Jump to content

Теория относительности

Страница полузащищенная
(Перенаправлено из Теории относительности )

Видеомоделирование слияния GW150914 , показывающее искажение пространства-времени гравитацией, когда черные дыры вращаются по орбите и сливаются.

Теория относительности обычно включает в себя две взаимосвязанные физические теории Альберта Эйнштейна : специальную теорию относительности и общую теорию относительности , предложенные и опубликованные в 1905 и 1915 годах соответственно. [1] Специальная теория относительности применима ко всем физическим явлениям в отсутствие гравитации . Общая теория относительности объясняет закон гравитации и его связь с силами природы. [2] Это относится к космологической и астрофизической сфере, включая астрономию. [3]

Эта теория изменила теоретическую физику и астрономию в течение 20-го века, заменив 200-летнюю теорию механики, созданную в первую очередь Исааком Ньютоном . [3] [4] [5] Он представил такие концепции, как 4- мерное пространство-время как единое целое пространства и времени , относительность одновременности , кинематическое и гравитационное замедление времени и сокращение длины . В области физики теория относительности улучшила науку об элементарных частицах и их фундаментальных взаимодействиях, а также положила начало ядерной эпохе . С помощью теории относительности космология и астрофизика предсказали необычайные астрономические явления, такие как нейтронные звезды , черные дыры и гравитационные волны . [3] [4] [5]

Разработка и принятие

Альберт Эйнштейн теорию опубликовал специальную относительности в 1905 году, опираясь на многие теоретические результаты и эмпирические открытия, полученные Альбертом А. Майкельсоном , Хендриком Лоренцем , Анри Пуанкаре и другими. Макс Планк , Герман Минковский Последующие работы проделали и другие.

Эйнштейн разработал общую теорию относительности между 1907 и 1915 годами, при участии многих других людей после 1915 года. Окончательная форма общей теории относительности была опубликована в 1916 году. [3]

Термин «теория относительности» был основан на выражении «относительная теория» ( нем . Relativtheorie ), использованном в 1906 году Планком, который подчеркивал, как теория использует принцип относительности . В разделе обсуждения той же статьи Альфред Бухерер впервые использовал выражение «теория относительности» ( нем . Relativitätstheorie ). [6] [7]

К 1920-м годам физическое сообщество поняло и приняло специальную теорию относительности. [8] Он быстро стал важным и необходимым инструментом для теоретиков и экспериментаторов в новых областях атомной физики , ядерной физики и квантовой механики .

По сравнению с этим общая теория относительности не оказалась столь же полезной, за исключением незначительных поправок к предсказаниям ньютоновской теории гравитации. [3] Казалось, что у нее мало возможностей для экспериментальной проверки, поскольку большинство ее утверждений имели астрономический масштаб. Ее математика казалась сложной и полностью понятной лишь небольшому числу людей. Примерно в 1960 году общая теория относительности стала центральной в физике и астрономии. Новые математические методы, применимые к общей теории относительности, упростили расчеты и облегчили визуализацию ее концепций. Когда были открыты астрономические явления , такие как квазары температурой 3 Кельвина (1963 г.), микроволновое фоновое излучение (1965 г.), пульсары (1967 г.) и первые кандидаты в черные дыры (1981 г.), [3] теория объяснила их свойства, а их измерение дополнительно подтвердило теорию.

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности — это теория структуры пространства-времени . Оно было введено в статье Эйнштейна 1905 года « Об электродинамике движущихся тел » (вклады многих других физиков и математиков см. в « Истории специальной теории относительности »). Специальная теория относительности основана на двух противоречивых в классической механике постулатах :

  1. Законы физики одинаковы для всех наблюдателей в любой инерциальной системе отсчета относительно друг друга ( принцип относительности ).
  2. Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от их относительного движения или движения источника света .

Полученная теория лучше справляется с экспериментом, чем классическая механика. Например, постулат 2 объясняет результаты эксперимента Майкельсона-Морли . Более того, эта теория имеет множество удивительных и парадоксальных последствий. Некоторые из них:

  • Относительность одновременности : два события, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого наблюдателя, если наблюдатели находятся в относительном движении.
  • Замедление времени : движущиеся часы тикают медленнее, чем «неподвижные» часы наблюдателя.
  • Сокращение длины : объекты измеряются как укороченные в направлении, в котором они движутся относительно наблюдателя.
  • Максимальная скорость конечна : ни один физический объект, сообщение или линия поля не могут двигаться быстрее скорости света в вакууме.
    • Эффект гравитации может распространяться в пространстве только со скоростью света, а не быстрее или мгновенно.
  • Эквивалент массы и энергии : E = mc 2 , энергия и масса эквивалентны и взаимозаменяемы.
  • Релятивистская масса — идея, используемая некоторыми исследователями. [9]

Определяющей особенностью специальной теории относительности является замена преобразований Галилея классической механики преобразованиями Лоренца . (См. . Максвелла уравнения электромагнетизма )

Общая теория относительности

Общая теория относительности — это теория гравитации, разработанная Эйнштейном в 1907–1915 годах. Развитие общей теории относительности началось с принципа эквивалентности , согласно которому состояния ускоренного движения и покоя в гравитационном поле (например, при стоянии на поверхности Земли) физически идентичны. Результатом этого является то, что свободное падение является движением по инерции : объект в свободном падении падает, потому что именно так объекты движутся, когда на них не действует никакая сила , а не из-за силы тяжести , как в случае с классическая механика . Это несовместимо с классической механикой и специальной теорией относительности , поскольку в этих теориях объекты, движущиеся по инерции, не могут ускоряться относительно друг друга, а объекты, находящиеся в свободном падении, ускоряются. Чтобы разрешить эту трудность, Эйнштейн сначала предположил, что пространство-время искривлено . Эйнштейн обсудил свою идею с математиком Марселем Гроссманом , и они пришли к выводу, что общую теорию относительности можно сформулировать в контексте Риманова геометрия , разработанная в 1800-х годах. [10] В 1915 году он разработал уравнения поля Эйнштейна , которые связывают кривизну пространства-времени с массой, энергией и любым импульсом внутри него.

Некоторые из следствий общей теории относительности:

Технически общая теория относительности — это теория гравитации , определяющей особенностью которой является использование уравнений поля Эйнштейна . Решениями уравнений поля являются метрические тензоры , которые определяют топологию пространства-времени и то, как объекты движутся по инерции.

Экспериментальные доказательства

Эйнштейн заявил, что теория относительности принадлежит к классу «теорий-принципов». По существу, она использует аналитический метод, а это означает, что элементы этой теории основаны не на гипотезах, а на эмпирических открытиях. Наблюдая за естественными процессами, мы понимаем их общие характеристики, разрабатываем математические модели для описания того, что мы наблюдаем, и аналитическими методами выводим необходимые условия, которые должны быть удовлетворены. Измерение отдельных событий должно удовлетворять этим условиям и соответствовать выводам теории. [2]

Тесты специальной теории относительности

Схема эксперимента Майкельсона – Морли.

Теория относительности — фальсифицируемая теория: она делает предсказания, которые можно проверить экспериментально. В случае специальной теории относительности к ним относятся принцип относительности, постоянство скорости света и замедление времени. [12] Предсказания специальной теории относительности были подтверждены в многочисленных тестах с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою статью в 1905 году, но три эксперимента, проведенные между 1881 и 1938 годами, имели решающее значение для ее подтверждения. Это эксперимент Майкельсона-Морли , эксперимент Кеннеди-Торндайка и эксперимент Айвза-Стилуэлла . Эйнштейн вывел преобразования Лоренца из первых принципов в 1905 году, но эти три эксперимента позволяют вызывать преобразования на основе экспериментальных данных.

Уравнения Максвелла — основа классического электромагнетизма — описывают свет как волну, движущуюся с характерной скоростью. Современная точка зрения состоит в том, что свет не нуждается в среде передачи, но Максвелл и его современники были убеждены, что световые волны распространяются в среде, аналогично звуку, распространяющемуся в воздухе, и ряби, распространяющейся по поверхности пруда. Эту гипотетическую среду назвали светоносным эфиром , покоящимся относительно «неподвижных звезд» и через который движется Земля. Гипотеза Френеля о частичном увлечении эфира исключала измерение эффектов первого порядка (v/c), и хотя наблюдения эффектов второго порядка (v/c) 2 2 ) были в принципе возможны, Максвелл считал, что они слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью современных технологий. [13] [14]

Эксперимент Майкельсона-Морли был разработан для обнаружения эффектов второго порядка «эфирного ветра» — движения эфира относительно Земли. Майкельсон разработал прибор под названием интерферометр Майкельсона Для этого . Аппарат был достаточно точен, чтобы обнаружить ожидаемые эффекты, но он получил нулевой результат, когда первый эксперимент был проведен в 1881 году. [15] и снова в 1887 г. [16] Хотя неспособность обнаружить эфирный ветер стала разочарованием, результаты были приняты научным сообществом. [14] Пытаясь спасти парадигму эфира, Фитцджеральд и Лоренц независимо друг от друга создали специальную гипотезу , согласно которой длина материальных тел меняется в зависимости от их движения через эфир. [17] Это и послужило причиной сокращения Фитцджеральда-Лоренца , и их гипотеза не имела теоретической основы. Интерпретация нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли заключается в том, что время прохождения света туда и обратно изотропно (независимо от направления), но одного этого результата недостаточно, чтобы сбросить со счетов теорию эфира или подтвердить предсказания специальных исследователей. относительность. [18] [19]

Эксперимент Кеннеди-Торндайка, показанный с интерференционными полосами.

Хотя эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света изотропна, он ничего не сказал о том, как величина скорости менялась (если вообще менялась) в разных инерциальных системах отсчета . Для этого был разработан эксперимент Кеннеди-Торндайка, который впервые был проведен в 1932 году Роем Кеннеди и Эдвардом Торндайком. [20] Они получили нулевой результат и пришли к выводу, что «эффекта нет... если только скорость Солнечной системы в космосе не превышает половины скорости Земли на ее орбите». [19] [21] Эта возможность считалась слишком случайной, чтобы дать приемлемое объяснение, поэтому из нулевого результата эксперимента был сделан вывод, что время прохождения света туда и обратно одинаково во всех инерциальных системах отсчета. [18] [19]

Эксперимент Айвза-Стилвелла впервые был проведен Гербертом Айвзом и Г. Р. Стилвеллом в 1938 году. [22] и с большей точностью в 1941 году. [23] Он был разработан для проверки поперечного эффекта Доплера красного смещения света от движущегося источника в направлении, перпендикулярном его скорости, – который был предсказан Эйнштейном в 1905 году. Стратегия заключалась в сравнении наблюдаемых доплеровских сдвигов с тем, что предсказывалось классической теорией. и найдите поправку на фактор Лоренца . Такая коррекция наблюдалась, из чего был сделан вывод, что частота движущихся атомных часов изменяется согласно специальной теории относительности. [18] [19]

Эти классические эксперименты повторялись много раз с повышенной точностью. Другие эксперименты включают, например, увеличение релятивистской энергии и импульса при высоких скоростях, экспериментальную проверку замедления времени и современные поиски нарушений Лоренца .

Тесты общей теории относительности

Общая теория относительности также подтверждалась много раз, классическими экспериментами были прецессия перигелия Меркурия , отклонение света Солнцем орбиты и гравитационное красное смещение света. Другие тесты подтвердили принцип эквивалентности и перетаскивание кадров .

Современные приложения

Релятивистские эффекты представляют не просто теоретический интерес, а важные практические инженерные проблемы. Спутниковые измерения должны учитывать релятивистские эффекты, поскольку каждый спутник движется относительно наземного пользователя и, таким образом, находится в другой системе отсчета в соответствии с теорией относительности. Системы глобального позиционирования, такие как GPS , ГЛОНАСС и Галилео , должны учитывать все релятивистские эффекты, чтобы работать с точностью, например, последствия гравитационного поля Земли. [24] То же самое относится и к высокоточному измерению времени. [25] Приборы, от электронных микроскопов до ускорителей частиц, не работали бы, если бы не учитывать релятивистские соображения. [26]

См. также

Ссылки

  1. ^ Эйнштейн А. (1916), Относительность: специальная и общая теория   (перевод 1920 г.), Нью-Йорк: Х. Холт и компания.
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эйнштейн, Альберт (28 ноября 1919 г.). «Время, пространство и гравитация» . Таймс .
  3. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж Уилл, Клиффорд М (2010). «Относительность» . Мультимедийная энциклопедия Гролье . Архивировано из оригинала 21 мая 2020 года . Проверено 1 августа 2010 г.
  4. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Уилл, Клиффорд М (2010). «Пространственно-временной континуум» . Мультимедийная энциклопедия Гролье . Проверено 1 августа 2010 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Уилл, Клиффорд М (2010). «Сокращение Фицджеральда-Лоренца» . Мультимедийная энциклопедия Гролье . Архивировано из оригинала 25 января 2013 года . Проверено 1 августа 2010 г.
  6. ^ Планк, Макс (1906), «Измерения Кауфмана по отклоняемости β-лучей в их важности для динамики электронов» , Physical Journal , 7 : 753–761
  7. ^ Миллер, Артур И. (1981), специальная теория относительности Альберта Эйнштейна. Появление (1905 г.) и ранняя интерпретация (1905–1911 г.) , Чтение: Аддисон-Уэсли, ISBN  978-0-201-04679-3
  8. ^ Привет, Энтони Дж.Г.; Уолтерс, Патрик (2003). Новая квантовая вселенная (иллюстрированное, исправленное издание). Издательство Кембриджского университета. п. 227. Бибкод : 2003nqu..book.....H . ISBN  978-0-521-56457-1 .
  9. ^ Грин, Брайан. «Теория относительности тогда и сейчас» . Проверено 26 сентября 2015 г.
  10. ^ Эйнштейн, А.; Гроссманн, М. (1913). «Очерк обобщенной теории относительности и теории гравитации». Журнал математики и физики . 62 :225-261.
  11. ^ Фейнман, Ричард Филлипс; Мориниго, Фернандо Б.; Вагнер, Уильям; Пайнс, Дэвид; Хэтфилд, Брайан (2002). Фейнмановские лекции по гравитации . Западный взгляд Пресс. п. 68. ИСБН  978-0-8133-4038-8 . [ постоянная мертвая ссылка ] , Лекция 5
  12. ^ Робертс, Т; Шляйф, С; Длугош, Дж. М., ред. (2007). «Какова экспериментальная основа специальной теории относительности?» . Usenet Часто задаваемые вопросы по физике . Калифорнийский университет, Риверсайд . Проверено 31 октября 2010 г.
  13. ^ Максвелл, Джеймс Клерк (1880), «О возможном способе обнаружения движения Солнечной системы посредством светоносного эфира» , Nature , 21 (535): 314–315, Бибкод : 1880Natur..21S.314. , дои : 10.1038/021314c0
  14. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Паис, Авраам (1982). «Тонок Господь...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Оксфордский университет. Нажимать. стр. 111–113 . ISBN  978-0-19-280672-7 .
  15. ^ Майкельсон, Альберт А. (1881). «Относительное движение Земли и светоносный эфир» . Американский научный журнал . 22 (128): 120–129. Бибкод : 1881AmJS...22..120M . дои : 10.2475/ajs.s3-22.128.120 . S2CID   130423116 .
  16. ^ Майкельсон, Альберт А. и Морли, Эдвард В. (1887). «Об относительном движении Земли и светоносном эфире» . Американский научный журнал . 34 (203): 333–345. Бибкод : 1887AmJS...34..333M . дои : 10.2475/ajs.s3-34.203.333 . S2CID   124333204 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Паис, Авраам (1982). «Тонок Господь...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Оксфордский университет. Нажимать. п. 122 . ISBN  978-0-19-280672-7 .
  18. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Робертсон, HP (июль 1949 г.). «Постулат и наблюдение в специальной теории относительности» (PDF) . Обзоры современной физики . 21 (3): 378–382. Бибкод : 1949РвМП...21..378Р . дои : 10.1103/RevModPhys.21.378 .
  19. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Тейлор, Эдвин Ф.; Джон Арчибальд Уилер (1992). Физика пространства-времени: Введение в специальную теорию относительности (2-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 84–88 . ISBN  978-0-7167-2327-1 .
  20. ^ Кеннеди, Р.Дж.; Торндайк, Э.М. (1932). «Экспериментальное установление относительности времени» (PDF) . Физический обзор . 42 (3): 400–418. Бибкод : 1932PhRv...42..400K . дои : 10.1103/PhysRev.42.400 . S2CID   121519138 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 июля 2020 года.
  21. ^ Робертсон, HP (июль 1949 г.). «Постулат и наблюдение в специальной теории относительности» (PDF) . Обзоры современной физики . 21 (3): 381. Бибкод : 1949РвМП...21..378Р . дои : 10.1103/revmodphys.21.378 .
  22. ^ Айвз, HE; Стилвелл, Г. Р. (1938). «Экспериментальное исследование скорости движения атомных часов». Журнал Оптического общества Америки . 28 (7): 215. Бибкод : 1938JOSA...28..215I . дои : 10.1364/JOSA.28.000215 .
  23. ^ Айвз, HE; Стилвелл, Г. Р. (1941). «Экспериментальное исследование скорости движения атомных часов. II». Журнал Оптического общества Америки . 31 (5): 369. Бибкод : 1941JOSA...31..369I . дои : 10.1364/JOSA.31.000369 .
  24. ^ Эшби, Н. Относительность в системе глобального позиционирования. Живой преподобный Относитель. 6 , 1 (2003). два : 10.12942/lrr-2003-1 «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 ноября 2015 года . Проверено 9 декабря 2015 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  25. ^ Фрэнсис, С.; Б. Рэмси; С. Штейн; Лейтнер, Дж.; Моро, Ж.М.; Бернс, Р.; Нельсон, РА; Варфоломей, ТР; Гиффорд, А. (2002). «Хронометраж и распространение времени в распределенном ансамбле космических часов» (PDF) . Материалы 34-го ежегодного совещания по системам и приложениям точного времени и временных интервалов (PTTI) : 201–214. Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2013 года . Проверено 14 апреля 2013 г.
  26. ^ Привет, Тони; Привет, Энтони Дж.Г.; Уолтерс, Патрик (1997). Зеркало Эйнштейна (иллюстрированное изд.). Издательство Кембриджского университета. п. х (предисловие). ISBN  978-0-521-43532-1 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4611f0b870c818ed6b0c9fceda5193b1__1719068940
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/46/b1/4611f0b870c818ed6b0c9fceda5193b1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Theory of relativity - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)