Ainult laisad ei tea Albert Einsteini õpetust, mis annab tunnistust kõige selles surelikus maailmas toimuva suhtelisusest. Ligi sada aastat on vaidlused käinud mitte ainult teadusmaailmas, vaid ka praktiseerivate füüsikute maailmas. Einsteini relatiivsusteooria, mida kirjeldatakse lihtsate sõnadegaüsna juurdepääsetav ja pole asjatundmatute jaoks saladus.
Kokkupuutel
Mõned üldised küsimused
Võttes arvesse suure Alberti teoreetiliste õpetuste iseärasusi, võivad tema postulaate mitmeti mõistetavalt käsitleda nii teoreetiliste füüsikute kõige erinevamad voolud, üsna kõrged teaduslikud koolkonnad kui ka füüsilise ja matemaatilise koolkonna irratsionaalse voolu järgijad.
Eelmise sajandi alguses, kui toimus teadusliku mõtte hoog ja sotsiaalsete muutuste taustal hakkasid ilmnema teatud teaduslikud suundumused, ilmus relatiivsusteooria kõige kohta, milles inimene elab. Ükskõik, kuidas meie kaasaegsed seda olukorda hindavad, pole pärismaailmas kõik staatiline, Einsteini erirelatiivsusteooria:
- Ajad muutuvad, muutuvad ühiskonna vaated ja vaimne arvamus teatud probleemide kohta sotsiaalplaanis;
- Ühiskondlikud alused ja maailmavaade tõenäosusdoktriini kohta erinevates riigisüsteemides ja ühiskonna arengu eritingimustes on aja jooksul ja muude objektiivsete mehhanismide mõjul muutunud.
- Kuidas kujunesid ühiskonna vaated ühiskonna arengu probleemidele, sama oli ka suhtumine ja arvamused Einsteini teooriad aja kohta.
Tähtis! Einsteini gravitatsiooniteooria oli aluseks süsteemsetele vaidlustele mainekamate teadlaste seas nii väljatöötamise alguses kui ka valmimise ajal. Nad rääkisid temast, toimus arvukalt vaidlusi, temast sai kõneaineks eri riikide kõrgeimates salongides.
Teadlased arutasid seda, see oli vestluse teema. Oli isegi selline hüpotees, et doktriin on mõistmiseks kättesaadav vaid kolmele teadusmaailma inimesele. Kui saabus aeg postulaatide selgitamiseks, alustasid kõige salapärasema teaduse, eukleidilise matemaatika preestrid. Siis prooviti ehitada selle digitaalset mudelit ja samu matemaatiliselt kontrollitud tagajärgi selle tegevusest maailmaruumile, siis tunnistas hüpoteesi autor, et tema loodudki mõistmine muutus väga keeruliseks. Mis siis on üldine relatiivsusteooria, Mida uurib ja mis rakendust see tänapäeva maailmas on leidnud?
Ajalugu ja teooria juured
Tänapäeval nimetatakse suure Einsteini saavutusi suurel enamusel juhtudel lühidalt algselt kõigutamatu konstandi täielikuks eitamiseks. Just see avastus võimaldas ümber lükata selle, mida kõik kooliõpilased tunnevad füüsilise binoomina.
Suurem osa maailma elanikkonnast pöördus nii või teisiti tähelepanelikult ja mõtlikult või pealiskaudselt, kasvõi korra, suure raamatu – Piibli – lehekülgi.
Just sellest saab lugeda sellest, mis on saanud tõeliseks kinnituseks õpetuse olemus- millega üks noor Ameerika teadlane eelmise sajandi alguses töötas. Levitatsiooni faktid ja muud üsna levinud asjad Vana Testamendi ajaloos said kunagi uusajal imedeks. Eeter on ruum, milles inimene elas täiesti teistsugust elu. Eetris toimuva elu iseärasusi on loodusteaduste vallas uurinud paljud maailmakuulsused. JA Einsteini gravitatsiooniteooria kinnitas, et iidses raamatus kirjeldatu vastab tõele.
Hendrik Lorentzi ja Henri Poincaré teosed võimaldasid katseliselt avastada eetri teatud tunnuseid. Esiteks on need teosed maailma matemaatiliste mudelite loomisest. Aluseks oli praktiline kinnitus, et kui materjaliosakesed liiguvad eeterlikus ruumis, tõmbuvad nad liikumissuuna suhtes kokku.
Nende suurte teadlaste tööd võimaldasid luua aluse doktriini põhipostulaatidele. Just see asjaolu annab pidevat materjali väiteks, et Nobeli preemia laureaadi teosed ja Alberti relativistlik teooria olid ja on endiselt plagiaat. Paljud teadlased väidavad tänapäeval, et paljud postulaadid võeti vastu palju varem, näiteks:
- Sündmuste tingimusliku samaaegsuse mõiste;
- Konstantse binoomhüpoteesi põhimõtted ja valguse kiiruse kriteeriumid.
Mida teha selleks mõista relatiivsusteooriat? Asi on minevikus. Just Poincaré töödes väljendati hüpoteesi, et mehaanikaseaduste suured kiirused vajavad uuesti läbimõtlemist. Tänu prantsuse füüsiku väidetele sai teadusmaailm teada, kui suhteline on liikumine projektsioonis eeterliku ruumi teooriaga.
Staatilises teaduses vaadeldi suurt hulka füüsikalisi protsesse erinevate materiaalsete objektide puhul, mis liikusid . Üldkontseptsiooni postulaadid kirjeldavad kiirenevate objektidega toimuvaid protsesse, selgitavad gravitoniosakeste olemasolu ja gravitatsiooni tegelikku külge. Relatiivsusteooria olemus nende faktide selgitamisel, mis olid teadlaste jaoks varem jama. Kui on vaja kirjeldada liikumise tunnuseid ja mehaanikaseadusi, ruumi ja aja kontiinumi suhet valguse kiirusele lähenemise tingimustes, tuleks kohaldada eranditult relatiivsusteooria postulaate.
Teooriast lühidalt ja selgelt
Kuidas erineb suure Alberti õpetus sellest, mida füüsikud enne teda tegid? Varem oli füüsika üsna staatiline teadus, mis käsitles kõigi looduses toimuvate protsesside arengu põhimõtteid süsteemi "siin, täna ja praegu" sfääris. Einstein võimaldas näha kõike, mis ümberringi toimub, mitte ainult kolmemõõtmelises ruumis, vaid ka erinevate objektide ja ajapunktide suhtes.
Tähelepanu! Aastal 1905 aastal, kui Einstein avaldas oma relatiivsusteooria, võimaldas see selgitada ja arusaadavalt tõlgendada liikumist erinevate inertsiaalarvutussüsteemide vahel.
Selle peamised sätted on kahe objekti konstantsete kiiruste suhe, mis liiguvad üksteise suhtes, selle asemel, et võtta üks objekt, mida võib võtta üheks absoluutseks võrdlusteguriks.
Õpetuse tunnusjoon seisneb selles, et seda saab käsitleda seoses ühe erandjuhtumiga. Peamised tegurid:
- Liikumissuuna sirgjoonelisus;
- Materiaalse keha liikumise ühtsus.
Suuna või muude lihtsate parameetrite muutmisel, kui materiaalne keha võib kiirendada või pöörata külili, ei kehti staatilise relatiivsusteooria seadused. Sel juhul hakkavad kehtima üldised relatiivsusteooriaseadused, millega saab seletada materiaalsete kehade liikumist üldises olukorras. Nii leidis Einstein seletuse kõikidele füüsiliste kehade ruumis omavahelise interaktsiooni põhimõtetele.
Relatiivsusteooria põhimõtted
Õpetuspõhimõtted
Väide relatiivsuse kohta on olnud kõige elavamate arutelude objekt sada aastat. Enamik teadlasi peab postulaatide erinevaid rakendusi kahe füüsikaprintsiibi rakendusteks. Ja see tee on rakendusfüüsika vallas kõige populaarsem. Põhipostulaadid relatiivsusteooria, huvitavad faktid, mis leidis täna ümberlükkamatut kinnitust:
- Relatiivsusteooria põhimõte. Kehade suhte säilitamine kõigi füüsikaseaduste järgi. Aktsepteerides neid inertsiaalsete tugiraamidena, mis liiguvad üksteise suhtes konstantse kiirusega.
- Postulaat valguse kiiruse kohta. See jääb muutumatuks konstandiks igas olukorras, olenemata kiirusest ja seosest valgusallikatega.
Vaatamata vastuoludele uue õpetuse ja ühe täppisteaduse põhipostulaatide vahel, mis põhinevad pidevatel staatilistele näitajatele, tõmbas uus hüpotees ümbritseva maailma värske pilguga. Teadlase edu tagas, mida kinnitas talle täppisteaduste valdkonna Nobeli preemia omistamine.
Mis põhjustas sellise ülekaaluka populaarsuse, ja Kuidas avastas Einstein oma relatiivsusteooria?? Noore teadlase taktika.
- Seni on maailmakuulsad teadlased esitanud väitekirja ja alles seejärel viinud läbi mitmeid praktilisi uuringuid. Kui mingil hetkel saadi andmeid, mis üldkontseptsiooniga ei klappinud, tunnistati need põhjuste summeerimisel vigaseks.
- Noor geenius kasutas kardinaalselt teistsugust taktikat, tegi praktilisi katseid, need olid seeriaviisilised. Vaatamata asjaolule, et need kuidagi ei mahtunud kontseptuaalsesse seeriasse, reastusid saadud tulemused ühtsesse teooriasse. Ja ei mingeid "vigu" ja "vigu", kõik hetked relatiivsusteooria hüpoteesid, näited ja vaatluste tulemused sobivad selgelt revolutsioonilise teoreetilise doktriiniga.
- Tulevane Nobeli preemia laureaat eitas vajadust uurida salapärast eetrit, kus levivad valguslained. Usk, et eeter on olemas, on toonud kaasa mitmeid olulisi väärarusaamu. Peamine postulaat on valguskiire kiiruste muutumine eeterlikus keskkonnas protsessi jälgiva suhtes.
Relatiivsus mannekeenide jaoks
Relatiivsusteooria on lihtsaim seletus
Järeldus
Teadlase peamine saavutus on selliste suuruste nagu ruum ja aeg harmoonia ja ühtsuse tõestus. Nende kahe kontiinumi ühendamise põhiolemus kolme mõõtme osana koos ajamõõtmega võimaldas teada saada palju materiaalse maailma olemuse saladusi. Tänu Einsteini gravitatsiooniteooria sai kättesaadavaks kaasaegse teaduse sügavuste ja muude saavutuste uurimiseks, sest õpetuste kõiki võimalusi pole tänaseni kasutatud.
Relatiivsusteooria võttis 20. sajandi alguses kasutusele Albert Einstein. Mis on selle olemus? Vaatleme põhipunkte ja iseloomustame TOE-d arusaadavas keeles.
Relatiivsusteooria kõrvaldas praktiliselt 20. sajandi füüsika ebakõlad ja vastuolud, sundis radikaalselt muutma ideed aegruumi struktuurist ning leidis eksperimentaalset kinnitust arvukates katsetes ja uuringutes.
Seega moodustas TOE kõigi kaasaegsete füüsikaliste fundamentaalsete teooriate aluse. Tegelikult on see kaasaegse füüsika ema!
Alustuseks väärib märkimist, et on 2 relatiivsusteooriat:
- Erirelatiivsusteooria (SRT) – arvestab füüsilisi protsesse ühtlaselt liikuvates objektides.
- Üldrelatiivsusteooria (GR) – kirjeldab kiirenevaid objekte ja selgitab selliste nähtuste päritolu nagu gravitatsioon ja olemasolu.
On selge, et SRT ilmus varem ja on tegelikult osa GRT-st. Räägime kõigepealt temast.
STO lihtsate sõnadega
Teooria põhineb relatiivsusprintsiibil, mille kohaselt on kõik loodusseadused paigalseisvate ja püsiva kiirusega liikuvate kehade suhtes ühesugused. Ja sellisest pealtnäha lihtsast mõttest järeldub, et valguse kiirus (vaakumis 300 000 m/s) on kõigil kehadel ühesugune.
Näiteks kujutage ette, et teile antakse kaugest tulevikust kosmoselaev, mis suudab lennata suurel kiirusel. Laeva vöörile on paigaldatud laserkahur, mis suudab footoneid ettepoole tulistada.
Laeva suhtes lendavad sellised osakesed valguse kiirusega, kuid paigalseisva vaatleja suhtes näib, et nad peaksid lendama kiiremini, kuna mõlemad kiirused on kokku võetud.
Seda aga tegelikult ei juhtu! Välisvaatleja näeb 300 000 m/s lendavaid footoneid, nagu poleks neile kosmoseaparaadi kiirust lisatud.
Tuleb meeles pidada: mis tahes keha suhtes on valguse kiirus konstantne väärtus, olenemata sellest, kui kiiresti see liigub.
Sellest järelduvad hämmastavad järeldused, nagu aja dilatatsioon, pikisuunaline kontraktsioon ja kehakaalu sõltuvus kiirusest. Loe lähemalt erirelatiivsusteooria kõige huvitavamatest tagajärgedest alloleval lingil olevast artiklist.
Üldrelatiivsusteooria (GR) olemus
Selle paremaks mõistmiseks peame uuesti ühendama kaks fakti:
- Me elame 4D ruumis
Ruum ja aeg on ühe ja sama üksuse, mida nimetatakse aegruumi kontiinumiks, ilmingud. See on 4-mõõtmeline aegruum, mille koordinaatteljed on x, y, z ja t.
Meie, inimesed, ei ole võimelised 4 dimensiooni ühtmoodi tajuma. Tegelikult näeme me ainult reaalse neljamõõtmelise objekti projektsioone ruumi ja aega.
Huvitaval kombel ei väida relatiivsusteooria, et kehad muutuvad liikumisel. 4-mõõtmelised objektid jäävad alati muutumatuks, kuid suhtelise liikumise korral võivad nende projektsioonid muutuda. Ja me tajume seda aja aeglustumise, suuruse vähenemisena jne.
- Kõik kehad langevad kiirendamise asemel konstantse kiirusega
Teeme hirmutava mõtteeksperimendi. Kujutage ette, et sõidate kinnises liftikabiinis ja olete kaaluta olekus.
Selline olukord võib tekkida ainult kahel põhjusel: kas viibite kosmoses või kukute maa raskusjõu mõjul vabalt koos kabiiniga.
Ilma putkast välja vaatamata on nende kahe juhtumi vahel täiesti võimatu vahet teha. Lihtsalt ühel juhul lendad ühtlaselt, teisel juhul aga kiirendusega. Peate ära arvama!
Võib-olla mõtles Albert Einstein ise kujuteldavale liftile ja tal tekkis üks hämmastav idee: kui neid kahte juhtumit ei saa eristada, siis on ka gravitatsiooni tõttu kukkumine ühtlane liikumine. Lihtsalt liikumine on neljamõõtmelises aegruumis ühtlane, kuid massiivsete kehade juuresolekul (näiteks) on see kõver ja ühtlane liikumine projitseeritakse kiirendatud liikumise kujul meie tavalisse kolmemõõtmelisse ruumi.
Vaatame veel ühte lihtsamat, ehkki mitte täiesti õiget näidet kahemõõtmelise ruumikõveruse kohta.
Võib ette kujutada, et iga massiivne keha enda all loob omamoodi kujundliku lehtri. Siis ei saa teised mööda lendavad kehad sirgjooneliselt edasi liikuda ja muudavad oma trajektoori vastavalt kõvera ruumi kõveratele.
Muide, kui kehal pole nii palju energiat, võib selle liikumine üldiselt suletuks osutuda.
Tasub tähele panna, et liikuvate kehade seisukohalt jätkavad nad liikumist sirgjooneliselt, sest nad ei tunne midagi, mis paneks end pöörama. Nad sattusid just kõverasse ruumi ja sellest aru saamata on neil mittesirgejooneline trajektoor.
Tuleb märkida, et 4 mõõdet on painutatud, sealhulgas aeg, seega tuleks sellesse analoogiasse suhtuda ettevaatlikult.
Seega ei ole gravitatsioon üldises relatiivsusteoorias üldse jõud, vaid ainult aegruumi kõveruse tagajärg. Praegu on see teooria gravitatsiooni päritolu tööversioon ja on eksperimentidega suurepäraselt kooskõlas.
Üldrelatiivsusteooria üllatavad tagajärjed
Valguskiired võivad massiivsete kehade läheduses lennates painduda. Tõepoolest, kosmosest on leitud kaugeid objekte, mis “peidavad” teiste taha, kuid valguskiired käivad nende ümber, tänu millele valgus meieni jõuab.
Üldrelatiivsusteooria järgi, mida tugevam on gravitatsioon, seda aeglasemalt aeg möödub. Seda asjaolu võetakse GPS-i ja GLONASS-i töös tingimata arvesse, sest nende satelliitidel on kõige täpsemad aatomkellad, mis tiksuvad veidi kiiremini kui Maal. Kui seda asjaolu arvesse ei võeta, on päevaga koordinaatide viga 10 km.
Tänu Albert Einsteinile saate aru, kus lähedal asub raamatukogu või kauplus.
Ja lõpuks, GR ennustab mustade aukude olemasolu, mille ümber on gravitatsioon nii tugev, et aeg lihtsalt peatub läheduses. Seetõttu ei saa musta auku sisenev valgus sealt lahkuda (peegelduda).
Musta augu keskel moodustub kolossaalse gravitatsioonilise kokkutõmbumise tõttu lõpmata suure tihedusega objekt, mis näib, et see ei saa olla.
Seega võib GR viia väga vastuoluliste järeldusteni, vastupidiselt , nii et enamik füüsikuid ei nõustunud sellega täielikult ja jätkas alternatiivi otsimist.
Kuid ta suudab paljutki edukalt ennustada, näiteks hiljutine sensatsiooniline avastus kinnitas relatiivsusteooriat ja pani meid taas rippuva keelega suurt teadlast meenutama. Armasta teadust, lugege WikiScience'i.
Kes oleks võinud arvata, et väike postiametnik vahetuboma aja teaduse alused? Aga see juhtus! Einsteini relatiivsusteooria sundis meid ümber vaatama tavapärast vaadet Universumi ehitusele ja avas uusi teaduslikke teadmisi.
Enamik teaduslikke avastusi tehakse katsega: teadlased kordavad katseid mitu korda, et olla kindlad nende tulemustes. Tööd tehti tavaliselt ülikoolides või suurettevõtete uurimislaborites.
Albert Einstein muutis täielikult teaduslikku pilti maailmast, ilma et oleks teinud ühtegi praktilist katset. Tema ainsad tööriistad olid paber ja pliiats ning kõik katsed tegi ta peas.
liikuv valgus
(1879-1955) tegi kõik oma järeldused "mõtteeksperimendi" tulemustele. Neid katseid sai teha ainult kujutlusvõimes.
Kõikide liikuvate kehade kiirused on suhtelised. See tähendab, et kõik objektid liiguvad või jäävad paigale ainult mõne teise objekti suhtes. Näiteks Maa suhtes liikumatu inimene pöörleb samal ajal koos Maaga ümber Päikese. Või oletame, et inimene kõnnib mööda liikuva rongi vagunit liikumissuunas kiirusega 3 km/h. Rong liigub kiirusega 60 km/h. Maapinnal seisva vaatleja suhtes on inimese kiirus 63 km / h - inimese kiirus pluss rongi kiirus. Kui ta läheks liikumisele vastu, oleks tema kiirus paigalseisva vaatleja suhtes 57 km / h.
Einstein väitis, et valguse kiirusest ei saa sel viisil rääkida. Valguse kiirus on alati konstantne, olenemata sellest, kas valgusallikas läheneb teile, eemaldub teist või seisab paigal.
Mida kiiremini seda vähem
Einstein tegi algusest peale üllatavaid oletusi. Ta väitis, et kui objekti kiirus läheneb valguse kiirusele, vähenevad selle mõõtmed, samas kui selle mass, vastupidi, suureneb. Ühtegi keha ei saa kiirendada valguse kiirusega võrdse või sellest suurema kiiruseni.
Tema teine järeldus oli veelgi üllatavam ja tundus olevat terve mõistusega vastuolus. Kujutage ette, et kahest kaksikust jäi üks Maale, teine aga liikus läbi kosmose valguse kiirusele lähedase kiirusega. Maale saatmisest on möödunud 70 aastat. Laeva pardal liigub aeg Einsteini teooria järgi aeglasemalt ja seal on möödunud näiteks vaid kümme aastat. Selgub, et üks Maale jäänud kaksikutest sai teisest kuuskümmend aastat vanemaks. Seda efekti nimetatakse " kaksiku paradoks". See kõlab uskumatult, kuid laborikatsed on kinnitanud, et aja dilatatsioon valguse kiirusele lähedasel kiirusel on tõesti olemas.
Halastamatu järeldus
Einsteini teooria sisaldab ka kuulsat valemit E = mc 2, kus E on energia, m on mass ja c on valguse kiirus. Einstein väitis, et massi saab muuta puhtaks energiaks. Selle avastuse praktilises elus rakendamise tulemusena ilmus aatomienergia ja tuumapomm.
Einstein oli teoreetik. Eksperimendid, mis pidid tema teooria õigsust tõestama, jättis ta teistele. Paljusid neist katsetest ei saanud teha enne, kui olid saadaval piisavalt täpsed mõõteriistad.
Faktid ja sündmused
- Tehti järgmine katse: lennuk, millele pandi väga täpne kell, tõusis õhku ja, olles suurel kiirusel ümber Maa lennanud, vajus samas punktis põhja. Lennuki pardal olev kell jäi Maale jäänud kellast sekundi murdosa võrra maha.
- Kui pall kukub vabalangemise kiirendusega langevas liftis, siis pall ei kuku, vaid justkui ripub õhus. Seda seetõttu, et pall ja lift langevad sama kiirusega.
- Einstein tõestas, et gravitatsioon mõjutab aegruumi geomeetrilisi omadusi, mis omakorda mõjutab kehade liikumist selles ruumis. Niisiis, kaks teineteisega paralleelselt liikuma hakanud keha kohtuvad lõpuks ühel hetkel.
Aja ja ruumi kõverdumine
Kümme aastat hiljem, aastatel 1915-1916 töötas Einstein välja uue gravitatsiooniteooria, mida ta nimetas üldrelatiivsusteooria. Ta väitis, et kiirendus (kiiruse muutus) mõjub kehadele samamoodi nagu gravitatsioonijõud. Kosmonaut ei suuda oma aistingutega kindlaks teha, kas teda tõmbab suur planeet või kas rakett on hakanud aeglustuma.
Kui kosmoselaev kiirendab valguse kiirusele lähedase kiiruseni, siis sellel olev kell aeglustub. Mida kiiremini laev liigub, seda aeglasemalt kell töötab.
Selle erinevused Newtoni gravitatsiooniteooriast avalduvad tohutu massiga kosmoseobjektide, näiteks planeetide või tähtede uurimisel. Katsed on kinnitanud suure massiga kehade lähedalt mööduvate valguskiirte kõverust. Põhimõtteliselt on võimalik nii tugev gravitatsiooniväli, et valgus ei saa sellest kaugemale minna. Seda nähtust nimetatakse " must auk". "Mustad augud" näivad olevat leitud mõnest tähesüsteemist.
Newton väitis, et planeetide orbiidid ümber Päikese on fikseeritud. Einsteini teooria ennustab Päikese gravitatsioonivälja olemasoluga seotud planeetide orbiitide aeglast täiendavat pöörlemist. Ennustus kinnitati eksperimentaalselt. See oli tõesti verstaposti avastus. Sir Isaac Newtoni universaalse gravitatsiooni seadust muudeti.
Võidurelvastumise algus
Einsteini töö andis võtme paljudele looduse saladustele. Need mõjutasid paljude füüsikaharude arengut, alates elementaarosakeste füüsikast kuni astronoomia – universumi ehituse teaduseni.
Einstein ei tegelenud oma elus mitte ainult teooriaga. 1914. aastal sai temast Berliini Füüsika Instituudi direktor. 1933. aastal, kui natsid Saksamaal võimule tulid, pidi ta juudina siit riigist lahkuma. Ta kolis USA-sse.
1939. aastal kirjutas Einstein sõjale vastuollu vaatamata president Rooseveltile kirja, hoiatades teda, et on võimalik valmistada tohutu hävitava jõuga pomm ja et Natsi-Saksamaa on juba alustanud sellise pommi väljatöötamist. President andis korralduse tööle asuda. See tähistas võidurelvastumise algust.
Väidetavalt saabus epifaania Albert Einsteinile hetkega. Väidetavalt sõitis teadlane Bernis (Šveits) trammiga, vaatas tänavakella ja mõistis äkki, et kui tramm nüüd kiirendaks valguse kiiruseni, siis tema tajumisel see kell peatuks - ja aega polekski. See viis ta sõnastamiseni relatiivsusteooria ühe keskse postulaadini – et erinevad vaatlejad tajuvad tegelikkust erinevalt, sealhulgas selliseid fundamentaalseid suurusi nagu kaugus ja aeg.
Teaduslikus mõttes mõistis Einstein sel päeval, et iga füüsilise sündmuse või nähtuse kirjeldus sõltub sellest võrdlussüsteemid kus vaatleja asub. Kui trammireisija näiteks kukub oma prillid maha, siis tema jaoks kukuvad need vertikaalselt allapoole ja tänaval seisval jalakäijal kukuvad prillid alla paraboolina, kuna prillide langemise ajal liigub tramm. Igaühel on oma võrdlussüsteem.
Kuid kuigi sündmuste kirjeldused muutuvad ühest raamistikust teise liikudes, on ka universaalseid asju, mis jäävad muutumatuks. Kui klaaside kukkumise kirjeldamise asemel küsida nende kukkumist põhjustava loodusseaduse kohta, siis vastus sellele on fikseeritud koordinaatsüsteemis vaatlejal ja liikuvas koordinaatsüsteemis vaatlejal sama. Hajaliikluse seadus kehtib ühtviisi nii tänaval kui trammis. Teisisõnu, kui sündmuste kirjeldus sõltub vaatlejast, siis loodusseadused temast ei sõltu, st nagu teaduskeeles öeldakse, muutumatu. See on mis relatiivsuspõhimõte.
Nagu iga hüpoteesi, tuli ka relatiivsuspõhimõtet testida, seostades seda reaalsete loodusnähtustega. Einstein tuletas relatiivsusprintsiibist kaks eraldiseisvat (kuigi seotud) teooriat. Spetsiaalne ehk privaatne relatiivsusteooria lähtub seisukohast, et loodusseadused on ühesugused kõigi konstantse kiirusega liikuvate tugiraamide puhul. Üldrelatiivsusteooria laiendab seda põhimõtet mis tahes tugiraamistikule, sealhulgas neile, mis liiguvad koos kiirendusega. Erirelatiivsusteooria ilmus 1905. aastal ja matemaatiliselt keerukama üldrelatiivsusteooria lõpetas Einstein 1916. aastaks.
Erirelatiivsusteooria
Enamiku paradoksaalsete ja intuitiivsete maailmakujutlustega vastuolus olevatest efektidest, mis tekivad valguse kiirusele lähedasel kiirusel liikudes, ennustab erirelatiivsusteooria täpselt. Neist tuntuim on kella aeglustamise efekt ehk aja laiendamise efekt. Vaatleja suhtes liikuv kell töötab tema jaoks aeglasemalt kui täpselt sama kell tema kätes.
Valguse kiirusele lähedase kiirusega liikuvas koordinaatsüsteemis on aeg vaatleja suhtes venitatud, objektide ruumiline ulatus (pikkus) piki liikumissuuna telge, vastupidi, surutakse kokku. See efekt, tuntud kui Lorentz-Fitzgeraldi kontraktsioon, kirjeldas 1889. aastal Iiri füüsik George Fitzgerald (George Fitzgerald, 1851-1901) ja 1892. aastal täiendas seda hollandlane Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentzi-Fitzgeraldi kontraktsioon selgitab, miks Michelson-Morley eksperiment Maa kiiruse määramiseks avakosmoses "eeterliku tuule" mõõtmise abil andis negatiivse tulemuse. Hiljem lülitas Einstein need võrrandid erirelatiivsusteooriasse ja täiendas neid sarnase massi teisendusvalemiga, mille kohaselt suureneb ka keha mass, kui keha kiirus läheneb valguse kiirusele. Nii et kiirusel 260 000 km / s (87% valguse kiirusest) kahekordistub objekti mass puhkenurgas oleva vaatleja seisukohast.
Einsteini ajast saadik on kõik need ennustused, ükskõik kui vastuolulised terve mõistusega tunduvad, täielikult ja otseselt eksperimentaalselt kinnitatud. Ühes kõige paljastavamas katses asetasid Michigani ülikooli teadlased regulaarseid transatlantilisi lende tegeva reisilennuki pardale ülitäpsed aatomkellad ning pärast iga kodulennujaama naasmist võrdlesid nad oma näitu kontrollkellaga. Selgus, et lennukikell jäi tasapisi aina enam (kui nii võib öelda, kui rääkida sekundi murdosadest) juhtimisest maha. Viimase poole sajandi jooksul on teadlased uurinud elementaarosakesi tohututel riistvarakompleksidel, mida nimetatakse kiirenditeks. Nendes kiirendatakse laetud subatomaarsete osakeste (näiteks prootonite ja elektronide) kiired valguse kiirusele lähedase kiiruseni, seejärel lastakse need erinevate tuumasihtmärkide pihta. Sellistes kiirenditega tehtud katsetes on vaja arvestada kiirendatud osakeste massi suurenemisega - vastasel juhul ei anna katse tulemused lihtsalt mõistlikku tõlgendamist. Ja selles mõttes on erirelatiivsusteooria juba ammu liikunud hüpoteetiliste teooriate kategooriast rakenduslike inseneritööriistade valdkonda, kus seda kasutatakse samaväärselt Newtoni mehaanikaseadustega.
Tulles tagasi Newtoni seaduste juurde, tahaksin rõhutada, et kuigi erirelatiivsusteooria on väliselt vastuolus klassikalise Newtoni mehaanika seadustega, reprodutseerib see tegelikult peaaegu täpselt kõik Newtoni seaduste tavavõrrandid, kui seda rakendada kehade kirjeldamiseks, mis liiguvad kiirus on oluliselt väiksem kui valguse kiirus. See tähendab, et erirelatiivsusteooria ei tühista Newtoni füüsikat, vaid laiendab ja täiendab seda.
Relatiivsusteooria põhimõte aitab mõista ka seda, miks selles maailma struktuurimudelis nii olulist rolli mängib valguse kiirus, mitte mõni muu – seda küsivad paljud teooriaga esimest korda kokku puutunud. suhtelisusest. Valguse kiirus paistab silma ja omab erilist rolli universaalse konstandina, sest selle määrab loodusteaduslik seadus. Relatiivsuspõhimõtte kohaselt valguse kiirus vaakumis c on sama mis tahes võrdlussüsteemis. See näib olevat vastuolus terve mõistusega, kuna selgub, et liikuvast allikast (ükskõik kui kiiresti see liigub) ja paigalseisvast allikast tulev valgus jõuab vaatlejani samal ajal. See on aga nii.
Tänu oma erilisele rollile loodusseadustes on valguse kiirusel üldrelatiivsusteoorias keskne koht.
Üldrelatiivsusteooria
Üldrelatiivsusteooria on juba rakendatud kõikidele tugiraamidele (ja mitte ainult nendele, mis liiguvad üksteise suhtes konstantsel kiirusel) ja tundub matemaatiliselt palju keerulisem kui eriline (mis seletab üheteistaastase vahe nende avaldamise vahel). See hõlmab erijuhuna erirelatiivsusteooriat (ja seega ka Newtoni seadusi). Samas läheb üldine relatiivsusteooria palju kaugemale kui kõik tema eelkäijad. Eelkõige annab see gravitatsiooni uue tõlgenduse.
Üldrelatiivsusteooria muudab maailma neljamõõtmeliseks: kolmele ruumimõõtmele lisandub aeg. Kõik neli mõõdet on lahutamatud, seega ei räägi me enam kahe objekti vahelisest ruumilisest kaugusest, nagu see on kolmemõõtmelises maailmas, vaid sündmuste vahelistest aegruumi intervallidest, mis ühendavad nende kaugust üksteisest – nii ajas ja ruumis. See tähendab, et ruumi ja aega käsitletakse neljamõõtmelise aegruumi kontiinumina või lihtsalt aegruum. Sellel kontiinumil võivad üksteise suhtes liikuvad vaatlejad isegi eriarvamusel olla selles, kas kaks sündmust toimusid samal ajal – või üks eelnes teisele. Meie vaese mõistuse õnneks ei jõua see põhjuslike seoste rikkumiseni - see tähendab koordinaatsüsteemide olemasolu, milles kaks sündmust ei toimu samaaegselt ja erinevas järjestuses, isegi üldine relatiivsusteooria ei võimalda.
Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus ütleb meile, et mis tahes kahe keha vahel universumis on vastastikune külgetõmbejõud. Sellest vaatenurgast tiirleb Maa ümber Päikese, kuna nende vahel on vastastikuse külgetõmbe jõud. Üldrelatiivsusteooria sunnib meid aga sellele nähtusele teisiti vaatama. Selle teooria kohaselt on gravitatsioon aegruumi elastse koe deformatsiooni (“kõveruse”) tagajärg massi mõjul (antud juhul mida raskem on keha, näiteks Päike, seda rohkem aegruumi). “paindub” selle alla ja mida tugevam on vastavalt selle gravitatsioonijõud). väli). Kujutage ette tihedalt venitatud lõuendit (omamoodi batuut), millele asetatakse massiivne pall. Lõuend deformeerub palli raskuse all ja selle ümber tekib lehtrikujuline lohk. Üldrelatiivsusteooria järgi tiirleb Maa ümber Päikese nagu väike pall, mis veereb ümber lehtri koonuse, mis on tekkinud raske palli – Päikese – aegruumi "läbilöögi" tulemusena. Ja see, mis meile tundub gravitatsioonijõuna, on tegelikult aegruumi kõveruse puhtalt väline ilming ja üldsegi mitte jõud Newtoni mõistes. Siiani ei ole leitud paremat seletust gravitatsiooni olemusele, kui seda meile annab üldine relatiivsusteooria.
Üldrelatiivsusteooria testimine on keeruline, kuna tavalistes laboritingimustes on selle tulemused peaaegu identsed Newtoni universaalse gravitatsiooniseadusega ennustatutega. Sellegipoolest viidi läbi mitmeid olulisi katseid ja nende tulemused lubavad teooriat kinnitatuks lugeda. Lisaks aitab üldrelatiivsusteooria seletada nähtusi, mida me kosmoses jälgime, nagu Merkuuri kerged kõrvalekalded paigalseisvalt orbiidilt, mis on klassikalise Newtoni mehaanika seisukohalt seletamatud, või kaugete tähtede elektromagnetkiirguse paindumine selle vahetus läheduses. Päikese poole.
Tegelikult erinevad üldrelatiivsusteooria ennustatud tulemused märgatavalt Newtoni seaduste järgi ennustatud tulemustest ainult ülitugevate gravitatsiooniväljade olemasolul. See tähendab, et üldise relatiivsusteooria täielikuks testimiseks on vaja ülitäpseid mõõtmisi väga massiivsete objektide või mustade aukude puhul, mille puhul ükski meie tavaline intuitiivne idee ei kehti. Seega jääb eksperimentaalfüüsika üheks olulisemaks ülesandeks uute eksperimentaalsete meetodite väljatöötamine relatiivsusteooria testimiseks.
GR ja RTG: Mõned rõhuasetused
1. Lugematutes raamatutes – monograafiates, õpikutes ja populaarteaduslikes väljaannetes, aga ka erinevat tüüpi artiklites – on lugejad harjunud nägema viiteid üldisele relatiivsusteooriale (GR) kui meie sajandi ühele suurimale saavutusele, mis on tähelepanuväärne. teooria, tänapäevase füüsika ja astronoomia asendamatu tööriist. Vahepeal saavad nad A. A. Logunovi artiklist teada, et tema arvates tuleks üldrelatiivsusteooriast loobuda, et see on halb, ebajärjekindel ja vastuoluline. Seetõttu nõuab üldrelatiivsusteooria asendamist mõne teise teooriaga ja täpsemalt A. A. Logunovi ja tema kaastöötajate koostatud relativistliku gravitatsiooniteooriaga (RTG).
Kas on võimalik, et paljud inimesed eksivad oma hinnangus üldrelatiivsusteooriale, mis on eksisteerinud ja mida on uuritud juba üle 70 aasta, ja vaid vähesed inimesed eesotsas A. A. Logunoviga said tõesti aru, et üldrelatiivsusteooria tuleks kõrvale heita? Tõenäoliselt ootab enamik lugejaid vastust: see on võimatu. Tegelikult saan vastata vaid vastupidiselt: “selline” on põhimõtteliselt võimalik, sest me ei räägi mitte religioonist, vaid teadusest.
Erinevate religioonide ja usutunnistuste rajajad ja prohvetid lõid ja loovad jätkuvalt oma "pühi raamatuid", mille sisu on kuulutatud ülimaks tõeks. Kui keegi kahtleb, siis seda hullem on tema jaoks ketser ja sellest tulenevad tagajärjed, sageli isegi verised. Ja parem on üldse mitte mõelda, vaid uskuda, järgides ühe kirikujuhi tuntud valemit: "Ma usun, sest see on absurdne." Teaduslik maailmavaade on põhimõtteliselt vastupidine: see nõuab mitte midagi enesestmõistetavana, lubab kõiges kahelda, ei tunnista dogmasid. Uute faktide ja kaalutluste mõjul pole mitte ainult võimalik, vaid ka vajalik, kui see on põhjendatud, muuta oma seisukohta, asendada ebatäiuslik teooria täiuslikumaga või, ütleme, kuidagi üldistada vana teooriat. Üksikisikute puhul on olukord sarnane. Usutunnistuste rajajaid peetakse eksimatuteks ja näiteks katoliiklaste seas tunnistatakse eksimatuks isegi elav inimene – "valitsev" paavst. Teadus ei tunne eksimatut. Suurel, mõnikord isegi eksklusiivsel austusel, mis füüsikutel (ma räägin füüsikutest, et olla kindel) oma elukutse suurte esindajate, eriti selliste titaanide nagu Isaac Newton ja Albert Einstein vastu, pole mingit pistmist pühakute kanoniseerimisega. jumalikustamine. Ja suured füüsikud on inimesed ja kõigil inimestel on oma nõrkused. Kui me räägime teadusest, mis meid siin huvitab, siis suurimad füüsikud polnud kaugeltki alati ja mitte kõiges õiged, nende austamine ja nende teenete tunnustamine ei põhine mitte eksimatusel, vaid sellel, et neil õnnestus teadust rikastada märkimisväärseid saavutusi, et näha kaugemale ja sügavamale kui nende kaasaegsed.
2. Nüüd on vaja peatuda füüsikaliste fundamentaalsete teooriate nõuetel. Esiteks peab selline teooria olema oma kohaldatavuse osas täielik või, nagu ma lühiduse mõttes meelevaldselt ütlen, olema järjekindel. Teiseks peab füüsikateooria olema adekvaatne füüsilise reaalsusega või lihtsamalt öeldes olema kooskõlas katsete ja vaatlustega. Võiks nimetada muid nõudeid, ennekõike matemaatika seaduste ja reeglite järgimist, kuid see kõik on vihjatud.
Selgitagem öeldut klassikalise, mitterelativistliku mehaanika näitel – Newtoni mehaanika, mis on rakendatud mõne "punktosakese" liikumise põhimõtteliselt lihtsamale probleemile. Nagu teada, võib sellise osakese rolli taevamehaanika probleemides täita terve planeet või selle satelliit. Lase hetkel t0 osake on punktis A koordinaatidega x iA(t0) ja selle kiirus on v iA(t0) (Siin i= l, 2, 3, sest punkti asukohta ruumis iseloomustavad kolm koordinaati ja kiirus on vektor). Siis, kui kõik osakesele mõjuvad jõud on teada, võimaldavad mehaanika seadused määrata asukoha B ja osakeste kiirus v i mis tahes hilisemal ajahetkel t st täpselt määratletud koguste leidmiseks xiB(t) ja v iB(t). Ja mis juhtuks, kui kasutatavad mehaanika seadused ei annaks ühemõttelist vastust ja näiteks meie näites ennustaksid, et osake hetkel t võib olla kas punktis B või hoopis teises kohas C? On selge, et selline klassikaline (mitte-kvantide) teooria oleks puudulik või mainitud terminoloogias vastuoluline. Seda tuleks kas täiendada, muutes selle üheselt mõistetavaks, või üldse ära visata. Newtoni mehaanika, nagu öeldud, on järjekindel – see annab üheselt mõistetavad ja üsna kindlad vastused küsimustele, mis on tema pädevuse ja rakendatavuse valdkonnas. Newtoni mehaanika rahuldab ka teist mainitud nõuet - selle põhjal saadud tulemusi (ja täpsemalt koordinaatide väärtusi x i(t) ja kiirus v i (t)) on kooskõlas vaatluste ja katsetega. Seetõttu põhines kogu taevamehaanika – planeetide ja nende satelliitide liikumise kirjeldus – esialgu täielikult ja täie eduga Newtoni mehaanikal.
3. Kuid 1859. aastal avastas Le Verrier, et Päikesele lähima planeedi – Merkuuri liikumine erineb mõnevõrra Newtoni mehaanika ennustatust. Täpsemalt selgus, et periheel – planeedi elliptilise orbiidi Päikesele lähim punkt – pöörleb nurkkiirusega 43 kaaresekundit sajandis, mis erineb sellest, mida võiks eeldada, kui võtta arvesse kõiki teadaolevaid häireid teistest. planeedid ja nende satelliidid. Juba varem kohtasid Le Verrier ja Adams tegelikult sarnast olukorda, kui analüüsisid tol ajal teadaolevatest Päikesest kõige kaugemal asuva planeedi Uraani liikumist. Ja nad leidsid seletuse arvutuste ja vaatluste lahknevusele, mis viitab sellele, et Uraani liikumist mõjutab veelgi kaugem planeet nimega Neptuun. 1846. aastal avastati Neptuun tõepoolest ennustatud asukohast ja seda sündmust peetakse teenitult Newtoni mehaanika võidukäiguks. On üsna loomulik, et Le Verrier püüdis nimetatud anomaaliat Merkuuri liikumises seletada veel tundmatu planeedi olemasoluga – antud juhul siis teatud planeediga Vulcan, mis liigub Päikesele veelgi lähemale. Kuid teisel korral "trikk ebaõnnestus" - Vulkaanit pole olemas. Seejärel hakati püüdma muuta Newtoni universaalse gravitatsiooniseadust, mille kohaselt Päikese-planeedi süsteemile rakenduv gravitatsioonijõud muutub vastavalt seadusele.
kus ε on mingi väike suurus. Muide, sarnast tehnikat kasutatakse (ehkki edutult) tänapäeval ka mõne astronoomia hämara küsimuse selgitamiseks (räägime varjatud massi probleemist; vt näiteks allpool viidatud autori raamatut "Füüsikast ja astrofüüsikast"). , lk 148). Kuid selleks, et hüpotees areneks teooriaks, on vaja lähtuda mõnest printsiibist, näidata parameetri ε väärtus ja koostada järjepidev teoreetiline skeem. See ei õnnestunud kellelgi ja Merkuuri periheeli pöörlemise küsimus jäi lahtiseks kuni 1915. aastani. Just siis, Esimese maailmasõja haripunktis, kui nii vähesed tundsid huvi füüsika ja astronoomia abstraktsete probleemide vastu, viis Einstein lõpule (pärast umbes 8 aastat kestnud pingelist pingutust) üldise relatiivsusteooria loomise. Seda üldrelatiivsusteooria aluse loomise viimast etappi käsitleti kolmes lühikeses artiklis, millest teatati ja mis kirjutati 1915. aasta novembris. Neist teises, 11. novembril teatatud, arvutas Einstein üldrelatiivsusteooria põhjal Merkuuri periheeli täiendava tiirlemise võrreldes Newtoni omaga, mis osutus võrdseks (radiaanides planeedi ühe pöörde kohta ümber päike)
Ja c= 3 10 10 cm s –1 on valguse kiirus. Viimasele avaldisele (1) üleminekul kasutati Kepleri kolmandat seadust
| a 3 = | GM ☼ | T 2 |
| 4π 2 |
Kus T on planeedi tiirlemisperiood. Kui asendame valemiga (1) kõigi suuruste parimad hetkel teadaolevad väärtused ja teeme ka elementaarse ümberarvutuse radiaanist pöörde kohta pöördeni kaaresekundites (märk ″) sajandi kohta, siis jõuame väärtuseni Ψ = 42″,98 / sajand. Vaatlused nõustuvad selle tulemusega praeguse täpsusega umbes ± 0″,1 / sajandil (Einstein kasutas oma esimeses töös vähem täpseid andmeid, kuid vea piirides saavutas ta teooria ja vaatluste vahel täieliku kokkuleppe). Valem (1) on toodud eespool, esiteks selleks, et teha selgeks selle lihtsus, mis matemaatiliselt keerulistes füüsikateooriates, sealhulgas paljudel juhtudel üldrelatiivsusteoorias, nii sageli puudub. Teiseks, ja mis kõige tähtsam, on punktist (1) selge, et periheeli pöörlemine tuleneb üldrelatiivsusteooriast, ilma et oleks vaja kaasata uusi tundmatuid konstante või parameetreid. Seetõttu sai Einsteini saadud tulemusest tõeline üldrelatiivsusteooria triumf.
Parimates mulle teadaolevates Einsteini elulugudes on väljendatud ja põhjendatud arvamus, et Merkuuri periheeli pöörlemise seletus oli "kõige võimsam emotsionaalne sündmus Einsteini kogu teaduslikus elus ja võib-olla kogu tema elus". Jah, see oli Einsteini parim tund. Aga just tema pärast. Mitmel põhjusel (piisab, kui mainida sõda), et GR ise jõudis maailmaareenile nii selle teooria kui ka selle looja jaoks, sai 4 aastat hiljem, 1919. aastal aset leidnud sündmus "kõrgpunktiks". töö, mille käigus valem (1) saadi, tegi Einstein olulise ennustuse: Päikese lähedalt mööduvad valguskiired peavad olema painutatud ja nende kõrvalekalle peab olema
|
(2) |
Kus r on lähim kaugus päikesekiire ja Päikese keskpunkti vahel ning r☼ = 6,96 10 10 cm on Päikese raadius (täpsemalt päikese fotosfääri raadius); seega on maksimaalne jälgitav kõrvalekalle 1,75 kaaresekundit. Ükskõik kui väike selline nurk ka poleks (umbes sellise nurga all on täiskasvanud inimene nähtav 200 km kauguselt), sai seda juba sel ajal optilisel meetodil mõõta, pildistades taevatähti Päikese läheduses. . Sellised vaatlused tegid kaks Briti ekspeditsiooni täieliku päikesevarjutuse ajal 29. mail 1919. aastal. Kiirte kõrvalekaldumise mõju päikeseväljas tehti täiesti kindlalt kindlaks ja on kooskõlas valemiga (2), kuigi mõõtmiste täpsus mõju väiksuse tõttu oli madal. Kuid kõrvalekalle poole võrra, mis vastavalt punktile (2), st 0″,87, jäeti välja. Viimane on väga oluline, kuna kõrvalekalle 0″,87 (koos r = r☼) saab juba Newtoni teooriast (selle valguse kõrvalekaldumise võimaluse gravitatsiooniväljas märkis Newton ja valemi (2) järgi poole väiksem paindenurga avaldis saadi 1801. aastal; teine asi on et see ennustus ununes ja Einstein ei teadnud sellest). 6. novembril 1919 teatati ekspeditsioonide tulemustest Londonis Kuningliku Seltsi ja Kuningliku Astronoomiaühingu ühisel koosolekul. Millise mulje nad jätsid, selgub seda koosolekut juhtinud J. J. Thomsoni öeldust: „See on gravitatsiooniteooriaga seoses saavutatud kõige olulisem tulemus alates Newtoni ajast... See on üks inimkonna suurimaid saavutusi. mõtlesin."
Nagu nägime, on üldrelatiivsusteooria mõju päikesesüsteemile väga väike. Seda seletatakse asjaoluga, et Päikese gravitatsiooniväli (rääkimata planeetidest) on nõrk. Viimane tähendab, et Päikese Newtoni gravitatsioonipotentsiaal
Meenutagem nüüd kooli füüsikakursusest tuntud tulemust: planeetide ringikujuliste orbiitide jaoks |φ ☼ | = v 2 , kus v on planeedi kiirus. Seetõttu saab gravitatsioonivälja nõrkust iseloomustada illustreerivama parameetriga v 2 / c 2 , mis päikesesüsteemi puhul, nagu nägime, ei ületa 2,12 10 - 6 . Maa orbiidil v = 3 10 6 cm s - 1 ja v 2 / c 2 \u003d 10 - 8, Maa lähedaste satelliitide jaoks v ~ 8 10 5 cm s - 1 ja v 2 / c 2 ~ 7 10-10 . Seetõttu on üldrelatiivsusteooria mainitud mõjude kontrollimine isegi nüüd saavutatud 0,1% täpsusega, st veaga, mis ei ületa 10–3 mõõdetud väärtusest (näiteks valguskiirte hälve päikeseväljas). ei võimalda veel üldrelatiivsusteooria igakülgset kontrolli järjekorra tingimuste täpsusega
Nõutava täpsusega mõõtmisest, näiteks päikesesüsteemis kiirte kõrvalekaldumisest, võib vaid unistada. Vastavate katsete projekte aga juba arutatakse. Seoses öelduga ütlevad füüsikud, et üldrelatiivsusteooria on tõestatud peamiselt vaid nõrga gravitatsioonivälja puhul. Aga ühte olulist asjaolu me (mina igal juhul) millegipärast päris pikka aega isegi ei märganud. Just pärast esimese Maa satelliidi starti 4. oktoobril 1957 hakkas kosmosenavigatsioon kiiresti arenema. Instrumentide maandumiseks Marsile ja Veenusele, lennates Phobose jm lähedal, on vaja arvutusi täpsusega kuni meetrit (kaugustel Maast suurusjärgus sada miljardit meetrit), kui üldrelatiivsusteooria mõju on üsna suur. märkimisväärne. Seetõttu tehakse nüüd arvutusi arvutusskeemide alusel, mis orgaaniliselt võtavad arvesse üldrelatiivsusteooriat. Mäletan, kuidas mõni aasta tagasi ei saanud üks kõneleja – kosmosenavigatsiooni spetsialist – isegi mu küsimustest üldrelatiivsusteooria testimise täpsuse kohta aru. Ta vastas: me võtame oma inseneriarvutustes arvesse üldrelatiivsusteooriat, muidu pole võimalik töötada, kõik tuleb välja, mida veel tahta? Muidugi võib soovida palju, kuid ei tasu unustada, et üldrelatiivsusteooria pole enam abstraktne teooria, vaid seda kasutatakse "inseneriarvutustes".
4. Eelneva valguses tundub eriti üllatav A. A. Logunovi kriitika BRT-le. Kuid vastavalt selle artikli alguses öeldule ei saa seda kriitikat ilma analüüsita kõrvale heita. Veelgi suuremal määral on ilma üksikasjaliku analüüsita võimatu teha otsust A. A. Logunovi pakutud RTG - relativistliku gravitatsiooniteooria kohta.
Kahjuks on populaarteaduslike väljaannete lehekülgedel sellist analüüsi absoluutselt võimatu läbi viia. Oma artiklis A. A. Logunov tegelikult ainult deklareerib ja kommenteerib oma seisukohta. Ma ei saa siin muud moodi teha.
Seega usume, et GR on järjekindel füüsikateooria – GR annab üheselt mõistetava vastuse kõigile õigesti ja selgelt püstitatud küsimustele, mis on selle kohaldatavuse osas lubatavad (viimane viitab eelkõige signaalide viivitusajale planeetide asukoht). Sellel ei ole üldrelatiivsusteooriat ega mingeid matemaatilisi või loogilisi defekte. Küll aga tuleb selgeks teha, mida asesõna "meie" kasutamisel silmas peetakse eespool. “Meie” olen loomulikult mina ise, aga ka kõik need nõukogude ja välismaa füüsikud, kellega tuli arutleda üldrelatiivsusteooria üle ja mitmel juhul ka selle A. A. Logunovi kriitika üle. Suur Galileo ütles neli sajandit tagasi: teaduses on ühe arvamus väärtuslikum kui tuhande arvamus. Teisisõnu, teaduslikke vaidlusi ei lahendata häälteenamusega. Kuid teisest küljest on täiesti ilmne, et paljude füüsikute arvamus on üldiselt palju veenvam või paremini öeldes usaldusväärsem ja kaalukam kui ühe füüsiku arvamus. Seetõttu on siin oluline üleminek “mina”-lt “meie-le”.
Loodetavasti on kasulik ja asjakohane teha veel paar märkust.
Miks AA Logunovile GR nii väga ei meeldi? Peamine põhjus on selles, et üldrelatiivsusteoorias puudub üldiselt energia ja impulsi mõiste meile elektrodünaamikast tuttaval kujul ning tema sõnul keeldutakse gravitatsioonivälja kujutamisest klassikalise väljana. Faraday-Maxwelli tüüp, millel on täpselt määratletud energia-impulsi tihedus. Jah, viimane on teatud mõttes tõsi, kuid see on seletatav asjaoluga, et "Riemanni geomeetrias puudub üldiselt vajalik sümmeetria nihkete ja pöörete suhtes, see tähendab, et ... aegruumi liikumisrühm." Ajaruumi geomeetria on üldrelatiivsusteooria järgi Riemanni geomeetria. Seetõttu kalduvad valguskiired Päikese lähedalt mööda sirgjoonest kõrvale.
Möödunud sajandi matemaatika üks suurimaid saavutusi oli Lobatševski, Bolyai, Gaussi, Riemanni ja nende järgijate mitteeukleidilise geomeetria loomine ja arendamine. Siis tekkis küsimus: milline on tegelikult selle füüsilise aegruumi geomeetria, milles me elame? Nagu öeldud, on GR järgi see geomeetria mitte-eukleidiline, Riemanni, mitte Minkowski pseudoeukleidiline geomeetria (seda geomeetriat kirjeldab lähemalt A. A. Logunovi artikkel). See Minkowski geomeetria oli, võib öelda, erirelatiivsusteooria (SRT) toode ja asendas Newtoni absoluutse aja ja absoluutse ruumi. Viimast, vahetult enne SRT loomist 1905. aastal, püüti samastada Lorentzi fikseeritud eetriga. Kuid Lorentzi eetrist kui absoluutselt liikumatust mehaanilisest keskkonnast loobuti, sest kõik katsed selle keskkonna olemasolu märgata ebaõnnestusid (pean silmas Michelsoni katset ja mõnda muud katset). Hüpotees, et füüsiline aegruum on tingimata täpselt Minkowski ruum, mida A. A. Logunov fundamentaalsena aktsepteerib, on väga kaugeleulatuv. See on teatud mõttes analoogne hüpoteesidega absoluutsest ruumist ja mehaanilisest eetrist ning meile tundub, et see jääb ja jääb täiesti alusetuks, kuni selle kasuks osutatakse mingeid vaatlustel ja katsetel põhinevaid argumente. Ja sellised argumendid, vähemalt praegu, puuduvad täielikult. Viited analoogiale elektrodünaamikaga ning möödunud sajandi tähelepanuväärsete füüsikute Faraday ja Maxwelli ideaalidele ei ole selles osas veenvad.
5. Kui rääkida elektromagnetvälja ja sellest tulenevalt elektrodünaamika ja gravitatsioonivälja erinevusest (GR on just sellise välja teooria), siis tuleb tähele panna järgmist. Referentssüsteemi valides on võimatu hävitada (nulli keerata) isegi lokaalselt (väikeses piirkonnas) kogu elektromagnetvälja. Seega, kui elektromagnetvälja energiatihedus
| W = | E 2 + H 2 |
| 8π |
(E Ja H- vastavalt elektri- ja magnetvälja intensiivsus) on nullist erinev mis tahes tugisüsteemis, siis on see nullist erinev mis tahes muus tugisüsteemis. Gravitatsiooniväli sõltub jämedalt öeldes palju tugevamalt tugiraamistiku valikust. Niisiis, ühtlane ja konstantne gravitatsiooniväli (st gravitatsiooniväli, mis põhjustab kiirenduse g sellesse paigutatud, koordinaatidest ja ajast sõltumatud osakesed) saab ühtlaselt kiirendatud referentssüsteemile üleminekul täielikult “hävitada” (nulliks muuta). Seda asjaolu, mis on "ekvivalentsusprintsiibi" peamine füüsiline sisu, märkis Einstein esmakordselt 1907. aastal avaldatud artiklis, mis oli esimene teel üldrelatiivsusteooria loomiseni.
Kui gravitatsiooniväli puudub (eriti selle põhjustatud kiirendus g on võrdne nulliga), siis on ka sellele vastava energia tihedus võrdne nulliga. Sellest on selge, et energia (ja impulsi) tiheduse küsimuses peab gravitatsioonivälja teooria elektromagnetvälja teooriast kardinaalselt erinema. Selline väide ei muutu tänu sellele, et üldiselt ei saa gravitatsioonivälja võrdlusraami valikuga "hävitada".
Einstein mõistis seda juba enne 1915. aastat, kui ta lõpetas üldrelatiivsusteooria loomise. Nii kirjutas ta 1911. aastal: „Muidugi on võimatu asendada ühtki gravitatsioonivälja gravitatsiooniväljata süsteemi liikumisolekuga, nagu on võimatu muuta suvaliselt liikuva keskkonna kõiki punkte puhkama. relativistliku transformatsiooni vahendid." Ja siin on katkend ühest 1914. aasta artiklist: „Teeme esmalt veel ühe märkuse, et kõrvaldada ilmselge arusaamatus. Tavalise moodsa relatiivsusteooria (jutt käib SRT-st – V.L.G.) teatud õigusega pooldaja nimetab materiaalse punkti "näilist" kiirust. Nimelt saab ta valida tugiraami nii, et materiaalse punkti kiirus on vaadeldaval hetkel võrdne nulliga. Kui on olemas materiaalsete punktide süsteem, millel on erinevad kiirused, siis ta ei saa enam juurutada sellist võrdlussüsteemi, et kõigi materiaalsete punktide kiirused selle süsteemi suhtes kaovad. Samamoodi võib füüsik meie vaatepunktist lähtudes nimetada gravitatsioonivälja "näiliseks", sest võrdlusraamistiku kiirenduse sobiva valikuga saab ta saavutada, et teatud ajaruumi punktis gravitatsiooniväli kaob. Tähelepanuväärne on aga see, et gravitatsioonivälja kadumist teisenduse kaudu ei ole üldiselt võimalik saavutada laiendatud gravitatsiooniväljade puhul. Näiteks ei saa Maa gravitatsioonivälja nulliga võrdseks teha, valides sobiva tugiraamistiku." Lõpuks, juba 1916. aastal, vastates üldrelatiivsusteooria kriitikale, rõhutas Einstein taas sama asja: „Mitte mingil juhul ei saa väita, et gravitatsiooniväli on mingil määral seletatav puhtalt kinemaatiliselt: „kinemaatiline, mittedünaamiline. gravitatsiooni mõistmine” on võimatu. Me ei saa ühtegi gravitatsioonivälja lihtsalt kiirendades ühte Galilei koordinaatsüsteemi teise suhtes, kuna nii on võimalik saada ainult teatud struktuuriga välju, mis aga peavad järgima samu seadusi nagu kõik teised gravitatsiooniväljad. See on samaväärsuse põhimõtte teine sõnastus (eriti selle põhimõtte rakendamiseks gravitatsiooni suhtes).
Gravitatsiooni "kinemaatilise mõistmise" võimatus koos ekvivalentsuse põhimõttega määrab üldrelatiivsusteoorias ülemineku Minkowski pseudoeukleidilisest geomeetriast Riemanni geomeetriale (selles geomeetrias on aegruumil üldiselt mitte -nullkõverus; sellise kõveruse olemasolu eristab "tõelist" gravitatsioonivälja "kinemaatilisest"). Gravitatsioonivälja füüsikalised omadused määravad, korrakem, energia ja impulsi rolli radikaalse muutuse üldrelatiivsusteoorias võrreldes elektrodünaamikaga. Samas ei takista nii Riemanni geomeetria kasutamine kui ka elektrodünaamikast tuttavate energiakontseptsioonide rakendamise võimatus, nagu juba eespool rõhutatud, tõsiasja, et üldrelatiivsusteooriast lähtuvad ja saab arvutada üsna üheselt mõistetavad väärtused kõigi vaadeldavate jaoks. suurused (valguskiirte kõrvalekalde nurk, planeetide ja kaksikpulsaride orbiitide elementide muutused jne jne).
Tõenäoliselt oleks kasulik tähele panna tõsiasja, et üldrelatiivsusteooria saab sõnastada ka elektrodünaamikast tavapärasel kujul, kasutades energia-impulssi tiheduse mõistet (selle kohta vt Ya. B. Zeldovitši ja L. P. Grischuki viidatud artiklit. Sel juhul on Minkowski ruum puhtalt fiktiivne (jälgimatu) ja me räägime ainult samast üldrelatiivsusteooriast, mis on kirjutatud mittestandardsel kujul. Vahepeal kordame seda, A. A. Logunov peab enda kasutatud Minkowski ruumi. relativistlikus gravitatsiooniteoorias (RTG) olema reaalne füüsiline ja seega ka vaadeldav ruum.
6. Sellega seoses on eriti oluline selle artikli pealkirjas esinevatest küsimustest teine: kas üldrelatiivsusteooria vastab füüsilisele reaalsusele? Teisisõnu, mida ütleb kogemus – kõrgeim kohtunik mis tahes füüsikalise teooria saatuse üle otsustamisel? Sellele probleemile – üldrelatiivsusteooria eksperimentaalsele kontrollile – on pühendatud arvukalt artikleid ja raamatuid. Sel juhul on järeldus üsna kindel – kõik olemasolevad katsete või vaatluste andmed kas kinnitavad BRT-d või ei räägi sellele vastu. Kuid nagu me juba märkisime, viidi üldrelatiivsusteooria kontrolli läbi ja see toimub peamiselt ainult nõrgas gravitatsiooniväljas. Lisaks on mis tahes katsel piiratud täpsus. Tugevates gravitatsiooniväljades (jämedalt öeldes juhul, kui suhe |φ| / c 2 ei ole väike; vt eespool) GR ei ole veel täielikult kontrollitud. Sel eesmärgil on nüüd võimalik praktiliselt kasutada ainult väga kauge kosmosega seotud astronoomilisi meetodeid: neutrontähtede, topeltpulsarite, "mustade aukude", Universumi paisumise ja ehituse uurimine, nagu öeldakse, "suures ruumis. " - tohututes avarustes, mõõdetuna miljonite ja miljardite valgusaastatega. Selles suunas on juba palju tehtud ja tehakse. Piisab, kui mainida kahendpulsari PSR 1913+16 uuringuid, mille (nagu ka neutrontähtede puhul üldiselt) parameeter |φ| / c 2 on juba umbes 0,1. Lisaks oli sel juhul võimalik paljastada tellimuse efekt (v / c) 5 on seotud gravitatsioonilainete emissiooniga. Lähikümnenditel avaneb veelgi rohkem võimalusi protsesside uurimiseks tugevates gravitatsiooniväljades.
Nende hingematvate uuringute juhttäht on ennekõike üldrelatiivsusteooria. Samal ajal arutatakse muidugi ka mõningate muude võimaluste üle – teisi, nagu mõnikord öeldakse, alternatiivseid gravitatsiooniteooriaid. Näiteks üldrelatiivsusteoorias, aga ka Newtoni universaalse gravitatsiooni teoorias on gravitatsioonikonstant G peetakse tõesti konstantseks. Üks kuulsamaid gravitatsiooniteooriaid, üldistav (või täpsemalt laiendav) üldrelatiivsusteooria, on teooria, milles gravitatsiooni "konstanti" peetakse juba uueks skalaarfunktsiooniks - suuruseks, mis sõltub koordinaatidest ja ajast. Vaatlused ja mõõtmised näitavad siiski, et võimalikud suhtelised muutused G aja jooksul on need väga väikesed - ilmselt ei ületa need sada miljardit osa aastas, see tähendab | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G võiks rolli mängida. Pange tähele, et isegi olenemata püsimatuse küsimusest G oletus eksisteerimisest reaalses aegruumis, lisaks gravitatsiooniväljale gik, ka mõni skalaarväli ψ on tänapäeva füüsika ja kosmoloogia põhisuund. Teistes alternatiivsetes gravitatsiooniteooriates (mille kohta vt eespool märkuses 8 mainitud C. Willi raamatut) muudetakse või üldistatakse üldrelatiivsusteooriat teistmoodi. Vastavale analüüsile muidugi vastu ei saa, sest GR ei ole dogma, vaid füüsikateooria. Veelgi enam, me teame, et üldrelatiivsusteooria, mis on mittekvantideooria, tuleb ilmselgelt üldistada kvantpiirkonnale, mis on teadaolevate gravitatsioonikatsete jaoks endiselt kättesaamatu. Loomulikult ei saa te seda kõike siin üksikasjalikumalt kirjeldada.
7. A. A. Logunov, lähtudes üldrelatiivsusteooria kriitikast, on enam kui 10 aastat ehitanud mõnda alternatiivset gravitatsiooniteooriat, mis erineb üldrelatiivsusteooriast. Samas on töö käigus palju muutunud ja teooria praegu aktsepteeritud versioon (see on RTG) on artiklis, mis võtab enda alla umbes 150 lehekülge ja sisaldab ainult umbes 700 nummerdatud valemit, eriti üksikasjalikult välja toodud. Ilmselgelt on RTG üksikasjalik analüüs võimalik ainult teadusajakirjade lehekülgedel. Alles pärast sellist analüüsi saab öelda, kas RTG on järjepidev, kas see sisaldab matemaatilisi vastuolusid jne. Minu arusaamise järgi erineb RTG GR-st selle poolest, et valitakse ainult osa GR-lahendustest - kõik RTG diferentsiaalvõrrandite lahendid rahuldavad GR võrrandid, kuid RTG autorite sõnul mitte vastupidi. Samas jõutakse järeldusele, et globaalsete küsimuste osas (lahendused kogu aegruumi või selle suurte piirkondade jaoks, topoloogia jne) on RTG ja GR erinevused üldiselt radikaalsed. Mis puudutab kõiki päikesesüsteemis tehtud katseid ja vaatlusi, siis minu arusaamist mööda ei saa RTG üldrelatiivsusteooriaga vastuollu minna. Kui jah, siis teadaolevate Päikesesüsteemi katsete põhjal on võimatu eelistada RTG-d (GR-le). Mis puudutab "mustaid auke" ja Universumit, siis RTG autorid väidavad, et nende järeldused erinevad oluliselt üldrelatiivsusteooria järeldustest, kuid me ei ole teadlikud konkreetsetest vaatlusandmetest, mis RTG kasuks tunnistaksid. Sellises olukorras on A. A. Logunovi RTG (kui RTG tõesti erineb GR-st oma olemuselt, mitte ainult esitusviisi ja ühe võimaliku koordinaattingimuste klassi valiku poolest; vt Ya. B. Zeldovitši ja L. P. artiklit. Grischuk) võib pidada ainult üheks vastuvõetavaks, põhimõtteliselt alternatiivseks gravitatsiooniteooriaks.
Mõnda lugejat võivad hoiatada reservatsioonid, näiteks: "kui see on nii", "kui RTG tõesti erineb GR-st". Kas ma üritan niimoodi vigade eest kindlustada? Ei, ma ei karda eksida juba tänu veendumusele, et eksimatuse garantii on ainult üks - üldse mitte töötada ja antud juhul mitte arutada teaduslikke küsimusi. Teine asi on see, et austus teaduse vastu, selle iseloomu ja ajaloo tundmine julgustavad ettevaatlikkust. Väidete kategoorilisus ei viita alati tõelise selguse olemasolule ega aita üldiselt kaasa tõe väljaselgitamisele. A. A. Logunovi RTG tänapäevasel kujul sõnastati üsna hiljuti ja seda pole teaduskirjanduses veel üksikasjalikult käsitletud. Seetõttu ei ole mul selle kohta loomulikult lõplikku arvamust. Lisaks ei saa populaarteaduslikus ajakirjas arutada mitmeid esilekerkivaid probleeme ja see on sobimatu. Samas tundub muidugi tänu lugejate suurele huvile gravitatsiooniteooria vastu selle teemaderingi, sealhulgas vaieldavate, käsitlemine Teaduse ja Elu lehekülgedel ligipääsetaval tasemel õigustatud.
Seega, juhindudes targast "enim eelistatud riigi põhimõttest", tuleks praegu RTG-d pidada alternatiivseks gravitatsiooniteooriaks, mis vajab asjakohast analüüsi ja arutelu. Neile, kellele see teooria (RTG) meeldib ja keda see huvitab, ei takista (ja loomulikult ei tohiks takistada) selle arendamist keegi, soovitades võimalikke eksperimentaalse kontrollimise viise.
Samas pole alust väita, et GTR oleks praegusel ajal mingil määral kõigutatud. Pealegi näib üldrelatiivsusteooria rakendusala olevat väga lai ja selle täpsus väga kõrge. Selline on meie arvates objektiivne hinnang asjade praegusele seisule. Kui me räägime maitsetest ja intuitiivsetest hoiakutest ning maitsel ja intuitsioonil on teaduses oluline roll, kuigi neid ei saa tõenditena esitada, siis siin tuleb liikuda “meie” juurest “mina” juurde. Niisiis, mida rohkem olen olnud ja pean tegelema üldise relatiivsusteooria ja selle kriitikaga, seda tugevam on mulje selle erakordsest sügavusest ja ilust.
Tõepoolest, nagu trükises märgitud, oli ajakirja "Teadus ja Elu" nr 4 1987 tiraaž 3 miljonit 475 tuhat eksemplari. Viimastel aastatel oli tiraaž vaid mõnikümmend tuhat eksemplari, ületades 40 tuhande piiri alles 2002. aastal. (märkus - A. M. Krainev).
Muuseas, 1987. aastal möödub 300 aastat Newtoni suurepärase raamatu "Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted" esmaavaldamisest. Tutvumine selle teose loomise ajalooga, endast rääkimata, on väga õpetlik. Sama kehtib aga kogu Newtoni tegemiste kohta, millega mittespetsialistidel polegi nii lihtne meiega tutvust teha. Võin selleks otstarbeks soovitada väga head S. I. Vavilovi raamatut "Isaac Newton", see tuleks uuesti välja anda. Mainin ka oma Newtoni aastapäeva puhul kirjutatud artiklit, mis avaldati ajakirjas Uspekhi fizicheskikh nauk, kd 151, nr 1, 1987, lk. 119.
Pöörde suurusjärk on antud tänapäevaste mõõtmiste järgi (Le Verrier’l oli pööre 38 sekundit). Tuletame selguse huvides meelde, et Päike ja Kuu on Maa pealt nähtavad umbes 0,5 kaarekraadise nurga all – 1800 kaaresekundit.
A. Pals “Peen on Issand…” Albert Einsteini teadus ja elu. Oxfordi ülikool. Press, 1982. Otstarbekas oleks sellest raamatust välja anda venekeelne tõlge.
Viimane on võimalik täieliku päikesevarjutuse ajal; pildistades sama taevaosa näiteks kuus kuud hiljem, kui Päike on liikunud taevasfäärile, saame võrdluseks pildi, mis ei moondu kiirte kõrvalekaldumisel gravitatsioonivälja mõjul. Päikesest.
Üksikasjalikumalt pean viitama Ya. B. Zeldovitši ja L. P. Grištšuki artiklile, mis avaldati hiljuti ajakirjas Uspekhi fizicheskikh nauk (Uspekhi fizicheskikh nauk) (149. kd, lk 695, 1986), samuti seal viidatud kirjandust. , eelkõige L. D. Faddejevi artiklile (“Uspekhi fizicheskikh nauk”, kd. 136, lk 435, 1982).
Vt joonealune märkus 5.
Vt K. Will. "Gravitatsioonifüüsika teooria ja eksperiment". M., Energoiedat, 1985; vt ka V. L. Ginzburg. Füüsikast ja astrofüüsikast. M., Nauka, 1985 ja seal näidatud kirjandus.
A. A. Logunov ja M. A. Mestvirišvili. "Gravitatsiooni relativistliku teooria alused". Ajakiri "Elementaarosakeste ja aatomituuma füüsika", v. 17, 1. number 1986
A. A. Logunovi töödes on ka teisi väiteid ja konkreetselt peetakse silmas, et signaali viivitusaja puhul, kui näiteks Merkuur asub Maast, erineb RTG-st saadud väärtus GR-st tulenevast. Täpsemalt väidetakse, et üldrelatiivsusteooria ei anna üheselt ennustust signaalide viiteaja kohta, see tähendab, et üldrelatiivsusteooria on ebaühtlane (vt eespool). Selline järeldus on aga meie arvates arusaamatuse vili (sellele viitavad näiteks Ya. B. Zeldovitši ja L. P. Grischuki viidatud artikkel, vt joonealune märkus 5): erinevad tulemused GR-is, kui kasutada erinevaid Koordinaadisüsteemid saadakse ainult nii, et võrreldakse planeete, mis asuvad erinevatel orbiitidel ja mille pöördeperioodid Päikese ümber on erinevad. Maalt teatud planeedi asukohas täheldatud signaali viiteajad GR ja RTG järgi langevad kokku.
Vt joonealune märkus 5.
Üksikasjad uudishimulikele
 |
Valguse ja raadiolainete kõrvalekalle Päikese gravitatsiooniväljas. Tavaliselt on Päikese idealiseeritud mudelina staatiline sfääriliselt sümmeetriline raadiusega pall R☼ ~ 6,96 10 10 cm, päikese mass M☼ ~ 1,99 10 30 kg (332958 korda suurem kui Maa mass). Valguse kõrvalekalle on maksimaalne nende kiirte puhul, mis vaevu Päikest puudutavad, st kell R ~ R☼ , ja võrdne: φ ≈ 1″,75 (kaaresekundeid). See nurk on väga väike – ligikaudu selle nurga all nähakse täiskasvanut 200 km kauguselt ja seetõttu polnud kiirte gravitatsioonikõveruse mõõtmise täpsus veel hiljuti kõrge. Viimaste optiliste mõõtmiste, mis tehti päikesevarjutuse ajal 30. juunil 1973, viga oli umbes 10%. Tänapäeval on tänu "eriti pika baasjoonega" (üle 1000 km) raadiointerferomeetrite tulekule nurkade mõõtmise täpsus hüppeliselt suurenenud. Raadiointerferomeetrid võimaldavad usaldusväärselt mõõta nurkkaugusi ja nurgamuutusi suurusjärgus 10-4 kaaresekundit (~ 1 nanoradiaan).
Joonisel on kujutatud ainult ühe kaugest allikast tuleva kiirte kõrvalekaldumine. Tegelikkuses on mõlemad talad kõverad.
GRAVITATSIOONIPOTENTSIAAL
1687. aastal ilmus Newtoni fundamentaalne teos "Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted" (vt "Teadus ja elu" nr 1, 1987), milles formuleeriti universaalse gravitatsiooni seadus. See seadus ütleb, et mis tahes kahe materjaliosakese vaheline tõmbejõud on võrdeline nende massiga. M Ja m ja pöördvõrdeline kauguse ruuduga r nende vahel:
| F = G | mm | . |
| r 2 |
Proportsionaalsustegur G hakati nimetama gravitatsioonikonstandiks, on vaja sobitada mõõtmed Newtoni valemi paremas ja vasakpoolses osas. Seda näitas isegi Newton ise, oma aja kohta väga suure täpsusega G- väärtus on konstantne ja seetõttu on tema avastatud gravitatsiooniseadus universaalne.
Kaks ligitõmbavat punktimassi M Ja m esinevad Newtoni valemis võrdselt. Teisisõnu võime arvata, et mõlemad on gravitatsioonivälja allikad. Kuid konkreetsetes probleemides, eriti taevamehaanika puhul, on üks kahest massist teisega võrreldes sageli väga väike. Näiteks maakera mass MЗ ≈ 6 10 24 kg on palju väiksem kui Päikese mass M☼ ≈ 2 10 30 kg või näiteks satelliidi mass m≈ 10 3 kg ei saa võrrelda Maa massiga ja seetõttu ei avalda see praktiliselt mingit mõju Maa liikumisele. Sellist massi, mis ise gravitatsioonivälja ei häiri, vaid toimib omamoodi sondina, millele see väli mõjub, nimetatakse katsemassiks. (Samamoodi on elektrodünaamikas kasutusel mõiste "testlaeng", st selline, mis aitab tuvastada elektromagnetvälja.) Kuna katsemass (või katselaeng) annab väljale tühise panuse, sellise massi korral muutub väli "väliseks" ja seda saab iseloomustada suurusega, mida nimetatakse pingeks. Sisuliselt vabalangemise kiirendus g on Maa gravitatsioonivälja tugevus. Newtoni mehaanika teine seadus annab siis punktkatsemassi liikumisvõrrandid m. Näiteks nii lahendatakse ballistika ja taevamehaanika probleeme. Pange tähele, et enamiku nende probleemide jaoks on Newtoni gravitatsiooniteoorial isegi tänapäeval üsna piisav täpsus.
Pinge, nagu ka jõud, on vektorsuurus, st kolmemõõtmelises ruumis määratakse see kolme arvuga - komponendid piki üksteisega risti asetsevaid Descartes'i telgesid X, juures, z. Koordinaadisüsteemi muutmisel – ja sellised toimingud pole füüsiliste ja astronoomiliste probleemide puhul haruldased – teisendatakse vektori ristkoordinaate mingil, kuigi mitte keerulisel, kuid sageli tülikal viisil. Seetõttu oleks vektori väljatugevuse asemel mugav kasutada sellele vastavat skalaarväärtust, millest saaks mõne lihtsa retsepti abil väljale iseloomuliku tugevuse - tugevuse. Ja selline skalaarväärtus on olemas - seda nimetatakse potentsiaaliks ja üleminek pingele toimub lihtsa eristamise teel. Sellest järeldub, et massi tekitatud Newtoni gravitatsioonipotentsiaal M, on võrdne
millest järgneb võrdsus |φ| = v 2 .
Matemaatikas nimetatakse Newtoni gravitatsiooniteooriat mõnikord "potentsiaaliteooriaks". Omal ajal oli elektriteooria mudeliks Newtoni potentsiaali teooria ja siis Maxwelli elektrodünaamikas kujunenud ideed füüsikalisest väljast stimuleerisid omakorda Einsteini üldrelatiivsusteooria tekkimist. Üleminek Einsteini relativistlikust gravitatsiooniteooriast Newtoni gravitatsiooniteooria erijuhule vastab täpselt mõõtmeteta parameetri väikeste väärtuste piirkonnale |φ| / c 2 .
Juba 20. sajandi alguses sõnastati relatiivsusteooria. Mis see on ja kes on selle looja, teab täna iga õpilane. See on nii põnev, et isegi teaduskauged inimesed tunnevad selle vastu huvi. See artikkel kirjeldab relatiivsusteooriat kättesaadavas keeles: mis see on, millised on selle postulaadid ja rakendus.
Nad ütlevad, et selle loojal Albert Einsteinil oli hetkega epifaania. Teadlane näis sõitvat Šveitsi Bernis trammiga. Ta vaatas tänavakella ja mõistis järsku, et kell peatub, kui tramm valguskiirusele kiirendab. Sel juhul poleks aega. Aeg mängib relatiivsusteoorias väga olulist rolli. Üks Einsteini sõnastatud postulaat on see, et erinevad vaatlejad tajuvad tegelikkust erinevalt. See kehtib eriti aja ja vahemaa kohta.
Vaatleja positsiooni arvestamine
Sel päeval mõistis Albert, et teaduskeeles sõltub iga füüsikalise nähtuse või sündmuse kirjeldus sellest, millises võrdlusraamistikus vaatleja on. Näiteks kui trammireisija kukub oma prillid maha, kukuvad need tema suhtes vertikaalselt alla. Kui vaadata tänaval seisva jalakäija asendist, vastab nende kukkumise trajektoor paraboolile, kuna tramm liigub ja klaasid langevad samal ajal. Seega on igaühel oma võrdlussüsteem. Teeme ettepaneku käsitleda üksikasjalikumalt relatiivsusteooria põhipostulaate.
Jaotatud liikumise seadus ja relatiivsusprintsiip
Vaatamata asjaolule, et sündmuste kirjeldused muutuvad, kui raamistikud muutuvad, on ka universaalseid asju, mis jäävad muutumatuks. Selle mõistmiseks tuleb küsida mitte prillide kukkumise küsimust, vaid seda kukkumist põhjustavat loodusseadust. Iga vaatleja jaoks, olenemata sellest, kas ta on liikuvas või paigalseisvas koordinaatsüsteemis, jääb vastus sellele muutumatuks. Seda seadust nimetatakse hajutatud liikumise seaduseks. See töötab ühtviisi hästi nii trammis kui ka tänaval. Teisisõnu, kui sündmuste kirjeldus sõltub alati sellest, kes neid jälgib, siis loodusseaduste kohta see ei kehti. Need on, nagu teaduskeeles kombeks öelda, muutumatud. See on relatiivsusteooria põhimõte.
Einsteini kaks teooriat
Seda põhimõtet, nagu iga teist hüpoteesi, tuli esmalt kontrollida, seostades seda meie reaalsuses esinevate loodusnähtustega. Einstein tuletas relatiivsusprintsiibist 2 teooriat. Kuigi need on omavahel seotud, peetakse neid eraldiseisvaks.
Privaatne ehk spetsiaalne relatiivsusteooria (SRT) lähtub seisukohast, et kõigi võimalike tugisüsteemide puhul, mille kiirus on konstantne, jäävad loodusseadused samaks. Üldrelatiivsusteooria (GR) laiendab seda põhimõtet mis tahes tugiraamistikule, sealhulgas neile, mis liiguvad kiirendusega. 1905. aastal avaldas A. Einstein esimese teooria. Teise, matemaatilise aparatuuri poolest keerukama, valmis ta 1916. aastaks. Relatiivsusteooria, nii SRT kui ka GR loomine on muutunud füüsika arengu oluliseks etapiks. Vaatame igaüht neist lähemalt.
Erirelatiivsusteooria
Mis see on, mis on selle olemus? Vastame sellele küsimusele. Just see teooria ennustab palju paradoksaalseid mõjusid, mis on vastuolus meie intuitiivsete ideedega maailma toimimise kohta. Me räägime nendest mõjudest, mida täheldatakse siis, kui liikumiskiirus läheneb valguse kiirusele. Tuntuim neist on aja dilatatsiooni mõju (kellad). Vaatleja suhtes liikuvad kellad on tema jaoks aeglasemad kui need, mis on tema käes.
Valguse kiirusele lähedase kiirusega liikudes venitatakse koordinaatsüsteemis aeg vaatleja suhtes ja objektide pikkus (ruumiline ulatus), vastupidi, surutakse piki selle liikumise suuna telge. . Teadlased nimetavad seda efekti Lorentz-Fitzgeraldi kontraktsiooniks. 1889. aastal kirjeldas seda Itaalia füüsik George Fitzgerald. Ja 1892. aastal täiendas seda hollandlane Hendrik Lorenz. See efekt seletab negatiivset tulemust, mille annab Michelson-Morley eksperiment, kus meie planeedi kiirus avakosmoses määratakse "eeterliku tuule" mõõtmise teel. Need on relatiivsusteooria põhipostulaadid (erilised). Einstein täiendas neid massimuutusi analoogia põhjal. Kui keha kiirus läheneb valguse kiirusele, siis keha mass tema sõnul suureneb. Näiteks kui kiirus on 260 tuhat km / s, see tähendab 87% valguse kiirusest, siis puhke võrdlusraamis oleva vaatleja seisukohast kahekordistub objekti mass.
Tankla kinnitused
Kõik need seisukohad, olenemata sellest, kuidas need terve mõistusega vastuolus on, on Einsteini ajast alates leidnud otsest ja täielikku kinnitust mitmesugustes katsetes. Ühe neist viisid läbi Michigani ülikooli teadlased. See uudishimulik kogemus kinnitab füüsika relatiivsusteooriat. Teadlased paigutasid regulaarselt üle Atlandi lende teinud lennuki pardale ülitäpse, iga kord pärast selle lennujaama tagastamist võrreldi nende kellade näitu kontrollkelladega. Selgus, et lennuki kell jäi iga korraga aina rohkem kontrollist maha. Muidugi oli jutt ainult tähtsusetutest arvudest, sekundi murdosadest, aga fakt ise on vägagi suunav.
Viimase poole sajandi jooksul on teadlased uurinud elementaarosakesi kiirendites – tohututes riistvarakompleksides. Neis kiirendatakse elektronide või prootonite, st laetud kiirte kiiri, kuni nende kiirus läheneb valguse kiirusele. Pärast seda tulistavad nad tuumasihtmärke. Nendes katsetes on vaja arvestada, et osakeste mass suureneb, vastasel juhul ei saa katse tulemusi tõlgendada. Sellega seoses ei ole SRT ammu enam pelgalt hüpoteetiline teooria. Sellest on saanud üks rakendustehnikas kasutatavaid tööriistu koos Newtoni mehaanikaseadustega. Relatiivsusteooria põhimõtted on leidnud meie päevil suure praktilise rakenduse.
SRT ja Newtoni seadused
Muide, rääkides (selle teadlase portree on esitatud ülal), tuleks öelda, et erirelatiivsusteooria, mis näib olevat nendega vastuolus, reprodutseerib Newtoni seaduste võrrandid peaaegu täpselt, kui see on kasutatakse kehade kirjeldamiseks, mille kiirus on palju väiksem kui valguse kiirus. Teisisõnu, kui rakendada erirelatiivsusteooriat, ei tühistata Newtoni füüsikat üldse. See teooria, vastupidi, täiendab ja laiendab seda.
Valguse kiirus on universaalne konstant
Relatiivsusprintsiipi kasutades saab aru, miks selles maailma ehitusmudelis mängib väga olulist rolli valguse kiirus, mitte midagi muud. Seda küsimust küsivad need, kes alles alustavad oma füüsikaga tutvumist. Valguse kiirus on universaalne konstant, kuna see on sellisena defineeritud loodusteadusliku seadusega (selle kohta saab lähemalt uurida Maxwelli võrrandeid). Valguse kiirus vaakumis on relatiivsuspõhimõtte tõttu sama mis tahes võrdlusraamistikus. Võib arvata, et see on terve mõistusega vastuolus. Selgub, et vaatleja saab üheaegselt valgust nii paigalt kui ka liikuvalt allikalt (olenemata sellest, kui kiiresti see liigub). Siiski ei ole. Valguse kiirusele on oma erilise rolli tõttu antud keskne koht mitte ainult erirelatiivsusteoorias, vaid ka üldrelatiivsusteoorias. Räägime temast.
Üldrelatiivsusteooria
Nagu me juba ütlesime, kasutatakse seda kõigi tugisüsteemide jaoks, mitte tingimata nende jaoks, mille kiirus üksteise suhtes on konstantne. Matemaatiliselt tundub see teooria palju keerulisem kui eriline. See seletab tõsiasja, et nende avaldamiste vahel on möödunud 11 aastat. Üldrelatiivsusteooria hõlmab erijuhtu erijuhtumina. Seetõttu sisalduvad selles ka Newtoni seadused. Üldrelatiivsusteooria ulatub aga palju kaugemale kui tema eelkäijad. Näiteks seletab see gravitatsiooni uuel viisil.
Neljas dimensioon
Tänu üldrelatiivsusteooriale muutub maailm neljamõõtmeliseks: kolmele ruumimõõtmele lisandub aeg. Kõik need on lahutamatud, seetõttu pole enam vaja rääkida ruumilisest kaugusest, mis eksisteerib kolmemõõtmelises maailmas kahe objekti vahel. Nüüd räägime erinevate sündmuste vahelistest ruumilis-ajalistest intervallidest, mis ühendavad nii nende ruumilist kui ka ajalist kaugust üksteisest. Teisisõnu käsitletakse aega ja ruumi relatiivsusteoorias omamoodi neljamõõtmelise kontiinumina. Seda võib defineerida kui aegruumi. Antud kontiinumil on üksteise suhtes liikuvatel vaatlejatel erinev arvamus isegi selle kohta, kas kaks sündmust toimusid samal ajal või kas üks neist eelnes teisele. Põhjuslikku seost aga ei rikuta. Teisisõnu, sellise koordinaatsüsteemi olemasolu, kus kaks sündmust toimuvad erinevas järjestuses ja mitte samaaegselt, ei võimalda isegi üldrelatiivsusteooriat.
Üldrelatiivsusteooria ja universaalse gravitatsiooni seadus
Newtoni avastatud universaalse gravitatsiooniseaduse kohaselt eksisteerib Universumis mis tahes kahe keha vahel vastastikuse tõmbejõud. Maa sellest asendist tiirleb ümber Päikese, kuna nende vahel on vastastikuse tõmbejõud. Sellegipoolest sunnib üldrelatiivsusteooria meid vaatama seda nähtust teise nurga alt. Gravitatsioon on selle teooria kohaselt aegruumi "kõveruse" (deformatsiooni) tagajärg, mida täheldatakse massi mõjul. Mida raskem on keha (meie näites Päike), seda rohkem aegruum "paindub" selle alla. Sellest lähtuvalt on selle gravitatsiooniväli tugevam.
Relatiivsusteooria olemuse paremaks mõistmiseks pöördugem võrdluse poole. Maa tiirleb üldrelatiivsusteooria järgi ümber Päikese nagu väike pall, mis veereb ümber Päikese aegruumi "läbilöögi" tulemusena tekkinud lehtri koonuse. Ja see, mida me varem pidasime gravitatsioonijõuks, on Newtoni mõistes tegelikult selle kõveruse väline ilming, mitte jõud. Gravitatsiooninähtuse paremat seletust kui üldrelatiivsusteoorias pakutav pole siiani leitud.
Üldrelatiivsusteooria kontrollimise meetodid
Pange tähele, et üldrelatiivsusteooriat pole lihtne kontrollida, kuna selle tulemused laboritingimustes vastavad peaaegu universaalse gravitatsiooni seadusele. Teadlased viisid siiski läbi mitmeid olulisi katseid. Nende tulemused võimaldavad järeldada, et Einsteini teooria on kinnitust leidnud. Üldrelatiivsusteooria aitab selgitada ka erinevaid ruumis vaadeldavaid nähtusi. Need on näiteks Merkuuri väikesed kõrvalekalded paigalseisvast orbiidist. Newtoni klassikalise mehaanika seisukohalt ei saa neid seletada. See on ka põhjus, miks kaugete tähtede elektromagnetkiirgus Päikese lähedale liikudes paindub.
Üldrelatiivsusteooria ennustatud tulemused erinevad tegelikult oluliselt Newtoni seadustega antud tulemustest (tema portree on esitatud ülal), ainult ülitugevate gravitatsiooniväljade olemasolul. Seetõttu on üldrelatiivsusteooria täielikuks kontrollimiseks vaja kas tohutu massiga objektide või mustade aukude väga täpseid mõõtmisi, kuna meie tavapärased ideed ei ole nende jaoks rakendatavad. Seetõttu on selle teooria testimiseks eksperimentaalsete meetodite väljatöötamine tänapäevase eksperimentaalfüüsika üks peamisi ülesandeid.
Paljude teadlaste ja isegi teaduskaugete inimeste mõtted on hõivatud Einsteini loodud relatiivsusteooriaga. Mis see on, rääkisime lühidalt. See teooria lükkab ümber meie tavapärased ettekujutused maailmast, nii et huvi selle vastu ei kao endiselt.