Se spune că epifania a ajuns la Albert Einstein într-o clipă. Omul de știință ar fi condus un tramvai la Berna (Elveția), s-a uitat la ceasul străzii și și-a dat seama brusc că, dacă tramvaiul acum ar fi accelerat până la viteza luminii, atunci în percepția lui acest ceas se va opri - și nu va mai fi timp. Acest lucru l-a determinat să formuleze unul dintre postulatele centrale ale relativității - faptul că diferiți observatori percep realitatea în mod diferit, inclusiv cantități fundamentale precum distanța și timpul.
Științific vorbind, în acea zi, Einstein și-a dat seama că descrierea oricărui eveniment sau fenomen fizic depinde de cadrul de referință în care se află observatorul (vezi efectul Coriolis). Dacă un pasager dintr-un tramvai, de exemplu, aruncă ochelarii, atunci pentru ea vor cădea vertical în jos, iar pentru un pieton care stă pe stradă, ochelarii vor cădea într-o parabolă, în timp ce tramvaiul se mișcă în timp ce ochelarii cad. Fiecare are propriul său cadru de referință.
Dar, deși descrierile evenimentelor se schimbă în timpul tranziției de la un cadru de referință la altul, există și lucruri universale care rămân neschimbate. Dacă în loc să descriem căderea ochelarilor, punem o întrebare despre legea naturii care îi determină să cadă, atunci răspunsul la acesta va fi același pentru un observator într-un sistem de coordonate fix și pentru un observator într-un sistem de coordonate în mișcare. Legea traficului distribuit este la fel de valabilă și pe stradă și în tramvai. Cu alte cuvinte, în timp ce descrierea evenimentelor depinde de observator, legile naturii nu depind de el, adică, așa cum se spune în limbajul științific, ele sunt invariante. Acesta este principiul relativității.
Ca orice ipoteză, principiul relativității trebuia testat corelându-l cu fenomene naturale reale. Din principiul relativității, Einstein a derivat două teorii separate (deși înrudite). Teoria specială sau specială a relativității porneste de la presupunerea că legile naturii sunt aceleași pentru toate cadrele de referință care se deplasează cu o viteză constantă. Relativitatea generală extinde acest principiu la orice cadru de referință, inclusiv la cele care se mișcă cu accelerație. Teoria specială a relativității a fost publicată în 1905, iar cu atât mai complexă din punct de vedere al aparatului matematic, teoria generală a relativității a fost completată de Einstein până în 1916.
Teorie specială a relativității
Majoritatea ideilor intuitive paradoxale și contradictorii despre lumea efectelor care apar atunci când se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii sunt prezise de teoria specială a relativității. Cel mai cunoscut dintre ei este efectul de încetinire a ceasului sau efectul de încetinire a timpului. Un ceas care se mișcă în raport cu observatorul aleargă mai lent pentru el decât exact același ceas din mâini.
Timpul într-un sistem de coordonate care se deplasează cu viteze apropiate de viteza luminii este întins în raport cu observatorul, în timp ce întinderea spațiului (lungimea) obiectelor de-a lungul axei direcției de mișcare, dimpotrivă, este comprimată. Acest efect, cunoscut sub numele de contracția Lorentz-Fitzgerald, a fost descris în 1889 de fizicianul irlandez George Fitzgerald (1851-1901) și completat în 1892 de olandezul Hendrick Lorentz (1853-1928). Abrevierea Lorentz-Fitzgerald explică de ce experimentul Michelson-Morley pentru a determina viteza mișcării Pământului în spațiul exterior prin măsurarea „vântului eter” a dat un rezultat negativ. Mai târziu, Einstein a inclus aceste ecuații în relativitate specială și le-a completat cu o formulă de transformare similară pentru masă,conform căreia masa corpului crește și pe măsură ce viteza corpului se apropie de viteza luminii. Deci, la o viteză de 260.000 km / s (87% din viteza luminii), masa unui obiect din punctul de vedere al unui observator din cadrul de referință de repaus se va dubla.
Video promotional:
Încă de pe vremea lui Einstein, toate aceste predicții, oricât de contrar ar putea părea bunul simț, găsesc confirmare experimentală completă și directă. Într-unul dintre cele mai revelatoare experimente, oamenii de știință de la Universitatea din Michigan au pus un ceas atomic ultra-precis la bordul unui avion care făcea zboruri transatlantice obișnuite, iar după fiecare zbor înapoi către aeroportul de acasă, și-au verificat citirile cu ceasul de control. S-a dovedit că ceasul din avion a rămas treptat în spatele celor de control din ce în ce mai mult (ca să spunem așa, când vine vorba de fracțiuni de secundă). În ultima jumătate de secol, oamenii de știință au cercetat particule elementare în complexe hardware uriașe numite acceleratoare. În ele, grinzile de particule subatomice încărcate (precum protonii și electronii) sunt accelerate la viteze apropiate de viteza luminii,apoi sunt concediați la diverse ținte nucleare. În astfel de experimente la acceleratoare, este necesar să se țină cont de creșterea masei particulelor accelerate - în caz contrar, rezultatele experimentale pur și simplu nu se vor împrumuta la o interpretare rezonabilă. Și în acest sens, teoria specială a relativității a trecut de mult de la categoria teoriilor ipotetice la domeniul instrumentelor ingineriei aplicate, unde este folosită în egală măsură cu legile mecanicii lui Newton.
Revenind la legile lui Newton, aș dori să remarc în special faptul că teoria specială a relativității, deși contrazice exterior legile mecanicii clasice newtoniene, de fapt, practic reproduce exact toate ecuațiile obișnuite ale legilor lui Newton, dacă este aplicată pentru a descrie corpurile care se mișcă cu o viteză semnificativ. mai mică decât viteza luminii. Adică teoria specială a relativității nu anulează fizica newtoniană, ci o extinde și o completează (această idee este discutată mai detaliat în Introducere).
Principiul relativității ajută, de asemenea, să înțelegem de ce viteza luminii, și nu oricare alta, joacă un rol atât de important în acest model de structură a lumii - această întrebare este pusă de mulți dintre cei care au întâlnit pentru prima dată teoria relativității. Viteza luminii iese în evidență și joacă un rol special ca o constantă universală, deoarece este determinată de o lege a științei naturale (a se vedea ecuațiile lui Maxwell). În virtutea principiului relativității, viteza luminii într-un vid, c, este aceeași în orice cadru de referință. Acest lucru aparent contrazice bunul simț, deoarece se dovedește că lumina dintr-o sursă în mișcare (oricât de rapid se mișcă) și dintr-o sursă staționară ajunge la observator simultan. Cu toate acestea, acest lucru este așa.
Datorită rolului său special în legile naturii, viteza luminii este centrală pentru relativitatea generală.
Teoria generală a relativității
Teoria generală a relativității este deja aplicată tuturor cadrelor de referință (și nu numai celor care se mișcă cu o viteză constantă unul față de celălalt) și arată matematic mult mai complicat decât cel special (ceea ce explică decalajul de unsprezece ani dintre publicarea lor). Cuprinde, ca un caz special, teoria specială a relativității (și, prin urmare, legile lui Newton). Mai mult, teoria generală a relativității merge mult mai departe decât toți predecesorii săi. În special, oferă o nouă interpretare a gravitației.
Relativitatea generală face lumea în patru dimensiuni: timpul se adaugă celor trei dimensiuni spațiale. Toate cele patru dimensiuni sunt inseparabile, deci nu mai vorbim despre distanța spațială dintre două obiecte, așa cum se întâmplă în lumea tridimensională, ci despre intervalele spațiu-timp dintre evenimente care le unesc distanța una de cealaltă - atât în timp cât și în spațiu. … Adică, spațiul și timpul sunt considerate un continuum de spațiu-timp în patru dimensiuni sau, pur și simplu, spațiu-timp. În acest continuu, observatorii care se mișcă unul față de celălalt pot chiar să nu fie de acord dacă două evenimente s-au întâmplat simultan - sau unul precedat celălalt. Din fericire pentru mintea noastră săracă, problema nu ajunge la o încălcare a relațiilor cauzale - adică la existența sistemelor de coordonate,în care două evenimente nu au loc simultan și într-o succesiune diferită, chiar teoria generală a relativității nu permite.
Legea gravitației Newton ne spune că există o forță de atracție reciprocă între oricare două corpuri din univers. Din acest punct de vedere, Pământul se învârte în jurul Soarelui, deoarece forțele de atracție reciprocă acționează între ele. Totuși, relativitatea generală ne obligă să privim acest fenomen diferit. Conform acestei teorii, gravitația este o consecință a deformării („curbură”) a țesutului elastic al spațiului-timp sub influența masei (în acest caz, cu cât este mai greu un corp, de exemplu, Soarele, cu atât spațiul-timp „se îndoaie” sub el și, în consecință, cu atât este mai puternic gravitaționalul său) camp). Imaginați-vă o pânză întinsă strâns (un fel de trambulină) cu o minge masivă pe ea. Pânza se deformează sub greutatea mingii și în jurul acesteia se formează o depresiune în formă de pâlnie. Conform relativității generale,Pământul se învârte în jurul Soarelui ca o minge mică setată să se rostogolească în jurul conului unei pâlnii formate ca urmare a „forțării” spațiului-timp de o bilă grea - Soarele. Iar ceea ce ni se pare a fi forța gravitației, de fapt, este, de fapt, o manifestare pur externă a curburii spațiului-timp, și deloc o forță în înțelegerea newtoniană. Până în prezent, nu s-a găsit nicio explicație mai bună a naturii gravitației decât ne oferă teoria generală a relativității. Până în prezent, nu s-a găsit nicio explicație mai bună a naturii gravitației decât ne oferă teoria generală a relativității. Până în prezent, nu s-a găsit nicio explicație mai bună a naturii gravitației decât ne oferă teoria generală a relativității.
Este dificil de testat teoria generală a relativității, deoarece în condițiile obișnuite de laborator rezultatele sale coincid aproape complet cu ceea ce prevede legea lui Newton a gravitației universale. Cu toate acestea, au fost efectuate mai multe experimente importante, iar rezultatele lor permit ca teoria să fie considerată confirmată. În plus, relativitatea generală ajută la explicarea fenomenelor pe care le observăm în spațiu - de exemplu, ușoare abateri ale Mercurului de la o orbită staționară, care sunt inexplicabile din punctul de vedere al mecanicii newtoniene clasice sau curbura radiației electromagnetice de la stele îndepărtate, pe măsură ce trece în apropierea Soarelui.
De fapt, rezultatele prezise de relativitatea generală diferă semnificativ de rezultatele prezise de legile lui Newton doar în prezența câmpurilor gravitaționale superstrong. Acest lucru înseamnă că, pentru un test deplin al teoriei generale a relativității, sunt necesare fie măsurători ultra precise ale obiectelor foarte masive, fie găuri negre, la care nu se aplică niciuna dintre ideile noastre intuitive obișnuite. Deci dezvoltarea de noi metode experimentale pentru testarea teoriei relativității rămâne una dintre cele mai importante sarcini ale fizicii experimentale.
