Relatività generale. Teoria della relatività di Albert Einstein

Si è detto su questa teoria che solo tre persone nel mondo lo comprendono, e quando i matematici hanno cercato di esprimere in numeri ciò che ne consegue, l'autore stesso - Albert Einstein - ha scherzato sul fatto che ora ha smesso di capirlo. La teoria della relatività speciale e generale è la parte inseparabile dell'insegnamento su cui sono costruite le moderne concezioni scientifiche sulla struttura del mondo.

"Anno dei miracoli"

Nel 1905, la principale pubblicazione scientifica in Germania, Annalen der Physik (Annals of Physics), pubblicò uno dopo l'altro quattro articoli del ventiseienne Albert Einstein, che lavorava come esperto di 3a classe - piccolo impiegato - Ufficio federale per le invenzioni brevettuali a Berna. In precedenza aveva collaborato con la rivista, ma la pubblicazione di così tanti lavori in un anno è stato un evento straordinario. È diventato ancora più straordinario quando il valore delle idee contenute in ciascuna di esse è diventato chiaro.

Nel primo articolo sono stati espressi pensieri sulla natura quantistica della luce e sono stati considerati i processi di assorbimento e emissione di radiazioni elettromagnetiche. Su questa base, l'effetto fotoelettrico - l'emissione di elettroni emessi dai fotoni di luce da una sostanza - è stato inizialmente spiegato e sono state proposte formule per calcolare la quantità di energia rilasciata in questo processo. È per lo sviluppo teorico dell'effetto fotoelettrico, che ha iniziato la meccanica quantistica, e non per i postulati della teoria della relatività, Einstein riceverà il premio Nobel per la fisica nel 1922.

Un altro articolo ha posto le basi per le aree applicate delle statistiche fisiche basate sulla ricerca. Moto browniano le particelle più piccole sospese in un liquido. Einstein propose metodi per trovare modelli di fluttuazioni - deviazioni casuali e casuali di quantità fisiche dai loro valori più probabili.

E infine, gli articoli "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento" e "L'inerzia del corpo dipende dal suo contenuto energetico?" Contenevano i germi di ciò che sarà designato nella storia della fisica come la teoria della relatività di Albert Einstein, o meglio la sua prima parte - SRT - la teoria speciale relatività.

Fonti e predecessori

Alla fine del 19 ° secolo, a molti fisici sembrò che la maggior parte dei problemi globali dell'universo fosse stata risolta, che le principali scoperte fossero state fatte e che l'umanità avesse dovuto usare la conoscenza accumulata per accelerare potentemente il progresso tecnologico. Solo alcune incoerenze teoriche hanno rovinato l'immagine armonica dell'Universo, pieno di etere e vivente secondo incrollabili leggi newtoniane.

Harmony ha rovinato gli studi teorici di Maxwell. Le sue equazioni, che descrivevano l'interazione dei campi elettromagnetici, contraddicevano le leggi generalmente accettate della meccanica classica. Si trattava di misurare. la velocità della luce nei sistemi di riferimento dinamici, quando il principio di relatività di Galileo cessò di funzionare, un modello matematico dell'interazione di tali sistemi quando si muoveva con la velocità della luce portò alla scomparsa onde elettromagnetiche.

Inoltre, non ha risposto alla scoperta dell'etere, che avrebbe dovuto conciliare l'esistenza simultanea di particelle e onde, macro e microcosmo. L'esperimento condotto nel 1887 da Albert Michelson e Edward Morley mirava a rilevare il "vento dell'etere", che inevitabilmente doveva essere risolto da uno strumento unico: un interferometro. L'esperimento è durato un anno intero - il tempo della rivoluzione completa della Terra attorno al Sole. Il pianeta dovette muoversi contro il flusso di etere per mezzo anno, l'etere doveva "soffiare sulle vele" della Terra per mezzo anno, ma il risultato era zero: nessuna onda di luce si spostava sotto l'influenza dell'etere, che sfidava l'esistenza stessa dell'etere.

Lorenz e Poincaré

I fisici hanno cercato di trovare una spiegazione per i risultati degli esperimenti sulla rilevazione di etere. Hendrick Lorenz (1853-1928) propose il suo modello matematico. Ritorna in vita il riempimento eterico dello spazio, ma solo con un presupposto molto condizionale e artificiale che, quando si muove attraverso l'etere, gli oggetti possono restringersi nella direzione del movimento. Questo modello è stato modificato dal grande Henri Poincaré (1854-1912).

Nelle opere di questi due scienziati, i concetti sono comparsi per la prima volta, costituendo in gran parte i principi fondamentali della teoria della relatività, e questo non consente alle accuse di plagio di Einstein di attenuarsi. Questi includono la convenzionalità del concetto di simultaneità, l'ipotesi della costanza della velocità della luce. Poincaré ha ammesso che a velocità elevate, le leggi della meccanica di Newton richiedono l'elaborazione, ha concluso che il moto è relativo, ma applicato alla teoria dell'etere.

Teoria della relatività speciale - SRT

I problemi di una corretta descrizione dei processi elettromagnetici divennero la ragione motivante per scegliere un argomento per gli sviluppi teorici, e gli articoli di Einstein pubblicati nel 1905 contenevano un'interpretazione di un caso particolare: movimento uniforme e rettilineo. Nel 1915 venne formata la teoria generale della relatività, che spiegava anche le interazioni delle interazioni gravitazionali, ma la prima era la teoria chiamata speciale.

Teoria della relatività speciale Einstein può essere riassunto come due postulati di base. Il primo diffonde l'azione Principio galileiano di relatività su tutti i fenomeni fisici, e non solo sui processi meccanici. In una forma più generale, si legge: Tutte le leggi fisiche sono le stesse per tutti i sistemi di riferimento inerziali (che si muovono in modo uniforme, rettilineo o a riposo).

La seconda affermazione, che contiene una teoria della relatività speciale: la velocità della luce nel vuoto per tutti i sistemi di riferimento inerziali è la stessa. Successivamente, viene fatta una conclusione più globale: la velocità della luce è il più alto tasso possibile di trasmissione delle interazioni in natura.

Nei calcoli matematici SRT ha la formula E = mc², che era già apparsa in pubblicazioni fisiche, ma fu grazie a Einstein che divenne il più famoso e popolare nella storia della scienza. La conclusione sull'equivalenza di massa ed energia è la formula più rivoluzionaria della teoria della relatività. Il concetto che ogni oggetto con una massa contiene un'enorme quantità di energia divenne la base per lo sviluppo dell'uso dell'energia nucleare e, soprattutto, portò alla comparsa della bomba atomica.

Effetti della teoria speciale della relatività

Il SRT implica diverse conseguenze, che sono chiamate effetti relativistici (relatività o relatività). La dilatazione del tempo è una delle più brillanti. La sua essenza è che in una cornice in movimento di tempo di riferimento va più lentamente. I calcoli mostrano che su un veicolo spaziale che ha effettuato un ipotetico volo verso il sistema stellare Alpha Centauri e indietro a una velocità di 0,95 s (c è la velocità della luce), ci vorranno 7,3 anni, e sulla Terra ci saranno 12 anni. Tali esempi sono spesso citati quando viene spiegata la teoria della relatività per le teiere, così come il paradosso gemello associato a questo effetto.

Un altro effetto è una riduzione delle dimensioni lineari - cioè, dal punto di vista di un osservatore, gli oggetti che si muovono rispetto a lui ad una velocità prossima a c avranno dimensioni lineari più piccole nella direzione del movimento rispetto alla loro lunghezza. Questo effetto predetto dalla fisica relativistica è chiamato contrazione di Lorentz.

Secondo le leggi della cinematica relativistica, la massa di un oggetto in movimento è maggiore della massa a riposo. Questo effetto diventa particolarmente significativo nello sviluppo di strumenti per lo studio di particelle elementari - senza tenerlo conto è difficile immaginare il lavoro del LHC (Large andron Collider).

Spazio

Una delle componenti più importanti della relatività speciale è la visualizzazione grafica della cinematica relativistica, un concetto speciale di spazio-tempo unificato, proposto dal matematico tedesco Hermann Minkowski, che un tempo era un insegnante di matematica da uno studente di Albert Einstein.

L'essenza del modello Minkowski è un approccio completamente nuovo per determinare la posizione degli oggetti che entrano in interazione. La teoria della relatività speciale presta particolare attenzione. Il tempo diventa non solo la quarta coordinata del sistema di coordinate tridimensionale classico, il tempo non è un valore assoluto, ma una caratteristica inseparabile dello spazio, che assume la forma di un continuum spazio-temporale, espresso graficamente come un cono, in cui avvengono tutte le interazioni.

Tale spazio nella teoria della relatività, con il suo sviluppo verso un carattere più generalizzante, fu successivamente anche sottoposto a curvatura, che rese tale modello adatto per la descrizione e le interazioni gravitazionali.

Ulteriore sviluppo della teoria

SRT non ha immediatamente trovato comprensione tra i fisici, ma gradualmente è diventato lo strumento principale per descrivere il mondo, in particolare il mondo delle particelle elementari, che è diventato il soggetto principale dello studio della scienza fisica. Ma il compito di integrare la STR con la spiegazione delle forze del potere era molto urgente, e Einstein non smise di funzionare, perfezionando i principi della teoria generale della relatività - GRT. L'elaborazione matematica di questi principi ha richiesto molto tempo, circa 11 anni, e gli specialisti delle scienze legate alla fisica vi hanno preso parte.

Quindi, un grande contributo fu dato dal matematico principale di quel tempo, David Hilbert (1862-1943), che divenne uno dei coautori delle equazioni del campo gravitazionale. Erano l'ultima pietra nella costruzione di un bellissimo edificio, che ha ricevuto il nome - la teoria generale della relatività, o GR.

Relatività generale - GR

La teoria moderna del campo gravitazionale, la teoria della struttura spazio-temporale, la geometria dello spazio-tempo, la legge delle interazioni fisiche nei sistemi di segnalazione non inerziale sono tutti nomi diversi che sono stati dati alla teoria della relatività generale di Albert Einstein.

La teoria del mondo molto diffusa, che per lungo tempo ha determinato le visioni della scienza fisica sulla gravità, sull'interazione di oggetti e campi di varie dimensioni. Paradossalmente, il suo principale svantaggio era l'immaterialità, l'illusività, la matematica della sua essenza. Tra le stelle e i pianeti c'era un vuoto, l'attrazione tra i corpi celesti era spiegata dall'azione a lungo raggio di alcune forze e da una istantanea. La teoria generale della relatività di Albert Einstein riempiva la gravità del contenuto fisico, presentandolo come un contatto diretto di vari oggetti materiali.

Geometria gravitazionale

L'idea principale, con l'aiuto di cui Einstein ha spiegato le interazioni gravitazionali, è molto semplice. Espressione fisica delle forze di lui dichiara lo spazio-tempo, dotato di segni abbastanza tangibili - una metrica e deformazioni, che sono influenzate dalla massa dell'oggetto, attorno al quale si formano tali curvature. Un tempo, a Einstein venivano persino attribuite telefonate per tornare alla teoria dell'universo, la nozione di etere come mezzo materiale elastico che riempiva lo spazio. Ha spiegato che è difficile per lui chiamare una sostanza con una moltitudine di qualità che può essere descritta come un vuoto.

Quindi, la gravità è una manifestazione delle proprietà geometriche dello spazio-tempo quadridimensionale, che è stato designato in SRT come non curvo, ma nei casi più generali è dotato di curvatura, che determina il movimento di oggetti materiali, a cui viene data la stessa accelerazione in accordo con il principio di equivalenza di Einstein.

Questo principio fondamentale della teoria della relatività spiega molti dei "colli di bottiglia" della teoria newtoniana dell'ampiezza del mondo: la curvatura della luce osservata quando passa attorno a massicci oggetti spaziali con alcuni fenomeni astronomici e, notato dagli antichi, la stessa accelerazione dei corpi che cadono, indipendentemente dalla loro massa.

Modellare la curvatura dello spazio

Un esempio comune, che spiega la teoria generale della relatività per le teiere, è la rappresentazione dello spazio-tempo sotto forma di un trampolino - una membrana elastica sottile, su cui sono disposti gli oggetti (più spesso sfere) che simulano oggetti interagenti. Palle pesanti piegano la membrana formando un imbuto attorno a sé. Una palla più piccola, lanciata sulla superficie, si muove in piena conformità con le leggi di gravità, rotolando gradualmente nelle scanalature formate da oggetti più massicci.

Ma un tale esempio è abbastanza arbitrario. Lo spazio-tempo reale è multidimensionale, anche la sua curvatura non sembra così elementare, ma il principio della formazione dell'interazione gravitazionale e l'essenza della teoria della relatività diventano chiari. In ogni caso, l'ipotesi, che spiegherebbe più graficamente e coerentemente la teoria della gravità, non esiste ancora.

Prova della verità

GTR cominciò rapidamente a essere percepito come una potente base su cui costruire la fisica moderna. Fin dall'inizio, la teoria della relatività è stata sorprendente nella sua armonia e armonia, e non solo gli specialisti, e subito dopo la sua apparizione, è stata confermata dalle osservazioni.

Il punto più vicino al Sole - il perielio - dell'orbita di Mercurio viene gradualmente spostato rispetto alle orbite di altri pianeti del Sistema Solare, scoperti a metà del XIX secolo. Un simile movimento - la precessione - non ha trovato una spiegazione ragionevole nel quadro della teoria newtoniana dell'ampiezza del mondo, ma è stato precisamente calcolato sulla base della teoria generale della relatività.

L'eclissi del Sole, avvenuta nel 1919, fornì un'opportunità per un'altra prova del GR. Arthur Eddington, che scherzosamente si definiva il secondo uomo su tre, che capiva le basi della teoria della relatività, confermò le deviazioni previste da Einstein durante il passaggio di fotoni leggeri vicino alla stella: al momento dell'eclissi, la posizione apparente di alcune stelle divenne visibile.

Un esperimento per rilevare il rallentamento dell'orologio o il redshift gravitazionale fu proposto dallo stesso Einstein, tra le altre prove della relatività generale. Solo dopo molti anni siamo riusciti a preparare l'attrezzatura sperimentale necessaria ea condurre questa esperienza. Lo spostamento gravitazionale delle frequenze di radiazione dall'emettitore e dal ricevitore, separati dall'altezza, era entro i limiti predetti da GR, mentre i fisici di Harvard Robert Pound e Glen Rebka, che condussero questo esperimento, in seguito aumentarono solo l'accuratezza delle misurazioni e la formula della teoria della relatività si dimostrò corretta.

Nella fondatezza dei progetti più significativi di esplorazione dello spazio, la teoria della relatività di Einstein è necessariamente presente. In breve, si può dire che è diventato uno strumento ingegneristico per specialisti, in particolare quelli coinvolti nei sistemi di navigazione satellitare: GPS, GLONASS, ecc. È impossibile calcolare le coordinate di un oggetto con la precisione richiesta, anche in uno spazio relativamente piccolo, senza prendere in considerazione la decelerazione dei segnali previsti da GTR. Soprattutto quando si tratta di oggetti separati dallo spazio, dove l'errore nella navigazione può essere enorme.

Creatore della teoria della relatività

Albert Einstein era ancora giovane quando pubblicò le basi della teoria della relatività. Successivamente, egli stesso divenne chiaro le sue mancanze e incongruenze. In particolare, il problema più importante della relatività generale era l'impossibilità della sua crescita nella meccanica quantistica, poiché i principi radicalmente diversi tra loro sono usati per descrivere le interazioni gravitazionali. Nella meccanica quantistica, viene considerata l'interazione degli oggetti in un singolo spazio-tempo, mentre per Einstein questo spazio stesso forma la gravità.

Scrivere la "formula di tutte le cose" - una teoria del campo unificata che eliminerebbe le contraddizioni della fisica GR e della fisica quantistica, era l'obiettivo di Einstein per molti anni, ha lavorato su questa teoria fino all'ultima ora, ma non ci è riuscito. I problemi del GR sono diventati un incentivo per molti teorici nella ricerca di modelli più avanzati del mondo. Quindi le teorie delle stringhe, la gravità quantistica del loop e molte altre apparizioni.

La personalità dell'autore di UTO ha lasciato un segno nella storia paragonabile al valore per la scienza della teoria della relatività stessa. Non lascia nessuno indifferente finora. Einstein si chiedeva perché tanta attenzione fosse rivolta a lui e al suo lavoro da parte di persone che non avevano nulla a che fare con la fisica. Grazie alle sue qualità personali, al suo spirito famoso, alla sua posizione politica attiva e persino all'apparenza espressiva, Einstein divenne il fisico più famoso della Terra, l'eroe di molti libri, film e giochi per computer.

La fine della sua vita è descritta in modo drammatico da molti: era solo, considerato lui stesso responsabile dell'aspetto dell'arma più terribile che era diventata una minaccia per tutti gli esseri viventi del pianeta, la sua teoria del campo unica non era realistica, ma il risultato migliore può essere considerato le parole di Einstein che ha completato il suo compito sulla Terra. È difficile discuterne.