Загальна теорія відносності. Теорія відносності Альберта Ейнштейна

Про цю теорію говорили, що її розуміють тільки три людини у світі, а коли спробували математики цифрами висловити те, що з неї випливає, сам автор – Альберт Ейнштейн - жартував, що тепер і він перестав її розуміти. Спеціальна і загальна теорія відносності – нерозривні частини вчення, на якому будуються сучасні наукові погляди на устрій світу.

«Рік чудес»

У 1905 році провідний науковий друкований орган Німеччини «Annalen der Physik» («Аннали фізики») опублікував одну за одною чотири статті 26-річного Альберта Ейнштейна, працював експертом 3-го класу - дрібним клерком - Федерального бюро патентування винаходів в Берні. Він і раніше співпрацював з журналом, але публікація такої кількості робіт за один рік була екстраординарною подією. Воно стало ще більш видатним, коли стала зрозумілою цінність ідей, які містилися в кожній з них. У першої з статей висловлювалися думки про квантову природу світла, розглянуто процеси поглинання і виділення електромагнітного випромінювання. На цій основі був вперше пояснений фотоефект – випускання електронів речовиною, вибиваемих фотонами світла, запропоновані формули для розрахунку кількості виділяється при цьому енергії. Саме за теоретичні розробки фотоелектричного ефекту, що стали початком квантової механіки, а не за постулати теорії відносності Ейнштейна буде присуджена в 1922 році Нобелівська премія з фізики.




В іншій статті було покладено початок прикладним напрямами фізичної статистики на основі дослідження броунівського руху найдрібніших, зважених в рідині частинок. Ейнштейн запропонував методи пошуку закономірності флуктуацій – хаотичних та випадкових відхилень фізичних величин від їх найбільш імовірних значень. І нарешті, у статті «До електродинаміки рухомих тіл» і «Залежить інерція тіла від вмісту в ньому енергії?» містилися зародки того, що буде позначено в історії фізики як теорія відносності Альберта Ейнштейна, вірніше її перша частина – СТО, - спеціальна теорія відносності.

Джерела і попередники

В кінці XIX століття багатьом фізикам здавалося, що більшість глобальних проблем світобудови вирішено, головні відкриття зроблені, і людству належить лише використовувати накопичені знання для потужного прискорення технічного прогресу. Лише деякі теоретичні неузгодження псували гармонійну картину Всесвіту, заповненої ефіром і живе по непорушному ньютонівським законами.




Гармонію псували теоретичні вишукування Максвелла. Його рівняння, які описували взаємодії електромагнітних полів, суперечили загальноприйнятим законам класичної механіки. Це стосувалося вимірювання швидкості світла в динамічних системах відліку, коли переставав працювати принцип відносності Галілея, - математичну модель взаємодії таких систем при русі зі світловою швидкістю призводила до зникнення електромагнітних хвиль. Крім того, не піддавався виявлення ефір, який мав примирити одночасне існування частинок і хвиль, макро і мікрокосмосу. Експеримент, який провели в 1887 році Альберт Майкельсон і Едвард Морлі мав на меті виявлення "ефірного вітру", який неминуче мав бути зафіксований унікальним приладом - інтерферометром. Досвід тривав цілий рік – час повного обертання Землі навколо Сонця. Планета повинна була півроку рухатися проти ефірного потоку, півроку ефір повинен був «дути в вітрила» Землі, але результат був нульовим: зміщення світлових хвиль під впливом ефіру не виявили, що ставило під сумнів сам факт існування ефіру.

Лоренц і Пуанкаре

Фізики спробували знайти пояснення результатами експериментів по виявленню ефіру. Свою математичну модель запропонував Хендрік Лоренц (1853-1928). Вона повертала до життя ефірне заповнення простору, але лише при дуже умовному і штучному припущенні, що при русі крізь ефір об'єкти можуть скорочуватися в напрямку руху. Цю модель допрацював великий Анрі Пуанкаре (1854-1912). У роботах цих двох вчених вперше з'явилися поняття, багато в чому склали головні постулати теорії відносності, і це не дає вщухнути звинуваченнями Ейнштейна в плагіаті. До них відносяться умовність поняття про одночасності, гіпотеза про постійності швидкості світла. Пуанкаре допускав, що при великих швидкостях закони механіки Ньютона вимагають переробки, робив висновок про відносність руху, але в додатку до ефірної теорії.

Спеціальна теорія відносності – СТО

Проблеми коректного опису електромагнітних процесів стали спонукальною причиною для вибору теми для теоретичних розробок, і опубліковані в 1905 році статті Ейнштейна містили інтерпретацію приватного випадку рівномірного і прямолінійного руху. До 1915году була сформована загальна теорія відносності, яка пояснювала і взаємодії гравітаційні взаємодії, але першою стала теорія, що отримала назву спеціальної. Спеціальна теорія відносності Ейнштейна коротко може бути викладена у вигляді двох основних постулатів. Перший поширює дію принципу відносності Галілея на всі фізичні явища, а не тільки на механічні процеси. У більш загальній формі він говорить: Усі фізичні закони однакові для всіх інерціальних (рухаються рівномірно прямолінійно або перебувають в спокої) систем відліку. Друге твердження, яке містить спеціальна теорія відносності: швидкість поширення світла у вакуумі для всіх інерціальних систем відліку однакова. Далі робиться більш глобальний висновок: світлова швидкість – максимально велика величина швидкості передачі взаємодій у природі. В математичних викладках СТО наводиться формула E=mc2 яка і раніше з'являлася у фізичних публікаціях, але саме завдяки Ейнштейну вона стала найвідомішою і найпопулярнішою в історії науки. Висновок про еквівалентність маси і енергії – це сама революційна формула теорії відносності. Поняття того, що будь - об'єкт, що володіє масою, містить величезну кількість енергії стало основою для розробок по використанню ядерної енергії і, насамперед, призвело до появи атомної бомби.

Ефекти спеціальної теорії відносності

З СТО випливає декілька наслідків, які отримали назву релятивістських (relativity англ. –відносність) ефектів. Уповільнення часу – один з найяскравіших. Суть його в тому, що в рухомій системі відліку час йде повільніше. Розрахунки показують, що на космічному кораблі, що вчинила гіпотетичний політ до зоряної системи Альфа Центавра і назад при швидкості 095 c (c –швидкість світла) пройде 73 роки, а на Землі – 12 років. Такі приклади часто приводять, коли пояснюється теорія відносності для чайників, як і пов'язаний з цим ефектом парадокс близнюків. Ще один ефект – скорочення лінійних розмірів, тобто з точки зору спостерігача, рухаються відносно нього зі швидкістю, близькою до c, предмети, будуть мати менші лінійні розміри у напрямку руху, ніж їх власна довжина. Цей який пророкують релятивістською фізикою ефект називається лоренцевим скороченням. За законами релятивістської кінематики маса рухомого об'єкта більше маси спокою. Цей ефект стає особливо значущим при розробці приладів для дослідження елементарних частинок - без урахування його важко уявити собі роботу БАКа (Великого андронного коллайдера).

Простір-час

Одним з найважливіших компонентів СТО є графічне відображення релятивістської кінематики, особливе поняття єдиного простору-часу, яке запропонував німецький математик Герман Мінковський, колишній один час викладачем математики у студента Альберта Ейнштейна. Суть моделі Мінковського полягає в абсолютно новому підході до визначення положення вступають у взаємодію об'єктів. Спеціальна теорія відносності часу приділяє особливу увагу. Час стає не просто четвертою координатою класичної тривимірної системи координат, час – не абсолютна величина, а невід'ємна характеристика простору, яке приймає вигляд просторово-тимчасового континууму, графічно вираженого у вигляді конуса, в якому і відбуваються всі взаємодії. Такий простір у теорії відносності, з її розвитком до більш узагальнюючого характеру, в надалі було піддано ще й викривлення, що зробило таку модель підходить для опису і гравітаційних взаємодій.

Подальший розвиток теорії

СТО не відразу знайшла розуміння у фізиків, але поступово вона стала основним інструментом опису світу, особливо світу елементарних часток, який ставав головним предметом вивчення фізичної науки. Але завдання доповнення СТО поясненням сил тяжіння, була дуже актуальною, і Ейнштейн не припиняв роботу, відточуючи принципи загальної теорії відносності - ОТО. Математична обробка цих принципів зайняла досить багато часу – близько 11 років, і в ній взяли участь фахівці суміжних з фізикою областей точних наук. Так, величезний внесок зробив провідний математик того часу Давид Гільберт (1862-1943), що став одним із співавторів рівнянь гравітаційного поля. Вони з'явилися останнім каменем у побудові прекрасного будівлі, отримав найменування - загальна теорія відносності, чи ВІД.

Загальна теорія відносності - ВІД

Сучасна теорія гравітаційного поля, теорія структури «простір-час», геометрія «простору-часу», закон фізичних взаємодій в неинерциальних системах звіту – все це різні назви, якими наділена загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна. Теорія всесвітнього тяжіння, яка протягом довгого часу визначала погляди фізичної науки на гравітацію, на взаємодії об'єктів і полів різного розміру. Парадоксально, але основним її недоліком була нематеріальність, ілюзорність, математичность її суті. Між зірками і планетами перебувала порожнеча, тяжіння між небесними тілами пояснювалося дальнодействием певних сил, причому миттєвим. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна наповнила гравітацію фізичним змістом, представила її як безпосередній контакт різних матеріальних об'єктів.

Геометрія гравітації

Головна ідея, за допомогою якої Ейнштейн пояснив гравітаційні взаємодії дуже проста. Фізичним виразом сил тяжіння він оголошує простір-час, наділена цілком відчутними ознаками – метрикою і деформаціями, на які впливає маса об'єкта, навколо якого утворюються такі викривлення. Один час Ейнштейну навіть приписували заклики повернути в теорію світобудови поняття ефіру, як пружною матеріальної середовища, заповнює простір. Він же роз'яснював, що йому важко називати вауумом субстанцію, яка має безліч якостей, піддаються опису. Таким чином, гравітація – прояв геометричних властивостей чотиривимірного простору-часу, яке було позначено у СТО як неискривленное, але у більш загальних випадках від наділяється кривизною, що визначає рух матеріальних об'єктів, яким надається однакове прискорення у відповідності з декларованим Ейнштейном принципом еквівалентності. Цей основоположний принцип теорії відносності пояснює багато «вузькі місця» ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння: викривлення світла, що спостерігається при проходженні його близько масивних космічних об'єктів при деяких астрономічних явищах і, зазначене ще древніми однакове прискорення падіння тіл, незалежно від їх маси.

Моделювання кривизни простору

Звичайним прикладом, з допомогою якого пояснюється загальна теорія відносності для чайників, є уявлення простору-часу у вигляді батута - тонкої пружної мембрани, на яку викладають предмети (найчастіше кулі), що імітують взаємодіючі об'єкти. Важкі кулі прогинають мембрану, утворюючи навколо себе воронку. Більш дрібний куля, запущена з поверхні, рухається в повній відповідності з законами гравітації, поступово опускаючись у заглиблення, утворені більш масивними об'єктами. Але такий приклад досить умовний. Реальний простір-час багатовимірний, кривизна його теж не виглядає так елементарно, але принцип формування гравітаційної взаємодії та суть теорії відносності стають зрозумілі. У будь-якому випадку, гіпотези, яка більш логічно і зв'язно пояснила б теорію гравітації, поки що не існує.

Докази істинності

ОТО швидко стала сприйматися як потужний фундамент, на якому може будуватися сучасна фізика. Теорія відносності з самого початку вражала своєю стрункістю і гармонією, і не тільки фахівців, і незабаром після своєї появи стала підтверджені спостереженнями. Найближча до Сонця точка – перигелій – орбіти Меркурія поступово зміщується щодо орбіт інших планет Сонячної системи, що було виявлено ще у середині XIX століття. Таке переміщення – прецесія - не знаходило розумного пояснення в рамках Ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння, але було з точністю розраховано на основі загальної теорії відносності. Затемнення Сонця, яке відбулося в 1919 році надало можливість для чергового доказу ЗТВ. Артур Еддінгтон, який жартома називав себе другою людиною з трьох, що розуміють основи теорії відносності, підтвердив передбачені Ейнштейном відхилення при проходженні фотонів світла поблизу світила: у момент затемнення стало помітно зміщення видимого положення деяких зірок. Експеримент з виявлення уповільнення ходу годинника або гравітаційного червоного зсуву був запропонований самим Ейнштейном в числі інших доказів ЗТВ. Лише через довгі роки вдалося підготувати необхідне експериментальне обладнання і провести цей досвід. Гравітаційне зміщення частот випромінювання від випромінювача і приймача, рознесених по висоті виявилося у межах, передбачених У, а фізики з Гарварда Роберт Паунд і Глен Ребка, які провели цей експеримент, надалі тільки підвищили точність вимірювань, і формула теорії відносності знову виявилася вірною. В обґрунтуванні найбільш значущих проектів дослідження космічного простору обов'язково присутня теорія відносності Ейнштейна. Коротко можна сказати, що вона стала інженерним інструментом фахівців, зокрема тих, хто займається супутниковими системами навігації – GPS, ГЛОНАСС і т. д. Розрахувати координати об'єкта з потрібною точністю, навіть у відносно невеликому просторі, без урахування уповільнень сигналів, передбачених ОТО, неможливо. Тим більше якщо мова йде про об'єкти, рознесених на космічні відстані, де помилка в навігації може бути величезною.

Творець теорії відносності

Альберт Ейнштейн був ще молодою людиною, коли опублікував основи теорії відносності. Згодом йому самому ставали зрозумілі її недоліки та суперечності. Зокрема, найголовнішою проблемою ОТО стала неможливість її вростання в квантову механіку, оскільки при описі гравітаційних взаємодій використовуються принципи, радикально відрізняються один від одного. У квантовій механіці розглядається взаємодія об'єктів в єдиному просторі-часу, а у Ейнштейна саме це простір формує гравітацію. Написання "формули усього сущого" - єдиної теорії поля, яка усунула суперечності ОТО і квантової фізики, було метою Ейнштейна протягом довгих років, він працював над цією теорією до останнього години, але успіху не досяг. Проблеми ОТО стали стимулом для багатьох теоретиків у пошуку більш досконалих моделей світу. Так з'являлися теорії струн, петльова квантова гравітація і безліч інших. Особистість автора ВІД залишила слід в історії порівнянний зі значенням для науки самої теорії відносності. Вона не залишає байдужим до цих пір. Ейнштейн сам дивувався, чому стільки уваги приділялося йому і його роботам з боку людей, що не мали до фізики ніякого відношення. Завдяки своїм особистим якостям, знаменитому дотепності, активної політичної позиції і навіть виразну зовнішність Ейнштейн став самим знаменитим фізиком на Землі, героєм безлічі книг, фільмів і комп'ютерних ігор. Кінець його життя багатьма описується драматично: він був самотній, вважав себе відповідальним за появу самого страшного зброї, який став загрозою всьому живому на планеті, його теорія єдиного поля залишилася нездійсненною мрією, але найкращим підсумком можна вважати слова Ейнштейна, сказані незадовго до смерті про те, що своє завдання на Землі він виконав. З цим важко сперечатися.