قدم ألبرت أينشتاين نظرية النسبية في بداية القرن العشرين. ما هو جوهرها؟ دعونا ننظر في النقاط الرئيسية ونميز TOE بلغة مفهومة.

أزالت نظرية النسبية عملياً التناقضات والتناقضات في الفيزياء في القرن العشرين ، وأجبرت على تغيير فكرة بنية الزمكان بشكل جذري وتم تأكيدها تجريبياً في العديد من التجارب والدراسات.

وهكذا ، شكلت TOE أساس جميع النظريات الفيزيائية الأساسية الحديثة. في الحقيقة ، هذه هي أم الفيزياء الحديثة!

بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أن هناك نظريتين للنسبية:

• النسبية الخاصة (SRT) - تعتبر العمليات الفيزيائية في الأجسام المتحركة بشكل موحد.
• النسبية العامة (GR) - تصف الأشياء المتسارعة وتشرح أصل ظواهر مثل الجاذبية والوجود.

من الواضح أن SRT ظهرت في وقت سابق ، وهي في الواقع جزء من GRT. دعنا نتحدث عنها أولا.

STO بكلمات بسيطة

تستند النظرية إلى مبدأ النسبية ، التي تنص على أن أي قوانين طبيعية هي نفسها فيما يتعلق بالثبات والأجسام التي تتحرك بسرعة ثابتة. ومن هذه الفكرة التي تبدو بسيطة ، يترتب على ذلك أن سرعة الضوء (300000 م / ث في الفراغ) هي نفسها لجميع الأجسام.

على سبيل المثال ، تخيل أنك حصلت على مركبة فضائية من المستقبل البعيد يمكنها الطيران بسرعات عالية. مدفع ليزر مثبت على مقدمة السفينة ، قادر على إطلاق الفوتونات إلى الأمام.

بالنسبة للسفينة ، تطير هذه الجسيمات بسرعة الضوء ، ولكن بالنسبة للمراقب الثابت ، يبدو أنها يجب أن تطير أسرع ، حيث يتم تلخيص كلتا السرعتين.

ومع ذلك ، هذا لا يحدث في الواقع! يرى مراقب خارجي فوتونات تطير بسرعة 300000 م / ث ، كما لو كانت السرعة سفينة فضائيةلا يضاف لهم.

يجب أن نتذكر: بالنسبة إلى أي جسم ، ستكون سرعة الضوء قيمة ثابتة ، بغض النظر عن السرعة التي يتحرك بها.

من هذا ، تأتي استنتاجات مذهلة ، مثل تمدد الوقت ، والتقلص الطولي ، واعتماد وزن الجسم على السرعة. اقرأ المزيد عن النتائج الأكثر إثارة للاهتمام للنظرية النسبية الخاصة في المقالة الموجودة على الرابط أدناه.

جوهر النظرية العامة للنسبية (GR)

لفهمها بشكل أفضل ، نحتاج إلى الجمع بين حقيقتين مرة أخرى:

• نحن نعيش في فضاء رباعي الأبعاد

المكان والزمان مظاهر من نفس الكيان يسمى "استمرارية الزمان والمكان". هذا هو الزمكان رباعي الأبعاد مع محاور إحداثيات x و y و z و t.

نحن البشر غير قادرين على إدراك الأبعاد الأربعة بنفس الطريقة. في الواقع ، لا نرى سوى إسقاطات لجسم حقيقي رباعي الأبعاد على الزمان والمكان.

ومن المثير للاهتمام أن نظرية النسبية لا تنص على أن الأجسام تتغير أثناء تحركها. تظل الكائنات رباعية الأبعاد دون تغيير دائمًا ، ولكن متى الحركة النسبيةقد تتغير توقعاتهم. وننظر إلى هذا على أنه تباطؤ في الوقت ، وانخفاض في الحجم ، وما إلى ذلك.

• تسقط جميع الأجسام بسرعة ثابتة بدلاً من أن تتسارع

لنقم بتجربة فكرية مخيفة. تخيل أنك تركب في كابينة مصعد مغلقة وفي حالة انعدام الوزن.

يمكن أن يحدث مثل هذا الموقف لسببين فقط: إما أنك في الفضاء ، أو أنك تسقط بحرية مع المقصورة تحت تأثير جاذبية الأرض.

بدون النظر إلى الكابينة ، من المستحيل تمامًا التمييز بين هاتين الحالتين. إنه في حالة واحدة فقط تطير بالتساوي ، وفي الحالة الأخرى تسارع. سيكون عليك التخمين!

ربما كان ألبرت أينشتاين نفسه يفكر في مصعد خيالي ، وكانت لديه فكرة واحدة مذهلة: إذا كان لا يمكن التمييز بين هاتين الحالتين ، فإن السقوط بسبب الجاذبية هو أيضًا حركة موحدة. إنها فقط الحركة المنتظمة في الزمكان ذي الأبعاد الأربعة ، ولكن في وجود أجسام ضخمة (على سبيل المثال ،) تكون منحنية ويتم إسقاط الحركة المنتظمة في الحركة المعتادة بالنسبة لنا مساحة ثلاثية الأبعادفي شكل حركة سريعة.

لنلقِ نظرة على مثال آخر أبسط ، وإن لم يكن صحيحًا تمامًا ، لانحناء الفضاء ثنائي الأبعاد.

يمكن أن نتخيل أن أي جسم ضخم تحت نفسه يخلق نوعًا من القمع المجازي. ثم لن تتمكن الأجسام الأخرى التي تحلق في الماضي من مواصلة حركتها في خط مستقيم وستغير مسارها وفقًا لمنحنيات الفضاء المنحني.

بالمناسبة ، إذا لم يكن لدى الجسم الكثير من الطاقة ، فقد تكون حركته مغلقة بشكل عام.

وتجدر الإشارة إلى أنه من وجهة نظر الأجسام المتحركة ، فإنها تستمر في التحرك في خط مستقيم ، لأنها لا تشعر بأي شيء يجعلها تستدير. لقد دخلوا للتو في مساحة منحنية ودون أن يدركوا أن لديهم مسارًا غير مستقيم.

وتجدر الإشارة إلى أن الأبعاد الأربعة منحنية ، بما في ذلك الوقت ، لذلك يجب التعامل مع هذا القياس بحذر.

وهكذا ، في النظرية العامةالجاذبية النسبية ليست قوة على الإطلاق ، ولكنها فقط نتيجة لانحناء الزمكان. في الوقت الحالي ، هذه النظرية هي نسخة عملية لأصل الجاذبية وهي في اتفاق ممتاز مع التجارب.

عواقب مفاجئة للنسبية العامة

يمكن أن تنحني أشعة الضوء عند الطيران بالقرب من الأجسام الضخمة. في الواقع ، تم العثور على أشياء بعيدة في الفضاء "تختبئ" خلف أشياء أخرى ، لكن أشعة الضوء تدور حولها ، بفضل وصول الضوء إلينا.

وفقًا للنسبية العامة ، كلما كانت الجاذبية أقوى ، يمر الوقت أبطأ. تؤخذ هذه الحقيقة في الاعتبار بالضرورة عند تشغيل GPS و GLONASS ، لأن أقمارها الصناعية تحتوي على أكثر الساعات الذرية دقة والتي تدق أسرع قليلاً من الأرض. إذا لم تؤخذ هذه الحقيقة في الاعتبار ، فسيكون خطأ الإحداثيات في اليوم 10 كم.

بفضل ألبرت أينشتاين ، يمكنك فهم مكان وجود مكتبة أو متجر في مكان قريب.

وأخيرًا ، تتنبأ GR بوجود ثقوب سوداء ، حولها تكون الجاذبية قوية جدًا لدرجة أن الوقت يتوقف ببساطة في مكان قريب. لذلك ، لا يمكن للضوء الداخل إلى الثقب الأسود أن يتركه (ينعكس).

في مركز الثقب الأسود ، وبسبب الانكماش الهائل في الجاذبية ، يتشكل جسم بكثافة عالية لانهائية ، وهذا ، على ما يبدو ، لا يمكن أن يكون كذلك.

وبالتالي ، يمكن أن تؤدي الموارد الوراثية إلى استنتاجات متناقضة للغاية ، على عكس ذلك ، لذلك لم يقبلها غالبية الفيزيائيين تمامًا واستمروا في البحث عن بديل.

لكنها تمكنت من توقع الكثير بنجاح ، على سبيل المثال ، الأخيرة اكتشاف مثيرأكد نظرية النسبية وجعلني أتذكر العالم العظيم بلسانه المتدلي مرة أخرى. أحب العلم ، اقرأ WikiScience.

العلم. أعظم النظريات 1: أينشتاين. نظرية النسبية.

الفضاء مسألة وقت.

العلم. أعظم النظريات العدد 1 ، 2015 أسبوعيًا

لكل. من الاسبانية - م: دي أجوستيني ، 2015. - 176 ص.

© ديفيد بلانكو لاسيرنا ، 2012 (نص)

الرسوم التوضيحية مقدمة من:

Age Fotostock، Album، Archivo RBA، Cordon Press، Corbis، M. Faraday Electricity، The Illustrated London News، Time.

مقدمة

عاش أينشتاين في عصر الثورات. في القرن التاسع عشر ، غزا الإعلان الصحافة ، وفي عشرينيات القرن الماضي ، رسخ مكانته على الراديو ، وبعد عقدين من الزمان انتقل إلى التلفزيون. لأول مرة ، وجد رجل نفسه في مواجهة عنصر إعلامي وقابل موجة صدمته القوية إلى أوجها. في الذاكرة الجماعية ، تُطبع إلى الأبد شخصيات الأشخاص الذين نشأوا في تلك اللحظة التاريخية إلى ذروة المجد: تشارلي شابلن ، مارلين مونرو ، إلفيس بريسلي ، ألبرت أينشتاين ...

يمكننا أن نقول أنه بنهاية حياته ، كان أينشتاين مصنفًا بين القديسين العلمانيين. بعد نزاعين عالميين شرعا الأسلحة الكيماوية والهجمات النووية ، عبادة التقدم العلمييحدها الرعب. أصبحت شخصية حكيم شارد الذهن بشعر أشعث ، والذي دافع عن نزع السلاح وبشر بالتواضع الفكري أمام قوى الطبيعة ، بالنسبة للجيل بأكمله المحبط ، رمز الفرصة الأخيرة لإحياء الإيمان بإنسانية العلم. في اللحظة التي بلغ فيها أينشتاين أوج شهرته ، كان يبلغ من العمر 72 عامًا. بحلول ذلك الوقت ، هدأ الكثير من عواطفه ، باستثناء واحدة - حلم المصالحة ميكانيكا الكممع نظرية النسبية. في عام 1980 ، تم فتح الوصول إلى مراسلاته الخاصة ، وتمكن المعجبون بالعالم من التعرف على معبودهم باعتباره شخص عادي. بالنسبة للبعض ، كان اكتشافًا حقيقيًا أنه لا يرتدي الجوارب ، ويدخن الغليون ، ويعزف على الكمان ، ولديه عدد من الأنشطة والاهتمامات الأخرى غير العلمية.

في ذاكرة الكثيرين ، ظل أينشتاين مواطنًا مثاليًا ومسالميًا ، معارضًا للحرب العالمية الأولى والنازية والمكارثية ، لكن الحياة الشخصيةلا يمكن أن يسمى نموذجي.

أطلقت مجلة تايم على أينشتاين رجل القرن ، ومن الصعب إزالته من هذه القاعدة. هذا المكان ينتمي إلى العالم بجدارة - كشخص يجسد القرن بأكمله بالنسبة لنا. بالنسبة لنا ، أينشتاين حربان عالميتان ، هذا هو الفطر النووي لهيروشيما ، هذا اضطهاد وإبادة لليهود ، هذا هو النمو الذي لا يرحم. معرفة علميةوتأثيرها على المجتمع ، إنها الصهيونية ، جنون العظمة للسناتور مكارثي ، مجموعة من الأمثال ، الصيغة E = mc² ، حلم السلام العالمي ...

حاول أينشتاين الحفاظ على مساحته الشخصية من خلال كتابة سيرة ذاتية تحتوي على حقائق أقل عن السيرة الذاتية من أي سيرة ذاتية أخرى موجودة في التاريخ. في الصفحات الأولى ، وضع بيانًا سياسيًا ، والذي تم اقتباسه لاحقًا لعدد لا يحصى من المرات: "الشيء الرئيسي في حياة أي شخص في مستودعاتي هو ما يفكر فيه وكيف يفكر ، وليس فيما يفعله أو خبرة." ومع ذلك ، فمن غير المرجح أن يوقف هذا التحذير فضول الإنسان. سنحاول تتبع العلاقة بين تقلبات الحياة التي مر بها العالم ورؤيته العلمية المذهلة. ربما لو حصل أينشتاين على منصب أكاديمي على الفور بدلاً من العمل ثماني ساعات يوميًا في مكتب براءات الاختراع السويسري ، لكان قد توصل إلى نفس النتائج. ولكن في حد ذاته ، فإن إعادة بناء الظروف التي عمل فيها العالم بالفعل هي ممارسة رائعة للغاية ومحفزة للتفكير.

منذ ولادته ، كان أينشتاين قريبًا من أحدث التطورات التكنولوجية ، من المصابيح الكهربائية إلى الأجهزة المختلفة التي استخدمها والده في مصنعه. لتوضيح نظرية النسبية ، يقدم العالم باستمرار أمثلة تحيلنا إلى ميكانيكا السكك الحديدية والساعة. خلال طفولة وشباب أينشتاين سكة حديديةأصبح جديدًا مركبة. السرعة التي طورتها القطارات لم تكن معروفة في ذلك الوقت. في برن ، لاحظ أينشتاين كيف أدى تزامن الساعات بين المدن إلى تأجيج الشغف السويسري القوي بالفعل في الالتزام بالمواعيد. ربما كانت هذه الظروف هي التي حفزت خياله وساهمت في ظهور نظرية جمعت بين الوقت والسرعات المذهلة والتغيير المستمر في الإطار المرجعي. في وقت لاحق ، تم الكشف عن أسرار الجاذبية بمساعدة اختراع آخر ، كان في زمن أينشتاين في ذروة التقدم التكنولوجي: "ما أريد أن أعرفه بالتأكيد" ، صرخ الفيزيائي ، "هو ما يحدث لركاب المصعد الذي يقع في الفراغ! "

في مقالاته الأولى ، أظهر العالم قيادة لا تشوبها شائبة للميكانيكا الإحصائية واستنفد جميع إمكانيات النظرية الحركية الجزيئية التقليدية. شرح عمله حركة جزيئات الغبار في شعاع من الضوء ، اللون الأزرقالسماء ويرتجف حبوب اللقاح في كوب من الماء. بالإضافة إلى ذلك ، قدم شرحًا لظاهرة التأثير الكهروضوئي التي شغلت أذهان العديد من علماء الفيزياء التجريبية. ومع ذلك ، فإن الشيء الرئيسي كان ينتظره في المستقبل. أدى نشر عمل حول النسبية الخاصة في عام 1905 إلى دخول العصر الحقيقي لأينشتاين ، مع إرثه الرئيسي - طريقة جديدة في التفكير أصبحت مصدر إلهام للجيل القادم من علماء الفيزياء. وصف العالم نفسه هذا الانتقال على النحو التالي: نظرية جديدةضروري عندما نواجه ، أولاً ، ظواهر جديدة لا تستطيع النظريات القديمة تفسيرها. لكن هذا السبب ، كما نقول ، عادي ، مفروض من الخارج. هناك سبب آخر لا يقل أهمية. يكمن في الرغبة في البساطة وتوحيد مقدمات النظرية في إطارها الخاص. على خطى إقليدس ، الذي استنتج كل الهندسة المعروفة لنا من مجموعة من البديهيات ، وسع شنشتاين نطاق نظرياته ليشمل الفيزياء بأكملها. في الواقع ، وضعت النظرية العامة للنسبية ، التي تمت صياغتها عام 1915 ، أسس علم الفلك الحديث. بناءً على فرضيات بسيطة ، مثل مستمرسرعة الضوء ، أو الافتراض بأن جميع قوانين الفيزياء تنطبق بالتساوي على جميع المراقبين بغض النظر عن حركتهم النسبية ، غير أينشتاين إلى الأبد فهمنا للزمان ، والمكان ، والجاذبية. نجح خياله العلمي في الوصول إلى هذه الحدود ، التي يعتبر مجرد التفكير فيها مذهلًا ، من المقياس الكمي (10 ~ 15 م) إلى حافة الفضاء المرئي (1026 م).

القدرة على فصل الحنطة عن القشر هي هدية خاصة. ولد معه أينشتاين. يعرف أي شخص عانى في أي وقت مضى مع حل المشكلات في الفيزياء مدى صعوبة التحليق فوق سلاسل المعادلات - مثل كيف يجب أن يرى لاعب كرة القدم ليس فقط مهاجمًا يقترب منه ، ولكن الملعب بأكمله في وقت واحد. كان الحدس المتميز سمة مميزة لأينشتاين ، وبفضله تمكن من حساب حركات الطبيعة مقدمًا ، بينما فقد البعض الآخر في الفوضى الخارجية لنتائج التجارب. إذا لم يكن هناك مخرج آخر ، فقد استخدم أكثر الأدوات الرياضية تعقيدًا ، لكن موهبته الرئيسية كانت القدرة على الدخول فورًا في حوار عميق مع الواقع ، حيث أخرج شيئًا مثل الأفكار ، ووجد لاحقًا تعبيرًا باستخدام لغة منطق.

كانت الحبوب التي انبثقت منها النظريتان العظيمتان للعالم ، النظريات العامة والخاصة للنسبية ، صورتان ذهنيتان توصلا إليه في لحظات من البصيرة. الأول كان صورة نفسه وهو يطارد شعاع الشمس في الظلام وفي نفس الوقت يتساءل: ماذا سيحدث عندما ألحق به؟ كانت الصورة الثانية لرجل يسقط في الهاوية ، وعندما سقط ، فقد الإحساس بوزنه. يُعتقد أن المشروع الأكثر طموحًا للفيزيائي العظيم - بناء النظرية النهائية ، مجموع المقدمات التي يمكن من خلالها اشتقاق جميع قوانين الفيزياء - فشل على وجه التحديد لأنه لم يكن هناك صورة بديهية يمكن أن تكون بمثابة نجم الارشاد.

ساهم أسلوب عمل أينشتاين (طريقة العمل) في حقيقة أن شخصيته أصبحت جدلية: غالبًا ما كانت تخمينات العالم تسبق أدلةهم التجريبية بعقود ، ولكن بعد اكتشاف الحل ، تحول التناقض نفسه إلى أفضل تأكيد لصحته. نُشر عام 1919 ، الأخبار التي تفيد بانحناء مسار أشعة الضوء القادمة من النجوم بالقرب من الشمس ، في غمضة عين رفع الفيزيائي إلى ذروة المجد.

SRT ، TOE - تحت هذه الاختصارات يكمن مصطلح "نظرية النسبية" ، وهو مألوف لدى الجميع تقريبًا. بلغة واضحةكل شيء يمكن تفسيره ، حتى قول عبقري ، لذلك لا تثبط عزيمتك إذا لم تتذكر دورة مدرسيةالفيزياء ، لأنه في الواقع كل شيء أبسط بكثير مما يبدو.

أصل النظرية

لذا ، لنبدأ الدورة التدريبية "نظرية النسبية للدمى". نشر ألبرت أينشتاين عمله عام 1905 وأثار ضجة بين العلماء. غطت هذه النظرية بشكل شبه كامل العديد من الفجوات والتناقضات في فيزياء القرن الماضي ، لكنها ، بالإضافة إلى ذلك ، قلبت فكرة المكان والزمان رأسًا على عقب. كان من الصعب على المعاصرين الإيمان بالعديد من أقوال أينشتاين ، لكن التجارب والدراسات أكدت فقط كلمات العالم العظيم.

أوضحت نظرية النسبية لأينشتاين بعبارات بسيطة ما عانى الناس من أجله لقرون. يمكن أن يطلق عليه أساس كل الفيزياء الحديثة. ومع ذلك ، قبل مواصلة الحديث حول نظرية النسبية ، يجب توضيح مسألة المصطلحات. من المؤكد أن العديد من المقالات العلمية الشائعة قد صادفت اختصارين: SRT و GRT. في الواقع ، تعني مفاهيم مختلفة إلى حد ما. الأول هو النظرية النسبية الخاصة ، والثاني يرمز إلى "النسبية العامة".

فقط عن معقدة

SRT هي نظرية قديمة أصبحت فيما بعد جزءًا من GR. يمكنه فقط النظر في العمليات الفيزيائية للأجسام التي تتحرك بسرعة موحدة. من ناحية أخرى ، يمكن أن تصف النظرية العامة ما يحدث للأجسام المتسارعة ، وتشرح سبب وجود جسيمات الجرافيتون والجاذبية.

إذا كنت بحاجة إلى وصف الحركة وكذلك العلاقة بين المكان والزمان عند الاقتراب من سرعة الضوء - يمكن القيام بذلك من خلال نظرية النسبية الخاصة. بعبارات بسيطة ، يمكن تفسير ذلك على النحو التالي: على سبيل المثال ، أعطاك الأصدقاء من المستقبل مركبة فضائية يمكنها الطيران بسرعة عالية. يوجد على مقدمة سفينة الفضاء مدفع قادر على إطلاق الفوتونات على كل ما يأتي في المقدمة.

عندما يتم إطلاق طلقة ، بالنسبة للسفينة ، تطير هذه الجسيمات بسرعة الضوء ، ولكن منطقياً ، يجب على المراقب الثابت أن يرى مجموع سرعتين (الفوتونات نفسها والسفينة). لكن لا شيء من هذا القبيل. سيرى المراقب فوتونات تتحرك بسرعة 300000 م / ث ، كما لو كانت سرعة السفينة صفرًا.

الشيء هو أنه بغض النظر عن مدى سرعة تحرك الجسم ، فإن سرعة الضوء بالنسبة له هي قيمة ثابتة.

هذا البيان هو أساس الاستنتاجات المنطقية المذهلة مثل التباطؤ وتشويه الوقت ، اعتمادًا على كتلة الجسم وسرعته. تستند حبكات العديد من أفلام ومسلسلات الخيال العلمي على هذا.

النظرية العامة للنسبية

يمكن أيضًا تفسير النسبية العامة الأكثر ضخامة بعبارات بسيطة. بادئ ذي بدء ، يجب أن نأخذ في الحسبان حقيقة أن فضاءنا رباعي الأبعاد. الزمان والمكان متحدان في "موضوع" مثل "استمرارية الزمكان". مساحتنا لها أربعة محاور إحداثيات: x و y و z و t.

لكن لا يمكن للناس أن يدركوا أربعة أبعاد بشكل مباشر ، تمامًا مثل الافتراض رجل مسطحالذين يعيشون في عالم ثنائي الأبعاد ، غير قادر على البحث. في الواقع ، عالمنا ليس سوى إسقاط لفضاء رباعي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد.

حقيقة مثيرة للاهتمام هي أنه وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، لا تتغير الأجسام عندما تتحرك. إن كائنات العالم رباعي الأبعاد هي في الواقع دائمًا دون تغيير ، وعند التحرك ، تتغير توقعاتها فقط ، وهو ما نعتبره تشويهًا للوقت ، أو تقليلًا أو زيادة في الحجم ، وما إلى ذلك.

تجربة المصعد

يمكن تفسير نظرية النسبية بعبارات بسيطة بمساعدة تجربة فكرية صغيرة. تخيل أنك في مصعد. بدأت الكابينة تتحرك ، وكنت في حالة انعدام الوزن. ماذا حدث؟ يمكن أن يكون هناك سببان: إما أن يكون المصعد في الفضاء ، أو أنه في حالة سقوط حر تحت تأثير جاذبية الكوكب. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه من المستحيل معرفة سبب انعدام الوزن إذا لم تكن هناك طريقة للنظر خارج حجرة المصعد ، أي أن كلا العمليتين تبدوان متشابهتين.

ربما ، بعد إجراء تجربة فكرية مماثلة ، توصل ألبرت أينشتاين إلى استنتاج مفاده أنه إذا كان لا يمكن تمييز هاتين الحالتين عن بعضهما البعض ، فعندئذٍ في الواقع لا يتسارع الجسم تحت تأثير الجاذبية ، إنها حركة موحدة منحنية أسفل تأثير جسم ضخم (في هذه الحالة ، الكوكب). وبالتالي ، فإن الحركة المتسارعة ليست سوى إسقاط حركة موحدةفي الفضاء ثلاثي الأبعاد.

مثال توضيحي

مثال جيد آخر حول موضوع "نظرية النسبية للدمى". إنه ليس صحيحًا تمامًا ، لكنه بسيط جدًا وواضح. إذا تم وضع أي شيء على قماش مشدود ، فإنه يشكل "انحرافًا" ، "قمعًا" تحتها. ستضطر جميع الأجسام الأصغر إلى تشويه مسارها وفقًا للانحناء الجديد للفضاء ، وإذا كان لدى الجسم القليل من الطاقة ، فقد لا يتغلب على هذا القمع على الإطلاق. ومع ذلك ، من وجهة نظر الجسم المتحرك نفسه ، يظل المسار مستقيماً ، ولن يشعروا بانحناء الفضاء.

الجاذبية "خفضت"

مع ظهور النظرية العامة للنسبية ، لم تعد الجاذبية قوة وأصبحت الآن راضية عن موقع نتيجة بسيطة لانحناء الزمان والمكان. قد تبدو النسبية العامة رائعة ، لكنها نسخة صالحة للعمل وتؤكدها التجارب.

يمكن تفسير الكثير من الأشياء التي تبدو مذهلة في عالمنا من خلال نظرية النسبية. بعبارات بسيطة ، تسمى هذه الأشياء نتائج النسبية العامة. على سبيل المثال ، تكون أشعة الضوء التي تطير من مسافة قريبة من الأجسام الضخمة عازمة. علاوة على ذلك ، يتم إخفاء العديد من الأشياء من الفضاء البعيد وراء بعضها البعض ، ولكن نظرًا لحقيقة أن أشعة الضوء تدور حول أجسام أخرى ، فإن الأشياء التي تبدو غير مرئية متاحة لنظرنا (بشكل أكثر دقة ، إلى نظرة التلسكوب). إنه مثل النظر عبر الجدران.

كلما زادت الجاذبية ، كلما كان تدفق الوقت أبطأ على سطح الجسم. هذا لا ينطبق فقط على الأجسام الضخمة مثل النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. يمكن ملاحظة تأثير تمدد الوقت حتى على الأرض. على سبيل المثال ، تم تجهيز أجهزة الملاحة عبر الأقمار الصناعية بأدق الساعات الذرية. إنهم في مدار كوكبنا ، والوقت يمر بشكل أسرع قليلاً هناك. ستجمع مئات من الثانية في اليوم إلى رقم يعطي ما يصل إلى 10 كيلومترات من الخطأ في حسابات المسار على الأرض. إنها نظرية النسبية التي تسمح لنا بحساب هذا الخطأ.

بعبارات بسيطة ، يمكن التعبير عنها على النحو التالي: الموارد الوراثية هي الأساس للعديد التقنيات الحديثة، وبفضل أينشتاين ، يمكننا بسهولة العثور على مطعم بيتزا ومكتبة في منطقة غير مألوفة.

استخدم الفيزيائي الثوري خياله ، وليس الرياضيات المعقدة ، للتوصل إلى معادلاته الأكثر شهرة وأناقة. يشتهر أينشتاين بتوقع ظواهر غريبة ولكنها حقيقية ، مثل الشيخوخة البطيئة لرواد الفضاء في الفضاء مقارنة بالبشر على الأرض والتغيرات في شكل الأجسام الصلبة بسرعات عالية.

لكن الشيء المثير للاهتمام هو أنك إذا أخذت نسخة من ورقة أينشتاين الأصلية عام 1905 حول النسبية ، فمن السهل جدًا تحليلها. النص بسيط وواضح ، ومعظم المعادلات جبرية - يمكن لأي طالب ثانوي فهمها.

هذا لأن الرياضيات المعقدة لم تكن أبدًا موطن قوة أينشتاين. كان يحب التفكير المجازي ، وإجراء التجارب في مخيلته وفهمها حتى تصبح الأفكار والمبادئ المادية واضحة تمامًا.

إليكم كيف بدأت تجارب آينشتاين الفكرية عندما كان عمره 16 عامًا فقط ، وكيف قادته في النهاية إلى أكثر المعادلات ثورية في الفيزياء الحديثة.

في هذه المرحلة من حياة أينشتاين ، كان ازدرائه الخفي لجذوره الألمانية ، وأساليب التدريس الاستبدادية في ألمانيا ، قد لعب دورًا بالفعل ، وتم طرده من المدرسة الثانوية، لذلك انتقل إلى زيورخ على أمل الالتحاق بالمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH).

لكن أولاً ، قرر أينشتاين قضاء عام من التدريب في مدرسة في بلدة أراو القريبة. في هذه المرحلة ، سرعان ما وجد نفسه يتساءل ما هو شكل الركض بجانب شعاع من الضوء.

لقد تعلم أينشتاين بالفعل في فصل الفيزياء ما هو شعاع الضوء: الكثير من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة تتحرك بسرعة 300000 كيلومتر في الثانية ، وهي السرعة المقاسة للضوء. أدرك أينشتاين أنه إذا ركض قريبًا بهذه السرعة ، يمكنه رؤية العديد من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة بجانبه ، كما لو كان متجمدًا في الفضاء.

لكن كان من المستحيل. أولا، الحقول الثابتةمن شأنه أن ينتهك معادلات ماكسويل ، قوانين رياضيةوالتي تحتوي على كل ما يعرفه الفيزيائيون عن الكهرباء والمغناطيسية والضوء. كانت هذه القوانين (ولا تزال) صارمة تمامًا: أي موجات في هذه المجالات يجب أن تتحرك بسرعة الضوء ولا يمكنها الوقوف دون حركة.

والأسوأ من ذلك ، أن الحقول الثابتة لا تتناسب مع مبدأ النسبية الذي كان معروفًا للفيزيائيين منذ أيام جاليليو ونيوتن في القرن السابع عشر. من حيث الجوهر ، ينص مبدأ النسبية على أن قوانين الفيزياء لا يمكن أن تعتمد على السرعة التي تتحرك بها: يمكنك فقط قياس سرعة جسم واحد بالنسبة للآخر.

ولكن عندما طبق أينشتاين هذا المبدأ على تجربته الفكرية ، نشأ تناقض: فرضت النسبية أن كل شيء يمكن أن يراه يتحرك بالقرب من شعاع من الضوء ، بما في ذلك الحقول الثابتة ، يجب أن يكون شيئًا عاديًا يمكن للفيزيائيين إنشاؤه في المختبر. لكن لم يره أحد من قبل.

ستقلق هذه المشكلة أينشتاين لمدة 10 سنوات أخرى ، طوال رحلته للدراسة والعمل في ETH والانتقال إلى عاصمة سويسرا ، برن ، حيث سيصبح فاحصًا في مكتب براءات الاختراع السويسري. هناك سيحل التناقض مرة واحدة وإلى الأبد.

1904: قياس الضوء من قطار متحرك

لم يكن الأمر سهلا. جرب أينشتاين كل الحلول التي خطرت بباله ، لكن لم ينجح شيء. بدأ يائسًا تقريبًا في التفكير في حل بسيط ولكنه جذري. يعتقد أنه ربما تعمل معادلات ماكسويل مع كل شيء ، لكن سرعة الضوء كانت دائمًا ثابتة.

بمعنى آخر ، عندما ترى شعاعًا من الضوء يمر ، لا يهم إذا كان مصدره يتحرك نحوك ، أو بعيدًا عنك ، أو إلى الجانب ، أو في مكان آخر ، ولا يهم مدى سرعة مصدره. متحرك. ستكون سرعة الضوء التي تقيسها دائمًا 300000 كيلومتر في الثانية. من بين أمور أخرى ، كان هذا يعني أن أينشتاين لن يرى أبدًا حقولًا متذبذبة ثابتة ، لأنه لن يكون قادرًا على التقاط شعاع من الضوء.

كانت هذه هي الطريقة الوحيدة التي رآها أينشتاين للتوفيق بين معادلات ماكسويل ومبدأ النسبية. لكن للوهلة الأولى ، كان لهذا الحل عيبه القاتل. شرحها لاحقًا بتجربة فكرية أخرى: تخيل شعاعًا يتم إطلاقه على طول جسر سكة حديد بينما يمر قطار في نفس الاتجاه بسرعة 3000 كيلومتر في الثانية ، على سبيل المثال.

يجب على الشخص الذي يقف بالقرب من الجسر أن يقيس سرعة شعاع الضوء ويخرج بعدد قياسي يبلغ 300000 كيلومتر في الثانية. لكن شخصًا ما في القطار سيرى الضوء يتحرك بسرعة 297000 كيلومتر في الثانية. خلص أينشتاين إلى أنه إذا لم تكن سرعة الضوء ثابتة ، فيجب أن تبدو معادلة ماكسويل داخل السيارة مختلفة ، وعندها سيتم انتهاك مبدأ النسبية.

هذا التناقض الظاهري جعل أينشتاين يفكر لمدة عام تقريبًا. ولكن بعد ذلك ، في صباح أحد الأيام الجميلة في مايو 1905 ، ذهب للعمل معه أفضل صديقميشيل بيسو ، مهندس يعرفه سنوات الدراسةفي زيورخ. تحدث الرجلان عن معضلة أينشتاين ، كما فعلوا دائمًا. وفجأة رأى أينشتاين الحل. لقد عمل عليها طوال الليل ، وعندما التقيا في صباح اليوم التالي ، قال أينشتاين لبيسو ، "شكرًا لك. لقد قمت بحل المشكلة بالكامل ".

مايو 1905: ضرب البرق قطارًا متحركًا

كان كشف أينشتاين أن المراقبين في الحركة النسبية يرون الوقت بشكل مختلف: من الممكن تمامًا أن يحدث حدثان في وقت واحد من وجهة نظر مراقب ، ولكن في أوقات مختلفة من وجهة نظر آخر. وسيكون كلا المراقبين على حق.

أوضح أينشتاين وجهة نظره لاحقًا بتجربة فكرية أخرى. تخيل أن المراقب يقف مرة أخرى بجوار السكة الحديد والقطار يمر بسرعة من أمامه. في اللحظة التي تمر فيها النقطة المركزية للقطار بالمراقب ، يضرب البرق في كل طرف من طرفي القطار. نظرًا لأن البرق يضرب على نفس المسافة من الراصد ، فإن ضوءها يدخل عينيه في نفس الوقت. من الإنصاف القول إن الصواعق تضرب في نفس الوقت.

في غضون ذلك ، يجلس مراقب آخر بالضبط في وسط القطار. من وجهة نظره ، فإن الضوء المنبعث من صدمتين ينتقلان في نفس المسافة وستكون سرعة الضوء هي نفسها في أي من الاتجاهين. ولكن بما أن القطار يتحرك ، يجب أن يمر الضوء القادم من السوستة الخلفية مسافة أكبر، لذلك يصطدم بالمراقب بعد لحظات قليلة من الضوء من البداية. نظرًا لأن النبضات الضوئية تصل في أوقات مختلفة ، يمكن استنتاج أن الصواعق ليست متزامنة - يحدث إحداها أسرع.

أدرك أينشتاين أن التزامن النسبي هو بالضبط. وبمجرد أن تعترف بذلك ، فإن التأثيرات الغريبة التي نربطها الآن بالنسبية يتم حلها من خلال الجبر البسيط.

كتب أينشتاين بحماسة أفكاره وقدم عمله للنشر. كان العنوان في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة ، وهو يعكس محاولة أينشتاين لربط معادلات ماكسويل بمبدأ النسبية. تلقى بيسو شكر خاص.

سبتمبر 1905: الكتلة والطاقة

هذا العمل الأول ، ومع ذلك ، لم يصبح الأخير. كان أينشتاين مهووسًا بالنسبية حتى صيف 1905 ، وفي سبتمبر أرسل ورقة ثانية للنشر ، بعد الحقيقة ، بأثر رجعي.

كان يعتمد على تجربة فكرية أخرى. قال تخيل شيئا في الراحة. تخيل الآن أنه يرسل في نفس الوقت نبضتان متطابقتان من الضوء في اتجاهين متعاكسين. سيبقى الجسم في مكانه ، ولكن نظرًا لأن كل نبضة تحمل قدرًا معينًا من الطاقة ، فإن الطاقة الموجودة في الجسم ستنخفض.

الآن ، كتب أينشتاين ، كيف ستبدو هذه العملية لمراقب متحرك؟ من وجهة نظره ، سيستمر الكائن ببساطة في التحرك في خط مستقيم بينما تطير النبضتان بعيدًا. ولكن حتى لو ظلت سرعة النبضتين كما هي - سرعة الضوء - فإن طاقتهما ستكون مختلفة. سيكون الدافع الذي يتحرك إلى الأمام في اتجاه السفر طاقة أعلى من تلك التي تنتقل في الاتجاه المعاكس.

بإضافة القليل من الجبر ، أظهر أينشتاين أنه لكي يكون كل هذا متسقًا ، لا يجب أن يفقد الجسم طاقته فقط عند إرسال نبضات ضوئية ، ولكن أيضًا الكتلة. أو يجب أن تكون الكتلة والطاقة قابلين للتبادل. كتب أينشتاين معادلة تربطهم. وأصبحت أشهر معادلة في تاريخ العلم: E = mc 2.

نظرية النسبية الخاصة (SRT).

يستند SRT إلى مبدأين أو افتراضات لا تفسر سبب حدوث ذلك بهذه الطريقة وليس غير ذلك. ومع ذلك ، فإن النظرية المبنية على قبولهم تسمح للمرء أن يصف بدقة الأحداث التي تحدث في العالم.

يجب أن تبدو جميع القوانين الفيزيائية متشابهة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

لا تتغير سرعة الضوء في الفراغ عندما تتغير حالة حركة مصدر الضوء.

النتائج المترتبة على المبدأ الأول:

• ليس فقط القوانين حركة ميكانيكية، كما كان الحال في الميكانيكا الكلاسيكية ، ولكن أيضًا قوانين الآخرين الظواهر الفيزيائيةيجب أن تبدو أو تتصرف بنفس الطريقة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.
• · كل شئ أنظمة بالقصور الذاتيالتهم متساوية. لذلك ، لا يوجد إطار مرجعي مفضل ، سواء كانت الأرض أو الأثير.

مفهوم الأثير كنظام مرجعي مطلق ليس له معنى مادي.

النتائج الناشئة عن المبدأ الثاني:

• · لا توجد سرعة عالية لانهائية لتوزيع التفاعل المادي في العالم.
• · في العالم المادي ، لا يتم التفاعل على الفور بسرعة تتجاوز سرعة الضوء.

النتائج الناشئة بشكل مشترك عن مبدئي SRT:

• لا توجد أحداث متزامنة في العالم.
• · من المستحيل اعتبار المكان والزمان مستقلين عن بعضهما البعض من خصائص العالم المادي.

تحولات لورنتز لها المعنى المادي. روزافين جي. مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة: كتاب مدرسي للجامعات. - م: الثقافة والرياضة ، UNITI ، 2006.

يمكن تفسير إثبات العلاقة بين المكان والزمان بالمثال التالي ، الذي يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه ، وفقًا لـ SRT ، في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ، ينتشر الضوء بنفس السرعة. افترض أن هناك إطارين مرجعيين بالقصور الذاتي متساويين في وصف الأحداث المادية ، أي أن كل منهما يعطي أوصافًا موضوعية: شخص يقف على منصة سكة حديد (حارس) ، وراكب قطار يتحرك بنفس السرعة بالنسبة للمنصة وقائم بأعمال ثابتة. يوجد فوق رأس الراكب مصباح كهربائي ، يومض في الوقت الذي يكون فيه الراكب جالسًا عند نافذة السيارة ، والرجل الذي يقف على المنصة ، متقابلان تمامًا في اتجاه القطار. تعطي الميكانيكا الكلاسيكية الوصف التالي لهذا الحدث.

للوقت معنى مطلق ، لذا فهو لا يعتمد على الحركة المكانية للأحداث. القائم بالأعمال يقف ، والراكب يتحرك ، لكن إيقاع الوقت هو نفسه بالنسبة لهم. تقدم SRT حلاً آخر:

بالنسبة للراكب في السيارة ، سيصل الضوء إلى كلا جدران السيارة في نفس الوقت ، حيث أن الضوء في جميع الإطارات المرجعية بالقصور الذاتي سوف ينتقل في جميع الاتجاهات بنفس السرعة.

سيكون لدى القائم بالرعاية وجهة نظر مختلفة. سيقول إن الضوء سيصل إلى الجدار الخلفي (يتحرك باتجاه الضوء على طول القطار) قبل الجدار الأمامي للسيارة ، لأنه يلحق به على طول القطار.

علاوة على ذلك ، إذا حددنا مسبقًا نفس الوقت على ساعات الحارس وراكب القطار ، فعندئذٍ سيد محطةستظهر الساعة على الجدار الخلفي للسيارة وقتًا مختلفًا عن الوقت على وجه الساعة في الجدار الأمامي. سيظهرون أن الضوء يصل إلى الجدار الخلفي قبل الجدار الأمامي. لذلك ، تعمل بعض الساعات بشكل أسرع ، وبعضها الآخر يكون أبطأ. وبالتالي ، فإن المكان والزمان ، وفقًا لـ SRT ، مترابطان وليسا مطلقين ، كما كان الحال مع Galileo - Newton ، لكن نسبيًا: تعتمد سرعة الساعة على موقعها في الفضاء ، والموضع في الفضاء يؤثر على سرعة الساعة .

عيوب SRT:

فيها نحن نتكلمفقط حول الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. لكن معظم الأطر المرجعية موجودة في الحياه الحقيقيهغير القصور الذاتي (التسارع وتغير السرعة مع مرور الوقت).

لا يأخذ في الاعتبار تأثير قوة الجاذبية على الضوء ، وقد أدى البحث عن إزالة أوجه القصور في SRT إلى إنشاء النسبية العامة.

النظرية النسبية العامة (GR).

تستند النسبية العامة إلى مبدأين أو افتراضين:

• مبدأ النسبية.
• · مبدأ التكافؤ بين كتل الجسم الثقيلة والقصور الذاتي.

ينص المبدأ الأول على أن قوانين الفيزياء يجب أن يكون لها نفس الشكل ليس فقط في الأطر بالقصور الذاتي ، ولكن أيضًا في الأطر المرجعية غير بالقصور الذاتي ، أي أن الأطر المرجعية بالقصور الذاتي لا ينبغي اعتبارها إطارات مرجعية مميزة ، كما فعلت الميكانيكا الكلاسيكية . بتحليل الأطر المرجعية غير بالقصور الذاتي التي تتحرك بنفس التسارع ، توصل أينشتاين إلى نتيجة غير متوقعة مفادها أنه في هذه الإطارات تنشأ ظاهرة مشابهة لظاهرة الجاذبية في مجال جاذبية موحد. مجال الجاذبية المتجانس هو نوع من التجريد أو المثالية. في هذا المجال ، قوة الجاذبية لها نفس القيمة في جميع اتجاهاتها وفي كل نقطة من نقاطها. بالنظر إلى هذا التشابه ، توصل أينشتاين إلى استنتاج مفاده أن قوة الجاذبية يمكن إنشاؤها أو تدميرها من خلال الانتقال إلى إطار مرجعي يتحرك مع التسارع. على سبيل المثال ، إذا كان الشخص في مصعد بدون نوافذ خارج الجاذبية ، فسيكون في حالة انعدام الوزن. كل الأشياء من حوله هو نفسه لن ينجذب إلى أرضية المصعد. إذا سحبت المصعد عقليًا بحبل بسرعة تساوي تسارع السقوط الحر على الأرض ، فسيشعر هذا الشخص بفعل قوة الجاذبية ، والتي ستكون مماثلة لقوة الجاذبية في مجال جاذبية موحد ، حيث كل نقطة من نقاطها ، فإن تسارع السقوط الحر للأجسام له نفس الحجم. في الواقع من نظام خارجيبالعد ، يصح القول أن المصعد ، أرضيته ، يتجه نحو الشخص والأشياء الموجودة فيه.

مبدأ تكافؤ الجماهير الثقيلة بالقصور الذاتي. يحتوي هذا المبدأ على إجابة السؤال الذي طرحه أينشتاين على نفسه: ما الذي يحدد تأثير قوة الجاذبية ، وكيف يتم تحديدها؟ في الفيزياء النيوتونية ، تعتمد الجاذبية فقط على كتلة الأجسام. من قانون السقوط الحر للجثث ، الذي اكتشفه جاليليو ، تبع ذلك أنه يوجد بين الكتل الثقيلة والقصور الذاتي في الجسم الاعتماد النسبي، مما يسمح لنا بافتراض أنه لا يوجد فرق كبير بين كتل الجسم هذه عندما نتحدث عن تأثير قوة الجاذبية.

نظرًا لأن جميع الكرات تسقط بنفس التسارع ، بغض النظر عن وزنها ، فهذا يشير إلى أن كتلة القصور الذاتي للأجسام تتناسب مع كتلة جاذبيتها. مي العلاقة؟ mi (حيث mi هي الكتلة بالقصور الذاتي لأي جسم ، و Mi هي كتلة الجاذبية لنفس الجسم) تظل ثابتة لجميع الأجسام في حالة السقوط الحر ، بغض النظر عن طبيعتها المادية الحقيقية (مصنوعة من الخشب أو المعدن ، إلخ). في عام 1890 ، أثبت الفيزيائي المجري إيتفوس بشكل تجريبي صحة افتراض فيزياء جاليليو نيوتن حول الكتل النسبية للقصور الذاتي والجاذبية في الجسم. بالنسبة لنيوتن ، كانت هذه النسبة أقل من 10-8 (M1، / m1< 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.

تحليل المعنى المادي للمراسلات التناسبية بين الكتلتين بالقصور الذاتي والثقيل للجسم ، وكذلك طبيعة التشابه بين عمل قوة الجاذبية والظاهرة التي تحدث في إطار مرجعي غير قصور ذاتي يتحرك مع تسارع ثابت ، توصل أينشتاين إلى استنتاج مفاده أن قوة الجاذبية لا تعتمد على كتلة الأجسام. وبطبيعة الحال ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه: ما الذي يعتمد عليه؟ أعطى أينشتاين الإجابة التالية على هذا السؤال: من وجهة نظر نظرية ، هناك أسباب لتأكيد أن قوة الجاذبية تعادل انحناء الفضاء وانحناء الفضاء يعادل تأثير قوة الجاذبية. في هذا الحل ، تُمنح قوة القصور الذاتي ، التي كانت تُعتبر في الفيزياء النيوتونية قوة غير حقيقية ، مكانة حقيقية. على سبيل المثال ، عندما يتحرك قطار ، يلاحظ الركاب الحركة الظاهرة للأجسام خارج القطار في الاتجاه المعاكس. في نظرية أينشتاين ، أعطيت هذه القوة معنى حقيقيًا. لنفترض أن هناك مصعدًا مثبتًا على حبل بحيث لا تتأثر الأشياء الموجودة فيه بقوة الجاذبية. ثم سيتم وضع الأشياء على نفس الخط بالنسبة لأرضية المصعد. في لحظة قطع الحبل ، ستنشأ قوة القصور الذاتي ، والتي تميل إلى الحفاظ على الموضع الأولي لكل جسم في المصعد. نظرًا لأن قوة الجاذبية موجهة نحو مركز الأرض ، فلن يكون اتجاه قوة القصور الذاتي لكل جسم من المصعد هو نفسه ، ولكنه سيعتمد على المسافة بينه وبين مركز المصعد. بالنسبة لبعض الأجسام ، سيتم توجيهها لأعلى ، حيث ستكون قوة الجاذبية متعامدة مع مركز الأرض. في أماكن أخرى من المصعد ، سيكون اتجاه قوة القصور الذاتي بزاوية معينة لاتجاه قوة الجاذبية. نتيجة لذلك ، فإن المساحة داخل المصعد المتساقط سوف تكون منحنية. بالنسبة للمراقب خارج المصعد ، لن يتم وضع الأشياء على خط أفقي مستقيم موازٍ للأرض ، ولكن على خط منحني. لن ينتشر الضوء في مثل هذا الفضاء في خط مستقيم ، كما هو مطلوب من قبل SRT ، ولكن على طول خط منحني.

عواقب النسبية العامة.

لا يمكن للضوء في الزمكان المنحني أن ينتشر بنفس السرعة التي تتطلبها SRT. بالقرب من مصدر قوة الجاذبية ، ينتشر بشكل أبطأ من بعيدًا عنه.

يتباطأ معدل الساعة عند الاقتراب من مصدر الجاذبية.

في بنية الفضاء - الوقت - الطاقة (المادة ، المجال ، الإشعاع) ، التكوينات ، الهياكل ممكنة ، حيث تكون قوة الجاذبية ، ممثلة بالقيمة المقابلة لموتّر الانحناء ، قوية جدًا بحيث لا يمكن للطاقة الهروب من هذا الهيكل ، مثل وهو نوع من "الثقب الأسود" في شكل ضوء وحقل ومادة. تتضمن معادلة آينشتاين الجاذبية موترًا مكونًا من 10 مكونات لـ "زخم الطاقة" لوصف تسارع الجسم في وسط متحرك. إن إضافة معلومات (مكونات) الموتر إلى هذه القوى المؤثرة في الوسط المتحرك نفسه ، حيث يوجد الجسم ، يعطي نظامًا من المعادلات لوصف العمليات التطورية في الكون.

بعد أن أنشأ النسبية العامة ، أشار أ. أينشتاين إلى ثلاث ظواهر ، أعطت تفسيراتها من خلال نظريته ونظرية نيوتن نتائج مختلفة: هذا هو دوران مستوى مدار عطارد ، وانحراف أشعة الضوء التي تمر بالقرب من الشمس ، و الانزياح الأحمر للخطوط الطيفية للضوء المنبعث من سطح الأجسام الضخمة. تم اكتشاف تأثير دوران مستوى مدار عطارد من قبل عالم الفلك ليفرير (1811-1877). لم تقدم نظرية نيوتن تفسيرًا لهذه الظاهرة. نحن نتحدث عن دوران مستوى مدار عطارد حول المحور الرئيسي للقطع الناقص ، والذي يتحرك على طوله عطارد حول الشمس.

وفقًا للنسبية العامة لأينشتاين ، لا يمكن للكواكب ، بعد أن تكمل ثورة كاملة حول الشمس ، أن تعود إلى نفس المكان ، ولكنها تتحرك إلى حد ما إلى الأمام وتدور مداراتها ببطء في مستواها. تم توقع هذا التأثير من قبل أ. أينشتاين. تزامن التحقق من الحسابات تمامًا مع تنبؤات النسبية العامة. مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة: كتاب مدرسي لطلبة الجامعة / محرر. في. لافرينينكو ، ف. راتنيكوف. - الطبعة الرابعة ، المنقحة. وإضافية - م: UNITY-DANA ، 2008.

ترتبط فكرة إنشاء نظرية مجالات القياس ارتباطًا وثيقًا بتطوير نظرية النسبية العامة. صاغ عالم الرياضيات الألماني ج. ويل (1862-1943) في عمله "المكان والزمان والمادة" (1918) المبدأ القائل بأن القوانين الفيزيائية يجب أن تكون ثابتة (لها نفس المظهر) بشأن تغيير مقاييس القياس في فضاء الأنظمة - الوقت - الجوهر. يمكن أن يكون التحول أو التغيير في مقاييس القياس متجانسة وغير متجانسة من نقطة إلى أخرى في الهياكل المكانية والزمانية.

تسمى التحويلات غير المتجانسة تحويلات القياس. في النسبية العامة ، لا تعتمد مقاييس الأطوال والوقت على مكان ووقت وحالة حركة الراصد. تسمح نظرية G.Weyl فقط بالتغييرات في المقاييس الزمنية في الهياكل المكانية والزمانية.

يمكن تخيل الفضاء المنحني على النحو التالي. إذا قمت بمد قطعة مطاطية رفيعة ووضعت شيئًا ثقيلًا في وسطها ، فسوف يرتخي المطاط الموجود تحتها. إذا تم الآن دحرجة كرة صغيرة على طول هذه الرقعة ، فسيتم سحبها باتجاه الجوف. إذا كان التجويف عميقًا ، فستدور الكرة حول الجسم الذي شكل هذا التجويف.

كان أول عالم فيزيائي قبل بحماس اكتشاف الكم الأولي للفعل وطوره بشكل خلاق هو أ. أينشتاين. في عام 1905 ، نقل الفكرة البارعة للامتصاص الكمي وإطلاق الطاقة أثناء الإشعاع الحراري إلى الإشعاع بشكل عام ، وبالتالي دعم النظرية الجديدة للضوء. إذا قام M. Planck (1900) بتكميم طاقة مذبذب المادة فقط ، فقد قدم أينشتاين مفهوم البنية الكمومية المنفصلة للإشعاع الضوئي نفسه ، معتبراً الأخير كتيار من كمات الضوء ، أو الفوتونات (نظرية الفوتون لـ خفيفة). وهكذا ، يمتلك أينشتاين الاكتشاف النظري للفوتون ، الذي اكتشفه أ. كومبتون تجريبياً في عام 1922.

كانت فكرة الضوء على أنه تيار من الكميات سريعة الحركة جريئة للغاية ، وجريئة تقريبًا ، لم يصدقها كثيرون في البداية. بادئ ذي بدء ، لم يوافق إم بلانك نفسه على تمديد فرضية الكم إلى نظرية الكم للضوء ، مشيرًا إلى صيغته الكمية فقط إلى القوانين التي اعتبرها. الإشعاع الحراريالجسم الأسود.

اقترح آينشتاين أننا نتحدث عن نمط طبيعي ذي طبيعة عالمية. دون النظر إلى وجهات النظر السائدة في البصريات ، طبق فرضية بلانك على الضوء وتوصل إلى استنتاج مفاده أنه يجب التعرف على التركيب العضلي للضوء. مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة: كتاب مدرسي لطلبة الجامعة / محرر. في. لافرينينكو ، ف. راتنيكوف. - الطبعة الرابعة ، المنقحة. وإضافية - م: UNITY-DANA ، 2008.

جادل أينشتاين في نظرية الكم للضوء ، أو نظرية الفوتون ، بأن الضوء ظاهرة موجية تنتشر باستمرار في الفضاء العالمي. وفي الوقت نفسه ، لكي تكون الطاقة الضوئية فعالة فيزيائيًا ، فإنها تتركز فقط في أماكن معينة ، وبالتالي يكون للضوء بنية غير متصلة. يمكن النظر إلى الضوء على أنه تيار من حبيبات الطاقة غير القابلة للتجزئة ، أو الكميات الخفيفة ، أو الفوتونات. يتم تحديد طاقتهم من خلال كمية عمل بلانك الأولية وعدد التذبذبات المقابل. يتكون الضوء بألوان مختلفة من كميات ضوئية ذات طاقات مختلفة.

ساعدت فكرة أينشتاين عن الكميات الضوئية في فهم وتصور ظاهرة التأثير الكهروضوئي ، والتي يتمثل جوهرها في إخراج الإلكترونات من المادة تحت تأثير الموجات الكهرومغناطيسية. أظهرت التجارب أن وجود أو عدم وجود التأثير الكهروضوئي لا يتحدد من خلال شدة الموجة الساقطة ، ولكن بترددها. إذا افترضنا أن كل إلكترون قد خرج بفوتون واحد ، فإن ما يلي يصبح واضحًا: لا يحدث التأثير إلا إذا كانت طاقة الفوتون ، وبالتالي تردده ، كبيرًا بما يكفي للتغلب على قوى الارتباط للإلكترون مع مستوى.

صحة هذا التفسير للتأثير الكهروضوئي (لهذا العمل ، تلقى أينشتاين في عام 1922 جائزة نوبلفي الفيزياء) بعد 10 سنوات تم تأكيدها في تجارب الفيزيائي الأمريكي R.E. ميليكان (1868 - 1953). اكتشفه الفيزيائي الأمريكي أ. كومبتون (1892 - 1962) ظاهرة (تأثير كومبتون) ، التي لوحظت عندما تتعرض الذرات ذات الإلكترونات الحرة لأشعة سينية شديدة الصعوبة ، أكدت مرة أخرى وأخيرًا نظرية الكم للضوء. هذه النظرية هي واحدة من أكثر النظريات الفيزيائية المؤكدة تجريبياً. ولكن تم بالفعل إثبات الطبيعة الموجية للضوء من خلال التجارب على التداخل والحيود.

نشأ موقف متناقض: تم اكتشاف أن الضوء لا يتصرف مثل الموجة فحسب ، بل أيضًا كتيار من الجسيمات. في تجارب على الحيود والتداخل ، كان له خصائص الموجة، ومع التأثير الكهروضوئي - جسماني. في هذه الحالة ، تبين أن الفوتون عبارة عن جسم من نوع خاص جدًا. السمة الرئيسية لتمييزه - جزء الطاقة المتأصل فيه - تم حسابه من خلال خاصية موجية بحتة - التردد.

مثل كل الاكتشافات العظيمة في العلوم الطبيعية ، كان لعقيدة الضوء الجديدة أهمية معرفية أساسية. الموقف القديم من استمرارية العمليات الطبيعية ، والذي اهتز تمامًا من قبل إم بلانك ، استبعد أينشتاين من منطقة أوسع بكثير من الظواهر الفيزيائية.

يبني علم الكونيات النسبي الحديث نماذج للكون ، بدءًا من المعادلة الأساسية للجاذبية التي قدمها أ. أينشتاين في النظرية العامة للنسبية (GR). Likhin A.F. مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة: كتاب مدرسي. - م: TK Velby ، Prospekt Publishing House ، 2006.

تربط المعادلة الأساسية للنسبية العامة هندسة الفضاء (بتعبير أدق ، الموتر المتري) بكثافة وتوزيع المادة في الفضاء. لأول مرة في العلم ، ظهر الكون ككائن مادي. تتضمن النظرية معلماتها: الكتلة ، الكثافة ، الحجم ، درجة الحرارة.

معادلة آينشتاين للجاذبية ليس لها حل واحد ، بل العديد من الحلول ، وهذا هو سبب وجود العديد من النماذج الكونية للكون. تم تطوير النموذج الأول من قبل أ. أينشتاين في عام 1917. لقد رفض افتراضات علم الكونيات النيوتوني حول مطلق الفضاء ولانهائي. وفقًا لنموذج أ. آينشتاين الكوني للكون عالم الفضاءبشكل موحد ومتناحي ، يتم توزيع المادة بشكل موحد فيها في المتوسط ​​، ويتم تعويض جاذبية الكتل عن طريق التنافر الكوني الشامل. ج: نموذج أينشتاين له طابع ثابت ، حيث يعتبر مقياس الفضاء مستقلاً عن الوقت. وقت وجود الكون لانهائي ، أي ليس له بداية ولا نهاية ، والفضاء لا حدود له ، لكنه محدود.

الكون في النموذج الكونيج: إن أينشتاين ثابت ، ولانهائي في الزمن وغير محدود في الفضاء.

بدا هذا النموذج في ذلك الوقت مرضيًا تمامًا ، لأنه كان متسقًا مع الجميع حقائق معروفة. لكن الأفكار الجديدة التي طرحها آينشتاين حفزت المزيد من البحث ، وسرعان ما تغير نهج المشكلة بشكل حاسم.

في نفس عام 1917 ، اقترح عالم الفلك الهولندي دبليو دي سيتر (1872-1934) نموذجًا آخر ، وهو أيضًا حل لمعادلات الجاذبية. كان لهذا الحل خاصية أنه سيكون موجودًا حتى في وجود كون "فارغ" خالٍ من المادة. ومع ذلك ، إذا ظهرت الكتل في مثل هذا الكون ، فإن الحل لم يعد ثابتًا: نشأ نوع من التنافر الكوني بين الجماهير ، يميل إلى إزالتها من بعضها البعض. الميل إلى التوسع ، وفقًا لـ V. de Sitter ، أصبح ملحوظًا فقط على مسافات كبيرة جدًا.

في عام 1922 ، كتب عالم الرياضيات والجيوفيزيائي الروسي أ. فريدمان (1888 - 1925) رفض افتراض علم الكونيات الكلاسيكي حول ثبات الكون وحصل على حل لمعادلات أ. أينشتاين التي تصف الكون بفضاء "متوسع".

نسبية أينشتاين الجاذبية الكمومية