Paano naiiba ang pangkalahatang relativity sa espesyal na relativity? Espesyal at pangkalahatang teorya ng relativity. Iba't ibang mga notasyon para sa pagbabagong-anyo ng Lorentz

Ang espesyal na teorya ng relativity ay binuo sa simula ng ika-20 siglo sa pamamagitan ng pagsisikap ni G. A. Lorentz, A. Poincaré at A. Einstein.

Ang mga postulate ni Einstein

Ang STO ay ganap na ipinapakita sa pisikal na antas mahigpit mula sa dalawang postulates (pagpapalagay):

Ang prinsipyo ng relativity ni Einstein ay isang extension ng prinsipyo ng relativity ni Galileo.

Ang bilis ng liwanag ay hindi nakadepende sa bilis ng pinagmulan sa lahat ng inertial frames of reference.

Ang pang-eksperimentong pag-verify ng mga postulate ng STR ay sa isang tiyak na lawak na kumplikado ng mga problemang pilosopikal: ang posibilidad ng pagsulat ng mga equation ng anumang teorya sa isang invariant na anyo anuman ang pisikal na nilalaman nito, at ang kahirapan sa pagbibigay-kahulugan sa mga konsepto ng "haba", "oras". ” at “inertial reference frame” sa mga kondisyon ng relativistic effect.

Kakanyahan ng istasyon ng serbisyo

Ang kinahinatnan ng mga postulate ng SRT ay ang mga pagbabagong Lorentz, na pumapalit sa mga pagbabagong Galilean para sa di-relativistic, "klasikal" na paggalaw. Ikinokonekta ng mga pagbabagong ito ang mga coordinate at oras ng parehong mga kaganapan na naobserbahan mula sa iba't ibang mga inertial reference system.

Sila ang naglalarawan ng mga sikat na epekto tulad ng pagbagal ng oras at ang pagbawas sa haba ng mabilis na paggalaw ng mga katawan, ang pagkakaroon ng pinakamataas na bilis ng paggalaw ng isang katawan (na siyang bilis ng liwanag), ang relativity ng konsepto. ng simultaneity (dalawang kaganapan ang nangyayari nang sabay-sabay ayon sa orasan sa parehong reference frame, ngunit sa magkaibang mga sandali sa oras ayon sa orasan sa ibang reference system).

Ang espesyal na teorya ng relativity ay nakatanggap ng maraming pang-eksperimentong kumpirmasyon at isang walang kundisyong tamang teorya sa larangan ng pagkakalapat nito. Ang espesyal na teorya ng relativity ay tumigil na gumana sa sukat ng buong Uniberso, gayundin sa mga kaso ng malakas na gravitational field, kung saan ito ay pinalitan ng isang mas pangkalahatang teorya - ang pangkalahatang teorya ng relativity. Ang espesyal na teorya ng relativity ay naaangkop din sa microworld; ang synthesis nito sa quantum mechanics ay quantum field theory.

Mga komento

Tulad ng kaso ng quantum mechanics, marami sa mga hula ng teorya ng relativity ay counterintuitive, tila hindi kapani-paniwala at imposible. Gayunpaman, hindi ito nangangahulugan na ang teorya ng relativity ay hindi tama. Sa katotohanan, ang paraan kung paano natin nakikita (o gustong makita) ang mundo sa paligid natin at ang aktwal na paraan nito ay maaaring ibang-iba. Sa loob ng higit sa isang siglo, sinusubukan ng mga siyentipiko sa buong mundo na pabulaanan ang SRT. Wala sa mga pagtatangka na ito ang makakahanap ng pinakamaliit na depekto sa teorya. Ang katotohanan na ang teorya ay tama sa matematika ay pinatunayan ng mahigpit na anyo ng matematika at kalinawan ng lahat ng mga pormulasyon. Ang katotohanan na ang SRT ay talagang naglalarawan sa ating mundo ay pinatunayan ng malawak na eksperimentong karanasan. Maraming mga kahihinatnan ng teoryang ito ang ginagamit sa pagsasanay. Malinaw, ang lahat ng mga pagtatangka na "pabulaanan ang STR" ay tiyak na mapapahamak sa kabiguan dahil ang teorya mismo ay batay sa tatlong postulate ni Galileo (na medyo pinalawak), sa batayan kung saan binuo ang Newtonian mechanics, gayundin sa isang karagdagang postulate tungkol sa pare-pareho ng bilis ng liwanag sa lahat ng reference system. Ang lahat ng apat ay hindi nagtataas ng anumang pagdududa sa loob ng mga limitasyon ng pinakamataas na katumpakan ng mga modernong sukat: mas mahusay kaysa sa 10 - 12, at sa ilang mga aspeto - hanggang 10 - 15. Bukod dito, ang katumpakan ng kanilang pag-verify ay napakataas na ang pagiging matatag ng bilis ng liwanag ay ang batayan para sa kahulugan ng metro - mga yunit ng haba, bilang isang resulta kung saan ang bilis ng liwanag ay nagiging isang pare-pareho awtomatikong kung ang mga sukat ay isinasagawa alinsunod sa metrological kinakailangan.

Inilalarawan ng SRT ang non-gravitational pisikal na phenomena na may napakataas na katumpakan. Ngunit hindi nito ibinubukod ang posibilidad ng paglilinaw at pagdaragdag nito. Halimbawa, ang pangkalahatang teorya ng relativity ay isang refinement ng SRT na isinasaalang-alang ang gravitational phenomena. Ang pag-unlad ng quantum theory ay patuloy pa rin, at maraming physicist ang naniniwala na ang hinaharap na kumpletong teorya ay sasagutin ang lahat ng mga katanungan na may pisikal na kahulugan, at magbibigay sa loob ng mga limitasyon ng parehong STR kasama ng quantum field theory at GTR. Malamang, haharapin ng SRT ang parehong kapalaran tulad ng Newtonian mechanics - ang mga limitasyon ng pagiging angkop nito ay tiyak na ilalarawan. Kasabay nito, ang gayong pangkalahatang teorya ay napakalayo pa rin, at hindi lahat ng mga siyentipiko ay naniniwala na ang pagtatayo nito ay posible pa rin.

Pangkalahatang teorya ng relativity

Pangkalahatang teorya ng relativity(GTR) ay isang geometric na teorya ng grabidad na inilathala ni Albert Einstein noong 1915–16. Sa loob ng balangkas ng teoryang ito, na isang karagdagang pag-unlad ng espesyal na teorya ng relativity, ipinapalagay na ang mga epekto ng gravitational ay sanhi hindi ng puwersang pakikipag-ugnayan ng mga katawan at mga patlang na matatagpuan sa espasyo-oras, ngunit sa pamamagitan ng pagpapapangit ng espasyo-oras. mismo, na nauugnay, sa partikular, sa pagkakaroon ng mass-energy.

Ang General Relativity ay kasalukuyang (2007) ang pinakamatagumpay na teorya ng gravitational, na kinumpirma ng mabuti ng mga obserbasyon. Ang unang tagumpay ng pangkalahatang relativity ay upang ipaliwanag ang maanomalyang precession ng perihelion ng Mercury. Pagkatapos, noong 1919, iniulat ni Arthur Eddington ang pagmamasid sa liwanag na baluktot malapit sa Araw sa sandaling ito kabuuang eclipse, na kinumpirma ang mga hula ng pangkalahatang teorya ng relativity. Bilang karagdagan, maraming mga obserbasyon ang binibigyang kahulugan bilang kumpirmasyon ng isa sa mga pinaka misteryoso at kakaibang mga hula ng pangkalahatang teorya ng relativity - ang pagkakaroon ng mga black hole.

Sa kabila ng nakamamanghang tagumpay ng pangkalahatang teorya ng relativity, mayroong discomfort sa siyentipikong komunidad dahil sa katotohanan na hindi ito maaaring reformulated bilang klasikal na limitasyon ng quantum theory dahil sa paglitaw ng mga hindi naaalis na mathematical divergence kapag isinasaalang-alang ang mga black hole at space-time. mga singularidad sa pangkalahatan. Ang ilang mga alternatibong teorya ay iminungkahi upang malutas ang problemang ito. Ang modernong pang-eksperimentong data ay nagpapahiwatig na ang anumang uri ng paglihis mula sa pangkalahatang relativity ay dapat na napakaliit, kung mayroon man.

Nagsimulang maghanap si Einstein ng teorya ng gravity na katugma sa prinsipyo ng invariance ng mga batas ng kalikasan na may kaugnayan sa anumang frame of reference. Ang resulta ng paghahanap na ito ay ang pangkalahatang teorya ng relativity, batay sa prinsipyo ng pagkakakilanlan ng gravitational at inertial mass.

Ang prinsipyo ng pagkakapantay-pantay ng gravitational at inertial mass

Sa klasikal na Newtonian mechanics, mayroong dalawang konsepto ng masa: ang una ay tumutukoy sa pangalawang batas ni Newton, at ang pangalawa sa batas ng unibersal na grabitasyon. Ang unang masa - inert (o inertial) - ay ang ratio hindi gravitational puwersang kumikilos sa isang katawan upang mapabilis ito. Ang pangalawang masa ay gravitational (o, kung minsan ay tinatawag itong, mabigat) - tinutukoy ang puwersa ng pagkahumaling ng isang katawan ng ibang mga katawan at ng sarili nitong puwersa ng pagkahumaling. Sa pangkalahatan, ang dalawang masa na ito ay sinusukat, tulad ng makikita mula sa paglalarawan, sa iba't ibang mga eksperimento, at samakatuwid ay hindi kailangang maging proporsyonal sa bawat isa. Ang kanilang mahigpit na proporsyonalidad ay nagpapahintulot sa amin na magsalita ng isang solong masa ng katawan sa parehong mga non-gravitational at gravitational na pakikipag-ugnayan. Sa pamamagitan ng isang angkop na pagpili ng mga yunit ang mga masa na ito ay maaaring gawing pantay sa bawat isa.

Ang prinsipyo ng paggalaw sa mga geodetic na linya

Kung ang gravitational mass ay eksaktong katumbas ng inertial mass, pagkatapos ay sa expression para sa acceleration ng isang katawan kung saan ang gravitational forces lamang ang kumikilos, ang parehong masa ay kanselahin. Samakatuwid, ang acceleration ng isang katawan, at dahil dito ang tilapon nito, ay hindi nakasalalay sa masa at panloob na istraktura ng katawan. Kung ang lahat ng mga katawan sa parehong punto sa espasyo ay tumatanggap ng parehong acceleration, kung gayon ang acceleration na ito ay maaaring maiugnay hindi sa mga katangian ng mga katawan, ngunit sa mga katangian ng espasyo mismo sa puntong ito.

Kaya, ang paglalarawan ng pakikipag-ugnayan ng gravitational sa pagitan ng mga katawan ay maaaring mabawasan sa isang paglalarawan ng espasyo-oras kung saan gumagalaw ang mga katawan. Ito ay natural na ipagpalagay, tulad ng ginawa ni Einstein, na ang mga katawan ay gumagalaw sa pamamagitan ng pagkawalang-kilos, iyon ay, sa paraang ang kanilang acceleration sa kanilang sariling frame of reference ay zero. Ang mga trajectory ng mga katawan ay magiging geodesic na mga linya, na ang teorya ay binuo ng mga mathematician noong ika-19 na siglo.

Kinumpirma ng mga modernong eksperimento ang paggalaw ng mga katawan sa mga geodetic na linya na may parehong katumpakan gaya ng pagkakapantay-pantay ng gravitational at inertial na masa.

Curvature ng spacetime

Kung maglulunsad ka ng dalawang katawan na kahanay sa isa't isa mula sa dalawang malapit na punto, pagkatapos ay sa gravitational field ay unti-unti silang magsisimulang lumapit o lumayo sa isa't isa. Ang epektong ito ay tinatawag na geodetic line deviation. Ang isang katulad na epekto ay maaaring direktang maobserbahan kung ang dalawang bola ay inilunsad parallel sa isa't isa kasama ang isang goma na lamad kung saan ang isang napakalaking bagay ay inilalagay sa gitna. Magkakalat ang mga bola: ang isa na mas malapit sa bagay na tumutulak sa lamad ay magiging mas malakas sa gitna kaysa sa mas malayong bola. Ang pagkakaibang ito (paglihis) ay dahil sa kurbada ng lamad.

Pangunahing kahihinatnan ng pangkalahatang kapamanggitan

Ayon sa prinsipyo ng pagsusulatan, sa mahinang mga patlang ng gravitational, ang mga hula ng pangkalahatang relativity ay nag-tutugma sa mga resulta ng paglalapat ng batas ng unibersal na grabitasyon ni Newton na may maliliit na pagwawasto na tumataas habang tumataas ang lakas ng field.

Ang unang hinulaang at napatunayang eksperimento na mga kahihinatnan ng pangkalahatang relativity ay ang tatlong klasikal na epekto na nakalista sa ibaba sa magkakasunod-sunod kanilang unang tseke:

1. Karagdagang pagbabago sa perihelion ng orbit ng Mercury kumpara sa mga hula ng Newtonian mechanics.
2. Pagpalihis ng isang light beam sa gravitational field ng Araw.
3. Gravitational redshift, o time dilation sa isang gravitational field.

SRT, TOE - itinago ng mga pagdadaglat na ito ang pamilyar na terminong "teorya ng relativity", na pamilyar sa halos lahat. Sa simpleng wika, lahat ay maipaliwanag, maging ang pahayag ng isang henyo, kaya huwag mawalan ng pag-asa kung hindi mo naaalala ang iyong kurso sa pisika sa paaralan, dahil sa katunayan, ang lahat ay mas simple kaysa sa tila.

Ang pinagmulan ng teorya

Kaya, simulan natin ang kursong "The Theory of Relativity for Dummies". Inilathala ni Albert Einstein ang kanyang trabaho noong 1905, at nagdulot ito ng kaguluhan sa mga siyentipiko. Ang teoryang ito ay halos ganap na sumaklaw sa marami sa mga gaps at hindi pagkakapare-pareho sa pisika ng huling siglo, ngunit, sa ibabaw ng lahat ng iba pa, binago nito ang ideya ng espasyo at oras. Marami sa mga pahayag ni Einstein ay mahirap paniwalaan ng kanyang mga kontemporaryo, ngunit ang mga eksperimento at pananaliksik ay nagpapatunay lamang sa mga salita ng mahusay na siyentipiko.

Ang teorya ng relativity ni Einstein ay ipinaliwanag sa mga simpleng salita kung ano ang pinaghirapan ng mga tao sa loob ng maraming siglo. Maaari itong tawaging batayan ng lahat ng modernong pisika. Gayunpaman, bago ipagpatuloy ang pag-uusap tungkol sa teorya ng relativity, dapat linawin ang isyu ng mga termino. Siguradong marami, nagbabasa tanyag na mga artikulo sa agham, ay nakatagpo ng dalawang pagdadaglat: STO at OTO. Sa katunayan, ang mga ito ay nagpapahiwatig ng bahagyang magkakaibang mga konsepto. Ang una ay ang espesyal na teorya ng relativity, at ang pangalawa ay nangangahulugang "pangkalahatang relativity."

Isang bagay na kumplikado

Ang STR ay isang mas lumang teorya, na kalaunan ay naging bahagi ng GTR. Maaari lamang itong isaalang-alang ang mga pisikal na proseso para sa mga bagay na gumagalaw na may pare-parehong bilis. Maaaring ilarawan ng pangkalahatang teorya kung ano ang nangyayari sa mga bagay na nagpapabilis, at ipaliwanag din kung bakit umiiral ang mga particle ng graviton at gravity.

Kung kailangan mong ilarawan ang paggalaw at gayundin ang relasyon ng espasyo at oras kapag papalapit sa bilis ng liwanag, magagawa ito ng espesyal na teorya ng relativity. Sa simpleng salita maaari itong ipaliwanag bilang mga sumusunod: halimbawa, ang mga kaibigan mula sa hinaharap ay nagbigay sa iyo ng isang sasakyang pangkalawakan na maaaring lumipad nang napakabilis. Sa ilong ng sasakyang pangalangaang mayroong isang kanyon na may kakayahang mag-shoot ng mga photon sa lahat ng bagay na nasa harapan.

Kapag ang isang shot ay nagpaputok, na nauugnay sa barko ang mga particle na ito ay lumilipad sa bilis ng liwanag, ngunit, lohikal, ang isang nakatigil na tagamasid ay dapat makita ang kabuuan ng dalawang bilis (ang mga photon mismo at ang barko). Pero walang ganun. Makikita ng nagmamasid ang mga photon na gumagalaw sa bilis na 300,000 m/s, na parang zero ang bilis ng barko.

Ang bagay ay kahit gaano kabilis ang paggalaw ng isang bagay, ang bilis ng liwanag para dito ay isang pare-parehong halaga.

Ang pahayag na ito ay batayan ng mga kamangha-manghang lohikal na konklusyon tulad ng pagbagal at pagbaluktot ng oras, depende sa masa at bilis ng bagay. Ang mga plot ng maraming science fiction na pelikula at serye sa TV ay batay dito.

Pangkalahatang teorya ng relativity

Sa simpleng wika ay maaaring ipaliwanag ng isa ang mas malaking pangkalahatang relativity. Upang magsimula, dapat nating isaalang-alang ang katotohanan na ang ating espasyo ay apat na dimensyon. Ang oras at espasyo ay nagkakaisa sa isang "paksa" bilang "space-time continuum". Sa aming espasyo mayroong apat na coordinate axes: x, y, z at t.

Ngunit hindi direktang maiintindihan ng mga tao ang apat na dimensyon, tulad ng hypothetical flat na tao nabubuhay sa isang dalawang-dimensional na mundo, hindi makatingala. Sa katunayan, ang ating mundo ay isang projection lamang ng four-dimensional na espasyo sa three-dimensional na espasyo.

Ang isang kagiliw-giliw na katotohanan ay na, ayon sa pangkalahatang teorya ng relativity, ang mga katawan ay hindi nagbabago kapag sila ay gumagalaw. Ang mga bagay ng four-dimensional na mundo ay sa katunayan ay palaging hindi nagbabago, at kapag sila ay gumagalaw, ang kanilang mga projection lamang ang nagbabago, na nakikita natin bilang isang pagbaluktot ng oras, isang pagbawas o pagtaas sa laki, at iba pa.

Eksperimento sa elevator

Ang teorya ng relativity ay maaaring ipaliwanag sa mga simpleng termino gamit ang isang maliit na eksperimento sa pag-iisip. Isipin na nasa elevator ka. Nagsimulang gumalaw ang cabin, at natagpuan mo ang iyong sarili sa isang estado ng kawalan ng timbang. Anong nangyari? Maaaring may dalawang dahilan: alinman sa elevator ay nasa kalawakan, o ito ay nasa free fall sa ilalim ng impluwensya ng gravity ng planeta. Ang pinaka-kagiliw-giliw na bagay ay imposibleng malaman ang sanhi ng kawalan ng timbang kung hindi posible na tumingin sa labas ng kotse ng elevator, iyon ay, pareho ang hitsura ng parehong mga proseso.

Marahil, pagkatapos magsagawa ng isang katulad na eksperimento sa pag-iisip, dumating si Albert Einstein sa konklusyon na kung ang dalawang sitwasyong ito ay hindi makikilala sa isa't isa, kung gayon sa katunayan ang katawan sa ilalim ng impluwensya ng grabidad ay hindi pinabilis, ito ay isang pare-parehong paggalaw na nakabaluktot sa ilalim ng impluwensya ng isang napakalaking katawan (sa sa kasong ito mga planeta). Kaya, ang pinabilis na paggalaw ay isang projection lamang ng pare-parehong paggalaw sa tatlong-dimensional na espasyo.

Isang magandang halimbawa

Isa pa magandang halimbawa sa paksang "The Theory of Relativity for Dummies." Ito ay hindi ganap na tama, ngunit ito ay napaka-simple at malinaw. Kung maglalagay ka ng anumang bagay sa isang nakaunat na tela, ito ay bumubuo ng isang "pagpalihis" o isang "funnel" sa ilalim nito. Ang lahat ng mas maliliit na katawan ay mapipilitang i-distort ang kanilang trajectory ayon sa bagong liko ng espasyo, at kung ang katawan ay may kaunting enerhiya, maaaring hindi nito madaig ang funnel na ito. Gayunpaman, mula sa punto ng view ng gumagalaw na bagay mismo, ang trajectory ay nananatiling tuwid; hindi nila maramdaman ang baluktot ng espasyo.

"binaba" ang gravity

Sa pagdating ng pangkalahatang teorya ng relativity, ang gravity ay tumigil na maging isang puwersa at ngayon ay kontento na bilang isang simpleng bunga ng kurbada ng oras at espasyo. Ang pangkalahatang relativity ay maaaring mukhang hindi kapani-paniwala, ngunit ito ay isang gumaganang bersyon at kinumpirma ng mga eksperimento.

Ang teorya ng relativity ay maaaring ipaliwanag ang maraming tila hindi kapani-paniwalang mga bagay sa ating mundo. Sa madaling salita, ang mga ganitong bagay ay tinatawag na mga kahihinatnan ng pangkalahatang kapamanggitan. Halimbawa, ang mga sinag ng liwanag na lumilipad malapit sa malalaking katawan ay nakayuko. Bukod dito, maraming mga bagay mula sa malalim na kalawakan ang nakatago sa likod ng bawat isa, ngunit dahil sa ang katunayan na ang mga sinag ng liwanag ay yumuko sa iba pang mga katawan, ang mga tila hindi nakikitang mga bagay ay naa-access sa ating mga mata (mas tiyak, sa mga mata ng isang teleskopyo). Parang tumitingin sa dingding.

Kung mas malaki ang gravity, mas mabagal ang daloy ng oras sa ibabaw ng isang bagay. Hindi lang ito nalalapat sa malalaking katawan tulad ng mga neutron star o black hole. Ang epekto ng time dilation ay makikita kahit sa Earth. Halimbawa, ang mga satellite navigation device ay nilagyan ng napakatumpak na mga atomic na orasan. Nasa orbit sila ng ating planeta, at mas mabilis ang oras doon. Daan-daang segundo sa isang araw ay magdadagdag ng isang figure na magbibigay ng hanggang 10 km ng error sa mga kalkulasyon ng ruta sa Earth. Ito ay ang teorya ng relativity na nagpapahintulot sa amin na kalkulahin ang error na ito.

Sa simpleng mga salita, maaari nating ilagay ito sa ganitong paraan: ang pangkalahatang relativity ay sumasailalim sa maraming modernong teknolohiya, at salamat sa Einstein, madali tayong makahanap ng pizzeria at library sa isang hindi pamilyar na lugar.

Dapat baguhin sa bilis ng mga katawan na malapit sa bilis ng liwanag. Bilang karagdagan, ang expression para sa momentum at kinetic energy ng katawan ay may mas kumplikadong pag-asa sa bilis kaysa sa nonrelativistic na kaso.

Ang espesyal na teorya ng relativity ay nakatanggap ng maraming pang-eksperimentong kumpirmasyon at isang tamang teorya sa larangan ng paglalapat nito (tingnan ang Eksperimental na pundasyon ng SRT). Ayon sa angkop na pahayag ni L. Page, "sa ating panahon ng kuryente, ang umiikot na armature ng bawat generator at bawat de-koryenteng motor ay walang kapagurang nagpapahayag ng bisa ng teorya ng relativity - kailangan mo lang na makinig."

Ang pangunahing katangian ng espesyal na teorya ng relativity para sa mga pisikal na teorya na binuo sa batayan nito ay humantong na ngayon sa katotohanan na ang terminong "espesyal na teorya ng relativity" mismo ay halos hindi ginagamit sa mga modernong artikulong pang-agham; karaniwan lamang nilang pinag-uusapan ang relativistic invariance ng isang hiwalay na teorya.

Mga pangunahing konsepto at postulate ng SRT

Ang espesyal na teorya ng relativity, tulad ng iba pang pisikal na teorya, ay maaaring buuin batay sa mga pangunahing konsepto at postulates (axioms) kasama ang mga tuntunin ng pagsusulatan sa mga pisikal na bagay nito.

Pangunahing Konsepto

Pag-synchronize ng oras

Ang STR ay nagpopostulate ng posibilidad ng pagtukoy ng pinag-isang oras sa loob ng isang ibinigay na inertial reference system. Upang gawin ito, ang isang pamamaraan ay ipinakilala upang i-synchronize ang dalawang orasan na matatagpuan sa magkaibang mga punto sa ISO. Hayaang magpadala ng signal (hindi kinakailangang magaan) mula sa unang orasan sa isang sandali hanggang sa pangalawang orasan sa patuloy na bilis. Kaagad sa pag-abot sa pangalawang orasan (ayon sa mga pagbabasa nito sa oras) ang signal ay ibabalik sa parehong pare-pareho ang bilis at umabot sa unang orasan sa oras. Ang mga orasan ay itinuturing na naka-synchronize kung ang kaugnayan ay nasiyahan.

Ipinapalagay na ang ganitong pamamaraan sa isang ibinigay na inertial reference frame ay maaaring isagawa para sa anumang mga orasan na hindi gumagalaw na may kaugnayan sa isa't isa, kaya ang transitivity property ay wasto: kung ang mga orasan A naka-synchronize sa relo B, at ang orasan B naka-synchronize sa relo C, pagkatapos ay ang orasan A At C pagsabayin din.

Koordinasyon ng mga yunit ng pagsukat

Upang gawin ito, kinakailangang isaalang-alang ang tatlong inertial system na S1, S2 at S3. Hayaang ang bilis ng system S2 na may kaugnayan sa system S1 ay katumbas ng , ang bilis ng system S3 na may kaugnayan sa S2 ay katumbas ng , at may kaugnayan sa S1, ayon sa pagkakabanggit, . Sa pamamagitan ng pagsulat ng pagkakasunud-sunod ng mga pagbabagong-anyo (S2, S1), (S3, S2) at (S3, S1), maaari nating makuha ang sumusunod na pagkakapantay-pantay:

Patunay

Ang mga pagbabagong-anyo (S2, S1) (S3, S2) ay may anyo:

saan, atbp. Ang pagpapalit mula sa unang sistema hanggang sa pangalawa ay nagbibigay ng:

Ang pangalawang pagkakapantay-pantay ay isang talaan ng mga pagbabago sa pagitan ng mga system S3 at S1. Kung itumbas natin ang mga coefficient sa unang equation ng system at sa pangalawa, kung gayon:

Sa pamamagitan ng paghahati ng isang equation sa isa pa, madaling makuha ang nais na relasyon.

Dahil ang mga relatibong bilis ng mga sistema ng sanggunian ay arbitrary at independiyenteng mga dami, ang pagkakapantay-pantay na ito ay masisiyahan lamang sa kaso kapag ang ratio ay katumbas ng ilang pare-pareho , karaniwan para sa lahat ng inertial reference system, at, samakatuwid, .

Ang pagkakaroon ng isang kabaligtaran na pagbabago sa pagitan ng mga ISO, na naiiba sa direktang isa lamang sa pamamagitan ng pagbabago ng tanda ng kamag-anak na bilis, ay nagbibigay-daan sa amin upang mahanap ang function .

Patunay

Postulate ng constancy ng bilis ng liwanag

Sa kasaysayan, isang mahalagang papel sa pagtatayo ng SRT ang ginampanan ng pangalawang postulate ni Einstein, na nagsasaad na ang bilis ng liwanag ay hindi nakadepende sa bilis ng pinagmulan at pareho sa lahat ng inertial reference system. Ito ay sa tulong ng postulate na ito at ang prinsipyo ng relativity na nakuha ni Albert Einstein noong 1905 ang pagbabagong Lorentz na may pangunahing pare-pareho na nangangahulugang bilis ng liwanag. Mula sa punto ng view ng axiomatic construction ng STR na inilarawan sa itaas, ang pangalawang postulate ni Einstein ay lumabas na isang theorem ng teorya at direktang sumusunod mula sa mga pagbabagong Lorentz (tingnan ang relativistic na pagdaragdag ng mga bilis). Gayunpaman, dahil sa kahalagahan nito sa kasaysayan, ang derivation na ito ng mga pagbabagong Lorentz ay malawakang ginagamit sa panitikang pang-edukasyon.

Dapat tandaan na ang mga light signal, sa pangkalahatan, ay hindi kinakailangan kapag nagbibigay-katwiran sa SRT. Bagama't ang hindi pagkakaiba-iba ng mga equation ni Maxwell na may kinalaman sa mga pagbabagong-anyo ng Galilea ay humantong sa pagtatayo ng STR, ang huli ay mas pangkalahatan sa kalikasan at naaangkop sa lahat ng uri ng pakikipag-ugnayan at pisikal na proseso. Ang pangunahing pare-pareho na lumilitaw sa mga pagbabagong Lorentz ay may kahulugan ng pinakamataas na bilis ng paggalaw ng mga materyal na katawan. Sa bilang, ito ay tumutugma sa bilis ng liwanag, ngunit ang katotohanang ito ay nauugnay sa kawalan ng masa ng mga electromagnetic field. Kahit na ang photon ay may non-zero mass, ang Lorentz transformations ay hindi magbabago. Samakatuwid, makatuwiran na makilala sa pagitan ng pangunahing bilis at bilis ng liwanag. Ang unang pare-pareho ay sumasalamin Pangkalahatang pag-aari espasyo at oras, habang ang pangalawa ay nauugnay sa mga katangian ng isang partikular na pakikipag-ugnayan. Upang sukatin ang pangunahing bilis, hindi na kailangang magsagawa ng mga eksperimento sa electrodynamic. Sapat na, gamit, halimbawa, ang relativistic na panuntunan ng pagdaragdag ng mga tulin batay sa mga halaga ng bilis ng ilang bagay na may kaugnayan sa dalawang ISO, upang makuha ang halaga ng pangunahing tulin.

Consistency ng Theory of Relativity

Ang teorya ng relativity ay isang lohikal na pare-parehong teorya. Nangangahulugan ito na mula sa mga paunang probisyon nito ay imposibleng lohikal na mahihinuha ang isang tiyak na pahayag kasabay ng pagtanggi nito. Samakatuwid, maraming mga tinatawag na paradoxes (tulad ng twin paradox) ay maliwanag. Ang mga ito ay lumitaw bilang isang resulta ng hindi tamang aplikasyon ng teorya sa ilang mga problema, at hindi dahil sa lohikal na hindi pagkakapare-pareho ng STR.

Ang bisa ng teorya ng relativity, tulad ng iba pang pisikal na teorya, ay sa huli ay nasubok sa empiriko. Bilang karagdagan, ang lohikal na pagkakapare-pareho ng STR ay maaaring mapatunayan sa axiomatically. Halimbawa, sa loob ng diskarte ng grupo ay ipinapakita na ang mga pagbabagong Lorentz ay maaaring makuha batay sa isang subset ng mga axiom ng klasikal na mekanika. Ang katotohanang ito ay binabawasan ang patunay ng pagkakapare-pareho ng SRT sa patunay ng pagkakapare-pareho ng mga klasikal na mekanika. Sa katunayan, kung ang mga kahihinatnan mula sa isang mas malawak na sistema ng mga axiom ay pare-pareho, kung gayon sila ay magiging mas pare-pareho kapag gumagamit lamang ng bahagi ng mga axiom. Mula sa isang lohikal na pananaw, ang mga kontradiksyon ay maaaring lumitaw kapag ang isang bagong axiom ay idinagdag sa mga umiiral na axiom na hindi sumasang-ayon sa mga orihinal. Sa axiomatic construction ng STR na inilarawan sa itaas, hindi ito nangyayari, samakatuwid ang SRT ay isang pare-parehong teorya.

Geometric na diskarte

Ang iba pang mga diskarte sa pagbuo ng isang espesyal na teorya ng relativity ay posible. Kasunod ng naunang gawain ni Minkowski at Poincaré, maaaring i-postulate ng isa ang pagkakaroon ng isang solong sukatan na apat na dimensyon na spacetime na may 4 na coordinate. Sa pinakasimpleng kaso ng flat space, ang sukatan na tumutukoy sa distansya sa pagitan ng dalawang walang katapusang malapit na mga punto ay maaaring Euclidean o pseudo-Euclidean (tingnan sa ibaba). Ang huling kaso ay tumutugma sa espesyal na teorya ng relativity. Sa kasong ito, ang mga pagbabagong-anyo ng Lorentz ay mga pag-ikot sa isang puwang na hindi nagbabago ang distansya sa pagitan ng dalawang punto.

Ang isa pang diskarte ay posible, kung saan ang geometric na istraktura ng puwang ng bilis ay nai-postulate. Ang bawat punto ng naturang espasyo ay tumutugma sa ilang inertial reference system, at ang distansya sa pagitan ng dalawang puntos ay tumutugma sa relatibong velocity module sa pagitan ng mga ISO. Sa bisa ng prinsipyo ng relativity, ang lahat ng mga punto ng naturang espasyo ay dapat na pantay, at, samakatuwid, ang velocity space ay homogenous at isotropic. Kung ang mga katangian nito ay ibinibigay ng Riemannian geometry, kung gayon mayroong tatlo at tatlong posibilidad lamang: flat space, space ng pare-pareho ang positibo at negatibong curvature. Ang unang kaso ay tumutugma sa klasikal na tuntunin ng pagdaragdag ng mga bilis. Ang espasyo ng pare-parehong negatibong kurbada (Lobachevsky space) ay tumutugma sa relativistic na panuntunan para sa pagdaragdag ng mga bilis at ang espesyal na teorya ng relativity.

Iba't ibang mga notasyon para sa pagbabagong-anyo ng Lorentz

Hayaang ang mga coordinate axes ng dalawang inertial reference system na S at S" ay parallel sa isa't isa, (t, x,y, z) - ang oras at mga coordinate ng ilang kaganapang naobserbahang nauugnay sa system S, at (t",x" ,y",z") - oras at mga coordinate pareho mga kaganapang nauugnay sa system S". Kung ang system S" ay gumagalaw nang pare-pareho at rectilinearly na may bilis na v kaugnay sa S, ang mga pagbabagong Lorentz ay wasto:

nasaan ang bilis ng liwanag. Sa bilis na mas mababa kaysa sa bilis ng liwanag (), ang mga pagbabagong-anyo ng Lorentz ay nagiging mga pagbabagong-anyong Galilean:

Ang nasabing pagpasa sa limitasyon ay isang pagmuni-muni ng prinsipyo ng pagsusulatan, ayon sa kung saan ang isang mas pangkalahatang teorya (STR) ay may bilang limitasyon nito sa isang hindi gaanong pangkalahatang teorya (sa kasong ito, klasikal na mekanika).

Ang mga pagbabagong Lorentz ay maaaring isulat sa anyo ng vector, kapag ang bilis ng mga reference frame ay nakadirekta sa isang arbitrary na direksyon (hindi kinakailangan sa kahabaan ng axis):

nasaan ang Lorentz factor, at ang mga radius vectors ng kaganapan na may kaugnayan sa mga system S at S".

Mga kahihinatnan ng mga pagbabagong-anyo ni Lorentz

Pagdaragdag ng bilis

Ang isang agarang resulta ng mga pagbabagong-anyo ng Lorentz ay ang relativistic na panuntunan para sa pagdaragdag ng mga bilis. Kung ang ilang bagay ay may mga bahagi ng bilis na nauugnay sa system S at - kamag-anak sa S", kung gayon sa pagitan ng mga ito ay mayroong susunod na koneksyon:

Sa mga ugnayang ito, ang relatibong bilis ng paggalaw ng mga reference frame na v ay nakadirekta sa x axis. Ang relativistic na pagdaragdag ng mga tulin, tulad ng pagbabagong Lorentz, sa mababang tulin () ay nagiging klasikal na batas ng pagdaragdag ng mga tulin.

Kung ang isang bagay ay gumagalaw sa bilis ng liwanag kasama ang x axis na may kaugnayan sa system S, magkakaroon ito ng parehong bilis na may kaugnayan sa S": Nangangahulugan ito na ang bilis ay invariant (pareho) sa lahat ng ISO.

Pagluwang ng oras

Kung ang orasan ay nakatigil sa system, pagkatapos ay para sa dalawang magkasunod na kaganapan . Ang ganitong mga orasan ay gumagalaw nang may kaugnayan sa system ayon sa batas, kaya ang mga agwat ng oras ay nauugnay sa mga sumusunod:

Mahalagang maunawaan na sa formula na ito ang agwat ng oras ay sinusukat mag-isa gumagalaw na orasan. Inihahambing ito sa mga pagbasa ilang magkaiba, sabay-sabay na tumatakbong mga orasan na matatagpuan sa system, lampas kung saan gumagalaw ang orasan. Bilang resulta ng paghahambing na ito, lumalabas na ang mga gumagalaw na orasan ay mas mabagal kaysa sa mga nakatigil na orasan. Kaugnay ng epektong ito ay ang tinatawag na twin paradox.

Kung ang isang orasan ay gumagalaw sa isang variable na bilis na nauugnay sa isang inertial reference frame, kung gayon ang oras na sinusukat ng orasan na ito (ang tinatawag na tamang oras) ay hindi nakadepende sa acceleration, at maaaring kalkulahin gamit ang sumusunod na formula:

kung saan, gamit ang integration, ang mga agwat ng oras sa mga lokal na inertial reference system (ang tinatawag na instantly accompanying ISO) ay nabubuod.

Ang relativity ng simultaneity

Kung ang dalawang spatially separated na kaganapan (halimbawa, mga pagkislap ng liwanag) ay nangyari nang sabay-sabay sa isang gumagalaw na reference frame, kung gayon ang mga ito ay hindi magkasabay na nauugnay sa "nakatigil" na frame. Kapag mula sa Lorentz transformations ito ay sumusunod

Kung , kung gayon at . Nangangahulugan ito na, mula sa punto ng view ng isang nakatigil na tagamasid, ang kaliwang kaganapan ay nangyayari bago ang kanan. Ang relativity ng simultaneity ay humahantong sa imposibilidad ng pag-synchronize ng mga orasan sa iba't ibang inertial reference frame sa buong espasyo.

Mula sa punto ng view ng system S

Mula sa punto ng view ng S system"

Hayaang magkaroon ng mga orasan sa dalawang reference system sa kahabaan ng x axis, na naka-synchronize sa bawat system, at sa sandaling ang "gitnang" na mga orasan ay nag-tutugma (sa figure sa ibaba), ang mga ito ay nagpapakita ng parehong oras.

Ang kaliwang pigura ay nagpapakita kung ano ang hitsura ng sitwasyong ito mula sa punto ng view ng isang tagamasid sa frame S. Ang orasan sa gumagalaw na frame ay nagpapakita magkaibang panahon. Ang mga orasan na matatagpuan sa direksyon ng paglalakbay ay nasa likod, at ang mga matatagpuan laban sa direksyon ng paggalaw ay nasa unahan ng "gitnang" orasan. Ang sitwasyon ay katulad para sa mga nagmamasid sa S" (kanang pigura).

Pagbawas ng mga linear na sukat

Kung ang haba (hugis) ng isang gumagalaw na bagay ay natutukoy sa pamamagitan ng sabay na pag-aayos ng mga coordinate ng ibabaw nito, pagkatapos ay mula sa mga pagbabagong-anyo ng Lorentz ay sumusunod na ang mga linear na sukat ng naturang katawan na may kaugnayan sa "nakatigil" na sistema ng sanggunian ay nabawasan:

,

kung saan ang haba sa direksyon ng paggalaw na nauugnay sa nakatigil na reference frame, at ang haba sa gumagalaw na reference frame na nauugnay sa katawan (ang tinatawag na tamang haba ng katawan). Kasabay nito, ang mga paayon na sukat ng katawan (iyon ay, sinusukat kasama ang direksyon ng paggalaw) ay nabawasan. Ang mga transverse na sukat ay hindi nagbabago.

Ang pagbabawas ng laki na ito ay tinatawag ding Lorentz contraction. Kapag nakikita ang mga gumagalaw na katawan, bilang karagdagan sa pag-urong ng Lorentz, kinakailangang isaalang-alang ang oras ng pagpapalaganap ng liwanag na signal mula sa ibabaw ng katawan. Bilang resulta, lumilitaw ang isang mabilis na gumagalaw na katawan na umiikot, ngunit hindi naka-compress sa direksyon ng paggalaw.

Epekto ng Doppler

Hayaan ang isang pinagmulan na gumagalaw nang may bilis na v naglalabas ng panaka-nakang signal na may dalas. Ang dalas na ito ay sinusukat ng isang tagamasid na nauugnay sa pinagmulan (ang tinatawag na natural na dalas). Kung ang parehong signal ay naitala ng isang "nakatigil" na tagamasid, kung gayon ang dalas nito ay mag-iiba mula sa natural na dalas nito:

kung saan ang anggulo sa pagitan ng direksyon sa pinagmulan at ang bilis nito.

May mga longitudinal at transverse Doppler effect. Sa unang kaso, iyon ay, ang source at receiver ay nasa parehong tuwid na linya. Kung ang pinagmulan ay lumayo mula sa tatanggap, ang dalas nito ay bumababa (pulang paglilipat), at kung papalapit ito, ang dalas nito ay tumataas (asul na paglilipat):

Ang transverse effect ay nangyayari kapag , iyon ay, ang direksyon patungo sa source ay patayo sa bilis nito (halimbawa, ang source ay "lumilipad" sa receiver). Sa kasong ito, ang epekto ng paglawak ng oras ay direktang ipinakita:

Walang analogue ng transverse effect sa classical physics, at ito ay isang purong relativistic effect. Sa kaibahan, ang longitudinal Doppler effect ay dahil sa parehong klasikal na bahagi at ang relativistic time dilation effect.

Pagkaligaw

nananatiling wasto din sa teorya ng relativity. Gayunpaman, ang time derivative ay kinuha mula sa relativistic impulse, at hindi mula sa classical. Ito ay humahantong sa katotohanan na ang relasyon sa pagitan ng puwersa at acceleration ay naiiba nang malaki mula sa klasiko:

Ang unang termino ay naglalaman ng "relativistic mass", katumbas ng ratio ng puwersa sa acceleration kung ang puwersa ay kumikilos patayo sa bilis. SA maagang mga gawa ayon sa teorya ng relativity ay tinawag itong "transverse mass". Ito ay tiyak na "paglago" nito na sinusunod sa mga eksperimento sa pagpapalihis ng elektron magnetic field. Ang pangalawang termino ay naglalaman ng "paayon na masa", katumbas ng ratio ng puwersa sa acceleration kung ang puwersa ay kumikilos parallel sa bilis:

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang mga konseptong ito ay luma na at nauugnay sa isang pagtatangka upang mapanatili ang klasikal na equation ng paggalaw ni Newton.

Ang rate ng pagbabago ng enerhiya ay katumbas ng scalar product ng puwersa at ang bilis ng katawan:

Ito ay humahantong sa katotohanan na, tulad ng sa mga klasikal na mekanika, ang bahagi ng puwersa na patayo sa bilis ng particle ay hindi nagbabago ng enerhiya nito (halimbawa, ang magnetic component sa Lorentz force).

Mga conversion ng enerhiya at momentum

Katulad ng mga pagbabagong Lorentz para sa oras at mga coordinate, relativistic na enerhiya at momentum, na sinusukat na may kaugnayan sa iba't ibang inertial reference system, ay nauugnay din sa ilang mga relasyon:

kung saan ang mga bahagi ng momentum vector ay katumbas ng . Ang kamag-anak na bilis at oryentasyon ng mga inertial reference system S, S" ay tinutukoy sa parehong paraan tulad ng sa mga pagbabagong Lorentz.

Covariant formulation

Four-dimensional na espasyo-oras

Ang mga pagbabagong Lorentz ay iniiwan ang sumusunod na dami na hindi nagbabago (hindi nagbabago), na tinatawag na agwat:

kung saan ang , atbp. ay ang mga pagkakaiba sa mga oras at coordinate ng dalawang kaganapan. Kung , pagkatapos ay sinasabi nila na ang mga kaganapan ay pinaghihiwalay ng isang tulad ng oras na pagitan; kung , pagkatapos ay spacelike. Sa wakas, kung , kung gayon ang ganitong mga pagitan ay tinatawag na parang liwanag. Ang agwat na parang liwanag ay tumutugma sa mga kaganapang nauugnay sa isang senyas na naglalakbay sa bilis ng liwanag. Ang invariance ng isang interval ay nangangahulugan na mayroon ito parehong halaga may kaugnayan sa dalawang inertial reference system:

Sa anyo nito, ang isang pagitan ay kahawig ng isang distansya sa Euclidean space. Gayunpaman, mayroon siya magkaibang tanda ang spatial at temporal na mga bahagi ng isang kaganapan, samakatuwid ang pagitan ay sinasabing tumutukoy sa distansya sa pseudo-Euclidean na apat na dimensyon na espasyo-oras. Tinatawag din itong Minkowski spacetime. Ang mga pagbabagong Lorentz ay gumaganap ng papel ng mga pag-ikot sa naturang espasyo. Ang mga pag-ikot ng batayan sa four-dimensional space-time, paghahalo ng oras at spatial na coordinate ng 4-vectors, ay mukhang isang paglipat sa isang gumagalaw na reference frame at katulad ng mga pag-ikot sa ordinaryong three-dimensional na espasyo. Sa kasong ito, natural na nagbabago ang mga projection ng four-dimensional na pagitan sa pagitan ng ilang partikular na kaganapan sa oras at spatial axes ng reference system, na nagbibigay ng relativistic na epekto ng mga pagbabago sa oras at spatial interval. Ito ay ang invariant na istraktura ng puwang na ito, na tinukoy ng mga postulate ng STR, na hindi nagbabago kapag lumilipat mula sa isang inertial reference system patungo sa isa pa. Gamit lamang ang dalawang spatial na coordinate (x, y), ang apat na dimensyon na espasyo ay maaaring katawanin sa mga coordinate (t, x, y). Ang mga kaganapang nauugnay sa pinanggalingang kaganapan (t=0, x=y=0) sa pamamagitan ng isang light signal (tulad ng liwanag na pagitan) ay nasa tinatawag na light cone (tingnan ang figure sa kanan).

Sukatan tensor

Ang distansya sa pagitan ng dalawang walang katapusang malapit na kaganapan ay maaaring isulat gamit ang metric tensor sa tensor form:

kung saan ang , at ang paulit-ulit na mga indeks ay nagpapahiwatig ng pagsusuma mula 0 hanggang 3. Sa mga inertial reference system na may mga Cartesian coordinates, ang metric tensor ay may sumusunod na anyo:

Sa madaling sabi, ang dayagonal matrix na ito ay tinukoy bilang mga sumusunod: .

Ang pagpili ng isang non-Cartesian coordinate system (halimbawa, paglipat sa spherical coordinates) o pagsasaalang-alang ng mga non-inertial reference system ay humahantong sa isang pagbabago sa mga halaga ng mga bahagi ng metric tensor, ngunit ang lagda nito ay nananatiling hindi nagbabago. Sa loob ng balangkas ng espesyal na relativity, palaging mayroong pandaigdigang pagbabago ng mga coordinate at oras na ginagawang dayagonal ang metric tensor na may mga bahagi. Ang pisikal na sitwasyong ito ay tumutugma sa paglipat sa isang inertial reference system na may mga coordinate ng Cartesian. Sa madaling salita, ang four-dimensional space-time ng espesyal na relativity ay flat (pseudo-Euclidean). Sa kaibahan, ang pangkalahatang teorya ng relativity (GTR) ay isinasaalang-alang ang mga curved space kung saan ang metric tensor ay hindi maaaring dalhin sa isang pseudo-Euclidean form sa buong espasyo sa pamamagitan ng anumang coordinate transformation, ngunit ang lagda ng tensor ay nananatiling pareho.

4-vector

Ang mga relasyon sa SRT ay maaaring isulat sa anyong tensor sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang vector na may apat na bahagi (ang numero o index sa tuktok ng isang bahagi ay ang numero nito, hindi ang antas nito!). Ang zero na bahagi ng isang 4-vector ay tinatawag na temporal, at ang mga bahagi na may mga indeks na 1,2,3 ay tinatawag na spatial. Ang mga ito ay tumutugma sa mga bahagi ng isang ordinaryong three-dimensional na vector, kaya ang isang 4-vector ay tinutukoy din bilang mga sumusunod: .

Ang mga bahagi ng isang 4-vector, na sinusukat na may kaugnayan sa dalawang inertial frame na gumagalaw na may kamag-anak na bilis , ay nauugnay sa isa't isa tulad ng sumusunod:

Ang mga halimbawa ng 4-vector ay: isang punto sa pseudo-Euclidean space-time na nagpapakilala sa isang kaganapan, at energy-momentum:

.

Gamit ang metric tensor, maaari mong ipakilala ang tinatawag na covectors, na tinutukoy ng parehong titik, ngunit may subscript:

Para sa isang diagonal metric tensor na may signature , ang isang covector ay naiiba sa isang 4-vector sa pamamagitan ng sign sa harap ng mga spatial na bahagi. Kaya, kung , pagkatapos . Ang convolution ng vector at covector ay invariant at may parehong kahulugan sa lahat ng inertial frames of reference:

Halimbawa, ang convolution (square - 4-vector) ng energy-momentum ay proporsyonal sa square ng particle mass:

.

Mga eksperimentong pundasyon ng SRT

Ang espesyal na teorya ng relativity ay sumasailalim sa lahat ng modernong pisika. Samakatuwid, walang hiwalay na eksperimento na "nagpapatunay" sa STR. Ang buong katawan ng pang-eksperimentong data sa high-energy physics, nuclear physics, spectroscopy, astrophysics, electrodynamics at iba pang larangan ng physics ay pare-pareho sa teorya ng relativity sa loob ng mga limitasyon ng eksperimentong katumpakan. Halimbawa, sa quantum electrodynamics (isang kumbinasyon ng espesyal na relativity, quantum theory at Maxwell's equation), ang halaga ng maanomalyang magnetic moment ng isang electron ay tumutugma sa theoretical prediction na may relatibong katumpakan.

Sa katunayan, ang SRT ay isang engineering science. Ang mga formula nito ay ginagamit sa pagkalkula ng mga particle accelerators. Ang pagproseso ng malaking halaga ng data sa mga banggaan ng mga particle na gumagalaw sa relativistic na bilis sa mga electromagnetic field ay batay sa mga batas ng relativistic dynamics, mga paglihis mula sa kung saan ay hindi nakita. Ang mga pagwawasto na nagreresulta mula sa SRT at GTR ay ginagamit sa mga satellite navigation system (GPS). Ang SRT ay ang batayan ng nuclear energy, atbp.

Ang lahat ng ito ay hindi nangangahulugan na ang SRT ay walang mga limitasyon ng pagkakalapat. Sa kabaligtaran, tulad ng sa anumang iba pang teorya, sila ay umiiral, at ang kanilang pagkakakilanlan ay mahalagang gawain pang-eksperimentong pisika. Halimbawa, isinasaalang-alang ng theory of gravity (GTR) ni Einstein ang generalization ng pseudo-Euclidean space ng STR sa kaso ng space-time na may curvature, na nagpapahintulot sa amin na ipaliwanag karamihan astrophysical at cosmological observable data. May mga pagtatangka na makita ang anisotropy ng espasyo at iba pang mga epekto na maaaring magbago sa mga relasyon sa STR. Gayunpaman, ito ay kinakailangan upang maunawaan na kung sila ay natuklasan, sila ay hahantong sa mas pangkalahatang mga teorya, ang paglilimita ng kaso kung saan muli ay STR. Sa parehong paraan, sa mababang bilis, ang mga klasikal na mekanika, na isang espesyal na kaso ng teorya ng relativity, ay nananatiling tama. Sa pangkalahatan, dahil sa prinsipyo ng pagsusulatan, ang isang teorya na nakatanggap ng maraming pang-eksperimentong kumpirmasyon ay hindi maaaring maging mali, bagaman, siyempre, ang saklaw ng pagiging angkop nito ay maaaring limitado.

Nasa ibaba ang ilang eksperimento lamang na naglalarawan ng bisa ng SRT at ng mga indibidwal na probisyon nito.

Relativistic time dilation

Ang katotohanan na ang oras ay dumadaloy nang mas mabagal para sa mga gumagalaw na bagay ay patuloy na nakumpirma sa mga eksperimento na isinagawa sa high energy physics. Halimbawa, ang buhay ng mga muon sa ring accelerator sa CERN ay tumataas nang may katumpakan alinsunod sa relativistic formula. Sa eksperimentong ito, ang bilis ng mga muon ay katumbas ng 0.9994 beses ang bilis ng liwanag, bilang isang resulta kung saan ang kanilang buhay ay tumaas ng 29 na beses. Mahalaga rin ang eksperimentong ito dahil sa 7-metro na radius ng singsing, ang muon acceleration ay umabot sa mga halaga na katumbas ng acceleration ng gravity. Ito, sa turn, ay nagpapahiwatig na ang epekto ng paglawak ng oras ay dahil lamang sa bilis ng bagay at hindi nakasalalay sa pagbilis nito.

Ang mga sukat ng magnitude ng time dilation ay isinagawa din gamit ang mga macroscopic na bagay. Halimbawa, sa eksperimento ng Hafele-Keating, ginawa ang paghahambing ng mga pagbabasa ng isang nakatigil na atomic na orasan at isang atomic na orasan na lumilipad sa isang eroplano.

Kalayaan ng bilis ng liwanag mula sa galaw ng pinagmulan

Sa simula ng teorya ng relativity, ang mga ideya ni Walter Ritz na ang negatibong resulta ng eksperimento ni Michelson ay maaaring ipaliwanag gamit ang ballistic theory ay nakakuha ng ilang katanyagan. Sa teoryang ito, ipinapalagay na ang ilaw ay ibinubuga nang may bilis na nauugnay sa pinagmulan, at ang bilis ng liwanag at ang bilis ng pinagmulan ay idinagdag alinsunod sa klasikal na tuntunin ng pagdaragdag ng bilis. Naturally, ang teoryang ito ay sumasalungat sa SRT.

Ang mga obserbasyon ng astrophysical ay nagbibigay ng isang nakakumbinsi na pagpapabulaan sa gayong ideya. Halimbawa, kapag nagmamasid sa dobleng bituin na umiikot sa isang karaniwang sentro ng masa, alinsunod sa teoryang Ritz, ang mga epekto ay magaganap na hindi aktwal na naobserbahan (de Sitter argument). Sa katunayan, ang bilis ng liwanag ("larawan") mula sa isang bituin na papalapit sa Earth ay magiging mas mataas kaysa sa bilis ng liwanag mula sa isang bituin na lumalayo habang umiikot. Sa mas malaking distansya mula sa binary system, ang mas mabilis na "imahe" ay higit na hihigit sa mas mabagal. Bilang isang resulta, ang maliwanag na paggalaw ng mga dobleng bituin ay magiging kakaiba, na hindi sinusunod.

Minsan ang pagtutol ay itinaas na ang hypothesis ni Ritz ay "sa katunayan" ay tama, ngunit ang liwanag, kapag gumagalaw sa interstellar space, ay muling inilalabas ng mga atomo ng hydrogen, na may average na zero velocity na may kaugnayan sa Earth, at mabilis na nakakakuha ng bilis.

Gayunpaman, kung ito ay gayon, magkakaroon ng isang makabuluhang pagkakaiba sa imahe ng mga dobleng bituin sa iba't ibang mga hanay ng parang multo, dahil ang epekto ng "entrainment" sa daluyan ng liwanag ay nakasalalay nang malaki sa dalas nito.

Sa mga eksperimento ng Tomaszek (1923), gamit ang isang interferometer, inihambing ang mga pattern ng interference mula sa terrestrial at extraterrestrial na mapagkukunan (Sun, Moon, Jupiter, mga bituin na Sirius at Arcturus). Ang lahat ng mga bagay na ito ay may iba't ibang bilis na nauugnay sa Earth, ngunit walang natukoy na pagbabago sa interference fringes na inaasahan sa modelong Ritz. Ang mga eksperimentong ito ay kasunod na inulit ng maraming beses. Halimbawa, sa eksperimento ng Bonch-Bruevich A.M. at Molchanov V.A. (1956), nasusukat ang bilis ng liwanag mula sa iba't ibang gilid ng umiikot na Araw. Ang mga resulta ng mga eksperimentong ito ay sumasalungat din sa Ritz hypothesis.

Makasaysayang sketch

Koneksyon sa iba pang mga teorya

Grabidad

Mga klasikal na mekanika

Ang teorya ng relativity ay may malaking salungatan sa ilang aspeto ng klasikal na mekanika. Halimbawa, ang kabalintunaan ng Ehrenfest ay nagpapakita ng hindi pagkakatugma ng STR sa konsepto ng isang ganap na matibay na katawan. Dapat pansinin na kahit sa klasikal na pisika ay ipinapalagay na mekanikal na epekto kumakalat sa isang solidong katawan sa bilis ng tunog, at hindi sa isang walang katapusang bilis (tulad ng dapat ay nasa isang haka-haka na ganap na solidong daluyan).

Quantum mechanics

Ang espesyal na relativity (kumpara sa pangkalahatang relativity) ay ganap na katugma sa quantum mechanics. Ang kanilang synthesis ay relativistic quantum field theory. Gayunpaman, ang parehong mga teorya ay ganap na independyente sa bawat isa. Posibleng bumuo ng parehong quantum mechanics, batay sa non-relativistic na prinsipyo ng relativity ni Galileo (tingnan ang Schrödinger's equation), at mga teoryang batay sa SRT, na ganap na binabalewala ang mga quantum effect. Halimbawa, ang quantum field theory ay maaaring mabalangkas bilang isang non-relativistic theory. Kasabay nito, tulad ng isang quantum mechanical phenomenon tulad ng spin, sunud-sunod hindi maaaring ilarawan nang hindi ginagamit ang teorya ng relativity (tingnan ang Dirac equation).

Ang pagbuo ng quantum theory ay patuloy pa rin, at maraming physicist ang naniniwala na ang hinaharap na kumpletong teorya ay sasagutin ang lahat ng mga tanong na may pisikal na kahulugan, at magbibigay sa loob ng mga limitasyon ng parehong STR kasama ng quantum field theory at GRT. Malamang, haharapin ng SRT ang parehong kapalaran tulad ng Newtonian mechanics - ang mga limitasyon ng pagiging angkop nito ay tiyak na ilalarawan. Kasabay nito, ang gayong pangkalahatang pangkalahatang teorya ay malayo pa rin.

Tingnan din

Mga Tala

Mga pinagmumulan

1. Ginzburg V.L. Koleksyon ng Einstein, 1966. - M.: Nauka, 1966. - P. 363. - 375 p. - 16,000 kopya.
2. Ginzburg V.L. Paano at sino ang lumikha ng teorya ng relativity? V Koleksyon ng Einstein, 1966. - M.: Nauka, 1966. - P. 366-378. - 375 p. - 16,000 kopya.
3. Satsunkevich I.S. Mga pang-eksperimentong ugat ng espesyal na relativity. - 2nd ed. - M.: URSS, 2003. - 176 p. - ISBN 5-354-00497-7
4. Misner C., Thorne K., Wheeler J. Grabidad. - M.: Mir, 1977. - T. 1. - P. 109. - 474 p.
5. Einstein A. "Zur Elektrodynamik bewegter Korper" Ann Phys.- 1905.- Bd 17.- S. 891. Pagsasalin: Einstein A. "Sa electrodynamics ng isang gumagalaw na katawan" Einstein A. Pagpupulong mga gawaing siyentipiko. - M.: Nauka, 1965. - T. 1. - P. 7-35. - 700 s. - 32,000 kopya.
6. Matveev A. N. Mechanics at theory of relativity. - 2nd edition, binago. - M.: Mas mataas. paaralan, 1986. - pp. 78-80. - 320 s. - 28,000 kopya.
7. Pauli W. Teorya ng relativity. - M.: Science, 3rd Edition, binago. - 328 p. - 17,700 kopya. - ISBN 5-02-014346-4
8. ni Philip Frank und Hermann Rothe“Uber die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme” Ann. der Physik, Ser. 4, Vol. 34, Hindi. 5, 1911, pp. 825-855 (pagsasalin sa Ruso)
9. Fok V. A. Teorya ng space-time at gravity. - 2nd edition, pupunan. - M.: State Publishing House. pisika at matematika lit., 1961. - pp. 510-518. - 568 p. - 10,000 kopya.
10. "Lorentz Transformations" sa aklat na "The Relativistic World".
11. Kittel C., Nait U., Ruderman M. Kurso sa Pisika ng Berkeley. - 3rd edition, binago. - M.: Nauka, 1986. - T. I. Mechanics. - pp. 373,374. - 481 p.
12. ni W.v. Ignatowsky"Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip" Verh. d. Deutsch. Phys. Si Ges. 12, 788-96, 1910 (pagsasalin sa Ruso)
13. Terletsky Ya. P. Mga kabalintunaan ng teorya ng relativity. - M.: Nauka, 1966. - P. 23-31. - 120 s. - 16,500 na kopya.

Ang gawa ni Newton ay isang halimbawa ng isang malaking rebolusyong siyentipiko, isang radikal na pagbabago sa halos lahat ng mga ideyang siyentipiko sa natural na agham. Mula sa panahon ni Newton, ang paradigm ng klasikal na pisika ay lumitaw at naging pangunahing at pagtukoy ng sistema ng mga pananaw sa agham sa halos 250 taon.

Ang mga tagasunod ni Newton ay nagsimulang makabuluhang pinuhin ang mga constant na natuklasan niya. Unti-unti, nagsimulang mabuo ang mga paaralang pang-agham, ang mga pamamaraan ng pagmamasid at pagsusuri, at ang pag-uuri ng iba't ibang mga natural na phenomena ay itinatag. Ang mga instrumento at kagamitang pang-agham ay nagsimulang gawin sa paraang pabrika. Nagsimulang ilathala ang mga periodical sa maraming sangay ng natural science. Ang agham ay naging pinakamahalagang sangay ng aktibidad ng tao.

Kaya, itinatag ng Newtonian mechanics at cosmology ang kanilang sarili bilang batayan ng isang bagong pananaw sa mundo, na pinapalitan ang pagtuturo ni Aristotle at medieval scholastic constructions na nangingibabaw nang higit sa isang libong taon.

Gayunpaman, sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, nagsimulang lumitaw ang mga katotohanan na sumasalungat sa nangingibabaw na paradigm. At ang mga pangunahing hindi pagkakapare-pareho ay muling naobserbahan sa pisika, ang pinaka-dynamic na pagbuo ng agham sa oras na iyon.

Ang isang klasikong halimbawa ng sitwasyong ito ay ang pahayag ni Lord Kelvin (William Thomson), na sa pinakadulo ng ika-19 na siglo ay nagsabi na "sa malinaw at nagniningning na kalangitan ng klasikal na pisika ng mga taong iyon ay mayroon lamang dalawang maliliit na ulap." Ang isa sa mga ito ay nauugnay sa negatibong resulta ng eksperimento ni Michelson upang matukoy ang ganap na bilis ng Earth, ang isa pa ay sa kontradiksyon sa pagitan ng teoretikal at eksperimentong data sa pamamahagi ng enerhiya sa spectrum ng isang ganap na itim na katawan.

Si Kelvin ay nagpakita ng pambihirang pananaw. Ang mga hindi nalutas na problemang ito ay humantong sa paglitaw ng parehong teorya ng relativity at quantum theory ni Einstein, na naging batayan ng isang bagong natural na paradigma ng agham.

Mapapansin din na hindi pinahintulutan ng paggamit ng klasikal na pisika ng Newtonian ang orbit ng Mercury na tumpak na kalkulahin, at ang mga equation ng electrodynamics ni Maxwell ay hindi tumutugma sa mga klasikal na batas ng paggalaw.

Ang paunang kinakailangan para sa paglikha ng teorya ng relativity ay tiyak ang nabanggit na mga kontradiksyon. Ang kanilang resolusyon ay naging posible sa pagpapakilala ng isang bagong relativistic na diskarte sa natural na agham.

Ang karaniwang hindi malinaw na nauunawaan ay ang katotohanan na ang pangkalahatang pagnanais para sa isang kamag-anak (o relativistic) na diskarte sa mga pisikal na batas ay nagsimulang magpakita mismo sa isang napaka maagang yugto pag-unlad ng modernong agham. Simula kay Aristotle, itinuring ng mga siyentipiko na ang Daigdig ang sentrong punto ng kalawakan, at ang paunang sandali ng oras ay kinuha bilang paunang pagtulak na nagtakda sa primordial matter sa paggalaw. Ang mga ideya ni Aristotle ay kinuha bilang ganap sa medyebal na kamalayan, gayunpaman, sa pagtatapos ng ika-15 siglo ay nagkaroon na sila ng salungatan sa mga naobserbahang natural na phenomena. Lalo na maraming hindi pagkakapare-pareho ang naipon sa astronomiya.

Ang unang seryosong pagtatangka na lutasin ang mga kontradiksyon ay ginawa ni Copernicus, sa pamamagitan lamang ng pagtanggap na ang mga planeta ay gumagalaw sa paligid ng Araw, at hindi sa paligid ng Earth. Iyon ay, sa unang pagkakataon ay inalis niya ang Earth mula sa gitna ng Uniberso at inalis ang espasyo ng panimulang punto nito. Ito ay, sa katunayan, ang simula ng isang mapagpasyang muling pagsasaayos ng lahat ng pag-iisip ng tao. Bagama't inilagay ni Copernicus ang Araw sa gitnang ito, gumawa pa rin siya ng isang malaking hakbang patungo sa pagtiyak na kalaunan ay napagtanto ng mga tao na kahit na ang Araw ay maaari lamang maging isa sa maraming mga bituin at na walang anumang sentro ang matatagpuan. Pagkatapos, natural, ang isang katulad na pag-iisip ay lumitaw tungkol sa oras, at ang Uniberso ay nagsimulang makita bilang walang hanggan at walang hanggan, nang walang anumang sandali ng paglikha at walang anumang "katapusan" kung saan ito gumagalaw.

Ito ang transisyon na humahantong sa pinagmulan ng teorya ng relativity. Dahil walang mga pribilehiyong posisyon sa kalawakan at may pribilehiyong mga sandali sa oras, kung gayon ang mga pisikal na batas ay maaaring pantay na mailapat sa anumang puntong kinuha bilang sentro, at ang parehong mga konklusyon ay susunod mula sa kanila. Sa bagay na ito, ang sitwasyon ay sa panimula ay naiiba mula sa naganap sa teorya ni Aristotle, kung saan, halimbawa, ang sentro ng Earth ay itinalaga ng isang espesyal na papel bilang ang punto kung saan ang lahat ng bagay ay may gawi. Ang pagkahilig sa relativization na makikita sa karagdagang pagmuni-muni sa mga batas nina Galileo at Newton

Ipinahayag ni Galileo ang ideya na ang paggalaw ay may kaugnayan sa kalikasan. Iyon ay, ang uniporme at rectilinear na paggalaw ng mga katawan ay maaari lamang matukoy na may kaugnayan sa isang bagay na hindi nakikilahok sa naturang paggalaw.

Isipin natin sa isip na ang isang tren ay dumaan sa isa pa sa patuloy na bilis at walang jolts. Bukod dito, sarado ang mga kurtina at walang nakikita. Masasabi ba ng mga pasahero kung aling tren ang gumagalaw at alin ang nakatigil? Maaari lamang nilang obserbahan ang kamag-anak na paggalaw. Ito ang pangunahing ideya ng klasikal na prinsipyo ng relativity.

Ang pagtuklas ng prinsipyo ng relativity of motion ay isa sa pinakadakilang pagtuklas. Kung wala siya, imposible ang pag-unlad ng pisika. Ayon sa hypothesis ni Galileo, ang inertial motion at rest sa kanilang epekto sa materyal na katawan hindi makikilala. Upang magpatuloy sa paglalarawan ng mga kaganapan sa isang gumagalaw na reference frame, kinakailangan na magsagawa ng mga coordinate na pagbabago, na tinatawag na "Mga Pagbabago ni Galileo", ipinangalan sa kanilang may-akda.

Kunin natin, halimbawa, ang ilang coordinate system X, na nauugnay sa isang nakapirming reference system. Isipin natin ngayon ang isang bagay na gumagalaw sa axis X sa patuloy na bilis v. Mga coordinate X " , t" , kinuha kaugnay sa bagay na ito, pagkatapos ay tinutukoy ng pagbabagong-anyo ng Galilea

x" = x - ut
y" = y
z" = z
t" = t

Partikular na kapansin-pansin ang ikatlong equation ( t" = t) ayon sa kung saan ang bilis ng orasan ay hindi nakasalalay sa kamag-anak na paggalaw. Parehong sa luma at sa bagong sistema pagbibilang, ang parehong batas ay nalalapat. Ito ang limitadong prinsipyo ng relativity. Sinasabi namin ito dahil ang mga batas ng mekanika ay ipinahayag ng parehong mga relasyon sa lahat ng mga sistema ng sanggunian na magkakaugnay ng mga pagbabagong-anyo ng Galilea.

Ayon kay Newton, na bumuo ng ideya ni Galileo tungkol sa relativity ng paggalaw, ang lahat ng mga pisikal na eksperimento na isinasagawa sa isang laboratoryo na gumagalaw nang pantay-pantay at rectilinearly (isang inertial frame of reference) ay magbibigay ng parehong resulta na parang ito ay nagpapahinga.

Gaya ng naunang nabanggit, sa kabila ng mga tagumpay ng klasikal na pisika ng mga taong iyon, may ilang katotohanang naipon na sumasalungat dito.

Ang mga bagong datos na ito, na natuklasan noong ika-19 na siglo, ay humantong sa relativistic na konsepto ni Einstein.

Nagsimula ang rebolusyon sa pisika sa pagtuklas ni Roemer. Ito ay lumabas na ang bilis ng liwanag ay may hangganan at katumbas ng humigit-kumulang 300,000 km/sec. Pagkatapos ay natuklasan ni Bradry ang phenomenon ng stellar aberration. Batay sa mga pagtuklas na ito, itinatag na ang bilis ng liwanag sa vacuum ay pare-pareho at hindi nakadepende sa paggalaw ng source at receiver.

Ang napakalaki, ngunit hindi pa rin walang katapusang bilis ng liwanag sa kawalan ay humantong sa isang salungatan sa prinsipyo ng relativity ng paggalaw. Isipin natin ang isang tren na gumagalaw sa napakabilis na bilis - 240,000 kilometro bawat segundo. Tayo ay nasa unahan ng tren, at isang bumbilya ang bumukas sa buntot. Isipin natin kung ano ang maaaring maging resulta ng pagsukat sa oras na kailangan ng liwanag sa paglalakbay mula sa isang dulo ng tren patungo sa kabilang dulo.

Sa pagkakataong ito, ito ay tila, ay magiging iba sa isa na nasasakyan natin sa isang tren sa pagpapahinga. Sa katunayan, may kaugnayan sa isang tren na gumagalaw sa bilis na 240,000 kilometro bawat segundo, ang liwanag ay magkakaroon ng bilis (pasulong sa kahabaan ng tren) na 300,000 - 240,000 = 60,000 kilometro bawat segundo. Tila hinahabol ng ilaw ang harapang dingding ng head car na tumatakbo palayo dito. Kung maglalagay ka ng bombilya sa unahan ng tren at susukatin ang oras na aabutin ng ilaw para maabot ang huling sasakyan, magiging 240,000 + ang bilis ng liwanag sa direksyon na kabaligtaran ng paggalaw ng tren. 300,000 = 540,000 kilometro bawat segundo (Ang ilaw at ang buntot na kotse ay gumagalaw patungo sa isa't isa).

Kaya, lumalabas na sa isang gumagalaw na tren, ang liwanag ay kailangang kumalat sa iba't ibang direksyon sa iba't ibang bilis, habang sa isang nakatigil na tren ang bilis na ito ay pareho sa parehong direksyon.

Dahil dito, sa ilalim ng mga pagbabagong-anyo ng Galilea, ang mga equation ni Maxwell para sa electromagnetic field ay walang invariant na anyo. Inilalarawan nila ang pagpapalaganap ng liwanag at iba pang uri ng electromagnetic radiation na may mga bilis na katumbas ng bilis ng liwanag C. Upang malutas ang kontradiksyon sa loob ng balangkas ng klasikal na pisika, kinailangan na makahanap ng isang privileged frame of reference kung saan ang mga equation ni Maxwell ay magiging eksakto. nasiyahan, at ang bilis ng liwanag ay magiging katumbas ng C sa lahat ng direksyon . Samakatuwid, ang mga physicist ng ika-19 na siglo ay nag-postulate ng pagkakaroon ng isang eter, na ang papel nito ay aktwal na nabawasan sa paglikha. pisikal na batayan para sa gayong privileged frame of reference.

Ang mga eksperimento ay isinagawa upang matukoy ang bilis ng paggalaw ng Earth sa pamamagitan ng eter (tulad ng eksperimento ng Michelson-Morley). Upang gawin ito, ang isang sinag ng liwanag mula sa isang pinagmulan, na dumadaan sa isang prisma, ay nahati sa direksyon ng paggalaw ng Earth at patayo dito. Ayon sa mga ideya, kung ang mga bilis ay pareho, ang parehong mga sinag ay darating sa prisma sa parehong oras at ang intensity ng liwanag ay tataas. Kung magkaiba ang mga bilis, hihina ang intensity ng liwanag. Ang resulta ng eksperimento ay zero; imposibleng matukoy ang bilis ng Earth na may kaugnayan sa eter.

Nang hindi nakumpirma ng mga eksperimento ang mga hula ng simpleng teorya ng eter tungkol sa mga katangian ng sistemang ito ng sanggunian, si H. Lorentz, muli na may layuning mailigtas ang klasikal na pisika, ay nagmungkahi ng isang bagong teorya na nagpapaliwanag sa mga negatibong resulta ng naturang mga eksperimento bilang isang kahihinatnan ng mga pagbabagong nagaganap sa mga instrumento sa pagsukat kapag gumagalaw ang mga ito sa eter. Ipinaliwanag niya ang pagkakaiba sa pagitan ng mga resulta ng obserbasyon at mga batas ni Newton sa pamamagitan ng mga pagbabagong nagaganap sa mga instrumento kapag gumagalaw sa bilis na malapit sa C.

Iminungkahi ni Lorentz na kapag gumagalaw sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag, hindi magagamit ang mga pagbabagong-anyo ng Galilea, dahil hindi nila isinasaalang-alang ang epekto ng mataas na bilis. Ang kanyang mga pagbabago, para sa mga bilis na malapit sa bilis ng liwanag, ay tinatawag na "Lorentz transformations". Ang mga pagbabagong Galilean ay isang espesyal na kaso ng mga pagbabagong Lorentz para sa mga sistemang may mababang bilis.

Ang mga pagbabagong Lorentz ay may anyo:

Alinsunod sa mga pagbabagong-anyo ng Lorentz, ang mga pisikal na dami - ang masa ng isang katawan, ang haba nito sa direksyon ng paggalaw at oras ay nakasalalay sa mga bilis ng paggalaw ng mga katawan ayon sa mga sumusunod na relasyon:

	saan M- masa ng katawan	Ang kahulugan ng mga pagbabagong ito ng Lorentz ay nagsasabi: pagtaas ng timbang ng katawan sa bilis na malapit sa liwanag pagbawas sa haba ng katawan kapag gumagalaw sa direksyon na tumutugma sa velocity vector pagtaas ng oras sa pagitan ng dalawang kaganapan, o pagbagal ng oras
	saan L- haba ng katawan
	saan ∆t – agwat ng oras sa pagitan ng dalawang kaganapan

Sinusubukang hanapin ang pisikal na kahulugan ng mga pattern na natuklasan ni Lorentz, maaari nating ipagpalagay na sa direksyon ng x, kasabay ng velocity vector, ang lahat ng mga katawan ay naka-compress, at mas malakas ang mas mataas na bilis ng kanilang paggalaw. Iyon ay, ang mga katawan ay nakakaranas ng pag-urong dahil sa pagyupi ng mga orbit ng elektron. Kapag naabot ang mga bilis ng sublight, maaari nating pag-usapan ang tungkol sa pagluwang ng oras sa isang gumagalaw na sistema. Ang kilalang kambal na kabalintunaan ay batay sa prinsipyong ito. Kung ang isa sa mga kambal ay maglalakbay sa kalawakan sa loob ng limang taon sa isang barko sa sub-light speed, pagkatapos ay babalik siya sa lupa kapag ang kanyang kambal na kapatid ay napakatanda na. Ang epekto ng pagtaas ng masa sa isang bagay na gumagalaw sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagtaas ng kinetic energy ng isang mabilis na gumagalaw na katawan. Alinsunod sa mga ideya ni Einstein tungkol sa pagkakakilanlan ng masa at enerhiya, bahagi ng kinetic energy ng isang katawan ay na-convert sa masa nito sa panahon ng paggalaw.

Kung ilalapat natin ang mga pagbabagong Lorentz sa mga equation ng electrodynamics ni Maxwell, lumalabas na ang mga ito ay invariant sa ilalim ng naturang mga pagbabago.

Ginamit ni Einstein ang mga pagbabagong-anyo ni Lorentz upang bumuo ng kanyang teorya ng relativity.

Space at oras

Ang isang mahalagang paunang kinakailangan para sa paglikha ng teorya ng relativity ay ang mga bagong ideya tungkol sa mga katangian ng espasyo at oras.

Sa ordinaryong kamalayan, ang oras ay binubuo ng isang obhetibong umiiral na natural na koordinasyon ng sunud-sunod na phenomena. Ang mga spatial na katangian ay ang mga posisyon ng ilang mga katawan na may kaugnayan sa iba at ang mga distansya sa pagitan nila.

SA sistemang teoretikal Malinaw na binuo ni Newton ang unang siyentipikong konsepto ng oras bilang isang layunin, independiyenteng entidad - ang malaking konsepto ng oras. Ang konseptong ito ay nagmula sa mga sinaunang atomista at umunlad sa doktrina ni Newton ng ganap na espasyo at oras. Pagkatapos ng Newton, ang konseptong ito ang nanguna sa pisika hanggang sa simula ng ikadalawampu siglo. Nagsagawa ng dalawahang diskarte si Newton sa pagtukoy ng oras at espasyo. Ayon sa pamamaraang ito, mayroong parehong ganap at kamag-anak na oras.

Ang ganap, totoo at mathematical na oras sa sarili nito, nang walang anumang kaugnayan sa anumang panlabas, ay dumadaloy nang pantay at tinatawag na tagal.

Ang kamag-anak, maliwanag o ordinaryong oras ay isang sukatan ng tagal na ginagamit sa pang-araw-araw na buhay sa halip na oras sa matematika - ito ay isang oras, buwan, taon, atbp.

Hindi mababago ang ganap na oras sa daloy nito.

Sa pang-araw-araw na antas, posible ang isang sistema para sa pagbibilang ng mahabang panahon. Kung nagbibigay ito ng pagkakasunud-sunod ng pagbibilang ng mga araw sa isang taon at ang panahon ay ipinahiwatig dito, kung gayon ito ay isang kalendaryo.

Ang relational na konsepto ng oras ay kasing sinaunang konsepto ng substantial na konsepto. Ito ay binuo sa mga akda nina Plato at Aristotle. Si Aristotle ang unang nagbigay ng detalyadong ideya ng konseptong ito ng oras sa kanyang Physics. Sa konseptong ito, ang oras ay hindi isang bagay na independiyenteng umiiral, ngunit isang bagay na nagmula sa isang mas pangunahing entidad. Para kay Plato, ang oras ay nilikha ng Diyos, para kay Aristotle ito ay resulta ng layunin ng paggalaw ng materyal. Sa pilosopiya ng modernong panahon, simula kay Descartes at nagtatapos sa mga positivista noong ika-19 na siglo, ang oras ay isang ari-arian o relasyon na nagpapahayag ng iba't ibang aspeto ng aktibidad ng kamalayan ng tao.

Ang problema ng espasyo, sa mas malapit na pagsusuri, ay nagiging mahirap din. Ang espasyo ay isang lohikal na naiisip na anyo na nagsisilbing isang daluyan kung saan umiiral ang iba pang mga anyo at ilang mga istruktura. Halimbawa, sa elementarya na geometry, ang isang eroplano ay isang espasyo na nagsisilbing isang daluyan kung saan ang iba't ibang ngunit flat figure ay itinayo.

Sa klasikal na mekanika ni Newton, ang ganap na espasyo, sa pamamagitan ng pinakadiwa nito, anuman ang anumang panlabas, ay palaging nananatiling pareho at hindi gumagalaw. Ito ay gumaganap bilang isang analogue ng kawalan ng laman ng Democritus at ang arena ng dinamika ng mga pisikal na bagay.

Ang ideya ni Aristotle ng isotropic na espasyo ay umalis sa homogeneity at infinity ng espasyo ni Democritus. Ayon kay Aristotle at sa kanyang mga tagasunod, ang espasyo ay nakakuha ng isang sentro - ang Earth, na may mga sphere na umiikot sa paligid nito, na may pinakamalayong celestial sphere ng mga bituin na nagsisilbing hangganan ng panghuling espasyo ng mundo. Tinatanggihan ni Aristotle ang kawalang-hanggan ng espasyo, ngunit sumusunod sa konsepto ng walang katapusang oras. Ang konsepto na ito ay ipinahayag sa kanyang ideya ng spherical space ng Uniberso, na, kahit na limitado, ay hindi may hangganan.

Ang klasikal na espasyo ng Newtonian ay batay sa ideya ng homogeneity nito. Ito ang pangunahing ideya ng klasikal na pisika, na patuloy na binuo sa mga gawa nina Copernicus, Bruno, Galileo at Descartes. Tinalikuran na ni Bruno ang ideya ng sentro ng Uniberso at idineklara itong walang hanggan at homogenous. Naabot ng ideyang ito ang pagkumpleto nito kay Newton. Sa isang homogenous na espasyo, ang ideya ng ganap na paggalaw ay nagbabago, iyon ay, ang katawan sa loob nito ay gumagalaw dahil sa pagkawalang-galaw. Ang mga inertial na puwersa ay hindi lilitaw sa kawalan ng acceleration. Ang kahulugan ng rectilinear at pare-parehong paggalaw ay bumababa sa isang pagbabago sa distansya sa pagitan ng isang partikular na katawan at isang arbitraryong piniling katawan ng sanggunian. Rectilinear at pare-parehong paggalaw ay kamag-anak.

Sa kasaysayan, ang una at pinakamahalagang mathematical space ay flat Euclidean space, na kumakatawan sa isang abstract na imahe ng totoong espasyo. Ang mga katangian ng puwang na ito ay inilalarawan gamit ang 5 pangunahing postulate at 9 na axiom. Nagkaroon ng mahinang punto sa geometry ni Euclid, ang tinaguriang ikalimang postulate tungkol sa di-nagsalubong na mga parallel na linya. Ang mga mathematician noong sinaunang at modernong panahon ay sinubukan nang hindi matagumpay na patunayan ang posisyon na ito. Noong XVIII - ika-19 na siglo Sinubukan nina D. Saccheri, Lambert at A. Legendre na lutasin ang problemang ito. Hindi matagumpay na mga pagtatangka upang patunayan ang 5th postulate na dinala malaking pakinabang. Tinahak ng mga mathematician ang landas ng pagbabago ng mga konsepto ng geometry ng Euclidean space. Ang pinakaseryosong pagbabago ay ipinakilala sa unang kalahati ng ika-19 na siglo ni N. I. Lobachevsky (1792 - 1856).

Siya ay dumating sa konklusyon na sa halip na ang axiom ng dalawang parallel na linya, ang isa ay maaaring maglagay ng isang direktang kabaligtaran hypothesis at, sa batayan nito, lumikha ng isang pare-parehong geometry. Sa bagong geometry na ito, ang ilang mga pahayag ay mukhang kakaiba at kahit na kabalintunaan. Halimbawa, ang Euclidean axiom ay nagsasabi: sa isang eroplano, sa pamamagitan ng isang punto na hindi nakahiga sa isang naibigay na linya, isa at isang linya lamang ang maaaring iguguhit parallel sa una. Sa geometry ni Lobachevsky ang axiom na ito ay pinalitan ng mga sumusunod: sa isang eroplano, sa pamamagitan ng isang puntong hindi nakahiga sa isang partikular na linya, higit sa isang tuwid na linya ang maaaring iguguhit na hindi bumalandra sa ibinigay na linya. Sa geometry na ito, ang kabuuan ng mga anggulo ng isang tatsulok ay mas mababa sa dalawang tuwid na linya, atbp. Ngunit, sa kabila ng panlabas na kabalintunaan, lohikal na ang mga pahayag na ito ay ganap na katumbas ng mga Euclidean. Sila ay radikal na nagbago ng mga ideya tungkol sa kalikasan ng espasyo. Halos kasabay ni Lobachevsky, ang Hungarian mathematician na si J. Bolyai at ang sikat na mathematician na si K. Gauss ay dumating sa magkatulad na konklusyon. Ang mga kontemporaryo ng mga siyentipiko ay may pag-aalinlangan tungkol sa non-Euclidean geometry, isinasaalang-alang ito na purong pantasya. Gayunpaman, ang Romanong matematiko na si E. Beltrami ay nakahanap ng isang modelo para sa non-Euclidean geometry, na siyang pseudosphere:

Larawan 1. Pseudo-sphere

Ang susunod na pangunahing hakbang sa pag-unawa sa kalikasan ng espasyo ay ginawa ni B. Riemann (1826 - 1866). Nagtapos mula sa Unibersidad ng Göttingen noong 1851, siya ay noong 1854 (28 taong gulang) ay nagbigay ng isang ulat na "On the hypotheses underlying geometry," kung saan nagbigay siya ng pangkalahatang ideya ng ​mathematical space, kung saan ang mga geometry ng Euclid at Lobachevsky ay mga espesyal na kaso. Sa n-dimensional na Riemann space, ang lahat ng mga linya ay nahahati sa elementarya na mga segment, ang estado kung saan ay tinutukoy ng coefficient g. Kung ang koepisyent ay 0, kung gayon ang lahat ng mga linya sa segment na ito ay tuwid - gumagana ang mga postulate ni Euclid. Sa ibang mga kaso, ang espasyo ay magiging hubog. Kung ang curvature ay positibo, kung gayon ang espasyo ay tinatawag na Riemannian spherical. Kung negatibo, ito ay isang pseudospherical Lobachevsky space. Kaya, sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo, ang lugar ng flat three-dimensional na Euclidean space ay inookupahan ng multidimensional curved space. Ang mga konsepto ng Riemannian space sa huli ay nagsilbing isa sa mga pangunahing kinakailangan para sa paglikha ni Einstein ng pangkalahatang teorya ng relativity.

Fig 2 Riemannian spherical space

Ang huling paghahanda ng spatial-geometric na background ng teorya ng relativity ay ibinigay ng agarang guro ni Einstein na si G. Minkowski (1864 - 1909), na nagbalangkas ng ideya ng four-dimensional space-time continuum, pinag-iisa ang pisikal na three-dimensional na espasyo at oras. Siya ay aktibong kasangkot sa electrodynamics ng gumagalaw na media batay sa electronic theory at ang prinsipyo ng relativity. Ang mga equation na nakuha niya, na kalaunan ay tinawag na mga equation ng Minkowski, ay medyo naiiba sa mga equation ng Lorentz, ngunit naaayon sa mga eksperimentong katotohanan. Binubuo nila ang isang matematikal na teorya ng mga pisikal na proseso sa apat na dimensyon na espasyo. Ginagawang posible ng espasyo ng Minkowski na biswal na bigyang-kahulugan ang mga kinematic effect ng espesyal na teorya ng relativity, at pinagbabatayan ang modernong mathematical apparatus ng teorya ng relativity.

Ang ideyang ito ng iisang espasyo at oras, na kalaunan ay tinawag spacetime, at ang pangunahing pagkakaiba nito mula sa independiyenteng espasyo at oras ng Newtonian, tila, nakuha si Einstein bago pa ang 1905, at hindi direktang nauugnay sa alinman sa eksperimento ni Michelson o sa teorya ng Lorentz-Poincaré.

Noong 1905, inilathala ni Albert Einstein ang isang artikulong "On the electrodynamics of moving bodies" sa journal na "Annals of Physics" at isa pang maliit na artikulo kung saan unang ipinakita ang formula. E=mc2. Habang nagsimula silang magsabi - ito pangunahing pormula ng ating siglo.

Ang artikulo sa electrodynamics ay nagpapakita ng isang teorya na hindi kasama ang pagkakaroon ng isang privileged coordinate system para sa rectilinear at unipormeng paggalaw. Ibinubukod ng teorya ni Einstein ang oras na independyente sa spatial na sistema ng sanggunian at inabandona ang klasikal na tuntunin ng pagdaragdag ng mga bilis. Ipinagpalagay ni Einstein na ang bilis ng liwanag ay pare-pareho at kumakatawan sa limitasyon ng bilis sa kalikasan. Tinawag niya ang teoryang ito "Espesyal na teorya ng relativity".

Binuo ni Einstein ang kanyang teorya batay sa mga sumusunod na pangunahing postulate:

• ang mga batas ayon sa kung saan ang mga estado ng mga pisikal na sistema ay nagbabago ay hindi nakasalalay sa kung alin sa dalawang coordinate system, na gumagalaw na may kaugnayan sa isa't isa nang pantay-pantay at rectilinearly, ang mga pagbabagong ito ay nauugnay sa. Dahil dito, walang ginustong frame ng sanggunian para sa uniporme at rectilinear motion - prinsipyo ng relativity
• Ang bawat sinag ng liwanag ay gumagalaw sa isang nakatigil na coordinate system na may tiyak na bilis, hindi alintana kung ang sinag ng liwanag na ito ay ibinubuga ng isang nakatigil o gumagalaw na pinagmulan. Ang bilis na ito ay ang pinakamataas na bilis ng mga pakikipag-ugnayan sa kalikasan - postulate tungkol sa pare-pareho ng bilis ng liwanag

Dalawang corollary ang lumabas mula sa mga postulate na ito:

• kung ang mga kaganapan sa frame 1 ay nangyari sa isang punto at sabay-sabay, kung gayon ang mga ito ay hindi sabay-sabay sa isa pang inertial frame. Ito ang prinsipyo ng relativity ng simultaneity
• para sa anumang bilis 1 at 2, ang kanilang kabuuan ay hindi maaaring mas malaki kaysa sa bilis ng liwanag. Ito ang relativistic na batas ng pagdaragdag ng mga bilis

Ang mga postulate na ito - ang prinsipyo ng relativity at ang prinsipyo ng constancy ng bilis ng liwanag - ay ang batayan ng espesyal na teorya ng relativity ni Einstein. Mula sa mga ito ay nakuha niya ang relativity ng mga haba at ang relativity ng oras.

Ang esensya ng diskarte ni Einstein ay ang pagtanggi sa mga ideya tungkol sa ganap na espasyo at oras, kung saan nakabatay ang eter hypothesis. Sa halip, isang relational na diskarte sa electromagnetic phenomena at ang pagpapalaganap ng electromagnetic radiation ay pinagtibay. Ang mga batas ng paggalaw ni Newton ay ipinahayag ng parehong mga relasyon sa lahat ng pare-parehong gumagalaw na sistema na magkakaugnay ng mga pagbabagong-anyo ng Galilea, at ang batas ng invariance ng naobserbahang halaga ng bilis ng liwanag ay ipinahayag ng parehong kaugnayan sa lahat ng pare-parehong gumagalaw na sistema na magkakaugnay ng mga pagbabagong-anyo ni Lorentz.

Gayunpaman, ang mga batas ng paggalaw ni Newton ay hindi invariant sa ilalim ng mga pagbabagong Lorentz. Kasunod nito na ang mga batas ni Newton ay hindi maaaring maging tunay na mga batas ng mekanika (ang mga ito ay tinatantiya lamang, wasto sa limitadong kaso kapag ang ratio v/c may posibilidad na zero).

Gayunpaman, ang espesyal na teorya ng relativity ay may bisa din para sa mga limitadong kondisyon - para sa mga sistemang pantay na gumagalaw.

Ipinagpatuloy ni Einstein ang pagbuo ng espesyal na teorya ng relativity sa kanyang akdang "The Law of Conservation of Motion of the Center of Gravity and Inertia of a Body." Ginawa niya bilang batayan ang konklusyon ni Maxwell na ang isang light beam ay may mass, iyon ay, kapag gumagalaw, ito ay nagdudulot ng presyon sa isang balakid. Ang palagay na ito ay eksperimento na napatunayan ni P.N. Lebedev. Sa kanyang trabaho, pinatunayan ni Einstein ang relasyon sa pagitan ng masa at enerhiya. Siya ay dumating sa konklusyon na kapag ang isang katawan ay naglalabas ng enerhiya L, ang masa nito ay bumababa ng isang halaga na katumbas ng L / V2. Mula dito ang isang pangkalahatang konklusyon ay iginuhit - ang masa ng isang katawan ay isang sukatan ng enerhiya na nakapaloob dito. Kung ang enerhiya ay nagbabago ng isang halaga na katumbas ng L, ang masa ay katumbas ng pagbabago ng isang halaga L na hinati sa parisukat ng bilis ng liwanag. Ito ay kung paano lumitaw ang sikat na relasyon ni Einstein na E = MC2 sa unang pagkakataon.

Noong 1911-1916, nagawang gawing pangkalahatan ni Einstein ang teorya ng relativity. Ang teorya, na nilikha noong 1905, tulad ng nabanggit na, ay tinawag na espesyal na teorya ng relativity, dahil. ito ay wasto lamang para sa rectilinear at pare-parehong paggalaw.

Sa pangkalahatang teorya ng relativity, ang mga bagong aspeto ng pag-asa ng mga relasyon sa espasyo-oras at mga materyal na proseso ay ipinahayag. Ang teoryang ito ay nagbigay ng pisikal na batayan para sa mga di-Euclidean na geometry at ikinonekta ang kurbada ng espasyo at ang paglihis ng panukat nito mula sa Euclidean na may pagkilos ng mga gravitational field na nilikha ng masa ng mga katawan.

Ang pangkalahatang teorya ng relativity ay batay sa prinsipyo ng equivalence ng inertial at gravitational mass, ang quantitative equality na matagal nang itinatag sa classical physics. Ang mga kinematic effect na nagmumula sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersa ng gravitational ay katumbas ng mga epekto na nagmumula sa ilalim ng impluwensya ng acceleration. Kaya, kung ang isang rocket ay lumipad na may acceleration na 3 g, kung gayon ang rocket crew ay makaramdam na parang nasa triple ang gravity field ng Earth.

Hindi maipaliwanag ng mga klasikal na mekanika kung bakit ang inertia at kabigatan ay sinusukat ng parehong dami - mass, bakit ang mabigat na masa ay proporsyonal sa inertial mass, bakit, sa madaling salita, ang mga katawan ay nahuhulog na may parehong acceleration. Sa kabilang banda, ang mga klasikal na mekanika, na nagpapaliwanag ng mga puwersa ng pagkawalang-galaw sa pamamagitan ng pinabilis na paggalaw sa ganap na espasyo, ay naniniwala na ang ganap na espasyong ito ay kumikilos sa mga katawan, ngunit hindi apektado ng mga ito. Ito ay humantong sa pagkakakilanlan ng mga inertial system bilang mga espesyal na sistema kung saan ang mga batas ng mekanika lamang ang sinusunod. Idineklara ni Einstein na ang pinabilis na paggalaw ng isang sistema sa labas ng isang gravitational field at ang inertial motion sa isang gravitational field ay hindi matukoy sa panimula. Ang acceleration at gravity ay gumagawa ng pisikal na hindi matukoy na mga epekto.

Ang katotohanang ito ay mahalagang itinatag ni Galileo: ang lahat ng mga katawan ay gumagalaw sa isang gravitational field (sa kawalan ng environmental resistance) na may parehong acceleration, ang mga trajectory ng lahat ng mga katawan na may ibinigay na bilis ay pantay na hubog sa gravitational field. Dahil dito, walang eksperimento ang makaka-detect ng gravitational field sa isang malayang bumabagsak na elevator. Sa madaling salita, sa isang reference frame na malayang gumagalaw sa isang gravitational field sa isang maliit na rehiyon ng space-time, walang gravity. Ang huling pahayag ay isa sa mga pormulasyon ng prinsipyo ng equivalence. Ipinapaliwanag ng prinsipyong ito ang kababalaghan ng kawalan ng timbang sa spacecraft.

Kung palawigin natin ang prinsipyo ng equivalence sa optical phenomena, pagkatapos ay hahantong ito sa maraming mahahalagang kahihinatnan. Ito ang phenomenon ng red shift at deflection ng isang light beam sa ilalim ng impluwensya ng isang gravitational field. Ang redshift effect ay nangyayari kapag ang ilaw ay nakadirekta mula sa isang puntong may mas malaking gravitational potential patungo sa mga puntong may mas kaunting gravitational potential. Iyon ay, sa kasong ito ang dalas nito ay bumababa at ang haba ng daluyong ay tumataas at vice versa. Halimbawa, sikat ng araw, na bumabagsak sa Earth, ay darating dito na may binagong frequency, kung saan ang mga parang multo na linya ay lilipat patungo sa pulang bahagi ng spectrum.

Ang konklusyon tungkol sa pagbabago sa dalas ng liwanag sa gravitational field ay nauugnay sa epekto ng time dilation malapit sa malalaking gravitational mass. Kung saan mas malaki ang mga shadow field, mas mabagal ang takbo ng orasan.

Kaya, isang bagong pangunahing resulta ang nakuha - ang bilis ng liwanag ay hindi na isang pare-parehong halaga, ngunit tumataas o bumababa sa gravitational field, depende sa kung ang direksyon ng light beam ay tumutugma sa direksyon ng gravitational field.

Binago ng bagong teorya ang teorya ni Newton nang kaunti sa dami, ngunit ipinakilala nito ang malalim na mga pagbabago sa husay. Ang inertia, gravity at ang metric na pag-uugali ng mga katawan at orasan ay nabawasan sa isang solong pag-aari ng field, at ang pangkalahatang batas ng inertia ay pumalit sa papel ng batas ng paggalaw. Kasabay nito, ipinakita na ang espasyo at oras ay hindi ganap na mga kategorya - naiimpluwensyahan sila ng mga katawan at kanilang masa at binabago ang kanilang sukatan.

Paano maiisip ng isang tao ang kurbada ng espasyo at ang paglawak ng oras, na tinalakay sa pangkalahatang teorya ng relativity?

Isipin natin ang isang modelo ng espasyo sa anyo ng isang sheet ng goma (kahit na ito ay hindi ang buong espasyo, ngunit ang plane slice nito). Kung iunat namin ang sheet na ito nang pahalang at ilagay ang malalaking bola dito, pagkatapos ay ibaluktot nila ang goma, mas, mas malaki ang masa ng bola. Ito ay malinaw na nagpapakita ng pag-asa ng kurbada ng espasyo sa masa ng isang katawan at nagpapakita rin kung paano maaaring ilarawan ang mga di-Euclidean geometries ng Lobachevsky at Riemann.

Ang teorya ng relativity ay itinatag hindi lamang ang kurbada ng espasyo sa ilalim ng impluwensya ng mga patlang ng gravitational, kundi pati na rin ang pagbagal ng oras sa malakas na larangan grabidad. Ang liwanag na naglalakbay sa kahabaan ng mga alon ng kalawakan ay tumatagal ng mas matagal kaysa sa paglipat nito sa isang patag na hiwa ng espasyo. Ang isa sa mga pinaka-kamangha-manghang hula ng pangkalahatang teorya ng relativity ay ang kumpletong paghinto ng oras sa isang napakalakas na gravitational field. Ang time dilation ay nagpapakita ng sarili sa gravitational redshift ng liwanag: mas malakas ang gravity, mas mahaba ang wavelength at mas mababa ang frequency. Sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon, ang wavelength ay maaaring maging infinity, at ang dalas nito - sa zero. Yung. mawawala ang liwanag.

Sa liwanag na ibinubuga ng ating Araw, ito ay maaaring mangyari kung ang ating bituin ay lumiliit at magiging bola na may diameter na 5 km (ang diameter ng Araw ay » 1.5 milyong km). Ang araw ay magiging isang "itim na butas". Sa una, ang "mga itim na butas" ay hinulaang theoretically. Gayunpaman, noong 1993, dalawang astronomo, sina Hulse at Taylor, ang ginawaran Nobel Prize para sa pagtuklas ng naturang bagay sa Black Hole-Pulsar system. Ang pagtuklas sa bagay na ito ay isa pang kumpirmasyon ng pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein.

Ang pangkalahatang relativity ay nagawang ipaliwanag ang pagkakaiba sa pagitan ng kinakalkula at totoong mga orbit ng Mercury. Sa loob nito, ang mga orbit ng mga planeta ay hindi sarado, iyon ay, pagkatapos ng bawat rebolusyon ang planeta ay bumalik sa ibang punto sa kalawakan. Ang kinakalkula na orbit ng Mercury ay nagbigay ng error na 43??, iyon ay, ang pag-ikot ng perihelion nito ay naobserbahan (ang perihelion ay ang punto ng orbit ng planeta na umiikot sa paligid nito na pinakamalapit sa Araw.).

Tanging ang pangkalahatang teorya ng relativity ang makapagpaliwanag ng epektong ito sa pamamagitan ng kurbada ng espasyo sa ilalim ng impluwensya ng gravitational mass ng Araw.

Ang mga ideya tungkol sa espasyo at oras na nabuo sa teorya ng relativity ay ang pinaka-pare-pareho at pare-pareho. Ngunit umaasa sila sa macrocosm, sa karanasan ng pag-aaral ng malalaking bagay, malalayong distansya, mahabang panahon. Kapag gumagawa ng mga teorya na naglalarawan sa mga phenomena ng microworld, ang teorya ni Einstein ay maaaring hindi naaangkop, kahit na walang pang-eksperimentong data na sumasalungat sa paggamit nito sa microworld. Ngunit posible na ang mismong pag-unlad ng mga konsepto ng quantum ay mangangailangan ng rebisyon ng pag-unawa sa pisika ng espasyo at oras.

Sa kasalukuyan, ang pangkalahatang teorya ng relativity ay isang pangkalahatang tinatanggap na teorya sa siyentipikong mundo na naglalarawan ng mga prosesong nagaganap sa oras at espasyo. Ngunit, tulad ng anumang siyentipikong teorya, tumutugma ito sa antas ng kaalaman para sa isang partikular na panahon. Na may akumulasyon bagong impormasyon, sa pamamagitan ng pagkuha ng bagong pang-eksperimentong data, anumang teorya ay maaaring pabulaanan.

Pangkalahatan at espesyal na relativity ( bagong teorya space at time) na humantong sa katotohanan na ang lahat ng mga sistema ng sanggunian ay naging pantay, samakatuwid ang lahat ng aming mga ideya ay may kahulugan lamang sa isang tiyak na sistema ng sanggunian. Ang larawan ng mundo ay nakakuha ng isang kamag-anak, kamag-anak na karakter, mga pangunahing ideya tungkol sa espasyo, oras, sanhi, pagpapatuloy ay binago, ang malinaw na pagsalungat ng paksa at bagay ay tinanggihan, ang pang-unawa ay naging nakasalalay sa frame ng sanggunian, na kinabibilangan ng pareho ang paksa at ang bagay, ang paraan ng pagmamasid, atbp.)

Batay sa isang bagong relativistic na diskarte sa pang-unawa ng kalikasan, isang bago, ikatlong natural na paradigma ng agham sa kasaysayan ng agham ay nabuo. Ito ay batay sa mga sumusunod na ideya:

• Ø relativism– tinalikuran ng bagong siyentipikong paradigma ang ideya ng ganap na kaalaman. Lahat ng pisikal na batas na natuklasan ng mga siyentipiko ay layunin sa isang takdang panahon. Ang agham ay tumatalakay sa limitado at tinatayang mga konsepto at nagsusumikap lamang na maunawaan ang katotohanan.
• Ø Neodeterminism- nonlinear determinism. Ang pinakamahalagang aspeto ng pag-unawa sa determinismo bilang nonlinear ay ang pagtanggi sa ideya ng sapilitang sanhi, na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng tinatawag na panlabas na dahilan para sa patuloy na natural na proseso. Ang parehong pangangailangan at pagkakataon ay tumatanggap ng pantay na karapatan kapag sinusuri ang kurso ng mga natural na proseso.
• Ø Pandaigdigang ebolusyonismo– ang ideya ng kalikasan bilang isang patuloy na umuunlad, dinamikong sistema. Sinimulan ng agham na pag-aralan ang kalikasan hindi lamang mula sa pananaw ng istraktura nito, kundi pati na rin ang mga prosesong nagaganap dito. Kasabay nito, ang pananaliksik sa mga proseso sa kalikasan ay binibigyang priyoridad.
• Ø Holism- pananaw sa mundo bilang isang solong kabuuan. Ang unibersal na kalikasan ng koneksyon sa pagitan ng mga elemento ng kabuuan na ito (obligadong koneksyon).
• Ø Synergy– bilang isang paraan ng pananaliksik, bilang isang unibersal na prinsipyo ng self-organization at pag-unlad ng mga bukas na sistema.
• Ø Pagtatatag ng isang makatwirang balanse sa pagitan ng pagsusuri at synthesis kapag pinag-aaralan ang kalikasan. Naunawaan ng pagtuturo na imposibleng durugin ang kalikasan sa pinakamaliit na brick. Ang mga katangian nito ay mauunawaan lamang sa pamamagitan ng dinamika ng kalikasan sa kabuuan.
• Ø Ang pahayag na ang ebolusyon ng kalikasan ay nagaganap sa isang four-dimensional space-time continuum.

Ang teorya ng relativity ay ipinakilala ni Albert Einstein noong unang bahagi ng ika-20 siglo. Ano ang kakanyahan nito? Tingnan natin ang mga pangunahing punto at sa malinaw na wika Ilarawan natin ang TOE.

Ang teorya ng relativity ay praktikal na inalis ang mga hindi pagkakapare-pareho at mga kontradiksyon ng ika-20 siglong pisika, pinilit ang isang radikal na pagbabago sa ideya ng istraktura ng espasyo-oras, at eksperimento na nakumpirma sa maraming mga eksperimento at pag-aaral.

Kaya, ang TOE ang naging batayan ng lahat ng modernong pangunahing pisikal na teorya. Sa katunayan, ito ang ina ng modernong pisika!

Upang magsimula, nararapat na tandaan na mayroong 2 teorya ng relativity:

• Espesyal na teorya ng relativity (STR) - isinasaalang-alang ang mga pisikal na proseso sa pare-parehong gumagalaw na mga bagay.
• General relativity (GTR) - naglalarawan ng mga pabilis na bagay at ipinapaliwanag ang pinagmulan ng mga phenomena gaya ng gravity at existence.

Malinaw na ang STR ay lumitaw nang mas maaga at mahalagang bahagi ng GTR. Pag-usapan muna natin siya.

STO sa simpleng salita

Ang teorya ay batay sa prinsipyo ng relativity, ayon sa kung saan ang anumang mga batas ng kalikasan ay pareho sa paggalang sa mga katawan na nakatigil at gumagalaw sa isang palaging bilis. At mula sa isang tila simpleng pag-iisip ay sumusunod na ang bilis ng liwanag (300,000 m/s sa vacuum) ay pareho para sa lahat ng katawan.

Halimbawa, isipin na binigyan ka ng isang sasakyang pangalangaang mula sa malayong hinaharap na maaaring lumipad nang napakabilis. Ang isang laser cannon ay naka-install sa bow ng barko, na may kakayahang mag-shoot ng mga photon pasulong.

May kaugnayan sa barko, ang mga naturang particle ay lumilipad sa bilis ng liwanag, ngunit nauugnay sa isang nakatigil na tagamasid, tila dapat silang lumipad nang mas mabilis, dahil ang parehong bilis ay buod.

Gayunpaman, sa katotohanan hindi ito nangyayari! Nakikita ng isang tagamasid sa labas ang mga photon na naglalakbay sa 300,000 m/s, na parang hindi naidagdag sa kanila ang bilis ng spacecraft.

Kailangan mong tandaan: may kaugnayan sa anumang katawan, ang bilis ng liwanag ay magiging isang pare-parehong halaga, gaano man ito kabilis gumagalaw.

Mula dito sundin ang mga kamangha-manghang konklusyon tulad ng time dilation, longitudinal contraction at ang pag-asa ng timbang ng katawan sa bilis. Magbasa nang higit pa tungkol sa mga pinaka-kagiliw-giliw na kahihinatnan ng Espesyal na Teorya ng Relativity sa artikulo sa link sa ibaba.

Ang kakanyahan ng pangkalahatang relativity (GR)

Upang mas maunawaan ito, kailangan nating pagsamahin muli ang dalawang katotohanan:

• Nakatira kami sa four-dimensional na espasyo

Ang espasyo at oras ay mga pagpapakita ng parehong entity na tinatawag na "space-time continuum." Ito ay 4-dimensional space-time na may mga coordinate axes x, y, z at t.

Tayong mga tao ay hindi nakakaunawa sa 4 na dimensyon nang pantay. Sa esensya, nakikita lang natin ang mga projection ng isang tunay na four-dimensional na bagay sa espasyo at oras.

Kapansin-pansin, ang teorya ng relativity ay hindi nagsasaad na ang mga katawan ay nagbabago kapag sila ay gumagalaw. Ang mga 4-dimensional na bagay ay palaging nananatiling hindi nagbabago, ngunit sa kamag-anak na paggalaw ay maaaring magbago ang kanilang mga projection. At nakikita namin ito bilang pagbagal ng oras, pagbawas ng laki, atbp.

• Ang lahat ng mga katawan ay nahulog sa isang pare-pareho ang bilis at hindi mapabilis

Gumawa tayo ng isang nakakatakot na eksperimento sa pag-iisip. Isipin na ikaw ay nakasakay sa isang saradong elevator at nasa isang estado ng walang timbang.

Ang sitwasyong ito ay maaaring lumitaw lamang sa dalawang kadahilanan: alinman sa ikaw ay nasa kalawakan, o ikaw ay malayang nahuhulog kasama ang cabin sa ilalim ng impluwensya ng grabidad ng lupa.

Nang hindi tumitingin sa labas ng booth, talagang imposibleng makilala ang pagitan ng dalawang kasong ito. Sa isang kaso, pantay kang lumilipad, at sa isa pa ay may acceleration. Kailangan mong hulaan!

Marahil si Albert Einstein mismo ay nag-iisip tungkol sa isang haka-haka na elevator, at mayroon siyang isang kamangha-manghang pag-iisip: kung ang dalawang kaso na ito ay hindi makilala, kung gayon ang pagbagsak dahil sa gravity ay isang pare-parehong paggalaw din. Ang paggalaw ay pare-pareho lamang sa apat na dimensyon na espasyo-oras, ngunit sa pagkakaroon ng napakalaking mga katawan (halimbawa,) ito ay hubog at ang pare-parehong paggalaw ay inaasahang papunta sa ating karaniwang tatlong-dimensional na espasyo sa anyo ng pinabilis na paggalaw.

Tingnan natin ang isa pang mas simple, bagaman hindi ganap na tama, halimbawa ng curvature ng dalawang-dimensional na espasyo.

Maaari mong isipin na ang anumang napakalaking katawan ay lumilikha ng isang uri ng hugis na funnel sa ilalim nito. Kung gayon ang ibang mga katawan na lumilipad ay hindi makakapagpatuloy sa kanilang paggalaw sa isang tuwid na linya at babaguhin ang kanilang tilapon ayon sa mga liko ng hubog na espasyo.

Sa pamamagitan ng paraan, kung ang katawan ay walang maraming enerhiya, kung gayon ang paggalaw nito ay maaaring sarado.

Kapansin-pansin na mula sa punto ng view ng mga gumagalaw na katawan, patuloy silang gumagalaw sa isang tuwid na linya, dahil hindi nila nararamdaman ang anumang bagay na nagpapaikot sa kanila. Napunta lang sila sa isang hubog na espasyo at, nang hindi namamalayan, mayroon silang isang hindi linear na tilapon.

Dapat pansinin na ang 4 na sukat ay baluktot, kabilang ang oras, kaya ang pagkakatulad na ito ay dapat tratuhin nang may pag-iingat.

Kaya, sa pangkalahatang teorya ng relativity, ang gravity ay hindi isang puwersa, ngunit bunga lamang ng kurbada ng space-time. Sa ngayon, ang teoryang ito ay isang gumaganang bersyon ng pinagmulan ng grabidad at mahusay na sumasang-ayon sa mga eksperimento.

Nakakagulat na mga kahihinatnan ng pangkalahatang kapamanggitan

Maaaring baluktot ang mga light ray kapag lumilipad malapit sa malalaking katawan. Sa katunayan, ang malalayong bagay ay natagpuan sa kalawakan na "nagtatago" sa likod ng iba, ngunit sinag ng ilaw sila ay nakayuko, salamat sa kung saan ang liwanag ay umabot sa amin.

Ayon sa pangkalahatang relativity, mas malakas ang gravity, mas mabagal ang oras. Ang katotohanang ito ay dapat isaalang-alang kapag nagpapatakbo ng GPS at GLONASS, dahil ang kanilang mga satellite ay nilagyan ng pinakatumpak na mga orasan ng atom, na mas mabilis na tumitik kaysa sa Earth. Kung ang katotohanang ito ay hindi isinasaalang-alang, pagkatapos ay sa loob ng isang araw ang coordinate error ay magiging 10 km.

Salamat kay Albert Einstein na mauunawaan mo kung saan matatagpuan ang isang library o tindahan sa malapit.

At sa wakas, hinuhulaan ng pangkalahatang relativity ang pagkakaroon ng mga itim na butas sa paligid kung saan ang gravity ay napakalakas na ang oras ay humihinto lamang sa malapit. Samakatuwid, ang liwanag na nahuhulog sa isang itim na butas ay hindi maaaring umalis dito (magpakita).

Sa gitna ng isang itim na butas, dahil sa napakalaking gravitational compression, isang bagay na may walang katapusang mataas na density ay nabuo, at ito, tila, ay hindi maaaring umiral.

Kaya, ang pangkalahatang relativity ay maaaring humantong sa napakasalungat na mga konklusyon, kabaligtaran sa , kung kaya't ang karamihan ng mga physicist ay hindi ito ganap na tinanggap at patuloy na naghahanap ng isang alternatibo.

Ngunit matagumpay niyang nahuhulaan ang maraming bagay, halimbawa, kinumpirma ng isang kamakailang kahindik-hindik na pagtuklas ang teorya ng relativity at muli naming naalala ang mahusay na siyentipiko na nakabitin ang kanyang dila. Kung mahilig ka sa agham, basahin ang WikiScience.