Mēdz teikt, ka epifānija vienā mirklī nonāca Alberta Einšteina priekšā. Iespējams, ka zinātnieks brauca ar tramvaju Bernē (Šveice), paskatījās uz ielas pulksteni un pēkšņi saprata, ka, ja tramvajs tagad paātrinātu gaismas ātrumu, tad viņa uztverē šis pulkstenis apstātos un apkārt nebūtu laika. Tas lika viņam formulēt vienu no centrālajiem relativitātes postulātiem - ka dažādi novērotāji realitāti uztver atšķirīgi, iekļaujot tādus fundamentālus lielumus kā attālums un laiks.
Zinātniski runājot, tajā dienā Einšteins saprata, ka jebkura fiziska notikuma vai parādības apraksts ir atkarīgs no atsauces ietvara, kurā atrodas novērotājs (sk. Koriolisa efektu). Ja, piemēram, tramvaja pasažieris nomet brilles, tad viņai tie nokrīt vertikāli uz leju, un gājējam, kas stāv uz ielas, brilles nokrīt parabolā, jo tramvajs pārvietojas, kamēr brilles nokrīt. Katram no tiem ir savs atskaites ietvars.
Bet, kaut arī notikumu apraksti mainās pārejas laikā no viena atsauces rāmja uz otru, ir arī universālas lietas, kas paliek nemainīgas. Ja tā vietā, lai aprakstītu brilles, mēs uzdodam jautājumu par dabas likumu, kas izraisa to krišanu, tad atbilde uz to būs vienāda novērotājam fiksētā koordinātu sistēmā un novērotājam kustīgā koordinātu sistēmā. Likums par sadalītu satiksmi ir vienlīdz spēkā uz ielas un tramvajā. Citiem vārdiem sakot, kaut arī notikumu apraksts ir atkarīgs no novērotāja, dabas likumi nav atkarīgi no viņa, tas ir, kā viņi saka zinātniskajā valodā, tie ir nemainīgi. Tas ir relativitātes princips.
Tāpat kā jebkura hipotēze, bija jāpārbauda relativitātes princips, korelējot to ar reālām dabas parādībām. No relativitātes principa Einšteins atvasināja divas atsevišķas (kaut arī saistītas) teorijas. Īpašā jeb īpašā relativitātes teorija izriet no pieņēmuma, ka dabas likumi ir vienādi visiem atskaites rāmjiem, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Vispārējā relativitāte paplašina šo principu attiecībā uz jebkuru atskaites punktu, ieskaitot tos, kas pārvietojas ar paātrinājumu. Īpašā relativitātes teorija tika publicēta 1905. gadā, un, no matemātiskā aparāta viedokļa sarežģītāka, vispārējo relativitātes teoriju Einšteins pabeidza līdz 1916. gadam.
Speciālā relativitātes teorija
Lielāko daļu paradoksālo un pretrunīgo intuitīvo ideju par efektu pasauli, kas rodas, pārvietojoties ar ātrumu, kas tuvs gaismas ātrumam, prognozē speciālā relativitātes teorija. Visslavenākais no tiem ir pulksteņa palēnināšanās efekts vai laika palēnināšanās efekts. Pulkstenis, kas pārvietojas attiecībā pret novērotāju, viņam darbojas lēnāk nekā tieši tāds pats pulkstenis viņa rokās.
Laiks koordinātu sistēmā, kas pārvietojas ar ātrumu, kas tuvs gaismas ātrumam, tiek izstiepts attiecībā pret novērotāju, bet objektu telpiskais mērogs (garums) gar kustības virziena asi, tieši pretēji, tiek saspiests. Šo efektu, kas pazīstams kā Lorenca-Ficdžeralda saraušanās, 1889. gadā aprakstīja īru fiziķis Džordžs Ficdžeralds (1851–1901) un 1892. gadā to papildināja holandietis Hendriks Lorencs (1853–1928). Lorenca-Ficdžeralda saīsinājums izskaidro, kāpēc Miķelsona-Morlija eksperiments, lai noteiktu Zemes kustības ātrumu kosmosā, izmērot "ētera vēju", deva negatīvu rezultātu. Vēlāk Einšteins iekļāva šos vienādojumus īpašajā relativitātē un papildināja tos ar līdzīgu masas pārveidošanas formulu,saskaņā ar kuru ķermeņa masa arī palielinās, kad ķermeņa ātrums tuvojas gaismas ātrumam. Tātad ar ātrumu 260 000 km / s (87% no gaismas ātruma) objekta masa no novērotāja viedokļa atpūtas atskaites rāmī dubultosies.
Reklāmas video:
Kopš Einšteina laikiem visi šie pareģojumi, neatkarīgi no tā, kā tie var šķist veselajam saprātam, atrod pilnīgu un tiešu eksperimentālu apstiprinājumu. Vienā no visatklājamākajiem eksperimentiem Mičiganas universitātes zinātnieki uz lidmašīnas borta uzlika īpaši precīzu atomu pulksteni, kas veica regulārus transatlantiskos lidojumus, un pēc katra lidojuma atpakaļ uz mājas lidostu viņi pārbaudīja savus rādījumus ar vadības pulksteni. Izrādījās, ka pulkstenis lidmašīnā arvien vairāk un vairāk atpalika no kontrolierīcēm (tā sakot, kad runa bija par sekundes daļu). Pēdējā pusgadsimta laikā zinātnieki ir pētījuši elementārdaļiņas milzīgos aparatūras kompleksos, kurus sauc par paātrinātājiem. Tajās lādētu subatomisko daļiņu (piemēram, protonu un elektronu) staru kūļi tiek paātrināti līdz ātrumam, kas ir tuvu gaismas ātrumam,tad viņi tiek atlaisti uz dažādiem kodolmērķiem. Šādos eksperimentos ar paātrinātājiem ir jāņem vērā paātrinātu daļiņu masas palielināšanās - pretējā gadījumā eksperimenta rezultāti vienkārši netiks izmantoti saprātīgā interpretācijā. Un šajā ziņā īpašā relativitātes teorija jau sen ir pārgājusi no hipotētisko teoriju kategorijas uz lietišķās inženierijas instrumentu lauku, kur tā tiek izmantota līdzvērtīgi Ņūtona mehānikas likumiem.
Atgriežoties pie Ņūtona likumiem, es gribētu uzsvērt, ka īpašā relativitātes teorija, kaut arī tā ārēji ir pretrunā ar klasiskās Ņūtona mehānikas likumiem, faktiski praktiski precīzi atkārto visus parastos Ņūtona likumu vienādojumus, ja tos piemēro, lai aprakstītu ķermeņus, kas pārvietojas ar lielu ātrumu mazāks par gaismas ātrumu. Tas ir, īpašā relativitātes teorija neatceļ Ņūtona fiziku, bet to paplašina un papildina (šī ideja sīkāk apskatīta Ievadā).
Relativitātes princips palīdz arī saprast, kāpēc gaismas ātrumam, nevis kādam citam, ir tik liela loma šajā pasaules struktūras modelī - šo jautājumu uzdod daudzi no tiem, kas pirmo reizi saskārās ar relativitātes teoriju. Gaismas ātrums izceļas un tam ir īpaša loma kā universālajai konstantei, jo to nosaka dabaszinātņu likums (sk. Maksvela vienādojumus). Saskaņā ar relativitātes principu gaismas ātrums vakuumā, c, ir vienāds jebkurā atskaites ietvarā. Tas šķietami ir pretrunā ar veselo saprātu, jo izrādās, ka gaisma no kustīga avota (neatkarīgi no tā, cik ātri tas kustas) un no nekustīga avota vienlaicīgi sasniedz novērotāju. Tomēr tas tā ir.
Sakarā ar īpašo lomu dabas likumos, gaismas ātrumam ir galvenā nozīme vispārējā relativitātē.
Vispārīgā relativitātes teorija
Vispārējā relativitātes teorija jau tiek piemērota visiem atskaites rāmjiem (un ne tikai tiem, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu attiecībā pret otru), un matemātiski izskatās daudz sarežģītāka nekā īpašā (kas izskaidro vienpadsmit gadu plaisu starp to publicēšanu). Kā īpašs gadījums tas ietver īpašo relativitātes teoriju (un līdz ar to Ņūtona likumus). Turklāt vispārējā relativitātes teorija sniedzas daudz tālāk nekā visi tās priekšgājēji. Jo īpaši tas sniedz jaunu gravitācijas interpretāciju.
Vispārējā relativitāte padara pasauli četrdimensionālu: trīs telpiskajām dimensijām tiek pievienots laiks. Visas četras dimensijas nav atdalāmas, tāpēc mēs vairs nerunājam par telpisko attālumu starp diviem objektiem, kā tas notiek trīsdimensiju pasaulē, bet par telpas-laika intervāliem starp notikumiem, kas vieno to attālumu viens no otra - gan laikā, gan telpā … Tas ir, telpa un laiks tiek uzskatīti par četrdimensiju telpas-laika kontinuitāti vai, vienkārši, telpas-laiku. Šajā kontinuācijā novērotāji, kas pārvietojas viens pret otru, var pat domāt par to, vai divi notikumi notika vienlaikus - vai viens notika pirms otra. Par laimi mūsu nabadzīgajam prātam jautājums nav par cēloņu un seku attiecību pārkāpumu - tas ir, koordinātu sistēmu esamību,kurā divi notikumi nenotiek vienlaicīgi un atšķirīgā secībā, pat vispārējā relativitātes teorija to nepieļauj.
Ņūtona gravitācijas likums mums saka, ka starp jebkuriem diviem Visuma ķermeņiem pastāv savstarpējas pievilcības spēks. No šī viedokļa Zeme griežas ap Sauli, jo starp tām darbojas savstarpējas pievilcības spēki. Vispārējā relativitāte tomēr liek mums uz šo parādību paskatīties savādāk. Saskaņā ar šo teoriju gravitācija ir telpas laika elastīgo audu deformācijas ("izliekuma") sekas masas ietekmē (šajā gadījumā, jo smagāks ir ķermenis, piemēram, saule, jo vairāk telpas laiks "saliecas" zem tā un attiecīgi arī tā lauks). Iedomājieties cieši izstieptu audeklu (sava veida batuts) ar masīvu bumbiņu uz tā. Tīkls deformējas zem bumbiņas svara, un ap to veido piltuves formas ieplaku. Saskaņā ar vispārējo relativitātiZeme griežas ap Sauli kā maza bumbiņa, kas apgāzta ap piltuves konusu, kas izveidojies pēc tam, kad kosmosa laiku "piespiež" smaga bumba - Saule. Un tas, kas mums šķiet gravitācijas spēks, patiesībā faktiski ir telpas-laika izliekuma tīri ārēja izpausme, un tas Ņūtona izpratnē nemaz nav spēks. Līdz šim nav atrasts labāks gravitācijas rakstura skaidrojums, nekā mums dod vispārējā relativitātes teorija. Līdz šim nav atrasts labāks gravitācijas rakstura skaidrojums, nekā mums dod vispārējā relativitātes teorija. Līdz šim nav atrasts labāks gravitācijas rakstura skaidrojums, nekā mums dod vispārējā relativitātes teorija.
Ir grūti pārbaudīt vispārējo relativitātes teoriju, jo parastos laboratorijas apstākļos tās rezultāti gandrīz pilnībā sakrīt ar to, ko prognozē Ņūtona universālās gravitācijas likums. Neskatoties uz to, ir veikti vairāki svarīgi eksperimenti, un to rezultāti ļauj teoriju uzskatīt par apstiprinātu. Turklāt vispārējā relativitāte palīdz izskaidrot parādības, kuras novērojam kosmosā - piemēram, nelielas Merkura novirzes no stacionāras orbītas, kas ir neizskaidrojamas no klasiskās Ņūtona mehānikas viedokļa, vai arī tālu zvaigžņu elektromagnētiskā starojuma izliekums, kad tas iet tiešā Saules tuvumā.
Faktiski rezultāti, ko prognozē vispārējā relativitāte, ievērojami atšķiras no rezultātiem, ko paredz Ņūtona likumi tikai tad, ja ir superstrong gravitācijas lauki. Tas nozīmē, ka vispārējās relativitātes teorijas pilnvērtīgam pārbaudei ir nepieciešami vai nu ļoti precīzi ļoti masīvu priekšmetu, vai melno caurumu mērījumi, kuriem nav piemērojama neviena no mūsu parastajām intuitīvajām idejām. Tātad viens no vissvarīgākajiem eksperimentālās fizikas uzdevumiem joprojām ir jaunu eksperimentālo metožu izstrāde relativitātes teorijas pārbaudei.