Die Relativitätstheorie wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein eingeführt. Was ist sein Wesen? Betrachten wir die wichtigsten Punkte und charakterisieren den EVG in einer verständlichen Sprache.

Die Relativitätstheorie beseitigte praktisch die Ungereimtheiten und Widersprüche der Physik des 20. Jahrhunderts, zwang sie, die Vorstellung von der Struktur der Raumzeit radikal zu ändern, und wurde in zahlreichen Experimenten und Studien experimentell bestätigt.

Somit bildete EVG die Grundlage aller modernen fundamentalen physikalischen Theorien. Tatsächlich ist dies die Mutter der modernen Physik!

Zunächst ist anzumerken, dass es zwei Relativitätstheorien gibt:

• Spezielle Relativitätstheorie (SRT) - betrachtet physikalische Prozesse in sich gleichförmig bewegenden Objekten.
• Allgemeine Relativitätstheorie (GR) - beschreibt beschleunigte Objekte und erklärt den Ursprung solcher Phänomene wie Gravitation und Existenz.

Es ist klar, dass SRT früher erschienen ist und tatsächlich ein Teil von GRT ist. Reden wir zuerst über sie.

STO in einfachen Worten

Die Theorie basiert auf dem Relativitätsprinzip, wonach alle Naturgesetze in Bezug auf ruhende und sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegende Körper gleich sind. Und aus solch einem scheinbar einfachen Gedanken folgt, dass die Lichtgeschwindigkeit (300.000 m/s im Vakuum) für alle Körper gleich ist.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie bekommen ein Raumschiff aus der fernen Zukunft, das mit großer Geschwindigkeit fliegen kann. Am Bug des Schiffes ist eine Laserkanone montiert, die Photonen nach vorne schießen kann.

Relativ zum Schiff fliegen solche Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit, aber relativ zu einem stationären Beobachter sollten sie schneller fliegen, da beide Geschwindigkeiten summiert werden.

Dies geschieht jedoch nicht wirklich! Ein Beobachter von außen sieht Photonen mit 300.000 m/s fliegen, als ob die Geschwindigkeit Raumschiff nicht zu ihnen hinzugefügt.

Es muss daran erinnert werden, dass die Lichtgeschwindigkeit relativ zu jedem Körper ein konstanter Wert ist, egal wie schnell er sich bewegt.

Daraus ergeben sich erstaunliche Schlussfolgerungen wie Zeitdilatation, Längskontraktion und Geschwindigkeitsabhängigkeit des Körpergewichts. Lesen Sie mehr über die interessantesten Konsequenzen der Speziellen Relativitätstheorie im Artikel unter dem folgenden Link.

Das Wesen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR)

Um es besser zu verstehen, müssen wir zwei Fakten noch einmal kombinieren:

• Wir leben im 4D-Raum

Raum und Zeit sind Manifestationen derselben Entität, die als „Raum-Zeit-Kontinuum“ bezeichnet wird. Dies ist die 4-dimensionale Raumzeit mit den Koordinatenachsen x, y, z und t.

Wir Menschen sind nicht in der Lage, 4 Dimensionen gleich wahrzunehmen. Tatsächlich sehen wir nur Projektionen eines realen vierdimensionalen Objekts auf Raum und Zeit.

Interessanterweise besagt die Relativitätstheorie nicht, dass sich Körper verändern, wenn sie sich bewegen. 4-dimensionale Objekte bleiben immer unverändert, aber wann Relativbewegung ihre Projektionen können sich ändern. Und wir nehmen dies als eine Verlangsamung der Zeit, eine Verringerung der Größe usw. wahr.

• Alle Körper fallen mit konstanter Geschwindigkeit, anstatt zu beschleunigen

Machen wir ein gruseliges Gedankenexperiment. Stellen Sie sich vor, Sie fahren in einer geschlossenen Aufzugskabine und befinden sich in einem Zustand der Schwerelosigkeit.

Eine solche Situation könnte nur aus zwei Gründen entstehen: Entweder Sie befinden sich im Weltraum oder Sie fallen frei zusammen mit der Kabine unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft.

Ohne aus der Kabine zu schauen, ist es absolut unmöglich, zwischen diesen beiden Fällen zu unterscheiden. Es ist nur so, dass Sie in einem Fall gleichmäßig fliegen und in dem anderen mit Beschleunigung. Sie müssen raten!

Vielleicht hat Albert Einstein selbst über einen imaginären Aufzug nachgedacht, und er hatte eine erstaunliche Idee: Wenn diese beiden Fälle nicht unterschieden werden können, dann ist auch das Fallen aufgrund der Schwerkraft eine gleichförmige Bewegung. Es ist nur so, dass die gleichförmige Bewegung in der vierdimensionalen Raumzeit stattfindet, aber in Gegenwart von massiven Körpern (zum Beispiel) wird sie gebogen und die gleichförmige Bewegung wird in die für uns übliche projiziert dreidimensionaler Raum in Form von Zeitraffer.

Schauen wir uns ein weiteres einfacheres, wenn auch nicht ganz korrektes Beispiel einer zweidimensionalen Raumkrümmung an.

Man kann sich vorstellen, dass jeder massive Körper unter sich eine Art figurativen Trichter erzeugt. Dann werden andere vorbeifliegende Körper ihre Bewegung nicht mehr in einer geraden Linie fortsetzen können und ihre Flugbahn entsprechend den Krümmungen des gekrümmten Raums ändern.

Übrigens, wenn der Körper nicht viel Energie hat, kann sich seine Bewegung im Allgemeinen als geschlossen herausstellen.

Es ist erwähnenswert, dass sie sich aus der Sicht von sich bewegenden Körpern weiterhin in einer geraden Linie bewegen, weil sie nichts spüren, was sie dazu bringt, sich zu drehen. Sie sind gerade in einen gekrümmten Raum geraten und haben, ohne es zu merken, eine nicht geradlinige Flugbahn.

Es sollte beachtet werden, dass 4 Dimensionen gebogen sind, einschließlich der Zeit, daher sollte diese Analogie mit Vorsicht behandelt werden.

Also hinein Allgemeine Theorie Relativitätstheorie Gravitation ist überhaupt keine Kraft, sondern nur eine Folge der Krümmung der Raumzeit. Im Moment ist diese Theorie eine funktionierende Version des Ursprungs der Gravitation und stimmt hervorragend mit Experimenten überein.

Überraschende Konsequenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie

Lichtstrahlen können gebogen werden, wenn sie in der Nähe von massiven Körpern fliegen. Tatsächlich wurden im Weltraum entfernte Objekte gefunden, die sich hinter anderen „verstecken“, aber die Lichtstrahlen gehen um sie herum, dank derer das Licht uns erreicht.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie vergeht die Zeit umso langsamer, je stärker die Gravitation ist. Diese Tatsache wird beim Betrieb von GPS und GLONASS unbedingt berücksichtigt, denn ihre Satelliten haben die genauesten Atomuhren, die etwas schneller ticken als auf der Erde. Wenn diese Tatsache nicht berücksichtigt wird, beträgt der Koordinatenfehler an einem Tag 10 km.

Dank Albert Einstein können Sie nachvollziehen, wo sich in der Nähe eine Bibliothek oder ein Geschäft befindet.

Und schließlich sagt GR die Existenz von Schwarzen Löchern voraus, um die herum die Schwerkraft so stark ist, dass die Zeit einfach in der Nähe stehen bleibt. Daher kann Licht, das in ein Schwarzes Loch eintritt, es nicht verlassen (reflektiert werden).

Im Zentrum eines Schwarzen Lochs entsteht aufgrund der kolossalen Gravitationskontraktion ein Objekt mit unendlich hoher Dichte, und dies kann anscheinend nicht sein.

Daher kann GR im Gegensatz zu zu sehr widersprüchlichen Schlussfolgerungen führen, weshalb die Mehrheit der Physiker es nicht vollständig akzeptierte und weiterhin nach einer Alternative suchte.

Aber sie schafft es, vieles erfolgreich vorherzusagen, zum Beispiel die jüngsten sensationelle Entdeckung bestätigte die Relativitätstheorie und erinnerte mich wieder an den großen Wissenschaftler mit heraushängender Zunge. Liebe Wissenschaft, lies WikiScience.

Die Wissenschaft. Die größten Theorien 1: Einstein. Relativitätstheorie.

Raum ist eine Frage der Zeit.

Die Wissenschaft. The Greatest Theories, Ausgabe Nr. 1, 2015 Weekly

Pro. aus dem Spanischen – M.: De Agostini, 2015. – 176 S.

© David Blanco Laserna, 2012 (Text)

Illustrationen zur Verfügung gestellt von:

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

Einführung

Einstein lebte in einer Ära der Revolutionen. Im 19. Jahrhundert eroberte die Werbung die Presse, in den 1920er Jahren etablierte sie sich im Radio und ein paar Jahrzehnte später im Fernsehen. Zum ersten Mal fand sich ein Mann einem Informationselement gegenüber und traf seine mächtige Schockwelle in voller Höhe. Für immer im kollektiven Gedächtnis eingeprägt sind die Persönlichkeiten von Menschen, die in diesem historischen Moment zum Gipfel des Ruhms erhoben wurden: Charlie Chaplin, Marilyn Monroe, Elvis Presley, Albert Einstein ...

Wir können sagen, dass Einstein am Ende seines Lebens zu den weltlichen Heiligen gezählt wurde. Nach zwei Weltkonflikten, die chemische Waffen und Atomangriffe legalisierten, wurde die Verehrung von wissenschaftlicher Fortschritt grenzte an Schrecken. Die Gestalt eines zerstreuten Weisen mit zerzaustem Haar, der für Abrüstung eintrat und intellektuelle Demut vor den Naturgewalten predigte, wurde für die gesamte enttäuschte Generation zum Symbol der letzten Chance, den Glauben an den Humanismus der Wissenschaft wiederzubeleben. Als Einstein den Zenit seines Ruhms erreichte, war er 72 Jahre alt. Zu diesem Zeitpunkt hatten sich viele seiner Leidenschaften abgekühlt, bis auf eine – der Traum von der Versöhnung Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie. 1980 wurde der Zugang zu seiner privaten Korrespondenz geöffnet, und die Bewunderer des Wissenschaftlers konnten ihr Idol als erkennen gewöhnlicher Mensch. Für einige war es eine echte Entdeckung, dass er keine Socken trug, Pfeife rauchte, Geige spielte und eine Reihe anderer nichtwissenschaftlicher Aktivitäten und Interessen hatte.

In der Erinnerung vieler blieb Einstein ein vorbildlicher Bürger und Pazifist, ein Gegner des Ersten Weltkriegs, des Nationalsozialismus und des McCarthyismus, aber sein persönliches Leben konnte nicht als vorbildlich bezeichnet werden.

Das Time Magazine hat Einstein zum Mann des Jahrhunderts gekürt, und von diesem Podest ist er kaum zu heben. Dieser Ort gehört zu Recht dem Wissenschaftler – als einer Person, die für uns das ganze Jahrhundert verkörpert. Für uns ist Einstein beide Weltkriege, das ist der Atompilz von Hiroshima, das ist die Verfolgung und Vernichtung der Juden, das ist das unaufhaltsame Wachstum wissenschaftliches Wissen und seine Auswirkungen auf die Gesellschaft, es ist der Zionismus, die Paranoia von Senator McCarthy, eine Sammlung von Aphorismen, die Formel E = mc², der Traum vom Weltfrieden ...

Einstein versuchte, seinen persönlichen Raum zu bewahren, indem er eine Autobiografie schrieb, die weniger biografische Fakten enthielt als jede andere Biografie, die jemals in der Geschichte geschrieben wurde. Gleich auf den ersten Seiten platzierte er eine Grundsatzerklärung, die später unzählige Male zitiert wurde: „Die Hauptsache im Leben eines Menschen meines Lagers ist, was er denkt und wie er denkt, und nicht, was er tut oder Erfahrungen." Und doch ist es unwahrscheinlich, dass diese Warnung die menschliche Neugier stoppen kann. Wir werden versuchen, den Zusammenhang zwischen den Wechselfällen des Lebens, durch die der Wissenschaftler gegangen ist, und seinen erstaunlichen wissenschaftlichen Erkenntnissen nachzuvollziehen. Vielleicht wäre Einstein, wenn er sofort eine akademische Position erreicht hätte, anstatt acht Stunden am Tag beim Schweizer Patentamt zu arbeiten, zu den gleichen Ergebnissen gekommen. Aber an sich ist die Rekonstruktion der Umstände, unter denen der Wissenschaftler tatsächlich gearbeitet hat, eine äußerst faszinierende und zum Nachdenken anregende Übung.

Von Geburt an war Einstein den neuesten technologischen Fortschritten nahe, von elektrischen Glühbirnen bis hin zu verschiedenen Geräten, die sein Vater in seiner Fabrik verwendete. Zur Veranschaulichung der Relativitätstheorie führt der Wissenschaftler immer wieder Beispiele an, die uns auf die Eisenbahn- und Uhrenmechanik verweisen. In Einsteins Kindheit und Jugend Eisenbahn neu geworden Fahrzeug. Die Geschwindigkeit, die die Züge entwickelten, war damals unerhört. In Bern beobachtete Einstein, wie die Synchronisation der Uhren zwischen den Städten die ohnehin schon glühende Schweizer Leidenschaft für Pünktlichkeit schürte. Vielleicht waren es diese Umstände, die seine Fantasie anregten und zur Entstehung einer Theorie beitrugen, die Zeit, unglaubliche Geschwindigkeiten und einen ständigen Wechsel des Bezugsrahmens kombinierte. Später wurden die Geheimnisse der Schwerkraft mit Hilfe einer weiteren Erfindung gelüftet, die zu Einsteins Zeiten an der Spitze des technischen Fortschritts stand: „Was ich sicher wissen muss“, rief der Physiker aus, „ist, was mit der Schwerkraft passiert Passagiere eines Aufzugs, der ins Leere fällt!"

In seinen ersten Artikeln demonstrierte der Wissenschaftler eine tadellose Beherrschung der statistischen Mechanik und schöpfte alle Möglichkeiten der traditionellen molekularkinetischen Theorie aus. Seine Arbeit erklärte die Bewegung von Staubpartikeln in einem Lichtstrahl, blaue Farbe der Himmel und das Zittern von Pollen in einem Glas Wasser. Außerdem gab er eine Erklärung für das Phänomen des photoelektrischen Effekts, das viele Experimentalphysiker beschäftigte. Die Hauptsache wartete jedoch voraus auf ihn. Die Veröffentlichung einer Arbeit über die spezielle Relativitätstheorie im Jahr 1905 leitete die wahre Ära Einsteins ein, mit ihrem wichtigsten Vermächtnis – einer neuen Denkweise, die zu einer Offenbarung und Inspiration für die nächste Generation von Physikern wurde. Der Wissenschaftler selbst beschrieb diesen Übergang wie folgt: Neue Theorie ist notwendig, wenn wir erstens mit neuen Phänomenen konfrontiert werden, die alte Theorien nicht erklären können. Aber dieser Grund ist, sagen wir mal, banal, von außen auferlegt. Es gibt noch einen weiteren Grund, der nicht weniger wichtig ist. Sie liegt in dem Wunsch nach Einfachheit und Vereinheitlichung der Prämissen der Theorie innerhalb ihres eigenen Rahmens. In Anlehnung an Euklid, der die gesamte uns bekannte Geometrie aus einer Handvoll Axiome ableitete, weitete Schönstein den Geltungsbereich seiner Theorien auf die gesamte Physik aus. Tatsächlich legte die 1915 formulierte Allgemeine Relativitätstheorie den Grundstein der modernen Astronomie. Basierend auf einfachen Hypothesen, wie z Konstante Lichtgeschwindigkeit oder die Annahme, dass alle Gesetze der Physik für alle Beobachter unabhängig von ihrer relativen Bewegung gleichermaßen gelten, hat Einstein unser Verständnis von Zeit, Raum und Schwerkraft für immer verändert. Seine wissenschaftliche Vorstellungskraft hat es geschafft, solche Grenzen zu erreichen, deren bloßer Gedanke atemberaubend ist, von der Quantenskala (10 ~ 15 m) bis zum äußersten Rand des sichtbaren Raums (1026 m).

Die Fähigkeit, die Spreu vom Weizen zu trennen, ist eine besondere Gabe. Einstein wurde mit ihm geboren. Jeder, der sich schon einmal mit der Lösung physikalischer Probleme herumgeschlagen hat, weiß, wie schwierig es sein kann, Gleichungsketten zu überfliegen – etwa, wie ein Fußballspieler nicht nur einen Mittelstürmer auf sich zukommen sehen muss, sondern das ganze Feld auf einmal. Hervorragende Intuition war ein charakteristisches Merkmal von Einstein, und dank ihr konnte er die Bewegungen der Natur im Voraus berechnen, während andere im äußeren Chaos der experimentellen Ergebnisse verloren gingen. Wenn es keinen anderen Ausweg gab, benutzte er die raffiniertesten mathematischen Werkzeuge, aber sein Haupttalent war die Fähigkeit, sofort in einen tiefen Dialog mit der Realität einzutreten, aus dem er so etwas wie Einsichten herausholte, die später in der Sprache Ausdruck fanden Logik.

Die Körner, aus denen die beiden großen Theorien des Wissenschaftlers, die allgemeine und die spezielle Relativitätstheorie, keimten, waren zwei geistige Bilder, die ihm in Momenten der Einsicht kamen. Das erste war das Bild von ihm, wie er im Dunkeln einem Sonnenstrahl nachjagt und sich gleichzeitig fragt: Was passiert, wenn ich ihn einhole? Das zweite Bild zeigte einen Mann, der in einen Abgrund stürzte und dabei das Gefühl für sein eigenes Gewicht verlor. Es wird angenommen, dass das ehrgeizigste Projekt des großen Physikers – die Konstruktion der endgültigen Theorie, der Summe der Prämissen, aus denen alle Gesetze der Physik abgeleitet werden konnten – genau deshalb gescheitert ist, weil es für ihn kein intuitives Bild gab, das als Vorbild dienen könnte leitender Stern.

Einsteins Modus Operandi (Wirkungsweise) trug dazu bei, dass seine Figur polemisch wurde: Oft waren die Vermutungen der Wissenschaftler ihren experimentellen Beweisen Jahrzehnte voraus, aber nach der Entdeckung der Lösung wurde der Widerspruch selbst zur besten Bestätigung seiner Richtigkeit. Die 1919 veröffentlichte Nachricht, dass die Flugbahn der Lichtstrahlen von Sternen in der Nähe der Sonne gebogen ist, erhob den Physiker im Handumdrehen zu den Höhen des Ruhms.

SRT, TOE – unter diesen Abkürzungen verbirgt sich der fast jedem geläufige Begriff „Relativitätstheorie“. im Klartext alles kann erklärt werden, sogar der Spruch eines Genies, also lassen Sie sich nicht entmutigen, wenn Sie sich nicht erinnern Schulkurs Physik, denn in Wirklichkeit ist alles viel einfacher als es scheint.

Der Ursprung der Theorie

Beginnen wir also mit dem Kurs "Die Relativitätstheorie für Dummies". Albert Einstein veröffentlichte sein Werk 1905 und es erregte Aufsehen unter Wissenschaftlern. Diese Theorie deckte viele Lücken und Ungereimtheiten in der Physik des letzten Jahrhunderts fast vollständig ab, stellte aber darüber hinaus die Vorstellung von Raum und Zeit auf den Kopf. Vielen Zeitgenossen fiel es schwer, an viele Aussagen Einsteins zu glauben, aber Experimente und Studien bestätigten nur die Worte des großen Wissenschaftlers.

Einsteins Relativitätstheorie erklärte in einfachen Worten, womit die Menschen seit Jahrhunderten zu kämpfen hatten. Sie kann als Grundlage aller modernen Physik bezeichnet werden. Bevor jedoch das Gespräch über die Relativitätstheorie fortgesetzt wird, sollte die Begriffsfrage geklärt werden. Sicherlich sind viele beim Lesen populärwissenschaftlicher Artikel auf zwei Abkürzungen gestoßen: SRT und GRT. Tatsächlich bedeuten sie etwas andere Konzepte. Die erste ist die spezielle Relativitätstheorie und die zweite steht für "Allgemeine Relativitätstheorie".

Einfach nur komplex

SRT ist eine ältere Theorie, die später Teil von GR wurde. Es kann nur physikalische Prozesse für Objekte berücksichtigen, die sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegen. Eine allgemeine Theorie hingegen kann beschreiben, was mit beschleunigten Objekten passiert, und auch erklären, warum Gravitonteilchen und Gravitation existieren.

Wenn es darum geht, die Bewegung sowie das Verhältnis von Raum und Zeit bei Annäherung an Lichtgeschwindigkeit zu beschreiben, kann dies die spezielle Relativitätstheorie leisten. Vereinfacht lässt sich das so erklären: Zum Beispiel haben dir Freunde aus der Zukunft ein Raumschiff geschenkt, das mit hoher Geschwindigkeit fliegen kann. Auf der Nase des Raumschiffs befindet sich eine Kanone, die Photonen auf alles abfeuern kann, was vor ihnen liegt.

Wenn ein Schuss abgefeuert wird, fliegen diese Teilchen relativ zum Schiff mit Lichtgeschwindigkeit, aber logischerweise sollte ein stationärer Beobachter die Summe zweier Geschwindigkeiten sehen (die Photonen selbst und das Schiff). Aber nichts dergleichen. Der Beobachter sieht Photonen, die sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 m/s bewegen, als ob die Geschwindigkeit des Schiffes null wäre.

Die Sache ist, dass, egal wie schnell sich ein Objekt bewegt, die Lichtgeschwindigkeit für es ein konstanter Wert ist.

Diese Aussage ist die Grundlage für erstaunliche logische Schlussfolgerungen wie Verlangsamung und Zeitverzerrung, abhängig von der Masse und Geschwindigkeit des Objekts. Darauf basieren die Handlungen vieler Science-Fiction-Filme und -Serien.

Allgemeine Relativitätstheorie

Auch eine umfangreichere Allgemeine Relativitätstheorie lässt sich mit einfachen Worten erklären. Zunächst sollten wir berücksichtigen, dass unser Raum vierdimensional ist. Zeit und Raum sind in einem solchen „Subjekt“ als „Raum-Zeit-Kontinuum“ vereint. Unser Raum hat vier Koordinatenachsen: x, y, z und t.

Aber Menschen können vier Dimensionen nicht direkt wahrnehmen, genau wie eine Hypothese flacher Mann Leben in einer zweidimensionalen Welt, unfähig aufzublicken. Tatsächlich ist unsere Welt nur eine Projektion des vierdimensionalen Raums in den dreidimensionalen Raum.

Eine interessante Tatsache ist, dass sich Körper nach der allgemeinen Relativitätstheorie nicht verändern, wenn sie sich bewegen. Die Objekte der vierdimensionalen Welt sind nämlich immer unverändert, und wenn sie sich bewegen, ändern sich nur ihre Projektionen, was wir als Zeitverzerrung, Verkleinerung oder Vergrößerung usw. wahrnehmen.

Das Fahrstuhl-Experiment

Die Relativitätstheorie lässt sich mit Hilfe eines kleinen Gedankenexperiments einfach erklären. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Aufzug. Die Kabine setzte sich in Bewegung und Sie befanden sich in einem Zustand der Schwerelosigkeit. Was ist passiert? Dafür kann es zwei Gründe geben: Entweder befindet sich der Aufzug im Weltraum oder er befindet sich unter dem Einfluss der Schwerkraft des Planeten im freien Fall. Das Interessanteste ist, dass es unmöglich ist, die Ursache der Schwerelosigkeit herauszufinden, wenn es keine Möglichkeit gibt, aus der Aufzugskabine zu schauen, das heißt, beide Prozesse sehen gleich aus.

Vielleicht kam Albert Einstein nach einem ähnlichen Gedankenexperiment zu dem Schluss, dass, wenn diese beiden Situationen nicht voneinander zu unterscheiden sind, der Körper unter dem Einfluss der Schwerkraft tatsächlich nicht beschleunigt, sondern eine gleichmäßige Bewegung ist, die unter dem gekrümmt ist Einfluss eines massiven Körpers (in diesem Fall des Planeten). Beschleunigte Bewegung ist also nur eine Projektion gleichmäßige Bewegung in den dreidimensionalen Raum.

bildhaftes Beispiel

Wieder ein gutes Beispiel zum Thema „Relativitätstheorie für Dummies“. Es ist nicht ganz richtig, aber es ist sehr einfach und klar. Wenn irgendein Gegenstand auf einen gespannten Stoff gelegt wird, bildet er darunter eine „Umlenkung“, einen „Trichter“. Alle kleineren Körper werden gezwungen sein, ihre Flugbahn entsprechend der neuen Raumkrümmung zu verzerren, und wenn der Körper wenig Energie hat, kann er diesen Trichter überhaupt nicht überwinden. Aus Sicht des sich bewegenden Objekts selbst bleibt die Flugbahn jedoch gerade, sie werden die Krümmung des Raums nicht spüren.

Schwerkraft "heruntergestuft"

Mit dem Aufkommen der allgemeinen Relativitätstheorie hat die Schwerkraft aufgehört, eine Kraft zu sein, und begnügt sich nun mit der Position einer einfachen Folge der Krümmung von Zeit und Raum. Die Allgemeine Relativitätstheorie mag fantastisch erscheinen, aber sie ist eine funktionierende Version und wird durch Experimente bestätigt.

Viele scheinbar unglaubliche Dinge in unserer Welt können durch die Relativitätstheorie erklärt werden. Vereinfacht gesagt nennt man solche Dinge Folgen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Beispielsweise werden Lichtstrahlen, die im Nahbereich von massiven Körpern fliegen, gebogen. Darüber hinaus sind viele Objekte aus dem fernen Weltraum hintereinander verborgen, aber aufgrund der Tatsache, dass die Lichtstrahlen andere Körper umkreisen, stehen unserem Blick (genauer gesagt dem Blick des Teleskops) scheinbar unsichtbare Objekte zur Verfügung. Es ist, als würde man durch Wände schauen.

Je größer die Schwerkraft, desto langsamer fließt die Zeit auf der Oberfläche eines Objekts. Das gilt nicht nur für massereiche Körper wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Der Effekt der Zeitdilatation kann sogar auf der Erde beobachtet werden. Beispielsweise sind Satellitennavigationsgeräte mit den genauesten Atomuhren ausgestattet. Sie befinden sich in der Umlaufbahn unseres Planeten, und dort tickt die Zeit etwas schneller. Hundertstelsekunden an einem Tag summieren sich zu einer Zahl, die bis zu 10 km Fehler bei der Routenberechnung auf der Erde ergibt. Es ist die Relativitätstheorie, die es uns erlaubt, diesen Fehler zu berechnen.

Vereinfacht lässt sich das so ausdrücken: GR liegt vielen zugrunde moderne Technologien, und dank Einstein können wir leicht eine Pizzeria und eine Bibliothek in einer unbekannten Gegend finden.

Der revolutionäre Physiker nutzte seine Vorstellungskraft, nicht komplexe Mathematik, um seine berühmteste und eleganteste Gleichung zu entwickeln. Einstein ist berühmt dafür, seltsame, aber wahre Phänomene vorherzusagen, wie z. B. das langsamere Altern von Astronauten im Weltraum im Vergleich zu Menschen auf der Erde und Veränderungen der Form fester Objekte bei hohen Geschwindigkeiten.

Aber das Interessante ist, dass, wenn Sie eine Kopie von Einsteins Originalarbeit über die Relativitätstheorie von 1905 nehmen, es ziemlich einfach zu analysieren ist. Der Text ist einfach und klar, und die Gleichungen sind größtenteils algebraisch - jeder Gymnasiast kann sie verstehen.

Denn komplexe Mathematik war nie Einsteins Stärke. Er dachte gerne bildlich, führte Experimente in seiner Vorstellung durch und verstand sie, bis die physikalischen Ideen und Prinzipien kristallklar wurden.

So begannen Einsteins Gedankenexperimente, als er erst 16 Jahre alt war, und wie sie ihn schließlich zur revolutionärsten Gleichung der modernen Physik führten.

Zu diesem Zeitpunkt in Einsteins Leben spielte bereits seine kaum verhüllte Geringschätzung seiner deutschen Wurzeln, der autoritären Lehrmethoden in Deutschland eine Rolle, und er wurde rausgeschmissen weiterführende Schule, also zog er nach Zürich in der Hoffnung, an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) eingeschrieben zu werden.

Doch zunächst entschied sich Einstein für ein Ausbildungsjahr an einer Schule im nahe gelegenen Aarau. An diesem Punkt fragte er sich bald, wie es wäre, neben einem Lichtstrahl zu laufen.

Einstein hatte bereits im Physikunterricht gelernt, was ein Lichtstrahl ist: viele oszillierende elektrische und magnetische Felder, die sich mit 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegen, der gemessenen Lichtgeschwindigkeit. Wenn er mit dieser Geschwindigkeit nah rannte, erkannte Einstein, konnte er viele oszillierende elektrische und magnetische Felder in seiner Nähe sehen, als ob sie im Weltraum eingefroren wären.

Aber es war unmöglich. Erstens, stationäre Felder würde Maxwells Gleichungen verletzen, mathematische Gesetze, die alles enthielt, was Physiker über Elektrizität, Magnetismus und Licht wussten. Diese Gesetze waren (und sind immer noch) ziemlich streng: Alle Wellen in diesen Feldern müssen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und dürfen nicht stillstehen, außer keiner.

Schlimmer noch, stationäre Felder passten nicht zum Relativitätsprinzip, das den Physikern seit den Tagen von Galileo und Newton im 17. Jahrhundert bekannt war. Das Relativitätsprinzip besagt im Wesentlichen, dass die Gesetze der Physik nicht davon abhängen können, wie schnell Sie sich bewegen: Sie können nur die Geschwindigkeit eines Objekts relativ zu einem anderen messen.

Aber als Einstein dieses Prinzip auf sein Gedankenexperiment anwendete, entstand ein Widerspruch: Die Relativitätstheorie diktierte, dass alles, was er in der Nähe eines Lichtstrahls bewegen sehen konnte, einschließlich stationärer Felder, etwas Alltägliches sein musste, das Physiker im Labor erschaffen konnten. Aber das hat noch nie jemand gesehen.

Dieses Problem wird Einstein für weitere 10 Jahre beschäftigen, während seines Studiums und seiner Arbeit an der ETH und seines Umzugs in die Hauptstadt der Schweiz, Bern, wo er Prüfer beim Schweizer Patentamt wird. Dort wird er das Paradox ein für alle Mal auflösen.

1904: Lichtmessung aus einem fahrenden Zug

Es war nicht einfach. Einstein versuchte jede Lösung, die ihm in den Sinn kam, aber nichts funktionierte. Fast verzweifelt begann er über eine einfache, aber radikale Lösung nachzudenken. Vielleicht funktionieren Maxwells Gleichungen für alles, dachte er, aber die Lichtgeschwindigkeit war schon immer konstant.

Mit anderen Worten, wenn Sie einen Lichtstrahl vorbeiziehen sehen, spielt es keine Rolle, ob sich seine Quelle auf Sie zu, von Ihnen weg, zur Seite oder woanders hin bewegt, und es spielt keine Rolle, wie schnell seine Quelle ist ziehen um. Die von Ihnen gemessene Lichtgeschwindigkeit beträgt immer 300.000 Kilometer pro Sekunde. Dies bedeutete unter anderem, dass Einstein niemals stationäre oszillierende Felder sehen würde, da er niemals in der Lage sein würde, einen Lichtstrahl einzufangen.

Nur so sah Einstein die Maxwellschen Gleichungen mit dem Relativitätsprinzip in Einklang. Auf den ersten Blick hatte diese Lösung jedoch einen eigenen fatalen Fehler. Später erklärte er es mit einem anderen Gedankenexperiment: Stellen Sie sich vor, ein Strahl würde entlang eines Bahndamms geschossen, während ein Zug in derselben Richtung mit beispielsweise 3.000 Kilometern pro Sekunde vorbeifährt.

Jemand, der in der Nähe der Böschung steht, müsste die Geschwindigkeit des Lichtstrahls messen und auf eine Standardzahl von 300.000 Kilometern pro Sekunde kommen. Aber jemand im Zug wird sehen, wie sich das Licht mit 297.000 Kilometern pro Sekunde bewegt. Wenn die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist, muss die Maxwell-Gleichung im Auto anders aussehen, schloss Einstein, und dann wird das Relativitätsprinzip verletzt.

Dieser scheinbare Widerspruch ließ Einstein fast ein Jahr lang nachdenken. Aber dann, an einem schönen Morgen im Mai 1905, ging er mit seinem zur Arbeit bester Freund Michel Besso, ein Ingenieur, den er kannte Studentenjahre in Zürich. Die beiden Männer sprachen wie immer über Einsteins Dilemma. Und plötzlich sah Einstein die Lösung. Er arbeitete die ganze Nacht daran, und als sie sich am nächsten Morgen trafen, sagte Einstein zu Besso: „Danke. Ich habe das Problem vollständig gelöst."

Mai 1905: Ein Blitz schlägt in einen fahrenden Zug ein

Einsteins Entdeckung war, dass Beobachter in relativer Bewegung die Zeit unterschiedlich wahrnehmen: Es ist durchaus möglich, dass zwei Ereignisse gleichzeitig aus der Sicht eines Beobachters, aber zu unterschiedlichen Zeiten aus der Sicht eines anderen stattfinden. Und beide Beobachter werden recht haben.

Später illustrierte Einstein seinen Standpunkt mit einem weiteren Gedankenexperiment. Stellen Sie sich vor, der Beobachter steht wieder neben dem Gleis und der Zug rast an ihm vorbei. In dem Moment, in dem der Mittelpunkt des Zuges den Beobachter passiert, schlagen Blitze an jedem Ende des Zuges ein. Da Blitze in gleicher Entfernung zum Betrachter einschlagen, fällt ihr Licht gleichzeitig in seine Augen. Es ist fair zu sagen, dass der Blitz zur gleichen Zeit einschlägt.

Währenddessen sitzt ein anderer Beobachter genau in der Mitte des Zuges. Aus seiner Sicht legt das Licht von zwei Blitzeinschlägen die gleiche Strecke zurück und die Lichtgeschwindigkeit ist in beiden Richtungen gleich. Aber da der Zug fährt, muss das Licht aus dem hinteren Reißverschluss durchkommen größerer Abstand, also trifft es den Betrachter ein paar Augenblicke später als das Licht von Anfang an. Da die Lichtimpulse zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen, kann darauf geschlossen werden, dass die Blitzeinschläge nicht gleichzeitig erfolgen – einer erfolgt schneller.

Einstein erkannte, dass gerade diese Gleichzeitigkeit relativ ist. Und sobald Sie es zugeben, werden die seltsamen Effekte, die wir jetzt mit der Relativitätstheorie in Verbindung bringen, mit einfacher Algebra gelöst.

Einstein schrieb fieberhaft seine Gedanken nieder und reichte seine Arbeit zur Veröffentlichung ein. Der Titel lautete Über die Elektrodynamik bewegter Körper und spiegelte Einsteins Versuch wider, die Maxwellschen Gleichungen mit dem Relativitätsprinzip zu verknüpfen. Besso erhielt einen besonderen Dank.

September 1905: Masse und Energie

Dieses erste Werk sollte jedoch nicht das letzte bleiben. Einstein war bis zum Sommer 1905 von der Relativitätstheorie besessen, und im September reichte er rückwirkend bereits nachträglich eine zweite Arbeit zur Veröffentlichung ein.

Es basierte auf einem weiteren Gedankenexperiment. Stellen Sie sich ein Objekt in Ruhe vor, sagte er. Stellen Sie sich nun vor, dass es gleichzeitig zwei identische Lichtimpulse in entgegengesetzte Richtungen aussendet. Das Objekt bleibt an Ort und Stelle, aber da jeder Impuls eine bestimmte Energiemenge trägt, nimmt die im Objekt enthaltene Energie ab.

Nun, schrieb Einstein, wie würde dieser Prozess für einen sich bewegenden Beobachter aussehen? Aus seiner Sicht bewegt sich das Objekt einfach geradeaus weiter, während die beiden Impulse wegfliegen. Aber selbst wenn die Geschwindigkeit der beiden Pulse gleich bleibt – die Lichtgeschwindigkeit – werden ihre Energien unterschiedlich sein. Ein Impuls, der sich in Fahrtrichtung vorwärts bewegt, hat eine höhere Energie als ein Impuls, der sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt.

Einstein fügte ein wenig Algebra hinzu und zeigte, dass das Objekt nicht nur Energie verlieren muss, wenn es Lichtimpulse sendet, sondern auch Masse, damit all dies konsistent ist. Oder Masse und Energie müssen austauschbar sein. Einstein hat eine Gleichung aufgeschrieben, die sie verbindet. Und sie wurde zur berühmtesten Gleichung der Wissenschaftsgeschichte: E = mc 2 .

Spezielle Relativitätstheorie (SRT).

SRT basiert auf zwei Prinzipien oder Postulaten, die nicht erklären, warum es so und nicht anders geschehen sollte. Die auf ihrer Akzeptanz aufbauende Theorie ermöglicht es jedoch, die Ereignisse in der Welt genau zu beschreiben.

Alle physikalischen Gesetze müssen in allen Trägheitsbezugssystemen gleich aussehen.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ändert sich nicht, wenn sich der Bewegungszustand der Lichtquelle ändert.

Konsequenzen aus dem ersten Prinzip:

• Nicht nur Gesetze mechanische Bewegung, wie es in der klassischen Mechanik war, sondern auch die Gesetze anderer physikalische Phänomene sollte in allen Trägheitsbezugssystemen gleich aussehen oder sich gleich verhalten.
• · Alle Trägheitssysteme Zählungen sind gleich. Daher gibt es keinen bevorzugten Bezugsrahmen, sei es die Erde oder der Äther.

Das Konzept des Äthers als absolutes Bezugssystem hat keine physikalische Bedeutung.

Konsequenzen aus dem zweiten Prinzip:

• · Es gibt keine unendlich hohe Verbreitungsgeschwindigkeit physikalischer Interaktion in der Welt.
• · In der physischen Welt wird die Interaktion nicht sofort mit einer Geschwindigkeit durchgeführt, die die Lichtgeschwindigkeit übersteigt.

Konsequenzen, die sich gemeinsam aus den beiden Prinzipien der SRT ergeben:

• Es gibt keine gleichzeitigen Ereignisse auf der Welt.
• · Es ist unmöglich, Raum und Zeit als voneinander unabhängige Eigenschaften der physikalischen Welt zu betrachten.

Lorentz-Transformationen haben physikalische Bedeutung. Ruzavin G.I. Konzepte der modernen Naturwissenschaft: Ein Lehrbuch für Universitäten. - M.: Kultur und Sport, UNITI, 2006.

Der Beweis des Zusammenhangs zwischen Raum und Zeit lässt sich an folgendem Beispiel erläutern, wobei zu beachten ist, dass sich Licht laut SRT in allen Inertialbezugssystemen mit gleicher Geschwindigkeit ausbreitet. Nehmen wir an, dass es zwei Trägheitsbezugsrahmen gibt, die bei der Beschreibung physikalischer Ereignisse gleich sind, d.h. jeder gibt objektive Beschreibungen: eine Person, die auf einem Bahnsteig steht (Hausmeister), und ein Fahrgast eines Zuges, der sich mit der gleichen Geschwindigkeit relativ dazu bewegt die Plattform und einen stationären Hausmeister. Über dem Kopf des Fahrgastes befindet sich eine elektrische Glühbirne, die in dem Moment aufleuchtet, wenn sich der am Fenster des Wagens sitzende Fahrgast und der auf dem Bahnsteig stehende Hausmeister in Zugrichtung genau gegenüberstehen. Die klassische Mechanik gibt die folgende Beschreibung dieses Ereignisses.

Zeit hat eine absolute Bedeutung, hängt also nicht von der räumlichen Bewegung von Ereignissen ab. Der Hausmeister steht, der Passagier bewegt sich, aber der Zeitrhythmus ist für sie derselbe. SRT gibt eine andere Lösung:

Für einen Passagier in einem Auto erreicht das Licht beide Wände des Autos gleichzeitig, da sich das Licht in allen Trägheitsbezugssystemen in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet.

Der Hausmeister wird eine andere Sichtweise haben. Er wird sagen, dass das Licht die Rückwand (sie bewegt sich entlang des Zugverlaufs auf das Licht zu) früher erreicht als die Vorderwand des Wagens, da es sie entlang des Zugverlaufs einholt.

Wenn wir im Voraus die gleiche Zeit auf den Uhren des Hausmeisters und des Fahrgasts des Zuges einstellen, dann z Stationsmeister Die Uhr an der Rückwand des Autos zeigt eine andere Zeit an als das Ziffernblatt an der Vorderwand. Sie zeigen, dass das Licht die Rückwand vor der Vorderwand erreicht. Daher gehen einige Uhren schneller, andere langsamer. Somit sind Raum und Zeit laut SRT miteinander verbunden und nicht absolut wie bei Galileo-Newton, sondern relativ: Die Geschwindigkeit der Uhr hängt von ihrer Position im Raum ab, die Position im Raum beeinflusst die Geschwindigkeit der Uhr .

SRT-Nachteile:

In ihr wir reden nur über Trägheitsbezugssysteme. Aber die meisten Referenzrahmen sind in wahres Leben nicht trägheitslos (Beschleunigung und Geschwindigkeit ändern sich mit der Zeit).

Sie berücksichtigt nicht die Wirkung der Gravitationskraft auf das Licht.Die Suche nach der Beseitigung dieser Mängel der SRT führte zur Schaffung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Allgemeine Relativitätstheorie (GR).

Die Allgemeine Relativitätstheorie basiert auf zwei Prinzipien oder Postulaten:

• Das Prinzip der Relativität.
• · Das Prinzip der Äquivalenz von schweren und trägen Körpermassen.

Das erste Prinzip besagt, dass die Gesetze der Physik nicht nur in Inertialsystemen, sondern auch in nicht-inertialen Bezugssystemen die gleiche Form haben sollten, d.h. Trägheitsbezugssysteme sollten nicht als privilegierte Bezugssysteme angesehen werden, wie es die klassische Mechanik tat . Bei der Analyse von nicht-trägen Bezugssystemen, die sich mit derselben Beschleunigung bewegen, kam Einstein zu dem unerwarteten Schluss, dass in diesen Bezugssystemen ein Phänomen ähnlich dem Phänomen der Gravitation in einem gleichförmigen Gravitationsfeld auftritt. Ein homogenes Gravitationsfeld ist eine Art Abstraktion oder Idealisierung. In diesem Feld hat die Gravitationskraft in allen Richtungen und an jedem ihrer Punkte den gleichen Wert. In Anbetracht dieser Ähnlichkeit kam A. Einstein zu dem Schluss, dass die Schwerkraft durch den Übergang zu einem sich mit Beschleunigung bewegenden Bezugssystem erzeugt oder zerstört werden kann. Befindet sich eine Person beispielsweise in einem fensterlosen Aufzug außerhalb der Schwerkraft, befindet sie sich in einem Zustand der Schwerelosigkeit. Alle Gegenstände um ihn herum und er selbst werden nicht vom Boden des Aufzugs angezogen. Wenn Sie den Aufzug mit einem Seil gedanklich mit einer Geschwindigkeit nach oben ziehen, die der Beschleunigung des freien Falls auf der Erde entspricht, wird diese Person die Wirkung der Gravitationskraft spüren, die der Gravitationskraft in einem gleichmäßigen Gravitationsfeld ähnlich ist Jeder ihrer Punkte hat die Fallbeschleunigung von Körpern gleich groß. Eigentlich ab externes System Wenn man das mitzählt, ist es richtig zu sagen, dass sich der Aufzug, sein Boden, auf die Person und die Gegenstände darin zubewegt.

Das Prinzip der Äquivalenz von schweren und trägen Massen. Dieses Prinzip enthält die Antwort auf die Frage, die sich Einstein gestellt hat: Was bestimmt die Wirkung der Schwerkraft, wie wird sie bestimmt? In der Newtonschen Physik hängt die Schwerkraft ausschließlich von der Masse der Körper ab. Aus dem von Galileo entdeckten Gesetz des freien Falls von Körpern folgt, dass es zwischen den schweren und trägen Massen des Körpers gibt proportionale Abhängigkeit, was uns davon ausgehen lässt, dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen diesen Körpermassen gibt, wenn wir von der Wirkung der Gravitationskraft sprechen.

Da alle Kugeln unabhängig von ihrem Gewicht mit der gleichen Beschleunigung fallen, deutet dies darauf hin, dass die träge Masse von Körpern proportional zu ihrer schweren Masse ist. Beziehung Mi ? mi (wobei mi die Trägheitsmasse eines Körpers ist, Mi die Gravitationsmasse desselben Körpers) bleibt für alle Körper im freien Fall konstant, unabhängig von ihrer tatsächlichen physikalischen Beschaffenheit (aus Holz oder Metall usw.). 1890 bewies der ungarische Physiker Eötvös experimentell die Gültigkeit der Annahme der Galileo-Newton-Physik über die proportionalen Trägheits- und Gravitationsmassen des Körpers. Für Newton war dieses Verhältnis kleiner als 10-8 (M1,/m1< 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.

Analyse der physikalischen Bedeutung der proportionalen Entsprechung zwischen den trägen und schweren Massen des Körpers sowie der Art der Ähnlichkeit der Wirkung der Gravitationskraft mit dem Phänomen, das in einem nicht trägen Bezugsrahmen auftritt, der sich mit konstanter Beschleunigung bewegt kam Einstein zu dem Schluss, dass die Gravitationskraft nicht von der Masse der Körper abhängt. Natürlich stellte sich die Frage: Worauf kommt es an? Einstein hat auf diese Frage folgende Antwort gegeben: Aus theoretischer Sicht gibt es Gründe zu behaupten, dass die Schwerkraft der Raumkrümmung und die Raumkrümmung der Wirkung der Schwerkraft entspricht. In dieser Lösung erhält die Trägheitskraft, die in der Newtonschen Physik als unwirkliche Kraft galt, einen realen Status. Wenn beispielsweise ein Zug fährt, beobachten die Fahrgäste die scheinbare Bewegung von Objekten außerhalb des Zuges in die entgegengesetzte Richtung. In Einsteins Theorie wird dieser Kraft eine echte Bedeutung gegeben. Angenommen, es gibt einen Aufzug, der so an einem Seil befestigt ist, dass die darin befindlichen Gegenstände nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden. Dann befinden sich die Objekte auf derselben Linie relativ zum Boden des Aufzugs. Im Moment des Durchtrennens des Seils entsteht eine Trägheitskraft, die dazu neigt, die Ausgangsposition jedes Objekts im Aufzug beizubehalten. Da die Gravitationskraft auf den Erdmittelpunkt gerichtet ist, ist die Richtung der Trägheitskraft für jedes Objekt des Aufzugs nicht gleich, sondern hängt von seiner Entfernung vom Mittelpunkt des Aufzugs ab. Bei einigen Objekten wird es nach oben gerichtet, wo die Schwerkraft senkrecht zum Erdmittelpunkt steht. An anderen Stellen des Aufzugs steht die Richtung der Trägheitskraft in einem bestimmten Winkel zur Richtung der Gravitationskraft. Infolgedessen wird der Raum innerhalb des fallenden Aufzugs gekrümmt. Für einen Beobachter außerhalb des Aufzugs befinden sich Objekte nicht auf einer geraden horizontalen Linie parallel zum Boden, sondern auf einer gekrümmten Linie. Licht in einem solchen Raum breitet sich nicht wie von SRT gefordert in einer geraden Linie aus, sondern entlang einer gekrümmten Linie.

Folgen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Licht in gekrümmter Raumzeit kann sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten, wie es die SRT erfordert. In der Nähe der Quelle der Gravitationskraft breitet sie sich langsamer aus als von ihr weg.

Der Gang der Uhr verlangsamt sich, wenn man sich der Gravitationsquelle nähert.

In der Struktur von Raum - Zeit - Energie (Stoff, Feld, Strahlung) sind Formationen, Strukturen möglich, bei denen die Gravitationskraft, dargestellt durch den entsprechenden Wert des Krümmungstensors, so stark ist, dass Energie aus dieser Struktur nicht entweichen kann, wie eine Art "Schwarzes Loch" in Form von Licht, Feld und Materie. Einsteins Gravitationsgleichung enthält einen 10-Komponenten-„Energie-Impuls“-Tensor, um die Beschleunigung eines Körpers in einem sich bewegenden Medium zu beschreiben. Addiert man zu diesem Tensor Informationen (Komponenten) über die Kräfte, die im sich bewegenden Medium selbst wirken, wo sich der Körper befindet, erhält man ein Gleichungssystem zur Beschreibung evolutionärer Prozesse im Universum.

Nachdem A. Einstein die allgemeine Relativitätstheorie geschaffen hatte, wies er auf drei Phänomene hin, deren Erklärungen durch seine Theorie und Newtons Theorie zu unterschiedlichen Ergebnissen führten: Dies ist die Rotation der Ebene der Merkurbahn, die Ablenkung von Lichtstrahlen, die in der Nähe der Sonne vorbeigehen, und die Rotverschiebung der Spektrallinien des Lichts, das von der Oberfläche massiver Körper emittiert wird. Der Astronom Leverrier (1811-1877) entdeckte die Wirkung des Drehens der Ebene der Merkurbahn. Newtons Theorie lieferte keine Erklärung für dieses Phänomen. Wir sprechen von der Drehung der Ebene der Merkurbahn um die Hauptachse der Ellipse, entlang derer sich Merkur um die Sonne bewegt.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie von A. Einstein können die Planeten, die eine vollständige Umdrehung um die Sonne vollenden, nicht an denselben Ort zurückkehren, sondern sich etwas vorwärts bewegen und ihre Umlaufbahnen drehen sich langsam in ihrer Ebene. Dieser Effekt wurde von A. Einstein vorhergesagt. Die Überprüfung der Berechnungen stimmte genau mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein. Konzepte der modernen Naturwissenschaft: Ein Lehrbuch für Studierende / hrsg. VN Lavrinenko, V.P. Ratnikow. - 4. Aufl., überarbeitet. und zusätzlich - M.: UNITY-DANA, 2008.

Die Idee, eine Theorie der Eichfelder zu erstellen, ist eng mit der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie verbunden. Der deutsche Mathematiker G. Weyl (1862–1943) formulierte in seinem Werk „Raum, Zeit und Materie“ (1918) den Grundsatz, dass physikalische Gesetze unveränderlich sein müssen (haben das gleiche Aussehen) zum Wechsel der Maßskalen in den Systemen Raum - Zeit - Stoff. Die Transformation oder Änderung der Maßskalen kann in raumzeitlichen Strukturen von einem Punkt zum anderen sowohl homogen als auch inhomogen sein.

Inhomogene Transformationen werden Eichtransformationen genannt. In der Allgemeinen Relativitätstheorie hängen Längen- und Zeitskalen nicht von Ort, Zeit und Bewegungszustand des Beobachters ab. Die Theorie von G. Weyl erlaubt gerade Änderungen der Zeitskalen in raumzeitlichen Strukturen.

Gekrümmter Raum kann man sich wie folgt vorstellen. Wenn Sie ein dünnes Stück Gummi dehnen und einen schweren Gegenstand in die Mitte legen, wird der Gummi darunter durchhängen. Wenn nun eine kleine Kugel entlang dieser Stelle gerollt wird, wird sie in Richtung Mulde gezogen. Wenn der Hohlraum tief ist, dreht sich die Kugel um das Objekt, das diesen Hohlraum gebildet hat.

Der erste Physiker, der die Entdeckung des elementaren Wirkungsquantums begeistert aufnahm und kreativ weiterentwickelte, war A. Einstein. 1905 übertrug er die geniale Idee der quantisierten Energieaufnahme und -abgabe bei Wärmestrahlung auf die Strahlung im Allgemeinen und begründete damit die neue Lichttheorie. Wenn M. Planck (1900) nur die Energie eines materiellen Oszillators quantisierte, dann führte Einstein das Konzept einer diskreten Quantenstruktur der Lichtstrahlung selbst ein und betrachtete letztere als einen Strom von Lichtquanten oder Photonen (die Photonentheorie von hell). Somit besitzt Einstein die theoretische Entdeckung des Photons, die 1922 von A. Compton experimentell entdeckt wurde.

Die Vorstellung von Licht als Strom sich schnell bewegender Quanten war äußerst kühn, fast gewagt, an deren Richtigkeit zunächst nur wenige glaubten. Zunächst einmal war M. Planck selbst mit der Erweiterung der Quantenhypothese auf die Quantentheorie des Lichts nicht einverstanden und bezog sich in seiner Quantenformel nur auf die von ihm betrachteten Gesetze Wärmestrahlung schwarzer Körper.

A. Einstein schlug vor, dass wir über ein natürliches Muster universeller Natur sprechen. Ohne auf die vorherrschenden Ansichten in der Optik zurückzublicken, wandte er die Plancksche Hypothese auf das Licht an und kam zu dem Schluss, dass die korpuskulare Struktur des Lichts zu erkennen sei. Konzepte der modernen Naturwissenschaft: Ein Lehrbuch für Studierende / hrsg. VN Lavrinenko, V.P. Ratnikow. - 4. Aufl., überarbeitet. und zusätzlich - M.: UNITY-DANA, 2008.

Die Quantentheorie des Lichts oder Photonentheorie von A. Einstein argumentierte, dass Licht ein Wellenphänomen ist, das sich ständig im Weltraum ausbreitet. Und gleichzeitig wird Lichtenergie, um physikalisch wirksam zu sein, nur an bestimmten Stellen konzentriert, daher hat Licht eine diskontinuierliche Struktur. Licht kann als Strom unteilbarer Energiekörner, Lichtquanten oder Photonen betrachtet werden. Ihre Energie wird durch das elementare Planck-Wirkungsquant und die entsprechende Anzahl von Schwingungen bestimmt. Licht verschiedener Farben besteht aus Lichtquanten unterschiedlicher Energie.

Einsteins Idee der Lichtquanten half, das Phänomen des photoelektrischen Effekts zu verstehen und zu visualisieren, dessen Essenz darin besteht, Elektronen aus Materie unter dem Einfluss elektromagnetischer Wellen herauszuschlagen. Experimente haben gezeigt, dass das Vorhandensein oder Fehlen des photoelektrischen Effekts nicht durch die Intensität der einfallenden Welle bestimmt wird, sondern durch ihre Frequenz. Wenn wir davon ausgehen, dass jedes Elektron von einem Photon ausgeschlagen wird, dann wird deutlich: Der Effekt tritt nur ein, wenn die Energie des Photons und damit seine Frequenz groß genug ist, um die Bindungskräfte des Elektrons mit dem zu überwinden Substanz.

Die Richtigkeit dieser Interpretation des photoelektrischen Effekts (für diese Arbeit erhielt Einstein 1922 Nobelpreis in Physik) nach 10 Jahren wurde in den Experimenten des amerikanischen Physikers R.E. Millikan (1868 - 1953). 1923 vom amerikanischen Physiker A.Kh. Compton (1892 - 1962) das Phänomen (Compton-Effekt), das beobachtet wird, wenn Atome mit freien Elektronen sehr harten Röntgenstrahlen ausgesetzt werden, erneut und bereits endgültig die Quantentheorie des Lichts bestätigt. Diese Theorie ist eine der am besten experimentell bestätigten physikalischen Theorien. Aber die Wellennatur des Lichts wurde bereits durch Interferenz- und Beugungsexperimente fest etabliert.

Es entstand eine paradoxe Situation: Es wurde entdeckt, dass sich Licht nicht nur wie eine Welle, sondern auch wie ein Strom von Teilchen verhält. In Experimenten zur Beugung und Interferenz, sein Welleneigenschaften, und mit dem photoelektrischen Effekt - korpuskular. In diesem Fall entpuppte sich das Photon als ein Korpuskel ganz besonderer Art. Das Hauptmerkmal seiner Diskretion - der ihm innewohnende Energieanteil - wurde durch eine reine Wellencharakteristik - Frequenz - berechnet.

Wie alle großen Entdeckungen der Naturwissenschaften war auch die neue Lichtlehre von grundlegender erkenntnistheoretischer Bedeutung. Die alte Position zur Kontinuität natürlicher Prozesse, die von M. Planck gründlich erschüttert wurde, schloss Einstein aus einem viel weiteren Bereich physikalischer Phänomene aus.

Die moderne relativistische Kosmologie erstellt Modelle des Universums ausgehend von der von A. Einstein in die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) eingeführten Grundgleichung der Gravitation. Lichin A.F. Konzepte der modernen Naturwissenschaft: Lehrbuch. - M.: TK Velby, Verlag Prospekt, 2006.

Die Grundgleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie verknüpft die Geometrie des Raums (genauer gesagt den metrischen Tensor) mit der Dichte und Verteilung von Materie im Raum. Zum ersten Mal in der Wissenschaft erschien das Universum als physisches Objekt. Die Theorie enthält ihre Parameter: Masse, Dichte, Größe, Temperatur.

Einsteins Gravitationsgleichung hat nicht eine, sondern viele Lösungen, was der Grund für die Existenz vieler kosmologischer Modelle des Universums ist. Das erste Modell wurde 1917 von A. Einstein entwickelt. Er lehnte die Postulate der Newtonschen Kosmologie über die Absolutheit und Unendlichkeit des Raumes ab. In Übereinstimmung mit dem kosmologischen Modell des Universums von A. Einstein Weltraum gleichmäßig und isotrop, Materie ist darin im Mittel gleichmäßig verteilt, die gravitative Anziehungskraft von Massen wird durch die universelle kosmologische Abstoßung kompensiert. Das Modell von A. Einstein hat einen stationären Charakter, da die Raummetrik als zeitunabhängig betrachtet wird. Die Existenzzeit des Universums ist unendlich, d.h. hat weder Anfang noch Ende, und der Raum ist grenzenlos, aber endlich.

Universum ein Kosmologisches Modell A. Einstein ist stationär, zeitlich unbegrenzt und räumlich unbegrenzt.

Dieses Modell erschien damals recht befriedigend, da es mit allem vereinbar war bekannte Tatsachen. Aber die neuen Ideen von A. Einstein regten zu weiteren Forschungen an, und bald änderte sich die Herangehensweise an das Problem entscheidend.

Im selben Jahr 1917 schlug der niederländische Astronom W. de Sitter (1872--1934) ein weiteres Modell vor, das ebenfalls eine Lösung der Gravitationsgleichungen darstellt. Diese Lösung hatte die Eigenschaft, dass sie sogar in Gegenwart eines "leeren" Universums frei von Materie existieren würde. Wenn jedoch Massen in einem solchen Universum auftauchten, hörte die Lösung auf, stationär zu sein: Zwischen den Massen entstand eine Art kosmische Abstoßung, die dazu neigte, sie voneinander zu entfernen. Die Ausdehnungstendenz machte sich laut V. de Sitter erst bei sehr großen Entfernungen bemerkbar.

1922 entdeckte der russische Mathematiker und Geophysiker A.A. Friedman (1888 - 1925) lehnte das Postulat der klassischen Kosmologie über die Stationarität des Universums ab und fand eine Lösung für die Gleichungen von A. Einstein, die das Universum mit einem "expandierenden" Raum beschreiben.

Einstein Relativitätstheorie Quantengravitation