Această lume era învăluită în întuneric adânc.
Să fie lumină! Și iată că vine Newton.
epigrama secolului al XVIII-lea

Dar Satana nu a așteptat mult să se răzbune.
A venit Einstein - și totul a fost ca înainte.
Epigrama secolului XX

Postulatele teoriei relativității

postulat (axiomă)- o afirmație fundamentală care stă la baza teoriei și acceptată fără dovezi.

Primul postulat: toate legile fizicii care descriu orice fenomen fizic trebuie să aibă aceeași formă în toate cadrele de referință inerțiale.

Același postulat poate fi formulat diferit: în orice cadru de referință inerțial, toate fenomenele fizice în aceleași condiții inițiale decurg în același mod.

Al doilea postulat:în toate cadrele de referință inerțiale, viteza luminii în vid este aceeași și nu depinde de viteza de mișcare atât a sursei, cât și a receptorului de lumină. Această viteză este viteza limită a tuturor proceselor și mișcărilor însoțite de transfer de energie.

Legea relației dintre masă și energie

Mecanica relativistă- o ramură a mecanicii care studiază legile mișcării corpurilor cu viteze apropiate de viteza luminii.

Orice corp, datorită faptului existenței sale, are o energie proporțională cu masa de repaus.

Ce este teoria relativității (video)

Consecințele teoriei relativității

Relativitatea simultaneității. Simultaneitatea a două evenimente este relativă. Dacă evenimentele care au avut loc în puncte diferite, sunt simultane într-un cadru de referință inerțial, atunci pot să nu fie simultane în alte cadre de referință inerțiale.

Reducerea lungimii. Lungimea corpului, măsurată în cadrul de referință K", în care se află în repaus, este mai mare decât lungimea din cadrul de referință K, față de care K" se mișcă cu viteza v de-a lungul axei Ox:

Încetinirea timpului. Intervalul de timp măsurat de ceas, care este staționar în cadrul inerțial de referință K", este mai mic decât intervalul de timp măsurat în cadrul inerțial de referință K, în raport cu care K" se mișcă cu viteza v:

Teoria relativitatii

material din cartea „Cea mai scurtă istorie a timpului” de Stephen Hawking și Leonard Mlodinov

relativitatea

Postulatul fundamental al lui Einstein, numit principiul relativității, afirmă că toate legile fizicii trebuie să fie aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. Dacă viteza luminii este o valoare constantă, atunci orice observator care se mișcă liber ar trebui să fixeze aceeași valoare, indiferent de viteza cu care se apropie de sursa de lumină sau se îndepărtează de ea.

Cerința ca toți observatorii să fie de acord cu privire la viteza luminii obligă la o schimbare a conceptului de timp. Conform teoriei relativității, un observator care merge într-un tren și unul care stă pe o platformă nu vor fi de acord cu privire la distanța parcursă de lumină. Și, deoarece viteza este distanța împărțită în timp, singura modalitate prin care observatorii sunt de acord cu privire la viteza luminii este să nu fie de acord și asupra timpului. Cu alte cuvinte, relativitatea a pus capăt ideii de timp absolut! S-a dovedit că fiecare observator trebuie să aibă propria lui măsură a timpului și că ceasurile identice pentru diferiți observatori nu ar arăta neapărat aceeași oră.

Spunând că spațiul are trei dimensiuni, ne referim la faptul că poziția unui punct în el poate fi transmisă folosind trei numere - coordonate. Dacă introducem timpul în descrierea noastră, obținem un spațiu-timp cu patru dimensiuni.

O altă consecință binecunoscută a teoriei relativității este echivalența masei și energiei, exprimată prin celebra ecuație Einstein E = mc2 (unde E este energia, m este masa corpului, c este viteza luminii). Având în vedere echivalența energiei și a masei, energia cinetică pe care o posedă un obiect material în virtutea mișcării sale își mărește masa. Cu alte cuvinte, obiectul devine mai dificil de overclockat.

Acest efect este semnificativ doar pentru corpurile care se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii. De exemplu, la o viteză egală cu 10% din viteza luminii, masa corpului va fi cu doar 0,5% mai mare decât în ​​repaus, dar la o viteză de 90% din viteza luminii, masa va fi deja mai mare. decât de două ori mai mult decât normal. Pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, masa corpului crește din ce în ce mai rapid, astfel încât este necesară din ce în ce mai multă energie pentru a-l accelera. Conform teoriei relativității, un obiect nu poate atinge niciodată viteza luminii, deoarece în acest caz masa lui ar deveni infinită, iar datorită echivalenței masei și energiei, aceasta ar necesita energie infinită. De aceea, teoria relativității condamnă pentru totdeauna orice corp obișnuit să se miște cu o viteză mai mică decât viteza luminii. Doar lumina sau alte unde care nu au masă proprie se pot mișca cu viteza luminii.

spațiu curbat

Teoria generala Relativitatea lui Einstein se bazează pe presupunerea revoluționară că gravitația nu este o forță obișnuită, ci o consecință a faptului că spațiu-timp nu este plat, așa cum se credea în mod obișnuit. În relativitatea generală, spațiu-timpul este îndoit sau deformat de masa și energia plasate în el. Corpuri precum Pământul se mișcă pe orbite curbe, nu sub influența unei forțe numite gravitație.

Deoarece linia geodezică este cea mai scurtă linieîntre două aeroporturi, navigatorii zboară cu avioane de-a lungul unor astfel de rute. De exemplu, puteți urmări o busolă pentru a zbura 5.966 de kilometri de la New York la Madrid aproape spre est de-a lungul paralelei geografice. Dar trebuie să parcurgeți doar 5802 de kilometri dacă zburați într-un cerc mare, mai întâi spre nord-est și apoi cotind treptat spre est și mai departe spre sud-est. Apariția acestor două rute pe hartă, unde suprafața pământului este distorsionată (reprezentată ca plată), este înșelătoare. Când vă deplasați „drept” spre est de la un punct la altul de pe suprafața globului, nu vă deplasați cu adevărat de-a lungul unei linii drepte, sau mai degrabă, nu de-a lungul celei mai scurte linii geodezice.

Dacă traiectoria nava spatiala, care se deplasează în spațiu în linie dreaptă, proiectată pe suprafața bidimensională a Pământului, se dovedește că este curbată.

Conform relativității generale, câmpurile gravitaționale ar trebui să îndoaie lumina. De exemplu, teoria prezice că lângă Soare, razele de lumină ar trebui să fie ușor îndoite în direcția sa sub influența masei stelei. Aceasta înseamnă că lumina unei stele îndepărtate, dacă se întâmplă să treacă în apropierea Soarelui, se va abate cu un unghi mic, datorită căruia un observator de pe Pământ va vedea steaua nu chiar acolo unde se află de fapt.

Amintiți-vă că, în conformitate cu postulatul de bază al teoriei relativității speciale, toate legile fizice sunt aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. În linii mari, principiul echivalenței extinde această regulă la acei observatori care nu se mișcă liber, ci sub influența unui câmp gravitațional.

În regiuni suficient de mici ale spațiului, este imposibil să judeci dacă ești în repaus într-un câmp gravitațional sau dacă te miști cu accelerație constantăîn spațiul gol.

Imaginați-vă că vă aflați într-un lift în mijlocul unui spațiu gol. Nu există gravitație, nu există sus și jos. Plutești liber. Apoi liftul începe să se miște cu o accelerație constantă. Simți brusc greutate. Adică ești apăsat de unul dintre pereții liftului, care acum este perceput ca un etaj. Dacă ridici un măr și îi dai drumul, acesta va cădea pe podea. De fapt, acum când te miști cu accelerație, în interiorul liftului totul se va întâmpla exact în același mod ca și cum liftul nu s-ar fi mișcat deloc, ci s-ar odihni într-un câmp gravitațional uniform. Einstein și-a dat seama că, la fel cum nu poți spune când te afli într-un vagon de tren dacă acesta este staționar sau se mișcă uniform, tot așa și atunci când te afli în interiorul unui lift nu poți spune dacă acesta se mișcă cu o accelerație constantă sau dacă se află într-un câmp gravitațional uniform. Rezultatul acestei înțelegeri a fost principiul echivalenței.

Principiul echivalenţei şi exemplul dat al manifestării sale vor fi valabile numai dacă masa inerțială(incluse în a doua lege a lui Newton, care determină cât de multă accelerație este dată corpul de forța aplicată acestuia) și masa gravitațională (inclusă în legea gravitațională a lui Newton, care determină mărimea atracției gravitaționale) sunt una și aceeași.

Utilizarea de către Einstein a echivalenței inert și masa gravitațională pentru derivarea principiului echivalenței și, în cele din urmă, a întregii teorii a relativității generale - acesta este un exemplu de dezvoltare persistentă și consecventă a concluziilor logice, fără precedent în istoria gândirii umane.

Încetinirea timpului

O altă predicție a relativității generale este că în jurul unor corpuri masive precum Pământul, timpul ar trebui să încetinească.

Acum că suntem familiarizați cu principiul echivalenței, putem urma raționamentul lui Einstein făcând un alt experiment de gândire care arată de ce gravitația afectează timpul. Imaginează-ți o rachetă care zboară în spațiu. Pentru comoditate, vom presupune că corpul său este atât de mare încât este nevoie de o secundă întreagă pentru ca lumina să treacă de-a lungul lui de sus în jos. Și, în cele din urmă, să presupunem că există doi observatori în rachetă: unul în sus, lângă tavan, celălalt în jos, pe podea, și ambii sunt echipați cu aceleasi ore, conducând numărătoarea inversă a secundelor.

Să presupunem că observatorul superior, după ce a așteptat numărătoarea inversă a ceasului său, trimite imediat un semnal luminos celui de jos. La următoarea numărătoare, trimite un al doilea semnal. Conform condițiilor noastre, va dura o secundă pentru ca fiecare semnal să ajungă la observatorul inferior. Deoarece observatorul superior trimite două semnale luminoase cu un interval de o secundă, observatorul inferior le va înregistra și el cu același interval.

Ce se va schimba dacă, în acest experiment, în loc să plutească liber în spațiu, racheta va sta pe Pământ, experimentând acțiunea gravitației? Conform teoriei lui Newton, gravitația nu va afecta situația în niciun fel: dacă observatorul de deasupra transmite semnale la intervale de o secundă, atunci observatorul de dedesubt le va primi la același interval. Dar principiul echivalenței prezice o dezvoltare diferită a evenimentelor. Pe care, o putem înțelege dacă, în conformitate cu principiul echivalenței, înlocuim mental acțiunea gravitației cu o accelerație constantă. Acesta este un exemplu al modului în care Einstein a folosit principiul echivalenței pentru a crea noua sa teorie a gravitației.

Deci, să presupunem că racheta noastră accelerează. (Vom presupune că accelerează încet, astfel încât viteza sa să nu se apropie de viteza luminii.) Deoarece corpul rachetei se mișcă în sus, primul semnal va trebui să parcurgă o distanță mai mică decât înainte (înainte de a începe accelerația), și va ajunge la observatorul inferior înainte de a-mi da o secundă. Dacă racheta s-ar deplasa cu o viteză constantă, atunci al doilea semnal ar ajunge exact în aceeași cantitate mai devreme, astfel încât intervalul dintre cele două semnale ar rămâne egal cu o secundă. Dar în momentul trimiterii celui de-al doilea semnal, din cauza accelerației, racheta se mișcă mai repede decât în ​​momentul trimiterii primului, așa că al doilea semnal va parcurge o distanță mai mică decât primul și va dura și mai puțin. Observatorul de mai jos, verificându-și ceasul, va observa că intervalul dintre semnale este mai mic de o secundă și va fi în dezacord cu observatorul de mai sus, care susține că a trimis semnale exact o secundă mai târziu.

În cazul unei rachete cu accelerare, acest efect probabil nu ar trebui să fie deosebit de surprinzător. La urma urmei, tocmai am explicat-o! Dar amintiți-vă: principiul echivalenței spune că același lucru se întâmplă atunci când racheta este în repaus într-un câmp gravitațional. Prin urmare, chiar dacă racheta nu accelerează, ci, de exemplu, stă pe rampa de lansare de pe suprafața Pământului, semnalele trimise de observatorul superior la intervale de secundă (în funcție de ceasul său) vor ajunge la observator inferior la un interval mai scurt (după ceasul său) . Acest lucru este cu adevărat uimitor!

Gravitația schimbă cursul timpului. Așa cum relativitatea specială ne spune că timpul trece diferit pentru observatorii care se mișcă unul față de celălalt, relativitatea generală ne spune că timpul trece diferit pentru observatorii din câmpuri gravitaționale diferite. Conform teoriei generale a relativității, observatorul inferior înregistrează un interval mai scurt între semnale, deoarece timpul curge mai lent lângă suprafața Pământului, deoarece gravitația este mai puternică aici. Cu cât câmpul gravitațional este mai puternic, cu atât este mai mare acest efect.

Ceasul nostru biologic răspunde și la schimbările în trecerea timpului. Dacă unul dintre gemeni locuiește pe un vârf de munte, iar celălalt la malul mării, primul va îmbătrâni mai repede decât al doilea. În acest caz, diferența de vârste va fi neglijabilă, dar va crește semnificativ de îndată ce unul dintre gemeni pleacă într-o călătorie lungă într-o navă spațială care accelerează la o viteză apropiată de viteza luminii. Când rătăcitorul se va întoarce, va fi mult mai tânăr decât fratele său, care a rămas pe Pământ. Acest caz este cunoscut sub numele de paradoxul gemenilor, dar este doar un paradox pentru cei care se țin de ideea timpului absolut. În teoria relativității nu există un timp absolut unic - fiecare individ are propria sa măsură de timp, care depinde de locul în care se află și de cum se mișcă.

Odată cu apariția sistemelor de navigație ultra-precise care primesc semnale de la sateliți, diferența de frecvență a ceasului la diferite altitudini a devenit de importanță practică. Dacă echipamentul ar ignora predicțiile relativității generale, eroarea în determinarea poziției ar putea ajunge la câțiva kilometri!

Apariția teoriei generale a relativității a schimbat radical situația. Spațiul și timpul au dobândit statutul de entități dinamice. Când corpurile se mișcă sau acționează forțele, ele provoacă curbura spațiului și timpului, iar structura spațiu-timpului, la rândul său, afectează mișcarea corpurilor și acțiunea forțelor. Spațiul și timpul nu afectează doar tot ceea ce se întâmplă în univers, dar ele însele depind de toate acestea.

Timp în jurul unei găuri negre

Imaginați-vă un astronaut îndrăzneț care rămâne pe suprafața unei stele care se prăbușește în timpul unui colaps cataclismic. La un moment dat din ceasul său, să zicem la ora 11:00, steaua se va micșora la o rază critică, dincolo de care câmpul gravitațional devine atât de puternic încât este imposibil să scapi de el. Acum să presupunem că astronautul este instruit să trimită un semnal în fiecare secundă pe ceasul său către o navă spațială care se află pe orbită la o anumită distanță fixă ​​de centrul stelei. Începe să transmită semnale la 10:59:58, adică cu două secunde înainte de 11:00. Ce va înregistra echipajul la bordul navei spațiale?

Mai devreme, după ce am făcut un experiment de gândire cu transmiterea semnalelor luminoase în interiorul unei rachete, am fost convinși că gravitația încetinește timpul și cu cât este mai puternică, cu atât efectul este mai semnificativ. Un astronaut de pe suprafața unei stele se află într-un câmp gravitațional mai puternic decât omologii săi de pe orbită, așa că o secundă pe ceasul său va dura mai mult decât o secundă pe ceasul navei. Pe măsură ce astronautul se deplasează cu suprafața spre centrul stelei, câmpul care acționează asupra lui devine din ce în ce mai puternic, astfel încât intervalele dintre semnalele sale primite la bordul navei se prelungesc constant. Această dilatare a timpului va fi foarte mică până la ora 10:59:59, deci pentru astronauții aflați pe orbită, intervalul dintre semnalele transmise la 10:59:58 și 10:59:59 va fi cu puțin mai mult de o secundă. Dar semnalul trimis la 11:00 nu va fi așteptat pe navă.

Orice se întâmplă pe suprafața unei stele între 10:59:59 și 11:00, conform ceasului astronautului, va fi întins pe o perioadă infinită de timp de ceasul navei spațiale. Pe măsură ce ne apropiem de ora 11:00, intervalele dintre sosirea crestelor și jgheaburilor succesive ale undelor luminoase emise de stea vor deveni din ce în ce mai lungi; la fel se va întâmpla cu intervalele de timp dintre semnalele astronautului. Deoarece frecvența radiației este determinată de numărul de creste (sau jgheaburi) care vin pe secundă, nava spațială va înregistra frecvența din ce în ce mai mică a radiației stelei. Lumina stelei va deveni din ce în ce mai înroșită și se va estompa în același timp. În cele din urmă, steaua se va estompa atât de mult încât va deveni invizibilă pentru observatorii navelor spațiale; tot ce rămâne este o gaură neagră în spațiu. Cu toate acestea, efectul gravitației stelei asupra navei spațiale va continua și va continua să orbiteze.

Se spune că epifania i-a venit lui Albert Einstein într-o clipă. Omul de știință ar fi mers cu tramvaiul în Berna (Elveția), s-a uitat la ceasul străzii și și-a dat brusc seama că, dacă tramvaiul ar accelera acum la viteza luminii, atunci, în percepția lui, acest ceas s-ar opri - și nu ar mai fi timp în jur. Acest lucru l-a condus la formularea unuia dintre postulatele centrale ale relativității - că diferiți observatori percep realitatea în mod diferit, inclusiv cantități fundamentale precum distanța și timpul.

În termeni științifici, în acea zi, Einstein și-a dat seama că descrierea oricărui eveniment sau fenomen fizic depinde de sisteme de referință unde se află observatorul. Dacă un pasager de tramvai, de exemplu, scăpa ochelarii, atunci pentru ea vor cădea vertical în jos, iar pentru un pieton care stă pe stradă, ochelarii vor cădea în parabolă, deoarece tramvaiul se mișcă în timp ce ochelarii cad. Fiecare are propriul sistem de referință.

Dar deși descrierile evenimentelor se schimbă la trecerea de la un cadru de referință la altul, există și lucruri universale care rămân neschimbate. Dacă, în loc să descriem căderea ochelarilor, întrebăm despre legea naturii care îi face să cadă, atunci răspunsul la aceasta va fi același pentru un observator într-un sistem de coordonate fix și pentru un observator într-un sistem de coordonate în mișcare. Legea circulatiei distribuite este valabila in egala masura atat pe strada cat si in tramvai. Cu alte cuvinte, în timp ce descrierea evenimentelor depinde de observator, legile naturii nu depind de el, adică, după cum se spune în limbajul științific, ele sunt invariant. Acesta este ce principiul relativității.

Ca orice ipoteză, principiul relativității trebuia testat prin corelarea lui cu realul fenomene naturale. Einstein a derivat două teorii separate (deși înrudite) din principiul relativității. Teoria specială sau privată a relativității pornește de la poziția că legile naturii sunt aceleași pentru toate cadrele de referință care se mișcă cu o viteză constantă. Teoria generală a relativității extinde acest principiu la orice cadru de referință, inclusiv la cele care se mișcă cu accelerație. Teoria specială a relativității a fost publicată în 1905, iar teoria generală a relativității, mai complexă din punct de vedere matematic, a fost finalizată de Einstein până în 1916.

Teoria specială a relativității

Cele mai multe dintre efectele paradoxale și contrare ideilor intuitive despre lume, care apar atunci când se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii, sunt prezise tocmai de teoria relativității speciale. Cel mai faimos dintre acestea este efectul de încetinire a ceasului, sau efect de dilatare a timpului. Un ceas care se mișcă în raport cu un observator merge mai lent pentru el decât exact același ceas din mâinile lui.

Timpul într-un sistem de coordonate care se mișcă la viteze apropiate de viteza luminii este întins în raport cu observatorul, în timp ce extinderea (lungimea) spațială a obiectelor de-a lungul axei direcției de mișcare, dimpotrivă, este comprimată. Acest efect, cunoscut sub numele de Contracția Lorentz-Fitzgerald, a fost descrisă în 1889 de către fizicianul irlandez George Fitzgerald (George Fitzgerald, 1851-1901) și completată în 1892 de olandezul Hendrick Lorentz (1853-1928). Contracția Lorentz-Fitzgerald explică de ce experimentul Michelson-Morley pentru a determina viteza Pământului în spațiul cosmic prin măsurarea „vântului eteric” a dat un rezultat negativ. Mai târziu, Einstein a încorporat aceste ecuații în relativitatea specială și le-a completat cu o formulă similară de transformare a masei, conform căreia masa unui corp crește și ea pe măsură ce viteza corpului se apropie de viteza luminii. Deci, la o viteză de 260.000 km/s (87% din viteza luminii), masa unui obiect din punctul de vedere al unui observator într-un cadru de referință în repaus se va dubla.

De pe vremea lui Einstein, toate aceste predicții, oricât de contrare ar părea ele, au fost pe deplin și direct confirmate experimental. Într-unul dintre cele mai revelatoare experimente, oamenii de știință de la Universitatea din Michigan au plasat ceasuri atomice ultra-precise la bordul unui avion de linie care efectuează zboruri regulate transatlantice și, după fiecare întoarcere la aeroportul de origine, și-au comparat citirile cu ceasul de control. S-a dovedit că ceasul din avion rămânea treptat în urma controlului din ce în ce mai mult (dacă pot să spun așa, când vine vorba de fracțiuni de secundă). În ultima jumătate de secol, oamenii de știință au studiat particulele elementare pe complexe hardware uriașe numite acceleratoare. În ele, fasciculele de particule subatomice încărcate (cum ar fi protoni și electroni) sunt accelerate la viteze apropiate de viteza luminii, apoi sunt trase către diferite ținte nucleare. În astfel de experimente pe acceleratoare, este necesar să se ia în considerare creșterea masei particulelor accelerate - altfel rezultatele experimentului pur și simplu nu se vor preta interpretării rezonabile. Și în acest sens, teoria relativității speciale s-a mutat de mult de la categoria teoriilor ipotetice în domeniul instrumentelor de inginerie aplicată, unde este folosită la egalitate cu legile mecanicii lui Newton.

Revenind la legile lui Newton, aș dori să subliniez că teoria relativității speciale, deși contrazice în exterior legile mecanicii clasice newtoniene, de fapt reproduce aproape exact toate ecuațiile obișnuite ale legilor lui Newton, dacă este aplicată pentru a descrie corpurile care se mișcă la un viteză semnificativ mai mică decât viteza luminii. Adică, teoria relativității speciale nu anulează fizica newtoniană, ci o extinde și o completează.

Principiul relativității ajută, de asemenea, să înțelegem de ce viteza luminii, și nu alta, joacă un astfel de rol. rol importantîn acest model al structurii lumii – această întrebare este pusă de mulți dintre cei care au întâlnit prima dată teoria relativității. Viteza luminii iese în evidență și joacă un rol deosebit ca constantă universală, deoarece este determinată de o lege a științei naturii. În virtutea principiului relativității, viteza luminii în vid c este același în orice sistem de referință. Acest lucru, s-ar părea, este contrar bunului simț, deoarece se dovedește că lumina de la o sursă în mișcare (indiferent cât de repede se mișcă) și de la o sursă staționară ajung la observator în același timp. Totuși, așa este.

Datorită rolului său special în legile naturii, viteza luminii ocupă un loc central în teoria generală a relativității.

Teoria generală a relativității

Relativitatea generală este deja aplicată tuturor cadrelor de referință (și nu doar celor care se mișcă cu o viteză constantă unul față de celălalt) și pare din punct de vedere matematic mult mai complicat decât special (ceea ce explică intervalul de unsprezece ani dintre publicarea lor). Include ca caz special teoria relativității speciale (și deci legile lui Newton). În același timp, teoria generală a relativității merge mult mai departe decât toți predecesorii săi. În special, oferă o nouă interpretare a gravitației.

Teoria generală a relativității face lumea cu patru dimensiuni: timpul se adaugă la trei dimensiuni spațiale. Toate cele patru dimensiuni sunt inseparabile, deci vorbirea merge deja nu despre distanța spațială dintre două obiecte, așa cum este cazul în lumea tridimensională, ci despre intervalele spațiu-timp dintre evenimente care își unesc distanța unul față de celălalt – atât în ​​timp, cât și în spațiu. Adică, spațiul și timpul sunt considerate ca un continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni sau, pur și simplu, spațiu timp. Pe acest continuum, observatorii care se deplasează unul față de celălalt pot chiar să nu fie de acord cu privire la faptul dacă două evenimente s-au petrecut în același timp – sau unul l-a precedat pe celălalt. Din fericire pentru mintea noastră săracă, nu se ajunge la o încălcare a relațiilor cauzale - adică la existența unor sisteme de coordonate în care două evenimente nu au loc simultan și într-o secvență diferită, nici măcar teoria generală a relativității nu permite.

Lege gravitatie Newton ne spune că între oricare două corpuri din univers există o forță de atracție reciprocă. Din acest punct de vedere, Pământul se învârte în jurul Soarelui, deoarece între ele există forțe de atracție reciprocă. Relativitatea generală ne obligă însă să privim diferit acest fenomen. Conform acestei teorii, gravitația este o consecință a deformării („curbura”) țesăturii elastice spațiu-timp sub influența masei (în acest caz, cu cât corpul este mai greu, de exemplu Soarele, cu atât este mai mult spațiu-timp). „se îndoaie” sub el și, respectiv, cu cât forța gravitațională este mai puternică). câmp). Imaginați-vă o pânză întinsă strâns (un fel de trambulină), pe care este plasată o minge masivă. Pânza se deformează sub greutatea mingii, iar în jurul ei se formează o depresiune în formă de pâlnie. Conform teoriei generale a relativității, Pământul se învârte în jurul Soarelui ca o mică minge rostogolită în jurul conului unei pâlnii formată ca urmare a „lovirii” spațiu-timp de către o minge grea - Soarele. Și ceea ce ni se pare forța gravitației, de fapt, este, de fapt, pur manifestare exterioară curbură spațiu-timp și nu prin forță în sensul newtonian. Până în prezent, nu a fost găsită o explicație mai bună a naturii gravitației decât ne-o oferă teoria generală a relativității.

Testarea relativității generale este dificilă deoarece, în condiții normale de laborator, rezultatele sale sunt aproape identice cu cele prezise de legea gravitației universale a lui Newton. Cu toate acestea, au fost efectuate câteva experimente importante, iar rezultatele acestora ne permit să considerăm teoria confirmată. În plus, relativitatea generală ajută la explicarea fenomenelor pe care le observăm în spațiu, cum ar fi ușoarele abateri ale lui Mercur de la o orbită staționară care sunt inexplicabile din punctul de vedere al mecanicii clasice newtoniene sau curbura. radiatie electromagnetica stele îndepărtate pe măsură ce trece în imediata apropiere a Soarelui.

De fapt, rezultatele prezise de relativitatea generală diferă considerabil de rezultatele prezise de legile lui Newton numai în prezența câmpurilor gravitaționale superputernice. Aceasta înseamnă că un test complet al teoriei generale a relativității necesită fie măsurători ultra-precise ale obiectelor foarte masive, fie găuri negre, cărora nici una dintre ideile noastre intuitive obișnuite nu sunt aplicabile. Deci dezvoltarea de noi metode experimentale de testare a teoriei relativității rămâne una dintre cele mai importante sarcini critice fizica experimentala.

GR și RTG: Un accent

1. În nenumărate cărți - monografii, manuale și publicații de popularitate, precum și în diverse tipuri de articole - cititorii sunt obișnuiți să vadă referirile la teoria generală a relativității (GR) ca una dintre cele mai mari realizări ale secolului nostru, o remarcabilă teorie, un instrument indispensabil al fizicii și astronomiei moderne. Între timp, ei învață din articolul lui A. A. Logunov că, în opinia sa, relativitatea generală ar trebui abandonată, că este rea, inconsecventă și contradictorie. Prin urmare, relativitatea generală necesită înlocuirea cu o altă teorie și, în special, cu teoria relativistă a gravitației (RTG) construită de A. A. Logunov și colaboratorii săi.

Este posibil ca mulți oameni să se înșele în evaluarea relativității generale, care există și a fost studiată de mai bine de 70 de ani, și doar câțiva oameni, conduși de A. A. Logunov, au aflat într-adevăr că relativitatea generală ar trebui aruncată? Majoritatea cititorilor probabil așteaptă răspunsul: este imposibil. De fapt, nu pot răspunde decât invers: „așa” este în principiu posibil, pentru că nu vorbim despre religie, ci despre știință.

Fondatorii și profeții diferitelor religii și crezuri și-au creat și continuă să creeze propriile lor „cărți sfinte”, al căror conținut este declarat a fi adevărul suprem. Dacă cineva se îndoiește, cu atât mai rău pentru el, el devine un eretic cu consecințele care decurg, adesea chiar sângeroase. Și e mai bine să nu gândești deloc, ci să crezi, urmând formula cunoscută a unuia dintre liderii bisericii: „Cred, pentru că este absurd”. Viziunea științifică asupra lumii este fundamental opusă: cere să nu iei nimic de bun, îți permite să te îndoiești de tot, nu recunoaște dogmele. Sub influența unor fapte și considerații noi, este nu numai posibil, ci și necesar, dacă este justificat, să-și schimbe punctul de vedere, să înlocuiești o teorie imperfectă cu una mai perfectă sau, să zicem, să generalizezi cumva vechea teorie. Situația este similară pentru persoane fizice. Fondatorii crezurilor sunt considerați infailibili și, de exemplu, în rândul catolicilor, chiar și o persoană vie - Papa „domnitor” - este declarată infailibilă. Știința nu cunoaște infailibilul. Respectul mare, uneori chiar exclusivist, pe care fizicienii (voi vorbi de fizicieni pentru certitudine) îl au față de marii reprezentanți ai profesiei lor, în special față de asemenea titani precum Isaac Newton și Albert Einstein, nu are nimic de-a face cu canonizarea sfinților, cu îndumnezeire. Și marii fizicieni sunt oameni și toți oamenii au slăbiciunile lor. Dacă vorbim despre știință, care ne interesează aici, atunci cei mai mari fizicieni au fost departe de a fi întotdeauna și nu în totul drept, respectul față de ei și recunoașterea meritelor lor se bazează nu pe infailibilitate, ci pe faptul că au reușit să îmbogățească știința cu realizări remarcabile, pentru a vedea mai departe și mai adânc decât contemporanii lor.

2. Acum este necesar să ne oprim asupra cerințelor pentru teoriile fizice fundamentale. În primul rând, o astfel de teorie trebuie să fie completă în domeniul de aplicabilitate sau, așa cum voi spune în mod arbitrar pentru concizie, trebuie să fie consecventă. În al doilea rând, teoria fizică trebuie să fie adecvată realității fizice sau, mai simplu, să fie în concordanță cu experimentele și observațiile. S-ar putea menționa și alte cerințe, în primul rând, respectarea legilor și regulilor matematicii, dar toate acestea sunt subînțelese.

Să explicăm ceea ce s-a spus pe exemplul mecanicii clasice, non-relativiste - mecanica newtoniană aplicată la cea mai simplă problemă de principiu a mișcării unei particule „punctuale”. După cum se știe, rolul unei astfel de particule în problemele mecanicii cerești poate fi jucat de o planetă întreagă sau de satelitul său. Lasă pe moment t0 particula este într-un punct A cu coordonate x iA(t0) și are viteza v in absenta(t0) (Aici i= l, 2, 3, deoarece poziția unui punct în spațiu este caracterizată de trei coordonate, iar viteza este un vector). Atunci, dacă toate forțele care acționează asupra particulei sunt cunoscute, legile mecanicii ne permit să determinăm poziția Bși viteza particulelor v iîn orice moment ulterior din timp t, adică să găsească cantități bine definite xiB(t) și v iB(t). Și ce s-ar întâmpla dacă legile mecanicii folosite nu ar da un răspuns clar și, să zicem, în exemplul nostru ar fi prezis că particula în acest moment t poate fi fie la punct B, sau într-un punct complet diferit C? Este clar că o astfel de teorie clasică (non-cuantică) ar fi incompletă, sau, în terminologia menționată, inconsistentă. Ar trebui fie completat, făcându-l fără ambiguitate, fie eliminat complet. Mecanica lui Newton, așa cum s-a spus, este consecventă - oferă răspunsuri clare și destul de precise la întrebările care sunt în domeniul competenței și aplicabilității sale. Mecanica lui Newton satisface, de asemenea, a doua cerință menționată - rezultatele obținute pe baza ei (și, în special, valorile coordonatelor x i(t) și viteza v i (t)) sunt în concordanță cu observațiile și experimentele. De aceea, toată mecanica cerească - descrierea mișcării planetelor și a sateliților acestora - deocamdată s-a bazat în întregime, și cu deplin succes, pe mecanica newtoniană.

3. Dar în 1859, Le Verrier a descoperit că mișcarea planetei cea mai apropiată de Soare – Mercur este oarecum diferită de cea prezisă de mecanica lui Newton. Mai exact, s-a dovedit că periheliul - punctul al orbitei eliptice a planetei cel mai apropiat de Soare - se rotește cu o viteză unghiulară de 43 de secunde de arc pe secol, care diferă de cea la care s-ar fi așteptat luând în considerare toate perturbațiile cunoscute de la alte planete și sateliții lor. Chiar și mai devreme, Le Verrier și Adams s-au confruntat cu o situație similară, de fapt, atunci când au analizat mișcarea lui Uranus, cea mai îndepărtată planetă de Soare dintre toate cele cunoscute la acea vreme. Și au găsit o explicație pentru discrepanța dintre calcule și observații, sugerând că mișcarea lui Uranus este influențată și mai mult. planetă îndepărtată numit Neptun. În 1846, Neptun a fost într-adevăr descoperit în locația prezisă, iar acest eveniment este considerat pe bună dreptate un triumf al mecanicii newtoniene. Este destul de firesc ca Le Verrier să încerce să explice anomalia menționată în mișcarea lui Mercur prin existența unei planete încă necunoscute - în acest caz, o anume planetă Vulcan, deplasându-se și mai aproape de Soare. Dar a doua oară „trucul a eșuat” - nu există Vulcan. Apoi au început să încerce să schimbe legea newtoniană a gravitației universale, conform căreia forța gravitațională aplicată sistemului Soare-planetă se schimbă conform legii.

unde ε este o cantitate mică. Apropo, o tehnică similară este folosită astăzi (deși fără succes) pentru a explica unele întrebări obscure ale astronomiei (vorbim despre problema masei ascunse; vezi, de exemplu, cartea autorului „Despre fizică și astrofizică”, citată mai jos. , p. 148). Dar pentru ca o ipoteză să se dezvolte într-o teorie, este necesar să se pornească de la unele principii, să se indice valoarea parametrului ε și să se construiască o schemă teoretică consistentă. Nimeni nu a reușit acest lucru, iar problema rotației periheliului lui Mercur a rămas deschisă până în 1915. Atunci, în apogeul Primului Război Mondial, când atât de puțini erau interesați de problemele abstracte ale fizicii și astronomiei, Einstein a finalizat (după aproximativ 8 ani de eforturi obositoare) crearea teoriei generale a relativității. Această ultimă etapă în construirea bazei relativității generale a fost acoperită în trei articole scurte raportate și scrise în noiembrie 1915. În al doilea dintre ele, raportat pe 11 noiembrie, Einstein, pe baza relativității generale, a calculat o rotație suplimentară a periheliului lui Mercur în comparație cu cea newtoniană, care s-a dovedit a fi egală (în radiani pentru o revoluție a planetei în jurul valorii de soarele)

Și c= 3 10 10 cm s –1 este viteza luminii. Trecând la ultima expresie (1), a fost folosită a treia lege a lui Kepler

A 3 =	GM ☼	T 2
	4π 2

Unde T este perioada orbitală a planetei. Dacă înlocuim cele mai cunoscute valori curente ale tuturor mărimilor în formula (1) și, de asemenea, facem o recalculare elementară de la radiani pe rotație la rotație în secunde de arc (semnul ″) pe secol, atunci vom ajunge la valoarea Ψ = 42″.98 / secol. Observațiile sunt de acord cu acest rezultat cu acuratețea actuală de aproximativ ± 0″.1 / secol (Einstein în prima sa lucrare a folosit date mai puțin precise, dar în limitele erorii a obținut acordul deplin între teorie și observații). Formula (1) este dată mai sus, în primul rând, pentru a clarifica simplitatea sa, care este atât de des absentă în teoriile fizice complexe din punct de vedere matematic, inclusiv în multe cazuri în relativitatea generală. În al doilea rând, și cel mai important, este clar din (1) că rotația periheliului decurge din relativitatea generală fără a fi nevoie să implice noi constante sau parametri necunoscuti. Prin urmare, rezultatul obținut de Einstein a devenit un adevărat triumf al relativității generale.

În cele mai bune din mine biografii celebre Einstein exprimă și susține opinia că explicația rotației periheliului lui Mercur a fost „cel mai puternic eveniment emoțional din întreg viata stiintifica Einstein, și poate pentru întreaga lui viață. Da, a fost cea mai frumoasă oră a lui Einstein. Dar doar pentru el. Din mai multe motive (suficient să menționăm războiul), pentru ca GR însuși să intre pe scena mondială atât pentru această teorie, cât și pentru creatorul ei, un alt eveniment care a avut loc 4 ani mai târziu, în 1919, a devenit lucrarea „punctul culminant”. în care s-a obţinut formula (1), a făcut Einstein predicție importantă: razele de lumină care trec lângă soare trebuie să fie îndoite, iar deviația lor trebuie să fie

α = 4GM ☼ = 1″,75 r ☼ , c 2 r r

(2)

Unde r este cea mai apropiată distanță dintre fascicul și centrul Soarelui și r☼ = 6,96 10 10 cm este raza Soarelui (mai exact, raza fotosferei solare); astfel, abaterea maximă care poate fi observată este de 1,75 secunde de arc. Oricât de mic este un astfel de unghi (aproximativ în acest unghi un adult este vizibil de la o distanță de 200 km), acesta putea fi măsurat deja la acel moment prin metoda optică prin fotografiarea stelelor de pe cer în vecinătatea Soarelui. . Astfel de observații au fost făcute de două expediții britanice în timpul unei eclipse totale de soare pe 29 mai 1919. Efectul deviației razelor în câmpul solar a fost stabilit cu toată certitudinea și este în acord cu formula (2), deși acuratețea măsurătorilor din cauza micii efectului a fost scăzută. Cu toate acestea, a fost exclusă o abatere jumătate față de cea conform (2), adică cu 0″.87. Acesta din urmă este foarte important, deoarece abaterea cu 0″.87 (cu r = r☼) poate fi obținut deja din teoria newtoniană (însăși posibilitatea deviației luminii în câmpul gravitațional a fost remarcată de Newton, iar expresia unghiului de deviere, jumătate din cea conform formulei (2), a fost obținută în 1801; un alt lucru este că această predicție a fost uitată și Einstein nu a știut despre ea). La 6 noiembrie 1919, rezultatele expedițiilor au fost raportate la Londra la o reuniune comună a Societății Regale și a Societății Regale de Astronomie. Ce impresie au făcut ei este clar din ceea ce J. J. Thomson, care a prezidat această întâlnire, a spus: „Acesta este cel mai important rezultat obținut în legătură cu teoria gravitației încă de pe vremea lui Newton... Reprezintă una dintre cele mai mari realizări ale omului. gând."

Efectele relativității generale în sistemul solar, așa cum am văzut, sunt foarte mici. Acest lucru se explică prin faptul că câmpul gravitațional al Soarelui (ca să nu mai vorbim de planete) este slab. Acesta din urmă înseamnă că potențialul gravitațional newtonian al Soarelui

Să ne amintim acum rezultatul cunoscut de la cursul școlar de fizică: pentru orbitele circulare ale planetelor |φ ☼ | = v 2 , unde v este viteza planetei. Prin urmare, slăbiciunea câmpului gravitațional poate fi caracterizată printr-un parametru mai ilustrativ v 2 / c 2 , care pentru sistemul solar, după cum am văzut, nu depășește 2,12 10 - 6 . Pe orbita pământului v = 3 10 6 cm s - 1 și v 2 / c 2 \u003d 10 - 8, pentru sateliți Pământeni apropiați v ~ 8 10 5 cm s - 1 și v 2 / c 2 ~ 7 10 - 10 . Prin urmare, verificarea efectelor menționate ale relativității generale chiar și cu acuratețea de 0,1% realizată acum, adică cu o eroare care nu depășește 10 - 3 din valoarea măsurată (să zicem, abaterea razelor de lumină în câmpul solar), nu nu permit încă o verificare cuprinzătoare a relativității generale cu o acuratețe a termenilor ordinului

Se poate doar visa să măsoare cu exactitatea necesară, să zicem, devierea razelor în sistemul solar. Cu toate acestea, proiectele de experimente corespunzătoare sunt deja discutate. În legătură cu cele spuse, fizicienii spun că relativitatea generală a fost verificată în principal doar pentru un câmp gravitațional slab. Dar noi (eu, în orice caz) nu am observat cumva nici măcar o circumstanță importantă destul de mult timp. După lansarea primului satelit de pe Pământ, pe 4 octombrie 1957, navigația spațială a început să se dezvolte rapid. Pentru a ateriza instrumente pe Marte și Venus, atunci când zboară lângă Phobos etc., sunt necesare calcule cu o precizie de până la metri (la distanțe față de Pământ de ordinul a o sută de miliarde de metri), când efectele relativității generale sunt destul de semnificativ. Prin urmare, calculele sunt acum efectuate pe baza unor scheme de calcul care iau în considerare organic relativitatea generală. Îmi amintesc cum în urmă cu câțiva ani un vorbitor - un specialist în navigație spațială - nici măcar nu a înțeles întrebările mele despre acuratețea testării relativității generale. El a răspuns: luăm în considerare relativitatea generală în calculele noastre de inginerie, altfel este imposibil de lucrat, totul iese corect, ce ți-ai putea dori mai mult? Desigur, se poate dori mult, dar nu trebuie uitat că relativitatea generală nu mai este o teorie abstractă, ci este folosită în „calculele inginerești”.

4. În lumina celor de mai sus, critica A. A. Logunov la adresa GRT pare deosebit de surprinzătoare. Dar conform celor spuse la începutul acestui articol, această critică nu poate fi respinsă fără analiză. Chiar mai imposibil fără analiză detaliată exprima o judecată despre RTG-ul propus de A. A. Logunov – teoria relativistă a gravitației.

Din păcate, este absolut imposibil să se efectueze o astfel de analiză pe paginile publicațiilor populare. În articolul său, A. A. Logunov, de fapt, declară și comentează doar poziția sa. Nu există altă cale prin care pot face aici.

Așadar, credem că GR este o teorie fizică consecventă – GR oferă un răspuns fără ambiguitate la toate întrebările puse corect și clar care sunt admisibile în domeniul aplicabilității sale (aceasta din urmă se referă, în special, la timpul de întârziere al semnalelor în locația planetelor). Nu suferă de relativitate generală și de orice defecte de natură matematică sau logică. Cu toate acestea, este necesar să clarificăm ce se înțelege mai sus atunci când se folosește pronumele „noi”. „Noi” sunt, desigur, eu însumi, dar și toți acei fizicieni sovietici și străini cu care a trebuit să discut despre relativitatea generală și, în unele cazuri, despre critica ei de către A. A. Logunov. Marele Galileo spunea cu patru secole în urmă: în probleme de știință, părerea unuia este mai valoroasă decât opinia a o mie. Cu alte cuvinte, litigiile științifice nu se rezolvă cu majoritate de voturi. Dar, pe de altă parte, este destul de evident că opinia multor fizicieni, în general vorbind, este mult mai convingătoare, sau, mai bine spus, mai de încredere și mai serioasă, decât opinia unui fizician. Prin urmare, trecerea de la „eu” la „noi” este importantă aici.

Va fi util și potrivit, sper, să mai facem câteva observații.

De ce AA Logunov nu-i place atât de mult GR? Motivul principal este că în relativitatea generală, în general vorbind, nu există un concept de energie și impuls în forma cunoscută nouă din electrodinamică și, în cuvintele sale, există un refuz „de la reprezentarea câmpului gravitațional ca un câmp clasic al lui Faraday. -Tipul Maxwell, care are o densitate energetică bine definită -impuls. Da, acesta din urmă este adevărat într-un anumit sens, dar se explică prin faptul că „în geometria riemanniană, în cazul general, nu există o simetrie necesară în ceea ce privește deplasările și rotațiile, adică nu există... grup de mișcare spațiu-timp.” Geometria spațiu-timpului, conform relativității generale, este o geometrie riemanniană. De aceea, în special, razele de lumină se abat de la o linie dreaptă, trecând lângă Soare.

Una dintre cele mai mari realizări ale matematicii din secolul trecut a fost crearea și dezvoltarea geometriei non-euclidiene de către Lobachevsky, Bolyai, Gauss, Riemann și adepții lor. Atunci a apărut întrebarea: care este de fapt geometria spațiului-timp fizic în care trăim? După cum sa spus, conform GR, această geometrie este non-euclidiană, riemanniană și nu geometria pseudo-euclidiană a lui Minkowski (această geometrie este descrisă mai detaliat în articolul lui A. A. Logunov). Această geometrie a lui Minkowski a fost, s-ar putea spune, un produs al teoriei speciale a relativității (SRT) și a înlocuit timpul absolut și spațiul absolut al lui Newton. Acesta din urmă, imediat înainte de crearea SRT în 1905, a fost încercat să fie identificat cu eterul fix al lui Lorentz. Dar eterul Lorentz, ca mediu mecanic absolut imobil, a fost abandonat deoarece toate încercările de a observa prezența acestui mediu au fost eșuate (mă refer la experimentul lui Michelson și la alte experimente). Ipoteza că spațiul-timp fizic este în mod necesar exact spațiul Minkowski, care este acceptat de A. A. Logunov ca fundamental, este de mare anvergură. Este într-un sens analog cu ipotezele despre spațiul absolut și despre eterul mecanic și ni se pare că rămâne și va rămâne complet neîntemeiat până când orice argumente bazate pe observații și experimente vor fi indicate în favoarea sa. Și astfel de argumente, cel puțin în prezent, lipsesc cu desăvârșire. Referirile la analogia cu electrodinamica și la idealurile remarcabililor fizicieni ai secolului trecut Faraday și Maxwell nu sunt convingătoare în acest sens.

5. Dacă vorbim despre diferența dintre câmpul electromagnetic și, în consecință, electrodinamică și câmpul gravitațional (GR este tocmai teoria unui astfel de câmp), atunci trebuie reținut următoarele. Alegând un sistem de referință, este imposibil să distrugi (să treci la zero) chiar și local (într-o zonă mică) întregul câmp electromagnetic. Prin urmare, dacă densitatea de energie a câmpului electromagnetic

W =	E 2 + H 2
	8π

(EȘi H- intensitatea câmpurilor electrice și respectiv magnetice) este nenulă în orice cadru de referință, atunci va fi nenulă în orice alt cadru de referință. Câmpul gravitațional, aproximativ vorbind, depinde mult mai puternic de alegerea cadrului de referință. Deci, un câmp gravitațional uniform și constant (adică un câmp gravitațional care provoacă accelerație g particulele plasate în el, independent de coordonate și timp) pot fi complet „distruse” (transformate la zero) prin trecerea la un sistem de referință uniform accelerat. Această împrejurare, care este principalul conținut fizic al „principiului echivalenței”, a fost observată pentru prima dată de Einstein într-un articol publicat în 1907 și care a fost primul în drumul spre crearea relativității generale.

Dacă nu există câmp gravitațional (în special, accelerația pe care o provoacă g este egală cu zero), atunci și densitatea energiei corespunzătoare acesteia este egală cu zero. Din aceasta este clar că în problema densității energiei (și impulsului) teoria câmpului gravitațional trebuie să difere radical de teoria câmpului electromagnetic. O astfel de afirmație nu se modifică datorită faptului că, în general, câmpul gravitațional nu poate fi „distrus” prin alegerea cadrului de referință.

Einstein a înțeles acest lucru chiar înainte de 1915, când a finalizat crearea relativității generale. Astfel, în 1911, el scria: „Desigur, este imposibil să înlocuiești orice câmp gravitațional cu starea de mișcare a unui sistem fără câmp gravitațional, la fel cum este imposibil să transformi toate punctele unui mediu care se mișcă arbitrar pentru a se odihni prin înseamnă o transformare relativistă.” Și iată un fragment dintr-un articol din 1914: „Vom mai face mai întâi o remarcă pentru a elimina neînțelegerea evidentă. susținător al obișnuitului teoria modernă relativitatea (vorbim despre SRT - V.L.G.) cu un anumit drept numește viteza „aparentă” a unui punct material. Și anume, el poate alege cadrul de referință astfel încât punctul material să aibă o viteză egală cu zero în momentul considerat. Dacă există un sistem de puncte materiale care au viteze diferite, atunci el nu mai poate introduce un astfel de sistem de referință încât vitezele tuturor punctelor materiale în raport cu acest sistem să dispară. În mod similar, un fizician, din punctul nostru de vedere, poate numi câmpul gravitațional „aparent” deoarece, prin alegerea corespunzătoare a accelerației cadrului de referință, el poate realiza ca la un anumit punct în spațiu-timp câmpul gravitațional să dispară. Cu toate acestea, este de remarcat faptul că dispariția câmpului gravitațional prin transformare în cazul general nu poate fi realizată pentru câmpurile gravitaționale extinse. De exemplu, câmpul gravitațional al Pământului nu poate fi egalat cu zero prin alegerea unui cadru de referință adecvat.” În cele din urmă, deja în 1916, răspunzând criticii la adresa relativității generale, Einstein a subliniat încă o dată același lucru: „În niciun fel nu se poate argumenta și că câmpul gravitațional este explicat într-o oarecare măsură pur cinematic: un „cinematic, non-dinamic”. înțelegerea gravitației” este imposibilă. Nu putem obține niciun câmp gravitațional prin simpla accelerare a unui sistem de coordonate galileian față de altul, deoarece în acest fel este posibil să obținem câmpuri doar cu o anumită structură, care, totuși, trebuie să respecte aceleași legi ca toate celelalte câmpuri gravitaționale. Aceasta este o altă formulare a principiului echivalenței (în special pentru aplicarea acestui principiu gravitației)."

Imposibilitatea unei „înțelegeri cinematice” a gravitației, combinată cu principiul echivalenței, determină trecerea în relativitate generală de la geometria pseudo-euclidiană a lui Minkowski la geometria riemanniană (în această geometrie, spațiu-timp are, în general, un -curbură zero; prezența unei astfel de curburi distinge câmpul gravitațional „adevărat” de „cinematic”). Caracteristicile fizice ale câmpului gravitațional determină, să repetăm ​​acest lucru, o schimbare radicală a rolului energiei și impulsului în relativitatea generală în comparație cu electrodinamica. În același timp, atât utilizarea geometriei riemanniane, cât și imposibilitatea aplicării conceptelor energetice familiare din electrodinamică nu împiedică, așa cum s-a subliniat deja mai sus, faptul că din relativitatea generală urmează și pot fi calculate valori destul de clare pentru toate observabile. cantități (unghiul de deviere al razelor de lumină, modificări ale elementelor orbitelor planetelor și pulsarilor dubli etc., etc.).

Ar fi probabil util de remarcat faptul că relativitatea generală poate fi formulată și în forma obișnuită din electrodinamică folosind conceptul de densitate energie-impuls (pentru aceasta, a se vedea articolul citat de Ya. B. Zeldovich și L. P. Grischuk. Cu toate acestea, introdus la În acest caz, spațiul Minkowski este pur fictiv (neobservabil), și vorbim doar despre aceeași relativitate generală, scrisă într-o formă nestandard. Între timp, repetăm ​​acest lucru, A. A. Logunov consideră spațiul Minkowski folosit de el. în teoria relativistă a gravitației (RTG) să fie fizic real și, prin urmare, spațiu observabil.

6. În acest sens, a doua dintre întrebările care apar în titlul acestui articol este deosebit de importantă: relativitatea generală corespunde realității fizice? Cu alte cuvinte, ce spune experiența – judecătorul suprem în a decide soarta oricărei teorii fizice? Numeroase articole și cărți sunt dedicate acestei probleme - verificarea experimentală a relativității generale. În acest caz, concluzia este destul de certă - toate datele disponibile ale experimentelor sau observațiilor fie confirmă GRT, fie nu o contrazic. Cu toate acestea, așa cum am subliniat deja, verificarea relativității generale a fost efectuată și are loc în principal numai într-un câmp gravitațional slab. În plus, orice experiment are o acuratețe limitată. În câmpuri gravitaționale puternice (în general, în cazul în care raportul |φ| / c 2 nu este mic; vezi mai sus) GR nu a fost încă pe deplin verificat. În acest scop, acum este posibil să se utilizeze practic doar metode astronomice referitoare la spațiul foarte îndepărtat: studiul stele neutronice, pulsari dubli, „găuri negre”, expansiunea și structura Universului, așa cum se spune, „în mare” - în întinderi vaste măsurate în milioane și miliarde de ani lumină. Multe au fost deja făcute și se fac în această direcție. Este suficient să menționăm studiile pulsarului binar PSR 1913+16, pentru care (precum și pentru stele neutronice în general) parametrul |φ| / c 2 este deja aproximativ 0,1. În plus, în acest caz a fost posibil să se dezvăluie efectul de ordine (v / c) 5 asociate cu emisia de unde gravitaționale. În următoarele decenii, se vor deschide și mai multe oportunități pentru studierea proceselor în câmpuri gravitaționale puternice.

Steaua călăuzitoare în aceste studii uluitoare este, în primul rând, relativitatea generală. În același timp, desigur, sunt discutate și alte posibilități - alte, așa cum se spune uneori, alternative, teorii ale gravitației. De exemplu, în relativitatea generală, precum și în teoria gravitației universale a lui Newton, constanta gravitațională G considerată într-adevăr o constantă. Una dintre cele mai cunoscute teorii ale gravitației, generalizarea (sau, mai precis, extinderea) relativității generale, este o teorie în care „constanta” gravitațională este deja considerată o nouă funcție scalară – o mărime care depinde de coordonate și timp. Observațiile și măsurătorile indică totuși că posibile modificări relative G de-a lungul timpului sunt foarte mici - se pare că nu se ridică la mai mult de o sută de miliarde pe an, adică | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G ar putea juca un rol. Rețineți că, chiar și indiferent de problema impermanenței G presupunerea existenței în spațiu-timp real, pe lângă câmpul gravitațional gik, de asemenea, un câmp scalar ψ este direcția principală în fizica și cosmologia modernă. În alte teorii alternative ale gravitației (pentru care vezi cartea lui C. Will menționată mai sus în nota 8), relativitatea generală este modificată sau generalizată într-un mod diferit. Desigur, nu se poate obiecta la analiza corespunzătoare, deoarece GR nu este o dogmă, ci o teorie fizică. Mai mult, știm că relativitatea generală, care este o teorie non-cuantică, trebuie în mod evident generalizată la regiunea cuantică, care este încă inaccesibilă experimentelor gravitaționale cunoscute. Desigur, nu puteți intra în mai multe detalii despre toate acestea aici.

7. A. A. Logunov, plecând de la critica relativității generale, de mai bine de 10 ani construiește o teorie alternativă a gravitației care este diferită de relativitatea generală. În același timp, multe s-au schimbat în cursul lucrării, iar versiunea acceptată în prezent a teoriei (aceasta este RTG) este detaliată în special în articol, care ocupă aproximativ 150 de pagini și conține doar aproximativ 700 de formule numerotate. Evident, o analiză detaliată a RTG-ului este posibilă doar pe pagini reviste științifice. Numai după o astfel de analiză se va putea spune dacă RTG este consecvent, dacă conține contradicții matematice etc. Din câte am înțeles, RTG diferă de GR selectând doar o parte din soluțiile GR - toate soluțiile ecuațiilor diferențiale RTG satisface ecuațiile GR, dar, după cum spun autorii RTG, nu invers. În același timp, se ajunge la concluzia că, în ceea ce privește problemele globale (soluții pentru întregul spațiu-timp sau marile sale regiuni, topologie etc.), diferențele dintre RTG și GR sunt, în general, radicale. În ceea ce privește toate experimentele și observațiile făcute în cadrul sistemului solar, atunci, din câte am înțeles, RTG nu poate intra în conflict cu relativitatea generală. Dacă da, atunci este imposibil să preferați RTG (în defavoarea GR) pe baza experimentelor cunoscute în sistemul solar. În ceea ce privește „găurile negre” și Universul, autorii RTG susțin că concluziile lor sunt semnificativ diferite de concluziile relativității generale, dar nu cunoaștem date de observație specifice care să mărturisească în favoarea RTG. Într-o astfel de situație, RTG de A. A. Logunov (dacă RTG diferă într-adevăr de GR în esență, și nu numai în modul de prezentare și alegere a uneia dintre clasele posibile de condiții de coordonate; vezi articolul de Ya. B. Zeldovich și L. P. Grischuk) poate fi considerată doar una dintre teoriile alternative acceptabile, în principiu, ale gravitației.

Unii cititori pot fi alertați prin rezerve precum: „dacă este așa”, „dacă RTG diferă cu adevărat de GR”. Încerc să mă asigur împotriva greșelilor în acest fel? Nu, nu mă tem să greșesc deja în virtutea convingerii că există o singură garanție de infailibilitate - să nu lucrez deloc și, în acest caz, să nu discutăm probleme științifice. Un alt lucru este că respectul pentru știință, familiaritatea cu caracterul și istoria ei încurajează prudența. Caracterul categoric al afirmațiilor nu indică întotdeauna prezența unei clarități autentice și, în general, nu contribuie la stabilirea adevărului. RTG-ul lui A. A. Logunov în forma sa modernă a fost formulat destul de recent și nu a fost încă discutat în detaliu în literatura științifică. Prin urmare, firește, nu am o părere finală despre asta. În plus, într-o revistă de știință populară, o serie de probleme emergente nu pot fi discutate și sunt inadecvate. În același timp, desigur, datorită interesului mare al cititorilor pentru teoria gravitației, acoperirea acestei game de probleme, inclusiv discutabile, pe paginile Științei și Viață pare justificată la un nivel accesibil.

Așadar, ghidată de „principiul națiunii celei mai favorizate”, în prezent, RTG ar trebui considerată o teorie alternativă a gravitației care necesită o analiză și o discuție adecvată. Pentru cei cărora le place această teorie (RTG) și care sunt interesați de ea, nimeni nu împiedică (și, desigur, nu ar trebui să împiedice) dezvoltarea ei, sugerând posibile modalități de verificare experimentală.

În același timp, nu există motive pentru a spune că GTR-ul a fost zdruncinat într-o oarecare măsură în prezent. Mai mult, domeniul de aplicabilitate al relativității generale pare a fi foarte larg, iar acuratețea acesteia este foarte mare. Aceasta este, în opinia noastră, o evaluare obiectivă a stării de fapt existente. Dacă vorbim despre gusturi și atitudini intuitive, iar gusturile și intuiția joacă un rol semnificativ în știință, deși nu pot fi prezentate ca dovezi, atunci aici trebuie să trecem de la „noi” la „eu”. Deci, cu cât am avut și mai am de-a face cu teoria generală a relativității și cu critica ei, cu atât mai puternic îmi întăresc impresia profunzimii și frumuseții sale excepționale.

Într-adevăr, după cum se indică în amprentă, tirajul revistei „Știință și viață” nr. 4, 1987 a fost de 3 milioane 475 mii de exemplare. ÎN anul trecut tirajul a fost de doar câteva zeci de mii de exemplare, depășind 40 de mii abia în 2002. (notă - A. M. Krainev).

De altfel, în 1987 se împlinesc 300 de ani de la prima publicare a măreții cărți a lui Newton, Principiile matematice ale filosofiei naturale. Cunoașterea istoriei creării acestei lucrări, ca să nu mai vorbim de el însuși, este foarte instructivă. Totuși, același lucru este valabil și pentru toate activitățile lui Newton, cu care nu este atât de ușor pentru nespecialiști să se familiarizeze cu noi. Vă pot recomanda în acest scop o carte foarte bună a lui S. I. Vavilov „Isaac Newton”, ar trebui reeditată. Să menționez și articolul meu scris cu ocazia aniversării lui Newton, publicat în revista Uspekhi fizicheskikh nauk, vol. 151, nr. 1, 1987, p. 119.

Mărimea virajului este dată conform măsurătorilor moderne (Le Verrier a avut o viraj de 38 de secunde). Amintiți-vă pentru claritate că Soarele și Luna sunt vizibile de pe Pământ la un unghi de aproximativ 0,5 grade de arc - 1800 de secunde de arc.

A. Pals „Subtil este Domnul...” Știința și viața lui Albert Einstein. Oxford Univ. Press, 1982. Ar fi oportun să se publice o traducere în limba rusă a acestei cărți.

Acesta din urmă este posibil în timpul plinului eclipsele de soare; fotografierea aceleiași părți a cerului, să zicem, șase luni mai târziu, când Soarele s-a mutat sfera celestiala, obținem spre comparație o imagine care nu este distorsionată ca urmare a deviației razelor sub influența câmpului gravitațional al Soarelui.

Pentru detalii, trebuie să mă refer la articolul lui Ya. B. Zeldovich și L. P. Grishchuk, publicat recent în Uspekhi fizicheskikh nauk (Uspekhi fizicheskikh nauk) (Vol. 149, p. 695, 1986), precum și la literatura citată acolo , în special la articolul lui L. D. Faddeev („Uspekhi fizicheskikh nauk”, vol. 136, p. 435, 1982).

Vezi nota de subsol 5.

Vezi K. Will. „Teorie și experiment în fizica gravitațională”. M., Energoiedat, 1985; vezi şi V. L. Ginzburg. Despre fizică și astrofizică. M., Nauka, 1985, și literatura indicată acolo.

A. A. Logunov și M. A. Mestvirishvili. „Fundamentele teoriei relativiste a gravitației”. Jurnalul „Fizica particule elementareși nucleul atomic”, vol. 17, numărul 1, 1986

În lucrările lui A. A. Logunov există și alte afirmații și se consideră în mod specific că pentru timpul de întârziere a semnalului când, să zicem, Mercur este situat de pe Pământ, o valoare obținută din RTG este diferită de cea care urmează din GR. Mai precis, se argumentează că relativitatea generală nu oferă o predicție clară a timpului de întârziere al semnalelor, adică relativitatea generală este inconsecventă (vezi mai sus). Cu toate acestea, o astfel de concluzie este, în opinia noastră, rodul unei neînțelegeri (acest lucru este indicat, de exemplu, în articolul citat de Ya. B. Zeldovich și L. P. Grischuk, a se vedea nota de subsol 5): rezultate diferite în GR atunci când se utilizează sisteme diferite coordonatele se obțin doar pentru că sunt comparate planetele localizate, care se află pe orbite diferite și, prin urmare, au perioade diferite de revoluție în jurul Soarelui. Timpii de întârziere a semnalului observați de pe Pământ la locația unei anumite planete, conform GR și RTG, coincid.

Vezi nota de subsol 5.

Detalii pentru curioși

Deviația luminii și a undelor radio în câmpul gravitațional al Soarelui. De obicei, ca model idealizat al Soarelui, o bilă statică cu rază simetrică sferic R☼ ~ 6,96 10 10 cm, masa solara M☼ ~ 1,99 10 30 kg (de 332958 ori masa Pământului). Abaterea luminii este maximă pentru razele care abia ating Soarele, adică la R ~ R☼ , și egal cu: φ ≈ 1″.75 (arcsecunde). Acest unghi este foarte mic - aproximativ la acest unghi un adult este văzut de la o distanță de 200 km și, prin urmare, precizia măsurării curburii gravitaționale a razelor nu a fost mare până de curând. Ultimele măsurători optice, făcute în timpul eclipsei de soare din 30 iunie 1973, au avut o eroare de aproximativ 10%. Astăzi, datorită apariției interferometrelor radio „cu o linie de bază extra lungă” (mai mult de 1000 km), precizia unghiurilor de măsurare a crescut dramatic. Interferometrele radio fac posibilă măsurarea fiabilă a distanțelor unghiulare și a modificărilor de unghi de ordinul a 10 - 4 secunde de arc (~ 1 nanoradian).

Figura arată deviația doar a uneia dintre razele care provin de la o sursă îndepărtată. În realitate, ambele grinzi sunt curbate.

POTENȚIALUL GRAVITAȚIONAL

În 1687, a apărut lucrarea fundamentală a lui Newton „Principiile matematice ale filosofiei naturale” (vezi „Știința și viața” nr. 1, 1987), în care a fost formulată legea gravitației universale. Această lege prevede că forța de atracție dintre oricare două particule materiale este direct proporțională cu masele lor. MȘi mși invers proporțional cu pătratul distanței rîntre ele:

F = G	mm	.
	r 2

Factorul de proporționalitate G devenit cunoscută ca constantă gravitațională, este necesar să se potrivească dimensiunile din părțile din dreapta și din stânga formulei newtoniene. Chiar și Newton însuși, cu o precizie foarte mare pentru timpul său, a arătat asta G- valoarea este constantă și, prin urmare, legea gravitației descoperită de el este universală.

Două mase de puncte de atragere MȘi m apar în formula lui Newton în mod egal. Cu alte cuvinte, putem considera că ambele servesc ca surse ale câmpului gravitațional. Cu toate acestea, în probleme specifice, în special în mecanica cerească, una dintre cele două mase este adesea foarte mică în comparație cu cealaltă. De exemplu, masa pământului MЗ ≈ 6 10 24 kg este mult mai mică decât masa Soarelui M☼ ≈ 2 10 30 kg sau, să zicem, masa satelitului m≈ 10 3 kg nu poate fi comparat cu masa Pământului și, prin urmare, nu are practic niciun efect asupra mișcării Pământului. O astfel de masă, care ea însăși nu perturbă câmpul gravitațional, ci servește ca un fel de sondă asupra căreia acționează acest câmp, se numește masă de testare. (În același mod, în electrodinamică există conceptul de „sarcină de testare”, adică una care ajută la detectarea unui câmp electromagnetic.) Deoarece masa de testare (sau sarcina de test) are o contribuție neglijabilă la câmp, pt. o astfel de masă câmpul devine „extern” și poate fi caracterizat printr-o mărime numită tensiune. În esență, accelerația în cădere liberă g este puterea câmpului gravitațional al pământului. A doua lege a mecanicii newtoniene dă apoi ecuațiile de mișcare ale unei mase de testare punctuale m. De exemplu, așa se rezolvă problemele de balistică și mecanică cerească. Rețineți că pentru cele mai multe dintre aceste probleme, teoria gravitației lui Newton chiar și astăzi are suficientă precizie.

Tensiunea, ca și forța, este o mărime vectorială, adică în spațiul tridimensional este determinată de trei numere - componente de-a lungul axelor carteziene reciproc perpendiculare X, la, z. La schimbarea sistemului de coordonate - și astfel de operații nu sunt neobișnuite în problemele fizice și astronomice - coordonatele carteziene ale vectorului sunt transformate într-un mod, deși nu complicat, dar adesea greoi. Prin urmare, în locul intensității câmpului vectorial, ar fi convenabil să se utilizeze valoarea scalară corespunzătoare acesteia, din care s-ar obține caracteristica intensității câmpului - intensitatea - folosind unele reteta simpla. Și o astfel de valoare scalară există - se numește potențial, iar tranziția la tensiune se realizează prin diferențiere simplă. Rezultă că potențialul gravitațional newtonian creat de masă M, este egal cu

de unde rezultă egalitatea |φ| = v 2 .

În matematică, teoria gravitației a lui Newton este uneori numită „teoria potențialului”. La un moment dat, teoria potențialului newtonian a servit drept model pentru teoria electricității, iar apoi ideile despre câmpul fizic, formate în electrodinamica lui Maxwell, au stimulat, la rândul lor, apariția teoriei generale a relativității a lui Einstein. Trecerea de la teoria relativistă a gravitației a lui Einstein la un caz special al teoriei newtoniene a gravitației corespunde exact regiunii de valori mici a parametrului adimensional |φ| / c 2 .

Teoria generală a relativității, împreună cu teoria specială a relativității, este lucrarea genială a lui Albert Einstein, care la începutul secolului al XX-lea a schimbat viziunea fizicienilor asupra lumii. O sută de ani mai târziu, relativitatea generală este principalul și cea mai importantă teorie fizica în lume și, împreună cu mecanica cuantică, pretinde a fi una dintre cele două pietre de temelie ale „teoriei totul”. Teoria generală a relativității descrie gravitația ca o consecință a curburii spațiului-timp (combinată într-un singur întreg în relativitatea generală) sub influența masei. Datorită relativității generale, oamenii de știință au dedus multe constante, au verificat o grămadă de fenomene inexplicabileși a venit cu lucruri precum găurile negre, materie întunecatăși energia întunecată, expansiunea universului, Big Bang-ul și multe altele. GTR a refuzat, de asemenea, viteza luminii, întemnițându-ne astfel literalmente în cartierul nostru (sistemul solar), dar a lăsat o portiță sub formă de găuri de vierme - căi posibile scurte prin spațiu-timp.

Un angajat al Universității RUDN și colegii săi brazilieni au pus sub semnul întrebării conceptul utilizării găurilor de vierme stabile ca portaluri pentru puncte diferite spațiu timp. Rezultatele cercetării lor au fost publicate în Physical Review D. - un clișeu destul de comun în science fiction. O gaură de vierme, sau „găură de vierme”, este un fel de tunel care conectează puncte îndepărtate din spațiu, sau chiar două universuri, prin curbarea spațiului-timp.

Chiar și la sfârșitul secolului al XIX-lea, majoritatea oamenilor de știință erau înclinați spre punctul de vedere că imaginea fizică a lumii a fost construită în principiu și va rămâne de neclintit în viitor - doar detaliile trebuiau clarificate. Dar în primele decenii ale secolului al XX-lea, vederile fizice s-au schimbat radical. Acesta a fost rezultatul unei „cascade” de descoperiri științifice făcute într-o perioadă extrem de scurtă de timp. perioada istorica care acoperă ultimii ani ai secolului al XIX-lea și primele decenii ale secolului al XX-lea, dintre care multe nu se încadrau deloc în ideea experienței umane obișnuite. Un exemplu izbitor este teoria relativității creată de Albert Einstein (1879-1955).

Teoria relativitatii- teoria fizică a spațiu-timpului, adică o teorie care descrie proprietățile universale spațiu-timp ale proceselor fizice. Termenul a fost introdus în 1906 de Max Planck pentru a sublinia rolul principiului relativității.
în relativitatea specială (și, mai târziu, în relativitatea generală).

Într-un sens restrâns, teoria relativității include relativitatea specială și generală. Teoria specială a relativității(denumită în continuare SRT) se referă la procese în studiul cărora câmpurile gravitaționale pot fi neglijate; teoria generală a relativității(denumită în continuare GR) este o teorie a gravitației care generalizează cea a lui Newton.

Special, sau Teoria privată a relativității este o teorie a structurii spațiu-timpului. A fost introdus pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein în lucrarea sa „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Teoria descrie mișcarea, legile mecanicii, precum și relațiile spațiu-timp care le determină, cu orice viteză de mișcare,
inclusiv cele apropiate de viteza luminii. Mecanica newtoniană clasică
în SRT este o aproximare pentru viteze mici.

Unul dintre motivele succesului lui Albert Einstein este că a pus datele experimentale înaintea datelor teoretice. Când o serie de experimente au arătat rezultate care contrazic teoria general acceptată, mulți fizicieni au decis că aceste experimente erau eronate.

Albert Einstein a fost unul dintre primii care au decis să construiască o nouă teorie bazată pe noi date experimentale.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicienii erau în căutarea unui eter misterios - un mediu în care, conform ipotezelor general acceptate, undele luminoase ar fi trebuit să se propage, ca undele acustice, pentru a căror propagare este nevoie de aer, sau de un alt mediu. - solid, lichid sau gazos. Credința în existența eterului a condus la credința că viteza luminii trebuie să se schimbe odată cu viteza observatorului în raport cu eterul. Albert Einstein a abandonat conceptul de eter și a presupus că toate legile fizice, inclusiv viteza luminii, rămân neschimbate indiferent de viteza observatorului - așa cum au arătat experimentele.

SRT a explicat cum să interpretăm mișcările între diferite cadre de referință inerțiale - pur și simplu, obiecte care se mișcă cu o viteză constantă unul față de celălalt. Einstein a explicat că atunci când două obiecte se mișcă cu o viteză constantă, ar trebui să ia în considerare mișcarea lor unul față de celălalt, în loc să luăm unul dintre ele ca un cadru absolut de referință. Deci, dacă doi astronauți zboară pe două nave spațiale și doresc să-și compare observațiile, singurul lucru pe care trebuie să-l știe este viteza lor unul față de celălalt.

Relativitatea specială ia în considerare un singur caz special (de unde și numele), când mișcarea este dreaptă și uniformă.

Pe baza imposibilității detectării mișcării absolute, Albert Einstein a concluzionat că toate cadrele de referință inerțiale sunt egale. El a formulat două postulate importante care au stat la baza unei noi teorii a spațiului și timpului, numită Teoria specială a relativității (SRT):

1. Principiul relativității lui Einstein - acest principiu a fost o generalizare a principiului relativității lui Galileo (afirmă la fel, dar nu pentru toate legile naturii, ci doar pentru legile mecanicii clasice, lăsând deschisă problema aplicabilității principiului relativității la optică și electrodinamică) la orice fizic. Se spune: toate procesele fizice în aceleași condiții în sistemele de referință inerțiale (ISF) decurg în același mod. Aceasta înseamnă că niciun experiment fizic efectuat în interiorul unui IRF închis nu poate determina dacă acesta este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu. Astfel, toate IFR-urile sunt absolut egale, iar legile fizice sunt invariante în ceea ce privește alegerea IFR-ului (adică, ecuațiile care exprimă aceste legi au aceeași formă în toate cadrele de referință inerțiale).

2. Principiul constanței vitezei luminii- viteza luminii in vid este constanta si nu depinde de miscarea sursei si receptorului de lumina. Este același în toate direcțiile și în toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii în vid - viteza limită în natură - aceasta este una dintre cele mai importante constante fizice, așa-numitele constante ale lumii.

Cea mai importantă consecință a SRT a fost celebra formula lui Einstein asupra relaţiei dintre masă şi energie E \u003d mc 2 (unde C este viteza luminii), care a arătat unitatea spațiului și a timpului, exprimată într-o modificare comună a caracteristicilor lor în funcție de concentrația maselor și de mișcarea lor, și confirmată de datele fizicii moderne. Timpul și spațiul nu mai erau considerate independent unul de celălalt și a apărut ideea unui continuum spațial-timp cu patru dimensiuni.

Conform teoriei marelui fizician, atunci când viteza unui corp material crește, apropiindu-se de viteza luminii, crește și masa acestuia. Acestea. cu cât un obiect se mișcă mai repede, cu atât devine mai greu. În cazul atingerii vitezei luminii, masa corpului, precum și energia acestuia, devin infinite. Cu cât corpul este mai greu, cu atât este mai dificil să-i crești viteza; este necesară o cantitate infinită de energie pentru a accelera un corp cu masă infinită, deci este imposibil ca obiectele materiale să atingă viteza luminii.

În teoria relativității, „două legi – legea conservării masei și a conservării energiei – și-au pierdut valabilitatea independent una de cealaltă și s-au dovedit a fi combinate într-o singură lege, care poate fi numită legea conservării energiei sau masa." Datorită legăturii fundamentale dintre aceste două concepte, materia poate fi transformată în energie și invers - energia în materie.

Teoria generală a relativității- Teoria gravitației publicată de Einstein în 1916, la care a lucrat timp de 10 ani. Este dezvoltare ulterioară teoria specială a relativității. Dacă corpul material accelerează sau se întoarce în lateral, legile SRT nu se mai aplică. Apoi intră în vigoare GR, care explică mișcările corpurilor materiale în cazul general.

În teoria generală a relativității, se postulează că efectele gravitaționale sunt cauzate nu de interacțiunea forțelor dintre corpuri și câmpuri, ci de deformarea însuși spațiu-timp în care sunt situate. Această deformare este asociată, în special, cu prezența masei-energie.

Relativitatea generală este în prezent cea mai de succes teorie a gravitației, bine susținută de observații. Relativitatea generală a generalizat SRT la cele accelerate, adică. sisteme non-inerțiale. Principiile de bază ale relativității generale sunt următoarele:

- limitarea aplicabilității principiului constanței vitezei luminii în zonele în care forțele gravitaționale pot fi neglijate(unde gravitația este puternică, viteza luminii încetinește);

- extinderea principiului relativității la toate sistemele în mișcare(și nu doar cele inerțiale).

În relativitatea generală, sau teoria gravitației, el pornește și de la faptul experimental al echivalenței maselor inerțiale și gravitaționale, sau echivalența câmpurilor inerțiale și gravitaționale.

Principiul echivalenței joacă un rol important în știință. Putem calcula oricând direct acțiunea forțelor inerțiale asupra oricărui sistem fizic, iar acest lucru ne oferă posibilitatea de a cunoaște acțiunea câmpului gravitațional, făcând abstracție de neomogenitatea acestuia, care este adesea foarte nesemnificativă.

Din GR au fost trase o serie de concluzii importante:

1. Proprietățile spațiului-timp depind de materia în mișcare.

2. Un fascicul de lumină, care are o masă inertă și, în consecință, gravitațională, trebuie să fie îndoit în câmpul gravitațional.

3. Frecvența luminii sub influența câmpului gravitațional ar trebui să se schimbe spre valori mai mici.

Multă vreme, au existat puține confirmări experimentale ale relativității generale. Acordul dintre teorie și experiment este destul de bun, dar puritatea experimentelor este încălcată de diferite efecte secundare complexe. Cu toate acestea, efectul curburii spațiu-timp poate fi detectat chiar și în câmpuri gravitaționale moderate. Ceasurile foarte sensibile, de exemplu, pot detecta dilatarea timpului pe suprafața Pământului. Pentru a extinde baza experimentală a relativității generale, în a doua jumătate a secolului al XX-lea au fost efectuate noi experimente: a fost testată echivalența maselor inerțiale și gravitaționale (inclusiv prin măsurarea cu laser a Lunii);
cu ajutorul radarului a fost clarificată mișcarea periheliului lui Mercur; a fost măsurată deviația gravitațională a undelor radio de către Soare, planetele sistemului solar au fost localizate cu radar; a fost evaluată influența câmpului gravitațional al Soarelui asupra comunicațiilor radio cu nave spațiale care au fost trimise către planetele îndepărtate ale sistemului solar etc. Toate, într-un fel sau altul, au confirmat predicțiile obținute pe baza relativității generale.

Așadar, teoria relativității speciale se bazează pe postulatele constanței vitezei luminii și asemănării legilor naturii în toate sistemele fizice, iar principalele rezultate la care ajunge sunt următoarele: relativitatea proprietăților. de spațiu-timp; relativitatea masei si energiei; echivalența maselor grele și inerțiale.

Cel mai semnificativ rezultat al teoriei generale a relativității din punct de vedere filozofic este stabilirea dependenței proprietăților spațiu-timp ale lumii înconjurătoare de localizarea și mișcarea maselor gravitatoare. Se datorează influenței corpurilor
cu mase mari există o curbură a căilor de mișcare a razelor de lumină. În consecință, câmpul gravitațional creat de astfel de corpuri determină în cele din urmă proprietățile spațiu-timp ale lumii.

Teoria specială a relativității face abstracție din acțiunea câmpurilor gravitaționale și, prin urmare, concluziile sale sunt aplicabile doar pentru zone mici de spațiu-timp. Diferența fundamentală dintre teoria generală a relativității și teoriile fizice fundamentale care o preced constă în respingerea unui număr de concepte vechi și formularea altora noi. Merită spus că teoria generală a relativității a făcut o adevărată revoluție în cosmologie. Pe baza ei, au apărut diverse modele ale Universului.

Teoria relativității a fost introdusă de Albert Einstein la începutul secolului al XX-lea. Care este esența lui? Să luăm în considerare punctele principale și să caracterizăm TOE într-un limbaj ușor de înțeles.

Teoria relativității a eliminat practic inconsecvențele și contradicțiile fizicii secolului al XX-lea, forțată să schimbe radical ideea structurii spațiu-timpului și a fost confirmată experimental în numeroase experimente și studii.

Astfel, TOE a stat la baza tuturor teoriilor fizice fundamentale moderne. De fapt, aceasta este mama fizicii moderne!

Pentru început, este de remarcat faptul că există 2 teorii ale relativității:

• Relativitatea specială (SRT) - ia în considerare procesele fizice în obiectele în mișcare uniformă.
• Relativitatea generală (GR) - descrie obiectele care accelerează și explică originea unor fenomene precum gravitația și existența.

Este clar că SRT a apărut mai devreme și, de fapt, face parte din GTR. Să vorbim mai întâi despre ea.

STO în cuvinte simple

Teoria se bazează pe principiul relativității, conform căruia orice legi ale naturii sunt aceleași în ceea ce privește staționarea și corpurile care se mișcă cu o viteză constantă. Și dintr-un gând atât de simplu aparent rezultă că viteza luminii (300.000 m/s în vid) este aceeași pentru toate corpurile.

De exemplu, imaginați-vă că vi se oferă o navă spațială din viitorul îndepărtat care poate zbura la viteze mari. Un tun laser este montat pe prova navei, capabil să tragă fotoni înainte.

Față de navă, astfel de particule zboară cu viteza luminii, dar în raport cu un observator staționar, s-ar părea că ar trebui să zboare mai repede, deoarece ambele viteze sunt însumate.

Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă de fapt! Un observator din exterior vede fotoni zburând cu 300.000 m/s, ca și cum viteza navei spațiale nu li s-ar fi adăugat.

Trebuie reținut: față de orice corp, viteza luminii va fi o valoare constantă, indiferent cât de repede se mișcă.

De aici rezultă concluzii uimitoare, cum ar fi dilatarea timpului, contracția longitudinală și dependența greutății corporale de viteză. Citiți mai multe despre cele mai interesante consecințe ale Teoriei Speciale a Relativității în articolul de la linkul de mai jos.

Esența teoriei generale a relativității (GR)

Pentru a înțelege mai bine, trebuie să combinăm din nou două fapte:

• Trăim în spațiu 4D

Spațiul și timpul sunt manifestări ale aceleiași entități numite „continuum spațiu-timp”. Acesta este spațiu-timp cu 4 dimensiuni cu axele de coordonate x, y, z și t.

Noi, oamenii, nu suntem capabili să percepem 4 dimensiuni în același mod. De fapt, vedem doar proiecții ale unui obiect real cu patru dimensiuni în spațiu și timp.

Interesant este că teoria relativității nu afirmă că corpurile se schimbă pe măsură ce se mișcă. Obiectele cu 4 dimensiuni rămân întotdeauna neschimbate, dar cu mișcare relativă, proiecțiile lor se pot schimba. Și percepem asta ca o încetinire a timpului, o reducere a dimensiunii etc.

• Toate corpurile cad cu o viteză constantă în loc să accelereze

Să facem un experiment de gândire înfricoșător. Imaginează-ți că mergi într-o cabină de lift închisă și te afli într-o stare de imponderabilitate.

O astfel de situație ar putea apărea doar din două motive: fie vă aflați în spațiu, fie cădeți liber împreună cu cabina sub influența gravitației pământului.

Fără a privi afară din cabină, este absolut imposibil să distingem aceste două cazuri. Doar că într-un caz zbori uniform, iar în celălalt cu accelerație. Va trebui să ghiciți!

Poate că Albert Einstein însuși se gândea la un lift imaginar și a avut o idee uimitoare: dacă aceste două cazuri nu pot fi distinse, atunci căderea din cauza gravitației este și mișcare uniformă. Doar că mișcarea este uniformă în spațiu-timp cu patru dimensiuni, dar în prezența corpurilor masive (de exemplu) este curbată și mișcarea uniformă este proiectată în spațiul nostru tridimensional obișnuit sub formă de mișcare accelerată.

Să ne uităm la un alt exemplu mai simplu, deși nu în întregime corect, de curbură spațială bidimensională.

Se poate imagina că orice corp masiv sub el însuși creează un fel de pâlnie figurativă. Apoi alte corpuri care zboară pe lângă acestea nu își vor putea continua mișcarea în linie dreaptă și își vor schimba traiectoria în funcție de curbele spațiului curbat.

Apropo, dacă corpul nu are atât de multă energie, atunci mișcarea sa se poate dovedi a fi închisă în general.

Este de remarcat faptul că din punctul de vedere al corpurilor în mișcare, acestea continuă să se miște în linie dreaptă, deoarece nu simt nimic care să le facă să se întoarcă. Tocmai au intrat într-un spațiu curbat și, fără să-și dea seama, au o traiectorie nerectilie.

Trebuie remarcat faptul că 4 dimensiuni sunt îndoite, inclusiv timpul, așa că această analogie trebuie tratată cu prudență.

Astfel, în teoria generală a relativității, gravitația nu este deloc o forță, ci doar o consecință a curburii spațiu-timpului. În prezent, această teorie este o versiune de lucru a originii gravitației și este în acord excelent cu experimentele.

Consecințele surprinzătoare ale relativității generale

Razele de lumină pot fi îndoite atunci când zboară lângă corpuri masive. Într-adevăr, în spațiu s-au găsit obiecte îndepărtate care „se ascund” în spatele altora, dar razele de lumină le înconjoară, datorită cărora lumina ajunge la noi.

Conform relativității generale, cu cât gravitația este mai puternică, cu atât timpul trece mai lent. Acest fapt este neapărat luat în considerare în funcționarea GPS și GLONASS, deoarece sateliții lor au ceasuri atomice cele mai precise, care bifează puțin mai repede decât pe Pământ. Dacă acest fapt nu este luat în considerare, atunci într-o zi eroarea de coordonate va fi de 10 km.

Datorită lui Albert Einstein, puteți înțelege unde se află o bibliotecă sau un magazin în apropiere.

Și, în sfârșit, GR prezice existența găurilor negre, în jurul cărora gravitația este atât de puternică încât timpul pur și simplu se oprește în apropiere. Prin urmare, lumina care intră într-o gaură neagră nu poate părăsi aceasta (fie reflectată).

În centrul unei găuri negre, datorită contracției gravitaționale colosale, se formează un obiect cu infinit densitate mare, și așa, se pare, nu poate fi.

Astfel, GR poate duce la concluzii foarte contradictorii, spre deosebire de , așa că majoritatea fizicienilor nu l-au acceptat complet și au continuat să caute o alternativă.

Dar ea reușește să prezică multe cu succes, de exemplu, o recentă descoperire senzațională a confirmat teoria relativității și ne-a făcut să ne amintim de marele om de știință cu limba întinsă din nou. Iubește știința, citește WikiScience.