stringtranslate.com

Теория 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 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]

Разработка и принятие

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

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 :

  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:

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

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 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.

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 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]

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 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]

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 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 .

Тесты общей теории относительности

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 .

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 учитывались релятивистские соображения. [26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эйнштейн А. (1916), Относительность: специальная и общая теория  (перевод 1920), Нью-Йорк: Х. Холт и компания
  2. ^ аб Эйнштейн, Альберт (28 ноября 1919 г.). «Время, пространство и гравитация»  . Времена .
  3. ^ abcdef Уилл, Клиффорд М (2010). «Относительность». Мультимедийная энциклопедия Гролье . Архивировано из оригинала 21 мая 2020 года . Проверено 1 августа 2010 г.
  4. ^ аб Уилл, Клиффорд М (2010). «Пространственно-временной континуум». Мультимедийная энциклопедия Гролье . Проверено 1 августа 2010 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ аб 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), "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. 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). «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). 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., doi : 10.1038/021314c0
  14. ^ аб 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: multiple names: authors list (link)
  17. ^ Паис, Авраам (1982). «Тонок Господь...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Оксфордский университет. Нажимать. п. 122. ИСБН 978-0-19-280672-7.
  18. ^ abc 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. ^ abcd 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. doi : 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). doi :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: archived copy as title (link)
  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:
Теория относительности: специальная и общая теория
В Wikibooks есть книга на тему: Категория: Относительность.
В Викиверситете есть учебные ресурсы по общей теории относительности.