Факты в пользу теории относительности
Вряд ли какое-нибудь научное открытие вызывало столько споров, как теория относительности созданная Альбертом Эйнштейном. Даже основанная Максом Планком квантовая физика не вызвала столько дебатов, поскольку описываемые ей объекты были частью микромира. Эйнштейн же замахнулся на макромир, правда в необыкновенных условиях.
Чтобы подтвердить теорию относительности Эйнштейна было проведено множество различных опытов и экспериментов. Источник изображения: gazeteyeniyuzyil.com
До появления научной работы германского физика мир представлялся вполне понятным и прекрасно описывался теорией, созданной сэром Исааком Ньютоном. Идеи Эйнштейна перевернули человеческие знания с ног на голову – понять, что время может замедляться было практически невозможно. Странным кажется и изменение геометрических размеров тел, при приближении их скорости движения к световой. Понять, почему скорость света является предельной для движения материальных тел тоже сложно, а искривление пространства под действием огромных тяготеющих масс и вовсе кажется нонсенсом.
Понять научные выкладки Альберта Эйнштейна сложно даже маститым ученым. Неудивительно, что сразу на его теорию относительности обрушился громадный массив критики. Любая теория требует экспериментального подтверждения. И попытки это сделать предпринимались неоднократно. Правда все они не дали абсолютного доказательства правоты Эйнштейна, но разобраться в экспериментах стоит.
Изменение перигелия Меркурия
Последовательное смещение перигелия Меркурия. Источник изображения: spacegid.com
В 1859 году была зафиксирована дополнительная скорость движения перигелия Меркурия, который смещался примерно на 43 угловые секунды в течение века. Объяснить это с точки классической физики не удавалось. Предполагали, что внутри орбиты Меркурия движется еще одна планета Вулкан, обнаружить которую в телескоп не удается из-за ее близости к Солнцу. Только после появления теории относительности Эйнштейна удалось объяснить прецессию орбитального движения Меркурия искривлением пространства, вызванным гравитацией нашего светила.
Отклонение лучей света гравитационным полем
Отклонение луча в поле Солнца. Источник изображения:: Е.М. Балдин. Краткая физическая энциклопедия.
Из курса школьной физики известно, что в вакууме лучи света двигаются по прямой. На самом деле, свет избирает не кратчайший, а практически всегда с ним совпадающий экстремальный путь. Вблизи звезд, согласно Эйнштейну, меняется сама геометрия пространства, следовательно, траектория луча, проходящего возле Солнца, должна искривляться. В обычной ситуации подобное искривление обнаружить невозможно, но при солнечном затмении отклонение луча от прямолинейности можно зафиксировать.
В 1919 году происходило полное затмение, причем Солнце должно было проходить поблизости крупных звезд. Под руководством А. Эддингтона было отправлено 2 британские экспедиции – в Собрал (Бразилия) и остров Принсипи (возле побережья Африки). Отчет, обобщающий результаты экспедиций утверждал, что полученные результаты полностью согласуются с теорией Эйнштейна.
Измерения 1922 года также совпадали с результатами предсказанными в рамках общей теории относительности.
В 1979 году Денис Уолш из университета Манчестера открыл 2 квазара, отстоящие между собой на 6 угловых секунд. Однако, после анализа и совместной работы еще с 2 учеными, было решено, что квазар только один, а изображение раздвоилось после прохождения его лучей возле гравитационной линзы, созданной полем тяготения галактики, встретившейся на пути лучей. Эта галактика появилась на снимках, после отделения красных и голубых лучей. Это подтверждает работу немецкого физика.
Красное смещение спектра небесных тел
Красное смещение. Источник изображения: infourok.ru
В 1923-26 годах проводился ряд опытов по исследованию спектра Солнца. Другим подобным объектом исследований стал самый крупный в Солнечной системе спутник, входящий в систему Сатурна, Титан. Исследования спектра этих небесных тел ясно показали наличие красного смещения, что подтверждало выкладки Альберта Эйнштейна.
Отражение радиосигнала от Венеры
В 1964 году физик Массачусетского технологического института Ирвин Шапиро предложил оригинальный способ подтверждения теории Эйнштейна. Его идея заключалась в посылке радиосигналов к Меркурию или Венере в момент верхнего соединения этих планет с Землей. В то время техника не позволяла провести подобный эксперимент, но ученый с коллегами нашел выход. Специалисты проанализировали большой массив радиолокаций поверхности Венеры, при этом были учтены всевозможные отклонения связанные с воздействием планет, а также с альбедо и особенностями поверхности Утренней звезды. Результаты полностью совпали с вычислениями, основанными на общей теории относительности.
Отклонение гироскопов
В 2008 году завершилась миссия американского орбитального аппарата Gravity Probe B, вращавшегося на орбите на высоте 600 километров над поверхностью Земли. Целью 16 месяцев работы этого аппарата была экспериментальная проверка теории относительности. НАСА ради опыта пошло на крупные траты – вся миссия обошлась в 700 000 000 долларов.
Идея эксперимента была на редкость красивая – ось, свободно вращающегося гироскопа (если на него не действуют никакие внешние силы), будет сохранять свое направление вечно. 4 идеально отполированных шарика из кварца поместили в звуконепроницаемый термостат, имевший внутри практически полный вакуум, да еще охлажденный практически до абсолютного нуля. Отклонение во вращении могло наблюдаться только из-за гравитационных вихрей, порожденных нашей планетой.
Ученым удалось зафиксировать отдельные проявления искривления пространства и замедления времени. Беда была в том, что эти эффекты никогда не проявлялись одновременно. Специалисты полагают, что сказывались относительно небольшие земные расстояния.
Источники изображения: read01.com
Часть ученых полагает, что теория относительности этими экспериментами была подтверждена, другая часть настаивает на корректировке выкладок Эйнштейна.
Противники теории относительности вообще уверены, что эксперименты доказывают теорию суперструн, и наличие не обнаруженных пока носителей гравитации – гравитонов. Причем, гравитоны должны двигаться быстрее скорости света.
P.S. Кроме описанных в статье экспериментов по доказательству теории относительности было и несколько других. Беда ВСЕХ проведенных опытов в том, что ЧЕТКОГО ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ИСТИННОСТИ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ НЕ ДАЛ НИ ОДИН ИЗ НИХ. Практически всегда полученные результаты, вроде бы укладывающиеся в теорию относительности, не выходили за рамки общей погрешности измерений – а потому, строго говоря, и доказательствами считаться не могут.
В случаях, когда погрешность измерений была меньше зафиксированных отклонений, однозначного доказательства так же нет. Результаты этих экспериментов могут объясняться наличием неких частиц или взаимодействий пока не открытых наукой и существующих только на бумаге.
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
От людей не связанных с наукой порой приходится слышать презрительное «Теория относительности — это всего лишь теория» с намёком на то, что доказательств нет поэтому хочу верю — хочу не верю. Давайте все же разберёмся действительно ли теория относительности является «всего-лишь теорией»?
Источник: vk.com
Фраза «всего-лишь теория», происходит из того, что в обычной жизни, слово «теория» значит: гипотеза, догадка, предположение.
В науке же теория означает систему знаний описывающую законы природы, не противоречащую всем известным фактам. Теория настолько близка к истине, насколько это возможно на текущем уровне развития науки. Поэтому, когда кто-то пытается язвить говоря «Это всего-лишь теория», на самом деле он хвалит теорию относительности, а не сомневается в ней.
Итак, к доказательствам.
А их очень много! Так много, что если бы я писал по статье в день о каждом из них, то мне бы хватило материала надолго. Для этой статьи я выбрал наиболее наглядные.
Смещение перигелия Меркурия
В 19-м веке обнаружили, что орбита Меркурия смещается поворачиваясь вокруг Солнца на несколько угловых секунд в год.
Примерно так выглядит прецессия перигелия Меркурия
Казалось бы — ну и что? Но дело в том, что этот поворот не мог быть объяснен в рамках закона всемирного тяготения. Что только не придумывали, чтобы объяснить эту прецессию. Самой популярной была гипотеза о том, что между Солнцем и Меркурием есть еще одна планета. Ей даже дали название — Вулкан, только найти её никак не удавалось.
А потом появилась теория относительности. Расчёты сделанные на её основе идеально объяснили поведение орбиты Меркурия без необходимости существования еще одной планеты.
Гравитация и свет
Теория относительности предсказывает, что свет проходя вблизи массивных тел отклоняется. Впервые на практике это удалось проверить в 1919-м году во время полного солнечного затмения.
Благодаря гравитационному отклонению многим учёным удалось увидеть как свет звёзд отклонялся, при прохождении Солнца рядом с ними.
В настоящее время уже не нужно ждать солнечных затмений, чтобы произвести такие наблюдения. Так например спутник Hipparcos способен обнаруживать отклонение света звёзд с точностью до миллионных долей угловой секунды. Все наблюдения сделанные этим спутником идеально совпадают с предсказаниями теории относительности.
Гравитационные волны
Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн еще в 1916-м году, однако он считал, что они никогда не будут обнаружены, так как гравитационные волны очень слабы.
Образование гравитационных волн
Они действительно не были обнаружены при жизни Эйнштейна. Однако в 60-х годах учёные придумали способ, с помощью которого можно было бы обнаружить микроскопические деформации пространства при прохождении через них гравитационных волн.
Увы, расчёты показывали, что нужна недостижимая на тот момент точность измерений, чтобы обнаружить гравитационные волны. Потребовалось полвека работы, чтобы довести технологии до нужного уровня точности и в 2015-м году волны были обнаружены.
Лучшим доказательством теории относительности является даже не то, что они были обнаружены, а то, что это случилось именно тогда, когда точность измерений достигла расчётных значений.
Влияние скорости и гравитации на течение времени
Теория относительности предсказывает, что чем быстрее вы двигаетесь в пространстве, тем медленнее вы двигаетесь во времени. Кроме того общая теория относительности гласит, что в гравитационном поле массивных объектов течение времени замедляется. Помните планету из «Интерстеллар», где время текло медленно? Это был эффект нахождения поблизости от сверхмассивной чёрной дыры.
Оба эти эффекта были экспериментально проверены с использованием синхронизированных пар сверхточных атомных часов. Одни часы оставались на Земле, а вторые отправлялись на орбиту. По возвращению часов на Землю они оказывались рассинхронизированы с их копией. Величина рассинхрона точно совпала с расчётами.
Спутник GPS. Источник: wikipedia.org
Этот эффект используется во всех системах спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС и др.). GPS-приёмники получающие значения времени со спутниковых часов подвергаются корректировке с учётом теории относительности. Если бы этого не делалось, то за считанные часы вся спутниковая навигация стала бы совершенно бесполезной.
Черная дыра
Существование черных дыр напрямую следует из общей теории относительности. До недавнего времени мы наблюдали множество косвенных признаков существования черных дыр, но прямых наблюдений не было. И вот буквально месяц назад мир всколыхнула новость о первой фотографии чёрной дыры.
Доказательством теории относительности является даже не столько сам факт того, что удалось наконец увидеть чёрную дыру. В конце концов среди подавляющего большинства учёных сомнений в существовании черных дыр и так не было.
Слева — результаты моделирования, справа — фото чёрной дыры.
Доказывает теорию относительности то, насколько точно совпало изображение черной дыры с результатами моделирования. Кроме того помимо визуальной картинки были измерены и многие параметры черной дыры M87, такие как, например, скорость вращения вещества в аккреционном диске и т.п. Как не сложно догадаться значения всех этих параметров идеально совпали с предсказаниями теории относительности.
Заключение
Есть и множество иных доказательств теории относительности. Например увеличение времени жизни частиц на высоких скоростях, гравитационное красное смещение, эффект Шапиро (задержка радиосигнала отраженного от других планет при прохождении сигнала вблизи Солнца) и так далее,
Таким образом теория относительности специальная и общая являются общепризнанными прежде всего потому, что они работают. На основании теории относительности можно делать сложные расчёты и быть уверенным, что они с огромной точностью будут соответствовать реальности.
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!
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/c^2)
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.
1. ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ:
Время замедления происходит не только из-за высоких скоростей, но и в присутствии силы тяжести. Время замедляется при наличии гравитационного поля. Время замедления из-за силы тяжести может быть дано как:
Здесь To – время, измеренное в гравитационном поле, а T – время, измеренное вдали от гравитационного поля. Приведенное выше уравнение показывает, что чем больше масса тела, тем больше замедление времени. Удивительно отметить, что замедление времени в черной дыре настолько сильно, что время останавливается на горизонте событий. Замедление времени в гравитационном поле также приводит к явлению, известному как гравитационное красное смещение. Свет, распространяющийся за пределами гравитационной ямы, оказывается смещенным в красную сторону (длина волны увеличивается) при наблюдении из точки в более низком гравитационном поле.
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.