Проверете часовника?: Относителност

Теорията на относителността е физическа теория, която разглежда пространствено-времевите закони, които са валидни за всякакви физически процеси. Най-общата теория за пространството-времето се нарича общата теория на относителността (GR) или теорията на гравитацията. В специалната (или специалната) теория на относителността (STR) се изучават пространствено-времевите свойства, които са валидни с точността, с която ефектът на гравитацията може да бъде пренебрегнат. (Физически енциклопедичен речник, 1995 г.)

Време и маса Тялото се свива по оста на движение, когато се приближава до скоростта на светлината

Атомно разпадане Атомната маса на нови атоми и количеството генерирана енергия на движение са еквивалентни на масата на първоначалния атом

В края на 19 век законите на движението и гравитацията, открити от Нютон, се използват универсално за изчисления и намират все повече и повече експериментални доказателства. Изглежда нищо не предвещава преврат в тази област. Въпросът обаче вече не се ограничаваше само до механиката: в резултат на експерименталната работа на много учени в областта на електричеството и магнетизма се появиха уравнения на Максуел. От тук започват проблемите със законите на физиката. Уравненията на Максуел обединяват електричество, магнетизъм и светлина. От тях следва, че скоростта на електромагнитните вълни, включително светлинните вълни, не зависи от движението на излъчвателя и е приблизително 300 хиляди км / сек във вакуум. Това по никакъв начин не съответства на механиката на Нютон и Галилео. Да предположим, че балон лети спрямо Земята със скорост 100 хиляди км / сек. Стреляме напред от лекия пистолет с лек куршум, скоростта на който е 300 хиляди км / сек. След това, според формулите на Галилео, скоростите трябва просто да се добавят, което означава, че куршумът ще лети спрямо Земята със скорост от вече 400 хиляди км / сек. Без постоянство на скоростта на светлината не работи!

Много усилия бяха положени, за да се открие промяна в скоростта на светлината по време на движението на излъчвателя, но нито един от хитрите експерименти не беше успешен. Дори и най-точният от тях, експериментът Мишелсън-Морли, даде отрицателен резултат. Значи нещо не е наред с уравненията на Максуел? Но те отлично описват всички електрически и магнитни явления. И тогава Анри Поанкаре предположи, че не става въпрос за уравнения, а за принципа на относителността: всички физически закони, не само механични, като Нютон, но и електрически, трябва да бъдат еднакви в системи, които се движат равномерно и праволинейно една спрямо друга., През 1904 г. Дейн Хендрик Антон Лоренц специално за уравненията на Максуел получи нови формули за преизчисляване на координатите на движеща се система спрямо фиксирана и обратно. Но това помогна само отчасти: оказа се, че за законите на Нютон човек трябва да използва някои трансформации, а за уравненията на Максуел други. Въпросът остана отворен.

Специална теория на относителността

Предложените от Лоренц трансформации скриха две важни последици. Оказа се, че по време на прехода от една система към друга е необходимо да се трансформират не само координати, но и време. И освен това, размерът на движещото се тяло, изчислен според формулите на Лоренц, се промени - стана по-малък по посоката на движение! Следователно скоростите, надвишаващи скоростта на светлината, загубиха всички физически смисъл, тъй като в този случай телата бяха компресирани до нулеви размери. Много физици, включително и самият Лоренц, считаха тези заключения просто за математически инцидент. Докато Айнщайн не се захвана с бизнеса.

Защо теорията на относителността е кръстена на Айнщайн, ако принципът на относителността е формулиран от Пуанкаре, постоянството на скоростта на светлината е изведено от Максуел и Лоренц измисля правилата за преобразуване на координатите? На първо място, казваме, че всичко, за което говорихме досега, се отнася само до така наречената „специална теория на относителността“ (SRT). Противно на общоприетото мнение, приносът на Айнщайн в тази теория в никакъв случай не се ограничава до просто обобщаване на резултатите. Първо, той успя да получи всички уравнения въз основа на само два постулата - принципа на относителността и принципа на постоянството на скоростта на светлината. И второ, той разбра какви изменения трябва да бъдат направени в закона на Нютон, за да не изпадне от новата картина на света и да не се промени по време на трансформациите на Лоренц. За да направя това, трябваше да се отнасям критично към две по-рано непоклатими основи на класическата механика - абсолютността на времето и постоянството на телесното тегло.

Как спят слоновете?

Нищо абсолютно

В Нютоновата механика звездното време мълчаливо се идентифицира с абсолютно време, а в теорията на Айнщайн всеки референтен кадър съответства на собственото си, „локално“ време и няма часовници, които да отчитат времето за цялата Вселена. Но изводите за относителността на времето не бяха достатъчни, за да се премахнат противоречията между електродинамиката и класическата механика. Този проблем беше решен, когато падна друг класически бастион - постоянството на масите. Айнщайн въведе промени в основния закон на Нютон относно пропорционалността на силата към ускорението и откри, че масата се увеличава неограничено при приближаване на скоростта на светлината. Всъщност от постулатите на SRT следва, че скоростта, по-голяма от скоростта на светлината, няма физическо значение, което означава, че никоя сила не може да увеличи скоростта на тяло, което вече лети със скоростта на светлината, тоест при тези условия силата вече не предизвиква ускорение! Колкото по-голяма е скоростта на тялото, толкова по-трудно е да се ускори.

И тъй като коефициентът на пропорционалност е маса (или инерция), следва, че телесната маса нараства с увеличаване на скоростта.

Забележително е, че това заключение е достигнато дори по онова време, когато нямаше очевидни противоречия и несъответствия между резултатите от експериментите и законите на Нютон. При обикновени условия промяната в масата е незначителна и може да бъде открита експериментално само при много високи скорости, близки до скоростта на светлината. Дори за спътник, летящ със скорост 8 км / с, корекцията на масата ще бъде не повече от един милиард. Но още през 1906 г., заключенията на SRT са потвърдени от изследването на електрони, движещи се с висока скорост: промяна в масата на тези частици е записана в експериментите на Кауфман. А при съвременните ускорители просто не се получава разпръскване на частици, ако изчисленията се извършват по класическия начин, без да се взема предвид специалната теория на относителността.

Тогава обаче се оказа, че непостоянството на масата позволява да се направи още по-фундаментален извод. С увеличаване на скоростта масата расте, енергията на движение расте ... Не е ли това едно и също? Математическите изчисления потвърждават предположението за еквивалентността на масата и енергията и през 1907 г. Айнщайн получава известната си формула E = mc2. Това е основният извод на бензиностанцията. Масата и енергията са едно и също и се преобразуват една в друга! И ако някакво тяло (например уранов атом) внезапно се раздели на две, които общо имат по-малка маса, тогава останалата част от масата преминава в енергията на движение. Самият Айнщайн предположи, че е възможно да се забележи промяна в масата само с огромни енергийни освобождавания, тъй като коефициентът c2 в неговата формула е много, много голям. Но вероятно не е очаквал, че тези теоретични съображения ще доведат човечеството досега. Създаването на атомната бомба потвърди валидността на специалната теория на относителността, само твърде скъпа.

Изглежда, че няма причина да се съмняваме в правилността на теорията. Но ето време да си припомним думите на Айнщайн: „Опитът никога няма да каже„ да “на теорията, но в най-добрия случай може да каже, но в по-голямата си част просто не. Последният, най-точен експеримент за тестване на един от постулатите на STR, постоянството на скоростта на светлината, беше проведен наскоро, през 2001 г., в университета в Констанц (Германия). Постоянна лазерна вълна беше поставена в „кутия“ с ултра чист сапфир, охладена до температурата на течния хелий и в продължение на шест месеца следеше промяната в честотата на светлината. Ако скоростта на светлината зависеше от скоростта на лабораторията, тогава честотата на тази вълна ще се промени, когато Земята се движи по орбита. Но досега не са забелязани промени.

Обща теория на относителността

След като публикува през 1905 г. известния си труд „За електродинамиката на движещите се тела“, посветен на СРТ, Айнщайн продължава. Той беше убеден, че STO е само част от пътя. Принципът на относителност трябва да е валиден във всички референтни системи, а не само в тези, които се движат равномерно и праволинейно. Това убеждение на Айнщайн не беше само предположение, а се основава на експериментален факт, спазването на принципа на еквивалентност. Нека обясним какво представлява. Така наречената „инертна“ маса се появява в законите на движението, което показва колко е трудно да се ускори тялото, а в законите на гравитацията - „тежката“ маса, която определя силата на привличане между телата. Принципът на еквивалентност предполага, че тези маси са точно равни една на друга, но само опитът може да потвърди дали това всъщност е така. От принципа на еквивалентност следва, че всички тела трябва да се движат в гравитационно поле с еднакво ускорение. Галилей също провери това обстоятелство, хвърляйки, според легендата, различни тела от Пизанската кула. Тогава точността на измерването беше 1%, Нютон я доведе до 0, 1% и според последните данни от 1995 г. можем да сме сигурни, че принципът на еквивалентност е изпълнен с точност 5 х 10−13.

Въз основа на принципа на еквивалентност и принципа на относителността, след десет години упорит труд, Айнщайн създава своята теория на гравитацията или обща теория на относителността (GR), която и до днес не престава да удивлява теоретиците със своята математическа красота. Пространството и времето в теорията на Айнщайн за гравитацията са изложени на невероятни метаморфози. Гравитационното поле, създадено от тела с маса около тях, огъва околното пространство. Представете си топка, която лежи на батут. Колкото по-тежка е топката, толкова повече ще се огъва батутната мрежа. И времето, превърнато в четвърто измерение, не стои настрана: колкото по-голямо е гравитационното поле, толкова по-бавно тече времето.

Първото потвърдено прогнозиране на общата относителност е направено от Айнщайн през 1915г. Засягаше движението на Меркурий. Перихелионът на тази планета (тоест точката на нейното максимално приближение към Слънцето) постепенно променя позицията си. За сто години наблюдения от Земята, изместването е 43, 1 дъгови секунди. Само общата теория на относителността беше в състояние да даде изумително точна прогноза на тази стойност - 43 дъгови секунди. Следващата стъпка беше да се наблюдава отклонението на светлинните лъчи в гравитационното поле на Слънцето по време на пълно слънчево затъмнение от 1919 година. Оттогава са проведени много такива експерименти и всички те потвърждават GTR - въпреки факта, че точността непрекъснато расте. Например през 1984 г. той възлиза на 0, 3%, а през 1995 г. - вече по-малко от 0, 1%.

С появата на атомните часовници нещата стигнаха до самото време. Достатъчно е да поставите един часовник на върха на планината, други в подножието му - и можете да уловите разликата в течение на времето! И с появата на спътникови системи за глобално позициониране, теорията на относителността най-накрая се премести от категорията на учените за развлечение в чисто практическа област. GPS сателитите, например, летят на височина от около 20 хиляди км със скорост от около 4 км / сек. Тъй като те са доста далеч от Земята, часовникът върху тях, според общата относителност, бърза с около 45 микросекунди (μs) на ден, но тъй като те летят с висока скорост, в резултат на SRT, същият часовник изостава със 7 μs дневно. Ако тези изменения не бъдат взети предвид, цялата система ще стане безполезна в рамките на няколко дни! Преди да бъдат изпратени в орбита, атомните часовници на спътниците се регулират така, че да излизат по-бавно с около 38 μs на ден. А фактът, че след такава настройка, простият ми GPS приемник показва правилно координатите ми на огромна земна повърхност, сериозно укрепва доверието ми в теорията на относителността.

Всички тези успехи само провокират ловците за относителност. Днес във всеки уважаващ себе си университет има лаборатория за търсене на гравитационни вълни, която според теорията на Айнщайн за гравитацията трябва да се разпространява със скоростта на светлината. Все още не е възможно да ги намерите. Друга спънка е връзката между общата относителност и квантовата механика. И двамата са напълно съгласувани с експеримента, но са напълно несъвместими един с друг. Не е ли нещо, напомнящо класическата механика и електромагнетизма от края на XIX век? Може би трябва да изчакате промяна.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 8, август 2003 г.). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Просто щракнете върху бутон: история на прости неща
2019
Чукнете, бутилирайте, филтрирайте: каква вода си струва да се пие
2019
Синдром на паник атака: какво представлява и как да се справим с него
2019