Теория относительности

Страница полузащищена
Эта статья о научной концепции. Для философских или онтологических теорий относительности см. Релятивизм . О немом фильме см. «Теория относительности Эйнштейна» .

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

Основные статьи: История специальной теории относительности и История общей теории относительности.
Общая теория относительности
Схема кривизны пространства-времени
Фундаментальные понятия
Явления
  • Уравнения
  • Формализмы
Решения
Ученые

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

Основная статья: 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 чертой специальной теории относительности является замена преобразований Галилея классической механики преобразованиями Лоренца . (См. . Максвелла уравнения электромагнетизма )

Общая теория относительности

Основные статьи: Общая теория относительности и Введение в общую теорию 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

Основная статья: 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 /с 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 . Прибор 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 состоит 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

Основная статья: 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. ^ Перейти обратно: а б Эйнштейн, Альберт (28 ноября 1919 г.). «Время, пространство и гравитация» . Таймс .
  3. ^ 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. ^ Перейти обратно: а б Уилл, Клиффорд М (2010). «Пространственно-временной континуум» . Мультимедийная энциклопедия Гролье . Проверено 1 августа 2010 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ 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 через светоносный эфир» , Nature , 21 (535): 314–315, Бибкод : 1880Natur..21S.314. , дои : 10.1038/021314c0
  14. ^ 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. ^ 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. ^ 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). дои : 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

В Wikiquote есть цитаты, связанные с теорией относительности .
В Wikisource есть оригинальные работы на тему: Относительность.
В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье:
В Wikibooks есть книга на тему: Категория: Относительность.
В Викиверситете есть учебные ресурсы по общей теории относительности.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Theory_of_relativity&oldid=1211615915"