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 четырехмерное 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]
Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности в 1905 году, опираясь на многие теоретические результаты и эмпирические открытия, полученные 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 людей после 1915 года. Окончательная версия 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 она не имеет большого потенциала 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 (1963 г.), микроволновое фоновое излучение температурой 3 Кельвина (1965 г.), пульсары (1967 г.) и первые кандидаты в черные дыры (1981 г.), [3] теория объяснила их атрибуты, а измерения из них еще раз подтвердили теорию.
Специальная теория относительности — это теория структуры пространства-времени . Он был представлен 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 :
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:
Определяющей особенностью специальной теории относительности является замена преобразований Галилея классической механики преобразованиями Лоренца . (См. уравнения электромагнетизма Максвелла . )
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 гравитации , 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 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 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.
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 природными 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]
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 2 /c 2 ) были в принципе возможны, Максвелл считал, что они слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью современная на тот момент технология. [13] [14]
Эксперимент Майкельсона-Морли был разработан для обнаружения эффектов второго порядка «эфирного ветра» — движения эфира относительно Земли. Для этого Майкельсон разработал прибор под названием интерферометр Майкельсона . 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 году . [16] Хотя неудача в обнаружении эфирного ветра была разочарованием, Результаты были приняты научным сообществом. [14] В попытке спасти парадигму эфира Фитцджеральд и Лоренц независимо друг от друга создали специальную гипотезу , согласно которой длина материальных тел изменяется в соответствии с их движением через эфир. [17] Это было источником 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]
Хотя эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света изотропна, он ничего не сказал о том, как величина скорости менялась (если вообще изменялась) 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 был проведен Гербертом Айвзом и Г.Р. Стилвеллом впервые 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 направление, перпендикулярное его скорости, которое было предсказано Эйнштейном в 1905 году. Стратегия заключалась в том, чтобы сравнить наблюдаемые доплеровские сдвиги с тем, что было предсказано классической теорией, и найти 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 .
Общая теория относительности также подтверждалась много раз, классическими экспериментами были прецессия перигелия орбиты Меркурия , отклонение света Солнцем и гравитационное красное смещение света. Другие тесты подтвердили принцип эквивалентности и перетаскивание кадров .
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 учитывались релятивистские соображения. [26]
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)