Искривление пространства времени для чайников. Теория относительности простыми словами

Содержание

Теория относительности в картинках

Искривление пространства времени для чайников. Теория относительности простыми словами

В своей статье я хотел бы рассказать о теории относительности. Эта теория не требуется в представлении. С самого своего создания она была окутана ореолом тайны, поскольку полностью подрывает наши привычные представления о пространстве и времени.

Все мы в школе учили формулы теории относительности, но мало кто действительно понимал их. И это не удивительно, ведь человеку, чтобы по-настоящему понять какую-то теорию во всей её красоте, полноте и непротиворечивости, не достаточно знать формулы.

Нужно иметь какой-то визуальный ориентир, нужна динамика, чтобы было что-то, что можно повертеть в руках. Я решил восполнить этот пробел и написал небольшую программку, в которой можно «повертеть в руках» пространство-время.

Мы, как настоящие исследователи, с помощью небольших экспериментов попытаемся выяснить основные свойства этой загадочной материи. Под катом много картинок (и ни одной формулы).

Сразу следует прояснить, что существует две теории относительности: — специальная теория относительности (СТО) рассматривает механику движения тел в пустом (не искривленном) пространстве-времени. — общая теория относительности (ОТО) изучает явления гравитации и искривление пространства-времени объектами, обладающими массой. Все описанное ниже относится к первой из них.

Евклидово пространство и пространство Минковского

Прежде, чем рассматривать пространство-время, давайте вспомним, что такое обычное евклидово пространство.

И так, у нас имеется плоскость. В этой плоскости имеются некоторые геометрические фигуры: точки, отрезки. Так же у нас имеются две операции: параллельный перенос, и поворот. Давайте внимательно рассмотрим эти две операции.

Далее перейдем к рассмотрению так называемого пространства Минковского. В нем мы оставили параллельный перенос, но операцию поворота заменили на другую операцию. Как видите, при «повороте» каждая точка движется вдоль сереньких кривых. В результате все точки вытягиваются либо вдоль одной желтой прямой, либо вдоль другой. При таком «повороте» отрезки сохраняют свою форму и переходят в отрезки. Собственно, это и есть пространство-время. Давайте, будем считать, что горизонтальная ось — это пространство, а вертикальная — время. Будем считать, что время идет снизу вверх. Точка в пространстве-времени — это некоторое событие, которое произошло в некотором месте в некоторое время. А отрезок — это некоторый процесс. Например, если объект движется, то будем обозначать его движение отрезком. Чтобы Вы немного сориентировались, поставим первый эксперимент.

Эксперимент 1. Ньютоновская механика

Первым делом будем рассматривать объекты движущиеся с небольшими скоростями (много меньше скорости света). Допустим, имеется некоторый неподвижный объект, например дерево. Нарисуем его с помощью вертикального отрезка. Так же у нас имеется некоторый движущийся объект — автомобиль. Мы видим, что автомобиль едет навстречу дереву. Нарисуем еще один движущийся объект.

В результате получаем картину: Обратите внимание, что чем сильнее наклон, тем скорость объекта больше. Так выглядит наша картина из неподвижной системы отсчета. А что мы увидим, если будем сидеть в автомобиле? Для этого нам нужно немножко «перекосить» нашу плоскость. Все правильно. Автомобиль теперь неподвижен, а дерево и человек движутся нам навстречу.

Точно так же мы можем перейти в систему отсчета, связанную с человеком. Для этого нам нужно «перекосить» пространство-время в другую сторону. В целом процесс перехода от одной системы отсчета в другую выглядит следующим образом: Такое преобразование называется «преобразованием Галилея». При этом каждая точка движется вдоль горизонтальной прямой.

Это значит, что время одинаково во всех системах отсчета (время абсолютно). Давайте теперь перейдем к бОльшим масштабам, «сжав» нашу ось X. На самом деле, переход от одной системы отсчета в другую есть ни что иное, как «поворот» в пространстве Минковского, а преобразования Галилея — это всего лишь предельный случай для маленьких скоростей.

Мы видим, что точки теперь движутся не горизонтально. Т.е. время не является абсолютной величиной, а зависит от выбранной системы отсчета.

Эксперимент 2. Замедление времени

Допустим имеются два наблюдателя, один неподвижный, другой летит на своем космическом корабле от него с некоторой скоростью. Отметки на отрезке показывают, как идет время внутри объекта. Мы видим, что время неподвижного наблюдателя движется быстрее, чем у подвижного (один час у движущегося наблюдателя наступает позже, чем у неподвижного).

Но точно такую же картину видит и второй наблюдатель. Вот так одна система отсчета переходит в другую Получается странная ситуация — два наблюдателя смотрят друг на друга, и они друг другу кажутся «заторможенными». Чтобы выяснить, кто же из них на самом деле «тормоз», второй наблюдатель разворачивает свой космический корабль и летит обратно.

Вместе они сверяют часы и выясняют, что у неподвижного наблюдателя прошло 5 единиц времени, а у подвижного — чуть больше 4. Т.е. наблюдатель, который «сделал крюк» в пространстве-времени потратил меньше своего внутреннего времени, чем неподвижный наблюдатель. Но то же самое, только с точностью до наоборот, произошло бы, если бы первый наблюдатель полетел на встречу второму.

Вывод: у неподвижного наблюдателя время всегда идет быстрее, чем у движущегося.

Эксперимент 3. Скорость света.

Допустим, у нас имеется неподвижная космическая станция. От неё отстыковался некоторый корабль. Перейдем в систему отсчета этого корабля. Далее от этого корабля отстыковался другой корабль. Затем от второго корабля отстыковался третий. и так далее.

Таким образом я пытался изобразить процесс ускорения. Очевидно, что каждый следующий корабль будет двигаться с большей скоростью, чем предыдущий. Давайте теперь вернемся к первому кораблю и посмотрим. Напомню Вам, что наклон определяет скорость.

Желтая линия, а точнее её наклон, показывает скорость света.

По картинке видно, что каждый следующий корабль приближается к скорости света, но не может превысить её. Так же видно, что внутреннее время с увеличением скорости все больше замедляется.

Из этого мы делаем вывод, что ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

Пусть теперь каждый корабль выпускает луч света.
Мы видим, что свет в любой системе отсчета движется со скоростью света.

Эксперимент 4. Световой конус

Две желтые линии очерчивают фигуру, называемую «световой конус». Световой конус разделяет пространство-время на две области, которые я отметил красным и зеленым цветами. Если какое-то событие находится в красной области, то мы будем говорить, что событие находится в пределах светового конуса.

Это означает, что свет из начала координат успевает долететь до нашей точки. Если событие находится в зеленой области, то мы говорим, что событие находится за пределами светового конуса, и свет из начала координат не успевает долететь до этого события. Рассмотрим следующий пример.

Имеется три одновременных события Давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем менять систему отсчета. Мы видим, что в другой системе отсчета события вовсе не являются одновременными. Теперь события не просто смещаются во времени, они еще меняют свой хронологический порядок.

Событие, которое произошло раньше некоторого события, в другой системе отсчета может произойти позже. Но как такое может быть? Не является ли это нарушением причинно-следственных связей? Напомню, что если событие находится за пределами светового конуса, это значит, что свет не может долететь до этого события за отведенное время.

А поскольку ничто (никакой объект или сигнал) не может двигаться быстрее скорости света, получается, что событие, произошедшее в точке А, никак не может повлиять на событие в точке Б. То же самое справедливо и в обратную сторону. Событие в точке Б никак не может повлиять на событие в точке А.

Про такие события говорят, что они не связаны причинно-следственными связями. Получается, что событие, находящееся за пределом светового конуса относительно данного, не связано с ним причинно-следственными связями.

Эксперимент 5. Движение со сверх-световой скоростью

Все космические объекты: солнечные системы, галактики — находятся на гигантских расстояниях друг от друга. И даже двигаясь со скоростью света, нам потребуется очень много времени, чтобы преодолеть эти расстояния.

Например, ближайшая к нам звезда (альфа-Центавра) находится на расстоянии 4 световых года, а ближайшая галактика (Большое Магелланово Облако) — уже 160 тысяч световых лет. Если до альфа-Центавра мы еще можем слетать «туда и обратно», то слетать «туда и обратно» в соседнюю галактику уже не получится.

Точнее, улететь-то мы сможем, а вот когда вернемся, на Земле пройдет уже 320 тысяч лет (напомню, что внутри объекта, движущегося со скоростью света, время практически стоит на месте). Что же делать? Писатели-фантасты в своих произведениях очень ловко обходят это ограничение.

Чего-только они не напридумывали: сверхскоростные двигатели, гипер-пространства, мультиплексы, искривление пространства-времени, прыжки через червоточины, черные дыры и т.д. На самом деле, проблема гораздо глубже, чем может показаться. Заключается она в том, что за пределами светового конуса НЕ МОГУТ существовать причинно-следственные связи.

Иначе мы неизбежно придем к противоречиям. Рассмотрим пример. Мы сидим на своей планете. В один прекрасный момент наши ученые изобретают «супер-телепортатор» способный телепортировать нас на любое расстояние за минимальное количество времени. Ну мы взяли и телепортировались в соседнюю галактику.

Посидев в другой галактике, мы отправились на дальнейшее исследование космоса. Если мы теперь перейдем в систему отсчета, связанную с нашим кораблем, то увидим следующее. Мы видим, что наша исходная точка (планета Земля) сместилась в будущее.

А поскольку законы природы во всех системах отсчета работают одинаково, то мы можем снова воспользоваться нашим «супер-телепортатором» и вернуться в собственное прошлое. Получается, что движение со сверх-световой скоростью, эквивалентно перемещению во времени, а оно тянет за собой кучу парадоксов. Таким образом, проблема космических путешествий не в том, что мы не умеем искривлять пространство-время или строить сверх-световые двигатели, а в том, что даже теоретическая возможность таких перемещений подрывает все причинно-следственные связи.

Заключение

На этом в общем-то и все. Самое основное, кажется, рассказал. Надеюсь, было понятно.

При написании статьи была использована программка (Ссылка на github)

  • теория относительности
  • пространство Минковского

Хабы:

Источник: https://habr.com/post/169347/

Теория относительности простым языком. Теория относительности Эйнштейна

Искривление пространства времени для чайников. Теория относительности простыми словами

СТО, ТОЭ – под этими аббревиатурами скрывается знакомый практически всем термин “теория относительности”. Простым языком можно объяснить все, даже высказывание гения, так что не отчаивайтесь, если не помните школьный курс физики, ведь на самом деле все гораздо проще, чем кажется.

Зарождение теории

Итак, начнем курс “Теория относительности для чайников”. Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, и она вызвала резонанс среди ученых.

Эта теория практически полностью перекрывала многие пробелы и нестыковки в физике прошлого века, но и, ко всему прочему, перевернула представление о пространстве и времени.

Во многие утверждения Эйнштейна современникам было сложно поверить, но эксперименты и исследования только подтверждали слова великого ученого.

Теория относительности Эйнштейна простым языком объясняла то, над чем люди бились столетиями. Ее можно назвать основой всей современной физики. Однако прежде чем продолжить разговор о теории относительности, следует разъяснить вопрос о терминах.

Наверняка многие, читая научно-популярные статьи, сталкивались с двумя аббревиатурами: СТО и ОТО. На самом деле они подразумевают несколько разные понятия.

Первая – это специальная теория относительности, а вторая расшифровывается как “общая теория относительности”.

Просто о сложном

СТО – это более старая теория, которая потом стала частью ОТО. В ней могут быть рассмотрены только физические процессы для объектов, движущихся с равномерной скоростью. Общая же теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют частицы гравитонов и гравитация.

Если нужно описать движение и законы механики, а также отношения пространства и времени при приближении к скорости света – это сможет сделать специальная теория относительности.

Простыми словами можно объяснить так: к примеру, друзья из будущего подарили вам космолет, который может летать на высокой скорости.

На носу космического корабля стоит пушка, способная расстрелять фотонами все, что попадется впереди.

Когда производится выстрел, то относительно корабля эти частицы летят со скоростью света, но, по логике, неподвижный наблюдатель должен увидеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит фотоны, движущиеся со скоростью 300000 м/с, будто скорость корабля была нулевой.

Все дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него является неизменной величиной.

Это утверждение является основной поразительных логических выводов вроде замедления и искажения времени, зависящих от массы и скорости объекта. На этом основаны сюжеты многих научно-фантастических фильмов и сериалов.

Общая теория относительности

Простым языком можно объяснить и более объемную ОТО. Для начала следует принять во внимание тот факт, что наше пространство четырехмерное. Время и пространство объединяются в таком “предмете”, как “пространственно-временной континуум”. В нашем пространстве имеются четыре оси координат: х, у, z и t.

Но люди не могут воспринимать непосредственно четыре измерения, так же, как гипотетический плоский человек, живущих в двухмерном мире, не в состоянии посмотреть вверх. По сути, наш мир является только проекцией четырехмерного пространства в трехмерное.

Интересным фактом является то, что, согласно общей теории относительности, тела не меняются при движении. Объекты четырехмерного мира на самом деле всегда неизменны, и при движении изменяются только их проекции, что мы и воспринимаем как искажение времени, сокращение или увеличение размеров и прочее.

Эксперимент с лифтом

О теории относительности простым языком можно рассказать с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы в лифте. Кабинка пришла в движение, и вы оказались в состоянии невесомости.

Что произошло? Причины может быть две: либо лифт находится в космосе, либо пребывает в свободном падении под действием гравитации планеты.

Самое интересное состоит в том, что выяснить причину невесомости нельзя, если нет возможности выглянуть из кабинки лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.

Возможно, проведя похожий мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, значит, на самом деле тело под воздействием гравитации не ускоряется, это равномерное движение, которое искривляется под воздействием массивного тела (в данном случае планеты). Таким образом, ускоренное движение – это лишь проекция равномерного движения в трехмерное пространство.

Наглядный пример

Еще один хороший пример на тему “Теория относительности для чайников”. Он не совсем корректен, зато очень прост и нагляден. Если на натянутую ткань положить какой-либо объект, он образует под собой “прогиб”, “воронку”.

Все меньшие тела вынуждены будут искажать свою траекторию согласно новому изгибу пространства, а если у тела немного энергии, оно вообще может не преодолеть этой воронки.

Однако с точки зрения самого движущегося объекта, траектория остается прямой, они не почувствуют изгиба пространства.

Гравитация “понижена в звании”

С появлением общей теории относительности гравитация перестала быть силой и теперь довольствуется положением простого следствия искривления времени и пространства. ОТО может показаться фантастичной, однако является рабочей версией и подтверждается экспериментами.

Множество, казалось бы, невероятных в нашем мире вещей может объяснить теория относительности. Простым языком такие вещи называют следствиями ОТО. Например, лучи света, пролетающие на близком расстоянии от массивных тел, искривляются.

Более того, многие объекты из далекого космоса скрыты друг за другом, но из-за того, что лучи света огибают другие тела, нашему взору (точнее, взору телескопа) доступны, казалось бы, невидимые объекты.

Это ведь все равно, что смотреть сквозь стены.

Чем больше гравитация, тем медленнее на поверхности объекта течет время. Это касается не только массивных тел вроде нейтронных звезд или черных дыр. Эффект замедления времени можно наблюдать даже на Земле. К примеру, приборы для спутниковой навигации снабжены точнейшими атомными часами. Они находятся на орбите нашей планеты, и время там тикает чуть быстрее.

Сотые доли секунды через сутки сложатся в цифру, которая даст до 10 км погрешности в расчетах маршрута на Земле. Рассчитать эту погрешность позволяет именно теория относительности.

Простым языком можно выразиться так: ОТО лежит в основе многих современных технологий, и благодаря Эйнштейну мы легко можем найти в незнакомом районе пиццерию и библиотеку.

Источник: https://FB.ru/article/311376/teoriya-otnositelnosti-prostyim-yazyikom-teoriya-otnositelnosti-eynshteyna

Теория относительности для чайников

Искривление пространства времени для чайников. Теория относительности простыми словами
sh: 1: –format=html: not found

Теория относительности» – это обобщенный термин, используемый для двух разных классов теорий, данных Альбертом Эйнштейном, а именно специальной относительности и общей относительности.

Общая теория относительности была первоначально опубликована Альбертом Эйнштейном в 1915 году. До общей теории относительности считалось, что гравитация – это «сила», которая действует между объектами, имеющими массу. Однако общая теория относительности Эйнштейна изменила этот взгляд на гравитацию.

Согласно общей теории относительности наша Вселенная состоит из 3 пространственных измерений + 1 временное измерение. Вместе эти измерения образуют четырехмерный континуум, известный как ткань пространства-времени. Объекты, имеющие массу, производят искривление в ткани пространства-времени.

Эта кривизна пространства-времени ответственна за гравитацию!

изгиб пространства-времени вокруг Земли (изображение: НАСА)

Эйнштейн опубликовал теорию специальной теории относительности в 1905 году (до общей теории относительности).

Специальная теория относительности применяется к объектам, которые движутся со скоростью, сопоставимой со скоростью света. Следует отметить, что специальная теория относительности не связана с гравитацией. Чтобы включить гравитацию, Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности.

Следовательно, общая теория относительности может рассматриваться как расширение специальной теории относительности.

Специальная теория относительности

Прежде чем идти дальше, нужно сначала понять, что движение относительно. Например, представьте, что вы стоите на пешеходной дорожке и видите проезжающий по дороге автобус с некоторой постоянной скоростью «v».

Теперь для людей в автобусе каждый из них отдыхает по отношению друг к другу. Но для вас все они движутся вместе с автобусом с некоторой скоростью «v».

Человек, который кажется наблюдателю неподвижным в одной системе отсчета, не обязательно может показаться неподвижным другому наблюдателю в другой системе отсчета. Следовательно, движение не абсолютное, а относительное.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛОРЕНЦА

Поскольку скорость света должна оставаться одинаковой во всех системах отсчета, необходимо, чтобы координаты длины и времени в движущейся системе отсчета изменялись. Соотношение между пространственными и временными координатами между двумя системами отсчета в относительном движении задается преобразованием Лоренца.

Рассмотрим событие в системе отсчета S, имеющей пространственно-временные координаты (x, y, z, t) и пространственно-временные координаты (x ', y', z ', t') в другой системе отсчета S ', движущейся с скорость 'v' в направлении X относительно S. Тогда эти координаты связаны следующим образом:

X'= Y(x-vt)

t'=y(t-vx/c2)

где ϒ (гамма) – коэффициент Лоренца, определяемый как

Это будет в равной степени справедливо для направлений Y и Z, если движение происходит вдоль осей Y и Z соответственно. Используя преобразование Лоренца, можно получить ряд следствий в специальной теории относительности, таких как замедление времени, сокращение длины, релятивистское сложение скоростей и т. Д.

1. ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ:

Согласно специальной теории относительности, скорость света 'c' является максимальным пределом скорости. По мере приближения к скорости света время в вашей системе отсчета будет замедляться. Это можно выразить как

Δt '= ϒ Δt где

где Δt ' – время между двумя тактами движущихся часов, Δt – время между двумя тактами для часов в покое, а ϒ – коэффициент Лоренца, формула которого приведена выше.

Можно видеть, что с увеличением скорости 'v' значение ϒ также увеличивается и, следовательно, Δt ' также увеличивается, т.е. время замедляется с увеличением скорости.

Подставляя v = 99,999% скорости света, мы получаем, что время между двумя тактами (одна секунда) часов в движущемся кадре соответствует 224 секундам!

2. СОКРАЩЕНИЕ ДЛИНЫ:

Подобно времени, даже длина влияет. Длина сокращается в направлении движения рамы. Это может быть задано как Δx '= Δx / ϒ .

Здесь Δx ' – это длина, наблюдаемая наблюдателем в относительном движении к объекту; Δx – это длина объекта в кадре покоя (правильная длина).

Следовательно, с увеличением скорости длина сокращается. Например, космический корабль, движущийся со скоростью 86,5% скорости света, может показаться, что для стационарного наблюдателя он сократился вдвое по длине из-за сокращения длины (Примечание: другие его размеры не изменятся. Размер только в направлении движения будет подвержен

3. РЕЛЯТИВИСТСКОЕ СЛОЖЕНИЕ СКОРОСТЕЙ:

Вы должны знать, что, когда две машины движутся со скоростями v 1 и v 2 соответственно в одном и том же направлении , человек в автомобиле 1 увидит автомобиль 2, движущийся со скоростью (v 2 – v 1 ) . Если автомобили движутся в противоположном направлении , то относительная скорость определяется как (v 2 + v 1 ) .

Это будет означать, что если два космических корабля движутся со скоростью 99% скорости света в противоположных направлениях, то человек на одном космическом корабле должен видеть, что другой космический корабль движется со скоростью (v 2 + v 1 ), т. Е.

(99% + 99%) скорости света, которая равна 198% скорости света. Это невозможно, потому что скорость света не может быть превышена. Специальная теория относительности решает эту проблему.

Согласно специальной теории относительности, относительная скорость между двумя системами отсчета определяется как:

Подставляя 0.99c (99% скорости света) для v 1 и v 2 , мы получаем относительную скорость как u = 0.99995 c, которая меньше скорости света.

Когда v 1 и v 2 намного меньше по сравнению со скоростью света, знаменатель исчезает, и остается только числитель (v 2 + v 1 ) .

Но на скоростях, близких к скорости света, знаменатель имеет значительное значение и не может быть проигнорирован.

4. МАССОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ:

Другим важным следствием специальной теории относительности является то, что энергия и масса эквивалентны. Объект в состоянии покоя с массой m o имеет энергосодержание m o c 2, где «c» – скорость света. Подобно отношению массы к энергии (E o = m o c 2 ), отношение энергии-импульса связывает полную энергию тела с его массой покоя (m o ) и импульсом (p) следующим образом:

E 2 = P 2 C 2 + (M O C 2 ) 2

Для таких частиц, как фотоны (частицы света), чья масса покоя m o равна нулю, уравнение сводится к E = pc, что означает, что энергия, связанная с фотонами, обусловлена ​​их импульсом.

Это некоторые из наиболее важных последствий специальной теории относительности. Теперь давайте перейдем к общей теории относительности.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Общая теория относительности описывает гравитацию как кривизну пространства-времени. Общая теория относительности предсказывала существование черных дыр и их свойства еще до того, как они были открыты.

Общая теория относительности основана на полевых уравнениях Эйнштейна, которые являются нелинейными и очень трудными для решения. Согласно общей теории относительности, объекты, имеющие массу, изгибают ткань пространства-времени. Чем больше масса, тем больше изгиб.

Общая теория относительности приводит к ряду последствий, которые обсуждаются ниже.

2. ГРАВИТАЦИОННОЕ ЛИНЗИРОВАНИЕ:

Мы знаем, что пространство-время изгибается вокруг массивных объектов. Согласно общей теории относительности, свет следует кривизне пространства-времени. В результате свет огибает массивные объекты. Изгиб света вокруг тяжелых объектов, таких как галактики, квазары, скопления галактик и т. Д., Заставляет их вести себя как линза.

Гравитационное линзирование галактическим скоплением (Изображение: STScI, Источник: Wikimedia Commons )

Как видно на рисунке выше, белая стрелка показывает путь света, исходящего из фоновой галактики.

Свет, исходящий из фоновой галактики, огибает галактическое скопление между Землей и фоновой галактикой (подобно линзе), и мы видим многочисленные изображения фоновой галактики. Оранжевая стрелка показывает видимое положение фоновой галактики.

Это явление называется гравитационным линзированием .

3. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ:

Гравитационные волны – это пульсации в пространстве-времени, которые распространяются с той же скоростью, что и скорость света. Эйнштейн предсказал их существование за 100 лет до того, как они были обнаружены в 2016 году командой Advanced LIGO из двух сливающихся черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет.

Многочисленные другие наблюдения гравитационных волн, исходящих как от сливающихся черных дыр, так и от сливающихся нейтронных звезд, были сделаны после первой, что подтверждает их существование.

Общая теория относительности была проверена несколько раз и оказалась успешной в большинстве случаев.

Общая теория относительности может объяснить несколько наблюдений, что закон тяготения Ньютона не может быть таким, как аномальный сдвиг перигелия Меркурия, когда он вращается вокруг Солнца, существование черных дыр, особенности и т.д. Следовательно, сегодня это самая принятая теория гравитации.

Таким образом, теория относительности оказывается одной из самых красивых теорий всех времен. Теория неполна и имеет определенные ограничения, но она делает некоторые очень смелые предсказания о нашей Вселенной, которые, кажется, согласуются с наблюдениями.

Эта статья дает упрощенное объяснение теории относительности Эйнштейна и охватывает большинство важных тем без большого участия математики. Если я увижу интерес к этой теме я более подробно займусь написанием статей.

Источник: https://zen.yandex.by/media/id/5e246f04df944400b9510264/teoriia-otnositelnosti-dlia-chainikov-5e246f3a06cc4600ae7efce6?feed_exp=ordinary_feed&from=channel&rid=114152182.371.1586065547978.31105&integration=publishers_platform_yandex&secdata=CP7QtuaALiABMAJQDw%3D%3D

Пространство минковского для чайников – теория относительности, простым языком

Искривление пространства времени для чайников. Теория относительности простыми словами

Физика->Теория относительности->

Тестирование онлайн

материал из книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Кратчайшая история времени»

Относительность

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости.

Если скорость света постоянная величина, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него.

Требование, чтобы все наблюдатели сошлись в оценке скорости света, вынуждает изменить концепцию времени. Согласно теории относительности наблюдатель, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом.

А поскольку скорость есть расстояние, деленное на время, единственный способ для наблюдателей прийти к согласию относительно скорости света – это разойтись также и в оценке времени.

Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Оказалось, что каждый наблюдатель должен иметь свою собственную меру времени и что идентичные часы у разных наблюдателей не обязательно будут показывать одно и то же время.

Говоря, что пространство имеет три измерения, мы подразумеваем, что положение точки в нем можно передать с помощью трех чисел – координат. Если мы введем в наше описание время, то получим четырехмерное пространство-время.

Другое известное следствие теории относительности – эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mс2 (где Е– энергия, m – масса тела, с – скорость света). Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять.

Этот эффект существенен только для тел, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.

Например, при скорости, равной 10% от скорости света, масса тела будет всего на 0,5% больше, чем в состоянии покоя, а вот при скорости, составляющей 90% от скорости света, масса уже более чем вдвое превысит нормальную.

По мере приближения к скорости света масса тела увеличивается все быстрее, так что для его ускорения требуется все больше энергии.

Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Только свет или другие волны, не имеющие собственной массы, способны двигаться со скоростью света.

Искривленное пространство

Общая теория относительности Эйнштейна основана на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше.

В общей теории относительности пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией.

Так как геодезическая линия – кратчайшая линия между двумя аэропортами, штурманы ведут самолеты именно по таким маршрутам. Например, вы могли бы, следуя показаниям компаса, пролететь 5966 километров от Нью-Йорка до Мадрида почти строго на восток вдоль географической параллели.

Но вам придется покрыть всего 5802 километра, если вы полетите по большому кругу, сперва на северо-восток, а затем постепенно поворачивая к востоку и далее к юго-востоку. Вид этих двух маршрутов на карте, где земная поверхность искажена (представлена плоской), обманчив.

Двигаясь «прямо» на восток от одной точки к другой по поверхности земного шара, вы в действительности перемещаетесь не по прямой линии, точнее сказать, не по самой короткой, геодезической линии.

Если траекторию космического корабля, который движется в космосе по прямой линии, спроецировать на двумерную поверхность Земли, окажется, что она искривлена.

Согласно общей теории относительности гравитационные поля должны искривлять свет.

Например, теория предсказывает, что вблизи Солнца лучи света должны слегка изгибаться в его сторону под воздействием массы светила.

Значит, свет далекой звезды, случись ему пройти рядом с Солнцем, отклонится на небольшой угол, из-за чего наблюдатель на Земле увидит звезду не совсем там, где она в действительности располагается.

Напомним, что согласно основному постулату специальной теории относительности все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости. Грубо говоря, принцип эквивалентности распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля.

В достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.

Представьте себе, что вы находитесь в лифте посреди пустого пространства. Нет никакой гравитации, никакого «верха» и «низа». Вы плывете свободно. Затем лифт начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы внезапно ощущаете вес.

То есть вас прижимает к одной из стенок лифта, которая теперь воспринимается как пол. Если вы возьмете яблоко и отпустите его, оно упадет на пол.

Фактически теперь, когда вы движетесь с ускорением, внутри лифта все будет происходить в точности так же, как если бы подъемник вообще не двигался, а покоился бы в однородном гравитационном поле.

Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне по-езда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания стал принцип эквивалентности.

Принцип эквивалентности и приведенный пример его проявления будут справедливы лишь в том случае, если инертная масса (входящая во второй закон Ньютона, который определяет, ка-кое ускорение придает телу приложенная к нему сила) и гравитационная масса (входящая в за-кон тяготения Ньютона, который определяет величину гравитационного притяжения) суть одно и то же.

Использование Эйнштейном эквивалентности инертной и гравитационной масс для вывода принципа эквивалентности и, в конечном счете, всей общей теории относительности – это бес-прецедентный в истории человеческой мысли пример упорного и последовательного развития логических заключений.

Замедление времени

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что около массивных тел, таких как Земля, должен замедляться ход времени.

Теперь, познакомившись с принципом эквивалентности, мы можем проследить ход рассуждений Эйнштейна, выполнив другой мысленный эксперимент, который показывает, почему гравитация воздействует на время. Представьте себе ракету, летящую в космосе.

Для удобства будем считать, что ее корпус настолько велик, что свету требуется целая секунда, чтобы пройти вдоль него сверху донизу.

И наконец, предположим, что в ракете находятся два наблюдателя: один – наверху, у потолка, другой – внизу, на полу, и оба они снабжены одинаковыми часами, ведущими отсчет секунд.

Допустим, что верхний наблюдатель, дождавшись отсчета своих часов, немедленно посылает нижнему световой сигнал. При следующем отсчете он шлет второй сигнал.

По нашим условиям понадобится одна секунда, чтобы каждый сигнал достиг нижнего наблюдателя.

Поскольку верхний наблюдатель посылает два световых сигнала с интервалом в одну секунду, то и нижний наблюдатель зарегистрирует их с таким же интервалом.

Что изменится, если в этом эксперименте, вместо того чтобы свободно плыть в космосе, ракета будет стоять на Земле, испытывая действие гравитации? Согласно теории Ньютона гравитация никак не повлияет на положение дел: если наблюдатель наверху передаст сигналы с промежутком в секунду, то наблюдатель внизу получит их через тот же интервал. Но принцип эквивалентности предсказывает иное развитие событий. Какое именно, мы сможем понять, если в соответствии с принципом эквивалентности мысленно заменим действие гравитации постоянным ускорением. Это один из примеров того, как Эйнштейн использовал принцип эквивалентности при создании своей новой теории гравитации.

Итак, предположим, что наша ракета ускоряется. (Будем считать, что она ускоряется медленно, так что ее скорость не приближается к скорости света.

) Поскольку корпус ракеты движется вверх, первому сигналу понадобится пройти меньшее расстояние, чем прежде (до начала ускорения), и он прибудет к нижнему наблюдателю раньше чем через секунду.

Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше, так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде.

Но в момент от-правки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени.

Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.

В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле.

Следовательно, да-же если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовом столе на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам).

Вот это действительно удивительно!

Гравитация изменяет течение времени.

Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях.

Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект.

Наши биологические часы также реагируют на изменения хода времени. Если один из близнецов живет на вершине горы, а другой – у моря, первый будет стареть быстрее второго.

В данном случае различие в возрастах будет ничтожным, но оно существенно увеличится, коль скоро один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой.

Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле. Этот случай известен как парадокс близнецов, но парадоксом он является только для тех, кто держится за идею абсолютного времени.

В теории относительности нет никакого уникального абсолютного времени – для каждого индивидуума имеется своя собственная мера времени, которая зависит от того, где он находится и как движется.

C появлением сверхточных навигационных систем, получающих сигналы от спутников, разность хода часов на различных высотах приобрела практическое значение. Если бы аппаратура игнорировала предсказания общей теории относительности, ошибка в определении местоположения могла бы достигать нескольких километров!

Появление общей теории относительности в корне изменило ситуацию. Пространство и время обрели статус динамических сущностей.

Когда перемещаются тела или действуют силы, они вызывают искривление пространства и времени, а структура пространства-времени, в свою очередь, сказывается на движении тел и действии сил.

Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят.

Время возле черной дыры

Представим себе бесстрашного астронавта, который остается на поверхности коллапсирующей звезды во время катастрофического сжатия. В некоторый момент по его часам, скажем в 11:00, звезда сожмется до критического радиуса, за которым гравитационное поле усиливается настолько, что из него невозможно вырваться.

Теперь предположим, что по инструкции астронавт должен каждую секунду по своим часам посылать сигнал космическому кораблю, который находится на орбите на некотором фиксированном расстоянии от центра звезды. Он начинает передавать сигналы в 10:59:58, то есть за две секунды до 11:00.

Что зарегистрирует экипаж на борту космического судна?

Ранее, проделав мысленный эксперимент с передачей световых сигналов внутри ракеты, мы убедились, что гравитация замедляет время и чем она сильнее, тем значительнее эффект.

Астронавт на поверхности звезды находится в более сильном гравитационном поле, чем его коллеги на орбите, поэтому одна секунда по его часам продлится дольше секунды по часам корабля.

Поскольку астронавт вместе с поверхностью движется к центру звезды, действующее на него поле становится все сильнее и сильнее, так что интервалы между его сигналами, принятыми на борту космического корабля, постоянно удлиняются.

Это растяжение времени будет очень незначительным до 10:59:59, так что для астронавтов на орбите интервал между сигналами, переданными в 10:59:58 и в 10:59:59, очень ненамного превысит секунду. Но сигнала, отправленного в 11:00, на корабле уже не дождутся.

Все, что произойдет на поверхности звезды между 10:59:59 и 11:00 по часам астронавта, растянется по часам космического корабля на бесконечный период времени. С приближением к 11:00 интервалы между прибытием на орбиту последовательных гребней и впадин испущенных звездой световых волн станут все длиннее; то же случится и с промежутками времени между сигналами астронавта.

Теория относительности для чайников

Поскольку частота излучения определяется числом гребней (или впадин), приходящих за секунду, на космическом корабле будет регистрироваться все более и более низкая частота излучения звезды. Свет звезды станет все больше краснеть и одновременно меркнуть.

В конце концов звезда настолько потускнеет, что сделается невидимой для наблюдателей на космическом корабле; все, что останется, – черная дыра в пространстве. Однако действие тяготения звезды на космический корабль сохранится, и он продолжит обращение по орбите.

Источник: https://steptosleep.ru/%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%87%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.