Главное

Теория относительности описывает природу пространства, времени и гравитации. Она была разработана Альбертом Эйнштейном в начале 20 века. Теория состоит из двух основных частей:

1. Специальная теория относительности: Описывает движение объектов на высоких скоростях и показывает, что пространство и время взаимосвязаны, образуя четырехмерный континуум, называемый пространством-временем. Она раскрывает, что время замедляется для быстро движущихся объектов (замедление времени), и что масса и энергия эквивалентны (E=mc^2).

2. Общая теория относительности: Описывает гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное присутствием массы или энергии. Она предсказывает такие явления, как гравитационное замедление времени, искривление света массивными объектами и расширение Вселенной.

Теория относительности была тщательно проверена и является основой современной физики, с приложениями от GPS-навигации до изучения черных дыр и Большого взрыва.

Термины

• Теория: Хорошо обоснованное объяснение природного явления, основанное на фактах, законах и гипотезах.
  Пример: Теория относительности объясняет поведение пространства, времени и гравитации.

• Гравитация: Сила притяжения между объектами, обладающими массой или энергией, описываемая в общей теории относительности как искривление пространства-времени.
  Пример: Гравитация Земли удерживает объекты на ее поверхности и заставляет Луну вращаться вокруг нее.

• Альберт Эйнштейн: Известный физик, разработавший теорию относительности и сделавший революционные открытия в квантовой механике и статистической физике.
  Пример: Знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна, E=mc^2, выражает эквивалентность массы и энергии.

• Пространство-время: Четырехмерный континуум, состоящий из трех измерений пространства и одного измерения времени, в котором происходят все события.
  Пример: Движение объекта в пространстве и времени может быть описано как путь или "мировая линия" в пространстве-времени.

• Замедление времени: Замедление течения времени для объекта, движущегося с высокой скоростью, как описано специальной теорией относительности.
  Пример: Быстро движущиеся атомные часы идут медленнее, чем неподвижные.

• Гравитационное замедление времени: Замедление течения времени в присутствии сильного гравитационного поля, как описано общей теорией относительности.
  Пример: Часы на поверхности Земли идут немного медленнее, чем часы на большей высоте, из-за гравитационного поля Земли.

• Расширение Вселенной: Увеличение расстояния между галактиками с течением времени, предсказанное общей теорией относительности и подтвержденное наблюдениями красного смещения далеких галактик.
  Пример: Расширение Вселенной предполагает, что она началась в горячем и плотном состоянии, называемом Большим взрывом, около 13,8 миллиардов лет назад.

Аналогия

Теорию относительности можно сравнить с батутом, в центре которого находится тяжелый объект. Объект заставляет поверхность батута прогибаться внутрь, подобно тому, как масса искривляет пространство-время в общей теории относительности. Если вы покатите шарик по батуту, он будет следовать изогнутой траектории вокруг тяжелого объекта, так же как свет и материя следуют изогнутым путям в пространстве-времени. Чем тяжелее объект, тем сильнее будет прогибаться батут, и тем больше будет отклоняться траектория шарика от прямой линии. Эта аналогия помогает визуализировать концепцию гравитации как искривления пространства-времени.

Основное заблуждение

Многие люди думают, что теория относительности означает "все относительно" и что не существует абсолютной истины. Однако теория относительности на самом деле показывает, что скорость света является абсолютной константой, и что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Теория относительности не подразумевает, что все точки зрения одинаково верны или что не существует объективной реальности. Например, некоторые люди могут ошибочно полагать, что теория относительности допускает путешествия во времени в прошлое, но это невозможно в рамках теории, поскольку это нарушило бы причинно-следственную связь.

История

1. Конец 19 века: Физики, такие как Хендрик Лоренц, Анри Пуанкаре и другие, закладывают основы теории относительности, изучая свойства света, электромагнетизма и поведение объектов, движущихся с высокими скоростями.

2. 1905: Альберт Эйнштейн публикует специальную теорию относительности, которая согласует постоянство скорости света с законами движения и электромагнетизма.

3. 1915: Эйнштейн разрабатывает общую теорию относительности, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное присутствием массы и энергии.

4. 1919: Артур Эддингтон подтверждает общую теорию относительности, измеряя отклонение света звезд во время солнечного затмения.

5. 1920-1930-е годы: Теория относительности получает широкое признание в научном сообществе и становится краеугольным камнем современной физики.

6. 1960-е годы - настоящее время: Теория относительности проверяется с все большей точностью и становится основой для теорий, таких как Большой взрыв, черные дыры и гравитационные волны, которые подтверждаются наблюдениями.

Три случая применения прямо сейчас

1. GPS-навигация: Система GPS должна учитывать эффекты как специальной, так и общей теории относительности для обеспечения точного позиционирования. Атомные часы на спутниках GPS идут немного быстрее, чем часы на Земле, из-за их высокой скорости и более слабого гравитационного поля. Инженеры должны корректировать эти эффекты для синхронизации часов и вычисления точных координат. Без релятивистских поправок GPS накапливала бы ошибки около 10 километров в день, что сделало бы ее бесполезной для навигации.

2. Ускорители частиц: Ученые используют ускорители частиц для изучения фундаментальных свойств материи и энергии. Эти машины разгоняют частицы до скоростей, близких к скорости света, где эффекты специальной теории относительности становятся значительными. Исследователи должны использовать релятивистские уравнения для вычисления массы, импульса и энергии частиц, а также для проектирования компонентов ускорителя. Например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе разгоняет протоны до 99,9999991% скорости света, увеличивая их массу в 7500 раз.

3. Гравитационное линзирование: Астрономы наблюдают далекие галактики и квазары с помощью эффекта гравитационного линзирования, предсказанного общей теорией относительности. Массивные объекты, такие как галактики и скопления галактик, могут искривлять путь света от фоновых источников, создавая множественные изображения или искажая их внешний вид. Измеряя эффекты линзирования, астрономы могут составить карту распределения темной материи и изучить эволюцию Вселенной. Гравитационное линзирование также использовалось для обнаружения экзопланет и проверки теорий темной энергии.

Интересные факты

• Если бы вы могли путешествовать со скоростью света, время для вас остановилось бы. Вы не ощущали бы течения времени, в то время как остальная часть Вселенной продолжала бы стареть.

• Система GPS должна учитывать разницу во времени около 38 микросекунд в день между спутниками и приемниками на Земле из-за релятивистских эффектов.

• Самая точная проверка общей теории относительности на сегодняшний день подтвердила ее предсказания с погрешностью всего 0,00001%.

• Если бы Солнце внезапно исчезло, Земля продолжала бы нормально вращаться около 8 минут, прежде чем улететь по прямой линии. Это связано с тем, что гравитация распространяется со скоростью света, как предсказывает общая теория относительности.

• Черные дыры, одно из самых экзотических предсказаний общей теории относительности, могут иметь массу до миллиардов солнечных масс, заключенную в области меньше размеров нашей Солнечной системы.