Teori relativiti adalah bahagian penting. Teori relativiti khas Einstein: secara ringkas dan dalam perkataan mudah

Pada ucapan pada 27 April 1900 di Institusi Diraja Great Britain, Lord Kelvin berkata: “Fizik teori ialah bangunan yang harmoni dan lengkap. Di langit fizik yang cerah hanya terdapat dua awan kecil - ketekalan kelajuan cahaya dan lengkung keamatan sinaran bergantung pada panjang gelombang. Saya fikir bahawa dua soalan khusus ini akan diselesaikan tidak lama lagi dan ahli fizik abad ke-20 tidak akan mempunyai apa-apa lagi untuk dilakukan." Lord Kelvin ternyata betul-betul tepat dalam menunjukkan bidang utama penyelidikan dalam fizik, tetapi tidak menilai kepentingannya dengan betul: teori relativiti dan teori kuantum ternyata menjadi ruang yang tidak berkesudahan untuk penyelidikan yang telah menduduki minda saintifik selama lebih dari seratus tahun.

Oleh kerana ia tidak menggambarkan interaksi graviti, Einstein, tidak lama selepas siap, mula membangunkan versi umum teori ini, penciptaan yang dia habiskan 1907-1915. Teori itu indah dalam kesederhanaan dan konsistensinya fenomena alam dengan pengecualian satu perkara: pada masa Einstein menyusun teori itu, ia masih belum diketahui tentang pengembangan Alam Semesta dan juga tentang kewujudan galaksi lain, oleh itu saintis pada masa itu percaya bahawa Alam Semesta wujud untuk jangka masa yang tidak terhingga. dan tidak bergerak. Lebih-lebih lagi dari undang-undang graviti sejagat Newton mengikuti bahawa bintang tetap mesti pada satu ketika hanya ditarik bersama ke satu titik.

Tidak menemui penjelasan yang lebih baik untuk fenomena ini, Einstein memperkenalkan persamaannya, yang mengimbangi secara numerik dan dengan itu membenarkan Alam Semesta pegun wujud tanpa melanggar undang-undang fizik. Selepas itu, Einstein mula menganggap pengenalan pemalar kosmologi ke dalam persamaannya sebagai kesilapan terbesarnya, kerana ia tidak diperlukan untuk teori dan tidak disahkan oleh apa-apa selain Alam Semesta yang kelihatan tidak bergerak pada masa itu. Dan pada tahun 1965, sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik ditemui, yang bermaksud bahawa Alam Semesta mempunyai permulaan dan pemalar dalam persamaan Einstein ternyata tidak diperlukan sama sekali. Namun begitu, pemalar kosmologi masih ditemui pada tahun 1998: menurut data yang diperolehi oleh teleskop Hubble, galaksi jauh tidak memperlahankan pengembangannya akibat tarikan graviti, malah mempercepatkan pengembangannya.

Teori asas

Sebagai tambahan kepada postulat asas teori relativiti khas, sesuatu yang baru telah ditambah di sini: Mekanik Newtonian memberikan penilaian berangka tentang interaksi graviti badan bahan, tetapi tidak menjelaskan fizik proses ini. Einstein berjaya menerangkan perkara ini melalui kelengkungan ruang masa 4 dimensi oleh jasad yang besar: jasad itu mencipta gangguan di sekelilingnya, akibatnya jasad sekeliling mula bergerak mengikut garisan geodesik (contoh garisan tersebut ialah garisan latitud dan longitud bumi, yang bagi pemerhati dalaman kelihatan seperti garis lurus, tetapi sebenarnya ia sedikit melengkung). Sinaran cahaya juga membengkok dengan cara yang sama, yang memesongkan gambar yang boleh dilihat di belakang objek besar itu. Dengan kebetulan kedudukan dan jisim objek yang berjaya, ini membawa kepada (apabila kelengkungan ruang-masa bertindak sebagai kanta besar, menjadikan sumber cahaya jauh lebih terang). Jika parameter tidak sepadan dengan sempurna, ini boleh menyebabkan pembentukan "salib Einstein" atau "bulatan Einstein" dalam imej astronomi objek jauh.

Di antara ramalan teori terdapat juga pelebaran masa graviti (yang, apabila mendekati objek besar, bertindak ke atas jasad dengan cara yang sama seperti pelebaran masa akibat pecutan), graviti (apabila pancaran cahaya yang dipancarkan oleh jasad besar pergi. ke bahagian merah spektrum akibat kehilangan tenaganya untuk fungsi kerja keluar dari "telaga graviti"), serta gelombang graviti (gangguan ruang-masa yang dihasilkan oleh mana-mana badan dengan jisim semasa pergerakannya) .

Status teori

Pengesahan pertama teori umum relativiti diperoleh oleh Einstein sendiri pada tahun 1915 yang sama, apabila ia diterbitkan: teori yang menerangkan dengan ketepatan mutlak anjakan perihelion Mercury, yang sebelum ini tidak dapat dijelaskan menggunakan mekanik Newtonian. Sejak itu, banyak fenomena lain telah ditemui yang telah diramalkan oleh teori tersebut, tetapi pada masa penerbitannya terlalu lemah untuk dikesan. Penemuan terkini sebegitu pada pada masa ini ialah penemuan gelombang graviti pada 14 September 2015.

Teori relativiti khas (STR) atau teori relativiti separa adalah teori Albert Einstein, yang diterbitkan pada tahun 1905 dalam karya "On the Electrodynamics of Moving Bodies" (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 Juni 1905).

Ia menerangkan gerakan antara kerangka rujukan inersia yang berbeza atau gerakan jasad yang bergerak berhubung antara satu sama lain dengan kelajuan malar. Dalam kes ini, tiada objek harus diambil sebagai sistem rujukan, tetapi mereka harus dianggap relatif antara satu sama lain. SRT hanya menyediakan 1 kes apabila 2 badan tidak menukar arah gerakan dan bergerak secara seragam.

Undang-undang SRT tidak lagi terpakai apabila salah satu badan menukar trajektorinya atau meningkatkan kelajuannya. Di sini berlaku teori relativiti umum (GTR), memberikan tafsiran umum tentang pergerakan objek.

Dua postulat yang menjadi asas kepada teori relativiti:

1. Prinsip relativiti- Menurut beliau, dalam semua sistem sedia ada rujukan yang bergerak berhubung antara satu sama lain pada kelajuan tetap dan tidak berubah arah, undang-undang yang sama dikenakan.
2. Prinsip Kelajuan Cahaya- Kelajuan cahaya adalah sama untuk semua pemerhati dan tidak bergantung pada kelajuan pergerakan mereka. Ini adalah kelajuan tertinggi, dan tiada apa-apa dalam alam semula jadi mempunyai kelajuan yang lebih besar. Kelajuan cahaya ialah 3*10^8 m/s.

Albert Einstein menggunakan data eksperimen dan bukannya teori sebagai asas. Ini adalah salah satu komponen kejayaannya. Data eksperimen baru berfungsi sebagai asas untuk penciptaan teori baru.

Sejak pertengahan abad ke-19, ahli fizik telah mencari medium misteri baharu yang dipanggil eter. Adalah dipercayai bahawa eter boleh melalui semua objek, tetapi tidak mengambil bahagian dalam pergerakan mereka. Mengikut kepercayaan tentang eter, dengan menukar kelajuan penonton berhubung dengan eter, kelajuan cahaya juga berubah.

Einstein, mempercayai eksperimen, menolak konsep medium eter baharu dan mengandaikan bahawa kelajuan cahaya sentiasa malar dan tidak bergantung pada sebarang keadaan, seperti kelajuan seseorang itu sendiri.

Selang masa, jarak, dan keseragamannya

Teori relativiti khas menghubungkan masa dan ruang. Dalam Alam Semesta Bahan terdapat 3 yang diketahui dalam ruang: kanan dan kiri, ke hadapan dan ke belakang, atas dan bawah. Jika kita menambah kepada mereka dimensi lain, dipanggil masa, maka ini akan membentuk asas kontinum ruang-masa.

Jika anda bergerak pada kelajuan perlahan, pemerhatian anda tidak akan berkumpul dengan orang yang bergerak lebih laju.

Eksperimen kemudian mengesahkan bahawa ruang, seperti masa, tidak boleh dilihat dengan cara yang sama: persepsi kita bergantung pada kelajuan pergerakan objek.

Menghubungkan tenaga dengan jisim

Einstein datang dengan formula yang menggabungkan tenaga dengan jisim. Formula ini digunakan secara meluas dalam fizik, dan ia biasa kepada setiap pelajar: E=m*c², di mana E-tenaga; m - jisim badan, c - kelajuan penyebaran cahaya.

Jisim jasad bertambah berkadaran dengan pertambahan kelajuan cahaya. Jika anda mencapai kelajuan cahaya, jisim dan tenaga badan menjadi tidak berdimensi.

Dengan meningkatkan jisim objek, ia menjadi lebih sukar untuk mencapai peningkatan kelajuannya, iaitu untuk jasad dengan jisim bahan yang tidak terhingga, tenaga yang tidak terhingga diperlukan. Tetapi pada hakikatnya ini adalah mustahil untuk dicapai.

Teori Einstein menggabungkan dua peruntukan berasingan: kedudukan jisim dan kedudukan tenaga ke dalam satu undang-undang am. Ini memungkinkan untuk menukar tenaga kepada jisim bahan dan sebaliknya.

Seratus tahun yang lalu, pada tahun 1915, seorang saintis muda Switzerland, yang pada masa itu telah membuat penemuan revolusioner dalam fizik, mencadangkan pemahaman asas graviti yang baru.

Pada tahun 1915, Einstein menerbitkan teori relativiti umum, yang mencirikan graviti sebagai sifat asas ruang masa. Beliau membentangkan satu siri persamaan yang menerangkan kesan kelengkungan ruang masa ke atas tenaga dan gerakan jirim dan sinaran yang terdapat di dalamnya.

Seratus tahun kemudian, teori relativiti umum (GTR) menjadi asas untuk membina sains moden, dia lulus semua ujian yang saintis menyerangnya.

Tetapi sehingga baru-baru ini adalah mustahil untuk menjalankan eksperimen keadaan yang melampau untuk menguji kestabilan teori.

Sungguh mengagumkan betapa kuatnya teori relativiti telah terbukti dalam 100 tahun. Kami masih menggunakan apa yang ditulis oleh Einstein!

Clifford Will, ahli fizik teori, Universiti Florida

Para saintis kini mempunyai teknologi untuk mencari fizik di luar relativiti am.

Pandangan Baru pada Graviti

Teori umum relativiti menggambarkan graviti bukan sebagai daya (seperti yang muncul dalam fizik Newtonian), tetapi sebagai kelengkungan ruang-masa disebabkan oleh jisim objek. Bumi beredar mengelilingi Matahari bukan kerana bintang menariknya, tetapi kerana Matahari mengubah bentuk ruang-masa. Jika anda meletakkan bola boling yang berat pada selimut yang diregangkan, selimut akan berubah bentuk - graviti mempengaruhi ruang dengan cara yang sama.

Teori Einstein meramalkan beberapa penemuan gila. Sebagai contoh, kemungkinan wujudnya lubang hitam, yang membengkokkan ruang-masa sehingga satu tahap yang tidak dapat melarikan diri dari dalam, walaupun cahaya. Berdasarkan teori itu, bukti ditemui untuk pendapat yang diterima umum hari ini bahawa Alam Semesta berkembang dan mempercepatkan.

Relativiti am telah disahkan oleh banyak pemerhatian. Einstein sendiri menggunakan relativiti am untuk mengira orbit Mercury, yang gerakannya tidak dapat diterangkan oleh undang-undang Newton. Einstein meramalkan kewujudan objek yang sangat besar sehingga mereka membengkokkan cahaya. Ini adalah fenomena kanta graviti yang sering dihadapi oleh ahli astronomi. Sebagai contoh, pencarian exoplanet bergantung pada kesan perubahan halus dalam sinaran yang dibengkokkan oleh medan graviti bintang yang mengelilingi planet itu.

Menguji teori Einstein

Relativiti am berfungsi dengan baik untuk graviti biasa, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen di Bumi dan pemerhatian planet sistem suria. Tetapi ia tidak pernah diuji di bawah keadaan medan yang sangat kuat dalam ruang yang terletak pada sempadan fizik.

Cara yang paling menjanjikan untuk menguji teori dalam keadaan sedemikian adalah dengan memerhatikan perubahan dalam ruang masa yang dipanggil gelombang graviti. Mereka muncul akibat peristiwa besar, penggabungan dua badan besar, seperti lubang hitam, atau terutamanya objek padat - bintang neutron.

Pertunjukan bunga api kosmik sebesar ini hanya akan mencerminkan riak terkecil dalam ruang masa. Sebagai contoh, jika dua lubang hitam berlanggar dan bergabung di suatu tempat di Galaksi kita, gelombang graviti boleh meregang dan memampatkan jarak antara objek yang terletak satu meter di Bumi dengan seperseribu diameter nukleus atom.

Eksperimen telah muncul yang boleh merekodkan perubahan dalam ruang-masa disebabkan peristiwa sedemikian.

Terdapat peluang yang baik untuk mengesan gelombang graviti dalam dua tahun akan datang.

Clifford Will

Balai Cerap Gelombang Gravitas Interferometer Laser (LIGO), dengan balai cerap berhampiran Richland, Washington, dan Livingston, Louisiana, menggunakan laser untuk mengesan herotan minit dalam pengesan dua berbentuk L. Apabila riak ruang masa melalui pengesan, ia meregang dan memampatkan ruang, menyebabkan pengesan menukar dimensi. Dan LIGO boleh mengukurnya.

LIGO memulakan satu siri pelancaran pada tahun 2002, tetapi gagal mencapai hasil. Penambahbaikan telah dibuat pada tahun 2010, dan pengganti organisasi, Advanced LIGO, harus beroperasi semula pada tahun ini. Banyak eksperimen yang dirancang bertujuan untuk mencari gelombang graviti.

Satu lagi cara untuk menguji teori relativiti ialah melihat sifat-sifat gelombang graviti. Sebagai contoh, mereka boleh terkutub, seperti cahaya yang melalui cermin mata terkutub. Teori relativiti meramalkan ciri-ciri kesan sedemikian, dan sebarang penyelewengan daripada pengiraan mungkin menjadi sebab untuk meragui teori tersebut.

Teori bersatu

Clifford Will percaya bahawa penemuan gelombang graviti hanya akan menguatkan teori Einstein:

Saya fikir kita mesti terus mencari bukti relativiti am untuk memastikan ia betul.

Mengapakah eksperimen ini diperlukan sama sekali?

Salah satu tugas fizik moden yang paling penting dan sukar difahami ialah mencari teori yang akan menghubungkan bersama penyelidikan Einstein, iaitu sains makrokosmos, dan mekanik kuantum, realiti objek terkecil.

Kemajuan dalam bidang ini, graviti kuantum, mungkin memerlukan perubahan kepada relativiti am. Ada kemungkinan bahawa eksperimen graviti kuantum akan memerlukan tenaga yang banyak sehingga mustahil untuk dijalankan. "Tetapi siapa tahu," kata Will, "mungkin terdapat kesan dalam alam semesta kuantum yang tidak penting, tetapi boleh dicari."

SRT, TOE - singkatan ini menyembunyikan istilah biasa "teori relativiti", yang biasa kepada hampir semua orang. Secara ringkasnya segala-galanya boleh dijelaskan, walaupun kenyataan seorang genius, jadi jangan putus asa jika anda tidak mengingati kursus fizik sekolah anda, kerana sebenarnya semuanya lebih mudah daripada yang kelihatan.

Asal usul teori

Jadi, mari kita mulakan kursus "The Theory of Relativity for Dummies". Albert Einstein menerbitkan karyanya pada tahun 1905, dan ia menyebabkan kekecohan di kalangan saintis. Teori ini hampir sepenuhnya merangkumi banyak jurang dan ketidakkonsistenan dalam fizik abad yang lalu, tetapi, di atas segala-galanya, ia merevolusikan idea ruang dan masa. Banyak kenyataan Einstein sukar dipercayai oleh orang sezamannya, tetapi eksperimen dan penyelidikan hanya mengesahkan kata-kata ahli sains yang hebat itu.

Teori relativiti Einstein menjelaskan secara ringkas apa yang orang telah perjuangkan selama berabad-abad. Ia boleh dipanggil asas semua fizik moden. Walau bagaimanapun, sebelum meneruskan perbualan tentang teori relativiti, isu istilah perlu dijelaskan. Pasti ramai, membaca artikel sains popular, telah menemui dua singkatan: STO dan GTO. Malah, mereka membayangkan konsep yang sedikit berbeza. Yang pertama ialah teori relativiti khas, dan yang kedua bermaksud "relativiti am."

Hanya sesuatu yang rumit

STR ialah teori lama, yang kemudiannya menjadi sebahagian daripada GTR. Ia hanya boleh mempertimbangkan proses fizikal untuk objek yang bergerak dengan kelajuan seragam. Teori umum boleh menerangkan apa yang berlaku kepada objek yang memecut, dan juga menerangkan mengapa zarah graviti dan graviti wujud.

Jika anda perlu menerangkan pergerakan dan juga hubungan ruang dan masa apabila menghampiri kelajuan cahaya, teori relativiti khas boleh melakukan ini. Dalam kata-kata mudah ia boleh dijelaskan seperti berikut: sebagai contoh, rakan-rakan dari masa depan memberi anda kapal angkasa yang boleh terbang kelajuan tinggi. Pada hidung kapal angkasa terdapat meriam yang mampu menembak foton pada semua yang datang di hadapan.

Apabila tembakan dilepaskan, berbanding dengan kapal zarah-zarah ini terbang pada kelajuan cahaya, tetapi, secara logiknya, pemerhati pegun harus melihat jumlah dua kelajuan (foton itu sendiri dan kapal). Tetapi tiada seperti itu. Pemerhati akan melihat foton bergerak pada kelajuan 300,000 m/s, seolah-olah kelajuan kapal adalah sifar.

Masalahnya ialah tidak kira berapa cepat objek bergerak, kelajuan cahaya untuknya adalah nilai tetap.

Pernyataan ini adalah asas kepada kesimpulan logik yang menakjubkan seperti memperlahankan dan memesongkan masa, bergantung kepada jisim dan kelajuan objek. Plot banyak filem fiksyen sains dan siri TV adalah berdasarkan perkara ini.

Teori umum relativiti

Dalam bahasa mudah seseorang boleh menerangkan relativiti am yang lebih besar. Sebagai permulaan, kita harus mengambil kira hakikat bahawa ruang kita adalah empat dimensi. Masa dan ruang disatukan dalam "subjek" seperti "kontinuum ruang-masa." Dalam ruang kita terdapat empat paksi koordinat: x, y, z dan t.

Tetapi manusia tidak dapat melihat secara langsung empat dimensi, sama seperti orang rata hipotesis yang hidup dalam dunia dua dimensi tidak boleh melihat ke atas. Sebenarnya, dunia kita hanyalah unjuran ruang empat dimensi kepada ruang tiga dimensi.

Fakta yang menarik ialah, menurut teori umum relativiti, jasad tidak berubah apabila mereka bergerak. Objek dunia empat dimensi sebenarnya sentiasa tidak berubah, dan apabila ia bergerak, hanya unjuran mereka berubah, yang kita anggap sebagai herotan masa, pengurangan atau peningkatan saiz, dan sebagainya.

Eksperimen lif

Teori relativiti boleh dijelaskan secara ringkas menggunakan eksperimen pemikiran kecil. Bayangkan anda berada di dalam lif. Kabin mula bergerak, dan anda mendapati diri anda dalam keadaan tanpa berat. Apa yang berlaku? Terdapat dua sebab: sama ada lif berada di angkasa, atau ia jatuh bebas di bawah pengaruh graviti planet. Perkara yang paling menarik ialah mustahil untuk mengetahui punca tanpa berat jika tidak mungkin untuk melihat keluar dari kereta lif, iaitu, kedua-dua proses kelihatan sama.

Mungkin selepas melakukan eksperimen pemikiran yang sama, Albert Einstein membuat kesimpulan bahawa jika kedua-dua situasi ini tidak dapat dibezakan antara satu sama lain, maka sebenarnya badan di bawah pengaruh graviti tidak dipercepatkan, ia adalah gerakan seragam yang melengkung di bawah pengaruh badan besar (dalam kes ini planet ). Oleh itu, gerakan dipercepatkan hanyalah unjuran gerakan seragam ke dalam ruang tiga dimensi.

Contoh yang baik

Satu lagi contoh yang baik mengenai topik "Teori Relativiti untuk Dummies." Ia tidak sepenuhnya betul, tetapi ia sangat mudah dan jelas. Jika anda meletakkan sebarang objek pada kain yang diregangkan, ia membentuk "pesongan" atau "corong" di bawahnya. Semua badan yang lebih kecil akan dipaksa untuk memesongkan trajektori mereka mengikut selekoh ruang yang baru, dan jika badan mempunyai sedikit tenaga, ia mungkin tidak dapat mengatasi corong ini sama sekali. Walau bagaimanapun, dari sudut pandangan objek bergerak itu sendiri, trajektori tetap lurus;

Graviti "diturunkan"

Dengan kemunculan teori relativiti umum, graviti telah tidak lagi menjadi daya dan kini berpuas hati sebagai akibat mudah daripada kelengkungan masa dan ruang. Relativiti am mungkin kelihatan hebat, tetapi ia adalah versi yang berfungsi dan disahkan oleh eksperimen.

Teori relativiti boleh menerangkan banyak perkara yang kelihatan luar biasa di dunia kita. Dalam istilah mudah, perkara sedemikian dipanggil akibat relativiti am. Contohnya, pancaran cahaya yang terbang dekat dengan jasad besar dibengkokkan. Lebih-lebih lagi, banyak objek dari angkasa lepas tersembunyi di belakang satu sama lain, tetapi disebabkan oleh fakta bahawa sinar cahaya membengkok di sekeliling badan lain, objek yang kelihatan tidak kelihatan boleh diakses oleh mata kita (lebih tepat lagi, kepada mata teleskop). Ia seperti melihat melalui dinding.

Semakin besar graviti, semakin perlahan masa mengalir pada permukaan objek. Ini bukan sahaja terpakai kepada badan besar seperti bintang neutron atau lubang hitam. Kesan pelebaran masa boleh diperhatikan walaupun di Bumi. Sebagai contoh, peranti navigasi satelit dilengkapi dengan jam atom yang sangat tepat. Mereka berada di orbit planet kita, dan masa berdetik sedikit lebih cepat di sana. Seratus saat dalam sehari akan menambah sehingga angka yang akan memberikan sehingga 10 km ralat dalam pengiraan laluan di Bumi. Teori relativiti inilah yang membolehkan kita mengira ralat ini.

Secara ringkas, kita boleh meletakkannya seperti ini: GTR mendasari banyak perkara teknologi moden, dan terima kasih kepada Einstein, kami boleh menemui restoran pizza dan perpustakaan dengan mudah di kawasan yang tidak dikenali.

bahan daripada buku "A Brief History of Time" oleh Stephen Hawking dan Leonard Mlodinow

Relativiti

Postulat asas Einstein, yang dipanggil prinsip relativiti, menyatakan bahawa semua undang-undang fizik mestilah sama untuk semua pemerhati yang bergerak bebas, tanpa mengira kelajuannya. Jika kelajuan cahaya adalah malar, maka mana-mana pemerhati yang bergerak bebas harus merekodkan nilai yang sama tanpa mengira kelajuan dia mendekati atau bergerak menjauhi sumber cahaya.

Keperluan bahawa semua pemerhati bersetuju dengan kelajuan cahaya memaksa perubahan dalam konsep masa. Menurut teori relativiti, seorang pemerhati yang menaiki kereta api dan seorang yang berdiri di atas pelantar akan berbeza dalam anggaran mereka tentang jarak yang dilalui oleh cahaya. Dan kerana kelajuan adalah jarak dibahagikan dengan masa, satu-satunya cara untuk pemerhati bersetuju dengan kelajuan cahaya adalah jika mereka juga tidak bersetuju pada masa. Dengan kata lain, teori relativiti menamatkan idea masa mutlak! Ternyata setiap pemerhati mesti mempunyai ukuran masa sendiri dan jam yang sama untuk pemerhati yang berbeza tidak semestinya menunjukkan masa yang sama.

Apabila kita mengatakan bahawa ruang mempunyai tiga dimensi, kita bermaksud bahawa kedudukan titik di dalamnya boleh dinyatakan menggunakan tiga nombor - koordinat. Jika kita memperkenalkan masa ke dalam huraian kita, kita mendapat ruang-masa empat dimensi.

Satu lagi akibat yang terkenal dari teori relativiti ialah kesetaraan jisim dan tenaga, yang dinyatakan oleh persamaan terkenal Einstein E = mс 2 (di mana E ialah tenaga, m ialah jisim badan, c ialah kelajuan cahaya). Oleh kerana kesetaraan tenaga dan jisim, tenaga kinetik yang dimiliki oleh objek material disebabkan oleh gerakannya meningkatkan jisimnya. Dengan kata lain, objek menjadi lebih sukar untuk dipercepatkan.

Kesan ini penting hanya untuk badan yang bergerak pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya. Sebagai contoh, pada kelajuan yang sama dengan 10% daripada kelajuan cahaya, jisim badan akan hanya 0.5% lebih besar daripada semasa rehat, tetapi pada kelajuan yang sama dengan 90% daripada kelajuan cahaya, jisim akan lebih daripada dua kali ganda. yang biasa. Apabila ia menghampiri kelajuan cahaya, jisim badan bertambah dengan lebih cepat, sehingga lebih banyak tenaga diperlukan untuk mempercepatkannya. Menurut teori relativiti, objek tidak boleh mencapai kelajuan cahaya, kerana dalam kes ini jisimnya akan menjadi tak terhingga, dan disebabkan kesetaraan jisim dan tenaga, tenaga tak terhingga akan diperlukan untuk melakukan ini. Itulah sebabnya teori relativiti selama-lamanya mengutuk mana-mana jasad biasa untuk bergerak pada kelajuan kurang daripada kelajuan cahaya. Hanya cahaya atau gelombang lain yang tidak mempunyai jisim sendiri boleh bergerak pada kelajuan cahaya.

Ruang Terpesong

Teori relativiti umum Einstein adalah berdasarkan andaian revolusioner bahawa graviti bukanlah kuasa biasa, tetapi akibat daripada fakta bahawa ruang-masa tidak rata, seperti yang difikirkan sebelum ini. Dalam relativiti umum, ruang masa dibengkokkan, atau melengkung, oleh jisim dan tenaga yang diletakkan di dalamnya. Badan seperti Bumi bergerak dalam orbit melengkung bukan di bawah pengaruh daya yang dipanggil graviti.

Memandangkan garis geodetik ialah garis terpendek antara dua lapangan terbang, pelayar memandu pesawat di sepanjang laluan ini. Sebagai contoh, anda boleh mengikuti bacaan kompas dan terbang sejauh 5,966 kilometer dari New York ke Madrid hampir ke timur sepanjang selari geografi. Tetapi anda hanya perlu menempuh 5,802 kilometer jika anda terbang bersama bulatan besar, pertama ke timur laut, dan kemudian secara beransur-ansur beralih ke timur dan kemudian ke tenggara. Lihat kedua-dua laluan ini pada peta, di mana permukaan bumi diputarbelitkan (disampaikan rata), menipu. Bergerak "lurus" ke timur dari satu titik ke titik lain di sepanjang permukaan glob, anda sebenarnya tidak bergerak di sepanjang garis lurus, atau sebaliknya, tidak di sepanjang garis geodetik terpendek.

Jika trajektori kapal angkasa yang bergerak dalam garis lurus melalui ruang diunjurkan ke permukaan dua dimensi Bumi, ternyata ia melengkung.

Menurut relativiti am, medan graviti harus membengkokkan cahaya. Sebagai contoh, teori itu meramalkan bahawa berhampiran Matahari, sinaran cahaya harus membengkok sedikit ke arahnya di bawah pengaruh jisim bintang. Ini bermakna bahawa cahaya bintang yang jauh, jika ia kebetulan melintas berhampiran Matahari, akan menyimpang dengan sudut yang kecil, itulah sebabnya seorang pemerhati di Bumi akan melihat bintang itu tidak tepat di tempat ia sebenarnya.

Mari kita ingat bahawa menurut postulat asas teori relativiti khas, semua undang-undang fizik adalah sama untuk semua pemerhati yang bergerak bebas, tanpa mengira kelajuannya. Secara kasarnya, prinsip kesetaraan memanjangkan peraturan ini kepada pemerhati yang bergerak tidak bebas, tetapi di bawah pengaruh medan graviti.

Di kawasan ruang yang cukup kecil, adalah mustahil untuk menilai sama ada anda sedang berehat dalam medan graviti atau bergerak dengan pecutan berterusan di ruang kosong.

Bayangkan anda berada di dalam lif di tengah-tengah ruang kosong. Tiada graviti, tiada "atas" dan "bawah". Anda terapung bebas. Lif kemudian mula bergerak dengan pecutan yang berterusan. Anda tiba-tiba berasa berat. Iaitu, anda ditekan pada salah satu dinding lif, yang kini dianggap sebagai lantai. Jika anda mengambil sebiji epal dan melepaskannya, ia akan jatuh ke lantai. Malah, sekarang anda bergerak dengan pecutan, segala-galanya di dalam lif akan berlaku sama seperti seolah-olah lif tidak bergerak sama sekali, tetapi berada dalam keadaan rehat dalam medan graviti seragam. Einstein menyedari bahawa seperti ketika anda berada di dalam kereta kereta api anda tidak dapat mengetahui sama ada ia pegun atau bergerak secara seragam, jadi apabila anda berada di dalam lif anda tidak dapat mengetahui sama ada ia bergerak dengan pecutan malar atau dalam gerakan seragam. Hasil daripada pemahaman ini ialah prinsip kesetaraan.

Prinsip kesetaraan dan contoh yang diberikan bagi manifestasinya akan sah hanya jika jisim inersia (termasuk dalam undang-undang kedua Newton, yang menentukan berapa banyak pecutan daya yang dikenakan kepada jasad memberi kepada jasad) dan jisim graviti (termasuk dalam hukum Newton. graviti, yang menentukan magnitud tarikan graviti) adalah perkara yang sama.

Penggunaan kesetaraan jisim inersia dan graviti oleh Einstein untuk mendapatkan prinsip kesetaraan dan, akhirnya, keseluruhan teori relativiti umum adalah contoh pembangunan berterusan dan konsisten bagi kesimpulan logik yang belum pernah berlaku dalam sejarah pemikiran manusia.

Pelebaran masa

Satu lagi ramalan kerelatifan am ialah masa akan menjadi perlahan berhampiran badan besar seperti Bumi.

Memandangkan kita sudah biasa dengan prinsip kesetaraan, kita boleh mengikuti pemikiran Einstein dengan melakukan eksperimen pemikiran lain yang menunjukkan sebab graviti mempengaruhi masa. Bayangkan roket terbang di angkasa. Untuk kemudahan, kita akan mengandaikan bahawa badannya sangat besar sehingga ia memerlukan cahaya sepanjang saat untuk melewatinya dari atas ke bawah. Akhir sekali, andaikan terdapat dua pemerhati dalam roket: satu di bahagian atas, berhampiran siling, satu lagi di bahagian bawah, di atas lantai, dan kedua-duanya dilengkapi dengan jam yang sama yang mengira detik.

Mari kita anggap bahawa pemerhati atas, setelah menunggu jamnya mengira detik, segera menghantar isyarat cahaya kepada yang lebih rendah. Pada kiraan seterusnya, ia menghantar isyarat kedua. Mengikut keadaan kami, ia akan mengambil masa satu saat untuk setiap isyarat untuk mencapai pemerhati yang lebih rendah. Oleh kerana pemerhati atas menghantar dua isyarat cahaya dengan selang satu saat, pemerhati bawah juga akan mendaftarkannya dengan selang yang sama.

Apakah yang akan berubah jika dalam eksperimen ini, bukannya terapung bebas di angkasa, roket itu berdiri di Bumi, mengalami tindakan graviti? Menurut teori Newton, graviti tidak akan menjejaskan keadaan dalam apa jua cara: jika pemerhati di atas menghantar isyarat dengan selang sesaat, maka pemerhati di bawah akan menerimanya pada selang waktu yang sama. Tetapi prinsip kesetaraan meramalkan perkembangan peristiwa yang berbeza. Yang mana satu, kita boleh faham jika, mengikut prinsip kesetaraan, kita secara mental menggantikan tindakan graviti dengan pecutan malar. Ini adalah salah satu contoh bagaimana Einstein menggunakan prinsip kesetaraan semasa mencipta teori graviti barunya.

Jadi katakanlah roket kita sedang memecut. (Kami akan menganggap bahawa ia memecut dengan perlahan, supaya kelajuannya tidak menghampiri kelajuan cahaya.) Memandangkan badan roket sedang bergerak ke atas, isyarat pertama perlu mengembara jarak kurang daripada sebelumnya (sebelum pecutan bermula), dan ia akan tiba di pemerhati yang lebih rendah lebih awal daripada yang kedua. Jika roket itu bergerak pada kelajuan tetap, maka isyarat kedua akan tiba lebih awal, supaya selang antara kedua-dua isyarat akan kekal sama dengan satu saat. Tetapi pada saat menghantar isyarat kedua, disebabkan oleh pecutan, roket bergerak lebih cepat daripada pada saat menghantar isyarat pertama, jadi isyarat kedua akan menempuh jarak yang lebih pendek daripada yang pertama dan akan mengambil masa yang lebih singkat. Pemerhati di bawah, menyemak jam tangannya, akan merekodkan bahawa selang antara isyarat adalah kurang daripada satu saat, dan akan tidak bersetuju dengan pemerhati di atas, yang mendakwa bahawa dia menghantar isyarat tepat satu saat kemudian.

Dalam kes roket yang memecut, kesan ini mungkin tidak begitu mengejutkan. Lagipun, kami hanya menjelaskannya! Tetapi ingat: prinsip kesetaraan mengatakan bahawa perkara yang sama berlaku apabila roket diam dalam medan graviti. Akibatnya, walaupun roket tidak memecut, tetapi, sebagai contoh, berdiri di atas pad pelancaran di permukaan Bumi, isyarat yang dihantar oleh pemerhati atas dengan selang sesaat (menurut jam tangannya) akan tiba di pemerhati yang lebih rendah dengan selang yang lebih kecil (mengikut jam tangannya) . Ini benar-benar menakjubkan!

Graviti mengubah aliran masa. Sama seperti relativiti khas memberitahu kita bahawa masa berlalu berbeza bagi pemerhati yang bergerak relatif antara satu sama lain, teori umum relativiti mengisytiharkan bahawa peredaran masa adalah berbeza bagi pemerhati yang terletak dalam medan graviti yang berbeza. Mengikut relativiti am, pemerhati yang lebih rendah mencatatkan selang yang lebih pendek antara isyarat kerana masa berlalu dengan lebih perlahan di permukaan Bumi kerana graviti lebih kuat di sana. Semakin kuat medan graviti, semakin besar kesan ini.

Jam biologi kita juga bertindak balas terhadap perubahan dalam peredaran masa. Jika salah seorang daripada kembar itu tinggal di atas gunung dan seorang lagi di tepi laut, yang pertama akan menjadi tua lebih cepat daripada saat. Dalam kes ini, perbezaan umur akan diabaikan, tetapi ia akan meningkat dengan ketara sebaik sahaja salah seorang kembar pergi dalam perjalanan yang jauh dalam kapal angkasa yang memecut dengan kelajuan cahaya. Apabila pengembara itu kembali, dia akan jauh lebih muda daripada saudaranya yang tinggal di Bumi. Kes ini dikenali sebagai paradoks berkembar, tetapi ia adalah paradoks hanya untuk mereka yang berpegang teguh pada idea masa mutlak. Dalam teori relativiti tidak ada masa mutlak yang unik - setiap individu mempunyai ukuran masa sendiri, yang bergantung pada di mana dia berada dan bagaimana dia bergerak.

Dengan kemunculan sistem navigasi ultra-tepat yang menerima isyarat daripada satelit, perbezaan dalam kadar jam pada ketinggian yang berbeza telah menjadi kepentingan praktikal. Jika peralatan mengabaikan ramalan relativiti am, ralat dalam menentukan lokasi boleh menjadi beberapa kilometer!

Kemunculan teori umum relativiti secara radikal mengubah keadaan. Ruang dan masa memperoleh status entiti dinamik. Apabila badan bergerak atau daya bertindak, ia menyebabkan kelengkungan ruang dan masa, dan struktur ruang-masa, seterusnya, mempengaruhi pergerakan badan dan tindakan daya. Ruang dan masa bukan sahaja mempengaruhi semua yang berlaku di Alam Semesta, tetapi mereka sendiri bergantung pada semuanya.

Mari kita bayangkan seorang angkasawan yang berani yang kekal di permukaan bintang yang runtuh semasa penguncupan yang dahsyat. Pada satu ketika mengikut jam tangannya, katakan pada pukul 11:00, bintang itu akan mengecut ke jejari kritikal, di mana medan graviti semakin meningkat sehingga mustahil untuk melepaskan diri daripadanya. Sekarang andaikan bahawa mengikut arahan, angkasawan mesti menghantar isyarat setiap saat pada jam tangannya ke kapal angkasa yang berada di orbit pada jarak tertentu dari pusat bintang. Ia mula menghantar isyarat pada 10:59:58, iaitu, dua saat sebelum 11:00. Apakah yang akan didaftarkan oleh kru di atas kapal angkasa?

Sebelum ini, setelah melakukan eksperimen pemikiran dengan penghantaran isyarat cahaya di dalam roket, kami yakin bahawa graviti melambatkan masa dan semakin kuat ia, semakin ketara kesannya. Seorang angkasawan di permukaan bintang berada dalam medan graviti yang lebih kuat daripada rakan-rakannya di orbit, jadi satu saat pada jam tangannya akan bertahan lebih lama daripada satu saat pada jam kapal. Apabila angkasawan bergerak dengan permukaan ke arah pusat bintang, medan yang bertindak ke atasnya menjadi lebih kuat dan lebih kuat, sehingga selang antara isyaratnya yang diterima di atas kapal angkasa sentiasa memanjang. Pelebaran kali ini akan menjadi sangat sedikit sehingga 10:59:59, supaya untuk angkasawan di orbit, selang antara isyarat yang dihantar pada 10:59:58 dan pada 10:59:59 akan menjadi lebih sedikit daripada satu saat. Tetapi isyarat yang dihantar pada pukul 11:00 tidak akan diterima lagi di kapal.

Apa-apa sahaja yang berlaku di permukaan bintang antara 10:59:59 dan 11:00 pada jam angkasawan akan terbentang dalam tempoh masa yang tidak terhingga pada jam kapal angkasa. Apabila 11:00 menghampiri, selang antara ketibaan di orbit puncak berturut-turut dan palung gelombang cahaya yang dipancarkan oleh bintang akan menjadi semakin panjang; perkara yang sama akan berlaku dengan selang masa antara isyarat angkasawan. Memandangkan kekerapan sinaran ditentukan oleh bilangan puncak (atau palung) yang tiba sesaat, kapal angkasa akan merekodkan frekuensi sinaran bintang yang lebih rendah dan lebih rendah. Cahaya bintang akan menjadi semakin merah dan pada masa yang sama pudar. Akhirnya bintang akan menjadi sangat malap sehingga ia akan menjadi tidak kelihatan kepada pemerhati di kapal angkasa; yang tinggal hanyalah lubang hitam di angkasa. Walau bagaimanapun, kesan graviti bintang pada kapal angkasa akan kekal, dan ia akan terus mengorbit.