entsprechende Analyse kann man natürlich nichts einwenden, denn GTR ist kein Dogma, sondern eine physikalische Theorie. Darüber hinaus wissen wir, dass die Allgemeine Relativitätstheorie, die eine Nicht-Quantentheorie ist, offensichtlich auf den Quantenbereich verallgemeinert werden muss, der für bekannte Gravitationsexperimente noch nicht zugänglich ist. Mehr dazu können Sie uns hier natürlich nicht erzählen.

7. A. A. Logunov hat, ausgehend von der Kritik an GTR, seit mehr als 10 Jahren eine alternative Theorie der Schwerkraft entwickelt, die sich von GTR unterscheidet. Gleichzeitig hat sich im Laufe der Arbeit viel verändert, und die nun akzeptierte Version der Theorie (das ist das RTG) wird in einem Artikel, der etwa 150 Seiten einnimmt und nur etwa 700 nummerierte Formeln enthält, besonders ausführlich dargestellt. Eine detaillierte Analyse von RTG ist natürlich nur auf den Seiten möglich wissenschaftliche Zeitschriften. Erst nach einer solchen Analyse lässt sich sagen, ob RTG konsistent ist, ob es keine mathematischen Widersprüche enthält usw. Soweit ich verstehen konnte, unterscheidet sich RTG von GTR in der Auswahl nur eines Teils der Lösungen von GTR – aller Lösungen von RTG-Differentialgleichungen erfüllen die Gleichungen von GTR, aber wie sagen die Autoren von RTG, nicht umgekehrt. Gleichzeitig wird die Schlussfolgerung gezogen, dass die Unterschiede zwischen RTG und GTR im Hinblick auf globale Fragestellungen (Lösungen für die gesamte Raumzeit oder ihre großen Regionen, Topologie usw.) im Allgemeinen radikal sind. Was alle im Sonnensystem durchgeführten Experimente und Beobachtungen betrifft, so kann RTG meines Wissens nicht im Widerspruch zur Allgemeinen Relativitätstheorie stehen. Wenn dies der Fall ist, ist es auf der Grundlage bekannter Experimente im Sonnensystem unmöglich, RTG (im Vergleich zu GTR) zu bevorzugen. Was „Schwarze Löcher“ und das Universum betrifft, behaupten die Autoren von RTG, dass sich ihre Schlussfolgerungen erheblich von den Schlussfolgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden, uns sind jedoch keine spezifischen Beobachtungsdaten bekannt, die für RTG zeugen. In einer solchen Situation ist RTG von A. A. Logunov (wenn sich RTG wirklich im Wesentlichen von GTR unterscheidet, und nicht nur in der Art der Darstellung und der Wahl einer der möglichen Klassen von Koordinatenbedingungen; siehe den Artikel von Ya. B. Zeldovich und L. P. Grishchuk) kann nur als eine der grundsätzlich akzeptablen alternativen Theorien der Schwerkraft angesehen werden.

Einige Leser sind möglicherweise misstrauisch gegenüber Klauseln wie: „Wenn das so ist“, „Wenn sich RTG wirklich von GTR unterscheidet“. Versuche ich mich auf diese Weise vor Fehlern zu schützen? Nein, ich habe keine Angst davor, einen Fehler zu machen, nur weil ich überzeugt bin, dass es nur eine Garantie für Fehlerfreiheit gibt – überhaupt nicht zu arbeiten und in diesem Fall nicht über wissenschaftliche Fragen zu diskutieren. Eine andere Sache ist, dass der Respekt vor der Wissenschaft und die Vertrautheit mit ihrem Charakter und ihrer Geschichte zur Vorsicht ermutigen. Kategorische Aussagen weisen nicht immer auf echte Klarheit hin und tragen im Allgemeinen nicht zur Wahrheitsfindung bei. Das RTG von A. A. Logunov in seiner modernen Form wurde erst vor kurzem formuliert und wurde in der wissenschaftlichen Literatur noch nicht ausführlich diskutiert. Daher habe ich natürlich keine abschließende Meinung dazu. Darüber hinaus ist es unmöglich und sogar unangemessen, eine Reihe aufkommender Themen in einem populärwissenschaftlichen Magazin zu diskutieren. Gleichzeitig erscheint es aufgrund des großen Interesses der Leser an der Gravitationstheorie natürlich gerechtfertigt, auf den Seiten von Science and Life auf einer zugänglichen Ebene über dieses Themenspektrum, auch kontroverse, zu berichten.

Geleitet vom weisen „Prinzip der Meistbegünstigung“ sollte RTG nun als alternative Theorie der Schwerkraft betrachtet werden, die einer angemessenen Analyse und Diskussion bedarf. Für diejenigen, die diese Theorie mögen (RTG), die sich dafür interessieren: Niemand macht sich die Mühe (und sollte sich natürlich nicht einmischen), sie zu entwickeln und mögliche Wege der experimentellen Überprüfung vorzuschlagen.

Gleichzeitig gibt es keinen Grund zu sagen, dass GTR derzeit in irgendeiner Weise erschüttert ist. Darüber hinaus scheint der Anwendungsbereich der Allgemeinen Relativitätstheorie sehr groß und ihre Genauigkeit sehr hoch zu sein. Dies ist unserer Meinung nach eine objektive Einschätzung der aktuellen Lage. Wenn wir über Geschmäcker und intuitive Einstellungen sprechen und Geschmäcker und Intuition in der Wissenschaft eine bedeutende Rolle spielen, obwohl sie nicht als Beweis herangezogen werden können, dann müssen wir hier vom „Wir“ zum „Ich“ übergehen. Je mehr ich mich also mit der Allgemeinen Relativitätstheorie und ihrer Kritik auseinandergesetzt habe und noch immer habe, desto stärker wird mein Eindruck von ihrer außergewöhnlichen Tiefe und Schönheit.

Tatsächlich betrug die Auflage der Zeitschrift „Science and Life“ Nr. 4, 1987, wie im Impressum angegeben, 3 Millionen 475.000 Exemplare. IN letzten Jahren Die Auflage betrug nur wenige Zehntausend Exemplare und überstieg allein im Jahr 2002 die 40.000-Marke. (Anmerkung – A. M. Krainev).

1987 jährt sich übrigens der 300. Jahrestag der Erstveröffentlichung von Newtons großartigem Buch „The Mathematical Principles of Natural Philosophy“. Es ist sehr lehrreich, sich mit der Entstehungsgeschichte dieses Werkes vertraut zu machen, ganz zu schweigen vom Werk selbst. Das Gleiche gilt jedoch für alle Aktivitäten Newtons, die für Laien nicht so leicht zu erlernen sind. Zu diesem Zweck kann ich das sehr gute Buch von S.I. Vavilov „Isaac Newton“ empfehlen, es sollte erneut veröffentlicht werden. Lassen Sie mich auch meinen Artikel erwähnen, der anlässlich des Newton-Jubiläums geschrieben wurde und in der Zeitschrift „Uspekhi Fizicheskikh Nauk“, Vers 151, Nr. 1, 1987, S. 1987, veröffentlicht wurde. 119.

Das Ausmaß der Wende wird nach modernen Messungen angegeben (Le Verrier hatte eine Wende von 38 Sekunden). Zur Verdeutlichung erinnern wir uns daran, dass Sonne und Mond von der Erde aus in einem Winkel von etwa 0,5 Bogengrad – 1800 Bogensekunden – sichtbar sind.

A. Pals „Subtil ist der Herr …“ Die Wissenschaft und das Leben von Albert Einstein. Universität Oxford Press, 1982. Es wäre ratsam, eine russische Übersetzung dieses Buches zu veröffentlichen.

Letzteres ist im Vollbetrieb möglich Sonnenfinsternisse; Fotografieren desselben Teils des Himmels, sagen wir sechs Monate später, als die Sonne sich bewegt hat Himmelssphäre, erhalten wir zum Vergleich ein Bild, das nicht durch die Ablenkung der Strahlen unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes der Sonne verzerrt ist.

Für Einzelheiten muss ich auf den Artikel von Ya. B. Zeldovich und L. P. Grishchuk verweisen, der kürzlich in Uspekhi Fizicheskikh Nauk (Bd. 149, S. 695, 1986) veröffentlicht wurde, sowie auf die dort zitierte Literatur, insbesondere auf die Artikel von L. D. Faddeev („Advances in Physical Sciences“, Bd. 136, S. 435, 1982).

Siehe Fußnote 5.

Siehe K. Will. „Theorie und Experiment in der Gravitationsphysik.“ M., Energoiedat, 1985; siehe auch V. L. Ginzburg. Über Physik und Astrophysik. M., Nauka, 1985, und die dort angegebene Literatur.

A. A. Logunov und M. A. Mestvirishvili. „Grundlagen der relativistischen Gravitationstheorie.“ Zeitschrift „Physik“ Elementarteilchen und der Atomkern“, Bd. 17, Heft 1, 1986.

In den Werken von A. A. Logunov gibt es andere Aussagen und insbesondere wird angenommen, dass sich für die Signalverzögerungszeit bei der Ortung beispielsweise von Merkur von der Erde ein aus RTG erhaltener Wert von dem folgenden aus GTR unterscheidet. Genauer gesagt wird argumentiert, dass die Allgemeine Relativitätstheorie überhaupt keine eindeutige Vorhersage von Signalverzögerungszeiten liefert, das heißt, die Allgemeine Relativitätstheorie ist inkonsistent (siehe oben). Allerdings ist eine solche Schlussfolgerung, wie es uns scheint, das Ergebnis eines Missverständnisses (dies wird beispielsweise in dem zitierten Artikel von Ya. B. Zeldovich und L. P. Grishchuk angedeutet, siehe Fußnote 5): unterschiedliche Ergebnisse in der Allgemeinen Relativitätstheorie beim Benutzen verschiedene Systeme Koordinaten werden nur erhalten, weil die lokalisierten Planeten verglichen werden, die sich in unterschiedlichen Umlaufbahnen befinden und daher unterschiedliche Umlaufzeiten um die Sonne haben. Die Verzögerungszeiten der von der Erde beobachteten Signale bei der Lokalisierung eines bestimmten Planeten gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie und der RTG stimmen überein.

Siehe Fußnote 5.

Details für Neugierige

Ablenkung von Licht- und Radiowellen im Gravitationsfeld der Sonne. Als idealisiertes Modell der Sonne wird üblicherweise eine statische, kugelsymmetrische Kugel mit Radius verwendet R☼ ~ 6,96·10 10 cm, Sonnenmasse M☼ ~ 1,99·10 30 kg (332958-fache Masse der Erde). Die Lichtablenkung ist bei Strahlen maximal, die die Sonne kaum berühren, also wann R ~ R☼ und gleich: φ ≈ 1″.75 (Bogensekunden). Dieser Winkel ist sehr klein – ungefähr in diesem Winkel ist ein Erwachsener aus einer Entfernung von 200 km sichtbar, und daher war die Genauigkeit der Messung der Gravitationskrümmung von Strahlen bis vor kurzem gering. Die letzten optischen Messungen während der Sonnenfinsternis vom 30. Juni 1973 wiesen einen Fehler von etwa 10 % auf. Dank des Aufkommens von Radiointerferometern „mit ultralanger Basis“ (mehr als 1000 km) ist die Genauigkeit der Winkelmessung heute stark gestiegen. Radiointerferometer ermöglichen die zuverlässige Messung von Winkelabständen und Winkeländerungen in der Größenordnung von 10 – 4 Bogensekunden (~ 1 Nanoradian).

Die Abbildung zeigt die Ablenkung nur eines der Strahlen, die von einer entfernten Quelle kommen. In Wirklichkeit sind beide Strahlen gebogen.

SCHWERKRAFTPOTENZIAL

Im Jahr 1687 erschien Newtons grundlegendes Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“ (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 1, 1987), in dem das Gesetz der universellen Gravitation formuliert wurde. Dieses Gesetz besagt, dass die Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Materialteilchen direkt proportional zu ihrer Masse ist M Und M und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung R zwischen ihnen:

F = G	mm	.
	R 2

Proportionalitätsfaktor G begann, Gravitationskonstante genannt zu werden, ist es notwendig, die Dimensionen auf der rechten und linken Seite der Newtonschen Formel in Einklang zu bringen. Newton selbst hat das mit für seine Zeit sehr hoher Genauigkeit bewiesen G– Die Größe ist konstant und daher ist das von ihm entdeckte Gesetz der Schwerkraft universell.

Zwei anziehende Punktmassen M Und M kommen in Newtons Formel gleichermaßen vor. Mit anderen Worten: Wir können davon ausgehen, dass beide als Quellen des Gravitationsfeldes dienen. Bei spezifischen Problemen, insbesondere in der Himmelsmechanik, ist jedoch häufig eine der beiden Massen im Vergleich zur anderen sehr klein. Zum Beispiel die Masse der Erde M 3 ≈ 6 · 10 24 kg ist viel weniger als die Masse der Sonne M☼ ≈ 2 · 10 30 kg oder beispielsweise die Masse des Satelliten M≈ 10 3 kg ist nicht mit der Masse der Erde vergleichbar und hat daher praktisch keinen Einfluss auf die Erdbewegung. Eine solche Masse, die selbst das Gravitationsfeld nicht stört, sondern als Sonde dient, auf die dieses Feld einwirkt, wird Testmasse genannt. (Ebenso gibt es in der Elektrodynamik das Konzept einer „Testladung“, also einer, die dabei hilft, ein elektromagnetisches Feld zu erkennen.) Da die Testmasse (oder Testladung) einen vernachlässigbar kleinen Beitrag zum Feld leistet, z Bei einer solchen Masse wird das Feld „extern“ und kann durch eine Größe namens Spannung charakterisiert werden. Im Wesentlichen die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft G ist die Intensität des Gravitationsfeldes der Erde. Der zweite Hauptsatz der Newtonschen Mechanik liefert dann die Bewegungsgleichungen einer Punkttestmasse M. So werden beispielsweise Probleme der Ballistik und der Himmelsmechanik gelöst. Beachten Sie, dass Newtons Gravitationstheorie für die meisten dieser Probleme auch heute noch eine völlig ausreichende Genauigkeit aufweist.

Spannung ist wie Kraft eine Vektorgröße, das heißt im dreidimensionalen Raum wird sie durch drei Zahlen bestimmt – Komponenten entlang zueinander senkrechter kartesischer Achsen X, bei, z. Beim Ändern des Koordinatensystems – und solche Operationen sind bei physikalischen und astronomischen Problemen keine Seltenheit – werden die kartesischen Koordinaten des Vektors auf zwar nicht komplexe, aber oft umständliche Weise transformiert. Daher wäre es zweckmäßig, anstelle der Vektorfeldstärke die entsprechende skalare Größe zu verwenden, aus der sich mit Hilfe einiger die für das Feld charakteristische Kraft – die Stärke – ermitteln ließe einfaches Rezept. Und es gibt eine solche skalare Größe – sie heißt Potential, und der Übergang zur Spannung erfolgt durch einfache Differenzierung. Daraus folgt, dass das Newtonsche Gravitationspotential durch die Masse erzeugt wird M, ist gleich

daher die Gleichheit |φ| = v 2 .

In der Mathematik wird Newtons Gravitationstheorie manchmal als „Potenzialtheorie“ bezeichnet. Einst diente die Theorie des Newtonschen Potentials als Modell für die Elektrizitätstheorie, und dann stimulierten die in Maxwells Elektrodynamik entstandenen Vorstellungen über das physikalische Feld wiederum die Entstehung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Der Übergang von Einsteins relativistischer Gravitationstheorie zum Spezialfall von Newtons Gravitationstheorie entspricht genau dem Bereich kleiner Werte des dimensionslosen Parameters |φ| / C 2 .

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist zusammen mit der Speziellen Relativitätstheorie das brillante Werk von Albert Einstein, der zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Sichtweise der Physiker auf die Welt veränderte. Hundert Jahre später ist die allgemeine Relativitätstheorie das wichtigste und die wichtigste Theorie Physik in der Welt und behauptet, zusammen mit der Quantenmechanik einer der beiden Eckpfeiler der „Theorie von allem“ zu sein. Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als Folge der Krümmung der Raumzeit (in der Allgemeinen Relativitätstheorie zu einem Ganzen vereint) unter dem Einfluss der Masse. Dank der Allgemeinen Relativitätstheorie haben Wissenschaftler viele Konstanten abgeleitet und eine Menge getestet unerklärliche Phänomene und erfand Dinge wie schwarze Löcher, Dunkle Materie und dunkle Energie, die Expansion des Universums, der Urknall und vieles mehr. GTR legte auch ein Veto gegen die Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit ein und hielt uns dadurch buchstäblich in unserer Umgebung (dem Sonnensystem) fest, hinterließ jedoch ein Schlupfloch in Form von Wurmlöchern – kurze mögliche Wege durch die Raumzeit.

Ein Mitarbeiter der RUDN-Universität und seine brasilianischen Kollegen stellten das Konzept der Verwendung stabiler Wurmlöcher als Portale in Frage verschiedene Punkte Freizeit. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in Physical Review D veröffentlicht – ein eher abgedroschenes Klischee in der Science-Fiction. Ein Wurmloch oder „Wurmloch“ ist eine Art Tunnel, der entfernte Punkte im Raum oder sogar zwei Universen durch die Krümmung der Raumzeit verbindet.

Noch Ende des 19. Jahrhunderts neigten die meisten Wissenschaftler zu der Ansicht, dass das physikalische Bild der Welt im Grunde konstruiert sei und auch in Zukunft unerschütterlich bleiben würde – nur die Details müssten noch geklärt werden. Doch in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts änderten sich die physikalischen Ansichten radikal. Dies war die Folge einer „Kaskade“ wissenschaftlicher Entdeckungen, die in extrem kurzer Zeit gemacht wurden. historische Periode, das die letzten Jahre des 19. Jahrhunderts und die ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts abdeckt, von denen viele überhaupt nicht in das Verständnis der gewöhnlichen menschlichen Erfahrung passten. Ein markantes Beispiel ist die Relativitätstheorie von Albert Einstein (1879-1955).

Relativitätstheorie- physikalische Theorie der Raumzeit, also eine Theorie, die die universellen Raumzeiteigenschaften physikalischer Prozesse beschreibt. Der Begriff wurde 1906 von Max Planck eingeführt, um die Rolle des Relativitätsprinzips hervorzuheben
in der speziellen Relativitätstheorie (und später in der allgemeinen Relativitätstheorie).

Im engeren Sinne umfasst die Relativitätstheorie die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie. Spezielle Relativitätstheorie(im Folgenden: SRT) bezieht sich auf Prozesse, bei deren Untersuchung Gravitationsfelder vernachlässigt werden können; Allgemeine Relativitätstheorie(im Folgenden als GTR bezeichnet) ist eine Gravitationstheorie, die Newtons Theorie verallgemeinert.

Besonders, oder Spezielle Relativitätstheorie ist eine Theorie der Struktur der Raumzeit. Es wurde erstmals 1905 von Albert Einstein in seinem Werk „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ eingeführt. Die Theorie beschreibt Bewegung, die Gesetze der Mechanik sowie die sie bestimmenden Raum-Zeit-Beziehungen bei jeder Bewegungsgeschwindigkeit.
einschließlich solcher nahe der Lichtgeschwindigkeit. Klassische Newtonsche Mechanik
im Rahmen der SRT handelt es sich um eine Näherung für niedrige Geschwindigkeiten.

Einer der Gründe für Albert Einsteins Erfolg ist, dass er experimentelle Daten höher schätzte als theoretische Daten. Als eine Reihe von Experimenten Ergebnisse lieferten, die der allgemein anerkannten Theorie widersprachen, entschieden viele Physiker, dass diese Experimente falsch waren.

Albert Einstein war einer der ersten, der beschloss, eine neue Theorie auf der Grundlage neuer experimenteller Daten zu entwickeln.

Ende des 19. Jahrhunderts waren Physiker auf der Suche nach dem geheimnisvollen Äther – einem Medium, in dem sich nach allgemein anerkannten Annahmen Lichtwellen ausbreiten sollten, wie akustische Wellen, für deren Ausbreitung Luft oder ein anderes Medium – Feststoff, erforderlich ist. flüssig oder gasförmig. Der Glaube an die Existenz des Äthers führte zu der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Geschwindigkeit des Beobachters im Verhältnis zum Äther variieren sollte. Albert Einstein gab das Konzept des Äthers auf und ging davon aus, dass alle physikalischen Gesetze, einschließlich der Lichtgeschwindigkeit, unabhängig von der Geschwindigkeit des Beobachters unverändert bleiben – wie Experimente zeigten.

SRT erklärte, wie man Bewegungen zwischen verschiedenen Trägheitsreferenzsystemen interpretiert – vereinfacht gesagt: Objekte, die sich relativ zueinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Einstein erklärte, dass man, wenn sich zwei Objekte mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, ihre Bewegung relativ zueinander berücksichtigen sollte, anstatt eines von ihnen als absoluten Bezugsrahmen zu nehmen. Wenn also zwei Astronauten auf zwei Raumschiffen fliegen und ihre Beobachtungen vergleichen möchten, müssen sie nur die Geschwindigkeit relativ zueinander wissen.

Die spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt nur einen Sonderfall (daher der Name), bei dem die Bewegung geradlinig und gleichmäßig ist.

Aufgrund der Unmöglichkeit, absolute Bewegung zu erfassen, kam Albert Einstein zu dem Schluss, dass alle Trägheitsbezugssysteme gleich sind. Er formulierte zwei wichtige Postulate, die die Grundlage einer neuen Theorie von Raum und Zeit bildeten, der sogenannten Speziellen Relativitätstheorie (STR):

1. Einsteins Relativitätsprinzip - Dieses Prinzip war eine Verallgemeinerung des Relativitätsprinzips von Galileo (sagt dasselbe, aber nicht für alle Naturgesetze, sondern nur für die Gesetze der klassischen Mechanik, wodurch die Frage der Anwendbarkeit des Relativitätsprinzips auf Optik und Elektrodynamik offen bleibt) zu irgendwelchen physischen. Es liest: Alle physikalischen Prozesse unter gleichen Bedingungen in Inertialreferenzsystemen (IRS) laufen auf die gleiche Weise ab. Dies bedeutet, dass keine physikalischen Experimente, die innerhalb einer geschlossenen ISO durchgeführt werden, feststellen können, ob sie ruht oder sich gleichmäßig und geradlinig bewegt. Somit sind alle IFRs völlig gleich und die physikalischen Gesetze sind in Bezug auf die Wahl der IFRs unveränderlich (d. h. die Gleichungen, die diese Gesetze ausdrücken, haben in allen Trägheitsbezugssystemen die gleiche Form).

2. Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit- Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist konstant und hängt nicht von der Bewegung der Lichtquelle und des Lichtempfängers ab. Es ist in allen Richtungen und in allen Trägheitsbezugssystemen gleich. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die Grenzgeschwindigkeit in der Natur – Dies ist eine der wichtigsten physikalischen Konstanten, die sogenannten Weltkonstanten.

Die wichtigste Konsequenz von SRT war die berühmte Einsteins Formel über den Zusammenhang zwischen Masse und Energie E=mc 2 (wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist), die die Einheit von Raum und Zeit zeigte, ausgedrückt in einer gemeinsamen Veränderung ihrer Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration der Massen und ihrer Bewegung und bestätigt durch die Daten der modernen Physik. Zeit und Raum wurden nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet und es entstand die Idee eines vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuums.

Nach der Theorie des großen Physikers nimmt auch seine Masse zu, wenn die Geschwindigkeit eines materiellen Körpers zunimmt und sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Diese. Je schneller sich ein Gegenstand bewegt, desto schwerer wird er. Wird die Lichtgeschwindigkeit erreicht, werden sowohl die Masse des Körpers als auch seine Energie unendlich. Je schwerer der Körper, desto schwieriger ist es, seine Geschwindigkeit zu steigern; Die Beschleunigung eines Körpers mit unendlicher Masse erfordert unendlich viel Energie, sodass materielle Objekte nicht die Lichtgeschwindigkeit erreichen können.

In der Relativitätstheorie „verloren zwei Gesetze – der Massenerhaltungssatz und der Energieerhaltungssatz – ihre unabhängige Gültigkeit und wurden zu einem einzigen Gesetz zusammengefasst, das als Energieerhaltungssatz oder Massenerhaltungssatz bezeichnet werden kann.“ Dank der grundlegenden Verbindung dieser beiden Konzepte kann Materie in Energie umgewandelt werden und umgekehrt – Energie in Materie.

Allgemeine Relativitätstheorie- eine 1916 von Einstein veröffentlichte Gravitationstheorie, an der er 10 Jahre lang arbeitete. Ist weitere Entwicklung Spezielle Relativitätstheorie. Wenn ein materieller Körper beschleunigt oder sich zur Seite dreht, gelten die Gesetze der STR nicht mehr. Dann tritt die GTR in Kraft, die die Bewegungen materieller Körper im allgemeinen Fall erklärt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie postuliert, dass Gravitationseffekte nicht durch die Kraftwechselwirkung von Körpern und Feldern verursacht werden, sondern durch die Verformung der Raumzeit selbst, in der sie sich befinden. Diese Verformung hängt zum Teil mit dem Vorhandensein von Massenenergie zusammen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist derzeit die erfolgreichste Theorie der Schwerkraft, die durch Beobachtungen gut gestützt wird. GR verallgemeinerte SR auf beschleunigte, d. h. nichtinertiale Systeme. Die Grundprinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- Beschränkung der Anwendbarkeit des Prinzips der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit auf Bereiche, in denen Gravitationskräfte vernachlässigt werden können(Wo die Schwerkraft hoch ist, verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit);

- Erweiterung des Relativitätsprinzips auf alle bewegten Systeme(und nicht nur träge).

Auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie oder der Gravitationstheorie geht sie von der experimentellen Tatsache der Äquivalenz von trägen und schweren Massen oder der Äquivalenz von trägen und gravitativen Feldern aus.

Das Äquivalenzprinzip spielt in der Wissenschaft eine wichtige Rolle. Wir können die Wirkung von Trägheitskräften auf jedes physikalische System immer direkt berechnen, und dies gibt uns die Möglichkeit, die Wirkung des Gravitationsfeldes zu kennen, indem wir von seiner Heterogenität abstrahieren, die oft sehr unbedeutend ist.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie wurden eine Reihe wichtiger Schlussfolgerungen gezogen:

1. Die Eigenschaften der Raumzeit hängen von der Bewegung der Materie ab.

2. Ein Lichtstrahl, der eine träge und damit schwere Masse hat, muss im Gravitationsfeld gebogen werden.

3. Die Lichtfrequenz sollte sich unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes zu niedrigeren Werten verschieben.

Lange Zeit gab es kaum experimentelle Beweise für die Allgemeine Relativitätstheorie. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ist recht gut, die Reinheit der Experimente wird jedoch durch verschiedene komplexe Nebenwirkungen beeinträchtigt. Die Auswirkungen der Raumzeitkrümmung können jedoch auch in moderaten Gravitationsfeldern nachgewiesen werden. Sehr empfindliche Uhren können beispielsweise die Zeitdilatation auf der Erdoberfläche erkennen. Um die experimentelle Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erweitern, wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts neue Experimente durchgeführt: Die Äquivalenz von Trägheits- und Gravitationsmassen wurde getestet (unter anderem durch Laserentfernungsmessung des Mondes);
Mithilfe von Radar wurde die Bewegung des Merkursperihels geklärt. die gravitative Ablenkung von Radiowellen durch die Sonne wurde gemessen und Radar auf den Planeten des Sonnensystems durchgeführt; Der Einfluss des Gravitationsfeldes der Sonne auf die Funkkommunikation mit Raumfahrzeugen, die zu entfernten Planeten des Sonnensystems geschickt wurden, wurde bewertet usw. Sie alle bestätigten auf die eine oder andere Weise die auf der Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie gewonnenen Vorhersagen.

Die spezielle Relativitätstheorie basiert also auf den Postulaten der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und den gleichen Naturgesetzen in allen physikalischen Systemen, und die Hauptergebnisse, zu denen sie kommt, sind folgende: die Relativität der Eigenschaften des Raums -Zeit; Relativität von Masse und Energie; Äquivalenz von schweren und trägen Massen.

Das aus philosophischer Sicht bedeutendste Ergebnis der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Feststellung der Abhängigkeit der Raum-Zeit-Eigenschaften der umgebenden Welt vom Ort und der Bewegung gravitierender Massen. Es ist dem Einfluss der Körper zu verdanken
Bei großen Massen sind die Strahlengänge der Lichtstrahlen gekrümmt. Folglich bestimmt das von solchen Körpern erzeugte Gravitationsfeld letztendlich die Raum-Zeit-Eigenschaften der Welt.

Die spezielle Relativitätstheorie abstrahiert von der Wirkung von Gravitationsfeldern und daher sind ihre Schlussfolgerungen nur auf kleine Bereiche der Raumzeit anwendbar. Der wesentliche Unterschied zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und den ihr vorangehenden grundlegenden physikalischen Theorien besteht in der Ablehnung einer Reihe alter Konzepte und der Formulierung neuer Konzepte. Es ist erwähnenswert, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine echte Revolution in der Kosmologie bewirkt hat. Auf dieser Grundlage entstanden verschiedene Modelle des Universums.

Die Relativitätstheorie wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein eingeführt. Was ist sein Wesen? Betrachten wir die wichtigsten Punkte und beschreiben wir den EVG in klarer Sprache.

Die Relativitätstheorie beseitigte praktisch die Inkonsistenzen und Widersprüche der Physik des 20. Jahrhunderts, erzwang einen radikalen Wandel in der Vorstellung von der Struktur der Raumzeit und wurde in zahlreichen Experimenten und Studien experimentell bestätigt.

Somit bildete TOE die Grundlage aller modernen grundlegenden physikalischen Theorien. Tatsächlich ist dies die Mutter der modernen Physik!

Zunächst ist anzumerken, dass es zwei Relativitätstheorien gibt:

• Spezielle Relativitätstheorie (STR) – berücksichtigt physikalische Prozesse in sich gleichmäßig bewegenden Objekten.
• Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) – beschreibt sich beschleunigende Objekte und erklärt den Ursprung von Phänomenen wie Schwerkraft und Existenz.

Es ist klar, dass STR früher erschien und im Wesentlichen ein Teil von GTR ist. Reden wir zuerst über sie.

STO in einfachen Worten

Die Theorie basiert auf dem Relativitätsprinzip, wonach alle Naturgesetze für Körper gelten, die stationär sind und sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Und aus solch einem scheinbar einfachen Gedanken folgt, dass die Lichtgeschwindigkeit (300.000 m/s im Vakuum) für alle Körper gleich ist.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie hätten ein Raumschiff aus einer fernen Zukunft geschenkt bekommen, das mit großer Geschwindigkeit fliegen kann. Am Bug des Schiffes ist eine Laserkanone installiert, die Photonen nach vorne schießen kann.

Relativ zum Schiff fliegen solche Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit, relativ zu einem stationären Beobachter scheinen sie jedoch schneller zu fliegen, da sich beide Geschwindigkeiten summieren.

In Wirklichkeit passiert dies jedoch nicht! Ein außenstehender Beobachter sieht Photonen, die sich mit 300.000 m/s fortbewegen, als ob die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs nicht dazugerechnet worden wäre.

Sie müssen bedenken: Relativ zu jedem Körper ist die Lichtgeschwindigkeit ein konstanter Wert, egal wie schnell er sich bewegt.

Daraus ergeben sich erstaunliche Schlussfolgerungen wie Zeitdilatation, Längskontraktion und die Abhängigkeit des Körpergewichts von der Geschwindigkeit. Lesen Sie mehr über die interessantesten Konsequenzen der Speziellen Relativitätstheorie im Artikel unter dem folgenden Link.

Das Wesen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR)

Um es besser zu verstehen, müssen wir noch einmal zwei Fakten kombinieren:

• Wir leben im vierdimensionalen Raum

Raum und Zeit sind Manifestationen derselben Einheit, die als „Raum-Zeit-Kontinuum“ bezeichnet wird. Dies ist eine 4-dimensionale Raumzeit mit den Koordinatenachsen x, y, z und t.

Wir Menschen sind nicht in der Lage, die 4 Dimensionen gleichermaßen wahrzunehmen. Im Wesentlichen sehen wir nur Projektionen eines realen vierdimensionalen Objekts auf Raum und Zeit.

Interessanterweise besagt die Relativitätstheorie nicht, dass sich Körper verändern, wenn sie sich bewegen. 4-dimensionale Objekte bleiben immer unverändert, aber bei relativer Bewegung können sich ihre Projektionen ändern. Und wir nehmen dies als Zeitverlangsamung, Größenverringerung usw. wahr.

• Alle Körper fallen mit konstanter Geschwindigkeit und beschleunigen nicht

Machen wir ein gruseliges Gedankenexperiment. Stellen Sie sich vor, Sie fahren in einem geschlossenen Aufzug und befinden sich in einem Zustand der Schwerelosigkeit.

Diese Situation kann nur aus zwei Gründen entstehen: Entweder befinden Sie sich im Weltraum oder Sie fallen zusammen mit der Kabine unter dem Einfluss der Erdschwerkraft frei.

Ohne einen Blick aus der Kabine ist es absolut unmöglich, zwischen diesen beiden Fällen zu unterscheiden. Es ist nur so, dass man im einen Fall gleichmäßig fliegt, im anderen Fall mit Beschleunigung. Sie müssen raten!

Vielleicht dachte Albert Einstein selbst über einen imaginären Aufzug nach und hatte einen erstaunlichen Gedanken: Wenn diese beiden Fälle nicht unterschieden werden können, dann ist der Fall aufgrund der Schwerkraft auch eine gleichmäßige Bewegung. Die Bewegung ist in der vierdimensionalen Raumzeit einfach gleichmäßig, aber in Gegenwart massiver Körper (zum Beispiel) ist sie gekrümmt und eine gleichmäßige Bewegung wird in Form einer beschleunigten Bewegung in unseren üblichen dreidimensionalen Raum projiziert.

Schauen wir uns ein weiteres einfacheres, wenn auch nicht ganz korrektes Beispiel für die Krümmung des zweidimensionalen Raums an.

Sie können sich vorstellen, dass unter jedem massiven Körper eine Art geformter Trichter entsteht. Dann können andere vorbeifliegende Körper ihre Bewegung nicht geradlinig fortsetzen und ändern ihre Flugbahn entsprechend den Krümmungen des gekrümmten Raums.

Wenn der Körper übrigens nicht über viel Energie verfügt, kann es sein, dass seine Bewegung geschlossen ist.

Es ist erwähnenswert, dass sich bewegte Körper aus der Sicht bewegter Körper weiterhin geradlinig bewegen, da sie nichts spüren, was sie dazu bringt, sich zu drehen. Sie sind einfach in einem gekrümmten Raum gelandet und haben, ohne es zu merken, eine nichtlineare Flugbahn.

Es ist zu beachten, dass 4 Dimensionen einschließlich der Zeit verbogen sind, daher sollte diese Analogie mit Vorsicht behandelt werden.

Somit ist die Schwerkraft in der Allgemeinen Relativitätstheorie überhaupt keine Kraft, sondern nur eine Folge der Krümmung der Raumzeit. Im Moment ist diese Theorie eine funktionierende Version des Ursprungs der Schwerkraft und stimmt hervorragend mit Experimenten überein.

Überraschende Konsequenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie

Lichtstrahlen können beim Fliegen in der Nähe massiver Körper abgelenkt werden. Tatsächlich wurden im Weltraum entfernte Objekte gefunden, die sich hinter anderen „verstecken“, aber Lichtstrahlen biegen sich um sie herum, wodurch das Licht uns erreicht.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie vergeht die Zeit umso langsamer, je stärker die Schwerkraft ist. Dieser Umstand muss beim Betrieb von GPS und GLONASS berücksichtigt werden, denn deren Satelliten sind mit den genauesten Atomuhren ausgestattet, die etwas schneller ticken als auf der Erde. Wird dieser Umstand nicht berücksichtigt, beträgt der Koordinatenfehler innerhalb eines Tages 10 km.

Albert Einstein ist es zu verdanken, dass Sie erkennen können, wo sich in der Nähe eine Bibliothek oder ein Geschäft befindet.

Und schließlich sagt die Allgemeine Relativitätstheorie die Existenz von Schwarzen Löchern voraus, um die herum die Schwerkraft so stark ist, dass die Zeit in der Nähe einfach stehen bleibt. Daher kann Licht, das in ein Schwarzes Loch fällt, dieses nicht verlassen (reflektieren).

Im Zentrum eines Schwarzen Lochs befindet sich aufgrund der enormen Gravitationskompression ein Objekt mit unendlichem Ausmaß Hohe Dichte, aber das kann anscheinend nicht sein.

Daher kann die Allgemeine Relativitätstheorie im Gegensatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie zu sehr widersprüchlichen Schlussfolgerungen führen, weshalb die Mehrheit der Physiker sie nicht vollständig akzeptierte und weiterhin nach einer Alternative suchte.

Aber es gelingt ihr, viele Dinge erfolgreich vorherzusagen, zum Beispiel bestätigte eine kürzliche Sensationsentdeckung die Relativitätstheorie und erinnerte uns erneut an den großen Wissenschaftler mit heraushängender Zunge. Wenn Sie Wissenschaft lieben, lesen Sie WikiScience.