Ce monde était plongé dans une profonde obscurité.
Que la lumière soit! Et voici Newton.
épigramme du 18ème siècle

Mais Satan n'a pas attendu longtemps pour se venger.
Einstein est venu - et tout était comme avant.
Épigramme du XXe siècle

Postulats de la théorie de la relativité

Postulat (axiome)- un énoncé fondamental sous-jacent à la théorie et accepté sans preuve.

Premier postulat : toutes les lois de la physique décrivant tout phénomène physique doivent avoir la même forme dans tous les référentiels inertiels.

Le même postulat peut être formulé différemment : dans tous les référentiels inertiels, tous les phénomènes physiques sous les mêmes conditions initiales se déroulent de la même manière.

Deuxième postulat : dans tous les référentiels inertiels, la vitesse de la lumière dans le vide est la même et ne dépend pas de la vitesse de déplacement de la source et du récepteur de lumière. Cette vitesse est la vitesse limite de tous les processus et mouvements accompagnés de transfert d'énergie.

La loi de la relation entre la masse et l'énergie

Mécanique relativiste- une branche de la mécanique qui étudie les lois du mouvement des corps avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière.

Tout corps, du fait de son existence, possède une énergie proportionnelle à la masse au repos.

Qu'est-ce que la théorie de la relativité (vidéo)

Conséquences de la théorie de la relativité

La relativité de la simultanéité. La simultanéité de deux événements est relative. Si les événements qui se sont déroulés en points différents, sont simultanées dans un référentiel inertiel, alors elles peuvent ne pas être simultanées dans d'autres référentiels inertiels.

Réduction de la longueur. La longueur du corps, mesurée dans le référentiel K", dans lequel il est au repos, est supérieure à la longueur dans le référentiel K, par rapport à laquelle K" se déplace avec une vitesse v selon l'axe Ox :

Ralentissement du temps. L'intervalle de temps mesuré par l'horloge, qui est stationnaire dans le référentiel inertiel K", est inférieur à l'intervalle de temps mesuré dans le référentiel inertiel K, par rapport auquel K" se déplace à la vitesse v :

Théorie de la relativité

extrait du livre "The Shortest History of Time" de Stephen Hawking et Leonard Mlodinov

Relativité

Le postulat fondamental d'Einstein, appelé principe de relativité, stipule que toutes les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs en mouvement libre, quelle que soit leur vitesse. Si la vitesse de la lumière est une valeur constante, alors tout observateur se déplaçant librement devrait fixer la même valeur quelle que soit la vitesse à laquelle il s'approche de la source lumineuse ou s'en éloigne.

L'exigence que tous les observateurs s'accordent sur la vitesse de la lumière force un changement dans la conception du temps. Selon la théorie de la relativité, un observateur à bord d'un train et un observateur debout sur un quai seront en désaccord sur la distance parcourue par la lumière. Et puisque la vitesse est la distance divisée par le temps, la seule façon pour les observateurs de s'entendre sur la vitesse de la lumière est d'être également en désaccord sur le temps. Autrement dit, la relativité a mis fin à l'idée de temps absolu ! Il s'est avéré que chaque observateur doit avoir sa propre mesure du temps et que des horloges identiques pour différents observateurs n'afficheraient pas nécessairement la même heure.

En disant que l'espace a trois dimensions, nous voulons dire que la position d'un point dans celui-ci peut être transmise à l'aide de trois nombres - des coordonnées. Si nous introduisons le temps dans notre description, nous obtenons un espace-temps à quatre dimensions.

Une autre conséquence bien connue de la théorie de la relativité est l'équivalence de la masse et de l'énergie, exprimée par la célèbre équation d'Einstein E = mc2 (où E est l'énergie, m est la masse du corps, c est la vitesse de la lumière). Compte tenu de l'équivalence de l'énergie et de la masse, l'énergie cinétique que possède un objet matériel du fait de son mouvement augmente sa masse. En d'autres termes, l'objet devient plus difficile à overclocker.

Cet effet n'est significatif que pour les corps qui se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Par exemple, à une vitesse égale à 10% de la vitesse de la lumière, la masse du corps ne sera que de 0,5% de plus qu'au repos, mais à une vitesse de 90% de la vitesse de la lumière, la masse sera déjà plus plus de deux fois la normale. À mesure que nous approchons de la vitesse de la lumière, la masse du corps augmente de plus en plus rapidement, de sorte qu'il faut de plus en plus d'énergie pour l'accélérer. Selon la théorie de la relativité, un objet ne peut jamais atteindre la vitesse de la lumière, car dans ce cas sa masse deviendrait infinie, et en raison de l'équivalence de la masse et de l'énergie, cela nécessiterait une énergie infinie. C'est pourquoi la théorie de la relativité condamne à jamais tout corps ordinaire à se déplacer à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière. Seules les ondes lumineuses ou autres qui n'ont pas de masse propre peuvent se déplacer à la vitesse de la lumière.

espace courbe

Théorie générale La relativité d'Einstein est basée sur l'hypothèse révolutionnaire selon laquelle la gravité n'est pas une force ordinaire, mais une conséquence du fait que l'espace-temps n'est pas plat, comme on le pensait généralement. En relativité générale, l'espace-temps est courbé ou déformé par la masse et l'énergie qui y sont placées. Des corps comme la Terre se déplacent sur des orbites courbes qui ne sont pas sous l'influence d'une force appelée gravité.

Comme la ligne géodésique est ligne la plus courte entre deux aéroports, les navigateurs pilotent des avions sur ces routes. Par exemple, vous pourriez suivre une boussole pour parcourir 5 966 ​​kilomètres de New York à Madrid presque plein est le long du parallèle géographique. Mais vous n'avez qu'à parcourir 5802 kilomètres si vous volez dans un grand cercle, d'abord vers le nord-est, puis en tournant progressivement vers l'est et plus loin vers le sud-est. L'aspect de ces deux itinéraires sur la carte, où la surface de la terre est déformée (représentée comme plate), est trompeur. Lorsque vous vous déplacez "tout droit" vers l'est d'un point à un autre sur la surface du globe, vous ne vous déplacez pas vraiment le long d'une ligne droite, ou plutôt, pas le long de la ligne géodésique la plus courte.

Si la trajectoire vaisseau spatial, qui se déplace dans l'espace en ligne droite, projetée sur la surface bidimensionnelle de la Terre, il s'avère qu'elle est courbe.

Selon la relativité générale, les champs gravitationnels devraient courber la lumière. Par exemple, la théorie prédit qu'à proximité du Soleil, les rayons lumineux devraient être légèrement courbés dans sa direction sous l'influence de la masse de l'étoile. Cela signifie que la lumière d'une étoile lointaine, si elle passe près du Soleil, déviera d'un petit angle, grâce à quoi un observateur sur Terre ne verra pas l'étoile tout à fait là où elle se trouve réellement.

Rappelons que selon le postulat de base de la théorie restreinte de la relativité, toutes les lois physiques sont les mêmes pour tous les observateurs en mouvement libre, quelle que soit leur vitesse. En gros, le principe d'équivalence étend cette règle aux observateurs qui ne se déplacent pas librement, mais sous l'influence d'un champ gravitationnel.

Dans des régions suffisamment petites de l'espace, il est impossible de juger si vous êtes au repos dans un champ gravitationnel ou en mouvement avec accélération constante dans l'espace vide.

Imaginez que vous êtes dans un ascenseur au milieu d'un espace vide. Il n'y a pas de gravité, pas de haut et de bas. Vous flottez librement. Ensuite, l'ascenseur commence à se déplacer avec une accélération constante. Vous vous sentez soudainement lourd. C'est-à-dire que vous êtes pressé contre l'un des murs de l'ascenseur, qui est maintenant perçu comme un étage. Si vous ramassez une pomme et que vous la lâchez, elle tombera par terre. En fait, maintenant, lorsque vous vous déplacez avec accélération, à l'intérieur de l'ascenseur, tout se passera exactement de la même manière que si l'ascenseur ne bougeait pas du tout, mais reposait dans un champ gravitationnel uniforme. Einstein s'est rendu compte que, tout comme vous ne pouvez pas dire quand vous êtes dans un wagon de train s'il est immobile ou en mouvement uniforme, de même lorsque vous êtes à l'intérieur d'un ascenseur, vous ne pouvez pas dire s'il se déplace à une accélération constante ou s'il se trouve dans un champ gravitationnel uniforme. . Le résultat de cette compréhension fut le principe d'équivalence.

Le principe d'équivalence et l'exemple donné de sa manifestation ne seront valables que si masse d'inertie(incluse dans la deuxième loi de Newton, qui détermine l'accélération donnée au corps par la force qui lui est appliquée) et la masse gravitationnelle (incluse dans la loi de gravité de Newton, qui détermine l'amplitude de l'attraction gravitationnelle) sont une seule et même chose.

L'utilisation par Einstein de l'équivalence de l'inerte et de masse gravitationnelle pour la dérivation du principe d'équivalence et, finalement, de toute la théorie de la relativité générale - c'est un exemple du développement persistant et cohérent de conclusions logiques, sans précédent dans l'histoire de la pensée humaine.

Ralentissement du temps

Une autre prédiction de la relativité générale est qu'autour de corps massifs comme la Terre, le temps devrait ralentir.

Maintenant que nous sommes familiarisés avec le principe d'équivalence, nous pouvons suivre le raisonnement d'Einstein en faisant une autre expérience de pensée qui montre pourquoi la gravité affecte le temps. Imaginez une fusée volant dans l'espace. Pour plus de commodité, nous supposerons que son corps est si grand qu'il faut une seconde entière à la lumière pour le parcourir de haut en bas. Et enfin, supposons qu'il y ait deux observateurs dans la fusée : l'un en haut, près du plafond, l'autre en bas, au sol, et tous deux sont équipés de les mêmes horaires, menant le compte à rebours des secondes.

Supposons que l'observateur du haut, ayant attendu le compte à rebours de son horloge, envoie immédiatement un signal lumineux à celui du bas. Au décompte suivant, il envoie un second signal. Selon nos conditions, il faudra une seconde pour que chaque signal atteigne l'observateur inférieur. Puisque l'observateur supérieur envoie deux signaux lumineux avec un intervalle d'une seconde, l'observateur inférieur les enregistrera également avec le même intervalle.

Qu'est-ce qui changerait si, dans cette expérience, au lieu de flotter librement dans l'espace, la fusée se tenait sur la Terre, subissant l'action de la gravité ? Selon la théorie de Newton, la gravité n'affectera en rien la situation : si l'observateur au-dessus transmet des signaux à des intervalles d'une seconde, alors l'observateur au-dessous les recevra au même intervalle. Mais le principe d'équivalence prédit un développement différent des événements. Laquelle, nous pouvons comprendre si, conformément au principe d'équivalence, nous remplaçons mentalement l'action de la gravité par une accélération constante. Ceci est un exemple de la façon dont Einstein a utilisé le principe d'équivalence pour créer sa nouvelle théorie de la gravité.

Alors, supposons que notre fusée accélère. (Nous supposerons qu'il accélère lentement, de sorte que sa vitesse ne s'approche pas de la vitesse de la lumière.) Puisque le corps de la fusée se déplace vers le haut, le premier signal devra parcourir une distance plus courte qu'avant (avant que l'accélération ne commence), et arrivera à l'observateur inférieur avant de me donner une seconde. Si la fusée se déplaçait à une vitesse constante, alors le deuxième signal arriverait exactement de la même quantité plus tôt, de sorte que l'intervalle entre les deux signaux resterait égal à une seconde. Mais au moment d'envoyer le deuxième signal, en raison de l'accélération, la fusée se déplace plus rapidement qu'au moment d'envoyer le premier, donc le deuxième signal parcourra une distance plus courte que le premier et prendra encore moins de temps. L'observateur ci-dessous, vérifiant sa montre, notera que l'intervalle entre les signaux est inférieur à une seconde, et sera en désaccord avec l'observateur ci-dessus, qui prétend qu'il a envoyé des signaux exactement une seconde plus tard.

Dans le cas d'une fusée en accélération, cet effet ne devrait probablement pas être particulièrement surprenant. Après tout, nous venons de l'expliquer ! Mais rappelez-vous : le principe d'équivalence dit que la même chose se produit lorsque la fusée est au repos dans un champ gravitationnel. Par conséquent, même si la fusée n'accélère pas, mais, par exemple, se tient sur la rampe de lancement à la surface de la Terre, les signaux envoyés par l'observateur supérieur à des intervalles d'une seconde (selon son horloge) arriveront au observateur inférieur à un intervalle plus court (selon son horloge) . C'est vraiment incroyable !

La gravité modifie le cours du temps. Tout comme la relativité restreinte nous dit que le temps passe différemment pour les observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres, la relativité générale nous dit que le temps passe différemment pour les observateurs dans différents champs gravitationnels. Selon la théorie générale de la relativité, l'observateur inférieur enregistre un intervalle plus court entre les signaux, car le temps s'écoule plus lentement près de la surface de la Terre, car la gravité y est plus forte. Plus le champ gravitationnel est fort, plus cet effet est important.

Notre horloge biologique réagit également aux changements dans le temps. Si l'un des jumeaux vit au sommet d'une montagne et l'autre au bord de la mer, le premier vieillira plus vite que le second. Dans ce cas, la différence d'âge sera négligeable, mais elle augmentera sensiblement dès que l'un des jumeaux effectuera un long voyage dans un vaisseau spatial qui accélère à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Lorsque le vagabond reviendra, il sera beaucoup plus jeune que son frère, resté sur Terre. Ce cas est connu sous le nom de paradoxe des jumeaux, mais ce n'est un paradoxe que pour ceux qui s'accrochent à l'idée du temps absolu. Dans la théorie de la relativité, il n'y a pas de temps absolu unique - chaque individu a sa propre mesure du temps, qui dépend de l'endroit où il se trouve et de la façon dont il se déplace.

Avec l'avènement des systèmes de navigation ultra-précis qui reçoivent les signaux des satellites, la différence des fréquences d'horloge à différentes altitudes est devenue d'une importance pratique. Si l'équipement ignorait les prédictions de la relativité générale, l'erreur dans la détermination de la position pourrait atteindre plusieurs kilomètres !

L'avènement de la théorie de la relativité générale a radicalement changé la donne. L'espace et le temps ont acquis le statut d'entités dynamiques. Lorsque des corps se déplacent ou que des forces agissent, ils provoquent la courbure de l'espace et du temps, et la structure de l'espace-temps, à son tour, affecte le mouvement des corps et l'action des forces. L'espace et le temps affectent non seulement tout ce qui se passe dans l'univers, mais ils en dépendent eux-mêmes.

Temps autour d'un trou noir

Imaginez un astronaute intrépide qui reste à la surface d'une étoile qui s'effondre lors d'un effondrement cataclysmique. À un certain moment de sa montre, disons à 11 heures, l'étoile se rétrécira jusqu'à un rayon critique, au-delà duquel le champ gravitationnel devient si fort qu'il est impossible d'en sortir. Supposons maintenant que l'astronaute reçoive l'instruction d'envoyer un signal toutes les secondes sur sa montre à un vaisseau spatial qui est en orbite à une certaine distance fixe du centre de l'étoile. Il commence à transmettre des signaux à 10:59:58, c'est-à-dire deux secondes avant 11:00. Qu'est-ce que l'équipage enregistrera à bord du vaisseau spatial ?

Plus tôt, après avoir fait une expérience de pensée avec la transmission de signaux lumineux à l'intérieur d'une fusée, nous étions convaincus que la gravité ralentit le temps et plus elle est forte, plus l'effet est important. Un astronaute à la surface d'une étoile se trouve dans un champ gravitationnel plus fort que ses homologues en orbite, donc une seconde sur son horloge durera plus longtemps qu'une seconde sur l'horloge du navire. Au fur et à mesure que l'astronaute se déplace avec la surface vers le centre de l'étoile, le champ agissant sur lui devient de plus en plus fort, de sorte que les intervalles entre ses signaux reçus à bord du vaisseau spatial s'allongent constamment. Cette dilatation temporelle sera très faible jusqu'à 10:59:59, donc pour les astronautes en orbite, l'intervalle entre les signaux émis à 10:59:58 et 10:59:59 sera d'un peu plus d'une seconde. Mais le signal envoyé à 11h00 ne sera pas attendu sur le navire.

Tout ce qui se passe à la surface d'une étoile entre 10 h 59 min 59 s et 11 h 00 selon l'horloge de l'astronaute sera étalé sur une période de temps infinie par l'horloge du vaisseau spatial. A l'approche de 11h00, les intervalles entre l'arrivée des crêtes et creux successifs des ondes lumineuses émises par l'étoile deviendront de plus en plus longs ; la même chose se produira avec les intervalles de temps entre les signaux de l'astronaute. Étant donné que la fréquence du rayonnement est déterminée par le nombre de crêtes (ou de creux) arrivant par seconde, le vaisseau spatial enregistrera une fréquence de plus en plus faible du rayonnement de l'étoile. La lumière de l'étoile deviendra de plus en plus rougissante et s'estompera en même temps. Finalement, l'étoile s'assombrira tellement qu'elle deviendra invisible pour les observateurs des engins spatiaux; tout ce qui reste est un trou noir dans l'espace. Cependant, l'effet de la gravité de l'étoile sur le vaisseau spatial se poursuivra et il continuera à orbiter.

On dit que l'épiphanie est venue à Albert Einstein en un instant. Le scientifique aurait conduit un tram à Berne (Suisse), regardé l'horloge de la rue et s'est soudainement rendu compte que si le tram accélérait maintenant à la vitesse de la lumière, alors, selon lui, cette horloge s'arrêterait - et il n'y aurait pas de temps. Cela l'a conduit à formuler l'un des postulats centraux de la relativité - que différents observateurs perçoivent différemment la réalité, y compris des quantités fondamentales telles que la distance et le temps.

En termes scientifiques, Einstein s'est rendu compte ce jour-là que la description de tout événement ou phénomène physique dépend de systèmes de référence où se trouve l'observateur. Si un passager du tram, par exemple, laisse tomber ses lunettes, alors pour elle, elles tomberont verticalement vers le bas, et pour un piéton debout dans la rue, les verres tomberont en parabole, puisque le tram se déplace pendant que les verres tombent. A chacun son référentiel.

Mais bien que les descriptions des événements changent lorsqu'on passe d'un cadre de référence à un autre, il y a aussi des choses universelles qui restent inchangées. Si, au lieu de décrire la chute des verres, nous nous interrogeons sur la loi de la nature qui les fait tomber, alors la réponse sera la même pour un observateur dans un système de coordonnées fixe et pour un observateur dans un système de coordonnées en mouvement. La loi du trafic distribué vaut aussi bien dans la rue que dans le tram. Autrement dit, si la description des événements dépend de l'observateur, les lois de la nature ne dépendent pas de lui, c'est-à-dire, comme on dit en langage scientifique, elles sont invariant. C'est quoi principe de relativité.

Comme toute hypothèse, le principe de relativité devait être testé en le corrélant avec la réalité phénomène naturel. Einstein a dérivé deux théories distinctes (bien que liées) du principe de relativité. Théorie restreinte ou privée de la relativité part du principe que les lois de la nature sont les mêmes pour tous les référentiels se déplaçant à vitesse constante. Théorie générale de la relativitéétend ce principe à n'importe quel cadre de référence, y compris ceux qui se déplacent avec l'accélération. La théorie spéciale de la relativité a été publiée en 1905, et la théorie mathématiquement plus complexe de la relativité générale a été complétée par Einstein en 1916.

Théorie restreinte de la relativité

La plupart des effets paradoxaux et contraires aux idées intuitives sur le monde, survenant lors d'un déplacement à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, sont prédits précisément par la théorie restreinte de la relativité. Le plus célèbre d'entre eux est l'effet de ralentissement de l'horloge, ou effet de dilatation du temps. Une horloge se déplaçant par rapport à un observateur tourne plus lentement pour lui que exactement la même horloge dans ses aiguilles.

Le temps dans un système de coordonnées se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière est étiré par rapport à l'observateur, tandis que l'étendue spatiale (longueur) des objets le long de l'axe de la direction du mouvement, au contraire, est comprimée. Cet effet, connu sous le nom de Contraction de Lorentz-Fitzgerald, a été décrite en 1889 par le physicien irlandais George Fitzgerald (George Fitzgerald, 1851-1901) et complétée en 1892 par le Hollandais Hendrick Lorentz (1853-1928). La contraction de Lorentz-Fitzgerald explique pourquoi l'expérience de Michelson-Morley pour déterminer la vitesse de la Terre dans l'espace extra-atmosphérique en mesurant le "vent éthéré" a donné un résultat négatif. Plus tard, Einstein a incorporé ces équations dans la relativité restreinte et les a complétées par une formule de transformation similaire pour la masse, selon laquelle la masse d'un corps augmente également à mesure que la vitesse du corps se rapproche de la vitesse de la lumière. Ainsi, à une vitesse de 260 000 km/s (87 % de la vitesse de la lumière), la masse d'un objet du point de vue d'un observateur dans un référentiel au repos va doubler.

Depuis l'époque d'Einstein, toutes ces prédictions, aussi contraires au bon sens qu'elles puissent paraître, ont été pleinement et directement confirmées expérimentalement. Dans l'une des expériences les plus révélatrices, des scientifiques de l'Université du Michigan ont placé des horloges atomiques ultra-précises à bord d'un avion de ligne effectuant des vols transatlantiques réguliers, et après chaque retour à l'aéroport d'origine, ils ont comparé leurs lectures avec l'horloge de contrôle. Il s'est avéré que l'horloge de l'avion était de plus en plus en retard par rapport au contrôle (si je puis dire, en ce qui concerne les fractions de seconde). Depuis un demi-siècle, les scientifiques étudient les particules élémentaires sur d'énormes complexes matériels appelés accélérateurs. Dans ceux-ci, des faisceaux de particules subatomiques chargées (telles que des protons et des électrons) sont accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, puis ils sont tirés sur diverses cibles nucléaires. Dans de telles expériences sur des accélérateurs, il est nécessaire de prendre en compte l'augmentation de la masse des particules accélérées - sinon les résultats de l'expérience ne se prêteront tout simplement pas à une interprétation raisonnable. Et en ce sens, la théorie de la relativité restreinte est depuis longtemps passée de la catégorie des théories hypothétiques au domaine des outils d'ingénierie appliqués, où elle est utilisée au même titre que les lois de la mécanique de Newton.

Revenant aux lois de Newton, je voudrais souligner que la théorie de la relativité restreinte, bien qu'elle contredise extérieurement les lois de la mécanique newtonienne classique, reproduit en fait presque exactement toutes les équations ordinaires des lois de Newton, si elle est appliquée pour décrire des corps se déplaçant à une distance vitesse nettement inférieure à la vitesse de la lumière. C'est-à-dire que la théorie spéciale de la relativité n'annule pas la physique newtonienne, mais l'élargit et la complète.

Le principe de relativité permet aussi de comprendre pourquoi c'est la vitesse de la lumière, et non une autre, qui joue un tel rôle. rôle important dans ce modèle de la structure du monde - cette question est posée par beaucoup de ceux qui ont rencontré pour la première fois la théorie de la relativité. La vitesse de la lumière se distingue et joue un rôle particulier en tant que constante universelle, car elle est déterminée par une loi des sciences naturelles. En vertu du principe de relativité, la vitesse de la lumière dans le vide c est le même dans tout système de référence. Ceci, semble-t-il, est contraire au bon sens, car il s'avère que la lumière d'une source mobile (quelle que soit sa vitesse de déplacement) et d'une source fixe atteignent l'observateur en même temps. Cependant, c'est ainsi.

En raison de son rôle particulier dans les lois de la nature, la vitesse de la lumière occupe une place centrale dans la théorie de la relativité générale.

Théorie générale de la relativité

La relativité générale s'applique déjà à tous les référentiels (et pas seulement à ceux qui se déplacent à vitesse constante les uns par rapport aux autres) et s'annonce mathématiquement beaucoup plus compliquée que spéciale (ce qui explique l'écart de onze ans entre leur publication). Il inclut comme cas particulier la théorie restreinte de la relativité (et donc les lois de Newton). En même temps, la théorie générale de la relativité va beaucoup plus loin que tous ses prédécesseurs. En particulier, il donne une nouvelle interprétation de la gravité.

La théorie générale de la relativité rend le monde quadridimensionnel : le temps s'ajoute à trois dimensions spatiales. Les quatre dimensions sont inséparables, donc la parole va déjà non pas sur la distance spatiale entre deux objets, comme c'est le cas dans le monde tridimensionnel, mais sur les intervalles spatio-temporels entre les événements qui unissent leur distance l'un à l'autre - à la fois dans le temps et dans l'espace. C'est-à-dire que l'espace et le temps sont considérés comme un continuum espace-temps à quatre dimensions, ou, simplement, espace-temps. Sur ce continuum, les observateurs se déplaçant l'un par rapport à l'autre peuvent même être en désaccord sur le point de savoir si deux événements se sont produits en même temps ou si l'un a précédé l'autre. Heureusement pour notre pauvre esprit, il ne s'agit pas d'une violation des relations causales - c'est-à-dire de l'existence de systèmes de coordonnées dans lesquels deux événements ne se produisent pas simultanément et dans un ordre différent, même la théorie générale de la relativité ne le permet pas.

Droit la gravité Newton nous dit qu'entre deux corps quelconques dans l'univers il y a une force d'attraction mutuelle. De ce point de vue, la Terre tourne autour du Soleil, puisqu'il existe entre eux des forces d'attraction mutuelle. La relativité générale nous oblige cependant à regarder ce phénomène différemment. Selon cette théorie, la gravité est une conséquence de la déformation ("courbure") du tissu élastique de l'espace-temps sous l'influence de la masse (dans ce cas, plus le corps est lourd, par exemple le Soleil, plus l'espace-temps "se plie" sous lui et plus sa force gravitationnelle est forte, respectivement). champ). Imaginez une toile bien tendue (une sorte de trampoline), sur laquelle est posé un ballon massif. La toile se déforme sous le poids de la balle et une dépression en forme d'entonnoir se forme autour d'elle. Selon la théorie générale de la relativité, la Terre tourne autour du Soleil comme une petite boule enroulée autour du cône d'un entonnoir formé à la suite du "coup de poing" de l'espace-temps par une boule lourde - le Soleil. Et ce qui nous semble la force de gravité, en fait, est, en fait, purement manifestation extérieure courbure de l'espace-temps, et non par la force au sens newtonien. À ce jour, aucune meilleure explication de la nature de la gravité que celle que nous donne la théorie de la relativité générale n'a été trouvée.

Tester la relativité générale est difficile car, dans des conditions normales de laboratoire, ses résultats sont presque identiques à ceux prédits par la loi de la gravitation universelle de Newton. Néanmoins, plusieurs expériences importantes ont été réalisées, et leurs résultats nous permettent de considérer la théorie comme confirmée. De plus, la relativité générale permet d'expliquer des phénomènes que nous observons dans l'espace, comme les légères déviations de Mercure par rapport à une orbite stationnaire qui sont inexplicables du point de vue de la mécanique newtonienne classique, ou la courbure un rayonnement électromagnétiqueétoiles lointaines lorsqu'il passe à proximité du Soleil.

En fait, les résultats prédits par la relativité générale ne diffèrent sensiblement des résultats prédits par les lois de Newton qu'en présence de champs gravitationnels super forts. Cela signifie qu'un test complet de la théorie de la relativité générale nécessite soit des mesures ultra-précises d'objets très massifs, soit des trous noirs, auxquels aucune de nos idées intuitives habituelles ne s'applique. Ainsi, le développement de nouvelles méthodes expérimentales pour tester la théorie de la relativité reste l'un des tâches critiques physique expérimentale.

GR et RTG : quelques accents

1. Dans d'innombrables livres - monographies, manuels et publications de vulgarisation scientifique, ainsi que dans divers types d'articles - les lecteurs sont habitués à voir les références à la théorie de la relativité générale (RG) comme l'une des plus grandes réalisations de notre siècle, une remarquable théorie, outil indispensable de la physique et de l'astronomie modernes. Pendant ce temps, ils apprennent de l'article de A. A. Logunov que, selon lui, la relativité générale devrait être abandonnée, qu'elle est mauvaise, incohérente et contradictoire. Par conséquent, la relativité générale doit être remplacée par une autre théorie et, plus précisément, par la théorie relativiste de la gravité (RTG) construite par A. A. Logunov et ses collaborateurs.

Est-il possible que de nombreuses personnes se trompent dans leur évaluation de la relativité générale, qui existe et est étudiée depuis plus de 70 ans, et que seules quelques personnes, dirigées par A. A. Logunov, aient vraiment découvert que la relativité générale devait être écartée ? La plupart des lecteurs attendent probablement la réponse : c'est impossible. En fait, je ne peux que répondre dans le sens inverse : « tel » est en principe possible, car nous ne parlons pas de religion, mais de science.

Les fondateurs et prophètes de diverses religions et croyances ont créé et continuent de créer leurs propres "livres saints", dont le contenu est déclaré être la vérité ultime. Si quelqu'un doute, tant pis pour lui, il devient hérétique avec les conséquences qui en découlent, souvent même sanglantes. Et il vaut mieux ne pas penser du tout, mais croire, selon la formule bien connue d'un des responsables de l'église : « Je crois, parce que c'est absurde ». La vision scientifique du monde est fondamentalement à l'opposé : elle exige de ne rien tenir pour acquis, permet de douter de tout, ne reconnaît pas les dogmes. Sous l'influence de faits et de considérations nouveaux, il est non seulement possible, mais nécessaire, si cela se justifie, de changer de point de vue, de remplacer une théorie imparfaite par une théorie plus parfaite ou, disons, de généraliser d'une manière ou d'une autre l'ancienne théorie. La situation est similaire pour les particuliers. Les fondateurs des croyances sont considérés comme infaillibles et, par exemple, parmi les catholiques, même une personne vivante - le pape "régnant" - est déclarée infaillible. La science ne connaît pas l'infaillible. Le grand respect, parfois même exclusif, que les physiciens (je parlerai de physiciens pour être précis) ont pour les grands représentants de leur profession, en particulier pour des titans comme Isaac Newton et Albert Einstein, n'a rien à voir avec la canonisation des saints, avec déification. Et les grands physiciens sont des gens, et tous les gens ont leurs faiblesses. Si nous parlons de la science, qui nous intéresse ici, alors les plus grands physiciens étaient loin d'être toujours et pas en tout droit, le respect pour eux et la reconnaissance de leurs mérites ne reposent pas sur l'infaillibilité, mais sur le fait qu'ils ont réussi à enrichir la science avec des réalisations remarquables, pour voir plus loin et plus profondément que leurs contemporains.

2. Il est maintenant nécessaire de s'attarder sur les exigences des théories physiques fondamentales. Premièrement, une telle théorie doit être complète dans le domaine de son applicabilité ou, comme je le dirai arbitrairement par souci de brièveté, doit être cohérente. Deuxièmement, la théorie physique doit être adéquate à la réalité physique, ou, plus simplement, être cohérente avec les expériences et les observations. On pourrait mentionner d'autres exigences, tout d'abord le respect des lois et règles des mathématiques, mais tout cela est sous-entendu.

Expliquons ce qui a été dit sur l'exemple de la mécanique classique non relativiste - la mécanique newtonienne appliquée au problème de principe le plus simple du mouvement d'une particule "ponctuelle". Comme on le sait, le rôle d'une telle particule dans les problèmes de la mécanique céleste peut être joué par une planète entière ou son satellite. Laisse pour l'instant t0 la particule est en un point UN avec coordonnées x iA(t0) et a une vitesse v iA(t0) (ici je= l, 2, 3, car la position d'un point dans l'espace est caractérisée par trois coordonnées, et la vitesse est un vecteur). Alors, si toutes les forces agissant sur la particule sont connues, les lois de la mécanique permettent de déterminer la position B et la vitesse des particules v jeà tout moment ultérieur t, c'est-à-dire trouver des quantités bien définies xiB(t) et v iB(t). Et que se passerait-il si les lois de la mécanique utilisées ne donnaient pas une réponse sans ambiguïté et, disons, dans notre exemple, prédisaient que la particule à l'instant t peut être soit au point B, ou à un point complètement différent C? Il est clair qu'une telle théorie classique (non quantique) serait incomplète, ou, selon la terminologie mentionnée, incohérente. Il faudrait soit le compléter, le rendant sans ambiguïté, soit le supprimer complètement. La mécanique de Newton, comme on l'a dit, est cohérente - elle donne des réponses sans ambiguïté et tout à fait précises aux questions qui relèvent de sa compétence et de son applicabilité. La mécanique de Newton satisfait également à la deuxième exigence mentionnée - les résultats obtenus sur sa base (et, plus précisément, les valeurs des coordonnées x je(t) et la vitesse v je (t)) sont cohérents avec les observations et les expériences. C'est pourquoi toute la mécanique céleste - la description du mouvement des planètes et de leurs satellites - était pour l'instant entièrement basée, et avec un plein succès, sur la mécanique newtonienne.

3. Mais en 1859, Le Verrier découvre que le mouvement de la planète la plus proche du Soleil - Mercure est quelque peu différent de celui prédit par la mécanique de Newton. Plus précisément, il s'est avéré que le périhélie - le point de l'orbite elliptique de la planète le plus proche du Soleil - tourne à une vitesse angulaire de 43 secondes d'arc par siècle, ce qui diffère de celui auquel on pourrait s'attendre en tenant compte de toutes les perturbations connues provenant d'autres planètes et leurs satellites. Encore plus tôt, Le Verrier et Adams ont rencontré une situation similaire, en fait, lors de l'analyse du mouvement d'Uranus, la planète la plus éloignée du Soleil de toutes celles connues à cette époque. Et ils ont trouvé une explication à l'écart entre les calculs et les observations, suggérant que le mouvement d'Uranus est encore plus influencé planète éloignée appelé Neptune. En 1846, Neptune a en effet été découvert à l'endroit prévu, et cet événement est à juste titre considéré comme un triomphe de la mécanique newtonienne. C'est tout naturellement que Le Verrier a tenté d'expliquer l'anomalie mentionnée dans le mouvement de Mercure par l'existence d'une planète encore inconnue - en l'occurrence, une certaine planète Vulcain, se rapprochant encore plus du Soleil. Mais la deuxième fois "l'astuce a échoué" - aucun Vulcain n'existe. Puis ils ont commencé à essayer de changer la loi newtonienne de la gravitation universelle, selon laquelle la force gravitationnelle appliquée au système Soleil-planète change selon la loi

où ε est une petite quantité. Soit dit en passant, une technique similaire est utilisée aujourd'hui (quoique sans succès) pour expliquer certaines questions obscures de l'astronomie (nous parlons du problème de la masse cachée ; voir, par exemple, le livre de l'auteur "Sur la physique et l'astrophysique", cité ci-dessous , p. 148). Mais pour qu'une hypothèse se transforme en théorie, il est nécessaire de partir de quelques principes, d'indiquer la valeur du paramètre ε et de construire un schéma théorique cohérent. Personne n'y parvint, et la question de la rotation du périhélie de Mercure resta ouverte jusqu'en 1915. C'est alors, au plus fort de la Première Guerre mondiale, alors que si peu s'intéressaient aux problèmes abstraits de la physique et de l'astronomie, qu'Einstein a achevé (après environ 8 ans d'efforts acharnés) la création de la théorie générale de la relativité. Cette dernière étape de la construction des fondements de la relativité générale a fait l'objet de trois courts articles rapportés et écrits en novembre 1915. Dans la seconde d'entre elles, rapportée le 11 novembre, Einstein, sur la base de la relativité générale, a calculé une rotation supplémentaire du périhélie de Mercure par rapport au Newtonien, qui s'est avérée égale (en radians pour une révolution de la planète autour le soleil)

et c= 3 10 10 cm s –1 est la vitesse de la lumière. Lors du passage à la dernière expression (1), la troisième loi de Kepler a été utilisée

un 3 =	GM ☼	J 2
	4π 2

où J est la période orbitale de la planète. Si nous substituons les meilleures valeurs actuellement connues de toutes les quantités dans la formule (1), et effectuons également un recalcul élémentaire des radians par tour à la rotation en secondes d'arc (signe ″) par siècle, alors nous arriverons à la valeur Ψ = 42″.98 / siècle. Les observations concordent avec ce résultat avec une précision actuelle d'environ ± 0″.1 / siècle (Einstein dans ses premiers travaux a utilisé des données moins précises, mais dans les limites de l'erreur, il a obtenu un accord complet entre la théorie et les observations). La formule (1) est donnée ci-dessus, premièrement, pour faire ressortir sa simplicité, qui est si souvent absente dans les théories physiques mathématiquement complexes, y compris dans de nombreux cas en relativité générale. Deuxièmement, et surtout, il ressort clairement de (1) que la rotation du périhélie découle de la relativité générale sans qu'il soit nécessaire d'impliquer de nouvelles constantes ou paramètres inconnus. Par conséquent, le résultat obtenu par Einstein est devenu un véritable triomphe de la relativité générale.

Dans le meilleur de moi biographies célèbres Einstein exprime et justifie l'opinion que l'explication de la rotation du périhélie de Mercure était "l'événement émotionnel le plus puissant de tout la vie scientifique Einstein, et peut-être toute sa vie. Oui, c'était la plus belle heure d'Einstein. Mais juste pour lui. Pour un certain nombre de raisons (qu'il suffise de mentionner la guerre), pour que le GR lui-même entre sur la scène mondiale à la fois pour cette théorie et son créateur, un autre événement qui a eu lieu 4 ans plus tard, en 1919, est devenu le travail "point culminant" dans laquelle la formule (1) a été obtenue, Einstein a fait prédiction importante: les rayons lumineux passant près du soleil doivent être courbés, et leur déviation doit être

α = 4GM ☼ = 1″.75 r ☼ , c 2 r r

(2)

où r est la distance la plus proche entre le faisceau et le centre du Soleil, et r☼ = 6,96 10 10 cm est le rayon du Soleil (plus précisément, le rayon de la photosphère solaire) ; ainsi, l'écart maximal pouvant être observé est de 1,75 seconde d'arc. Aussi petit soit-il (à peu près à cet angle un adulte est visible à une distance de 200 km), il pouvait déjà être mesuré à cette époque par la méthode optique en photographiant les étoiles du ciel au voisinage du Soleil . De telles observations ont été faites par deux expéditions britanniques lors d'une éclipse solaire totale le 29 mai 1919. L'effet de la déviation des rayons dans le champ solaire a été établi avec certitude et est en accord avec la formule (2), bien que la précision des mesures due à la petitesse de l'effet soit faible. Cependant, un écart de moitié selon (2), c'est-à-dire de 0″.87, a été exclu. Ce dernier est très important, car l'écart de 0″.87 (avec r = r☼) peut déjà être obtenu à partir de la théorie newtonienne (la possibilité même de déviation de la lumière dans le champ gravitationnel a été notée par Newton, et l'expression de l'angle de déviation, la moitié de celle selon la formule (2), a été obtenue en 1801 ; une autre chose est que cette prédiction a été oubliée et qu'Einstein ne le savait pas). Le 6 novembre 1919, les résultats des expéditions furent rapportés à Londres lors d'une réunion conjointe de la Royal Society et de la Royal Astronomical Society. L'impression qu'ils ont faite ressort clairement de ce que J. J. Thomson, qui a présidé cette réunion, a déclaré : « C'est le résultat le plus important obtenu en relation avec la théorie de la gravité depuis l'époque de Newton... Il représente l'une des plus grandes réalisations de l'humanité. pensait."

Les effets de la relativité générale dans le système solaire, comme nous l'avons vu, sont très faibles. Cela s'explique par le fait que le champ gravitationnel du Soleil (sans parler des planètes) est faible. Ce dernier signifie que le potentiel gravitationnel newtonien du Soleil

Rappelons maintenant le résultat connu du cours de physique de l'école : pour les orbites circulaires des planètes |φ ☼ | = v 2 , où v est la vitesse de la planète. Par conséquent, la faiblesse du champ gravitationnel peut être caractérisée par un paramètre plus illustratif v 2 / c 2 , qui pour le système solaire, comme nous l'avons vu, ne dépasse pas 2,12 10 - 6 . En orbite terrestre v = 3 10 6 cm s - 1 et v 2 / c 2 \u003d 10 - 8, pour les satellites proches de la Terre v ~ 8 10 5 cm s - 1 et v 2 / c 2 ~ 7 10 - 10 . Par conséquent, la vérification des effets mentionnés de la relativité générale même avec la précision de 0,1% maintenant atteinte, c'est-à-dire avec une erreur ne dépassant pas 10 - 3 de la valeur mesurée (par exemple, la déviation des rayons lumineux dans le champ solaire), ne ne permettent pas encore une vérification complète de la relativité générale avec une précision des termes de l'ordre

On ne peut que rêver de mesurer avec la précision requise, disons, la déviation des rayons dans le système solaire. Cependant, des projets d'expériences correspondantes sont déjà en discussion. En lien avec ce qui vient d'être dit, les physiciens disent que la relativité générale n'a été vérifiée principalement que pour un champ gravitationnel faible. Mais nous (moi, en tout cas) n'avons même pas remarqué une circonstance importante pendant assez longtemps. C'est après le lancement du premier satellite terrestre le 4 octobre 1957 que la navigation spatiale a commencé à se développer rapidement. Pour faire atterrir des instruments sur Mars et Vénus, en vol près de Phobos, etc., des calculs sont nécessaires avec une précision allant jusqu'à des mètres (à des distances de la Terre de l'ordre de cent milliards de mètres), lorsque les effets de la relativité générale sont assez important. Par conséquent, les calculs sont maintenant effectués sur la base de schémas de calcul qui prennent organiquement en compte la relativité générale. Je me souviens qu'il y a quelques années, un orateur - un spécialiste de la navigation spatiale - n'a même pas compris mes questions sur la précision des tests de relativité générale. Il a répondu: nous prenons en compte la relativité générale dans nos calculs d'ingénierie, sinon il est impossible de travailler, tout se passe bien, que demander de plus? Bien sûr, on peut souhaiter beaucoup, mais il ne faut pas oublier que la relativité générale n'est plus une théorie abstraite, mais est utilisée dans les "calculs d'ingénierie".

4. A la lumière de ce qui précède, la critique de GRT par A. A. Logunov semble particulièrement surprenante. Mais conformément à ce qui a été dit au début de cet article, cette critique ne peut être écartée sans analyse. Encore plus impossible sans analyse détaillée exprimer un jugement sur le RTG proposé par A. A. Logunov - la théorie relativiste de la gravité.

Malheureusement, il est absolument impossible de mener une telle analyse sur les pages des publications de vulgarisation scientifique. Dans son article, A. A. Logunov, en fait, ne fait que déclarer et commenter sa position. Il n'y a pas d'autre moyen que je puisse faire ici.

Ainsi, nous pensons que GR est une théorie physique cohérente - GR donne une réponse sans ambiguïté à toutes les questions correctement et clairement posées qui sont recevables dans le domaine de son applicabilité (cette dernière se réfère, en particulier, au temps de retard des signaux dans l'emplacement des planètes). Il ne souffre pas de la relativité générale et de tout défaut de nature mathématique ou logique. Cependant, il est nécessaire de clarifier ce que l'on entend ci-dessus lors de l'utilisation du pronom "nous". "Nous", c'est bien sûr moi-même, mais aussi tous ces physiciens soviétiques et étrangers avec qui j'ai eu à discuter de la relativité générale, et dans un certain nombre de cas, de sa critique par A. A. Logunov. Le grand Galilée disait il y a quatre siècles : en matière de science, l'opinion d'un seul vaut plus que l'opinion de mille. En d'autres termes, les différends scientifiques ne sont pas résolus à la majorité des voix. Mais, d'un autre côté, il est bien évident que l'opinion de nombreux physiciens, en général, est beaucoup plus convaincante, ou, pour mieux dire, plus fiable et plus sérieuse, que l'opinion d'un seul physicien. Par conséquent, la transition du "je" au "nous" est importante ici.

Il sera utile et opportun, je l'espère, de faire quelques remarques supplémentaires.

Pourquoi AA Logunov déteste-t-il tant GR ? raison principale est qu'en relativité générale, d'une manière générale, il n'y a pas de concept d'énergie et de quantité de mouvement sous la forme qui nous est familière de l'électrodynamique et, selon ses mots, il y a un refus "de la représentation du champ gravitationnel comme un champ classique de Faraday -Type Maxwell, qui a une densité d'énergie bien définie -impulsion. Oui, cette dernière est vraie dans un certain sens, mais elle s'explique par le fait que "en géométrie riemannienne, dans le cas général, il n'y a pas de symétrie nécessaire par rapport aux déplacements et aux rotations, c'est-à-dire qu'il n'y a pas ... groupe de mouvement espace-temps. La géométrie de l'espace-temps, selon la relativité générale, est une géométrie riemannienne. C'est pourquoi, notamment, les rayons lumineux s'écartent d'une ligne droite en passant près du Soleil.

L'une des plus grandes réalisations des mathématiques du siècle dernier a été la création et le développement de la géométrie non euclidienne par Lobachevsky, Bolyai, Gauss, Riemann et leurs disciples. Alors la question s'est posée : quelle est réellement la géométrie de l'espace-temps physique dans lequel nous vivons ? Comme indiqué, selon GR, cette géométrie est non-euclidienne, riemannienne, et non la géométrie pseudo-euclidienne de Minkowski (cette géométrie est décrite plus en détail dans l'article de A. A. Logunov). Cette géométrie de Minkowski était, pourrait-on dire, un produit de la théorie restreinte de la relativité (SRT) et a remplacé le temps absolu et l'espace absolu de Newton. Ce dernier, juste avant la création de la SRT en 1905, a été tenté de s'identifier à l'éther fixe de Lorentz. Mais l'éther de Lorentz, en tant que milieu mécanique absolument immobile, a été abandonné car toutes les tentatives pour remarquer la présence de ce milieu ont été infructueuses (je veux dire l'expérience de Michelson et quelques autres expériences). L'hypothèse selon laquelle l'espace-temps physique est nécessairement exactement l'espace de Minkowski, acceptée par A. A. Logunov comme fondamentale, va très loin. Elle est en un sens analogue aux hypothèses sur l'espace absolu et sur l'éther mécanique, et il nous semble qu'elle reste et restera complètement infondée tant que des arguments tirés d'observations et d'expériences n'auront pas été indiqués en sa faveur. Et de tels arguments, du moins à l'heure actuelle, sont totalement absents. Les références à l'analogie avec l'électrodynamique et les idéaux des remarquables physiciens du siècle dernier Faraday et Maxwell ne sont pas convaincantes à cet égard.

5. Si nous parlons de la différence entre le champ électromagnétique et, par conséquent, l'électrodynamique et le champ gravitationnel (GR est précisément la théorie d'un tel champ), alors il convient de noter ce qui suit. En choisissant un système de référence, il est impossible de détruire (remettre à zéro) même localement (dans une petite zone) la totalité du champ électromagnétique. Par conséquent, si la densité d'énergie du champ électromagnétique

O =	E 2 + H 2
	8π

(E et H- l'intensité des champs électriques et magnétiques, respectivement) est non nulle dans tout référentiel, alors elle sera non nulle dans tout autre référentiel. Le champ gravitationnel, grosso modo, dépend beaucoup plus fortement du choix du référentiel. Ainsi, un champ gravitationnel uniforme et constant (c'est-à-dire un champ gravitationnel qui provoque une accélération g les particules qui y sont placées, indépendamment des coordonnées et du temps) peuvent être complètement "détruites" (mises à zéro) par la transition vers un cadre de référence uniformément accéléré. Cette circonstance, qui est le principal contenu physique du "principe d'équivalence", a été notée pour la première fois par Einstein dans un article publié en 1907 et qui fut le premier sur la voie de la création de la relativité générale.

S'il n'y a pas de champ gravitationnel (en particulier, l'accélération qu'il provoque g est égal à zéro), alors la densité de l'énergie qui lui correspond est également égale à zéro. De là, il est clair que dans la question de la densité d'énergie (et de quantité de mouvement), la théorie du champ gravitationnel doit radicalement différer de la théorie du champ électromagnétique. Une telle affirmation ne change pas du fait que, en général, le champ gravitationnel ne peut pas être "détruit" par le choix du référentiel.

Einstein l'avait compris avant 1915, lorsqu'il a achevé la création de la relativité générale. Ainsi, en 1911, il écrivait : « Bien entendu, il est impossible de remplacer un champ gravitationnel quelconque par l'état de mouvement d'un système sans champ gravitationnel, tout comme il est impossible de transformer tous les points d'un milieu arbitrairement mobile en repos par moyen d'une transformation relativiste. Et voici un extrait d'un article de 1914 : « Nous ferons d'abord une remarque de plus pour dissiper le malentendu évident. partisan de l'habituel théorie moderne la relativité (on parle de SRT - V.L.G.) avec une certaine droite appelle la vitesse "apparente" d'un point matériel. A savoir, il peut choisir le référentiel pour que le point matériel ait une vitesse nulle à l'instant considéré. S'il existe un système de points matériels qui ont des vitesses différentes, alors il ne peut plus introduire un système de référence tel que les vitesses de tous les points matériels relatifs à ce système s'annulent. De même, un physicien, se tenant à notre point de vue, peut appeler le champ gravitationnel "apparent" parce que par un choix approprié de l'accélération du référentiel, il peut arriver à ce qu'à un certain point de l'espace-temps le champ gravitationnel s'annule. Cependant, il convient de noter que la disparition du champ gravitationnel par transformation dans le cas général ne peut pas être obtenue pour des champs gravitationnels étendus. Par exemple, le champ gravitationnel de la Terre ne peut pas être rendu égal à zéro en choisissant un cadre de référence approprié." Enfin, déjà en 1916, répondant à la critique de la relativité générale, Einstein soulignait une fois de plus la même chose : « On ne peut en aucun cas prétendre que le champ gravitationnel s'explique dans une certaine mesure de manière purement cinématique : un « champ cinématique, non dynamique compréhension de la gravité » est impossible. Nous ne pouvons obtenir aucun champ gravitationnel en accélérant simplement un système de coordonnées galiléen par rapport à un autre, car il est ainsi possible d'obtenir des champs d'une certaine structure seulement, qui, cependant, doivent obéir aux mêmes lois que tous les autres champs gravitationnels. C'est une autre formulation du principe d'équivalence (spécifiquement pour appliquer ce principe à la gravité)."

L'impossibilité d'une "compréhension cinématique" de la gravité, combinée au principe d'équivalence, détermine le passage en relativité générale de la géométrie pseudo-euclidienne de Minkowski à la géométrie riemannienne (dans cette géométrie, l'espace-temps a, en général, un caractère non -courbure nulle ; la présence d'une telle courbure distingue le "vrai" champ gravitationnel du "cinématique"). Les caractéristiques physiques du champ gravitationnel déterminent, répétons-le, un changement radical du rôle de l'énergie et de la quantité de mouvement en relativité générale par rapport à l'électrodynamique. Dans le même temps, l'utilisation de la géométrie riemannienne et l'impossibilité d'appliquer les concepts d'énergie familiers de l'électrodynamique n'empêchent pas, comme déjà souligné ci-dessus, le fait que de la relativité générale suivent et peuvent être calculées des valeurs tout à fait non ambiguës pour tout observable quantités (l'angle de déviation des rayons lumineux, les changements dans les éléments des orbites des planètes et des pulsars doubles, etc., etc.).

Il serait probablement utile de noter le fait que la relativité générale peut également être formulée sous la forme habituelle de l'électrodynamique en utilisant le concept de densité d'énergie-impulsion (pour cela, voir l'article cité de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grischuk. Cependant, introduit à Dans ce cas, l'espace de Minkowski est purement fictif (inobservable), et nous ne parlons que de la même relativité générale, écrite sous une forme non standard.En attendant, nous le répétons, A. A. Logunov considère l'espace de Minkowski utilisé par lui dans la théorie relativiste de la gravité (RTG) comme étant un espace physique réel, et donc observable.

6. A cet égard, la seconde des questions figurant dans le titre de cet article est particulièrement importante : la relativité générale correspond-elle à la réalité physique ? En d'autres termes, que dit l'expérience - le juge suprême pour décider du sort de toute théorie physique ? De nombreux articles et livres sont consacrés à ce problème - la vérification expérimentale de la relativité générale. Dans ce cas, la conclusion est tout à fait définitive - toutes les données disponibles d'expériences ou d'observations confirment GRT ou ne le contredisent pas. Cependant, comme nous l'avons déjà souligné, la vérification de la relativité générale a été effectuée et n'a lieu principalement que dans un champ gravitationnel faible. De plus, toute expérience a une précision limitée. Dans les champs gravitationnels forts (en gros, dans le cas où le rapport |φ| / c 2 n'est pas petit ; voir ci-dessus) GR n'a pas encore été entièrement vérifié. A cet effet, il est désormais possible de n'utiliser pratiquement que des méthodes astronomiques relatives à l'espace très lointain : l'étude étoiles à neutrons, doubles pulsars, "trous noirs", l'expansion et la structure de l'Univers, comme on dit, "dans le grand" - dans de vastes étendues mesurées en millions et milliards d'années-lumière. Beaucoup a déjà été fait et se fait dans ce sens. Qu'il suffise de mentionner les études du pulsar binaire PSR 1913+16, pour lequel (ainsi que pour les étoiles à neutrons en général) le paramètre |φ| / c 2 vaut déjà environ 0,1. De plus, dans ce cas, il a été possible de révéler l'effet d'ordre (v / c) 5 associé à l'émission d'ondes gravitationnelles. Dans les décennies à venir, encore plus d'opportunités s'ouvriront pour étudier les processus dans des champs gravitationnels forts.

L'étoile directrice de ces études époustouflantes est avant tout la relativité générale. En même temps, bien sûr, d'autres possibilités sont également discutées - d'autres, comme on dit parfois, des théories alternatives de la gravité. Par exemple, en relativité générale, ainsi que dans la théorie de la gravitation universelle de Newton, la constante gravitationnelle g vraiment considéré comme une constante. L'une des théories les plus célèbres de la gravité, généralisant (ou, plus précisément, élargissant) la relativité générale, est une théorie dans laquelle la "constante" gravitationnelle est déjà considérée comme une nouvelle fonction scalaire - une quantité qui dépend des coordonnées et du temps. Les observations et les mesures indiquent cependant que d'éventuels changements relatifs g au fil du temps sont très petits - apparemment, ils ne représentent pas plus d'un cent milliardième par an, c'est-à-dire | dG / dt| / g < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения g pourrait jouer un rôle. Notez que même indépendamment de la question de l'impermanence g hypothèse d'existence dans l'espace-temps réel, en plus du champ gravitationnel gik, également un champ scalaire ψ est la direction principale de la physique et de la cosmologie modernes. Dans d'autres théories alternatives de la gravitation (pour lesquelles voir le livre de C. Will mentionné plus haut dans la note 8), la relativité générale est modifiée ou généralisée d'une manière différente. Bien sûr, on ne peut pas s'opposer à l'analyse correspondante, car GR n'est pas un dogme, mais une théorie physique. De plus, nous savons que la relativité générale, qui est une théorie non quantique, doit évidemment être généralisée au domaine quantique, encore inaccessible aux expériences gravitationnelles connues. Naturellement, vous ne pouvez pas entrer dans plus de détails sur tout cela ici.

7. A. A. Logunov, partant de la critique de la relativité générale, construit depuis plus de 10 ans une théorie alternative de la gravité différente de la relativité générale. Dans le même temps, beaucoup de choses ont changé au cours des travaux, et la version actuellement acceptée de la théorie (il s'agit du RTG) est particulièrement détaillée dans l'article, qui occupe environ 150 pages et contient environ 700 formules numérotées seulement. Évidemment, une analyse détaillée du RTG n'est possible que sur les pages revues scientifiques. Ce n'est qu'après une telle analyse qu'il sera possible de dire si RTG est cohérent, s'il contient des contradictions mathématiques, etc. Pour autant que je sache, RTG diffère de GR en ne sélectionnant qu'une partie des solutions GR - toutes les solutions des équations différentielles RTG satisfaire les équations GR, mais, autant que disent les auteurs du RTG, pas l'inverse. En même temps, on conclut qu'au regard des enjeux globaux (solutions pour tout l'espace-temps ou ses grandes régions, topologie, etc.), les différences entre RTG et GR sont, en général, radicales. Comme pour toutes les expériences et observations faites dans le système solaire, alors, pour autant que je sache, RTG ne peut pas entrer en conflit avec la relativité générale. Si tel est le cas, il est alors impossible de préférer RTG (au GR) sur la base d'expériences connues dans le système solaire. En ce qui concerne les "trous noirs" et l'Univers, les auteurs du RTG affirment que leurs conclusions sont significativement différentes des conclusions de la relativité générale, mais nous n'avons connaissance d'aucune donnée d'observation spécifique qui témoigne en faveur du RTG. Dans une telle situation, RTG par A. A. Logunov (si RTG diffère vraiment de GR par essence, et pas seulement dans la manière de présenter et de choisir l'une des classes possibles de conditions de coordonnées; voir l'article de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grischuk) ne peut être considérée que comme l'une des théories alternatives acceptables, en principe, de la gravité.

Certains lecteurs peuvent être alertés par des réserves du type : « s'il en est ainsi », « si RTG diffère vraiment de GR ». Est-ce que j'essaie de m'assurer contre les erreurs de cette façon ? Non, je n'ai pas peur de me tromper déjà en vertu de la conviction qu'il n'y a qu'une seule garantie d'infaillibilité - ne pas travailler du tout, et dans ce cas ne pas discuter de questions scientifiques. Une autre chose est que le respect de la science, la familiarité avec son caractère et son histoire incitent à la prudence. Le caractère catégorique des déclarations n'indique pas toujours la présence d'une véritable clarté et, en général, ne contribue pas à l'établissement de la vérité. Le RTG de A. A. Logunov dans sa forme moderne a été formulé assez récemment et n'a pas encore été discuté en détail dans la littérature scientifique. Par conséquent, naturellement, je n'ai pas d'opinion définitive à ce sujet. De plus, dans une revue de vulgarisation scientifique, un certain nombre de questions émergentes ne peuvent être discutées et sont inappropriées. En même temps, bien sûr, en raison du grand intérêt des lecteurs pour la théorie de la gravitation, la couverture de cet éventail de questions, y compris discutables, dans les pages de Science et Vie semble justifiée à un niveau accessible.

Ainsi, guidé par le sage «principe de la nation la plus favorisée», à l'heure actuelle, RTG devrait être considéré comme une théorie alternative de la gravité qui nécessite une analyse et une discussion appropriées. Pour ceux qui aiment cette théorie (RTG) et qui s'y intéressent, personne n'entrave (et, bien sûr, ne devrait pas entraver) son développement, en suggérant des voies possibles de vérification expérimentale.

Dans le même temps, rien ne permet de dire que le GTR a été ébranlé dans une certaine mesure à l'heure actuelle. De plus, la gamme d'applicabilité de la relativité générale semble être très large et sa précision est très élevée. Telle est, à notre avis, une évaluation objective de l'état actuel des choses. Si l'on parle de goûts et d'attitudes intuitives, et que les goûts et l'intuition jouent un rôle important en science, bien qu'ils ne puissent être mis en avant comme preuves, alors il faut ici passer du « nous » au « je ». Ainsi, plus j'ai eu et j'ai encore affaire à la théorie de la relativité générale et à sa critique, plus j'ai l'impression de sa profondeur et de sa beauté exceptionnelles.

En effet, comme indiqué dans les mentions légales, le tirage de la revue "Science et Vie" n°4, 1987 était de 3 millions 475 mille exemplaires. À dernières années le tirage n'était que de quelques dizaines de milliers d'exemplaires, ne dépassant les 40 mille qu'en 2002. (note - AM Krainev).

Incidemment, 1987 marque le 300e anniversaire de la première publication du grand livre de Newton The Mathematical Principles of Natural Philosophy. La connaissance de l'histoire de la création de cette œuvre, sans parler de lui-même, est très instructive. Cependant, il en va de même pour toutes les activités de Newton, avec lesquelles il n'est pas si facile pour les non-spécialistes de se familiariser avec nous. Je peux recommander à cet effet un très bon livre de S. I. Vavilov "Isaac Newton", il devrait être réédité. Mentionnons également mon article écrit à l'occasion de l'anniversaire de Newton, publié dans la revue Uspekhi fizicheskikh nauk, vol.151, n°1, 1987, p. 119.

L'amplitude du virage est donnée selon les mesures modernes (Le Verrier avait un virage de 38 secondes). Rappelez-vous pour plus de clarté que le Soleil et la Lune sont visibles depuis la Terre à un angle d'environ 0,5 degré d'arc - 1800 secondes d'arc.

A. Pals « Subtil est le Seigneur… » La science et la vie d'Albert Einstein. Université d'Oxford. Press, 1982. Il serait opportun de publier une traduction russe de ce livre.

Ce dernier est possible en plein éclipses solaires; photographier la même partie du ciel, disons, six mois plus tard, lorsque le Soleil s'est déplacé vers sphère céleste, on obtient à titre de comparaison une image qui n'est pas déformée du fait de la déviation des rayons sous l'influence du champ gravitationnel du Soleil.

Pour plus de détails, je dois me référer à l'article de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grishchuk, récemment publié dans Uspekhi fizicheskikh nauk (Uspekhi fizicheskikh nauk) (Vol. 149, p. 695, 1986), ainsi qu'à la littérature qui y est citée , notamment à l'article de L. D. Faddeev (« Uspekhi fizicheskikh nauk », vol. 136, p. 435, 1982).

Voir la note de bas de page 5.

Voir K. Will. "Théorie et expérience en physique gravitationnelle". M., Energoiedat, 1985 ; voir aussi V. L. Ginzburg. À propos de la physique et de l'astrophysique. M., Nauka, 1985, et la littérature qui y est indiquée.

A. A. Logunov et M. A. Mestvirishvili. "Fondamentaux de la théorie relativiste de la gravité". Revue "Physique particules élémentaires et le noyau atomique", vol. 17, numéro 1, 1986

Dans les travaux de A. A. Logunov, il existe d'autres déclarations et il est spécifiquement considéré que pour le temps de retard du signal lorsque, par exemple, Mercure est situé à partir de la Terre, une valeur obtenue à partir de RTG est différente de celle qui suit à partir de GR. Plus précisément, on soutient que la relativité générale ne donne pas une prédiction sans ambiguïté du temps de retard des signaux, c'est-à-dire que la relativité générale est incohérente (voir ci-dessus). Cependant, une telle conclusion est, à notre avis, le fruit d'un malentendu (ceci est indiqué, par exemple, dans l'article cité de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grischuk, voir note de bas de page 5): résultats différents en GR lors de l'utilisation différents systèmes les coordonnées ne sont obtenues que parce que les planètes localisées sont comparées, qui sont sur des orbites différentes, et ont donc des périodes de révolution différentes autour du Soleil. Les temps de retard du signal observés depuis la Terre à l'emplacement d'une certaine planète, selon GR et RTG, coïncident.

Voir la note de bas de page 5.

Détails pour les curieux

Déviation des ondes lumineuses et radio dans le champ gravitationnel du Soleil. Habituellement, en tant que modèle idéalisé du Soleil, une boule statique à symétrie sphérique de rayon R☼ ~ 6,96 10 10 cm, masse solaire M☼ ~ 1,99 10 30 kg (332 958 fois la masse de la Terre). La déviation de la lumière est maximale pour les rayons qui touchent à peine le Soleil, c'est-à-dire à R ~ R☼ , et égal à : φ ≈ 1″.75 (secondes d'arc). Cet angle est très petit - approximativement à cet angle, un adulte est vu à une distance de 200 km, et donc la précision de la mesure de la courbure gravitationnelle des rayons n'était pas élevée jusqu'à récemment. Les dernières mesures optiques, faites lors de l'éclipse solaire du 30 juin 1973, avaient une erreur d'environ 10 %. Aujourd'hui, grâce à l'avènement des interféromètres radio "à base extra longue" (plus de 1000 km), la précision des mesures d'angles a considérablement augmenté. Les interféromètres radio permettent de mesurer de manière fiable des distances angulaires et des changements d'angle de l'ordre de 10 - 4 secondes d'arc (~ 1 nanoradian).

La figure montre la déviation d'un seul des rayons provenant d'une source éloignée. En réalité, les deux poutres sont courbes.

POTENTIEL GRAVITATIONNEL

En 1687, l'ouvrage fondamental de Newton "Les principes mathématiques de la philosophie naturelle" parut (voir "Science et Vie" n° 1, 1987), dans lequel la loi de la gravitation universelle était formulée. Cette loi stipule que la force d'attraction entre deux particules matérielles est directement proportionnelle à leurs masses. M et m et inversement proportionnel au carré de la distance r entre eux:

F = g	millimètre	.
	r 2

Facteur de proportionnalité g devenue connue sous le nom de constante gravitationnelle, il est nécessaire de faire correspondre les dimensions des parties droite et gauche de la formule newtonienne. Même Newton lui-même, avec une précision très élevée pour son époque, a montré que g- la valeur est constante et, par conséquent, la loi de la gravité découverte par lui est universelle.

Deux masses ponctuelles attractives M et m apparaissent également dans la formule de Newton. En d'autres termes, on peut considérer que les deux servent de sources du champ gravitationnel. Or, dans des problèmes spécifiques, notamment en mécanique céleste, l'une des deux masses est souvent très petite par rapport à l'autre. Par exemple, la masse de la terre MЗ ≈ 6 10 24 kg est bien inférieure à la masse du Soleil M☼ ≈ 2 10 30 kg ou, disons, la masse du satellite m≈ 10 3 kg n'est pas comparable à la masse de la Terre et n'a donc pratiquement aucun effet sur le mouvement de la Terre. Une telle masse, qui elle-même ne perturbe pas le champ gravitationnel, mais sert en quelque sorte de sonde sur laquelle agit ce champ, est appelée masse d'essai. (De la même manière, en électrodynamique, il existe le concept de "charge d'essai", c'est-à-dire celle qui aide à détecter un champ électromagnétique.) Étant donné que la masse d'essai (ou charge d'essai) apporte une contribution négligeable au champ, pour une telle masse le champ devient "externe" et peut être caractérisé par une grandeur appelée tension. Essentiellement, l'accélération de la chute libre g est la force du champ gravitationnel terrestre. La deuxième loi de la mécanique newtonienne donne alors les équations du mouvement d'une masse d'essai ponctuelle m. C'est ainsi, par exemple, que sont résolus les problèmes de balistique et de mécanique céleste. Notez que pour la plupart de ces problèmes, la théorie de la gravitation de Newton a encore aujourd'hui une précision tout à fait suffisante.

La tension, comme la force, est une quantité vectorielle, c'est-à-dire que dans un espace tridimensionnel, elle est déterminée par trois nombres - des composants le long d'axes cartésiens mutuellement perpendiculaires X, à, z. Lors du changement de système de coordonnées - et de telles opérations ne sont pas rares dans les problèmes physiques et astronomiques - les coordonnées cartésiennes du vecteur sont transformées d'une manière non compliquée, mais souvent lourde. Par conséquent, au lieu de l'intensité du champ vectoriel, il serait commode d'utiliser la valeur scalaire qui lui correspond, à partir de laquelle la caractéristique d'intensité du champ - l'intensité - serait obtenue en utilisant certains recette simple. Et une telle valeur scalaire existe - elle s'appelle potentiel, et la transition vers la tension s'effectue par simple différenciation. Il s'ensuit que le potentiel gravitationnel newtonien créé par la masse M, est égal à

d'où découle l'égalité |φ| = v 2 .

En mathématiques, la théorie de la gravitation de Newton est parfois appelée "théorie du potentiel". À un moment donné, la théorie du potentiel newtonien a servi de modèle à la théorie de l'électricité, puis les idées sur le champ physique, formées dans l'électrodynamique de Maxwell, ont à leur tour stimulé l'émergence de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Le passage de la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein à un cas particulier de la théorie newtonienne de la gravitation correspond exactement à la région des petites valeurs du paramètre sans dimension |φ| / c 2 .

La théorie de la relativité générale, avec la théorie de la relativité restreinte, est l'œuvre brillante d'Albert Einstein, qui au début du XXe siècle a transformé le regard des physiciens sur le monde. Cent ans plus tard, la relativité générale est la principale et la théorie la plus importante la physique dans le monde, et avec la mécanique quantique prétend être l'une des deux pierres angulaires de la "théorie du tout". La théorie de la relativité générale décrit la gravité comme une conséquence de la courbure de l'espace-temps (combiné en un tout unique en relativité générale) sous l'influence de la masse. Grâce à la relativité générale, les scientifiques ont déduit de nombreuses constantes, vérifié un tas de phénomènes inexpliqués et est venu avec des choses comme des trous noirs, matière noire et l'énergie noire, l'expansion de l'univers, le Big Bang et bien plus encore. GTR a également opposé son veto à la vitesse de la lumière, nous emprisonnant ainsi littéralement dans notre voisinage (le système solaire), mais a laissé une échappatoire sous la forme de trous de ver - de courts chemins possibles à travers l'espace-temps.

Un employé de l'Université RUDN et ses collègues brésiliens ont remis en question le concept d'utilisation de trous de ver stables comme portails vers points différents espace-temps. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Physical Review D. - un cliché assez courant dans la science-fiction. Un trou de ver, ou "trou de ver", est une sorte de tunnel qui relie des points éloignés de l'espace, voire deux univers, en incurvant l'espace-temps.

Même à la fin du XIXe siècle, la plupart des scientifiques étaient enclins à penser que l'image physique du monde était fondamentalement construite et resterait inébranlable à l'avenir - seuls les détails devaient être clarifiés. Mais dans les premières décennies du XXe siècle, les visions physiques ont radicalement changé. C'était le résultat d'une "cascade" de découvertes scientifiques faites sur une période de temps extrêmement courte. période historique couvrant les dernières années du XIXe siècle et les premières décennies du XXe siècle, dont beaucoup ne correspondaient pas du tout à l'idée d'expérience humaine ordinaire. Un exemple frappant est la théorie de la relativité créée par Albert Einstein (1879-1955).

Théorie de la relativité- la théorie physique de l'espace-temps, c'est-à-dire une théorie qui décrit les propriétés universelles de l'espace-temps des processus physiques. Le terme a été introduit en 1906 par Max Planck pour souligner le rôle du principe de relativité.
en relativité restreinte (et, plus tard, en relativité générale).

Dans un sens étroit, la théorie de la relativité comprend la relativité restreinte et générale. Théorie restreinte de la relativité(ci-après dénommé SRT) fait référence à des processus dans l'étude desquels les champs gravitationnels peuvent être négligés ; théorie générale de la relativité(ci-après dénommé GR) est une théorie de la gravitation qui généralise celle de Newton.

Spécial, ou théorie privée de la relativité est une théorie de la structure de l'espace-temps. Il a été introduit pour la première fois en 1905 par Albert Einstein dans son ouvrage "Sur l'électrodynamique des corps en mouvement". La théorie décrit le mouvement, les lois de la mécanique, ainsi que les relations espace-temps qui les déterminent, à toute vitesse de déplacement,
y compris celles proches de la vitesse de la lumière. Mécanique newtonienne classique
dans SRT est une approximation pour les faibles vitesses.

L'une des raisons du succès d'Albert Einstein est qu'il a fait passer les données expérimentales avant les données théoriques. Lorsqu'un certain nombre d'expériences ont montré des résultats qui contredisaient la théorie généralement acceptée, de nombreux physiciens ont décidé que ces expériences étaient erronées.

Albert Einstein a été l'un des premiers à décider de construire une nouvelle théorie basée sur de nouvelles données expérimentales.

A la fin du XIXe siècle, les physiciens étaient à la recherche d'un éther mystérieux - un milieu dans lequel, selon les hypothèses généralement admises, les ondes lumineuses auraient dû se propager, comme les ondes acoustiques, pour la propagation desquelles l'air est nécessaire, ou un autre milieu - solide, liquide ou gazeux. La croyance en l'existence de l'éther a conduit à la croyance que la vitesse de la lumière doit changer avec la vitesse de l'observateur par rapport à l'éther. Albert Einstein a abandonné le concept d'éther et a supposé que toutes les lois physiques, y compris la vitesse de la lumière, restent inchangées quelle que soit la vitesse de l'observateur - comme l'ont montré les expériences.

SRT a expliqué comment interpréter les mouvements entre différents cadres de référence inertiels - en termes simples, des objets qui se déplacent à une vitesse constante les uns par rapport aux autres. Einstein a expliqué que lorsque deux objets se déplacent à une vitesse constante, il faut considérer leur mouvement l'un par rapport à l'autre, au lieu de prendre l'un d'eux comme cadre de référence absolu. Donc, si deux astronautes volent sur deux vaisseaux spatiaux et veulent comparer leurs observations, la seule chose dont ils ont besoin de savoir est leur vitesse relative l'un par rapport à l'autre.

La relativité restreinte ne considère qu'un seul cas particulier (d'où son nom), lorsque le mouvement est droit et uniforme.

Se fondant sur l'impossibilité de détecter un mouvement absolu, Albert Einstein a conclu que tous les référentiels inertiels sont égaux. Il a formulé deux postulats importants qui ont formé la base d'une nouvelle théorie de l'espace et du temps, appelée la théorie de la relativité restreinte (SRT) :

1. Le principe de relativité d'Einstein - ce principe était une généralisation du principe de relativité de Galilée (énonce la même chose, mais pas pour toutes les lois de la nature, mais seulement pour les lois de la mécanique classique, laissant ouverte la question de l'applicabilité du principe de relativité à l'optique et à l'électrodynamique) à tout physique. Ça dit: tous les processus physiques dans les mêmes conditions dans les systèmes de référence inertiels (ISF) se déroulent de la même manière. Cela signifie qu'aucune expérience physique effectuée à l'intérieur d'un IRF fermé ne peut déterminer s'il est au repos ou s'il se déplace de manière uniforme et rectiligne. Ainsi, tous les IFR sont absolument égaux, et les lois physiques sont invariantes par rapport au choix de l'IFR (c'est-à-dire que les équations exprimant ces lois ont la même forme dans tous les référentiels inertiels).

2. Le principe de constance de la vitesse de la lumière- la vitesse de la lumière dans le vide est constante et ne dépend pas du mouvement de la source et du récepteur de lumière. Elle est la même dans toutes les directions et dans tous les référentiels inertiels. La vitesse de la lumière dans le vide - la vitesse limite dans la nature - c'est l'une des constantes physiques les plus importantes, les soi-disant constantes mondiales.

La conséquence la plus importante du SRT a été le fameux La formule d'Einstein sur la relation entre la masse et l'énergie E \u003d mc 2 (où C est la vitesse de la lumière), qui montrait l'unité de l'espace et du temps, exprimée dans une modification conjointe de leurs caractéristiques en fonction de la concentration des masses et de leur mouvement, et confirmée par les données de la physique moderne. Le temps et l'espace n'étaient plus considérés indépendamment l'un de l'autre, et l'idée d'un continuum quadridimensionnel espace-temps est née.

Selon la théorie du grand physicien, lorsque la vitesse d'un corps matériel augmente, se rapprochant de la vitesse de la lumière, sa masse augmente également. Ceux. plus un objet se déplace rapidement, plus il devient lourd. Dans le cas d'atteindre la vitesse de la lumière, la masse du corps, ainsi que son énergie, deviennent infinies. Plus le corps est lourd, plus il est difficile d'augmenter sa vitesse ; une quantité infinie d'énergie est nécessaire pour accélérer un corps de masse infinie, il est donc impossible pour les objets matériels d'atteindre la vitesse de la lumière.

Dans la théorie de la relativité, "deux lois - la loi de conservation de la masse et la conservation de l'énergie - ont perdu leur validité indépendamment l'une de l'autre et se sont avérées combinées en une seule loi, qui peut être appelée loi de conservation de l'énergie ou Masse." En raison du lien fondamental entre ces deux concepts, la matière peut être transformée en énergie, et vice versa - l'énergie en matière.

Théorie générale de la relativité- La théorie de la gravité publiée par Einstein en 1916, sur laquelle il travailla pendant 10 ans. Est la poursuite du développement théorie spéciale de la relativité. Si le corps matériel accélère ou tourne sur le côté, les lois SRT ne s'appliquent plus. Alors GR entre en vigueur, ce qui explique les mouvements des corps matériels dans le cas général.

Dans la théorie générale de la relativité, il est postulé que les effets gravitationnels ne sont pas causés par l'interaction des forces des corps et des champs, mais par la déformation de l'espace-temps même dans lequel ils se trouvent. Cette déformation est notamment liée à la présence de masse-énergie.

La relativité générale est actuellement la théorie de la gravité la plus aboutie, bien étayée par des observations. La relativité générale a généralisé la SRT aux accélérées, c'est-à-dire systèmes non inertiels. Les principes de base de la relativité générale sont les suivants :

- limiter l'applicabilité du principe de constance de la vitesse de la lumière aux zones où les forces gravitationnelles peuvent être négligées(là où la gravité est forte, la vitesse de la lumière ralentit);

- extension du principe de relativité à tous les systèmes en mouvement(et pas seulement ceux inertiels).

En relativité générale, ou théorie de la gravitation, il procède aussi du fait expérimental de l'équivalence des masses inertielles et gravitationnelles, ou de l'équivalence des champs inertiels et gravitationnels.

Le principe d'équivalence joue un rôle important en science. Nous pouvons toujours calculer directement l'action des forces d'inertie sur n'importe quel système physique, et cela nous donne l'opportunité de connaître l'action du champ gravitationnel, en faisant abstraction de son inhomogénéité, qui est souvent très insignifiante.

Un certain nombre de conclusions importantes ont été tirées de la RG :

1. Les propriétés de l'espace-temps dépendent de la matière en mouvement.

2. Un faisceau de lumière, qui a une masse inerte et, par conséquent, gravitationnelle, doit être courbé dans le champ gravitationnel.

3. La fréquence de la lumière sous l'influence du champ gravitationnel devrait se déplacer vers des valeurs inférieures.

Pendant longtemps, il y a eu peu de confirmations expérimentales de la relativité générale. L'accord entre la théorie et l'expérience est assez bon, mais la pureté des expériences est violée par divers effets secondaires complexes. Cependant, l'effet de la courbure de l'espace-temps peut être détecté même dans des champs gravitationnels modérés. Des horloges très sensibles, par exemple, peuvent détecter la dilatation du temps à la surface de la Terre. Afin d'élargir la base expérimentale de la relativité générale, de nouvelles expériences ont été réalisées dans la seconde moitié du XXe siècle : l'équivalence des masses inertielle et gravitationnelle a été testée (y compris par télémétrie laser de la Lune) ;
à l'aide du radar, le mouvement du périhélie de Mercure a été clarifié; la déviation gravitationnelle des ondes radio par le Soleil a été mesurée, les planètes du système solaire ont été localisées par radar ; l'influence du champ gravitationnel du Soleil sur les communications radio avec les engins spatiaux envoyés vers les planètes éloignées du système solaire a été évaluée, etc. Tous, d'une manière ou d'une autre, ont confirmé les prédictions obtenues sur la base de la relativité générale.

Ainsi, la théorie de la relativité restreinte est basée sur les postulats de la constance de la vitesse de la lumière et de l'identité des lois de la nature dans tous les systèmes physiques, et les principaux résultats auxquels elle aboutit sont les suivants : la relativité des propriétés de l'espace-temps; relativité de la masse et de l'énergie ; équivalence des masses lourdes et inertielles.

Le résultat le plus significatif de la théorie générale de la relativité d'un point de vue philosophique est l'établissement de la dépendance des propriétés spatio-temporelles du monde environnant à l'emplacement et au mouvement des masses gravitantes. Elle est due à l'influence des corps
avec de grandes masses, il y a une courbure des chemins de déplacement des rayons lumineux. Par conséquent, le champ gravitationnel créé par de tels corps détermine en fin de compte les propriétés spatio-temporelles du monde.

La théorie spéciale de la relativité fait abstraction de l'action des champs gravitationnels et, par conséquent, ses conclusions ne s'appliquent qu'à de petites zones de l'espace-temps. La différence fondamentale entre la théorie générale de la relativité et les théories physiques fondamentales qui la précèdent réside dans le rejet d'un certain nombre d'anciens concepts et la formulation de nouveaux. Il vaut la peine de dire que la théorie de la relativité générale a fait une véritable révolution dans la cosmologie. Sur sa base, divers modèles de l'Univers sont apparus.

La théorie de la relativité a été introduite par Albert Einstein au début du XXe siècle. Quelle est son essence ? Reprenons les points principaux et caractérisons la TOE dans un langage compréhensible.

La théorie de la relativité a pratiquement éliminé les incohérences et les contradictions de la physique du XXe siècle, a forcé à changer radicalement l'idée de la structure de l'espace-temps et a été confirmée expérimentalement dans de nombreuses expériences et études.

Ainsi, TOE a formé la base de toutes les théories physiques fondamentales modernes. En fait, c'est la mère de la physique moderne !

Pour commencer, il convient de noter qu'il existe 2 théories de la relativité :

• Relativité restreinte (SRT) - considère les processus physiques dans des objets en mouvement uniforme.
• Relativité générale (RG) - décrit l'accélération des objets et explique l'origine de phénomènes tels que la gravité et l'existence.

Il est clair que SRT est apparu plus tôt et, en fait, fait partie de GRT. Parlons d'abord d'elle.

La STO en mots simples

La théorie est basée sur le principe de la relativité, selon lequel toutes les lois de la nature sont les mêmes en ce qui concerne les corps fixes et se déplaçant à une vitesse constante. Et d'une pensée aussi simple en apparence, il s'ensuit que la vitesse de la lumière (300 000 m/s dans le vide) est la même pour tous les corps.

Par exemple, imaginez qu'on vous donne un vaisseau spatial du futur lointain qui peut voler à grande vitesse. Un canon laser est monté sur la proue du navire, capable de tirer des photons vers l'avant.

Par rapport au navire, ces particules volent à la vitesse de la lumière, mais par rapport à un observateur stationnaire, il semblerait qu'elles devraient voler plus vite, puisque les deux vitesses se résument.

Cependant, cela ne se produit pas réellement! Un observateur extérieur voit des photons voler à 300 000 m/s, comme si la vitesse de l'engin spatial ne s'y était pas ajoutée.

Il faut se rappeler : par rapport à n'importe quel corps, la vitesse de la lumière sera une valeur constante, quelle que soit la vitesse à laquelle elle se déplace.

De là, des conclusions étonnantes s'ensuivent, telles que la dilatation du temps, la contraction longitudinale et la dépendance du poids corporel à la vitesse. En savoir plus sur les conséquences les plus intéressantes de la théorie restreinte de la relativité dans l'article sur le lien ci-dessous.

L'essence de la théorie de la relativité générale (RG)

Pour mieux le comprendre, il faut à nouveau combiner deux faits :

• Nous vivons dans l'espace 4D

L'espace et le temps sont des manifestations d'une même entité appelée "continuum espace-temps". C'est l'espace-temps à 4 dimensions avec les axes de coordonnées x, y, z et t.

Nous, les humains, ne sommes pas capables de percevoir les 4 dimensions de la même manière. En fait, nous ne voyons que des projections d'un objet réel à quatre dimensions dans l'espace et le temps.

Fait intéressant, la théorie de la relativité n'affirme pas que les corps changent lorsqu'ils se déplacent. Les objets à 4 dimensions restent toujours inchangés, mais avec un mouvement relatif, leurs projections peuvent changer. Et nous percevons cela comme un ralentissement dans le temps, une réduction de la taille, etc.

• Tous les corps tombent à une vitesse constante au lieu d'accélérer

Faisons une expérience de pensée effrayante. Imaginez que vous roulez dans une cabine d'ascenseur fermée et que vous êtes en état d'apesanteur.

Une telle situation ne peut survenir que pour deux raisons : soit vous êtes dans l'espace, soit vous tombez librement avec la cabine sous l'influence de la gravité terrestre.

Sans regarder hors de la cabine, il est absolument impossible de faire la distinction entre ces deux cas. C'est juste que dans un cas, vous volez uniformément et dans l'autre avec une accélération. Vous devrez deviner !

Peut-être qu'Albert Einstein lui-même pensait à un ascenseur imaginaire, et il a eu une idée étonnante : si ces deux cas ne peuvent être distingués, alors la chute due à la gravité est aussi un mouvement uniforme. C'est juste que le mouvement est uniforme dans l'espace-temps à quatre dimensions, mais en présence de corps massifs (par exemple), il est courbé et le mouvement uniforme est projeté dans notre espace tridimensionnel habituel sous la forme d'un mouvement accéléré.

Regardons un autre exemple plus simple, bien que pas tout à fait correct, d'une courbure d'espace à deux dimensions.

On peut imaginer que tout corps massif sous lui-même crée une sorte d'entonnoir figuratif. Alors d'autres corps passant devant ne pourront pas continuer leur mouvement en ligne droite et modifieront leur trajectoire selon les courbes de l'espace courbe.

Soit dit en passant, si le corps n'a pas autant d'énergie, son mouvement peut s'avérer généralement fermé.

Il est à noter que du point de vue des corps en mouvement, ils continuent à se déplacer en ligne droite, car ils ne ressentent rien qui les fasse tourner. Ils viennent d'entrer dans un espace courbe et sans s'en rendre compte ont une trajectoire non rectiligne.

Il convient de noter que 4 dimensions sont courbées, dont le temps, donc cette analogie doit être traitée avec prudence.

Ainsi, dans la théorie générale de la relativité, la gravité n'est pas du tout une force, mais seulement une conséquence de la courbure de l'espace-temps. À l'heure actuelle, cette théorie est une version de travail de l'origine de la gravité et est en excellent accord avec les expériences.

Conséquences surprenantes de la relativité générale

Les rayons lumineux peuvent être courbés lorsqu'ils volent à proximité de corps massifs. En effet, des objets lointains ont été trouvés dans l'espace qui se « cachent » derrière d'autres, mais les rayons lumineux les contournent, grâce à quoi la lumière nous parvient.

Selon la relativité générale, plus la gravité est forte, plus le temps passe lentement. Ce fait est nécessairement pris en compte dans le fonctionnement du GPS et du GLONASS, car leurs satellites ont les horloges atomiques les plus précises qui tournent un peu plus vite que sur Terre. Si ce fait n'est pas pris en compte, alors en une journée l'erreur de coordonnées sera de 10 km.

C'est grâce à Albert Einstein que vous pouvez comprendre où se trouve une bibliothèque ou un magasin à proximité.

Et, enfin, GR prédit l'existence de trous noirs, autour desquels la gravité est si forte que le temps s'arrête tout simplement à proximité. Par conséquent, la lumière entrant dans un trou noir ne peut pas en sortir (être réfléchie).

Au centre d'un trou noir, en raison de la contraction gravitationnelle colossale, un objet se forme avec infiniment haute densité, et tel, semble-t-il, ne peut pas être.

Ainsi, GR peut conduire à des conclusions très contradictoires, contrairement à , si bien que la majorité des physiciens ne l'ont pas complètement acceptée et ont continué à chercher une alternative.

Mais elle parvient à prédire beaucoup de choses avec succès, par exemple, une récente découverte sensationnelle a confirmé la théorie de la relativité et nous a rappelé le grand scientifique avec la langue pendante à nouveau. Aimez la science, lisez WikiScience.