stringtranslate.com

Теория относительности

Видеосимуляция слияния GW150914 , демонстрирующая искажение пространства-времени под действием гравитации, когда черные дыры вращаются по орбите и сливаются.

Теория относительности обычно охватывает 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 применяется ко всем физическим явлениям при отсутствии гравитации . Общая теория относительности объясняет закон тяготения и его связь с силами природы. [2] Она применяется к космологической и астрофизической сфере, включая астрономию. [3]

Теория преобразила теоретическую физику и астрономию в 20 веке, заменив 200-летнюю теорию механики, созданную в основном Исааком Ньютоном . [3] [4] [5] Она ввела такие концепции, как 4- мерное пространство-время как единую сущность пространства и времени , относительность одновременности , кинематическое и гравитационное замедление времени и сокращение длины . В области физики относительность улучшила науку об элементарных частицах и их фундаментальных взаимодействиях, а также открыла ядерный век . С помощью теории относительности космология и астрофизика предсказали необычные астрономические явления, такие как нейтронные звезды , черные дыры и гравитационные волны . [3] [4] [5]

Разработка и принятие

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности , основанную на многих теоретических результатах и ​​эмпирических открытиях, полученных Альбертом А. Майкельсоном , Хендриком Лоренцем , Анри Пуанкаре и другими. Последующие работы проделали Макс Планк , Герман Минковский и другие.

Эйнштейн разработал общую теорию относительности между 1907 и 1915 годами, при участии многих других ученых 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 ), которое использовал в 1906 году Планк, который подчеркивал, как теория использует принцип относительности . В разделе обсуждения той же статьи Альфред Бухерер впервые использовал выражение «теория относительности» ( нем . Relativätstheorie ). [6] [7]

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

Для сравнения, общая теория относительности не показалась столь полезной, за исключением внесения незначительных поправок в предсказания ньютоновской теории гравитации. [3] Казалось, что она не имеет большого потенциала для экспериментальной проверки, поскольку большинство ее утверждений были в астрономическом масштабе. Ее математика казалась сложной и полностью понятной только небольшому числу людей. Около 1960 года общая теория относительности стала центральной для физики и астрономии. Новые математические методы, применяемые к общей теории относительности, упростили вычисления и сделали ее концепции более наглядной. По мере открытия астрономических явлений , таких как квазары (1963), 3-кельвиновое микроволновое фоновое излучение (1965), пульсары (1967) и первые кандидаты в черные дыры (1981), [3] теория объяснила их атрибуты, а их измерения еще больше подтвердили теорию.

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности — это теория структуры пространства-времени . Она была введена в статье Эйнштейна 1905 года « К электродинамике движущихся тел » (о вкладе многих других физиков и математиков см. История специальной теории относительности ). Специальная теория относительности основана на двух постулатах, которые противоречат классической механике :

  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, теория имеет много удивительных и контринтуитивных следствий. Вот некоторые из них:

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

Общая теория относительности

Общая теория относительности — 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 инерционным движением : объект в свободном падении падает, потому что именно так движутся объекты, когда на них не действует никакая сила , а не из-за силы тяжести, как в классической механике . Это несовместимо с классической механикой и специальной теорией относительности , потому что в этих теориях инерциально движущиеся объекты не могут ускоряться относительно друг друга, но объекты в свободном падении делают это. 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 римановой геометрии , разработанной 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 следствия 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 утверждал, что теория относительности принадлежит к классу «принципных теорий». Как таковая, она использует аналитический метод, что 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 наблюдали, и аналитическими средствами выводим необходимые условия, которые должны быть выполнены. Измерение отдельных событий должно удовлетворять этим условиям и соответствовать выводам теории. [2]

Тесты специальной теории относительности

Схема эксперимента Майкельсона–Морли

Относительность — 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 многочисленными проверками 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 Айвса–Стилвелла . Эйнштейн вывел преобразования Лоренца из первых принципов в 1905 году, но эти три эксперимента позволяют выводить преобразования из экспериментальных данных.

Уравнения Максвелла — основа классического электромагнетизма — описывают свет как волну, движущуюся с характерной скоростью. Современная точка зрения заключается в том, что свету не нужна среда передачи, но Максвелл и его современники были убеждены, что световые волны распространяются в среде, аналогичной звуку, распространяющемуся в воздухе, и ряби, распространяющейся по поверхности пруда. Эта гипотетическая среда называлась светоносным эфиром , покоящимся относительно «неподвижных звезд» и через который движется Земля. Гипотеза Френеля о частичном увлечении эфиром исключала измерение эффектов первого порядка (v/c), и хотя наблюдения эффектов второго порядка (v 2 /c 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 сконструировал прибор, названный интерферометром Майкельсона, чтобы достичь этого. Аппарат был достаточно точным, чтобы обнаружить ожидаемые эффекты, но он получил нулевой результат, когда первый эксперимент был проведен в 1881 году [15] и снова в 1887 году. [16] Хотя неудача в обнаружении эфирного ветра была разочарованием, результаты были приняты научным сообществом. [14] В попытке спасти парадигму эфира Фицджеральд и Лоренц независимо друг от друга создали гипотезу ad hoc , в которой длина материальных тел изменяется в соответствии с их движением через эфир. [17] Это было источником сокращения Фицджеральда-Лоренца , и их гипотеза не имела теоретической основы. Интерпретация нулевого результата эксперимента Майкельсона–Морли заключается в том, что время прохождения света туда и обратно является изотропным (не зависит от направления), но одного этого результата недостаточно, чтобы опровергнуть теорию эфира или подтвердить предсказания специальной теории относительности. [18] [19]

Эксперимент Кеннеди–Торндайка, показанный с помощью интерференционных полос.

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

Эксперимент Айвса–Стилвелла был впервые проведен Гербертом Айвсом 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 состояла в том, чтобы сравнить наблюдаемые доплеровские смещения с тем, что было предсказано классической теорией, и найти поправку на фактор Лоренца . Такая поправка была обнаружена, из чего был сделан вывод, что частота движущихся атомных часов изменяется в соответствии со специальной теорией относительности. [18] [19]

Эти классические эксперименты были повторены много раз с возросшей точностью. Другие эксперименты включают, например, релятивистское увеличение энергии и импульса на высоких скоростях, экспериментальную проверку замедления времени и современные поиски нарушений Лоренца . [ необходима цитата ]

Тесты общей теории относительности

Общая теория относительности также была подтверждена много раз, классическими экспериментами были прецессия перигелия орбиты Меркурия , отклонение света Солнцем и гравитационное красное смещение света. Другие тесты подтвердили принцип эквивалентности и увлечение системы отсчета .

Современные приложения

Далеко не только представляя теоретический интерес, релятивистские эффекты являются важными практическими инженерными проблемами. Спутниковые измерения должны учитывать релятивистские эффекты, поскольку каждый спутник находится в движении относительно пользователя, привязанного к Земле, и, таким образом, находится в другой системе отсчета в соответствии с теорией относительности. Глобальные системы позиционирования, такие как GPS , ГЛОНАСС и Галилео , должны учитывать все релятивистские эффекты, чтобы работать с точностью, например, последствия гравитационного поля Земли. [24] Это также касается высокоточного измерения времени. [25] Инструменты, начиная от электронных микроскопов и заканчивая ускорителями частиц, не будут работать, если релятивистские соображения будут опущены. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Эйнштейн А. (1916), Относительность: Специальная и общая теория  (перевод 1920), Нью-Йорк: H. Holt and Company
  2. ^ ab Эйнштейн, Альберт (28 ноября 1919 г.). «Время, пространство и гравитация»  . The Times .
  3. ^ abcdef Will, Clifford M (2010). "Относительность". Grolier Multimedia Encyclopedia . Архивировано из оригинала 21 мая 2020 года . Получено 1 августа 2010 года .
  4. ^ ab Will, Clifford M (2010). "Пространственно-временной континуум". Grolier Multimedia Encyclopedia . Получено 1 августа 2010 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ ab Will, Clifford M (2010). "Сокращение Фицджеральда–Лоренца". Grolier Multimedia Encyclopedia . Архивировано из оригинала 25 января 2013 года . Получено 1 августа 2010 года .
  6. ^ Планк, Макс (1906), "Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen (Измерения Кауфмана об отклонении β-лучей в их важности для динамики электронов)"  , Physikalische Zeitschrift , 7 : 753–761.
  7. ^ Миллер, Артур И. (1981), Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна. Возникновение (1905) и ранняя интерпретация (1905–1911) , Чтение: Addison–Wesley, ISBN 978-0-201-04679-3
  8. ^ Hey, Anthony JG; Walters, Patrick (2003). Новая квантовая вселенная (иллюстрированное, переработанное издание). Cambridge University Press. стр. 227. Bibcode :2003nqu..book.....H. ISBN 978-0-521-56457-1.
  9. ^ Грин, Брайан. "Теория относительности, тогда и сейчас" . Получено 26 сентября 2015 г.
  10. ^ Эйнштейн, А.; Гроссманн, М. (1913). «Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie und einer Theorie der Gravitation» [Очерк обобщенной теории относительности и теории гравитации]. Zeitschrift für Mathematik und Physik . 62 : 225–261.
  11. ^ Фейнман, Ричард Филлипс; Мориниго, Фернандо Б.; Вагнер, Уильям; Пайнс, Дэвид; Хэтфилд, Брайан (2002). Лекции Фейнмана по гравитации. West view Press. стр. 68. ISBN 978-0-8133-4038-8.[ постоянная мертвая ссылка ] , Лекция 5
  12. ^ Робертс, Т; Шлейф, С; Длугош, Дж. М., ред. (2007). «Какова экспериментальная основа специальной теории относительности?». Часто задаваемые вопросы по физике Usenet . Калифорнийский университет, Риверсайд . Получено 31 октября 2010 г.
  13. ^ Максвелл, Джеймс Клерк (1880), «О возможном способе обнаружения движения Солнечной системы посредством светоносного эфира»  , Nature , 21 (535): 314–315, Bibcode : 1880Natur..21S.314., doi : 10.1038/021314c0
  14. ^ ab Pais, Abraham (1982). «Subtle is the Lord ...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Oxford Univ. Press. С. 111–113. ISBN 978-0-19-280672-7.
  15. ^ Майкельсон, Альберт А. (1881). «Относительное движение Земли и светоносного эфира»  . Американский научный журнал . 22 (128): 120–129. Bibcode : 1881AmJS...22..120M. doi : 10.2475/ajs.s3-22.128.120. S2CID  130423116.
  16. ^ Майкельсон, Альберт А. и Морли, Эдвард В. (1887). «Об относительном движении Земли и светоносного эфира»  . Американский научный журнал . 34 (203): 333–345. Bibcode : 1887AmJS...34..333M. doi : 10.2475/ajs.s3-34.203.333. S2CID  124333204.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  17. ^ Пайс, Авраам (1982). «Неуловим Господь...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Oxford Univ. Press. стр. 122. ISBN 978-0-19-280672-7.
  18. ^ abc Robertson, HP (июль 1949). "Постулат против наблюдения в специальной теории относительности" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 21 (3): 378–382. Bibcode :1949RvMP...21..378R. doi : 10.1103/RevModPhys.21.378 .
  19. ^ abcd Тейлор, Эдвин Ф.; Джон Арчибальд Уилер (1992). Физика пространства-времени: Введение в специальную теорию относительности (2-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. С. 84–88. ISBN 978-0-7167-2327-1.
  20. ^ Кеннеди, Р. Дж.; Торндайк, Э. М. (1932). «Экспериментальное установление относительности времени» (PDF) . Physical Review . 42 (3): 400–418. Bibcode : 1932PhRv...42..400K. doi : 10.1103/PhysRev.42.400. S2CID  121519138. Архивировано из оригинала (PDF) 6 июля 2020 г.
  21. ^ Робертсон, HP (июль 1949). "Постулат против наблюдения в специальной теории относительности" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 21 (3): 381. Bibcode :1949RvMP...21..378R. doi : 10.1103/revmodphys.21.378 .
  22. ^ Айвс, Х. Э.; Стилвелл, Г. Р. (1938). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов». Журнал оптического общества Америки . 28 (7): 215. Bibcode : 1938JOSA...28..215I. doi : 10.1364/JOSA.28.000215.
  23. ^ Айвс, Х. Э.; Стилвелл, Г. Р. (1941). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов. II». Журнал оптического общества Америки . 31 (5): 369. Bibcode : 1941JOSA...31..369I. doi : 10.1364/JOSA.31.000369.
  24. ^ Эшби, Н. Относительность в системе глобального позиционирования. Living Rev. Relativ. 6 , 1 (2003). doi :10.12942/lrr-2003-1 "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 ноября 2015 года . Получено 9 декабря 2015 года .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
  25. ^ Francis, S.; B. Ramsey; S. Stein; Leitner, J.; Moreau, JM; Burns, R.; Nelson, RA; Bartholomew, TR; Gifford, A. (2002). "Timekeeping and Time Dissemination in a Distributed Space-Based Clock Ensemble" (PDF) . Труды 34-й ежегодной конференции по системам и приложениям точного времени и временных интервалов (PTTI) : 201–214. Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2013 г. . Получено 14 апреля 2013 г. .
  26. ^ Эй, Тони; Эй, Энтони Дж. Г.; Уолтерс, Патрик (1997). Зеркало Эйнштейна (иллюстрированное издание). Cambridge University Press. стр. x (предисловие). ISBN 978-0-521-43532-1.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с теорией относительности .
В Википедии есть оригинальные работы по теме: Относительность
В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье:
Относительность: Специальная и общая теория
В Wikibooks есть книга по теме: Категория:Относительность
Викиверситет содержит обучающие ресурсы по общей теории относительности