Ще на початку 20-го століття була сформульованатеорія відносності. Що це таке і хто її автор, знає сьогодні кожен школяр. Вона настільки захоплююча, що нею цікавляться навіть люди, далекі від науки. У цій статті доступною мовою описується теорія відносності: що це таке, які її постулати і застосування.
Кажуть, що до Альберту Ейнштейну, її творцеві,прозріння прийшло в одну мить. Вчений нібито їхав на трамваї по швейцарському Берну. Він подивився на вуличні годинник і раптом усвідомив, що цей годинник зупиняться, якщо трамвай розженеться до швидкості світла. В цьому випадку часу б не стало. Час в теорії відносності грає дуже важливу роль. Один з постулатів, сформульованих Ейнштейном, - різні спостерігачі сприймають дійсність по-різному. Це відноситься зокрема до часу і відстані.
В той день Альберт зрозумів, що, висловлюючись мовоюнауки, опис будь-якого фізичного явища чи події залежить від того, в якій системі відліку знаходиться спостерігач. Наприклад, якщо яка-небудь пасажирка трамваю упустить окуляри, вони впадуть по відношенню до неї вертикально вниз. Якщо ж подивитися з позиції стоїть на вулиці пішохода, то траєкторія їх падіння буде відповідати параболі, так як трамвай рухається і одночасно падають окуляри. Таким чином, система відліку у кожного своя. Пропонуємо докладніше розглянути основні постулати теорії відносності.
Незважаючи на те що при зміні систем відлікуопису подій змінюються, існують і універсальні речі, які залишаються незмінними. Для того щоб зрозуміти це, потрібно задатися питанням не падіння очок, а закону природи, який викликає це падіння. Для будь-якого спостерігача, незалежно від того, в що просувалася або нерухомій системі координат він знаходиться, відповідь на нього залишається незмінним. Цей закон називається законом розподіленого руху. Він однаково діє як в трамваї, так і на вулиці. Іншими словами, якщо опис подій завжди залежить від того, хто їх спостерігає, то це не відноситься до законів природи. Вони є, як прийнято виражатися науковою мовою, інваріантними. Ось в цьому і полягає принцип відносності.
Даний принцип, як і будь-яку іншу гіпотезу,необхідно було спочатку перевірити, віднісши його з природними явищами, які діють в нашій реальності. Ейнштейн вивів 2 теорії з принципу відносності. Хоча вони і родинні, але вважаються окремими.
Приватна, або спеціальна, теорія відносності(СТО) грунтується на положенні про те, що для всіляких систем відліку, швидкість руху яких постійна, закони природи залишаються одними і тими ж. Загальна теорія відносності (ЗТВ) даний принцип поширює на будь-які системи відліку, в тому числі і ті, які рухаються з прискоренням. У 1905 році А. Ейнштейн опублікував першу теорію. Другу, більш складну в плані математичного апарату, завершив до 1916 року. Створення теорії відносності, як СТО, так і ОТО, стало важливим етапом у розвитку фізики. Зупинимося докладніше на кожній з них.
Що це таке, в чому її суть?Давайте відповімо на це питання. Саме цією теорією передбачається безліч парадоксальних ефектів, що суперечать нашим інтуїтивним уявленням про те, як влаштований світ. Йдеться про тих ефектах, які спостерігаються тоді, коли швидкість руху наближається до швидкості світла. Найбільш відомим серед них є ефект уповільнення часу (ходу годинника). Годинники, які рухаються відносно спостерігача, для нього йдуть повільніше, ніж ті, які знаходяться у нього в руках.
В системі координат при русі зі швидкістю,наближеною до швидкості світла, час розтягується щодо спостерігача, а довжина об'єктів (просторова протяжність), навпаки, стискується вздовж осі напрямку цього руху. Даний ефект вчені називають скороченням Лоренца-Фіцджеральда. Ще в 1889 році його описав Джордж Фіцджеральд, італійський фізик. А в 1892 році Хендрік Лоренц, нідерландець, доповнив його. Цей ефект пояснює негативний результат, який дає досвід Майкельсона-Морлі, в якому швидкість руху нашої планети в космічному просторі визначається виміром "ефірного вітру". Такі основні постулати теорії відносності (спеціальної). Ейнштейн доповнив ці рівняння формулою перетворення маси, зробленої за аналогією. Відповідно до неї, у міру того, як швидкість тіла наближається до швидкості світла, маса тіла збільшується. Наприклад, якщо швидкість складе 260 тис. Км / с, тобто 87% від швидкості світла, з точки зору спостерігача, який знаходиться в спочиває системі відліку, маса об'єкта подвоїться.
Всі ці положення, як би вони не суперечилиздоровому глузду, з часу Ейнштейна знаходять пряме і повне підтвердження в безлічі експериментів. Один з них провели вчені Мічиганського університету. Цим цікавим досвідом підтверджується теорія відносності у фізиці. Дослідники помістили на борт авіалайнера, який регулярно здійснював трансатлантичні рейси, надточні атомний годинник. Щоразу після повернення його в аеропорт свідчення цього годинника звірялися з контрольними. Виявилося, що годинник на літаку кожен раз все більше відставали від контрольних. Звичайно, мова йшла лише про незначні цифрах, частках секунди, але сам факт дуже показовий.
Останні півстоліття дослідники вивчаютьелементарні частинки на прискорювачах - величезних апаратних комплексах. У них пучки електронів або протонів, тобто заряджених субатомних частинок, розганяються до тих пір, поки їх швидкості не наближаються до швидкості світла. Після цього ними обстрілюють ядерні мішені. У даних дослідах потрібно враховувати те, що маса частинок збільшується, в іншому випадку результати експерименту не піддаються інтерпретації. В цьому відношенні СТО вже давно не просто гіпотетична теорія. Вона стала одним з інструментів, які використовуються в прикладної інженерії, нарівні з ньютоновскими законами механіки. Принципи теорії відносності знайшли велике практичне застосування в наші дні.
До речі, кажучи про закони Ньютона (портрет цьоговченого представлений вище), слід сказати, що спеціальна теорія відносності, яка, здавалося б, їм суперечить, в дійсності відтворює рівняння законів Ньютона практично в точності, якщо її використовувати для опису тіл, швидкість руху яких набагато менше швидкості світла. Іншими словами, якщо застосовується спеціальна теорія відносності, фізика Ньютона зовсім не скасовується. Ця теорія, навпаки, доповнює і розширює її.
Використовуючи принцип відносності, можна зрозуміти,чому в даній моделі будови світу дуже важливу роль грає саме швидкість світла, а не щось ще. Цим питанням задаються ті, хто тільки починає знайомство з фізикою. Швидкість світла є універсальною константою завдяки тому, що вона визначена як така природничих законом (докладніше про це можна дізнатися, вивчивши рівняння Максвелла). Швидкість світла у вакуумі, в силу дії принципу відносності, в будь-якій системі відліку є однаковою. Можна подумати, що це суперечить здоровому глузду. Виходить, що до спостерігача одночасно доходить світло як від нерухомого джерела, так і від рухомого (незалежно від того, з якою швидкістю він рухається). Однак це не так. Швидкості світла, завдяки особливій її ролі, відводиться центральне місце не тільки в спеціальній, але і в ОТО. Розповімо і про неї.
Вона використовується, як ми вже говорили, для всіхсистем відліку, не обов'язково тих, швидкість руху яких відносно один одного є постійною. Математично ця теорія виглядає набагато складніше, ніж спеціальна. Цим і пояснюється те, що між їхніми публікаціями пройшло 11 років. ОТО включає в себе спеціальну як окремий випадок. Отже, закони Ньютона також входять в неї. Однак ОТО йде набагато далі її попередниць. Наприклад, в ній по-новому тлумачиться гравітація.
Завдяки ОТО світ стає чотиривимірним:час додається до трьох просторових вимірів. Всі вони нерозривні, отже, потрібно говорити вже не про просторовому відстані, існуючому в тривимірному світі між двома об'єктами. Мова тепер йде про просторово-часових інтервалах між різними подіями, що об'єднують як просторову, так і тимчасову віддаленість їх один від одного. Іншими словами, час і простір в теорії відносності розглядаються як якийсь чотиривимірний континуум. Його можна визначити як простір-час. В даному континуумі ті спостерігачі, які рухаються відносно один одного, будуть мати різні думки навіть про те, чи одночасно відбулися два будь-яких події, або ж одне з них передувало іншому. Однак причинно-наслідкові зв'язки при цьому не порушуються. Іншими словами, існування такої системи координат, де дві події відбуваються в різній послідовності і не одночасно, не допускає навіть ОТО.
Відповідно до закону всесвітнього тяжіння, відкритогоНьютоном, сила взаємного тяжіння існує у Всесвіті між будь-якими двома тілами. Земля з цієї позиції обертається навколо Сонця, так як між ними є сили взаємного тяжіння. Проте, ОТО змушує поглянути з іншого боку на це явище. Гравітація, відповідно до даної теорії, - наслідок "викривлення" (деформації) простору-часу, яке спостерігається під впливом маси. Чим тіло важче (в нашому прикладі, Сонце), тим більше "прогинається" під ним простір-час. Відповідно, його гравітаційне поле тим сильніше.
Для того щоб краще зрозуміти суть теоріївідносності, звернемося до порівняння. Земля, згідно ОТО, обертається навколо Сонця, як маленьку кульку, який котиться навколо конуса воронки, створеної в результаті "продавлювання" Сонцем простору-часу. А то, що ми звикли вважати силою тяжіння, є насправді зовнішнім проявом даного викривлення, а не силою, в розумінні Ньютона. Кращого пояснення феномена гравітації, ніж запропоноване в ОТО, на сьогоднішній день не знайдено.
Відзначимо, що ОТО перевірити непросто, так як їїрезультати в лабораторних умовах майже відповідають закону всесвітнього тяжіння. Однак вчені все-таки провели ряд важливих експериментів. Їх результати дозволяють зробити висновок про те, що теорія Ейнштейна підтвердила. ОТО, крім того, допомагає пояснити різні явища, які спостерігаються в космосі. Це, наприклад, невеликі відхилення Меркурія від своєї стаціонарної орбіти. З точки зору ньютонівської класичної механіки їх не можна пояснити. Це також те, чому електромагнітне випромінювання, що виходить від далеких зірок, викривляється при проходженні його поблизу від Сонця.
Результати, передбачені ОТО, насправдіістотно відрізняються від тих, які дають закони Ньютона (портрет його представлений вище), лише тоді, коли присутні надсильні гравітаційні поля. Отже, для повноцінної перевірки ОТО необхідні або дуже точні вимірювання об'єктів величезної маси, або чорні дірки, оскільки наші звичні уявлення стосовно них не застосовуються. Тому розробка експериментальних методів перевірки цієї теорії є однією з головних завдань сучасної експериментальної фізики.
Уми багатьох вчених, та й далеких від науки людейзаймає створена Ейнштейном теорія відносності. Що це таке, ми коротко розповіли. Ця теорія перевертає наші звичні уявлення про світ, тому інтерес до неї досі не згасає.
