Öeldakse, et epifaania jõudis Albert Einsteini hetkega. Väidetavalt sõitis teadlane trammiga Bernis (Šveits), vaatas tänavakella ja mõistis äkki, et kui tramm kiirendab nüüd valguse kiirusele, siis tema arvates see kell peatub - ega ümberringi ole aega. See pani ta sõnastama ühe suhtelisuse keskse postulaadi - et erinevad vaatlejad tajuksid tegelikkust erinevalt, hõlmates selliseid põhimõttelisi suurusi nagu vahemaa ja aeg.
Teaduslikult öeldes sai Einstein sel päeval aru, et iga füüsilise sündmuse või nähtuse kirjeldus sõltub vaatlusraamistikust, milles vaatleja asub (vt Coriolise efekt). Kui näiteks trammis sõitja kukub prille, siis tema jaoks kukuvad nad vertikaalselt allapoole ja tänaval seisva jalakäija jaoks kukuvad prillid paraboolis, kuna tramm liigub samal ajal kui prillid kukuvad. Igal neist on oma tugiraamistik.
Kuid kuigi sündmuste kirjeldused muutuvad ühelt võrdlusraamilt teisele ülemineku ajal, on ka universaalseid asju, mis jäävad muutumatuks. Kui prillide kukkumise kirjeldamise asemel esitame küsimuse nende langemist põhjustava loodusseaduse kohta, siis vastus sellele on sama nii fikseeritud koordinaatsüsteemis oleva vaatleja kui ka liikuvas koordinaatsüsteemis oleva vaatleja jaoks. Jagatud liikluse seadus kehtib võrdselt nii tänaval kui ka trammis. Teisisõnu, kuigi sündmuste kirjeldus sõltub vaatlejast, ei sõltu loodusseadused temast, see tähendab, nagu nad ütlevad teaduskeeles, nad on muutumatud. See on relatiivsuse põhimõte.
Nagu iga hüpotees, tuli ka relatiivsuse põhimõtet testida, korreleerides seda tegelike loodusnähtustega. Relatiivsusteooriast tuletas Einstein kaks eraldi (ehkki omavahel seotud) teooriat. Spetsiaalne või konkreetne relatiivsusteooria lähtub eeldusest, et loodusseadused on ühesugused kõikidel konstantsel kiirusel liikuvatel tugiraamidel. Üldrelatiivsus laiendab seda põhimõtet mis tahes võrdlusraamile, sealhulgas ka neile, mis liiguvad kiirendusega. Spetsiaalne relatiivsusteooria avaldati 1905. aastal ja matemaatilise aparaadi seisukohast keerukamaks muutis üldrelatiivsusteooria Einstein 1916. aastaks.
Spetsiaalne relatiivsusteooria
Enamikku paradoksaalsetest ja vastuolulistest intuitiivsetest ideedest mõjude maailma kohta, mis tekivad valguse kiirusele lähedase kiirusega liikudes, ennustatakse relatiivsusteooria eriteooria abil. Neist kuulsaim on kella aeglustamise või aja aeglustumise mõju. Vaatleja suhtes liikuv kell töötab tema jaoks aeglasemalt kui täpselt sama kell tema käes.
Valguse kiirusele lähedase kiirusega liikuvas koordinaatsüsteemis kuluv aeg venitatakse vaatleja suhtes, samal ajal kui objektide ruumiline ulatus (pikkus) piki liikumissuuna telge on kokku surutud. Seda efekti, mida nimetatakse Lorentz-Fitzgeraldi kokkutõmbumiseks, kirjeldas 1889. aastal iiri füüsik George Fitzgerald (1851–1901) ja selle lõi 1892. aastal hollandlane Hendrick Lorentz (1853–1928). Lühend Lorentz-Fitzgerald selgitab, miks Michelson-Morley eksperiment Maa kosmose liikumise kiiruse määramiseks kosmose "eetertuule" mõõtmise teel andis negatiivse tulemuse. Hiljem lisas Einstein need võrrandid erirelatiivsusteooriasse ja täiendas neid massi sarnase teisendusvalemiga,mille järgi suureneb ka keha mass, kui keha kiirus läheneb valguse kiirusele. Nii et kiirusel 260 000 km / s (87% valguse kiirusest) kahekordistub objekti mass vaatleja vaatepunktist puhkeraami võrdlusraamis.
Reklaamvideo:
Alates Einsteini ajast leiavad kõik need ennustused täieliku ja otsese eksperimentaalse kinnituse, hoolimata sellest, kuidas need mõistusele vastu võivad tunduda. Ühes kõige paljastavamas katses panid Michigani ülikooli teadlased ülitäpse aatomkella lennuki pardale, mis tegi regulaarselt Atlandi-üleseid lende, ja pärast igat lendu tagasi kodulennujaama kontrollisid nad oma näitu kontrollkella abil. Selgus, et lennuki kell jäi järk-järgult järjest enam juhtimisseadmetest maha (niiöelda sekundi murdosa kohta). Viimase poole sajandi jooksul on teadlased uurinud elementaarseid osakesi hiiglaslikes riistvarakompleksides, mida nimetatakse kiirenditeks. Neis kiirendatakse laetud subatomaatiliste osakeste (nagu prootonid ja elektronid) kiirte kiirust, mis on lähedal valguse kiirusele,siis tulistatakse neid mitmesuguste tuumaobjektide jaoks. Selliste kiirenditega tehtavate katsete puhul tuleb arvestada kiirendatud osakeste massi suurenemisega - vastasel juhul ei anna katse tulemused lihtsalt mõistlikku tõlgendust. Ja selles mõttes on spetsiaalne relatiivsusteooria juba ammu hüpoteetiliste teooriate kategooriast rakendustehnika tööriistade valdkonnale üle läinud, kus seda kasutatakse võrdselt Newtoni mehaanika seadustega.
Naastes Newtoni seaduste juurde, tahaksin eriti märkida, et relatiivsusteooria eriteooria, ehkki see on väliselt vastuolus klassikalise Newtoni mehaanika seadustega, kordab tegelikult täpselt kõiki Newtoni seaduste tavalisi võrrandeid, kui neid rakendatakse kehade puhul, mis liiguvad märkimisväärselt kiiresti vähem kui valguse kiirus. See tähendab, et spetsiaalne relatiivsusteooria ei tühista Newtoni füüsikat, vaid laiendab ja täiendab seda (seda ideed käsitletakse üksikasjalikumalt sissejuhatuses).
Relatiivsustegevuse põhimõte aitab ka mõista, miks valguse kiirus ja mitte ükski teine mängib selles maailma struktuuri mudelis nii olulist rolli - seda küsimust esitavad paljud neist, kes relatiivsusteooriaga esmakordselt kokku puutusid. Valguse kiirus paistab silma ja mängib erilist rolli universaalse konstandina, kuna selle määrab loodusõpetuse seadus (vt Maxwelli võrrandid). Relatiivsustegevuse põhimõtte kohaselt on valguse kiirus vaakumis c ühesuguses võrdlusraamis. See näib olevat vastuolus terve mõistusega, kuna selgub, et liikuvast allikast (ükskõik kui kiiresti see liigub) ja paiksetelt allikatelt pärit valgus jõuab vaatlejani üheaegselt. Kuid see on nii.
Tänu erilisele rollile loodusseadustes on valguse kiirusel keskne osa üldrelatiivsuses.
Üldine relatiivsusteooria
Üldist relatiivsusteooriat rakendatakse juba kõigi võrdlusraamide suhtes (ja mitte ainult nende suhtes, mis liiguvad üksteise suhtes konstantsel kiirusel) ja see tundub matemaatiliselt palju keerukam kui spetsiaalne (mis selgitab nende avaldamise vahelist üheteistkümne aasta pikkust vahet). See hõlmab erijuhuna relatiivsusteooria eriteooriat (ja seega ka Newtoni seadusi). Pealegi ulatub üldine relatiivsusteooria palju kaugemale kui kõik selle eelkäijad. Eelkõige pakub see gravitatsiooni uut tõlgendust.
Üldrelatiivsus muudab maailma neljamõõtmeliseks: kolmele ruumilisele mõõtmele lisatakse aeg. Kõik neli dimensiooni on lahutamatud, nii et me ei räägi enam kahe objekti vahelisest ruumilisest kaugusest, nagu see on kolmemõõtmelises maailmas, vaid ruumide ja ajavahemike intervallidest sündmuste vahel, mis ühendavad nende kaugust üksteisest - nii ajas kui ruumis … See tähendab, et ruumi ja aega käsitletakse ruumimõtte neljamõõtmelise jätkuna või lihtsalt ruumi-ajana. Selles järjepidevuses võivad üksteise suhtes liikuvad vaatlejad isegi lahkarvamusel öelda, kas kaks sündmust juhtusid üheaegselt - või üks eelnes teisele. Meie vaese mõistuse õnneks ei tule asi põhjus-tagajärg seoste rikkumiseni - see tähendab koordinaatsüsteemide olemasolu,kus kaks sündmust ei toimu samaaegselt ja erinevas järjestuses, isegi üldine relatiivsus ei võimalda.
Newtoni gravitatsiooniseadus ütleb meile, et universumi mis tahes kahe keha vahel on vastastikune külgetõmbejõud. Sellest vaatenurgast pöörleb Maa ümber Päikese, kuna nende vahel toimivad vastastikku ligitõmbavad jõud. Üldrelatiivsus aga sunnib meid seda nähtust teisiti vaatama. Selle teooria kohaselt on gravitatsioon ruumi aja elastse koe deformatsiooni ("kõveruse") tagajärg massi mõjul (sel juhul on seda raskem keha, näiteks Päike, seda rohkem kosmose aeg selle all "paindub" ja vastavalt, seda tugevam on selle gravitatsiooniline jõud) väli). Kujutage ette tihedalt venitatud lõuendit (omamoodi batuuti), millel on massiivne pall. Võrk deformeerub kuuli raskuse all ja selle ümber moodustub lehtrikujuline süvend. Üldrelatiivsusteooria kohaseltMaa pöörleb ümber Päikese nagu väike pall, mis on asetatud keerduma ümber lehtri koonuse, mis on moodustatud kosmoseaja raske sunni - Päikese poolt "sundimise" tagajärjel. Ja see, mis meile tundub gravitatsioonijõud, on tegelikult ruumi-aja kõveruse puhtalt väline manifestatsioon ja see pole Newtoni arusaamas üldse jõud. Tänaseks ei ole gravitatsiooni olemuse kohta paremat seletust leitud, kui meile annab üldine relatiivsusteooria. Tänaseks ei ole gravitatsiooni olemuse kohta paremat seletust leitud, kui meile annab üldine relatiivsusteooria. Tänaseks ei ole gravitatsiooni olemuse kohta paremat seletust leitud, kui meile annab üldine relatiivsusteooria.
Üldist relatiivsusteooriat on keeruline testida, kuna tavalistes laboritingimustes langevad selle tulemused peaaegu täielikult kokku Newtoni universaalse gravitatsiooni seaduse ennustatuga. Sellegipoolest on tehtud mitmeid olulisi katseid ja nende tulemused võimaldavad teooriat kinnitatuks pidada. Lisaks aitab üldrelatiivsus seletada nähtusi, mida me kosmoses täheldame - näiteks elavhõbeda väikesed kõrvalekalded liikumatult orbiidilt, mis on klassikalise Newtoni mehaanika seisukohast seletamatud, või kaugetest tähtedest pärit elektromagnetilise kiirguse kõverus, kui see möödub Päikese vahetus läheduses.
Tegelikult erinevad üldrelatiivsusega ennustatud tulemused Newtoni seadustega ennustatud tulemustest märkimisväärselt ainult ülitugevate gravitatsiooniväljade olemasolul. See tähendab, et üldrelatiivsusteooria täieõiguslikuks kontrolliks on vaja kas väga massiivsete objektide või mustade aukude ülitäpseid mõõtmisi, millele ükski meie tavapärasest intuitiivsest ideest pole rakendatav. Seega jääb relatiivsusteooria testimiseks uute eksperimentaalmeetodite väljatöötamine eksperimentaalfüüsika üheks olulisemaks ülesandeks.
