Mówi się, że objawienie dotarło do Alberta Einsteina w jednej chwili. Naukowiec rzekomo jechał tramwajem w Bernie (Szwajcaria), spojrzał na zegar uliczny i nagle zdał sobie sprawę, że jeśli tramwaj przyspieszy teraz do prędkości światła, to w jego odczuciu ten zegar zatrzyma się - i nie będzie czasu. To doprowadziło go do sformułowania jednego z centralnych postulatów względności - że różni obserwatorzy inaczej postrzegają rzeczywistość, w tym tak podstawowe wielkości, jak odległość i czas.
Mówiąc naukowo, tego dnia Einstein zdał sobie sprawę, że opis dowolnego fizycznego zdarzenia lub zjawiska zależy od układu odniesienia, w którym znajduje się obserwator (patrz efekt Coriolisa). Jeśli pasażer tramwaju na przykład upuści okulary, to dla niej spadną one pionowo w dół, a dla pieszego stojącego na ulicy okulary spadną w parabolę, ponieważ tramwaj jedzie, a okulary spadają. Każdy ma swój własny układ odniesienia.
Ale chociaż opisy wydarzeń zmieniają się podczas przejścia z jednego układu odniesienia do drugiego, to są też rzeczy uniwersalne, które pozostają niezmienne. Jeśli zamiast opisywać upadek okularów, zadamy pytanie o prawo natury, które powoduje ich upadek, to odpowiedź na nie będzie taka sama dla obserwatora w stałym układzie współrzędnych, jak i dla obserwatora w ruchomym układzie współrzędnych. Prawo ruchu rozproszonego obowiązuje zarówno na ulicy, jak iw tramwaju. Innymi słowy, o ile opis zdarzeń zależy od obserwatora, o tyle prawa przyrody nie zależą od niego, to znaczy, jak mówią w języku naukowym, są niezmienne. To jest zasada względności.
Jak każda hipoteza, zasada względności musiała zostać sprawdzona poprzez skorelowanie jej z rzeczywistymi zjawiskami naturalnymi. Z zasady względności Einstein wyprowadził dwie odrębne (choć powiązane) teorie. Szczególna teoria względności wywodzi się z założenia, że prawa przyrody są takie same dla wszystkich układów odniesienia poruszających się ze stałą prędkością. Ogólna teoria względności rozszerza tę zasadę na każdy układ odniesienia, w tym na te, które poruszają się z przyspieszeniem. Specjalna teoria względności została opublikowana w 1905 roku, a im bardziej złożona z punktu widzenia aparatu matematycznego, ogólna teoria względności została uzupełniona przez Einsteina w 1916 roku.
Szczególna teoria względności
Większość paradoksalnych i sprzecznych intuicyjnych poglądów na temat świata efektów, które pojawiają się podczas poruszania się z prędkością bliską prędkości światła, jest przewidywanych przez specjalną teorię względności. Najbardziej znanym z nich jest efekt spowolnienia zegara lub efekt spowolnienia czasu. Zegar poruszający się względem obserwatora działa dla niego wolniej niż dokładnie ten sam zegar w jego rękach.
Czas w układzie współrzędnych poruszającym się z prędkościami bliskimi prędkości światła jest rozciągany względem obserwatora, natomiast rozciągłość przestrzenna (długość) obiektów wzdłuż osi kierunku ruchu, przeciwnie, ulega kompresji. Efekt ten, znany jako skurcz Lorentza-Fitzgeralda, został opisany w 1889 roku przez irlandzkiego fizyka George'a Fitzgeralda (1851-1901) i ukończony w 1892 roku przez Holendra Hendricka Lorentza (1853-1928). Skrót Lorentza-Fitzgeralda wyjaśnia, dlaczego eksperyment Michelsona-Morleya mający na celu określenie prędkości Ziemi w przestrzeni kosmicznej poprzez pomiar „wiatru eteru” dał wynik ujemny. Później Einstein włączył te równania do szczególnej teorii względności i uzupełnił je podobną formułą transformacji masy,zgodnie z którym masa ciała również rośnie, gdy prędkość ciała zbliża się do prędkości światła. Zatem przy prędkości 260 000 km / s (87% prędkości światła) masa obiektu z punktu widzenia obserwatora w spoczynkowym układzie odniesienia podwoi się.
Film promocyjny:
Od czasów Einsteina wszystkie te przepowiednie, bez względu na to, jak sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem mogą się wydawać, znajdują pełne i bezpośrednie potwierdzenie eksperymentalne. W jednym z najbardziej odkrywczych eksperymentów naukowcy z University of Michigan umieścili ultraprecyzyjny zegar atomowy na pokładzie samolotu, który wykonywał regularne loty transatlantyckie, a po każdym locie powrotnym na lotnisko macierzyste sprawdzali swoje odczyty z zegarem kontrolnym. Okazało się, że zegary w samolocie coraz bardziej odstają od sterujących (jeśli chodzi o ułamki sekundy). Przez ostatnie pół wieku naukowcy badali cząstki elementarne w ogromnych kompleksach sprzętowych zwanych akceleratorami. W nich wiązki naładowanych cząstek subatomowych (takich jak protony i elektrony) są przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła,następnie są ostrzeliwani do różnych celów nuklearnych. W takich eksperymentach na akceleratorach konieczne jest uwzględnienie wzrostu masy przyspieszanych cząstek - w przeciwnym razie wyniki eksperymentu po prostu nie nadadzą się do rozsądnej interpretacji. W tym sensie szczególna teoria względności już dawno przeszła z kategorii hipotetycznych teorii do dziedziny narzędzi inżynierii stosowanej, gdzie jest stosowana na równi z prawami mechaniki Newtona.
Wracając do praw Newtona, chciałbym podkreślić, że szczególna teoria względności, chociaż na pozór zaprzecza prawom klasycznej mechaniki Newtona, w rzeczywistości praktycznie dokładnie odtwarza wszystkie zwykłe równania praw Newtona, jeśli stosuje się ją do opisu ciał poruszających się z dużą prędkością. mniej niż prędkość światła. Oznacza to, że szczególna teoria względności nie anuluje fizyki newtonowskiej, ale ją rozszerza i uzupełnia (idea ta jest omówiona bardziej szczegółowo we wstępie).
Zasada względności pomaga też zrozumieć, dlaczego prędkość światła, a nie żadna inna, odgrywa tak ważną rolę w tym modelu budowy świata - to pytanie zadaje wielu z tych, którzy po raz pierwszy zetknęli się z teorią względności. Prędkość światła wyróżnia się i odgrywa szczególną rolę jako stała uniwersalna, ponieważ określa ją prawo przyrody (patrz równania Maxwella). Na mocy zasady względności prędkość światła w próżni, c, jest taka sama w każdym układzie odniesienia. Wydaje się, że jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, ponieważ okazuje się, że światło z poruszającego się źródła (bez względu na to, jak szybko się porusza) i ze źródła stacjonarnego dociera jednocześnie do obserwatora. Jednak tak jest.
Ze względu na swoją szczególną rolę w prawach natury prędkość światła ma kluczowe znaczenie dla ogólnej teorii względności.
Ogólna teoria względności
Ogólna teoria względności została już zastosowana do wszystkich układów odniesienia (a nie tylko do tych poruszających się ze stałą prędkością względem siebie) i wygląda matematycznie znacznie bardziej niż szczególna (co wyjaśnia jedenastoletnią przerwę między ich publikacją). Obejmuje, jako szczególny przypadek, specjalną teorię względności (a zatem prawa Newtona). Co więcej, ogólna teoria względności idzie znacznie dalej niż wszystkie jej poprzedniczki. W szczególności zapewnia nową interpretację grawitacji.
Ogólna teoria względności sprawia, że świat jest czterowymiarowy: czas jest dodawany do trzech wymiarów przestrzennych. Wszystkie cztery wymiary są nierozłączne, więc nie mówimy już o odległości przestrzennej między dwoma obiektami, jak ma to miejsce w trójwymiarowym świecie, ale o odstępach czasoprzestrzennych między zdarzeniami, które jednoczą ich odległość od siebie - zarówno w czasie, jak iw przestrzeni … Oznacza to, że przestrzeń i czas są uważane za czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne lub po prostu czasoprzestrzeń. W tym kontinuum obserwatorzy poruszający się względem siebie mogą nawet nie zgadzać się co do tego, czy dwa zdarzenia miały miejsce jednocześnie - czy też jedno poprzedziło drugie. Na szczęście dla naszych biednych umysłów nie dochodzi do naruszenia relacji przyczynowo-skutkowych - czyli istnienia układów współrzędnych,w których dwa zdarzenia nie zachodzą jednocześnie iw różnej kolejności, nie pozwala na to nawet ogólna teoria względności.
Prawo grawitacji Newtona mówi nam, że istnieje siła wzajemnego przyciągania się między dowolnymi dwoma ciałami we wszechświecie. Z tego punktu widzenia Ziemia obraca się wokół Słońca, ponieważ działają między nimi siły wzajemnego przyciągania. Ogólna teoria względności zmusza nas jednak do spojrzenia na to zjawisko inaczej. Zgodnie z tą teorią grawitacja jest konsekwencją odkształcenia („krzywizny”) elastycznej tkanki czasoprzestrzeni pod wpływem masy (w tym przypadku im cięższe ciało, na przykład Słońce, tym bardziej czasoprzestrzeń „ugina się” pod nim i odpowiednio pole). Wyobraź sobie mocno naciągnięte płótno (rodzaj trampoliny) z ogromną piłką. Sieć odkształca się pod ciężarem piłki, a wokół niej tworzy się lejkowate zagłębienie. Zgodnie z ogólną teorią względnościZiemia obraca się wokół Słońca jak mała kulka, która toczy się wokół stożka lejka utworzonego w wyniku „wymuszenia” czasoprzestrzeni przez ciężką kulę - Słońce. A to, co wydaje się nam być siłą grawitacji, jest w rzeczywistości czysto zewnętrzną manifestacją krzywizny czasoprzestrzeni, a nie siłą w rozumieniu Newtona. Do tej pory nie znaleziono lepszego wyjaśnienia natury grawitacji, niż daje nam ogólna teoria względności. Do tej pory nie znaleziono lepszego wyjaśnienia natury grawitacji, niż daje nam ogólna teoria względności. Do tej pory nie znaleziono lepszego wyjaśnienia natury grawitacji, niż daje nam ogólna teoria względności.
Trudno jest przetestować ogólną teorię względności, ponieważ w zwykłych warunkach laboratoryjnych jej wyniki prawie całkowicie pokrywają się z tym, co przewiduje prawo powszechnego ciążenia Newtona. Niemniej jednak przeprowadzono kilka ważnych eksperymentów, a ich wyniki pozwalają uznać teorię za potwierdzoną. Ponadto ogólna teoria względności pomaga wyjaśnić zjawiska, które obserwujemy w kosmosie - na przykład niewielkie odchylenia Merkurego od stacjonarnej orbity, które są niewytłumaczalne z punktu widzenia klasycznej mechaniki Newtona, czy krzywiznę promieniowania elektromagnetycznego z odległych gwiazd, gdy przechodzi on w bliskim sąsiedztwie Słońca.
W rzeczywistości wyniki przewidywane przez ogólną teorię względności różnią się znacznie od wyników przewidywanych przez prawa Newtona tylko w obecności super silnych pól grawitacyjnych. Oznacza to, że do pełnoprawnego testu ogólnej teorii względności potrzebne są ultraprecyzyjne pomiary bardzo masywnych obiektów lub czarnych dziur, do których nie mają zastosowania żadne z naszych zwykłych intuicyjnych pomysłów. Tak więc rozwój nowych metod eksperymentalnych do testowania teorii względności pozostaje jednym z najważniejszych zadań fizyki eksperymentalnej.