Теорія відносності - що це таке? Постулати теорії відносності. Простір і час в теорії відносності

Ще на початку 20-го століття була сформульована теорія відносності. Що це таке і хто її творець, 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 творця, прозріння прийшло в одну мить. Вчений ніби їхав на трамваї швейцарського Берна. Він подивився на вуличні годинник і раптом усвідомив, що ці години зупиняться, якщо трамвай розженеться до швидкості світла. У цьому випадку часу б не стало. Час в теорії відносності відіграє дуже важливу роль. Один з постулатів, сформульованих Ейнштейном, – різні спостерігачі сприймають дійсність по-різному. Це відноситься зокрема до часу і відстані.

Облік положення спостерігача

В той день Альберт зрозумів, що, висловлюючись мовою науки, опис будь-якого фізичного явища чи події залежить від того, в якій системі відліку знаходиться спостерігач. Наприклад, якщо яка-небудь пасажирка трамвая втратить очки, 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 детальніше розглянути основні постулати теорії відносності.

Закон розподіленого руху і принцип відносності

Незважаючи на те, що при зміні систем відліку опису 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, рухомої або нерухомої системи 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 на науковому мовою, інваріантними. Ось у цьому і полягає принцип відносності.

Дві теорії Ейнштейна

Цей принцип, як і будь-яку іншу гіпотезу, необхідно було спочатку перевірити, співвіднісши його з природними явищами, діючими в нашій реальності. Ейнштейн вивів 2 теорії з принципу відносності. Хоча вони і споріднені, але вважаються окремими. Приватна, або спеціальна теорія відносності (СТО) ґрунтується на положенні про те, що для різних 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 складне у 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.

Спеціальна теорія відносності

Що це таке, у чому її суть? Давайте відповімо на це питання. Саме цією теорією передбачається безліч парадоксальних ефектів, які суперечать нашим інтуїтивним уявленням про те, як влаштований світ. Мова йде про ті ефекти, які спостерігаються тоді, коли швидкість руху наближається до швидкості світла. Найбільш відомим серед них є ефект уповільнення часу (ходу годинника). Годинник, які рухаються відносно спостерігача, для нього йдуть повільніше, ніж ті, які знаходяться у нього в руках. У системі координат при русі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, час розтягується щодо спостерігача, а довжина об'єктів (просторова протяжність), навпаки, стискується вздовж осі напрямку цього руху. Цей 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 від'ємний 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. Згідно їй, 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 спочиваючої системі відліку, маса об'єкта подвоїться.

Підтвердження СТО

Всі ці положення, як би вони не суперечили здоровому 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, надточний атомний годинник. Кожен раз після повернення його в аеропорт показання цих годин звірялися з контрольними. Виявилося, що годинник на літаку кожен раз все більше відставали від контрольних. Звичайно, мова йшла лише про незначні цифри, частках секунди, але сам факт дуже показовий.
Останні півстоліття дослідники вивчають елементарні 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 обстрілюються ядерні мішені. В даних дослідах потрібно враховувати те, що маса частинок збільшується, в іншому разі 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.

СТО і закони Ньютона

До речі, говорячи про закони Ньютона (портрет цього вченого представлений вище), слід сказати, що спеціальна теорія відносності, яка, здавалося б, їм суперечить, насправді відтворює рівняння законів Ньютона практично в точності, якщо її використати для опису тіл, швидкість руху яких набагато менша швидкості світла. Іншими словами, якщо застосовується спеціальна теорія відносності, фізика Ньютона зовсім не скасовується. Ця теорія, навпаки, доповнює і розширює її.

Швидкість світла - універсальна константа

Використовуючи принцип відносності, можна зрозуміти, чому в даній моделі будови світу дуже важливу роль відіграє 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 ролі, що відводиться центральне місце не тільки спеціальної, але і в ЗТВ. Розповімо і про неї.

Загальна теорія відносності

Вона використовується, як ми вже говорили, для всіх систем 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 минуло 11 років. ОТО включає в себе спеціальну у якості окремого випадку. Отже, закони Ньютона також входять в неї. Однак ОТО йде набагато далі її попередниць. Приміром, в ній по-новому пояснюється гравітація.

Четвертий вимір

Завдяки ОТО світ стає чотиривимірним: час додається до трьом просторовим вимірам. Всі вони нерозривні, отже, потрібно говорити вже не про просторовому відстані, існуючому в тривимірному світі між двома об'єктами. Мова тепер йде про просторово поширюваних-часових інтервалах між різними подіями, що об'єднують як просторову, так і тимчасову віддаленість їх один від одного. Іншими словами, простір і час в теорії відносності розглядаються як якийсь чотиривимірний континуум. Його можна визначити як простір-час. В цьому континуумі ті спостерігачі, які рухаються відносно один одного, будуть мати різні думки навіть про те, одночасно відбулися два яких-небудь 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 ЗТВ.

ОТО і закон всесвітнього тяжіння

Відповідно до закону всесвітнього тяжіння, відкритих Ньютоном, 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. Тим не менш, У 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 теорії відносності, звернемося до порівняння. Земля, згідно ВІД, обертається навколо Сонця, як маленька кулька, який котиться навколо конуса воронки, створеної в результаті "продавлювання" Сонцем простору-часу. А те, що ми звикли вважати силою тяжіння, насправді є зовнішнім проявом цього викривлення, а не силою, в розумінні Ньютона. Кращого пояснення феномену гравітації, ніж запропоноване в ОТО, на сьогоднішній день не знайдено.

Способи перевірки ВІД

Зазначимо, що ВІД перевірити непросто, так як її результати в лабораторних умовах майже відповідають закону всесвітнього тяжіння. Проте вчені все-таки провели ряд найважливіших експериментів. Їх результати дозволяють зробити висновок про те, що теорія Ейнштейна є підтвердженою. ОТО, крім того, допомагає пояснити різні явища, спостережувані 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, насправді істотно відрізняються від тих, які дають закони Ньютона (портрет його представлений вище), лише тоді, коли присутні надсильні гравітаційні поля. Отже, для повноцінної перевірки ВІД необхідні дуже точні вимірювання об'єктів величезної маси, або чорні дірки, оскільки наші звичні уявлення по відношенню до них не застосовуються. Тому розробка експериментальних способів перевірки цієї теорії є однією з головних завдань сучасної експериментальної фізики. Уми багатьох вчених, так і далеких від науки людей займає створена Ейнштейном теорії відносності. Що це таке, ми коротко розповіли. Ця теорія перевертає наші звичні уявлення про світ, тому інтерес до неї досі не згасає.