Die Essenz von Einsteins Relativitätstheorie. Einsteins Relativitätstheorie, erklärt und gelesen in kurzen, verständlichen Worten

Die Essenz von Einsteins Relativitätstheorie. Einsteins Relativitätstheorie, erklärt und gelesen in kurzen, verständlichen Worten
12.10.2019
Der neue Geist des Königs [Über Computer, Denken und die Gesetze der Physik] Roger Penrose

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie

Erinnern wir uns an die große Wahrheit, die Galileo entdeckt hat: Alle Körper fallen unter dem Einfluss der Schwerkraft gleich schnell. (Dies war eine brillante Vermutung, die kaum durch empirische Daten gestützt wurde, da Federn und Steine ​​aufgrund des Luftwiderstands immer noch nicht herunterfallen gleichzeitig! Galilei erkannte plötzlich, dass es Federn und Steine ​​gäbe, wenn der Luftwiderstand auf Null reduziert werden könnte würde fallen Es dauerte drei Jahrhunderte, bis die tiefgreifende Bedeutung dieser Entdeckung vollständig erkannt wurde und zum Grundstein einer großen Theorie wurde. Ich beziehe mich auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie – eine verblüffende Beschreibung der Schwerkraft, die, wie wir gleich sehen werden, die Einführung des Konzepts erforderte gekrümmte Raumzeit !

Was hat Galileis intuitive Entdeckung mit der Idee der „Krümmung der Raumzeit“ zu tun? Wie war es möglich, dass dieses Konzept, das sich so deutlich von Newtons Schema unterscheidet, nach dem Teilchen durch gewöhnliche Gravitationskräfte beschleunigt werden, die Genauigkeit der Beschreibung von Newtons Theorie nicht nur erreichen, sondern sogar übertreffen konnte? Und wie wahr ist dann die Aussage, dass an Galileis Entdeckung etwas dran war? hatte nicht später in Newtons Theorie übernommen?

Lassen Sie mich mit der letzten Frage beginnen, da diese am einfachsten zu beantworten ist. Was steuert nach Newtons Theorie die Beschleunigung eines Körpers unter dem Einfluss der Schwerkraft? Erstens wirkt die Schwerkraft auf den Körper Gewalt , was nach dem von Newton entdeckten Gesetz der universellen Gravitation sein sollte proportional zum Körpergewicht. Zweitens das Ausmaß der Beschleunigung, die ein Körper unter dem Einfluss erfährt gegeben Kräfte, nach Newtons zweitem Gesetz, umgekehrt proportional zum Körpergewicht. Galileos erstaunliche Entdeckung beruht auf der Tatsache, dass die „Masse“, die in Newtons Gesetz der universellen Gravitation enthalten ist, tatsächlich dieselbe „Masse“ ist, die in Newtons zweitem Gesetz enthalten ist. (Statt „gleich“ könnte man auch „proportional“ sagen.) Daraus ergibt sich die Beschleunigung des Körpers unter dem Einfluss der Schwerkraft kommt nicht darauf an aus seiner Masse. In Newtons allgemeinem Schema gibt es keinen Hinweis darauf, dass die beiden Konzepte der Masse gleich sind. Diese Gleichheit gilt nur für Newton postuliert. Tatsächlich ähneln elektrische Kräfte den Gravitationskräften darin, dass beide umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung sind, elektrische Kräfte jedoch davon abhängen elektrische Ladung, was einen völlig anderen Charakter hat als Gewicht im zweiten Newtonschen Gesetz. Die „intuitive Entdeckung von Galileo“ wäre nicht auf elektrische Kräfte anwendbar: Von Körpern (geladenen Körpern), die in ein elektrisches Feld geschleudert werden, kann man nicht sagen, dass sie mit der gleichen Geschwindigkeit „fallen“!

Nur für eine Weile lasst uns akzeptieren Galileos intuitive Entdeckung der Bewegung unter Aktion Schwere und versuchen wir herauszufinden, zu welchen Konsequenzen es führt. Stellen wir uns vor, Galilei wirft zwei Steine ​​vom Schiefen Turm von Pisa. Nehmen wir an, dass eine Videokamera starr an einem der Steine ​​befestigt ist und auf den anderen Stein gerichtet ist. Dann wird folgende Situation auf Film festgehalten: Der Stein schwebt im Raum, als ob ohne es zu erleben die Wirkung der Schwerkraft (Abb. 5.23)! Und das geschieht gerade deshalb, weil alle Körper unter dem Einfluss der Schwerkraft mit der gleichen Geschwindigkeit fallen.

Reis. 5.23. Galilei wirft zwei Steine ​​(und eine Videokamera) vom Schiefen Turm von Pisa

Im oben beschriebenen Bild vernachlässigen wir den Luftwiderstand. Heutzutage bieten uns Raumflüge die beste Gelegenheit, diese Ideen zu testen, da es im Weltall keine Luft gibt. Darüber hinaus bedeutet „Sturz“ im Weltraum einfach, sich unter dem Einfluss der Schwerkraft auf einer bestimmten Umlaufbahn zu bewegen. Ein solcher „Sturz“ muss nicht unbedingt geradlinig nach unten – zum Erdmittelpunkt hin – erfolgen. Es kann durchaus eine horizontale Komponente haben. Wenn diese horizontale Komponente groß genug ist, kann der Körper auf einer Kreisbahn um die Erde „fallen“, ohne sich ihrer Oberfläche zu nähern! Das Reisen im freien Erdorbit unter dem Einfluss der Schwerkraft ist eine sehr raffinierte (und sehr teure!) Methode des „Falls“. Wie in der oben beschriebenen Videoaufnahme sieht ein Astronaut bei einem „Spaziergang im Weltraum“ sein Raumschiff vor sich schweben und scheint die Auswirkungen der Schwerkraft der riesigen Erdkugel unter ihm nicht zu spüren! (Siehe Abb. 5.24.) Wenn wir uns also dem „beschleunigten Bezugssystem“ des freien Falls zuwenden, können wir den Effekt der Schwerkraft lokal eliminieren.

Reis. 5.24. Ein Astronaut sieht sein Raumschiff vor sich schweben, scheinbar unbeeinflusst von der Schwerkraft

Wir sehen, dass der freie Fall es zulässt ausschließen Schwerkraft, denn die Wirkung des Gravitationsfeldes ist die gleiche wie die der Beschleunigung. Wenn Sie sich tatsächlich in einem Aufzug befinden, der nach oben beschleunigt, dann spüren Sie einfach, dass das scheinbare Gravitationsfeld zunimmt, und wenn der Aufzug nach unten beschleunigt, dann spüren Sie einfach, dass das scheinbare Gravitationsfeld zunimmt Für Sie scheint das Gravitationsfeld abzunehmen. Wenn das Kabel, an dem die Kabine aufgehängt ist, reißen würde, würde (ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands und der Reibungseffekte) die daraus resultierende, nach unten (zum Erdmittelpunkt) gerichtete Beschleunigung die Wirkung der Schwerkraft vollständig zerstören und die Menschen darin vollständig zerstören Die Aufzugskabine würde frei im Weltraum schweben, wie ein Astronaut bei einem Weltraumspaziergang, bis die Kabine die Erde berührt! Sogar in einem Zug oder an Bord eines Flugzeugs können die Beschleunigungen so groß sein, dass die Wahrnehmung der Größe und Richtung der Schwerkraft durch den Passagier möglicherweise nicht mit der normalen Erfahrung übereinstimmt, die „oben“ und „unten“ sein sollte. Dies wird durch die Tatsache erklärt, dass die Auswirkungen von Beschleunigung und Schwerkraft ähnlich so sehr, dass unsere Sinne nicht in der Lage sind, das eine vom anderen zu unterscheiden. Diese Tatsache – dass die lokalen Erscheinungsformen der Schwerkraft den lokalen Erscheinungsformen eines sich beschleunigenden Bezugssystems entsprechen – nannte Einstein Prinzip der Äquivalenz .

Die obigen Überlegungen sind „lokal“. Wenn es aber erlaubt ist, (nicht nur lokale) Messungen mit ausreichend hoher Genauigkeit durchzuführen, dann ist eine Feststellung grundsätzlich möglich Unterschied zwischen dem „wahren“ Gravitationsfeld und reiner Beschleunigung. In Abb. 5 25 Ich habe in leicht übertriebener Form dargestellt, wie eine zunächst stationäre kugelförmige Konfiguration von Teilchen, die unter dem Einfluss der Schwerkraft frei fallen, sich unter dem Einfluss zu verformen beginnt Heterogenität(Newtonsches) Gravitationsfeld.

Reis. 5.25. Gezeiteneffekt. Doppelpfeile zeigen die relative Beschleunigung an (WEIL)

Dieses Feld ist in zweierlei Hinsicht heterogen. Da sich der Mittelpunkt der Erde erstens in einer bestimmten endlichen Entfernung vom fallenden Körper befindet, bewegen sich Partikel, die sich näher an der Erdoberfläche befinden, mit größerer Beschleunigung nach unten als Partikel, die sich darüber befinden (erinnern Sie sich an das Newtonsche Gesetz des umgekehrten Verhältnisses zum Quadrat der Entfernung). . Zweitens gibt es aus dem gleichen Grund geringfügige Unterschiede in der Beschleunigungsrichtung für Partikel, die unterschiedliche horizontale Positionen einnehmen. Aufgrund dieser Heterogenität beginnt sich die Kugelform leicht zu verformen und verwandelt sich in ein „Ellipsoid“. Die ursprüngliche Kugel verlängert sich zum Erdmittelpunkt hin (und auch in die entgegengesetzte Richtung), da sich die Teile davon, die näher am Erdmittelpunkt liegen, mit etwas größerer Beschleunigung bewegen als die Teile, die weiter vom Erdmittelpunkt entfernt sind , und es verengt sich horizontal , da die Beschleunigungen seiner Teile, die sich an den Enden des horizontalen Durchmessers befinden, leicht „nach innen“ verschoben sind – in Richtung zum Erdmittelpunkt.

Diese Verformungswirkung wird als „Verformung“ bezeichnet Gezeiteneffekt Schwere. Wenn wir den Erdmittelpunkt durch den Mond und die Kugel aus materiellen Teilchen durch die Erdoberfläche ersetzen, erhalten wir eine genaue Beschreibung der Wirkung des Mondes bei der Entstehung von Gezeiten auf der Erde, wobei sich in Richtung dieser „Höcker“ bilden dem Mond und weg vom Mond. Der Gezeiteneffekt ist ein allgemeines Merkmal von Gravitationsfeldern, das durch freien Fall nicht „eliminiert“ werden kann. Der Gezeiteneffekt dient als Maß für die Inhomogenität des Newtonschen Schwerefeldes. (Das Ausmaß der Gezeitenverformung nimmt tatsächlich umgekehrt mit der Kubikzahl ab, nicht mit dem Quadrat des Abstands vom Schwerpunkt.)

Newtons Gesetz der universellen Gravitation, nach dem die Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist, erlaubt, wie sich herausstellt, eine einfache Interpretation im Hinblick auf den Gezeiteneffekt: Volumen Ellipsoid, zu dem die Kugel zunächst verformt wird, gleicht Volumen der ursprünglichen Kugel - unter der Annahme, dass die Kugel von einem Vakuum umgeben ist. Diese Eigenschaft der Volumenerhaltung ist charakteristisch für das inverse Quadratgesetz; Es gilt nicht für andere Gesetze. Nehmen wir weiter an, dass die Ausgangskugel nicht von einem Vakuum umgeben ist, sondern von einer bestimmten Menge Materie mit einer Gesamtmasse M . Dann entsteht eine zusätzliche Beschleunigungskomponente, die aufgrund der Anziehungskraft der Materie innerhalb der Kugel ins Innere der Kugel gerichtet ist. Das Volumen des Ellipsoids, in das unsere Kugel aus materiellen Teilchen zunächst verformt wird, beträgt ist rückläufig- um den Betrag proportional M . Ein Beispiel für den Effekt der Volumenverringerung eines Ellipsoids würden wir finden, wenn wir unsere Kugel so wählen würden, dass sie die Erde in konstanter Höhe umgibt (Abb. 5.26). Dann wird die übliche Beschleunigung, die durch die Schwerkraft verursacht wird und nach unten (also ins Erdinnere) gerichtet ist, der eigentliche Grund dafür sein, dass das Volumen unserer Kugel schrumpft.

Reis. 5.26. Wenn eine Kugel eine Substanz (in diesem Fall die Erde) umgibt, tritt eine Nettobeschleunigung auf, die nach innen gerichtet ist (RICCI).

Diese Eigenschaft der Volumenkompression beinhaltet den Rest des Newtonschen Gesetzes der universellen Gravitation, nämlich dass die Kraft proportional zur Masse ist anziehend Körper.

Versuchen wir, uns ein räumlich-zeitliches Bild einer solchen Situation zu machen. In Abb. In Abb. 5.27 habe ich die Weltlinien der Teilchen unserer Kugeloberfläche dargestellt (in Abb. 5.25 in Form eines Kreises dargestellt) und für die Beschreibung das Bezugssystem verwendet, in dem der Mittelpunkt der Kugel erscheint in Ruhe sein („freier Fall“).

Reis. 5.27. Raumzeitkrümmung: Gezeiteneffekt in der Raumzeit dargestellt

Der Standpunkt der Allgemeinen Relativitätstheorie besteht darin, den freien Fall als „natürliche Bewegung“ zu betrachten – analog zur „gleichförmigen linearen Bewegung“, die ohne Schwerkraft auftritt. Also wir wir versuchen es Beschreiben Sie den freien Fall mit „geraden“ Weltlinien in der Raumzeit! Aber wenn man sich Abb. 5.27, dann wird klar, dass die Verwendung Wörter „gerade“ in Bezug auf diese Weltlinien kann den Leser irreführen, daher werden wir aus terminologischen Gründen die Weltlinien frei fallender Teilchen in der Raumzeit nennen – geodätisch .

Aber wie gut ist diese Terminologie? Was versteht man üblicherweise unter einer „geodätischen“ Linie? Betrachten wir eine Analogie für eine zweidimensional gekrümmte Oberfläche. Geodätische Kurven sind solche, die (lokal) als „kürzeste Routen“ auf einer bestimmten Oberfläche dienen. Mit anderen Worten: Wenn Sie sich ein Stück Faden vorstellen, das über die angegebene Oberfläche gespannt ist (und nicht zu lang ist, damit es nicht verrutschen kann), dann befindet sich der Faden entlang einer geodätischen Linie auf der Oberfläche.

Reis. 5.28. Geodätische Linien im gekrümmten Raum: Linien konvergieren im Raum mit positiver Krümmung und divergieren im Raum mit negativer Krümmung

In Abb. 5.28 Ich habe zwei Beispiele für Flächen genannt: Die erste (links) ist eine Fläche der sogenannten „positiven Krümmung“ (wie die Oberfläche einer Kugel), die zweite ist eine Fläche der „negativen Krümmung“ (eine Sattel- geformte Oberfläche). Auf einer Oberfläche mit positiver Krümmung beginnen sich anschließend zwei benachbarte geodätische Linien, die parallel zueinander von den Anfangspunkten ausgehen, zu krümmen in Richtung gegenseitig; und auf einer Oberfläche mit negativer Krümmung biegen sie sich ein Seiten gegenseitig.

Wenn wir uns vorstellen, dass sich die Weltlinien frei fallender Teilchen in gewissem Sinne wie geodätische Linien auf einer Oberfläche verhalten, dann stellt sich heraus, dass es eine enge Analogie zwischen dem oben diskutierten gravitativen Gezeiteneffekt und den Auswirkungen der Oberflächenkrümmung gibt – beide positive Krümmung, so und Negativ. Schauen Sie sich Abb. an. 5.25, 5.27. Wir sehen, dass in unserer Raumzeit geodätische Linien beginnen divergieren in eine Richtung (wenn sie sich zur Erde „ausrichten“) – wie es an der Oberfläche der Fall ist Negativ Krümmung in Abb. 5,28 - und näher kommen in andere Richtungen (wenn sie sich horizontal relativ zur Erde bewegen) - wie auf der Oberfläche positiv Krümmung in Abb. 5.28. Es scheint also, dass auch unsere Raumzeit, wie die oben genannten Oberflächen, eine „Krümmung“ aufweist, nur komplexer, da sie aufgrund der hohen Dimension der Raumzeit bei verschiedenen Bewegungen gemischter Natur sein kann, nicht weder rein positiv noch rein negativ sein.

Daraus folgt, dass das Konzept der „Krümmung“ der Raumzeit zur Beschreibung der Wirkung von Gravitationsfeldern verwendet werden kann. Die Möglichkeit, eine solche Beschreibung zu verwenden, ergibt sich letztlich aus Galileis intuitiver Entdeckung (dem Äquivalenzprinzip) und ermöglicht es uns, die Gravitationskraft durch den freien Fall zu eliminieren. Tatsächlich geht nichts, was ich bisher gesagt habe, über die Newtonsche Theorie hinaus. Das gerade gezeichnete Bild gibt einfach Auskunft Neuformulierung diese Theorie. Aber wenn wir versuchen, das neue Bild mit dem zu kombinieren, was Minkowskis Beschreibung der speziellen Relativitätstheorie liefert – der Geometrie der Raumzeit, die, wie wir wissen, in angewendet wird Abwesenheit Schwerkraft – neue Physik kommt ins Spiel. Das Ergebnis dieser Kombination ist Allgemeine Relativitätstheorie Einstein.

Erinnern wir uns daran, was uns Minkowski beigebracht hat. Wir haben (ohne Schwerkraft) die Raumzeit mit einem besonderen Maß für den „Abstand“ zwischen Punkten ausgestattet: Wenn wir eine Weltlinie in der Raumzeit haben, die die Flugbahn eines Teilchens beschreibt, dann ist der „Abstand“ in Der Sinn von Minkowski, gemessen entlang dieser Weltlinienlinien, ergibt Zeit , tatsächlich vom Teilchen gelebt. (Tatsächlich haben wir diesen „Abstand“ im vorherigen Abschnitt nur für diejenigen Weltlinien betrachtet, die aus geraden Liniensegmenten bestehen – die obige Aussage gilt jedoch auch für gekrümmte Weltlinien, wenn der „Abstand“ entlang der Kurve gemessen wird.) Minkowski Geometrie gilt als genau, wenn kein Gravitationsfeld vorhanden ist, d. h. wenn die Raumzeit keine Krümmung aufweist. Aber angesichts der Schwerkraft betrachten wir die Minkowski-Geometrie nur als eine ungefähre Geometrie – ähnlich wie eine ebene Fläche nur annähernd der Geometrie einer gekrümmten Fläche entspricht. Stellen wir uns vor, dass wir, während wir eine gekrümmte Oberfläche untersuchen, ein Mikroskop nehmen, das eine zunehmende Vergrößerung liefert – so dass die Geometrie der gekrümmten Oberfläche zunehmend gestreckt erscheint. Gleichzeitig wird uns die Oberfläche immer flacher erscheinen. Daher sagen wir, dass eine gekrümmte Oberfläche die lokale Struktur einer euklidischen Ebene hat. In ähnlicher Weise können wir sagen, dass in Gegenwart der Schwerkraft die Raumzeit existiert örtlich wird durch die Minkowski-Geometrie (die Geometrie der flachen Raumzeit) beschrieben, wir lassen jedoch eine gewisse „Krümmung“ auf größeren Maßstäben zu (Abb. 5.29).

Reis. 5.29. Bild einer gekrümmten Raumzeit

Insbesondere ist, wie im Minkowski-Raum, jeder Punkt in der Raumzeit ein Scheitelpunkt Lichtkegel- aber in diesem Fall sind diese Lichtkegel nicht mehr gleichmäßig verteilt. In Kapitel 7 lernen wir einzelne Modelle der Raumzeit kennen, in denen diese Heterogenität in der Lage der Lichtkegel deutlich sichtbar ist (siehe Abb. 7.13, 7.14). Weltlinien materieller Teilchen sind immer gerichtet innen Lichtkegel und Photonenlinien - entlang Lichtkegel. Entlang einer solchen Kurve können wir eine „Distanz“ im Minkowski-Sinn einführen, die auf die gleiche Weise wie im Minkowski-Raum als Maß für die Verweildauer der Teilchen dient. Wie bei einer gekrümmten Oberfläche bestimmt dieses Maß den „Abstand“. Geometrie Oberfläche, die von der Geometrie der Ebene abweichen kann.

Geodätische Linien in der Raumzeit können nun ähnlich wie geodätische Linien auf zweidimensionalen Oberflächen interpretiert werden, wobei die Unterschiede zwischen Minkowski- und Euklidischer Geometrie berücksichtigt werden. Somit sind unsere geodätischen Linien in der Raumzeit keine (lokal) kürzesten Kurven, sondern im Gegenteil Kurven, die (lokal) maximieren„Entfernung“ (d. h. Zeit) entlang der Weltlinie. Nach dieser Regel bewegen sich Weltlinien von Teilchen tatsächlich frei unter dem Einfluss der Schwerkraft Sind geodätisch. Insbesondere Himmelskörper, die sich in einem Gravitationsfeld bewegen, werden durch ähnliche geodätische Linien gut beschrieben. Darüber hinaus dienen Lichtstrahlen (Weltlinien von Photonen) im leeren Raum auch als geodätische Linien, dieses Mal jedoch - Null„Längen“. Als Beispiel habe ich in Abb. schematisch gezeichnet. 5.30 Weltlinien der Erde und der Sonne. Die Bewegung der Erde um die Sonne wird durch eine „Korkenzieher“-Linie beschrieben, die sich um die Weltlinie der Sonne windet. Dort habe ich auch ein Photon dargestellt, das von einem fernen Stern zur Erde kommt. Seine Weltlinie erscheint leicht „gekrümmt“, da das Licht (nach Einsteins Theorie) tatsächlich durch das Gravitationsfeld der Sonne abgelenkt wird.

Reis. 5.30. Weltlinien der Erde und der Sonne. Ein Lichtstrahl eines entfernten Sterns wird von der Sonne abgelenkt

Wir müssen noch herausfinden, wie Newtons inverses Quadratgesetz (nach entsprechender Modifikation) in Einsteins allgemeine Relativitätstheorie integriert werden kann. Wenden wir uns noch einmal unserer Sphäre materieller Teilchen zu, die in ein Gravitationsfeld fallen. Erinnern wir uns daran, dass sich das Volumen der Kugel nach Newtons Theorie zunächst nicht ändert, wenn in einer Kugel nur ein Vakuum vorhanden ist; aber wenn sich innerhalb der Kugel Materie mit einer Gesamtmasse befindet M , dann gibt es eine Volumenverringerung proportional zu M . In Einsteins Theorie (für eine kleine Kugel) gelten genau die gleichen Regeln, außer dass nicht die gesamte Volumenänderung durch die Masse bestimmt wird M ; Es gibt einen (meist sehr kleinen) Beitrag von Druck, die in dem von der Kugel umgebenen Material entsteht.

Der vollständige mathematische Ausdruck für die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit (der Gezeiteneffekte für Teilchen beschreiben soll, die sich an einem bestimmten Punkt in alle möglichen Richtungen bewegen) wird durch die sogenannte gegeben Riemannscher Krümmungstensor . Dies ist ein etwas komplexes Thema; Um es zu beschreiben, müssen an jedem Punkt zwanzig reelle Zahlen angegeben werden. Diese zwanzig Nummern werden seine genannt Komponenten . Unterschiedliche Komponenten entsprechen unterschiedlichen Krümmungen in unterschiedlichen Raumzeitrichtungen. Der Riemannsche Krümmungstensor wird üblicherweise in der Form geschrieben R tjkl, aber da ich hier nicht erklären möchte, was diese Unterindizes bedeuten (und natürlich, was ein Tensor ist), schreibe ich es einfach so:

RIMAN .

Es gibt eine Möglichkeit, diesen Tensor in zwei Teile aufzuteilen, die jeweils Tensor genannt werden WEIL und Tensor RICCI (jeweils zehn Komponenten). Herkömmlicherweise werde ich diese Partition wie folgt schreiben:

RIMAN = WEIL + RICCI .

(Eine detaillierte Aufzeichnung der Weyl- und Ricci-Tensoren ist für unsere Zwecke jetzt völlig unnötig.) Der Weyl-Tensor WEIL dient als Maß Gezeitenverformung unsere Sphäre aus frei fallenden Partikeln (d. h. Änderungen der ursprünglichen Form, nicht der Größe); wohingegen der Ricci-Tensor RICCI dient als Maß für die Änderung des Ausgangsvolumens. Denken Sie daran, dass Newtons Gravitationstheorie dies erfordert Gewicht , enthalten in unserer fallenden Kugel, war proportional zu dieser Änderung des ursprünglichen Volumens. Das bedeutet grob gesagt die Dichte Massen Materie – oder gleichbedeutend Dichte Energie (als E = mc 2 ) - sollen gleichsetzen Ricci-Tensor.

Im Wesentlichen ist es genau das, was die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie besagen, nämlich – Einsteins Feldgleichungen . Zwar gibt es hier einige technische Feinheiten, auf die wir jetzt besser nicht eingehen. Es genügt zu sagen, dass es ein Objekt namens Tensor gibt Energie-Impuls , das alle wesentlichen Informationen über Energie, Druck und Impuls von Materie und elektromagnetischen Feldern zusammenfasst. Ich werde diesen Tensor nennen ENERGIE . Dann lassen sich Einsteins Gleichungen sehr schematisch in der folgenden Form darstellen:

RICCI = ENERGIE .

(Es ist das Vorhandensein von „Druck“ im Tensor ENERGIE zusammen mit einigen Anforderungen an die Konsistenz der Gleichungen als Ganzes führen dazu, dass der Druck bei dem oben beschriebenen Volumenreduzierungseffekt berücksichtigt werden muss.)

Es scheint, dass die obige Beziehung nichts über den Weyl-Tensor aussagt. Es spiegelt jedoch eine wichtige Eigenschaft wider. Der im leeren Raum erzeugte Gezeiteneffekt ist darauf zurückzuführen VAILEM . Tatsächlich folgt aus den obigen Einstein-Gleichungen, dass es solche gibt Differential Gleichungen im Zusammenhang WEIL Mit ENERGIE – fast wie in den Maxwell-Gleichungen, die wir zuvor kennengelernt haben. Tatsächlich der Standpunkt, nach dem WEIL sollte als eine Art Gravitationsanalogon des elektromagnetischen Feldes (tatsächlich des Tensors - Maxwells Tensor) betrachtet werden, beschrieben durch das Paar ( E , IN ), erweist sich als sehr fruchtbar. In diesem Fall WEIL dient als eine Art Maß für das Gravitationsfeld. „Quelle“ für WEIL Ist ENERGIE - ähnlich der Quelle für das elektromagnetische Feld ( E , IN ) Ist ( ? , J ) – eine Reihe von Ladungen und Strömen in Maxwells Theorie. Dieser Standpunkt wird uns in Kapitel 7 nützlich sein.

Es mag ziemlich überraschend erscheinen, dass es angesichts solch erheblicher Unterschiede in der Formulierung und den zugrunde liegenden Ideen ziemlich schwierig ist, beobachtbare Unterschiede zwischen Einsteins Theorien und der Theorie zu finden, die Newton zweieinhalb Jahrhunderte zuvor aufgestellt hatte. Aber wenn die betreffenden Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit klein sind Mit , und die Gravitationsfelder sind nicht zu stark (daher sind die Fluchtgeschwindigkeiten viel geringer Mit , siehe Kapitel 7, „Die Dynamik von Galileo und Newton“), dann liefert Einsteins Theorie im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie Newtons Theorie. Aber in Situationen, in denen die Vorhersagen dieser beiden Theorien voneinander abweichen, sind die Vorhersagen von Einsteins Theorie genauer. Bisher wurden eine Reihe sehr beeindruckender experimenteller Tests durchgeführt, die es uns ermöglichen, Einsteins neue Theorie als völlig gerechtfertigt zu betrachten. Laut Einstein laufen Uhren im Gravitationsfeld etwas langsamer. Dieser Effekt wurde mittlerweile auf verschiedene Arten direkt gemessen. Licht- und Radiosignale werden in der Nähe der Sonne tatsächlich gebogen und für einen Beobachter, der sich auf sie zubewegt, leicht verzögert. Diese ursprünglich von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Effekte wurden nun durch Erfahrungen bestätigt. Die Bewegung von Raumsonden und Planeten erfordert kleine Korrekturen der Newtonschen Bahnen, wie aus Einsteins Theorie hervorgeht – diese Korrekturen wurden nun auch experimentell verifiziert. (Insbesondere eine Anomalie in der Bewegung des Planeten Merkur, die als „Perihelverschiebung“ bekannt ist und die Astronomen seit 1859 beunruhigte, wurde 1915 von Einstein erklärt.) Am beeindruckendsten ist vielleicht eine Reihe von Beobachtungen eines Systems namens „Merkur“. Doppelpulsar, der aus zwei kleinen massereichen Sternen besteht (möglicherweise zwei „Neutronensternen“, siehe Kapitel 7 „Schwarze Löcher“). Diese Beobachtungsreihe stimmt sehr gut mit Einsteins Theorie überein und dient als direkter Test eines Effekts, der in Newtons Theorie völlig fehlt – die Emission Gravitationswellen. (Eine Gravitationswelle ist ein Analogon einer elektromagnetischen Welle und breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus Mit .) Es gibt keine verifizierten Beobachtungen, die Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie widersprechen. Trotz aller Seltsamkeit (auf den ersten Blick) funktioniert Einsteins Theorie bis heute!

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Ein paar allgemeine Fragen

In Anbetracht der Besonderheiten der theoretischen Lehren des großen Albert können seine Postulate von verschiedenen Strömungen theoretischer Physiker, relativ hohen wissenschaftlichen Schulen sowie Anhängern der irrationalen Strömung der physikalisch-mathematischen Schule mehrdeutig beurteilt werden.

Bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts, als das wissenschaftliche Denken einen Aufschwung erlebte und vor dem Hintergrund gesellschaftlicher Veränderungen bestimmte wissenschaftliche Bewegungen entstanden, tauchte die Relativitätstheorie von allem auf, in der ein Mensch lebt. Wie auch immer unsere Zeitgenossen diese Situation bewerten, alles in der realen Welt ist wahrlich nicht statisch, Einsteins spezielle Relativitätstheorie:

  • Die Zeiten ändern sich, die Ansichten und die geistige Meinung der Gesellschaft zu bestimmten gesellschaftlichen Problemen ändern sich;
  • Gesellschaftliche Grundlagen und Weltanschauungen zur Wahrscheinlichkeitslehre in verschiedenen Staatssystemen und unter besonderen Bedingungen gesellschaftlicher Entwicklung haben sich im Laufe der Zeit und unter dem Einfluss anderer objektiver Mechanismen verändert.
  • Wie sich die Ansichten der Gesellschaft zu den Problemen der gesellschaftlichen Entwicklung bildeten, ebenso die Einstellungen und Meinungen darüber Einsteins Theorien über die Zeit.

Wichtig! Einsteins Gravitationstheorie war die Grundlage für systematische Auseinandersetzungen zwischen den angesehensten Wissenschaftlern, sowohl zu Beginn seiner Entwicklung als auch während seiner Fertigstellung. Es wurde darüber gesprochen, es gab zahlreiche Debatten, es wurde zum Gesprächsthema in den höchsten Salons verschiedener Länder.

Wissenschaftler diskutierten darüber, es war Gegenstand von Gesprächen. Es gab sogar die Hypothese, dass die Lehre nur für drei Personen aus der wissenschaftlichen Welt verständlich war. Als die Zeit gekommen war, begannen die Priester der geheimnisvollsten aller Wissenschaften – der euklidischen Mathematik –, die Postulate zu erklären. Dann wurde versucht, sein digitales Modell zu erstellen und die gleichen mathematisch verifizierten Konsequenzen seiner Wirkung auf den Weltraum zu ermitteln. Der Autor der Hypothese gab zu, dass es sehr schwierig wurde, selbst das zu verstehen, was er geschaffen hatte. Also, was bedeutet Allgemeine Relativitätstheorie, Was erforscht und welche praktische Anwendung hat es in der modernen Welt gefunden?

Geschichte und Wurzeln der Theorie

Heute werden die Leistungen des großen Einstein in den allermeisten Fällen kurz als völlige Negierung dessen beschrieben, was ursprünglich eine unerschütterliche Konstante war. Es war diese Entdeckung, die es ermöglichte, das zu widerlegen, was allen Schulkindern als physikalisches Binomial bekannt ist.

Die Mehrheit der Weltbevölkerung hat auf die eine oder andere Weise sorgfältig und nachdenklich oder oberflächlich, wenn auch nur einmal, die Seiten des großen Buches – der Bibel – aufgeschlagen.

Darin können Sie nachlesen, was zu einer wahren Bestätigung wurde die Essenz der Lehre- woran ein junger amerikanischer Wissenschaftler zu Beginn des letzten Jahrhunderts arbeitete. Tatsachen der Levitation und andere ziemlich häufige Dinge in der Geschichte des Alten Testaments wurden in der Neuzeit einst zu Wundern. Äther ist ein Raum, in dem ein Mensch ein völlig anderes Leben führte. Die Besonderheiten des Lebens in der Luft wurden von vielen Weltstars auf dem Gebiet der Naturwissenschaften untersucht. UND Einsteins Gravitationstheorie bestätigte, dass das, was in dem alten Buch beschrieben wurde, wahr ist.

Die Arbeit von Hendrik Lorentz und Henri Poincaré ermöglichte es, bestimmte Eigenschaften des Äthers experimentell zu entdecken. Dies ist zunächst einmal die Arbeit an der Erstellung mathematischer Modelle der Welt. Grundlage war die praktische Bestätigung, dass sich materielle Teilchen bei Bewegung im ätherischen Raum relativ zur Bewegungsrichtung zusammenziehen.

Die Arbeiten dieser großen Wissenschaftler ermöglichten es, die Grundlage für die Hauptpostulate der Lehre zu schaffen. Es ist diese Tatsache, die beständiges Material für die Behauptung liefert, dass die Werke des Nobelpreisträgers und Alberts relativistische Theorie waren und bleiben Plagiate. Viele Wissenschaftler behaupten heute, dass viele Postulate schon viel früher akzeptiert wurden, zum Beispiel:

  • Das Konzept der bedingten Gleichzeitigkeit von Ereignissen;
  • Prinzipien der konstanten Binomialhypothese und Kriterien für die Lichtgeschwindigkeit.

Was tun? die Relativitätstheorie verstehen? Der Punkt liegt in der Vergangenheit. In den Werken von Poincaré wurde die Hypothese aufgestellt, dass hohe Geschwindigkeiten in den Gesetzen der Mechanik überdacht werden müssen. Dank der Aussagen des französischen Physikers erfuhr die wissenschaftliche Welt, wie relative Bewegung in der Projektion zur Theorie des ätherischen Raums ist.

In der statischen Wissenschaft wurde eine große Menge physikalischer Prozesse für verschiedene materielle Objekte berücksichtigt, die sich mit bewegen. Die Postulate des allgemeinen Konzepts beschreiben die Prozesse, die bei der Beschleunigung von Objekten ablaufen, erklären die Existenz von Gravitonteilchen und die Schwerkraft selbst. Das Wesen der Relativitätstheorie bei der Erklärung jener Tatsachen, die für Wissenschaftler bisher Unsinn waren. Wenn es notwendig ist, die Merkmale der Bewegung und die Gesetze der Mechanik, die Beziehungen zwischen Raum und Zeitkontinuum unter Bedingungen der Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit zu beschreiben, sollten ausschließlich die Postulate der Relativitätslehre angewendet werden.

Über die Theorie kurz und klar

Warum unterscheidet sich die Lehre des großen Albert so sehr von der Lehre der Physiker vor ihm? Früher war die Physik eine eher statische Wissenschaft, die die Prinzipien der Entwicklung aller Prozesse in der Natur im Bereich des Systems „Hier, Heute und Jetzt“ betrachtete. Einstein ermöglichte es, alles, was um ihn herum geschah, nicht nur im dreidimensionalen Raum, sondern auch in Bezug auf verschiedene Objekte und Zeitpunkte zu sehen.

Aufmerksamkeit! Im Jahr 1905 als Einstein seine Relativitätstheorie veröffentlichte Dadurch war es möglich, die Bewegung zwischen verschiedenen Trägheitsberechnungssystemen auf verständliche Weise zu erklären und zu interpretieren.

Seine Hauptbestimmungen sind das Verhältnis der konstanten Geschwindigkeiten zweier Objekte, die sich relativ zueinander bewegen, anstelle eines der Objekte, das als einer der absoluten Referenzfaktoren angesehen werden kann.

Merkmal der Lehre ist, dass es in Bezug auf einen Ausnahmefall betrachtet werden kann. Hauptfaktoren:

  1. Geradlinigkeit der Bewegungsrichtung;
  2. Gleichmäßigkeit der Bewegung eines materiellen Körpers.

Bei Richtungsänderungen oder anderen einfachen Parametern, wenn ein materieller Körper beschleunigen oder sich zur Seite drehen kann, gelten die Gesetze der statischen Relativitätslehre nicht. In diesem Fall treten die allgemeinen Relativitätsgesetze in Kraft, die die Bewegung materieller Körper in einer allgemeinen Situation erklären können. Damit fand Einstein eine Erklärung für alle Prinzipien der Interaktion physischer Körper untereinander im Raum.

Prinzipien der Relativität

Grundsätze des Unterrichts

Die Aussage über die Relativität ist seit hundert Jahren Gegenstand der lebhaftesten Diskussionen. Die meisten Wissenschaftler betrachten verschiedene Anwendungen der Postulate als Anwendungen zweier Prinzipien der Physik. Und dieser Weg ist in der angewandten Physik am beliebtesten. Grundpostulate Relativitätstheorien, interessante Fakten, die heute unwiderlegbare Bestätigung gefunden haben:

  • Das Relativitätsprinzip. Wahrung der Beziehung der Körper nach allen Gesetzen der Physik. Akzeptieren Sie sie als Trägheitsbezugssysteme, die sich relativ zueinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen.
  • Postulieren Sie über die Lichtgeschwindigkeit. Es bleibt in allen Situationen eine unveränderliche Konstante, unabhängig von Geschwindigkeit und Verhältnis zu Lichtquellen.

Trotz der Widersprüche zwischen der neuen Lehre und den Grundpostulaten einer der genauesten Wissenschaften, die auf konstanten statischen Indikatoren basieren, erregte die neue Hypothese Aufmerksamkeit mit einem neuen Blick auf die Welt um uns herum. Der Erfolg des Wissenschaftlers war gesichert, was durch die Verleihung des Nobelpreises auf dem Gebiet der exakten Wissenschaften an ihn bestätigt wurde.

Was hat diese erstaunliche Popularität verursacht? wie Einstein seine Relativitätstheorie entdeckte? Taktik eines jungen Wissenschaftlers.

  1. Bisher haben weltberühmte Wissenschaftler eine These aufgestellt und erst dann eine Reihe praktischer Studien durchgeführt. Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt Daten erhoben wurden, die nicht dem Gesamtkonzept entsprachen, wurden diese als fehlerhaft erkannt und begründet.
  2. Das junge Genie wandte radikal andere Taktiken an, führte praktische Experimente durch, sie waren seriell. Die erzielten Ergebnisse wurden in eine kohärente Theorie integriert, obwohl sie möglicherweise irgendwie nicht in die konzeptionelle Reihe passten. Und keine „Fehler“ oder „Ungenauigkeiten“, alle Momente Relativitätshypothesen, Beispiele und die Ergebnisse der Beobachtungen passen eindeutig in die revolutionäre theoretische Lehre.
  3. Der zukünftige Nobelpreisträger bestritt die Notwendigkeit, den mysteriösen Äther zu untersuchen, in dem sich Lichtwellen ausbreiten. Der Glaube, dass der Äther existiert, hat zu einer Reihe erheblicher Missverständnisse geführt. Das Hauptpostulat ist eine Änderung der Geschwindigkeit des Lichtstrahls relativ zum Beobachter, der den Prozess im ätherischen Medium beobachtet.

Relativität für Dummies

Relativität ist die einfachste Erklärung

Abschluss

Die wichtigste Errungenschaft des Wissenschaftlers ist der Beweis der Harmonie und Einheit solcher Größen wie Raum und Zeit. Die grundlegende Natur der Verbindung zwischen diesen beiden Kontinuen innerhalb der drei Dimensionen, kombiniert mit der Zeitdimension, hat es ermöglicht, viele Geheimnisse der Natur der materiellen Welt zu verstehen. Dank an Einsteins Gravitationstheorie Das Studium der Tiefen und anderer Errungenschaften der modernen Wissenschaft wurde zugänglich, weil die Möglichkeiten der Lehre bis heute nicht vollständig genutzt wurden.

Lange Zeit konnte kein einziger Wissenschaftler auf der Welt mit Isaac Newton in Bezug auf den Einfluss, den er auf die Vorstellungen der Menschheit über die Natur hatte, mithalten. Ein solcher Mensch wurde 1879 in der deutschen Stadt Ulm geboren und hieß Albert Einstein.

Einstein wurde in die Familie eines Elektrowarenhändlers hineingeboren, besuchte ein normales Gymnasium in München, war nicht besonders fleißig, bestand dann die Aufnahmeprüfungen am Zürcher Polytechnikum nicht und absolvierte eine Kantonsschule in der Stadt Aarau. Erst beim zweiten Versuch gelangte er ins Polytechnikum. Der junge Mann kämpfte mit Sprachen und Geschichte, zeigte aber schon früh große Fähigkeiten in Mathematik, Physik und Musik und wurde ein guter Geiger.

Im Sommer 1900 erhielt Einstein ein Diplom als Physiklehrer. Nur zwei Jahre später erhielt er auf Empfehlung von Freunden eine Festanstellung als Sachverständiger beim Bundespatentamt in Bern. Einstein war dort von 1902 bis 1909 tätig. Seine offiziellen Aufgaben ließen ihm viel Zeit, über wissenschaftliche Probleme nachzudenken. Das Jahr 1905 erwies sich für Einstein als das erfolgreichste – der 26-jährige Physiker veröffentlichte fünf Artikel, die später als Meisterwerke des wissenschaftlichen Denkens anerkannt wurden. Die Arbeit „Über eine heuristische Sichtweise auf die Entstehung und Umwandlung von Licht“ enthielt eine Hypothese über Lichtquanten – Elementarteilchen elektromagnetischer Strahlung. Einsteins Hypothese ermöglichte die Erklärung des photoelektrischen Effekts: das Auftreten eines Stroms, wenn ein Stoff mit kurzwelliger Strahlung beleuchtet wird. Der Effekt wurde 1886 von Hertz entdeckt und passte nicht in den Rahmen der Wellentheorie des Lichts. Für diese Arbeit wurde Einstein später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Einsteins Entdeckung schuf die ideologische Grundlage für das Rutherford-Bohr-Modell des Atoms, nach dem Licht in Portionen (Quanten) emittiert und absorbiert wird, und für Louis de Broglies Konzept der „Materiewellen“. Kurz zuvor entdeckte Max Planck, dass auch Quanten Wärme abgeben. Es wurde eine Synthese zweier scheinbar unvereinbarer Standpunkte zur Natur des Lichts durchgeführt, die einst von Huygens und Newton geäußert wurden.

Einsteins im selben Jahr 1905 veröffentlichter Artikel „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ kann als Einführung in die spezielle Relativitätstheorie betrachtet werden, die die Vorstellungen über Raum und Zeit revolutionierte.

Naturwissenschaftliche Vorstellungen über Raum und Zeit haben eine lange Entwicklung hinter sich. Die wichtigsten waren lange Zeit gewöhnliche Vorstellungen von Raum und Zeit als einigen äußeren Existenzbedingungen, in denen sich die Materie befindet und die auch dann erhalten blieben, wenn die Materie verschwand. Diese Sichtweise ermöglichte die Formulierung des Konzepts des absoluten Raums und der absoluten Zeit, das seine klarste Formulierung in Newtons Werk „Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie“ erhielt.

Die 1905 von Einstein geschaffene spezielle Relativitätstheorie war das Ergebnis einer Verallgemeinerung und Synthese der klassischen Mechanik von Galileo-Newton und der Elektrodynamik von Maxwell-Lorentz. Es beschreibt die Gesetze aller physikalischen Prozesse bei Bewegungsgeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, jedoch ohne Berücksichtigung des Gravitationsfeldes. Mit abnehmender Bewegungsgeschwindigkeit reduziert sie sich auf die klassische Mechanik, die sich als ihr Sonderfall herausstellt. Ausgangspunkt dieser Theorie war das Relativitätsprinzip, aus dem folgt, dass es keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen Ruhe und Bewegung gibt – wenn sie gleichmäßig und geradlinig ist. Die Begriffe Ruhe und Bewegung erhalten erst dann Bedeutung, wenn ein Bezugspunkt angegeben wird. Gemäß der speziellen Relativitätstheorie, die Raum und Zeit in einem einzigen vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum vereint, hängen die Raum-Zeit-Eigenschaften von Körpern von der Geschwindigkeit ihrer Bewegung ab. Räumliche Dimensionen verringern sich in Bewegungsrichtung, wenn sich die Geschwindigkeit von Körpern der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (300.000 km/s) nähert, Zeitprozesse in sich schnell bewegenden Systemen verlangsamen sich und die Körpermasse nimmt zu.

Wenn man sich in einem mitbewegten Bezugssystem befindet, d. h. wenn man sich parallel und im gleichen Abstand zum gemessenen System bewegt, ist es unmöglich, diese als relativistisch bezeichneten Effekte zu bemerken, da sich alle bei Messungen verwendeten räumlichen Maßstäbe und Teile auf genau die gleiche Weise ändern . Nach dem Relativitätsprinzip laufen alle Prozesse in Inertialbezugssystemen gleich ab. Wenn das System jedoch nicht träge ist, können relativistische Effekte bemerkt und verändert werden. Wenn also ein imaginäres relativistisches Schiff zu fernen Sternen fliegt, vergeht nach seiner Rückkehr zur Erde im Schiffssystem weniger Zeit als auf der Erde, und dieser Unterschied wird umso größer, je weiter der Flug zurückgelegt wird und je schneller das Schiff ist wird näher an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Einsteins Theorie ging von der Grundposition aus, dass sich nichts im Universum im Vakuum schneller als Licht bewegen kann und dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter konstant bleibt, unabhängig von der Geschwindigkeit ihrer eigenen Bewegung im Raum.

Der Artikel „Hängt die Trägheit eines Körpers vom Energiegehalt in ihm ab?“ vollendete die Schaffung der relativistischen Theorie (von lateinisch relativus – „relativ“). Hier wurde erstmals der Zusammenhang zwischen Masse und Energie nachgewiesen, und zwar in moderner Schreibweise – E = mc2. Einstein schrieb: „...wenn ein Körper die Energie E in Form von Strahlung abgibt, dann nimmt seine Masse um E/c2 ab... Die Masse eines Körpers ist ein Maß für die in ihm enthaltene Energie.“ Diese Entdeckung sprengte die Grenzen von Physik, Technik und Philosophie und bestimmt bis heute indirekt das Schicksal der Menschheit. Atomenergie ist also genau genommen die Umwandlung von Masse in Energie.

Das Erscheinen solch epochaler Werke verschaffte Einstein keine unmittelbare Anerkennung; er war dennoch gezwungen, weiterhin im Patentamt zu arbeiten. Erst im Frühjahr 1909 wurde Einstein zum Professor für theoretische Physik am Zürcher Polytechnikum gewählt und konnte das Amt verlassen. 1913 wurde der Wissenschaftler zum Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften gewählt. In Berlin erhielt Einstein günstige Bedingungen, um seine wissenschaftliche Arbeit fortzusetzen. 1916 veröffentlichte er „Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie“. Einsteins Ideen hatten in den Augen theoretischer Wissenschaftler und noch mehr in seinen eigenen Augen nicht so sehr eine eng praktische, sondern eine philosophische Bedeutung. Er schuf ein harmonisches Bild des Universums.

1921 erhielt Einstein den Nobelpreis für „Verdienste um die theoretische Physik und insbesondere für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“. Die Verleihung dieses Preises an einen Juden führte zu einem starken Anstieg der antisemitischen Stimmung in Deutschland. Die Angriffe auf Einstein verschärften sich, doch er setzte seine aktive wissenschaftliche Arbeit fort und hielt viele öffentliche Vorträge.

1932 unternahm der Physiker eine weitere Reise in die USA und kehrte nie mehr nach Hause zurück – Hitler kam dort an die Macht, und das international anerkannte Genie erwartete nichts Gutes von ihm. Von da an arbeitete Einstein in Amerika. 1939 richtete er einen Brief an Präsident Roosevelt, in dem er die schnellstmögliche Entwicklung einer Atombombe forderte, um das Monopol Deutschlands abzuschaffen. Letzterer erhielt diese schreckliche Waffe nie, aber das von der US-Regierung unterstützte Projekt endete bekanntlich „erfolgreich“, und Einstein hat viel damit zu tun. Allerdings verurteilte er die Bombardierung von Hiroshima und Nagasaki aufs Schärfste. Der Wissenschaftler starb 1955 in Princeton. Er blieb seinen Zeitgenossen nicht nur wegen der Relativitätstheorie in Erinnerung, die in Wahrheit von einem unbedeutenden Prozentsatz der Weltbevölkerung zumindest annähernd verstanden wird, sondern auch wegen seiner Exzentrizität und seines unnachahmlichen Humors.

Wer hätte gedacht, dass sich ein kleiner Postangestellter ändern würdedie Grundlagen der Wissenschaft seiner Zeit? Aber das ist passiert! Einsteins Relativitätstheorie zwang uns, die übliche Sicht auf die Struktur des Universums zu überdenken und eröffnete neue Bereiche wissenschaftlicher Erkenntnisse.

Die meisten wissenschaftlichen Entdeckungen werden durch Experimente gemacht: Wissenschaftler wiederholen ihre Experimente viele Male, um sicherzugehen, dass ihre Ergebnisse sicher sind. Die Arbeiten wurden meist in Universitäten oder Forschungslaboren großer Unternehmen durchgeführt.

Albert Einstein hat das wissenschaftliche Weltbild völlig verändert, ohne ein einziges praktisches Experiment durchzuführen. Seine einzigen Werkzeuge waren Papier und Stift, und er führte alle seine Experimente im Kopf durch.

bewegliches Licht

(1879-1955) stützte alle seine Schlussfolgerungen auf die Ergebnisse eines „Gedankenexperiments“. Diese Experimente konnten nur in der Fantasie durchgeführt werden.

Die Geschwindigkeiten aller sich bewegenden Körper sind relativ. Dies bedeutet, dass sich alle Objekte nur relativ zu einem anderen Objekt bewegen oder stationär bleiben. Beispielsweise dreht sich ein Mensch, der relativ zur Erde bewegungslos ist, gleichzeitig mit der Erde um die Sonne. Oder nehmen wir an, dass eine Person mit einer Geschwindigkeit von 3 km/h in Fahrtrichtung am Waggon eines fahrenden Zuges entlanggeht. Der Zug fährt mit einer Geschwindigkeit von 60 km/h. Bezogen auf einen stationären Beobachter am Boden beträgt die Geschwindigkeit einer Person 63 km/h – die Geschwindigkeit einer Person plus die Geschwindigkeit eines Zuges. Wenn er gegen den Verkehr laufen würde, würde seine Geschwindigkeit relativ zu einem stationären Beobachter 57 km/h betragen.

Einstein argumentierte, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht auf diese Weise diskutiert werden könne. Die Lichtgeschwindigkeit ist immer konstant, unabhängig davon, ob sich die Lichtquelle Ihnen nähert, sich von Ihnen entfernt oder stillsteht.

Je schneller, desto weniger

Einstein machte von Anfang an einige überraschende Annahmen. Er argumentierte, dass, wenn sich die Geschwindigkeit eines Objekts der Lichtgeschwindigkeit nähert, seine Größe abnimmt und seine Masse im Gegenteil zunimmt. Kein Körper kann auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die gleich oder größer als die Lichtgeschwindigkeit ist.

Seine andere Schlussfolgerung war noch überraschender und schien dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen. Stellen Sie sich vor, dass von zwei Zwillingen einer auf der Erde blieb, während der andere mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum reiste. 70 Jahre sind seit dem Beginn auf der Erde vergangen. Nach Einsteins Theorie vergeht die Zeit an Bord eines Schiffes langsamer, dort sind beispielsweise nur zehn Jahre vergangen. Es stellt sich heraus, dass der eine der Zwillinge, der auf der Erde blieb, sechzig Jahre älter wurde als der zweite. Dieser Effekt heißt „ Zwillingsparadoxon" Es klingt einfach unglaublich, aber Laborexperimente haben bestätigt, dass es tatsächlich eine Zeitdilatation bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit gibt.

Rücksichtslose Schlussfolgerung

Einsteins Theorie beinhaltet auch die berühmte Formel E=mc 2, wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Einstein argumentierte, dass Masse in reine Energie umgewandelt werden kann. Als Ergebnis der Anwendung dieser Entdeckung im praktischen Leben entstanden die Atomenergie und die Atombombe.


Einstein war ein Theoretiker. Die Experimente, die die Richtigkeit seiner Theorie beweisen sollten, überließ er anderen. Viele dieser Experimente konnten erst durchgeführt werden, als ausreichend genaue Messgeräte zur Verfügung standen.

Fakten und Ereignisse

  • Das folgende Experiment wurde durchgeführt: Ein Flugzeug, in dem eine sehr genaue Uhr installiert war, startete und landete, mit hoher Geschwindigkeit um die Erde fliegend, am selben Punkt. Die Uhren an Bord des Flugzeugs waren einen winzigen Bruchteil einer Sekunde hinter den Uhren auf der Erde.
  • Wenn Sie einen Ball in einem Aufzug fallen lassen, der mit freier Fallbeschleunigung fällt, fällt der Ball nicht, sondern scheint in der Luft zu hängen. Dies geschieht, weil die Kugel und das Höhenruder mit der gleichen Geschwindigkeit fallen.
  • Einstein bewies, dass die Schwerkraft die geometrischen Eigenschaften der Raumzeit beeinflusst, was wiederum die Bewegung von Körpern in diesem Raum beeinflusst. Somit treffen sich zwei Körper, die beginnen, sich parallel zueinander zu bewegen, irgendwann an einem Punkt.

Zeit und Raum verbiegen

Zehn Jahre später, zwischen 1915 und 1916, entwickelte Einstein eine neue Gravitationstheorie, die er nannte generelle Relativität. Er argumentierte, dass die Beschleunigung (Geschwindigkeitsänderung) auf Körper genauso wirkt wie die Schwerkraft. Ein Astronaut kann anhand seiner Gefühle nicht erkennen, ob ihn ein großer Planet anzieht oder ob die Rakete langsamer geworden ist.


Wenn ein Raumschiff auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, verlangsamt sich seine Uhr. Je schneller sich das Schiff bewegt, desto langsamer geht die Uhr.

Die Unterschiede zur Newtonschen Gravitationstheorie treten bei der Untersuchung kosmischer Objekte mit enormer Masse wie Planeten oder Sternen zutage. Experimente haben die Ablenkung von Lichtstrahlen bestätigt, die in der Nähe von Körpern mit großer Masse vorbeikommen. Grundsätzlich ist es möglich, dass ein Gravitationsfeld so stark ist, dass Licht nicht darüber hinaus entweichen kann. Dieses Phänomen nennt man „ schwarzes Loch" In einigen Sternensystemen wurden offenbar „Schwarze Löcher“ entdeckt.

Newton argumentierte, dass die Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne fest sind. Einsteins Theorie sagt eine langsame zusätzliche Drehung der Planetenbahnen voraus, die mit der Anwesenheit des Gravitationsfeldes der Sonne verbunden ist. Die Vorhersage wurde experimentell bestätigt. Das war wirklich eine epochale Entdeckung. Das Gesetz der universellen Gravitation von Sir Isaac Newton wurde geändert.

Der Beginn des Wettrüstens

Einsteins Werk lieferte den Schlüssel zu vielen Geheimnissen der Natur. Sie beeinflussten die Entwicklung vieler Bereiche der Physik, von der Elementarteilchenphysik bis zur Astronomie – der Wissenschaft vom Aufbau des Universums.

Einstein beschäftigte sich in seinem Leben nicht nur mit Theorie. 1914 wurde er Direktor des Physikalischen Instituts in Berlin. Als die Nazis 1933 in Deutschland an die Macht kamen, musste er als Jude dieses Land verlassen. Er ist in die Vereinigten Staaten gezogen.

Obwohl Einstein den Krieg ablehnte, schrieb er 1939 einen Brief an Präsident Roosevelt, in dem er ihn warnte, dass eine Bombe mit enormer Zerstörungskraft hergestellt werden könne und dass Nazi-Deutschland bereits mit der Entwicklung einer solchen Bombe begonnen habe. Der Präsident gab den Befehl, mit der Arbeit zu beginnen. Dies löste ein Wettrüsten aus.

Es erklärte das Bewegungsmuster zweier Objekte relativ zueinander im selben Koordinatensystem, abhängig von konstanter Geschwindigkeit und Homogenität der äußeren Umgebung.

Die grundsätzliche Begründung der SRT basierte auf zwei Komponenten:

  1. Empirisch gewonnene analytische Daten. Bei der Beobachtung sich bewegender Körper in einer strukturellen Parallele wurden die Art ihrer Bewegung, signifikante Unterschiede und Merkmale bestimmt;
  2. Bestimmung von Geschwindigkeitsparametern. Als Grundlage diente die einzige unveränderliche Größe – die „Lichtgeschwindigkeit“, die 3*10^8 m/s beträgt.

Der Weg zur Entstehung der Relativitätstheorie

Möglich wurde die Entstehung der Relativitätstheorie durch die wissenschaftlichen Arbeiten von Albert Einstein, der den Unterschied in der Wahrnehmung von Raum und Zeit in Abhängigkeit von der Position des Beobachters und der Bewegungsgeschwindigkeit von Objekten erklären und beweisen konnte. Wie ist das passiert?

Mitte des 18. Jahrhunderts wurde eine damals geheimnisvolle Struktur namens Äther zur zentralen Forschungsgrundlage. Nach vorläufigen Daten und Schlussfolgerungen der wissenschaftlichen Gruppe ist dieser Stoff in der Lage, beliebige Schichten zu durchdringen, ohne deren Geschwindigkeit zu beeinträchtigen. Es wurde auch vermutet, dass Veränderungen in der äußeren Geschwindigkeitswahrnehmung die Lichtgeschwindigkeit selbst verändern (ihre Konstanz wurde von der modernen Wissenschaft nachgewiesen).

Nachdem Albert Einstein diese Daten studiert hatte, lehnte er die Lehren des Äthers völlig ab und wagte die Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit eine bestimmende Größe sei, die nicht von äußeren Faktoren abhängt. Ihm zufolge verändert sich nur die visuelle Wahrnehmung, nicht jedoch das Wesen der ablaufenden Prozesse. Um seine Überzeugungen zu beweisen, führte Einstein später ein differenziertes Experiment durch, das die Gültigkeit dieses Ansatzes bewies.

Das Hauptmerkmal der Studie war die Einführung menschlicher Faktoren. Mehrere Personen wurden gebeten, sich parallel, jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, von Punkt A nach Punkt B zu bewegen. Als sie den Ausgangspunkt erreichten, wurden diese Personen gebeten, zu beschreiben, was sie um sich herum sahen und welche Eindrücke sie von dem Prozess hatten. Jede Person aus der ausgewählten Gruppe zog ihre eigenen Schlussfolgerungen und die Ergebnisse stimmten nicht überein. Nachdem das gleiche Experiment wiederholt wurde, sich die Menschen jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung bewegten, ähnelten sich die Meinungen der Versuchsteilnehmer. Somit wurde das Endergebnis zusammengefasst und Einsteins Theorie wurde vollständig bestätigt.

Die zweite Entwicklungsstufe von STR – die Lehre vom Raum-Zeit-Kontinuum

Grundlage der Lehre vom Raum-Zeit-Kontinuum war der Verbindungsfaden zwischen der Bewegungsrichtung eines Objekts, seiner Geschwindigkeit und Masse. Diesen „Hinweis“ für die weitere Forschung lieferte das erste erfolgreiche Demonstrationsexperiment, das unter Beteiligung externer Beobachter durchgeführt wurde.

Das materielle Universum existiert in drei Phasen der Richtungsmessung: links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts. Wenn wir ihnen einen konstanten Indikator für die Zeitmessung hinzufügen (die zuvor erwähnte „Lichtgeschwindigkeit“), erhalten wir eine Definition des Raum-Zeit-Kontinuums.

Welche Rolle spielt dabei der Massenanteil des Messobjekts? Alle Schüler und Studenten kennen die physikalische Formel E=m*c², in der gilt: E ist Energie, m ist Körpermasse, c ist Geschwindigkeit. Nach dem Anwendungsgesetz dieser Formel nimmt die Masse eines Körpers durch eine Erhöhung der Lichtgeschwindigkeit deutlich zu. Daraus folgt, dass die Masse des ursprünglichen Objekts in jeder Bewegungsrichtung umso größer ist, je höher die Geschwindigkeit ist. Und das Raum-Zeit-Kontinuum bestimmt nur die Reihenfolge der Vergrößerung und Ausdehnung, das Volumen des Raumes (wenn es um die Elementarteilchen geht, auf denen alle physischen Körper aufgebaut sind).

Ein Beweis für diesen Ansatz waren Prototypen, mit denen Wissenschaftler versuchten, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Sie waren eindeutig davon überzeugt, dass es mit einer künstlichen Erhöhung des Körpergewichts immer schwieriger wird, die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Dafür war eine konstante, unerschöpfliche Energiequelle erforderlich, die es in der Natur einfach nicht gibt. Nach Erhalt der Schlussfolgerung Albert Einsteins Theorie wurde vollständig bewiesen.

Das Studium der Relativitätstheorie erfordert ein umfassendes Verständnis physikalischer Prozesse und der Grundlagen der mathematischen Analysis, die im Gymnasium und in den ersten Jahren berufsbildender Fachschulen und höherer Bildungseinrichtungen mit technischem Profil vermittelt werden. Ohne die Vermittlung der Grundlagen ist es einfach nicht möglich, alle Informationen zu erfassen und die Bedeutung der Forschung eines brillanten Physikers zu würdigen.