Теория относительности Эйнштейна кратко и понятно

На самом деле существуют две теории относительности: общая и специальная. Они в корне изменили представления о базовых свойствах материи, пространства и времени. Положения специальной теории относительности были впервые опубликованы в 1905, а общей — в 1915 году.

История возникновения теории

Альберт Эйнштейн, создавая свою теорию, в качестве основы брал экспериментальные данные. Он попытался их объяснить, выдвинув всего два постулата:

1. Равенство любых систем отсчёта, движущихся с постоянной и прямолинейной скоростью.
2. Неизменность скорости света в любой системе отсчёта.

При помощи последовательных логических рассуждений и с помощью математики он создал теорию, которая полностью подтверждается данными научных экспериментов.

В 19 веке физики искали общую основу пространства и времени. Они рассчитывали. Что существует особая среда — эфир, в которой существуют предметы материального мира. Считалось, что это материальный субстрат, колебания которого представляют собой световые волны. Физики того времени и впоследствии не смогли найти убедительных фактических доказательств существования эфира. Альберт Эйнштейн отказался от такого подхода и предложил своё объяснение.

Теория относительности простыми словами для чайников

Раньше, до её создания, считалось, что существует три пространственных измерения и одно временное, причём они полностью независимы друг от друга. На самом деле оказалось, что они представляют собой единый четырёхмерный пространственно-временной континуум.

Прежде считалось, что гравитация, это сила, действующая между объектами, величина которой зависит от их массы. Теория относительности объяснила это явление иначе. Оказалось, что объекты своей массой искривляют пространственно-временной континуум, а сила гравитации — следствие этого.

Теория получила своё название от принципа относительности. Когда человек видит движущийся предмет. То это означает, что он перемещается относительно него. Если он движется с той же скоростью и в том же направлении, то для него предмет будет находиться в покое.

Другими словами говоря, когда говорят о наличии или отсутствии движения, это имеет смысл утверждать только, если указать систему координат, относительно которой это происходит. В разных случаях ответ может существенно отличаться.

Однако теория утверждает, что скорость света является исключением. Она остаётся постоянной в любой системе координат. Этот принцип можно проиллюстрировать следующим мысленным экспериментом.

Если есть корабль, летящий со скоростью света и он испускает свет в направлении своего движения, то скорость последнего будет равна скорости света в вакууме. Неподвижный наблюдатель видит скорость, с которой летит корабль и испущенный им свет. Оба объекта будут иметь одну и ту же скорость. Свет не будет двигаться быстрее.

Специальная теория относительности рассматривает процессы, происходящие в движущихся с постоянной скоростью системах координат. Общая рассматривает также эффекты, которые связаны с ускорением или явлениями гравитации. Теория относительности считает, что законы природы проявляются одинаково в любой равномерно движущейся или находящейся в покое системе координат.

В этом видеоролике можно подробно узнать о парадоксах теории относительности:

Принципы теории

Для того, чтобы лучше понимать объяснения, которые даёт теория относительности, нужно лучше понять то, что представляет собой четырёхмерный континуум «пространство-время». Привычные нам пространственные и временные координаты являются проекциями континуума, которые мы видим и воспринимаем.

Тела не изменяются, перемещаясь в континууме, но меняются проекции, восприятие которых доступно человеку. Именно это воспринимается в качестве замедления времени или продольного сокращения.

Замедление времени

Это явление можно также наглядно показать в виде мысленного эксперимента. Представим себе наблюдателя, находящегося в покое и другого, летящего перед ним слева направо в космическом корабле с огромной скоростью.

В корабле имеется два зеркала: на полу и на потолке. Свет идёт от нижнего к верхнему и обратно. Для стоящего рядом человека расстояние между зеркалами рассчитывается по прямой.

Находящийся в покое наблюдатель видит наклонную траекторию, поскольку корабль движется. Поскольку скорость света одинаково, то время, затраченное светом на движение между зеркалами, будет отличаться. Поскольку в первом случае движение перпендикулярно полу, а во втором — по наклонной.

Таким образом указанное действие будет занимать различное время. Его длительность будет определяться относительным движением между системами отсчёта.

Продольное сокращение

Постоянство скорости света предполагает, что при движении происходит сокращение в направлении движения. Это явление имеет сложную природу. Это можно пояснить следующим образом.

Допустим, у наблюдателя на Земле есть комната, расстояние между стенами которой составляет 10 м. Свет, проходя от задней до передней стены свет потратит время t.

С точки зрения наблюдателя в летящем в космосе корабле, он увидит свет, летящий с прежней скоростью, но ему покажется, что передняя стена движется на него, а задняя отдаляется. Таким образом свет с постоянной скоростью затратит меньше времени и пройдёт меньшее расстояние. Таким образом расстояние между стенами станет меньше.

Оба наблюдателя правы. Расстояние рассматривается в четырёхмерном континууме, и в нём оно не меняется. Но с точки зрения человека произойдёт сокращение расстояние в направлении движения.

Одновременность

В представлении классической физики, время является независимой координатой, которая имеет абсолютный характер. Иначе говоря, каждому событию соответствует определённый момент времени. Те, у кого он совпадает, можно считать одновременными. Теория относительности не согласна с таким подходом.

Некоторые могут спросить о том, почему теорию объясняют с помощью мысленных конструкций, разве нельзя просто указать на факты — на самом деле можно. Но нужно учитывать, что эти эффекты легко видимы на гигантских скоростях и космических расстояниях. Современный уровень науки и техники позволяет очень точно провести измерения. Изучение показало, что полученные данные подтвердили правоту теории.

Для иллюстрации нового понятия одновременности, можно провести мысленный эксперимент. Представим, что скорость света настолько мала, что можно визуально увидеть, как свет движется от только что включённой лампы к стене. Лампу расположили на равном расстоянии от стен. После включения стоящий в комнате человек увидел, как лучи одновременно достигли их поверхности. С его точки зрения всё произошло в один момент времени.

Предположим, что в стене перед ним окно. Мимо него снаружи движется наблюдатель с постоянной скоростью. Он смотрит в окно и видит, как свет движется к стенам. Сложность в том, что скорость света для обоих наблюдателей будет одинаковой. Поэтому второй наблюдатель увидит разные картинки относительно движения света к передней и задней стене (относительно направления его движения).

Он увидит, что задняя стена приближается к источнику света, а передняя — отдаляется. Поскольку скорость движения одинакова, то первое событие произойдёт раньше, а второе — позже. Таким образом одновременность будет отсутствовать. Однако оба наблюдателя будут одинаково правы: «одновременность является относительной и зависит от системы координат наблюдателя».

В реальной жизни этот эффект незаметен, поскольку скорость движения наблюдателя очень медленная по сравнению с предельной. В космосе такие эффекты можно зафиксировать экспериментально.

Масса и энергия

Ещё одно открытие состоит в утверждении общей природы материи и энергии. Об этом утверждает знаменитая формула E=mc^2. По мере увеличения скорости масса растёт. Чем оно тяжелее, тем труднее увеличить скорость — для этого требуется всё больше энергии. При приближении к скорости света масса и энергия увеличиваются до бесконечности. Связь между массой и энергией носит фундаментальный характер — она утверждает о возможности их превращении друг в друга.

В этом видео приводится разъяснение основных положений теории относительности:

Частые вопросы

Происходит ли движение с ускорением при воздействии гравитации — ответить на этот вопрос поможет следующий мысленный эксперимент. Можно представить, что человек находится в свободно падающем лифте. Тогда он и все предметы будут испытывать невесомость и двигаться так, как если бы находились в космосе и перемещались с постоянной скоростью.

Отличить эти два состояния невозможно. Движение под действием гравитации в четырёхмерном континууме является равномерным. Но с точке зрения людей выглядит ускоряющимся. Так происходит из-за того, что массивные тела искажают пространство-время. Таким образом гравитация является не силой, а искажением пространства-времени.

Иногда искривление поясняют следующим образом. Можно представить двумерную упругую поверхность, на которой расположены массивные тела, продавливающие её. Если мимо них равномерно движутся тела, то они будут двигаться, повторяя изгибы поверхности.

Чёрная дыра в рамках этого иллюстративного образа выглядит как очень тяжёлый объект, продавливающий настолько сильно, что края углубления сомкнулись. Таким образом то, что попало внутрь пузыря уже не имеет шансов вырваться наружу.

Возникает вопрос о том, насколько приведённые в статье удивительные рассуждения и мысленные эксперимент соответствуют реальности. Несмотря на то, что на первый взгляд, в теории много непривычного и странного, тем не менее наука находит всё больше подтверждений.

Надо понимать, что наиболее полно описанные эффекты проявляются на скоростях, близких скорости и света и в гигантских космических масштабах. Учёные проверяют то, что следует из этой теории. Современное состояние науки и техники предоставляет возможность убедительно подтвердить основные положения теории.

Например, известно, что свет должен огибать тела вследствие существования гравитационных искажений. При наблюдениях в космосе обнаружено, что становятся видны дальние объекты, которые на самом деле должны быть заслонены ближними. Это происходит из-за того, что свет от них идущий, огибает препятствия.

Сильная гравитация вызывает замедление времени. GPS и ГЛОНАСС для своей работы должны использовать очень точное время. Им приходится учитывать замедление времени, возникающее из-за гравитации. Если бы они не обращали на это внимание, то погрешность определения точки на поверхности Земли могла превышать 10 км.

Предсказание существования чёрных дыр — заслуга теории относительности. У этих объектов гравитация настолько сильна, что время там полностью останавливается. Если свет попадает к ней, то наружу он выйти не может. Астрономы подтвердили существование чёрных дыр при помощи современных методов исследования.

Учёные многократно проводили точное измерение скорости света от различных источников. Всегда получалась одна и та же величина. Например, свет, излучаемый Солнцем или далёкой звездой, на первый взгляд, должен иметь определённые различие в скорости. Современная техника позволяет произвести измерения с очень высокой точностью, но было обнаружено, что эти значения совпадают.

Вячеслав

Несколько лет работал в салонах сотовой связи двух крупных операторов. Хорошо разбираюсь в тарифах и вижу все подводные камни. Люблю гаджеты, особенно на Android.

Задать вопрос

Вопрос эксперту

В объяснениях основных положений много мысленных экспериментов, отвлечённых рассуждений. Является ли эта теория только умственной конструкцией или имеет практические подтверждения?

Эта теория возникла в качестве объяснения реальных научных фактов, полученных учёными. При помощи относительно простых постулатов и математического аппарата Альберт Эйнштейн создал сложную теорию, которая даёт человечеству важные фундаментальные знания о природе.
Постоянно происходят экспериментальные проверки, которые подтверждают выводы из теории относительности.

Имеются ли практические результаты при использовании теории относительности?

Да, они в основном связаны с астрономией и проведением высокоточных измерений.

Получил ли Альберт Эйнштейн Нобелевскую премию за такой вклад в науку?

Нет, за теорию относительности он таким образом награждён не был. Однако он её получил за другие открытия в сфере физики.

В статье приведены примеры, помогающие понять базовые принципы устройства пространственно-временного континуума. На самом деле речь идёт только об основных понятиях. Теория значительно более сложна, имеет строгое обоснование и подтверждается современными научными данными.