Специальная теория относительности эйнштейна для чайников. Общая теория относительности Эйнштейна: четыре шага, предпринятых гением

Про эту теорию говорили, что её понимают только три человека в мире, а когда математики попытались цифрами выразить то, что из неё следует, сам автор - Альберт Эйнштейн - шутил, что теперь и он перестал её понимать.

Специальная и общая теория относительности - неразрывные части учения, на котором строятся современные научные взгляды на устройство мира.

«Год чудес»

В 1905 году ведущий научный печатный орган Германии «Annalen der Physik» («Анналы физики») опубликовал одну за другой четыре статьи 26-летнего Альберта Эйнштейна, работавшего экспертом 3-го класса - мелким клерком - Федерального бюро патентования изобретений в Берне. Он и раньше сотрудничал с журналом, но публикация такого количества работ за один год была экстраординарным событием. Оно стало еще более выдающимся, когда стала ясна ценность идей, которые содержались в каждой из них.

В первой из статей высказывались мысли о квантовой природе света, рассмотрены процессы поглощения и выделения электромагнитного излучения. На этой основе был впервые объяснен фотоэффект - испускание веществом электронов, выбиваемых фотонами света, предложены формулы для расчета количества выделяемой при этом энергии. Именно за теоретические разработки фотоэлектрического эффекта, ставшие началом квантовой механики, а не за постулаты теории относительности Эйнштейну будет присуждена в 1922 году Нобелевская премия по физике.

В другой статье было положено начало прикладным направлениям физической статистики на основе исследования броуновского движения мельчайших, взвешенных в жидкости частиц. Эйнштейн предложил методы поиска закономерности флуктуаций - беспорядочных и случайных отклонений физических величин от их наиболее вероятных значений.

И наконец, в статьях «К электродинамике движущихся тел» и «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» содержались зародыши того, что будет обозначено в истории физики как теория относительности Альберта Эйнштейна, вернее её первая часть - СТО, - специальная теория относительности.

Источники и предшественники

В конце XIX века многим физикам казалось, что большинство глобальных проблем мироздания решено, главные открытия сделаны, и человечеству предстоит лишь использовать накопленные знания для мощного ускорения технического прогресса. Лишь некоторые теоретические неувязки портили гармоническую картину Вселенной, заполненной эфиром и живущей по незыблемым ньютоновским законам.

Гармонию портили теоретические изыскания Максвелла. Его уравнения, которые описывали взаимодействия электромагнитных полей, противоречили общепринятым законам классической механики. Это касалось измерения скорости света в динамических системах отсчета, когда переставал работать принцип относительности Галилея, - математическая модель взаимодействия таких систем при движении со световой скоростью приводила к исчезновению электромагнитных волн.

Кроме того, не поддавался обнаружению эфир, который должен был примирить одновременное существование частиц и волн, макро и микрокосмоса. Эксперимент, который провели в 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли имел целью обнаружение “эфирного ветра”, который неизбежно должен был быть зафиксирован уникальным прибором - интерферометром. Опыт длился целый год - время полного обращения Земли вокруг Солнца. Планета должна была полгода двигаться против эфирного потока, полгода эфир должен был «дуть в паруса» Земли, но результат был нулевым: смещения световых волн под воздействием эфира не обнаружили, что ставило под сомнение сам факт существования эфира.

Лоренц и Пуанкаре

Физики попытались найти объяснение результатам экспериментов по обнаружению эфира. Свою математическую модель предложил Хендрик Лоренц (1853-1928). Она возвращала к жизни эфирное заполнение пространства, но лишь при очень условном и искусственном предположении, что при движении сквозь эфир объекты могут сокращаться в направлении движения. Эту модель доработал великий Анри Пуанкаре (1854-1912).

В работах этих двух ученых впервые появились понятия, во многом составившие главные постулаты теории относительности, и это не дает утихнуть обвинениям Эйнштейна в плагиате. К ним относятся условность понятия об одновременности, гипотеза о постоянности скорости света. Пуанкаре допускал, что при больших скоростях законы механики Ньютона требуют переработки, делал вывод об относительности движения, но в приложении к эфирной теории.

Специальная теория относительности - СТО

Проблемы корректного описания электромагнитных процессов стали побудительной причиной для выбора темы для теоретических разработок, и опубликованные в 1905 году статьи Эйнштейна содержали интерпретацию частного случая - равномерного и прямолинейного движения. К 1915году была сформирована общая теория относительности, которая объясняла и взаимодействия гравитационные взаимодействия, но первой стала теория, получившая название специальной.

Специальная теория относительности Эйнштейна кратко может быть изложена в виде двух основных постулатов. Первый распространяет действие принципа относительности Галилея на все физические явления, а не только на механические процессы. В более общей форме он гласит: Все физические законы одинаковы для всех инерциальных (движущихся равномерно прямолинейно или находящихся в покое) систем отсчета.

Второе утверждение, которое содержит специальная теория относительности: скорость распространения света в вакууме для всех инерциальных систем отсчета одинакова. Далее делается более глобальный вывод: световая скорость - максимально большая величина скорости передачи взаимодействий в природе.

В математических выкладках СТО приводится формула E=mc², которая и раньше появлялась в физических публикациях, но именно благодаря Эйнштейну она стала самой знаменитой и популярной в истории науки. Вывод об эквивалентности массы и энергии - это самая революционная формула теории относительности. Понятие того что любой объект, обладающий массой, содержит огромное количество энергии стало основой для разработок по использованию ядерной энергии и, прежде всего, привело к появлению атомной бомбы.

Эффекты специальной теории относительности

Из СТО вытекает несколько следствий, получивших название релятивистских (relativity англ. -относительность) эффектов. Замедление времени - один из самых ярких. Суть его в том, что в движущейся системе отсчета время идет медленнее. Расчеты показывают, что на космическом корабле, совершившем гипотетический полет до звездной системы Альфа-Центавра и обратно при скорости 0,95 c (c -скорость света) пройдет 7,3 года, а на Земле - 12 лет. Такие примеры часто приводят, когда объясняется теория относительности для чайников, как и связанный с этим эффектом парадокс близнецов.

Еще один эффект - сокращение линейных размеров, - то есть с точки зрения наблюдателя, движущиеся относительно него со скоростью, близкой к c, предметы, будут иметь меньшие линейные размеры в направлении движения, чем их собственная длина. Этот предсказываемый релятивистской физикой эффект называется лоренцевым сокращением.

По законам релятивистской кинематики масса движущегося объекта больше массы покоя. Этот эффект становится особенно значим при разработке приборов для исследования элементарных частиц - без учета его трудно представить себе работу БАКа (Большого андронного коллайдера).

Пространство-время

Одним из важнейших компонентов СТО является графическое отображение релятивистской кинематики, особое понятие единого пространства-времени, которое предложил немецкий математик Герман Минковский, бывший одно время преподавателем математики у студента Альберта Эйнштейна.

Суть модели Минковского заключается в совершенно новом подходе к определению положения вступающих во взаимодействие объектов. Специальная теория относительности времени уделяет особое внимание. Время становится не просто четвертой координатой классической трехмерной системы координат, время - не абсолютная величина, а неотделимая характеристика пространства, которое принимает вид пространственно-временного континуума, графически выраженного в виде конуса, в котором и происходят все взаимодействия.

Такое пространство в теории относительности, с её развитием до более обобщающего характера, в дальнейшем было подвергнуто ещё и искривлению, что сделало такую модель подходящей для описания и гравитационных взаимодействий.

Дальнейшее развитие теории

СТО не сразу нашла понимание у физиков, но постепенно она стала основным инструментом описания мира, особенно мира элементарных частиц, который становился главным предметом изучения физической науки. Но задача дополнения СТО объяснением сил тяготения была очень актуальной, и Эйнштейн не прекращал работу, оттачивая принципы общей теории относительности - ОТО. Математическая обработка этих принципов заняла довольно много времени - около 11 лет, и в ней приняли участие специалисты смежных с физикой областей точных наук.

Так, огромный вклад внес ведущий математик того времени Давид Гильберт (1862-1943), ставший одним из соавторов уравнений гравитационного поля. Они явились последним камнем в построении прекрасного здания, получившего наименование - общая теория относительности, или ОТО.

Общая теория относительности - ОТО

Современная теория гравитационного поля, теория структуры «пространство-время», геометрия «пространства-времени», закон физических взаимодействий в неинерциальных системах отчета - всё это различные наименования, которыми наделена общая теория относительности Альберта Эйнштейна.

Теория всемирного тяготения, которая в течении долгого времени определяла взгляды физической науки на гравитацию, на взаимодействия объектов и полей различного размера. Парадоксально, но основным её недостатком была нематериальность, иллюзорность, математичность её сути. Между звездами и планетами находилась пустота, притяжение между небесными телами объяснялось дальнодействием неких сил, причем мгновенным. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна наполнила гравитацию физическим содержанием, представила её как непосредственный контакт различных материальных объектов.

Геометрия гравитации

Главная идея, с помощью которой Эйнштейн объяснил гравитационные взаимодействия очень проста. Физическим выражением сил тяготения он объявляет пространство-время, наделенное вполне ощутимыми признаками - метрикой и деформациями, на которые влияет масса объекта, вокруг которого образуются такие искривления. Одно время Эйнштейну даже приписывали призывы вернуть в теорию мироздания понятие эфира, как упругой материальной среды, заполняющей пространство. Он же разъяснял, что ему трудно называть вауумом субстанцию, обладающую множеством качеств, поддающихся описанию.

Таким образом, гравитация - проявление геометрических свойств четырехмерного пространства-времени, которое было обозначено в СТО как неискривлённое, но в более общих случаях ото наделяется кривизной, определяющей движение материальных объектов, которым придается одинаковое ускорение в соответствии с декларируемым Эйнштейном принципом эквивалентности.

Этот основополагающий принцип теории относительности объясняет многие «узкие места» ньютоновской теории всемирного тяготения: искривление света, наблюдаемое при прохождении его около массивных космических объектов при некоторых астрономических явлениях и, отмеченное еще древними одинаковое ускорение падения тел, независимо от их массы.

Моделирование кривизны пространства

Обычным примером, с помощью которого объясняется общая теория относительности для чайников, является представление пространства-времени в виде батута - упругой тонкой мембраны, на которую выкладывают предметы (чаще всего шары), имитирующие взаимодействующие объекты. Тяжелые шары прогибают мембрану, образуя вокруг себя воронку. Более мелкий шар, запущенный по поверхности, двигается в полном соответствии с законами гравитации, постепенно скатываясь в углубления, образованные более массивными объектами.

Но такой пример достаточно условен. Реальное пространство-время многомерно, кривизна его тоже не выглядит так элементарно, но принцип формирования гравитационного взаимодействия и суть теории относительности становятся понятны. В любом случае, гипотезы, которая более логично и связно объяснила бы теорию гравитации, пока не существует.

Доказательства истинности

ОТО быстро стала восприниматься как мощное основание, на котором может строиться современная физика. Теория относительности с самого начала поражала своей стройностью и гармонией, и не только специалистов, и вскоре после своего появления стала подтверждаться наблюдениями.

Самая близкая к Солнцу точка - перигелий - орбиты Меркурия постепенно смещается относительно орбит других планет Солнечной системы, что было обнаружено еще в середине XIX века. Такое перемещение - прецессия - не находило разумного объяснения в рамках Ньютоновской теории всемирного тяготения, но было с точностью рассчитано на основе общей теории относительности.

Затмение Солнца, которое произошло в 1919 году предоставило возможность для очередного доказательства ОТО. Артур Эддингтон, который в шутку называл себя вторым человеком из трех, что понимают основы теории относительности, подтвердил предсказанные Эйнштейном отклонения при прохождении фотонов света вблизи светила: в момент затмения стало заметно смещение видимого положения некоторых звезд.

Эксперимент по обнаружению замедления хода часов или гравитационного красного смещения был предложен самим Эйнштейном в числе других доказательств ОТО. Лишь спустя долгие годы удалось подготовить необходимое экспериментальное оборудование и провести этот опыт. Гравитационное смещение частот излучения от излучателя и приёмника, разнесенных по высоте оказалось в пределах, предсказанных ОТО, а физики из Гарварда Роберт Паунд и Глен Ребка, которые провели этот эксперимент, в дальнейшем только повысили точность измерений, и формула теории относительности снова оказалась верной.

В обосновании самых значимых проектов исследования космического пространства обязательно присутствует теория относительности Эйнштейна. Кратко можно сказать, что она стала инженерным инструментом специалистов, в частности тех, кто занимается спутниковыми системами навигации - GPS, ГЛОНАСС и т.д. Рассчитать координаты объекта с нужной точностью, даже в относительно небольшом пространстве, без учета замедлений сигналов, предсказанных ОТО, невозможно. Тем более если речь идет об объектах, разнесенных на космические расстояния, где ошибка в навигации может быть огромной.

Творец теории относительности

Альберт Эйнштейн был еще молодым человеком, когда опубликовал основы теории относительности. Впоследствии ему самому становились ясны её недостатки и нестыковки. В частности, самой главной проблемой ОТО стала невозможность её врастания в квантовую механику, поскольку при описании гравитационных взаимодействий используются принципы, радикально отличающиеся друг от друга. В квантовой механике рассматривается взаимодействие объектов в едином пространстве-времени, а у Эйнштейна само это пространство формирует гравитацию.

Написание "формулы всего сущего" - единой теории поля, которая устранила бы противоречия ОТО и квантовой физики, было целью Эйнштейна на протяжении долгих лет, он работал над этой теорией до последнего часа, но успеха не достиг. Проблемы ОТО стали стимулом для многих теоретиков в поиске более совершенных моделей мира. Так появлялись теории струн, петлевая квантовая гравитация и множество других.

Личность автора ОТО оставила след в истории сравнимый со значением для науки самой теории относительности. Она не оставляет равнодушным до сих пор. Эйнштейн сам удивлялся, почему столько внимания уделялось ему и его работам со стороны людей, не имевших к физике никакого отношения. Благодаря своим личным качествам, знаменитому остроумию, активной политической позиции и даже выразительной внешности Эйнштейн стал самым знаменитым физиком на Земле, героем множества книг, фильмов и компьютерных игр.

Конец его жизни многими описывается драматически: он был одинок, считал себя ответственным за появление самого страшного оружия, ставшего угрозой всему живому на планете, его теория единого поля осталась нереальной мечтой, но лучшим итогом можно считать слова Эйнштейна, сказанные незадолго до смерти о том, что свою задачу на Земле он выполнил. С этим трудно спорить.

Большой секрет полишинеля

Александр Гришаев, фрагмент из статьи «Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения »

«У англичан ружья кирпичом не чистят: пусть чтобы и у нас не чистили, а то, храни бог войны, они стрелять не годятся…» – Н. Лесков.

8 параболических зеркал комплекса приёмных и передающих антенн АДУ-1000 – часть приёмного комплекса «Плутон» Центра дальней космической связи…

В первые годы становления исследований дальнего космоса был обидно потерян целый ряд советских и американских межпланетных станций. Даже если пуск проходил без сбоев, как говорят специалисты, «в штатном режиме», все системы работали нормально, нормально проходили все заранее предусмотренные корректировки орбиты, связь с аппаратами неожиданно прерывалась.

Доходило до того, что, в очередное благоприятное для запуска «окно», одинаковые аппараты с одинаковой программой запускали пачками, один за другим вдогонку – в надежде на то, что хотя бы один удастся довести до победного конца. Но – куда там! Существовала некая Причина, обрывавшая связь на подлёте к планетам, которая поблажек не давала.

Конечно, об этом помалкивали. Публике-дуре сообщалось, что станция прошла на расстоянии, скажем, 120 тысяч километров от планеты. Тон этих сообщений был таким бодрым, что невольно думалось: «Пристреливаются ребята! Сто двадцать тысяч – это неплохо. Могла бы ведь и на трёхстах тысячах пройти! Даёшь новые, более точные запуски!» Никто и не догадывался о накале драматизма – о том, что учёные мужи чего-то там в упор не понимали .

В конце концов, решили испробовать вот что. Сигнал, которым ведётся связь, да будет вам известно, издавна представляют в виде волн – радиоволн. Проще всего представить, что собой представляют эти волны можно на «эффекте домино». Сигнал связи распространяется в пространстве, подобно волне падающих доминошных костяшек.

Скорость распространения волны зависит от скорости падения каждой отдельной из костяшек, а так как все костяшки одинаковые и падают за равное время, то скорость волны есть величина постоянная. Расстояние между костяшками физики называют «длина волны» .

Пример волны – «эффект домино»

Теперь положим, что у нас есть небесное тело (назовём его Венера), помеченная на этом рисунке красным каракулем. Допустим, что, если мы толкаем начальную костяшку, то каждая последующая костяшка падёт на следующую за одну секунду. Если от нас до Венеры помещается ровно 100 костяшек, волна достигнет её после того, как последовательно упадут все 100 костяшек, затратив по одной секунде. Итого, волна от нас дойдёт до Венеры за 100 секунд.

Это в том случае, если Венера стоит на месте. А если Венера не стоит на месте? Скажем, покуда падают 100 костяшек, наша Венера успевает «отползти» на расстояние, равное расстоянию между несколькими костяшками (нескольким длинам волн) что будет тогда?

Академики решили, а что если волна догонит Венеру по тому самому закону, которым пользуются школьники младших классов в задачках типа: «Из пункта А выходит поезд со скоростью а км/час, а из пункта B одновременно с ним выходит пешеход со скоростью b в том же направлении, через какое время поезд догонит пешехода?».

Вот когда академики сообразили, что нужно решать вот такую нехитрую для младших школьников задачку, то дело пошло на лад. Если бы не эта сообразительность – не видать бы нам выдающихся достижений межпланетной космонавтики.

И что ж здесь такого хитрого, всплеснёт руками неискушённый в науках Незнайка?! И напротив, искушенный в науках Знайка возопит: караул, держи проходимца, это лженаука! По настоящей, правильной науке, правильно, эта задача должна решаться совершенно иначе! Ведь мы имеем дело не с какими-то там тихоходными параходами-лисопедистами, а с сигналом, мчащимся вдогонку за Венерой со скоростью света , который, как бы вы, или Венера, быстро ни бежали, всё равно догоняет вас со скоростью света! Более того, если вы броситесь ему навстречу, быстрей вы с ним не встретитесь!

Принципы относительности

– Это как же, – воскликнет Незнайка, – выходит, что, если из пункта B мне, находящемуся в звездолёте в пункте A дадут знать, что у них на борту началась опасная эпидемия, от которой у меня есть средство, мне бесполезно разворачиваться им навстречу, т.к. раньше мы всё равно не встретимся, если высланный ко мне звездолёт движется со световой скоростью? И это что значит, – я могу с чистой совестью продолжать свой путь в пункт C с целью доставить груз подгузников для мартышек, которые должны родиться аккурат в следующем месяце?

– Именно так, – ответит вам Знайка, – если бы вы были на велосипеде, то вам нужно было бы ехать так, как показывает стрелка пунктиром – навстречу выехавшему вам автомобилю. Но, если на встречу с вами движется светоскоростное транспортные средство, то будете ли вы двигаться ему навстречу или уходить от него, или останетесь на месте, не имеет никакого значения – время встречи изменить нельзя .

– Это как же так, – вернётся к нашим доминошкам Незнайка, – костяшки что ли быстрей начнут падать? Не поможет – это будет просто задачка про Ахилла, догоняющего черепаху, как бы ни бежал быстро Ахилл, всё равно ему потребуется какое-то время, чтобы пройти дополнительное расстояние, пройденное черепахой.

Нет, здесь всё круче – если вас догоняет луч света, то вы, двигаясь, растягиваете пространство. Поставьте те же самые доминошки на резиновый бинт и тяните его – красный крестик на нем будет перемещаться, но переместятся и костяшки, расстояние между костяшками увеличивается, т.е. увеличивается длина волны, и, таким образом между вами и точкой старта волны, будет всё время одинаковое количество костяшек. Во как!

Это я популярно изложил основы эйнштейновской Теории Относительности , единственно правильной, научной теории, по которой и следовало считать прохождение субсветового сигнала, в том числе, при расчётах режимов связи с межпланетными зондами.

Заострим один момент: в релятивистских теориях (а их две: СТО – специальная теория относительности и ОТО – общая теория относительности) скорость света абсолютна и не может быть превышена никаким образом. И один полезный термин, которым обозначается эффект увеличения расстояния между костяшками, это называется «Эффект Доплера » – эффект увеличения длины волны, если волна идёт вдогонку движущемуся объекту, и эффект сокращения длины волны, если объект движется навстречу волне.

Вот и считали академики по единственно правильной теории, только зонды «за молоком» уходили. А между тем, в 60-х годах 20 столетия в ряде стран производилась радиолокация Венеры . При радиолокации Венеры этот постулат релятивистского сложения скоростей можно проверить.

Американец Б. Дж. Уоллес в 1969 году в статье «Радарная проверка относительной скорости света в пространстве» провёл анализ восьми радарных наблюдений Венеры, опубликованных в 1961 г. Анализ убедил его в том, что скорость радиолуча (вопреки теории относительности ) алгебраически складывается со скоростью вращения Земли. В последующем у него возникли проблемы с публикацией материалов по этой теме.

Перечислим статьи, посвящённые упомянутым опытам:

1. В.А. Котельников и др. «Радиолокационная установка, использовавшаяся при радиолокации Венеры в 1961 г.» Радиотехника и электроника, 7, 11 (1962) 1851.

2. В.А. Котельников и др. «Результаты радиолокации Венеры в 1961 г.» Там же, стр.1860.

3. В.А. Морозов, З.Г. Трунова «Анализатор слабых сигналов, использовавшийся при радиолокации Венеры в 1961 г.» Там же, стр.1880.

Выводы , которые были сформулированы в третьей статье, доступны для понимания даже Незнайке, разобравшемуся в теории падения доминошек, которая изложена здесь в начале.

В последней статье в той части, где они описали условия обнаружения отражённого от Венеры сигнала, была следующая фраза: «Под узкополосной составляющей понимается составляющая эхо-сигнала, соответствующая отражению от неподвижного точечного отражателя… »

Здесь «узкополосная составляющая» – это обнаруженная составляющая вернувшегося от Венеры сигнала, и обнаруживается она в том случае, если Венеру считать… неподвижной ! Т.е. ребята не написали прямо, что эффект Доплера не обнаруживается , они вместо этого написали, что сигнал распознаётся приёмником только в том случае, если не принимать во внимание движение Венеры в попутном с сигналом направлении, т.е. когда эффект Доплера равен нулю по любой теории, но, раз Венера двигалась, то, стало быть эффект удлинения волн не имел места, что предписывалось теорией относительности .

К великой печали теории относительности, Венера не растягивала пространство, и «костяшек домино» укладывалось значительно больше к моменту прихода сигнала к Венере, чем во время его старта с Земли. Венера, подобно Ахилловой черепахе, успевала отползти от шагов догоняющих её со скоростью света волн.

Очевидно, и американские исследователи поступали аналогично, о чём говорит упомянутый выше случай с Уоллесом , которому не позволили опубликовать статью по интерпретации полученных в ходе сканирования Венеры результатов. Так что комиссии по борьбе с лженаукой исправно действовали не только в тоталитарном Советском Союзе .

Между прочим, удлинение волн, как мы выяснили, по теории должно свидетельствовать об удалении космического объекта от наблюдателя, и его называют красным смещением , и это самое красное смещение, обнаруженное Хабблом в 1929 году, лежит в основе космогонической теории Большого Взрыва.

Локация Венеры показала отсутствие этого самого смещения , и с этих пор, с момента успешных результатов локации Венеры, эта теория – теория Большого Взрыва – как и гипотезы «чёрных дыр » и прочей релятивистской чепухи, переходят в разряд научной фантастики. Фантастики, за которую дают Нобелевские премии не по литературе, а по физике!!! ЧуднЫ дела твои, Господи!

P.S. К 100-летию СТО и совпавшему с ним 90-летию ОТО обнаружилось, что ни та, ни другая теория экспериментально не подтверждены! По случаю юбилея, был запущен проект « Gravity Probe B (GP-B) » стоимостью в 760 миллионов долларов, который должен был дать хотя бы одно подтверждение этих нелепых теорий, однако всё закончилось большим конфузом. Следующая статья как раз об этом…

ОТО Эйнштейна: «а король-то – голый!»

«В июне 2004 года Генеральная Ассамблея ООН постановила провозгласить 2005 год Международным годом физики. Ассамблея предложила ЮНЕСКО (Организации Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры) организовать мероприятия по проведению Года в сотрудничестве с физическими обществами и другими заинтересованными группами во всём мире...» – Сообщение из «Бюллетеня ООН »

Ещё бы! – В следующем году исполнялось 100 лет Специальной Теории Относительности (СТО ), 90 лет – Общей Теории Относительности (ОТО ) – сто лет беспрерывного триумфа новой физики, низвергнувшей с пьедестала архаичную ньютоновскую физику, так полагали чиновники из ООН, предвкушая в следующем году празднества и чествования величайшего гения всех времён и народов а также его последователей.

Вот только последователи лучше других знали, что «гениальные» теории почти за сто лет себя никак не проявили: не было сделано на их основе предсказаний новых явлений и не сделано объяснений уже открытых, но не объяснённых классической ньютоновской физикой. Вообще ничего, НИ-ЧЕ-ГО-ШЕ-НЬКИ!

У ОТО не было ни единого экспериментального подтверждения!

Известно было только, что теория – гениальная, вот только, что с неё толку – никто не знал. Ну да, она исправно кормила обещаниями и завтраками, под которые отпускалось немеряно бабла, а на выходе – фантастические романы о чёрных дырах , за которые давали Нобелевские премии не по литературе, а по физике, строились коллайдеры , один за другим, один больше другого, по всему миру плодились гравитационные интерферометры, в которых, перефразируя Конфуция, в «тёмной материи», искали чёрную кошку, которой там к тому же не было, да и самой «чёрной материи» тоже никто в глаза не видывал.

Поэтому в апреле 2004 года стартовал амбициознейший проект, который тщательнейшим образом готовился в течение примерно сорока лет и на заключительный этап которого отпускалось 760 миллионов долларов – «Gravity Probe B (GP-B)» . Гравитационная проба Б должна была на прецизионные гироскопы (сиречь – волчки) намотать, ни больше ни меньше, эйнштейновское пространство-время, в количестве 6,6 угловых секунд, примерно, за год полёта – аккурат к великому юбилею.

Сразу после запуска, ждали победных реляций, в духе «Адъютанта его Превосходительства» – «литерный» проследовал N-й километр: «Первая угловая секунда пространства-времени успешно намотана». Но победных реляций, по которым так истосковались верующие в самый грандиозный лохотрон 20 века , как-то всё не следовало.

А без победных реляций какой нахрен юбилей – толпы врагов самого прогрессивного учения с перьями и калькуляторами наперевес так и ждут, как бы оплевать великое учение Эйнштейна. Так и спустили «международный год физики» на тормозах – прошёл он тихо и незаметно.

Победных реляций не последовало и сразу после завершения миссии, в августе юбилейного года: последовало только сообщение, что всё путём, гениальная теория подтвердилась, токо мы вот результаты немножко обработаем, аккурат через годик будет точный ответ. Ответа не последовало и через год, и через два. В конце концов, обещали окончательно обработать результаты к марту 2010 года.

И где ж тот результат?! Прогуглив Интернет, нашёл вот эту любопытную заметку, в ЖЖ одного блогера :

Gravity Probe B (GP-B) – по следам $760 млн . $

Итак – современная физика не сомневается в ОТО, казалось бы, зачем тогда нужен эксперимент стоимостью в 760 млн. долларов, направленный на подтверждение эффектов ОТО?

Ведь это нонсенс – это то же самое, что потратить практически миллиард к примеру на подтверждение закона Архимеда. Тем не менее, судя по результатам эксперимента, эти деньги были направлены отнюдь не на эксперимент, деньги были направлены на пиар .

Эксперимент проводился с помощью запущенного 20 апреля 2004 года спутника, оснащённого аппаратурой для измерения эффекта Лензе-Тирринга (как прямое следствие ОТО). Спутник Gravity Probe B нёс на борту самые точные на тот день гироскопы в мире. Схема эксперимента достаточно хорошо описана в Викпедии .

Уже в период сбора данных начали возникать вопросы по схеме эксперимента и точности аппаратуры. Ведь, несмотря на громадный бюджет, аппаратура, предназначенная для измерений сверхтонких эффектов, никогда не тестировалась в космосе. В ходе сбора данных выявились вибрации из-за кипения гелия в дьюаре, были непредвиденные остановки гиросов с последующим раскручиванием из-за сбоев в электронике под воздействием энергетичных космических частиц; были отказы компьютера и потери массивов «данных науки », а самой существенной проблемой оказался «polhode»-эффект.

Концепция «polhode» корнями уходит в 18 столетие, когда выдающийся математик и астроном Леонард Эйлер получил систему уравнений свободного движения твёрдых тел. В частности, Эйлер и его современники (Даламбер, Лагранж) исследовали колебания (весьма небольшие) в замерах широты Земли, которые имели место, видимо, из-за колебаний Земли относительно оси вращения (полярной оси)…

GP-B-гироскопы, попавшие в книгу Гиннеса как наиболее сферические объекты, когда-либо сделанные руками человека. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.

Следуя за обсуждением осевой прецессии, вы вправе задавать прямой вопрос: почему GP-B-гироскопы, попавшие в книгу Гиннеса как наиболее сферические объекты, тоже демонстрируют осевую прецессию? Действительно, в совершенно сферичном и однородном теле, в котором все три основных оси инерции являются идентичными, polhode-период вокруг любой из этих осей был бы бесконечно большим и для всех практических целей его как бы не будет.

Однако всё же GP-B роторы – не «совершенные» сферы. Шарообразность и однородность сплавленного кварцевого субстрата позволяют сбалансировать моменты инерции относительно осей до одной миллионной части – этого уже хватит, чтобы пришлось принимать во внимание polholde-период ротора и фиксировать трек, по которому будет двигаться конец оси ротора.

Всё это ожидалось . До запуска спутника поведение GP-B-роторов моделировалось. Но всё же преобладало согласие, что, поскольку роторы почти идеальны и почти однородны, они дадут очень малую амплитуду polhode-дорожки и настолько большой период, что polhode-поворот оси существенно не изменялся бы на протяжении всего эксперимента.

Однако, вопреки благостным прогнозам, GP-B-роторы в реале дали возможность увидеть существенную осевую прецессию. Учитывая почти совершенно сферическую геометрию и однородный состав роторов, имеются две возможности:

– внутреннее разложение энергии;

– внешнее воздействие с постоянной частотой.

Оказалось, что работает их комбинация. Хотя ротор и симметричен, но, подобно вышеописанной Земле, гироскоп всё же упруг и выпирает на экваторе примерно на 10 нм. Так как ось вращения дрейфует, дрейфует и выпуклость поверхности тела. Из-за маленьких дефектов структуры ротора и локальных пограничных дефектов между основным веществом ротора и его ниобиевым покрытием, вращательная энергия может рассеиваться внутри. Это заставляет дорожку дрейфа изменяться без изменения полного углового импульса (вроде того, как это происходит при раскручивании сырого яйца).

Если эффекты, предсказанные ОТО, действительно проявляются, то за каждый год нахождения Gravity Probe B на орбите, оси вращения его гироскопов должны отклониться на 6,6 угловых секунд и 42 угловые миллисекунды, соответственно

Два из гироскопов за 11 месяцев по причине этого эффекта повернулись на несколько десятков градусов , т.к. были раскручены вдоль оси минимальной инерции.

В итоге, гироскопы, рассчитанные измерять миллисекунды угловой дуги, подвергались воздействию незапланированных эффектов и ошибок до нескольких десятков градусов! Фактически это был провал миссии , тем не менее, результаты просто замяли. Если первоначально окончательные результаты миссии планировалось объявить в конце 2007 года, то затем перенесли на сентябрь 2008-го, а потом и вовсе на март 2010-го.

Как бодро отрапортовал Френсис Эверитт «Из-за взаимодействия электрических зарядов, «вмороженных» в гироскопы и стенки их камер (the patch effect) , и неучтённых ранее эффектов считывания показаний, пока не полностью исключённых из полученных данных, точность измерений на данном этапе ограничена 0,1 угловой секунды, что позволяет подтвердить с точностью лучше 1% эффект геодезической прецессии (6,606 угловой секунды в год), но пока не даёт выделить и проверить явление увлечения инерциальной системы отсчёта (0,039 угловой секунды в год). Ведётся интенсивная работа по расчёту и извлечению помех измерений…»

То бишь, как прокомментировал это заявление ZZCW : «из десятков градусов вычитаются десятки же градусов и остаются угловые миллисекунды, с однопроцентной точностью (а дальше задекларированная точность будет ещё выше, т.к. надо бы для полного коммунизма ещё эффект Лензе-Тирринга подтвердить) соответствующие ключевому эффекту ОТО…»

Неудивительно, что НАСА отказалась выдавать дальнейшие миллионные гранты Стэнфорду на 18-месячную программу «дальнейшего совершенствования анализа данных», которая была запланирована на период октябрь 2008 – март 2010.

Ученые же, желающие получить RAW (необработанные данные) для независимого подтверждения, с удивлением обнаруживали, что вместо RAW и исходников NSSDC им выдают только «данные второго уровня». «Второй уровень» означает, что «данные были слегка обработаны…»

В итоге, лишённые финансирования стэндфордцы 5-го февраля опубликовали-таки финальный отчёт, гласящий:

After subtracting corrections for the solar geodetic effect (+7 marc-s/yr) and the proper motion of the guide star (+28 ± 1 marc-s/yr), the result is −6,673 ± 97 marc-s/yr, to be compared with the predicted −6,606 marc-s/yr of General Relativity

Таково мнение неизвестного мне блоггера, мнение которого будем считать голосом того мальчика, который крикнул: «А король-то, голый! »

А теперь приведем высказывания специалистов весьма компетентных, квалификацию которых оспорить сложно.

Николай Левашов «Теория относительности – ложный фундамент физики»

Николай Левашов «Теория Эйнштейна, астрофизики, замалчиваемые эксперименты»

Более подробную и разнообразную информацию о событиях, происходящих в России, на Украине и в других странах нашей прекрасной планеты, можно получить на Интернет-Конференциях , постоянно проводящихся на сайте «Ключи познания» . Все Конференции – открытые и совершенно безплатные . Приглашаем всех просыпающихся и интересующихся…

Специальная теория относительности (СТО).

В основе СТО лежат два принципа или постулата, которые не объясняют, почему должно происходить именно таким образом, а не иначе. Однако построенная на их принятии теория позволяет точно описывать события, происходящие в мире.

Все физические законы должны выглядеть одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света в вакууме не изменяется при изменении состояния движения источника света.

Следствия, вытекающие из первого принципа:

• · Не только законы механического движения, как было в классической механике, но и законы других физических явлений должны выглядеть или проявлять себя одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
• · Все инерциальные системы отсчета равноправны. Следовательно, нет привилегированной системы отсчета, будь то Земля или эфир.

Понятие эфира как абсолютной системы отсчета лишено физического смысла.

Следствия, вытекающие из второго принципа:

• · Не существует бесконечно большой скорости распространения физического взаимодействия в мире.
• · В физическом мире взаимодействие не осуществляется мгновенно со скоростью, превышающей скорость света.

Следствия, вытекающие совместно из двух принципов СТО:

• · В мире нет одновременных событий.
• · Нельзя рассматривать пространство и время как независимые друг от друга свойства физического мира.

Преобразования Лоренца имеют физический смысл. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для вузов. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 2006 г..

Доказательство связи пространства и времени можно пояснить на следующем примере, в котором следует иметь в виду, что согласно СТО во всех инерциальных системах отсчета свет распространяется с одной и той же скоростью. Предположим, что имеются две инерциальные системы отсчета, которые равноправны в описании физических событий, т. е. каждая дает объективные описания: человек, стоящий на железнодорожной платформе (смотритель), и пассажир движущегося с одинаковой скоростью поезда относительно платформы и стационарного смотрителя. Над головой пассажира находится осветительная электрическая лампочка, которая вспыхивает в момент, когда пассажир, сидящий у окна вагона, и смотритель, стоящий на платформе, окажутся точно друг против друга по ходу движения поезда. Классическая механика дает следующее описание этого события.

Время имеет абсолютный смысл, поэтому оно не зависит от пространственного перемещения событий. Смотритель стоит, пассажир движется, но ритм времени для них один и тот же. СТО дает другое решение:

Для пассажира в вагоне свет достигнет обеих стенок вагона одновременно, поскольку во всех инерциальных системах отсчета свет распространятся по всем направлениям с одинаковой скоростью.

У смотрителя будет другая точка зрения. Он скажет, что заднюю стенку (она движется к свету по ходу поезда) свет достигнет раньше, чем переднюю стенку вагона, поскольку он ее догоняет по ходу поезда.

Далее, если заранее установить одно и то же время на часах смотрителя и пассажира поезда, то для станционного смотрителя часы у задней стенки вагона будут показывать время, отличное от времени на циферблате часов у передней стенки. Они будут показывать, что свет достигает заднюю стенку раньше, чем переднюю стенку. Следовательно, одни часы идут быстрее, другие -- медленнее. Таким образом, пространство и время, по СТО, взаимосвязаны между собою и являются не абсолютными, как было у Галилея -- Ньютона, а относительными: скорость хода часов зависит от места их положения в пространстве, место положения в пространстве влияет на скорость хода часов.

Недостатки СТО:

В ней речь идет только об инерциальных системах отсчета. Но большинство систем отсчета являются в реальной жизни неинерциальными (изменяется ускорение и скорость со временем).

В ней не учитывается действие силы гравитации на свет Поиск устранения этих изъянов СТО привел к созданию ОТО.

Общая теория относительности (ОТО).

ОТО основывается на двух принципах или постулатах:

• · Принцип относительности.
• · Принцип эквивалентности тяжелой и инертной масс тела.

Первый принцип утверждает, что законы физики должны иметь один и тот же вид не только в инерциальных системах, но и в неинерциальных системах отсчета, т. е. инерциальные системы отсчета не должны рассматриваться как привилегированные системы отсчета, как это делала классическая механика. Анализируя неинерциальные системы отсчета, движущиеся с одинаковым ускорением, Эйнштейн пришел к неожиданному выводу о том, что в этих системах возникает явление, сходное с явлением тяготения в однородном поле гравитации. Однородное гравитационное поле -- это некая абстракция или идеализация. В этом поле сила гравитации имеет одинаковую величину по всем его направлениям и в каждой его точке. Учитывая это сходство, А. Эйнштейн пришел к выводу, что силу тяжести можно создать или уничтожить переходом в систему отсчета, движущуюся с ускорением. Например, если человек находится в лифте без окон вне действия силы тяготения, то он будет находиться в состоянии невесомости. Все окружающие его предметы и он сам не будут притягиваться к полу лифта. Если мысленно тянуть лифт вверх с помощью каната со скоростью, равной ускорению свободного падения на Земле, то этот человек ощутит действия силы гравитации, которая будет аналогична силе гравитации в однородном гравитационном поле, где в каждой его точке ускорение свободного падения тел имеет одну и ту же величину. На самом деле из внешней системы отсчета правильно говорить о том, что лифт, его пол, движется к находящемуся в нем человеку и предметам.

Принцип эквивалентности тяжелой и инертной масс. В этом принципе содержится ответ на вопрос, который задавал себе Эйнштейн: от чего зависит действие силы тяготения, чем она определяется? В физике Ньютона тяготение зависит исключительно от массы тел. Из закона свободного падения тел, открытого Галилеем, следовало, что между тяжелой и инертной массами тела существует пропорциональная зависимость, которая позволяет допустить, что между этими массами тела нет существенного различия, когда мы говорим о действии силы гравитации.

Поскольку все тепа падают с одним и тем же -ускорением независимо от их веса, то это говорит о том, что инертная масса тел пропорциональна их гравитационной массе. Отношение Mi ? mi (где mi -- инертная масса любого тела, Mi -- гравитационная масса этого же тела) при свободном падении тел остается постоянным для всех теп независимо от их реальной физической природы (сделанные из дерева или металла и т.п.). В 1890 г. венгерский физик Этвеш экспериментально доказал справедливость предположения физики Галилея-Ньютона о пропорциональной инертной и гравитационной масс тела. У Ньютона это отношение было меньше 10-8 (M1,/m1 < 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.

Анализируя физический смысл пропорционального соответствия между инертной и тяжелой массами тела, а также природу сходства действия силы тяготения с явлением, возникающим в неинерциальной системе отсчета, движущейся с постоянным ускорением, Эйнштейн пришел к выводу, что сила тяготения не зависит от массы тел. Естественно, возникал вопрос: от чего она зависит? На этот вопрос Эйнштейн дал следующий ответ: с теоретической точки зрения есть основания утверждать, что сила тяжести эквивалентна искривлению пространства и искривление пространства эквивалентно действию силы тяготения. В этом решении силе инерции, которая в физике Ньютона рассматривалась как нереальная сила, придается реальный статус. Например, при движении поезда пассажиры наблюдают кажущееся движение предметов вне поезда в противоположную сторону. В теории Эйнштейна этой силе придается реальный смысл. Предположим, что имеется лифт, который закреплен на канате таким образом, что на расположенные в нем предметы не действует сила тяготения. Тогда предметы будут располагаться на одной линии относительно пола лифта. В момент обрезания каната возникнет сила инерции, которая будет стремиться сохранить начальное положение каждого предмета в лифте. Поскольку сила тяготения направлена к центру Земли, то направление силы инерции для каждого предмета лифта не будет одинаковым, а будет зависеть от его расстояния до центра лифта. Для одних предметов она будет направлена вверх, где сила тяготения будет перпендикулярно направлена к центру Земли. В других местах лифта направление силы инерции будет под определенным углом к направлению силы гравитации. В результате пространство внутри падающего лифта будет искривленным. Для наблюдателя вне лифта предметы будут располагаться не на прямой горизонтальной линии, параллельной полу, а на искривленной линии. Свет в таком пространстве будет распространяться не по прямой линии, как этого требовала СТО, а по кривой линии.

Следствия ОТО.

Свет в искривленном пространстве-времени не может распространяться с одной и той же скоростью, как требовала СТО. Вблизи источника силы тяготения он распространяется медленнее, чем вдали от него.

Ход часов замедляется при приближении к источнику гравитации.

В структуре пространство -- время -- энергия (вещество, поле, излучение) возможны образования, структуры, где сила гравитации, представленная соответствующей величиной тензора кривизны, настолько сильна, что из этой структуры, как своеобразной «черной дыры», не может вырваться энергия в виде света, поля и вещества. В уравнение тяготения Эйнштейна входит тензор «энергии-импульса» из 10 компонентов для описания ускорения тела в движущейся среде. Добавление к этому тензору информации (компонентов) о силах, действующих в самой движущейся среде, где находится тело, дает систему уравнений для описания эволюционных процессов во Вселенной.

Создав ОТО, А. Эйнштейн указал на три явления, объяснения которых его теорией и теорией Ньютона давали разные результаты: это поворот плоскости орбиты Меркурия, отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца, и красное смещение спектральных линий света, излучаемого с поверхности массивных тел. Эффект поворота плоскости орбиты Меркурия, был открыт еще астрономом Леверрье (1811--1877). Теория Ньютона не давала объяснения этому явлению. Речь идет о повороте плоскости орбиты Меркурия вокруг большой оси эллипса, по которому Меркурий движется вокруг Солнца.

Согласно ОТО А. Эйнштейна планеты, завершая полный оборот вокруг Солнца, не могут возвращаться в то же самое место, а сдвигаются несколько вперед и их орбиты поворачиваются медленно в своей плоскости. Этот эффект был предсказан А. Эйнштейном. Проверка вычислений точно совпала с предсказаниями ОТО. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов/под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008 г..

С развитием теории ОТО тесно связана идея создания теории калибровочных полей. Немецкий математик Г. Вейль (1862--1943) в работе «Пространство, время и вещество» (1918) сформулировал принцип, согласно которому физические законы должны быть инвариантными (иметь одинаковый вид) относительно изменения масштабов измерения в системах пространство -- время -- вещество. Преобразование или изменение масштабов измерения может быть как однородным, так и неоднородным от одной точки к другой в пространственно-временных структурах.

Неоднородные преобразования называются калибровочными. В ОТО масштабы длин и времени не зависят от места, времени и состояния движения наблюдателя. Теория Г. Вейля допускает как раз изменения масштабов времени в пространственно-временных структурах.

Искривленное пространство можно вообразить следующим образом. Если растянуть тонкий лоскут резины и поместить в центр его тяжелый предмет, то резина под ним провиснет. Если теперь покатить маленький шарик по этому лоскуту, то его будет тянуть к впадине. Если впадина глубокая, то шарик будет вращаться вокруг предмета, образовавшего эту впадину.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Если М. Планк (1900) квантовал лишь энергию материального осциллятора, то Эйнштейн ввел представление о дискретной, квантовой структуре самого светового излучения, рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотонная теория света). Таким образом, Эйнштейну принадлежит теоретическое открытие фотона, экспериментально обнаруженного в 1922 А. Комптоном.

Представление о свете как о потоке быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов/под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008 г..

Квантовая теория света, или фотонная теория, А. Эйнштейна утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывистую структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон выбивается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а, следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена (1868 - 1953). Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном (1892 - 1962) явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте -- корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности -- присущая ему порция энергии -- вычислялась через чисто волновую характеристику -- частоту.

Как и все великие естественнонаучные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн исключил из гораздо более обширной области физических явлений.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО). Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. - М.: ТК Велби, Издательство Проспект, 2006 г..

Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве. Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается независимой от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер (1872--1934) предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже при наличии «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. российский математик и геофизик А.А. Фридман (1888 - 1925) отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений А. Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

эйнштейн относительность квант тяготение

Теория относительности Эйнштейна — всегда представлялась чем то абстрактным и непонятным для меня. Попробуем описать теорию относительности Эйнштейна простыми словами. Представьте, как вы находитесь на улице в сильный дождь и ветер дует вам на спину. Если вы начнете быстро бежать, капли дождя не будут попадать на спину. Капли будут медленнее или вовсе не достигать вашей спины, это научно доказанный факт, да и сами вы сможете проверить это в ливень. А теперь представим, если бы вы обернулись и побежали против ветра с дождем, капли будут сильнее попадать на одежду и лицо, чем если бы вы просто стояли.

Ранее ученые думали, что свет действует как дождь в ветреную погоду. Они думали, что если Земля двигается вокруг Солнца, а Солнце двигается вокруг галактики, то возможно измерить скорость их движения в пространстве. По их мнению, все что им остается сделать это измерить скорость света и то как она изменяется относительно двух тел.

Ученые это сделали и обнаружили что-то очень странное . Скорость света была такой же, несмотря ни на что, как бы тела не двигались и не важно в каком направлении проводить измерения.

Это было очень странно. Если брать ситуацию с ливнем, то при обычных обстоятельствах капли дождя будут воздействовать на вас сильнее или слабее в зависимости от ваших передвижений. Согласитесь, было бы очень странно, если бы ливень с одинаковой силой дул вам в спину, как при беге, так и при остановке.

Ученые обнаружили, что свет не имеет такие же свойства, как капли дождя или что-то другое во вселенной. Независимо от того, как быстро вы двигаетесь, и независимо от того, в каком направлении вы направляетесь, скорость света всегда будет одинаковой . Это очень запутанно и только Альберт Эйнштейн смог пролить свет на эту несправедливость.

Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.

Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее , всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.

Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился . Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.

Двоякость измерений

Другое, что Эйнштейн и Лоренц выяснили, это то, что два человека при разных обстоятельствах могут получить разные расчетные значения и самое странное, что они оба будут правы. Это еще один побочный эффект того, что свет всегда движется с одинаковой скоростью.

Проведем мысленный эксперимент

Представьте, что вы стоите в центре своей комнаты, и вы установили лампу прямо посередине комнаты. Теперь представьте, что скорость света очень медленна, и вы можете видеть, как он распространяется, представьте, что вы включили лампу.

Как только вы включите лампу, свет начнет расходится и освещать. Поскольку обе стены находятся на одном и том же расстоянии, свет достигнет обе стены одновременно.

Теперь представьте, что в вашей комнате есть большое окно, и ваш знакомый проезжает мимо. Он увидит уже другое. Для него это будет выглядеть так, как будто ваша комната движется вправо и когда вы включите лампу, он увидит, что левая стена движется к свету. а правая стена отодвигается от света. Он увидит, что свет сначала попал в левую стену, а потом на правую. Ему покажется, что свет не осветил обе стены одновременно.

Согласно теории относительности Эйнштейна, обе точки зрения будут правы . С вашей точки зрения, свет попадает в обе стены одновременно. С точки зрения вашего знакомого это не так. В этом нет ничего плохого.

Вот почему ученые говорят, что «одновременность относительна». Если вы измеряете две вещи, которые должны произойти одновременно, то тот, кто движется с другой скоростью или в другом направлении, не сможет их измерить одинаково с вами.

Нам это кажется очень странным, потому что скорость света для нас мгновенная, и мы двигаемся очень медленно по сравнению с ней. Поскольку скорость света настолько велика, мы не замечаем скорость распространения света, до тех пор пока не будем проводить специальные эксперименты.

Чем быстрее движется предмет, тем он короче и меньше

Еще один очень странный побочный эффект того, что скорость света не изменяется. При скорости света движущиеся вещи становятся короче.

Опять же, давайте представим, что скорость света очень медленная. Представьте, что вы едете в поезде, и вы установили лампу посередине вагона. Теперь представьте, что вы включили лампу, как в комнате.

Свет будет распространяться и одновременно достигнет стен спереди и сзади вагона. Таким образом вы можете даже измерить длину вагона, измерив, сколько времени потребовалось свету достигнуть обеих сторон.

Проведем расчеты:

Представим себе, что для прохождения 10 метров требуется 1 секунда и чтобы свет распространился от лампы до стены вагона потребуется 1 секунда. Это значит, что лампа находится на расстоянии 10 метров от обеих сторон вагона. Так как 10 + 10 = 20, то значит длина вагона 20 метров.

Теперь давайте представим, что ваш знакомый находится на улице, наблюдая, как поезд проходит мимо. Помните, что он видит вещи по другому. Задняя стена вагона движется к лампе, а передняя отодвигается от нее. Таким образом для него свет не будет касаться передней и задней части стены вагона одновременно. Сначала свет дойдет до задней части, а потом до передней.

Таким образом если вы и ваш знакомый измерите скорость распространения света от лампы до стен, вы получите разные значения, при этом с точки зрения науки оба расчета будут верны. Только для вас, согласно измерениям, длина вагона будет одного размера, а для знакомого длина вагона будет меньше .

Помните, все дело в том, каким образом и при каких условиях вы производите измерения. Если бы вы оказались внутри летящей ракеты, которая движется со скоростью света, вы бы не почувствовали ничего необычного, в отличие от измеряющих ваше движение людей на земле. Вы не смогли бы понять, что время для вас идет медленнее или что передняя и задняя часть корабля вдруг стали ближе друг к другу.

При этом, если бы вы летели на ракете, то вам казалось бы так, как будто все планеты и звезды пролетают мимо вас со скоростью света. В таком случае если вы попробуете измерить их время и размер, то по логике для них время должно замедлится, а размеры уменьшаться, правильно?

Все это было очень странно и непонятно, но Эйнштейн предложил решение и объединил все эти явления в одну теорию относительности .

Она объясняла закономерность движения двух объектов относительно друг друга в одной системе координат при условии неизменной скорости и однородности внешней среды.

Принципиальное обоснование СТО базировалось на двух составляющих:

1. Аналитические данные, полученные опытным путем. При наблюдении за движущими телами в одной структурной параллели был определен характер их движения, существенные отличия, особенности;
2. Определение параметров скорости. За основу была взята единственная неподдающаяся изменению величина, — «скорость света», которая равняется 3*10^8 м/с.

Путь становления Теории Относительности

Возникновение теории относительности стало возможным благодаря научным трудам Альберта Эйнштейна, который смог объяснить и доказать разницу в восприятии пространства и времени в зависимости от позиции наблюдателя и скорости перемещения объектов. Как это происходило?

В середине 18 века, ключевой базой для проведения исследований стала загадочная на тот период времени структура под названием эфир. По предварительным данным и заключениям научной группы – эта субстанция способна проникать через любые слои, не влияя на их скорость. Также было выдвинуто предположение о том, что изменения внешнего восприятия скорости меняют и саму скорость света (современной наукой доказана ее постоянство).

Альберт Эйнштейн, изучив эти данные, полностью отверг учения об эфире и осмелился предположить, что скорость света – это детерминантная величина, которая не зависит от внешних факторов. По его словам, изменяется только визуальное восприятие, но не суть происходящих процессов. Позже, в доказательство своих убеждений, Эйнштейном был проведен дифференцированный эксперимент, который доказал справедливость такого подхода.

Главной особенностью исследования было внедрение человеческого фактора. Нескольким персонам предлагалось двигаться из пункта А в пункт Б параллельно, но с различной скоростью. По достижении исходной точки этих людей просили описать увиденное вокруг и впечатление о процессе. Каждый человек из выбранной группы делал собственные умозаключения и результат не совпадал. После того как тот же самый опыт был повторен, но люди двигались с одинаковой скоростью и в одном направлении, мнение участников эксперимента стало схожим. Таким образом, был подведен окончательный итог и теория Эйнштейна нашла доподлинное подтверждение.

Второй этап развития СТО – учение о пространственно-временном континууме

Основой учения о пространственно-временном континууме стала связующая нить между направлением движения объекта, его скоростью и массой. Такую «зацепку» для проведения дальнейших исследований дал первый удачный показательный эксперимент, проведенный с участием сторонних наблюдателей.

Материальная вселенная существует в трех фазах измерения направления: вправо-влево, вверх-вниз, вперед-назад. Если добавить к ним постоянный показатель измерения времени (ранее упомянутая «скорость света») получиться определение пространственно-временного континуума.

Какую роль в этом процессе играет массовая доля объекта измерения? Всем школьникам и студентам знакома физическая формула E=m*c², в которой: Е – энергия, м – масса тела, с – скорость. По закону применения этой формулы, масса тела значительно увеличивается благодаря увеличению скорости света. Из этого следует, что чем выше скорость, тем больше будет масса исходного объекта в любом из направлений движения. А пространственно-временной континуум лишь диктует порядок увеличения и расширение, объемность пространства (когда речь идет об элементарных частицах, на которых построены все физические тела).

Доказательством такого подхода стали опытные образцы, при помощи которых ученые пытались достичь скорости света. Они наглядно убедились в том, что при искусственном увеличении массы тела добиться желаемого ускорения становится все сложнее. Для этого требовался постоянный неиссякаемый источник энергии, которого в природе просто-напросто не существует. После получения заключения теория Альберта Эйнштейна была полностью доказана.

Изучение теории относительности требует значительного понимания физических процессов и основ математического анализа, которые проходят в старшей школе и на первых курсах профессиональных технических училищ, высших учебных заведений технического профиля. Без представления основ освоить полную информацию и оценить важность исследований гениального физика просто-напросто не возможно.