Η θεωρία της σχετικότητας εισήχθη από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές του 20ου αιώνα. Ποια είναι η ουσία του; Ας εξετάσουμε τα κύρια σημεία και ας χαρακτηρίσουμε το TOE σε μια κατανοητή γλώσσα.

Η θεωρία της σχετικότητας εξάλειψε πρακτικά τις ασυνέπειες και τις αντιφάσεις της φυσικής του 20ου αιώνα, αναγκάστηκε να αλλάξει ριζικά την ιδέα της δομής του χωροχρόνου και επιβεβαιώθηκε πειραματικά σε πολυάριθμα πειράματα και μελέτες.

Έτσι, το TOE αποτέλεσε τη βάση όλων των σύγχρονων θεμελιωδών φυσικών θεωριών. Στην πραγματικότητα, αυτή είναι η μητέρα της σύγχρονης φυσικής!

Αρχικά, αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν 2 θεωρίες σχετικότητας:

• Ειδική Σχετικότητα (SRT) - εξετάζει τις φυσικές διεργασίες σε ομοιόμορφα κινούμενα αντικείμενα.
• Γενική Σχετικότητα (GR) - περιγράφει επιταχυνόμενα αντικείμενα και εξηγεί την προέλευση φαινομένων όπως η βαρύτητα και η ύπαρξη.

Είναι σαφές ότι το SRT εμφανίστηκε νωρίτερα και, στην πραγματικότητα, είναι μέρος του GRT. Ας μιλήσουμε πρώτα για αυτήν.

STO με απλά λόγια

Η θεωρία βασίζεται στην αρχή της σχετικότητας, σύμφωνα με την οποία οποιοιδήποτε νόμοι της φύσης είναι οι ίδιοι ως προς τα ακίνητα και τα σώματα που κινούνται με σταθερή ταχύτητα. Και από μια τόσο φαινομενικά απλή σκέψη προκύπτει ότι η ταχύτητα του φωτός (300.000 m/s στο κενό) είναι ίδια για όλα τα σώματα.

Για παράδειγμα, φανταστείτε ότι σας δίνουν ένα διαστημόπλοιο από το μακρινό μέλλον που μπορεί να πετάει με μεγάλες ταχύτητες. Ένα κανόνι λέιζερ είναι τοποθετημένο στην πλώρη του πλοίου, ικανό να εκτοξεύει φωτόνια προς τα εμπρός.

Σε σχέση με το πλοίο, τέτοια σωματίδια πετούν με την ταχύτητα του φωτός, αλλά σε σχέση με έναν ακίνητο παρατηρητή, φαίνεται ότι θα πρέπει να πετούν πιο γρήγορα, αφού και οι δύο ταχύτητες αθροίζονται.

Ωστόσο, αυτό στην πραγματικότητα δεν συμβαίνει! Ένας εξωτερικός παρατηρητής βλέπει φωτόνια να πετούν με 300.000 m/s, σαν η ταχύτητα ΔΙΑΣΤΗΜΟΠΛΟΙΟδεν προστέθηκαν σε αυτά.

Πρέπει να θυμόμαστε: σε σχέση με οποιοδήποτε σώμα, η ταχύτητα του φωτός θα είναι μια σταθερή τιμή, ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινείται.

Από αυτό προκύπτουν καταπληκτικά συμπεράσματα, όπως η διαστολή του χρόνου, η διαμήκης συστολή και η εξάρτηση του σωματικού βάρους από την ταχύτητα. Διαβάστε περισσότερα για τις πιο ενδιαφέρουσες συνέπειες της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας στο άρθρο στον παρακάτω σύνδεσμο.

Η ουσία της γενικής θεωρίας της σχετικότητας (GR)

Για να το κατανοήσουμε καλύτερα, πρέπει να συνδυάσουμε ξανά δύο γεγονότα:

• Ζούμε σε 4D χώρο

Ο χώρος και ο χρόνος είναι εκδηλώσεις της ίδιας οντότητας που ονομάζεται «χωροχρονικό συνεχές». Αυτός είναι ο 4-διάστατος χωροχρόνος με άξονες συντεταγμένων x, y, z και t.

Εμείς οι άνθρωποι δεν είμαστε σε θέση να αντιληφθούμε 4 διαστάσεις με τον ίδιο τρόπο. Στην πραγματικότητα, βλέπουμε μόνο προβολές ενός πραγματικού τετραδιάστατου αντικειμένου στο χώρο και τον χρόνο.

Είναι ενδιαφέρον ότι η θεωρία της σχετικότητας δεν δηλώνει ότι τα σώματα αλλάζουν καθώς κινούνται. Τα 4-διάστατα αντικείμενα παραμένουν πάντα αμετάβλητα, αλλά όταν σχετική κίνησηοι προβλέψεις τους μπορεί να αλλάξουν. Και αυτό το αντιλαμβανόμαστε ως επιβράδυνση του χρόνου, μείωση μεγέθους κ.λπ.

• Όλα τα σώματα πέφτουν με σταθερή ταχύτητα αντί να επιταχύνουν

Ας κάνουμε ένα τρομακτικό πείραμα σκέψης. Φανταστείτε ότι οδηγείτε σε μια κλειστή καμπίνα ασανσέρ και είστε σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας.

Μια τέτοια κατάσταση θα μπορούσε να προκύψει μόνο για δύο λόγους: είτε βρίσκεστε στο διάστημα, είτε πέφτετε ελεύθερα μαζί με την καμπίνα υπό την επίδραση της βαρύτητας της γης.

Χωρίς να κοιτάξουμε έξω από το περίπτερο, είναι απολύτως αδύνατο να γίνει διάκριση μεταξύ αυτών των δύο περιπτώσεων. Απλώς στη μια περίπτωση πετάς ομοιόμορφα και στην άλλη με επιτάχυνση. Θα πρέπει να μαντέψετε!

Ίσως ο ίδιος ο Άλμπερτ Αϊνστάιν να σκεφτόταν έναν φανταστικό ανελκυστήρα και είχε μια καταπληκτική ιδέα: αν αυτές οι δύο περιπτώσεις δεν μπορούν να διακριθούν, τότε η πτώση λόγω βαρύτητας είναι επίσης ομοιόμορφη κίνηση. Απλώς η ομοιόμορφη κίνηση είναι στον τετραδιάστατο χωροχρόνο, αλλά με την παρουσία ογκωδών σωμάτων (για παράδειγμα,) κάμπτεται και η ομοιόμορφη κίνηση προβάλλεται στη συνηθισμένη για εμάς τρισδιάστατο χώρομε τη μορφή γρήγορης κίνησης.

Ας δούμε ένα άλλο πιο απλό, αν και όχι απόλυτα σωστό, παράδειγμα δισδιάστατης καμπυλότητας του χώρου.

Μπορεί να φανταστεί κανείς ότι οποιοδήποτε ογκώδες σώμα κάτω από τον εαυτό του δημιουργεί ένα είδος εικονιστικής χοάνης. Τότε άλλα σώματα που περνούν μπροστά δεν θα μπορούν να συνεχίσουν την κίνησή τους σε ευθεία γραμμή και θα αλλάξουν την τροχιά τους σύμφωνα με τις καμπύλες του καμπυλωμένου χώρου.

Παρεμπιπτόντως, εάν το σώμα δεν έχει τόση ενέργεια, τότε η κίνησή του μπορεί να αποδειχθεί κλειστή γενικά.

Αξίζει να σημειωθεί ότι από την άποψη των κινούμενων σωμάτων συνεχίζουν να κινούνται σε ευθεία γραμμή, γιατί δεν αισθάνονται τίποτα που να τα κάνει να στρίβουν. Μόλις μπήκαν σε ένα καμπύλο χώρο και χωρίς να το καταλάβουν έχουν μια μη ευθύγραμμη τροχιά.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι 4 διαστάσεις είναι λυγισμένες, συμπεριλαμβανομένου του χρόνου, επομένως αυτή η αναλογία πρέπει να αντιμετωπίζεται με προσοχή.

Έτσι, σε γενική θεωρίαΗ βαρύτητα της σχετικότητας δεν είναι καθόλου δύναμη, αλλά μόνο συνέπεια της καμπυλότητας του χωροχρόνου. Αυτή τη στιγμή, αυτή η θεωρία είναι μια λειτουργική εκδοχή της προέλευσης της βαρύτητας και βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία με τα πειράματα.

Εκπληκτικές Συνέπειες της Γενικής Σχετικότητας

Οι ακτίνες φωτός μπορεί να κάμπτονται όταν πετούν κοντά σε ογκώδη σώματα. Πράγματι, στο διάστημα έχουν βρεθεί μακρινά αντικείμενα που «κρύβονται» πίσω από άλλα, αλλά οι φωτεινές ακτίνες περιφέρονται γύρω τους, χάρη στις οποίες το φως φτάνει σε εμάς.

Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, όσο ισχυρότερη είναι η βαρύτητα, τόσο πιο αργά περνά ο χρόνος. Αυτό το γεγονός λαμβάνεται αναγκαστικά υπόψη στη λειτουργία του GPS και του GLONASS, επειδή οι δορυφόροι τους έχουν τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια που χτυπούν λίγο πιο γρήγορα από ό,τι στη Γη. Εάν αυτό το γεγονός δεν ληφθεί υπόψη, τότε σε μια μέρα το σφάλμα συντεταγμένων θα είναι 10 km.

Χάρη στον Άλμπερτ Αϊνστάιν μπορείτε να καταλάβετε πού βρίσκεται μια βιβλιοθήκη ή ένα κατάστημα κοντά.

Και, τέλος, η GR προβλέπει την ύπαρξη μαύρων τρυπών, γύρω από τις οποίες η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που ο χρόνος απλά σταματάει κοντά. Επομένως, το φως που εισέρχεται σε μια μαύρη τρύπα δεν μπορεί να την εγκαταλείψει (να ανακλαστεί).

Στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, λόγω της κολοσσιαίας βαρυτικής συστολής, σχηματίζεται ένα αντικείμενο με απείρως υψηλή πυκνότητα και αυτό, όπως φαίνεται, δεν μπορεί να είναι.

Έτσι, το GR μπορεί να οδηγήσει σε πολύ αντιφατικά συμπεράσματα, σε αντίθεση με το , οπότε η πλειοψηφία των φυσικών δεν το αποδέχτηκε πλήρως και συνέχισε να αναζητά εναλλακτική.

Αλλά καταφέρνει να προβλέψει πολλά με επιτυχία, για παράδειγμα, το πρόσφατο συγκλονιστική ανακάλυψηεπιβεβαίωσε τη θεωρία της σχετικότητας και με έκανε να θυμηθώ τον μεγάλο επιστήμονα με τη γλώσσα του να κρεμάει ξανά. Αγαπήστε την επιστήμη, διαβάστε τη WikiScience.

Η επιστήμη. Οι Μεγαλύτερες Θεωρίες 1: Αϊνστάιν. Θεωρία της σχετικότητας.

Ο χώρος είναι θέμα χρόνου.

Η επιστήμη. The Greatest Theories Τεύχος #1, 2015 Weekly

Ανά. από τα ισπανικά – Μ.: De Agostini, 2015. – 176 σελ.

© David Blanco Laserna, 2012 (κείμενο)

Εικονογραφήσεις παρέχονται από:

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

Εισαγωγή

Ο Αϊνστάιν έζησε σε μια εποχή επαναστάσεων. Τον 19ο αιώνα, η διαφήμιση κατέκτησε τον Τύπο, τη δεκαετία του 1920 καθιερώθηκε στο ραδιόφωνο και μερικές δεκαετίες αργότερα ήρθε στην τηλεόραση. Για πρώτη φορά, ένας άνδρας βρέθηκε αντιμέτωπος με ένα πληροφοριακό στοιχείο και συνάντησε το ισχυρό ωστικό του κύμα σε όλο του το ύψος. Στη συλλογική μνήμη αποτυπώνονται για πάντα οι φιγούρες των ανθρώπων που ανέβηκαν εκείνη την ιστορική στιγμή στο ύψωμα της δόξας: Τσάρλι Τσάπλιν, Μέριλιν Μονρόε, Έλβις Πρίσλεϊ, Άλμπερτ Αϊνστάιν...

Μπορούμε να πούμε ότι μέχρι το τέλος της ζωής του, ο Αϊνστάιν κατατάχθηκε μεταξύ των κοσμικών αγίων. Μετά από δύο παγκόσμιες συγκρούσεις που νομιμοποίησαν τα χημικά όπλα και τις πυρηνικές επιθέσεις, η λατρεία του επιστημονική πρόοδοςσυνορεύει με τη φρίκη. Η φιγούρα ενός αδιάφορου σοφού με ανακατωμένα μαλλιά, που στάθηκε υπέρ του αφοπλισμού και κήρυττε την πνευματική ταπεινοφροσύνη ενώπιον των δυνάμεων της φύσης, έγινε για όλη την απογοητευμένη γενιά σύμβολο της τελευταίας ευκαιρίας να αναστηθεί η πίστη στον ανθρωπισμό της επιστήμης. Τη στιγμή που ο Αϊνστάιν έφτασε στο ζενίθ της φήμης του, ήταν 72 ετών. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, πολλά από τα πάθη του είχαν ψυχρανθεί, εκτός από ένα - το όνειρο της συμφιλίωσης κβαντική μηχανικήμε τη θεωρία της σχετικότητας. Το 1980, άνοιξε η πρόσβαση στην ιδιωτική του αλληλογραφία και οι θαυμαστές του επιστήμονα μπόρεσαν να αναγνωρίσουν το είδωλό τους ως φυσιολογικό άτομο. Για κάποιους, ήταν πραγματική ανακάλυψη ότι δεν φορούσε κάλτσες, δεν κάπνιζε πίπα, έπαιζε βιολί και είχε μια σειρά από άλλες μη επιστημονικές δραστηριότητες και ενδιαφέροντα.

Στη μνήμη πολλών, ο Αϊνστάιν παρέμεινε ένας υποδειγματικός πολίτης και ειρηνιστής, αντίπαλος του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, του ναζισμού και του Μακαρθισμού, αλλά προσωπική ζωήδεν θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως υποδειγματικός.

Το περιοδικό Time ονόμασε τον Αϊνστάιν τον άνθρωπο του αιώνα και δύσκολα είναι δυνατό να τον αφαιρέσει από αυτό το βάθρο. Αυτό το μέρος ανήκει στον επιστήμονα επάξια - ως ένα πρόσωπο που ενσαρκώνει ολόκληρο τον αιώνα για εμάς. Για εμάς, ο Αϊνστάιν είναι και οι δύο παγκόσμιοι πόλεμοι, αυτό είναι το πυρηνικό μανιτάρι της Χιροσίμα, αυτός είναι ο διωγμός και η εξόντωση των Εβραίων, αυτή είναι η αδυσώπητη ανάπτυξη επιστημονική γνώσηκαι η επιρροή του στην κοινωνία, είναι ο Σιωνισμός, η παράνοια του γερουσιαστή McCarthy, μια συλλογή αφορισμών, ο τύπος E = mc², το όνειρο της παγκόσμιας ειρήνης ...

Ο Αϊνστάιν προσπάθησε να διατηρήσει τον προσωπικό του χώρο γράφοντας μια αυτοβιογραφία που περιείχε λιγότερα βιογραφικά στοιχεία από οποιαδήποτε άλλη βιογραφία που υπήρξε ποτέ στην ιστορία. Στις πρώτες κιόλας σελίδες, τοποθέτησε μια δήλωση πολιτικής, η οποία αργότερα αναφέρθηκε πολλές φορές: «Το κύριο πράγμα στη ζωή ενός ανθρώπου της αποθήκης μου είναι τι σκέφτεται και πώς σκέφτεται, και όχι σε αυτό που κάνει ή εμπειρίες." Και όμως είναι απίθανο αυτή η προειδοποίηση να σταματήσει την ανθρώπινη περιέργεια. Θα προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε τη σύνδεση μεταξύ των αντιξοοτήτων της ζωής μέσα από τις οποίες πέρασε ο επιστήμονας και των εκπληκτικών επιστημονικών του γνώσεων. Ίσως αν ο Αϊνστάιν είχε αποκτήσει αμέσως μια ακαδημαϊκή θέση αντί να εργάζεται οκτώ ώρες την ημέρα στο ελβετικό γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, θα είχε φτάσει στα ίδια αποτελέσματα. Αλλά από μόνη της, η ανασύνθεση των συνθηκών υπό τις οποίες εργάστηκε πραγματικά ο επιστήμονας είναι μια εξαιρετικά συναρπαστική και προβληματική άσκηση.

Από τη γέννησή του, ο Αϊνστάιν ήταν κοντά στις τελευταίες τεχνολογικές εξελίξεις, από ηλεκτρικούς λαμπτήρες μέχρι διάφορες συσκευές που χρησιμοποιούσε ο πατέρας του στο εργοστάσιό του. Εικονίζοντας τη θεωρία της σχετικότητας, ο επιστήμονας δίνει συνεχώς παραδείγματα που μας παραπέμπουν στη μηχανική των σιδηροδρόμων και του ρολογιού. Κατά την παιδική ηλικία και τη νεότητα του Αϊνστάιν ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗ ΓΡΑΜΜΗέγινε νέος όχημα. Η ταχύτητα που ανέπτυξαν τα τρένα ήταν πρωτόγνωρη εκείνη την εποχή. Στη Βέρνη, ο Αϊνστάιν παρατήρησε πώς ο συγχρονισμός των ρολογιών μεταξύ των πόλεων πυροδότησε το ήδη ένθερμο Ελβετικό πάθος για την ακρίβεια. Ίσως ήταν αυτές οι συνθήκες που διέγειραν τη φαντασία του και συνέβαλαν στην εμφάνιση μιας θεωρίας που συνδύαζε χρόνο, απίστευτες ταχύτητες και μια συνεχή αλλαγή στο πλαίσιο αναφοράς. Αργότερα, τα μυστικά της βαρύτητας αποκαλύφθηκαν με τη βοήθεια μιας άλλης εφεύρεσης, η οποία την εποχή του Αϊνστάιν βρισκόταν στο απόγειο της τεχνολογικής προόδου: «Αυτό που πρέπει να μάθω σίγουρα», αναφώνησε ο φυσικός, «είναι τι συμβαίνει στους επιβάτες ενός ασανσέρ που πέφτει στο κενό!».

Στα πρώτα του άρθρα, ο επιστήμονας επέδειξε άψογη γνώση της στατιστικής μηχανικής και εξάντλησε όλες τις δυνατότητες της παραδοσιακής μοριακής κινητικής θεωρίας. Το έργο του εξήγησε την κίνηση των σωματιδίων σκόνης σε μια δέσμη φωτός, μπλε χρώμαο ουρανός και το τρέμουλο της γύρης σε ένα ποτήρι νερό. Επιπλέον, έδωσε μια εξήγηση για το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, το οποίο απασχόλησε το μυαλό πολλών πειραματικών φυσικών. Ωστόσο, το κύριο πράγμα τον περίμενε μπροστά. Η δημοσίευση το 1905 ενός έργου για την ειδική σχετικότητα εγκαινίασε την πραγματική εποχή του Αϊνστάιν, με την κύρια κληρονομιά του - έναν νέο τρόπο σκέψης που έγινε αποκάλυψη και έμπνευση για την επόμενη γενιά φυσικών. Ο ίδιος ο επιστήμονας περιέγραψε αυτή τη μετάβαση ως εξής: Νέα θεωρίαείναι απαραίτητο όταν, πρώτα, ερχόμαστε αντιμέτωποι με νέα φαινόμενα που οι παλιές θεωρίες δεν μπορούν να εξηγήσουν. Αλλά αυτός ο λόγος είναι, ας πούμε, μπανάλ, επιβεβλημένος απ' έξω. Υπάρχει ένας άλλος λόγος, όχι λιγότερο σημαντικός. Βρίσκεται στην επιθυμία για απλότητα και ενοποίηση των υποθέσεων της θεωρίας μέσα στο δικό της πλαίσιο. Ακολουθώντας τα βήματα του Ευκλείδη, ο οποίος συνήγαγε όλη τη γεωμετρία που είναι γνωστή σε εμάς από μια χούφτα αξιώματα, ο Schnstein επέκτεινε το πεδίο των θεωριών του σε ολόκληρη τη φυσική. Στην πραγματικότητα, η γενική θεωρία της σχετικότητας, που διατυπώθηκε το 1915, έθεσε τα θεμέλια της σύγχρονης αστρονομίας. Με βάση απλές υποθέσεις, όπως π.χ συνεχήςτην ταχύτητα του φωτός, ή την υπόθεση ότι όλοι οι νόμοι της φυσικής ισχύουν εξίσου για όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από τη σχετική κίνησή τους, ο Αϊνστάιν άλλαξε για πάντα την κατανόησή μας για το χρόνο, το χώρο και τη βαρύτητα. Η επιστημονική του φαντασία έχει καταφέρει να φτάσει σε τέτοια όρια, η σκέψη των οποίων κόβει την ανάσα, από την κβαντική κλίμακα (10 ~ 15 m) μέχρι την ίδια την άκρη του ορατού χώρου (1026 m).

Η ικανότητα να ξεχωρίζεις το σιτάρι από την ήρα είναι ένα ιδιαίτερο δώρο. Μαζί του γεννήθηκε και ο Αϊνστάιν. Όποιος έχει δυσκολευτεί ποτέ να λύσει προβλήματα στη φυσική ξέρει πόσο δύσκολο μπορεί να είναι να πετάς πάνω από αλυσίδες εξισώσεων - όπως πώς ένας ποδοσφαιριστής πρέπει να δει όχι μόνο έναν σέντερ φορ να τον πλησιάζει, αλλά ολόκληρο το γήπεδο ταυτόχρονα. Η εξαιρετική διαίσθηση ήταν ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του Αϊνστάιν, και χάρη σε αυτήν μπορούσε να υπολογίσει τις κινήσεις της φύσης εκ των προτέρων, ενώ άλλες χάθηκαν στο εξωτερικό χάος των πειραματικών αποτελεσμάτων. Αν δεν υπήρχε άλλη διέξοδος, χρησιμοποιούσε τα πιο εξελιγμένα μαθηματικά εργαλεία, αλλά και πάλι το κύριο ταλέντο του ήταν η ικανότητα να μπαίνει αμέσως σε έναν βαθύ διάλογο με την πραγματικότητα, από όπου έβγαζε κάτι σαν ιδέες, που αργότερα βρήκε έκφραση χρησιμοποιώντας τη γλώσσα του λογική.

Οι κόκκοι από τους οποίους φύτρωσαν οι δύο μεγάλες θεωρίες του επιστήμονα, η γενική και η ειδική θεωρία της σχετικότητας, ήταν δύο νοητικές εικόνες που του ήρθαν σε στιγμές διορατικότητας. Η πρώτη ήταν η εικόνα του να κυνηγάει μια ηλιαχτίδα στο σκοτάδι και ταυτόχρονα να αναρωτιέται: τι θα συμβεί όταν τον προλάβω; Η δεύτερη εικόνα ήταν ενός ανθρώπου που πέφτει σε μια άβυσσο και, καθώς έπεφτε, έχασε την αίσθηση του βάρους του. Πιστεύεται ότι το πιο φιλόδοξο εγχείρημα του μεγάλου φυσικού - η κατασκευή της τελικής θεωρίας, το άθροισμα των υποθέσεων από τις οποίες θα μπορούσαν να προκύψουν όλοι οι νόμοι της φυσικής - απέτυχε ακριβώς επειδή γι 'αυτόν δεν υπήρχε διαισθητική εικόνα που θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως αστέρι οδηγός.

Ο τρόπος δράσης (τρόπος δράσης) του Αϊνστάιν συνέβαλε στο γεγονός ότι η φιγούρα του έγινε πολεμική: συχνά οι εικασίες του επιστήμονα ήταν δεκαετίες μπροστά από τα πειραματικά τους στοιχεία, αλλά μετά την ανακάλυψη της λύσης, η ίδια η αντίφαση μετατράπηκε στην καλύτερη επιβεβαίωση της ορθότητάς του. Δημοσιεύτηκε το 1919, η είδηση ​​ότι η τροχιά των ακτίνων φωτός από τα αστέρια κάμπτεται κοντά στον Ήλιο, εν ριπή οφθαλμού σήκωσε τον φυσικό στα ύψη της δόξας.

SRT, TOE - κάτω από αυτές τις συντομογραφίες βρίσκεται ο όρος "θεωρία της σχετικότητας", γνωστός σχεδόν σε όλους. σε απλή γλώσσατα πάντα μπορούν να εξηγηθούν, ακόμα και το ρητό μιας ιδιοφυΐας, οπότε μην αποθαρρύνεσαι αν δεν θυμάσαι σχολικό μάθημαφυσική, γιατί στην πραγματικότητα όλα είναι πολύ πιο απλά από όσο φαίνονται.

Η προέλευση της θεωρίας

Λοιπόν, ας ξεκινήσουμε το μάθημα «Η Θεωρία της Σχετικότητας για τα Ανδρείκελα». Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε το έργο του το 1905 και προκάλεσε σάλο στους επιστήμονες. Αυτή η θεωρία κάλυψε σχεδόν πλήρως πολλά κενά και ασυνέπειες στη φυσική του περασμένου αιώνα, αλλά, επιπλέον, ανέτρεψε την ιδέα του χώρου και του χρόνου. Ήταν δύσκολο για τους σύγχρονους να πιστέψουν σε πολλές από τις δηλώσεις του Αϊνστάιν, αλλά τα πειράματα και οι μελέτες επιβεβαίωσαν μόνο τα λόγια του μεγάλου επιστήμονα.

Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν εξήγησε με απλά λόγια αυτό με το οποίο οι άνθρωποι αγωνίστηκαν για αιώνες. Μπορεί να ονομαστεί η βάση όλης της σύγχρονης φυσικής. Ωστόσο, πριν συνεχιστεί η συζήτηση για τη θεωρία της σχετικότητας, θα πρέπει να διευκρινιστεί το ζήτημα των όρων. Σίγουρα πολλοί, διαβάζοντας άρθρα δημοφιλούς επιστήμης, έχουν συναντήσει δύο συντομογραφίες: SRT και GRT. Στην πραγματικότητα, σημαίνουν κάπως διαφορετικές έννοιες. Η πρώτη είναι η ειδική θεωρία της σχετικότητας και η δεύτερη σημαίνει "γενική σχετικότητα".

Σχεδόν περίπλοκο

Το SRT είναι μια παλαιότερη θεωρία που αργότερα έγινε μέρος του GR. Μπορεί να εξετάσει μόνο φυσικές διεργασίες για αντικείμενα που κινούνται με ομοιόμορφη ταχύτητα. Μια γενική θεωρία, από την άλλη πλευρά, μπορεί να περιγράψει τι συμβαίνει με τα επιταχυνόμενα αντικείμενα και επίσης να εξηγήσει γιατί υπάρχουν τα σωματίδια βαρυτονίου και η βαρύτητα.

Εάν χρειάζεται να περιγράψετε την κίνηση και καθώς και τη σχέση χώρου και χρόνου όταν πλησιάζετε την ταχύτητα του φωτός - αυτό μπορεί να γίνει από την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Με απλά λόγια, μπορεί να εξηγηθεί ως εξής: για παράδειγμα, φίλοι από το μέλλον σας έδωσαν ένα διαστημόπλοιο που μπορεί να πετάξει με μεγάλη ταχύτητα. Στη μύτη του διαστημόπλοιου υπάρχει ένα κανόνι ικανό να εκτοξεύει φωτόνια σε οτιδήποτε έρχεται μπροστά.

Όταν εκτοξεύεται ένας πυροβολισμός, σε σχέση με το πλοίο, αυτά τα σωματίδια πετούν με την ταχύτητα του φωτός, αλλά, λογικά, ένας ακίνητος παρατηρητής θα πρέπει να δει το άθροισμα δύο ταχυτήτων (τα ίδια τα φωτόνια και το πλοίο). Αλλά τίποτα τέτοιο. Ο παρατηρητής θα δει φωτόνια να κινούνται με ταχύτητα 300.000 m/s, σαν να ήταν μηδενική η ταχύτητα του πλοίου.

Το θέμα είναι ότι ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινείται ένα αντικείμενο, η ταχύτητα του φωτός για αυτό είναι μια σταθερή τιμή.

Αυτή η δήλωση είναι η βάση εκπληκτικών λογικών συμπερασμάτων όπως η επιβράδυνση και η χρονική παραμόρφωση, ανάλογα με τη μάζα και την ταχύτητα του αντικειμένου. Σε αυτό βασίζονται οι πλοκές πολλών ταινιών και σειρών επιστημονικής φαντασίας.

Γενική θεωρία της σχετικότητας

Μια πιο ογκώδης γενική σχετικότητα μπορεί επίσης να εξηγηθεί με απλούς όρους. Αρχικά, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι ο χώρος μας είναι τετραδιάστατος. Ο χρόνος και ο χώρος ενώνονται σε ένα τέτοιο «θέμα» όπως το «χωροχρονικό συνεχές». Ο χώρος μας έχει τέσσερις άξονες συντεταγμένων: x, y, z και t.

Αλλά οι άνθρωποι δεν μπορούν να αντιληφθούν άμεσα τέσσερις διαστάσεις, ακριβώς όπως μια υποθετική επίπεδος άνθρωποςζώντας σε έναν κόσμο δύο διαστάσεων, ανίκανος να κοιτάξει ψηλά. Στην πραγματικότητα, ο κόσμος μας είναι μόνο μια προβολή του τετραδιάστατου χώρου σε τρισδιάστατο.

Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, τα σώματα δεν αλλάζουν όταν κινούνται. Τα αντικείμενα του τετραδιάστατου κόσμου είναι στην πραγματικότητα πάντα αμετάβλητα και όταν κινούνται αλλάζουν μόνο οι προβολές τους, τις οποίες αντιλαμβανόμαστε ως παραμόρφωση του χρόνου, μείωση ή αύξηση του μεγέθους κ.λπ.

Το πείραμα του ανελκυστήρα

Η θεωρία της σχετικότητας μπορεί να εξηγηθεί με απλά λόγια με τη βοήθεια ενός μικρού πειράματος σκέψης. Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε ένα ασανσέρ. Η καμπίνα άρχισε να κινείται και εσύ ήσουν σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας. Τι συνέβη? Μπορεί να υπάρχουν δύο λόγοι: είτε ο ανελκυστήρας βρίσκεται στο διάστημα, είτε βρίσκεται σε ελεύθερη πτώση υπό την επίδραση της βαρύτητας του πλανήτη. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι είναι αδύνατο να μάθετε την αιτία της έλλειψης βαρύτητας εάν δεν υπάρχει τρόπος να κοιτάξετε έξω από την καμπίνα του ανελκυστήρα, δηλαδή και οι δύο διαδικασίες φαίνονται το ίδιο.

Ίσως, αφού διεξήγαγε ένα παρόμοιο σκεπτικό πείραμα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αν αυτές οι δύο καταστάσεις δεν διακρίνονται μεταξύ τους, τότε στην πραγματικότητα το σώμα υπό την επίδραση της βαρύτητας δεν επιταχύνεται, είναι μια ομοιόμορφη κίνηση που καμπυλώνεται κάτω από το επιρροή ενός τεράστιου σώματος (σε αυτή την περίπτωση, του πλανήτη). Έτσι, η επιταχυνόμενη κίνηση είναι μόνο μια προβολή ομοιόμορφη κίνησησε τρισδιάστατο χώρο.

ενδεικτικό παράδειγμα

Άλλο ένα καλό παράδειγμα για το θέμα "Θεωρία της Σχετικότητας για ανδρείκελα". Δεν είναι απολύτως σωστό, αλλά είναι πολύ απλό και ξεκάθαρο. Εάν τοποθετηθεί οποιοδήποτε αντικείμενο σε ένα τεντωμένο ύφασμα, σχηματίζει μια «εκτροπή», ένα «χωνί» κάτω από αυτό. Όλα τα μικρότερα σώματα θα αναγκαστούν να παραμορφώσουν την τροχιά τους σύμφωνα με τη νέα καμπυλότητα του χώρου και αν το σώμα έχει λίγη ενέργεια, μπορεί να μην ξεπεράσει καθόλου αυτή τη χοάνη. Ωστόσο, από την άποψη του ίδιου του κινούμενου αντικειμένου, η τροχιά παραμένει ευθεία, δεν θα νιώσουν την καμπυλότητα του χώρου.

Η βαρύτητα "υποβαθμίστηκε"

Με την έλευση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, η βαρύτητα έπαψε να είναι δύναμη και αρκείται πλέον στη θέση μιας απλής συνέπειας της καμπυλότητας του χρόνου και του χώρου. Η γενική σχετικότητα μπορεί να φαίνεται φανταστική, αλλά είναι μια λειτουργική έκδοση και επιβεβαιώνεται από πειράματα.

Πολλά φαινομενικά απίστευτα πράγματα στον κόσμο μας μπορούν να εξηγηθούν από τη θεωρία της σχετικότητας. Με απλά λόγια, τέτοια πράγματα ονομάζονται συνέπειες της γενικής σχετικότητας. Για παράδειγμα, οι ακτίνες φωτός που πετούν σε κοντινή απόσταση από ογκώδη σώματα κάμπτονται. Επιπλέον, πολλά αντικείμενα από το μακρινό διάστημα κρύβονται το ένα πίσω από το άλλο, αλλά λόγω του γεγονότος ότι οι ακτίνες του φωτός περιστρέφονται γύρω από άλλα σώματα, φαινομενικά αόρατα αντικείμενα είναι διαθέσιμα στο βλέμμα μας (πιο συγκεκριμένα, στο βλέμμα του τηλεσκοπίου). Είναι σαν να κοιτάς μέσα από τοίχους.

Όσο μεγαλύτερη είναι η βαρύτητα, τόσο πιο αργός κυλάει ο χρόνος στην επιφάνεια ενός αντικειμένου. Αυτό δεν ισχύει μόνο για μεγάλα σώματα όπως αστέρια νετρονίων ή μαύρες τρύπες. Η επίδραση της διαστολής του χρόνου μπορεί να παρατηρηθεί ακόμη και στη Γη. Για παράδειγμα, οι συσκευές δορυφορικής πλοήγησης είναι εξοπλισμένες με τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια. Βρίσκονται στην τροχιά του πλανήτη μας και ο χρόνος κυλά λίγο πιο γρήγορα εκεί. Εκατοντάδες του δευτερολέπτου σε μια μέρα θα αθροιστούν σε ένα νούμερο που θα δώσει έως και 10 χιλιόμετρα σφάλματος στους υπολογισμούς της διαδρομής στη Γη. Είναι η θεωρία της σχετικότητας που μας επιτρέπει να υπολογίσουμε αυτό το σφάλμα.

Με απλά λόγια, μπορεί να εκφραστεί ως εξής: Η GR βρίσκεται κάτω από πολλά σύγχρονες τεχνολογίες, και χάρη στον Αϊνστάιν, μπορούμε εύκολα να βρούμε μια πιτσαρία και μια βιβλιοθήκη σε μια άγνωστη περιοχή.

Ο επαναστάτης φυσικός χρησιμοποίησε τη φαντασία του, όχι πολύπλοκα μαθηματικά, για να καταλήξει στην πιο διάσημη και κομψή εξίσωσή του. Ο Αϊνστάιν είναι γνωστός για την πρόβλεψη περίεργων αλλά αληθινών φαινομένων, όπως η βραδύτερη γήρανση των αστροναυτών στο διάστημα σε σύγκριση με τους ανθρώπους στη Γη και οι αλλαγές στο σχήμα των στερεών αντικειμένων σε υψηλές ταχύτητες.

Αλλά το ενδιαφέρον είναι ότι αν πάρετε ένα αντίγραφο της αρχικής εργασίας του Αϊνστάιν του 1905 για τη σχετικότητα, είναι πολύ εύκολο να το αναλύσετε. Το κείμενο είναι απλό και σαφές και οι εξισώσεις είναι ως επί το πλείστον αλγεβρικές - κάθε μαθητής γυμνασίου μπορεί να τις καταλάβει.

Αυτό συμβαίνει γιατί τα πολύπλοκα μαθηματικά δεν ήταν ποτέ το πλεονέκτημα του Αϊνστάιν. Του άρεσε να σκέφτεται μεταφορικά, να διεξάγει πειράματα στη φαντασία του και να τα κατανοεί μέχρι να γίνουν πεντακάθαρες οι φυσικές ιδέες και αρχές.

Δείτε πώς ξεκίνησαν τα πειράματα σκέψης του Αϊνστάιν όταν ήταν μόλις 16 ετών και πώς τον οδήγησαν τελικά στην πιο επαναστατική εξίσωση της σύγχρονης φυσικής.

Σε αυτό το σημείο της ζωής του Αϊνστάιν, η ελάχιστα κρυμμένη περιφρόνηση του για τις γερμανικές ρίζες του, οι αυταρχικές μέθοδοι διδασκαλίας στη Γερμανία, είχαν ήδη παίξει ρόλο και τον έδιωξαν. Λύκειο, έτσι μετακόμισε στη Ζυρίχη με την ελπίδα να εγγραφεί στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (ETH).

Αλλά πρώτα, ο Αϊνστάιν αποφάσισε να περάσει ένα χρόνο εκπαίδευσης σε ένα σχολείο στην κοντινή πόλη Aarau. Σε αυτό το σημείο, σύντομα βρέθηκε να αναρωτιέται πώς ήταν να τρέχεις δίπλα σε μια δέσμη φωτός.

Ο Αϊνστάιν είχε ήδη μάθει στο μάθημα της φυσικής τι είναι μια ακτίνα φωτός: πολλά ταλαντευόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που κινούνται με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, τη μετρούμενη ταχύτητα του φωτός. Αν έτρεχε κοντά με αυτή την ταχύτητα, συνειδητοποίησε ο Αϊνστάιν, θα μπορούσε να δει πολλά ταλαντευόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία δίπλα του, σαν παγωμένα στο διάστημα.

Αλλά ήταν αδύνατο. Πρώτα, ακίνητα πεδίαθα παραβίαζε τις εξισώσεις του Maxwell, μαθηματικούς νόμους, που περιείχε όλα όσα γνώριζαν οι φυσικοί για τον ηλεκτρισμό, τον μαγνητισμό και το φως. Αυτοί οι νόμοι ήταν (και εξακολουθούν να είναι) αρκετά αυστηροί: οποιαδήποτε κύματα σε αυτά τα πεδία πρέπει να ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και δεν μπορούν να σταθούν ακίνητα, χωρίς κανένα.

Ακόμη χειρότερα, τα ακίνητα πεδία δεν ταίριαζαν με την αρχή της σχετικότητας που ήταν γνωστή στους φυσικούς από την εποχή του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα τον 17ο αιώνα. Στην ουσία, η αρχή της σχετικότητας λέει ότι οι νόμοι της φυσικής δεν μπορούν να εξαρτώνται από το πόσο γρήγορα κινείστε: μπορείτε να μετρήσετε μόνο την ταχύτητα ενός αντικειμένου σε σχέση με ένα άλλο.

Αλλά όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε αυτή την αρχή στο πείραμα σκέψης του, προέκυψε μια αντίφαση: η σχετικότητα υπαγόρευσε ότι ό,τι μπορούσε να δει να κινείται κοντά σε μια δέσμη φωτός, συμπεριλαμβανομένων των σταθερών πεδίων, πρέπει να είναι κάτι κοσμικό που οι φυσικοί θα μπορούσαν να δημιουργήσουν στο εργαστήριο. Αλλά κανείς δεν το έχει δει ποτέ αυτό.

Αυτό το πρόβλημα θα ανησυχήσει τον Αϊνστάιν για άλλα 10 χρόνια, καθ' όλη τη διάρκεια του ταξιδιού του να σπουδάσει και να εργαστεί στο ETH και να μετακομίσει στην πρωτεύουσα της Ελβετίας, τη Βέρνη, όπου θα γίνει εξεταστής στο ελβετικό γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας. Εκεί θα λύσει το παράδοξο μια για πάντα.

1904: μέτρηση φωτός από κινούμενο τρένο

Δεν ήταν εύκολο. Ο Αϊνστάιν δοκίμασε κάθε λύση που του ερχόταν στο μυαλό, αλλά τίποτα δεν πέτυχε. Σχεδόν απελπισμένος, άρχισε να σκέφτεται μια απλή αλλά ριζική λύση. Ίσως οι εξισώσεις του Μάξγουελ να λειτουργούν για τα πάντα, σκέφτηκε, αλλά η ταχύτητα του φωτός ήταν πάντα σταθερή.

Με άλλα λόγια, όταν βλέπεις μια δέσμη φωτός να περνάει, δεν έχει σημασία αν η πηγή της κινείται προς το μέρος σου, μακριά σου, στο πλάι ή κάπου αλλού, και δεν έχει σημασία πόσο γρήγορη είναι η πηγή της. κίνηση. Η ταχύτητα του φωτός που μετράτε θα είναι πάντα 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Μεταξύ άλλων, αυτό σήμαινε ότι ο Αϊνστάιν δεν θα έβλεπε ποτέ ακίνητα ταλαντευόμενα πεδία, αφού ποτέ δεν θα μπορούσε να πιάσει μια δέσμη φωτός.

Αυτός ήταν ο μόνος τρόπος που είδε ο Αϊνστάιν για να συμβιβάσει τις εξισώσεις του Μάξγουελ με την αρχή της σχετικότητας. Με την πρώτη ματιά, όμως, αυτή η λύση είχε το δικό της μοιραίο ελάττωμα. Αργότερα το εξήγησε με ένα άλλο πείραμα σκέψης: φανταστείτε μια δέσμη να εκτοξεύεται κατά μήκος ενός αναχώματος σιδηροδρόμων ενώ ένα τρένο περνάει προς την ίδια κατεύθυνση, για παράδειγμα, με 3.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Κάποιος που στεκόταν κοντά στο ανάχωμα θα έπρεπε να μετρήσει την ταχύτητα της δέσμης φωτός και να βρει έναν τυπικό αριθμό 300.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο. Αλλά κάποιος στο τρένο θα δει το φως να κινείται με 297.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Εάν η ταχύτητα του φωτός δεν είναι σταθερή, η εξίσωση του Maxwell μέσα στο αυτοκίνητο πρέπει να φαίνεται διαφορετική, κατέληξε ο Αϊνστάιν, και τότε η αρχή της σχετικότητας θα παραβιαστεί.

Αυτή η φαινομενική αντίφαση κράτησε τον Αϊνστάιν σε σκέψη για σχεδόν ένα χρόνο. Αλλά τότε, ένα ωραίο πρωί του Μαΐου του 1905, πήγε στη δουλειά μαζί του ο καλύτερος φίλος Michel Besso, ένας μηχανικός από τον οποίο γνώριζε φοιτητικά χρόνιαστη Ζυρίχη. Οι δύο άνδρες μίλησαν για το δίλημμα του Αϊνστάιν, όπως έκαναν πάντα. Και ξαφνικά ο Αϊνστάιν είδε τη λύση. Το δούλεψε όλο το βράδυ και όταν συναντήθηκαν το επόμενο πρωί, ο Αϊνστάιν είπε στον Μπέσο: «Ευχαριστώ. Έλυσα πλήρως το πρόβλημα».

Μάιος 1905: κεραυνός χτυπά ένα κινούμενο τρένο

Η αποκάλυψη του Αϊνστάιν ήταν ότι οι παρατηρητές σε σχετική κίνηση αντιλαμβάνονται τον χρόνο διαφορετικά: είναι απολύτως δυνατό δύο γεγονότα να συμβαίνουν ταυτόχρονα από τη σκοπιά ενός παρατηρητή, αλλά σε διαφορετικούς χρόνους από την οπτική γωνία ενός άλλου. Και οι δύο παρατηρητές θα έχουν δίκιο.

Ο Αϊνστάιν επεξηγεί αργότερα την άποψή του με ένα άλλο πείραμα σκέψης. Φανταστείτε ότι ο παρατηρητής στέκεται πάλι δίπλα στο σιδηρόδρομο και το τρένο περνάει γρήγορα δίπλα του. Τη στιγμή που το κεντρικό σημείο του τρένου περνά από τον παρατηρητή, κεραυνός χτυπά σε κάθε άκρο του τρένου. Εφόσον οι κεραυνοί χτυπούν στην ίδια απόσταση από τον παρατηρητή, το φως τους εισέρχεται στα μάτια του ταυτόχρονα. Είναι δίκαιο να πούμε ότι ο κεραυνός χτυπά την ίδια στιγμή.

Εν τω μεταξύ, ένας άλλος παρατηρητής κάθεται ακριβώς στο κέντρο του τρένου. Από την άποψή του, το φως από δύο χτυπήματα κεραυνών διανύει την ίδια απόσταση και η ταχύτητα του φωτός θα είναι ίδια προς κάθε κατεύθυνση. Αλλά επειδή το τρένο κινείται, το φως που προέρχεται από το πίσω φερμουάρ πρέπει να περάσει μεγαλύτερη απόσταση, έτσι χτυπά τον παρατηρητή λίγες στιγμές αργότερα από το φως από την αρχή. Δεδομένου ότι οι παλμοί φωτός φτάνουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οι κεραυνοί δεν είναι ταυτόχρονοι - το ένα συμβαίνει πιο γρήγορα.

Ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι ακριβώς αυτή η ταυτόχρονη είναι σχετική. Και μόλις το παραδεχτείς, τα περίεργα φαινόμενα που συνδέουμε τώρα με τη σχετικότητα επιλύονται με την απλή άλγεβρα.

Ο Αϊνστάιν κατέγραψε πυρετωδώς τις σκέψεις του και υπέβαλε το έργο του για δημοσίευση. Ο τίτλος ήταν On the Electrodynamics of Moving Bodies και αντανακλούσε την προσπάθεια του Einstein να συνδέσει τις εξισώσεις του Maxwell με την αρχή της σχετικότητας. Ο Μπέσο έλαβε ιδιαίτερες ευχαριστίες.

Σεπτέμβριος 1905: μάζα και ενέργεια

Αυτό το πρώτο έργο όμως δεν έγινε το τελευταίο. Ο Αϊνστάιν είχε εμμονή με τη σχετικότητα μέχρι το καλοκαίρι του 1905 και τον Σεπτέμβριο έστειλε μια δεύτερη εργασία για δημοσίευση, ήδη εκ των υστέρων, αναδρομικά.

Βασίστηκε σε ένα ακόμη πείραμα σκέψης. Φανταστείτε ένα αντικείμενο σε ηρεμία, είπε. Τώρα φανταστείτε ότι εκπέμπει ταυτόχρονα δύο πανομοιότυπους παλμούς φωτός σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το αντικείμενο θα παραμείνει στη θέση του, αλλά δεδομένου ότι κάθε παλμός μεταφέρει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας, η ενέργεια που περιέχεται στο αντικείμενο θα μειωθεί.

Τώρα, έγραψε ο Αϊνστάιν, πώς θα έμοιαζε αυτή η διαδικασία σε έναν κινούμενο παρατηρητή; Από την άποψή του, το αντικείμενο απλώς θα συνεχίσει να κινείται σε ευθεία γραμμή ενώ οι δύο παλμοί πετούν μακριά. Αλλά ακόμα κι αν η ταχύτητα των δύο παλμών παραμένει ίδια -η ταχύτητα του φωτός- οι ενέργειές τους θα είναι διαφορετικές. Μια ώθηση που κινείται προς τα εμπρός προς την κατεύθυνση του ταξιδιού θα έχει μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή που ταξιδεύει προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Προσθέτοντας λίγη άλγεβρα, ο Αϊνστάιν έδειξε ότι για να είναι όλα αυτά συνεπή, το αντικείμενο δεν πρέπει να χάνει μόνο ενέργεια όταν στέλνει παλμούς φωτός, αλλά και μάζα. Ή μάζα και ενέργεια πρέπει να είναι εναλλάξιμα. Ο Αϊνστάιν έγραψε μια εξίσωση που τους συνδέει. Και έγινε η πιο διάσημη εξίσωση στην ιστορία της επιστήμης: E = mc 2 .

Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (SRT).

Το SRT βασίζεται σε δύο αρχές ή αξιώματα που δεν εξηγούν γιατί πρέπει να συμβαίνει με αυτόν τον τρόπο και όχι διαφορετικά. Ωστόσο, η θεωρία που βασίζεται στην αποδοχή τους επιτρέπει σε κάποιον να περιγράψει με ακρίβεια τα γεγονότα που συμβαίνουν στον κόσμο.

Όλοι οι φυσικοί νόμοι πρέπει να φαίνονται ίδιοι σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

Η ταχύτητα του φωτός στο κενό δεν αλλάζει όταν αλλάζει η κατάσταση κίνησης της φωτεινής πηγής.

Συνέπειες από την πρώτη αρχή:

• Όχι μόνο νόμοι μηχανική κίνηση, όπως ήταν στην κλασική μηχανική, αλλά και οι νόμοι των άλλων φυσικά φαινόμεναθα πρέπει να φαίνεται ή να συμπεριφέρεται το ίδιο σε όλα τα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς.
• · Τα παντα αδρανειακά συστήματαοι μετρήσεις είναι ίσες. Επομένως, δεν υπάρχει προτιμώμενο πλαίσιο αναφοράς, είτε είναι η Γη είτε ο αιθέρας.

Η έννοια του αιθέρα ως απόλυτου συστήματος αναφοράς δεν έχει φυσική σημασία.

Συνέπειες που προκύπτουν από τη δεύτερη αρχή:

• · Δεν υπάρχει απείρως υψηλή ταχύτητα κατανομής της φυσικής αλληλεπίδρασης στον κόσμο.
• · Στον φυσικό κόσμο, η αλληλεπίδραση δεν πραγματοποιείται ακαριαία με ταχύτητα που υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός.

Συνέπειες που προκύπτουν από κοινού από τις δύο αρχές της SRT:

• Δεν υπάρχουν ταυτόχρονες εκδηλώσεις στον κόσμο.
• · Είναι αδύνατο να θεωρηθεί ο χώρος και ο χρόνος ως ανεξάρτητες μεταξύ τους ιδιότητες του φυσικού κόσμου.

Οι μετασχηματισμοί Lorentz έχουν φυσική έννοια. Ruzavin G.I. Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης: ένα εγχειρίδιο για τα πανεπιστήμια. - Μ.: Πολιτισμός και αθλητισμός, UNITI, 2006.

Η απόδειξη της σύνδεσης μεταξύ χώρου και χρόνου μπορεί να εξηγηθεί με το ακόλουθο παράδειγμα, στο οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι, σύμφωνα με το SRT, σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς, το φως διαδίδεται με την ίδια ταχύτητα. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο αδρανειακά συστήματα αναφοράς που είναι ίσα στην περιγραφή των φυσικών γεγονότων, δηλαδή, το καθένα δίνει αντικειμενικές περιγραφές: ένα άτομο που στέκεται σε μια σιδηροδρομική πλατφόρμα (επιστάτης) και ένας επιβάτης ενός τρένου που κινείται με την ίδια ταχύτητα σε σχέση με την πλατφόρμα και στάσιμος επιστάτης. Πάνω από το κεφάλι του επιβάτη υπάρχει μια ηλεκτρική λάμπα, η οποία αναβοσβήνει τη στιγμή που ο επιβάτης, που κάθεται στο παράθυρο του αυτοκινήτου, και ο επιστάτης, που στέκεται στην πλατφόρμα, είναι ακριβώς απέναντι ο ένας από τον άλλο προς την κατεύθυνση του τρένου. Η κλασική μηχανική δίνει την ακόλουθη περιγραφή αυτού του γεγονότος.

Ο χρόνος έχει απόλυτη σημασία, άρα δεν εξαρτάται από τη χωρική κίνηση των γεγονότων. Ο επιστάτης στέκεται όρθιος, ο συνεπιβάτης κινείται, αλλά ο ρυθμός του χρόνου είναι ίδιος γι' αυτούς. Το SRT δίνει μια άλλη λύση:

Για έναν επιβάτη σε ένα αυτοκίνητο, το φως θα φτάσει και στα δύο τοιχώματα του αυτοκινήτου ταυτόχρονα, αφού σε όλα τα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς το φως θα ταξιδεύει προς όλες τις κατευθύνσεις με την ίδια ταχύτητα.

Ο φύλακας θα έχει διαφορετική άποψη. Θα πει ότι το φως θα φτάσει στον πίσω τοίχο (κινείται προς το φως κατά μήκος του τρένου) πριν από το μπροστινό τοίχωμα του αυτοκινήτου, αφού το προλαβαίνει κατά μήκος του τρένου.

Επιπλέον, αν ρυθμίσουμε εκ των προτέρων την ίδια ώρα στα ρολόγια του επιστάτη και του επιβάτη του τρένου, τότε για σταθμάρχηςτο ρολόι στον πίσω τοίχο του αυτοκινήτου θα δείχνει διαφορετική ώρα από την ώρα στην πρόσοψη του ρολογιού στον μπροστινό τοίχο. Θα δείξουν ότι το φως φτάνει στον πίσω τοίχο πριν από τον μπροστινό τοίχο. Επομένως, μερικά ρολόγια πηγαίνουν πιο γρήγορα, άλλα πιο αργά. Έτσι, ο χώρος και ο χρόνος, σύμφωνα με το SRT, είναι αλληλένδετοι και δεν είναι απόλυτοι, όπως ήταν με τον Galileo - Newton, αλλά σχετικοί: η ταχύτητα του ρολογιού εξαρτάται από τη θέση του στο χώρο, η θέση στο χώρο επηρεάζει την ταχύτητα του ρολογιού. .

Μειονεκτήματα SRT:

Μέσα της μιλαμεμόνο για αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Αλλά τα περισσότερα πλαίσια αναφοράς είναι μέσα πραγματική ζωήμη αδρανειακό (η επιτάχυνση και η ταχύτητα αλλάζουν με το χρόνο).

Δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση της βαρυτικής δύναμης στο φως.Η αναζήτηση για την εξάλειψη αυτών των ελλείψεων του SRT οδήγησε στη δημιουργία της γενικής σχετικότητας.

Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (GR).

Η γενική σχετικότητα βασίζεται σε δύο αρχές ή αξιώματα:

• Η αρχή της σχετικότητας.
• · Η αρχή της ισοδυναμίας βαρέων και αδρανειακών μαζών σώματος.

Η πρώτη αρχή ορίζει ότι οι νόμοι της φυσικής πρέπει να έχουν την ίδια μορφή όχι μόνο στα αδρανειακά συστήματα, αλλά και στα μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς, δηλαδή τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς δεν πρέπει να θεωρούνται προνομιακά συστήματα αναφοράς, όπως η κλασική μηχανική . Αναλύοντας τα μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς που κινούνται με την ίδια επιτάχυνση, ο Αϊνστάιν κατέληξε στο απροσδόκητο συμπέρασμα ότι σε αυτά τα πλαίσια προκύπτει ένα φαινόμενο παρόμοιο με το φαινόμενο της βαρύτητας σε ένα ομοιόμορφο βαρυτικό πεδίο. Ένα ομοιογενές βαρυτικό πεδίο είναι ένα είδος αφαίρεσης ή εξιδανίκευσης. Σε αυτό το πεδίο, η βαρυτική δύναμη έχει την ίδια τιμή σε όλες τις κατευθύνσεις και σε κάθε σημείο της. Λαμβάνοντας υπόψη αυτή την ομοιότητα, ο Α. Αϊνστάιν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί με τη μετάβαση σε ένα πλαίσιο αναφοράς που κινείται με επιτάχυνση. Για παράδειγμα, εάν ένα άτομο βρίσκεται σε ασανσέρ χωρίς παράθυρα εκτός της βαρύτητας, τότε θα είναι σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας. Όλα τα αντικείμενα γύρω του και ο ίδιος δεν θα έλκονται από το πάτωμα του ανελκυστήρα. Εάν τραβήξετε διανοητικά τον ανελκυστήρα με ένα σχοινί με ταχύτητα ίση με την επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης στη Γη, τότε αυτό το άτομο θα αισθανθεί τη δράση της βαρυτικής δύναμης, η οποία θα είναι παρόμοια με τη βαρυτική δύναμη σε ένα ομοιόμορφο βαρυτικό πεδίο, όπου στο κάθε σημείο του η επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης των σωμάτων έχει το ίδιο μέγεθος. Στην πραγματικότητα από εξωτερικό σύστημαμετρώντας, είναι σωστό να πούμε ότι ο ανελκυστήρας, ο όροφος του, κινείται προς το άτομο και τα αντικείμενα σε αυτό.

Η αρχή της ισοδυναμίας βαρέων και αδρανειακών μαζών. Αυτή η αρχή περιέχει την απάντηση στο ερώτημα που έθεσε ο Αϊνστάιν στον εαυτό του: τι καθορίζει τη δράση της δύναμης της βαρύτητας, πώς προσδιορίζεται; Στη Νευτώνεια φυσική, η βαρύτητα εξαρτάται αποκλειστικά από τη μάζα των σωμάτων. Από τον νόμο της ελεύθερης πτώσης των σωμάτων, που ανακάλυψε ο Γαλιλαίος, προέκυψε ότι μεταξύ των βαριών και αδρανειακών μαζών του σώματος υπάρχει αναλογική εξάρτηση, που μας επιτρέπει να υποθέσουμε ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφορά μεταξύ αυτών των μαζών σώματος όταν μιλάμε για τη δράση της βαρυτικής δύναμης.

Δεδομένου ότι όλες οι μπάλες πέφτουν με την ίδια -επιτάχυνση, ανεξάρτητα από το βάρος τους, αυτό δείχνει ότι η αδρανειακή μάζα των σωμάτων είναι ανάλογη της βαρυτικής τους μάζας. Σχέση Mi ; Το mi (όπου mi είναι η αδρανειακή μάζα οποιουδήποτε σώματος, Mi είναι η βαρυτική μάζα του ίδιου σώματος) παραμένει σταθερό για όλα τα σώματα σε ελεύθερη πτώση, ανεξάρτητα από την πραγματική φυσική τους φύση (από ξύλο ή μέταλλο κ.λπ.). Το 1890, ο Ούγγρος φυσικός Eötvös απέδειξε πειραματικά την εγκυρότητα της υπόθεσης της φυσικής του Γαλιλαίου-Νεύτωνα σχετικά με τις αναλογικές αδρανειακές και βαρυτικές μάζες του σώματος. Για τον Newton, αυτή η αναλογία ήταν μικρότερη από 10-8 (M1,/m1< 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.

Ανάλυση της φυσικής σημασίας της αναλογικής αντιστοιχίας μεταξύ της αδρανειακής και βαριάς μάζας του σώματος, καθώς και της φύσης της ομοιότητας της δράσης της βαρυτικής δύναμης με το φαινόμενο που συμβαίνει σε ένα μη αδρανειακό σύστημα αναφοράς που κινείται με σταθερή επιτάχυνση , ο Αϊνστάιν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η βαρυτική δύναμη δεν εξαρτάται από τη μάζα των σωμάτων. Φυσικά, προέκυψε το ερώτημα: από τι εξαρτάται; Ο Αϊνστάιν έδωσε την ακόλουθη απάντηση σε αυτό το ερώτημα: από θεωρητική άποψη, υπάρχουν λόγοι να ισχυριστεί κανείς ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι ισοδύναμη με την καμπυλότητα του χώρου και η καμπυλότητα του χώρου είναι ισοδύναμη με τη δράση της δύναμης της βαρύτητας. Σε αυτή τη λύση, η δύναμη της αδράνειας, η οποία στη Νευτώνεια φυσική θεωρούνταν ως μια εξωπραγματική δύναμη, αποκτά πραγματική κατάσταση. Για παράδειγμα, όταν ένα τρένο κινείται, οι επιβάτες παρατηρούν την φαινομενική κίνηση αντικειμένων έξω από το τρένο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στη θεωρία του Αϊνστάιν, αυτή η δύναμη έχει πραγματικό νόημα. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένας ανελκυστήρας, ο οποίος είναι στερεωμένος σε ένα σχοινί με τέτοιο τρόπο ώστε τα αντικείμενα που βρίσκονται σε αυτό να μην επηρεάζονται από τη δύναμη της βαρύτητας. Στη συνέχεια τα αντικείμενα θα βρίσκονται στην ίδια γραμμή σε σχέση με τον όροφο του ανελκυστήρα. Τη στιγμή της κοπής του σχοινιού, θα προκύψει μια δύναμη αδράνειας, η οποία θα τείνει να διατηρήσει την αρχική θέση κάθε αντικειμένου στον ανελκυστήρα. Δεδομένου ότι η βαρυτική δύναμη κατευθύνεται προς το κέντρο της Γης, η κατεύθυνση της αδρανειακής δύναμης για κάθε αντικείμενο του ανελκυστήρα δεν θα είναι η ίδια, αλλά θα εξαρτάται από την απόστασή του από το κέντρο του ανελκυστήρα. Για ορισμένα αντικείμενα, θα κατευθύνεται προς τα πάνω, όπου η δύναμη της βαρύτητας θα είναι κάθετη στο κέντρο της Γης. Σε άλλα σημεία του ανελκυστήρα, η κατεύθυνση της αδρανειακής δύναμης θα είναι σε μια ορισμένη γωνία ως προς την κατεύθυνση της βαρυτικής δύναμης. Ως αποτέλεσμα, ο χώρος μέσα στον ανελκυστήρα που πέφτει θα είναι καμπύλος. Για έναν παρατηρητή εκτός του ανελκυστήρα, τα αντικείμενα δεν θα βρίσκονται σε μια ευθεία οριζόντια γραμμή παράλληλη προς το δάπεδο, αλλά σε μια καμπύλη γραμμή. Το φως σε έναν τέτοιο χώρο δεν θα διαδίδεται σε ευθεία γραμμή, όπως απαιτείται από το SRT, αλλά κατά μήκος μιας καμπύλης γραμμής.

Συνέπειες της γενικής σχετικότητας.

Το φως στον καμπύλο χωροχρόνο δεν μπορεί να διαδοθεί με την ίδια ταχύτητα, όπως απαιτεί η SRT. Κοντά στην πηγή της βαρυτικής δύναμης, διαδίδεται πιο αργά παρά μακριά από αυτήν.

Ο ρυθμός του ρολογιού επιβραδύνεται όταν πλησιάζει η πηγή της βαρύτητας.

Στη δομή του χώρου - χρόνου - ενέργειας (ουσία, πεδίο, ακτινοβολία), είναι δυνατοί σχηματισμοί, δομές, όπου η βαρυτική δύναμη, που αντιπροσωπεύεται από την αντίστοιχη τιμή του τανυστήρα καμπυλότητας, είναι τόσο ισχυρή που η ενέργεια δεν μπορεί να διαφύγει από αυτή τη δομή, όπως ένα είδος «μαύρης τρύπας» με τη μορφή φωτός, πεδίου και ύλης. Η βαρυτική εξίσωση του Αϊνστάιν περιλαμβάνει έναν τανυστή 10 συστατικών «ενέργεια-ορμή» για να περιγράψει την επιτάχυνση ενός σώματος σε ένα κινούμενο μέσο. Προσθέτοντας σε αυτόν τον τανυστή πληροφορίες (συστατικά) σχετικά με τις δυνάμεις που δρουν στο ίδιο το κινούμενο μέσο, ​​όπου βρίσκεται το σώμα, δίνει ένα σύστημα εξισώσεων για την περιγραφή των εξελικτικών διεργασιών στο Σύμπαν.

Έχοντας δημιουργήσει τη γενική σχετικότητα, ο Α. Αϊνστάιν επεσήμανε τρία φαινόμενα, οι εξηγήσεις των οποίων με τη θεωρία του και τη θεωρία του Νεύτωνα έδωσαν διαφορετικά αποτελέσματα: αυτή είναι η περιστροφή του επιπέδου της τροχιάς του Ερμή, η εκτροπή των ακτίνων φωτός που περνούν κοντά στον Ήλιο και κόκκινη μετατόπιση των φασματικών γραμμών φωτός που εκπέμπεται από την επιφάνεια μεγάλων σωμάτων. Το αποτέλεσμα της στροφής του επιπέδου της τροχιάς του Ερμή ανακαλύφθηκε από τον αστρονόμο Leverrier (1811-1877). Η θεωρία του Νεύτωνα δεν έδωσε εξήγηση για αυτό το φαινόμενο. Μιλάμε για την περιστροφή του επιπέδου της τροχιάς του Ερμή γύρω από τον κύριο άξονα της έλλειψης, κατά μήκος του οποίου ο Ερμής κινείται γύρω από τον Ήλιο.

Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα του Α. Αϊνστάιν, οι πλανήτες, ολοκληρώνοντας μια πλήρη περιστροφή γύρω από τον Ήλιο, δεν μπορούν να επιστρέψουν στην ίδια θέση, αλλά κινούνται κάπως προς τα εμπρός και οι τροχιές τους περιστρέφονται αργά στο επίπεδό τους. Αυτή η επίδραση είχε προβλεφθεί από τον Α. Αϊνστάιν. Η επαλήθευση των υπολογισμών συνέπεσε ακριβώς με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας. Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης: ένα εγχειρίδιο για φοιτητές / εκδ. V.N. Lavrinenko, V.P. Ράτνικοφ. - 4η έκδ., αναθεωρημένη. και επιπλέον - Μ.: ΕΝΟΤΗΤΑ-ΔΑΝΑ, 2008.

Η ιδέα της δημιουργίας μιας θεωρίας πεδίων μετρητή συνδέεται στενά με την ανάπτυξη της θεωρίας της γενικής σχετικότητας. Ο Γερμανός μαθηματικός G. Weil (1862-1943) στο έργο του "Space, Time and Matter" (1918) διατύπωσε την αρχή ότι οι φυσικοί νόμοι πρέπει να είναι αμετάβλητοι (έχουν το ίδιο βλέμμα) που αφορά αλλαγή κλίμακων μέτρησης σε συστήματα χωροχρόνου - ουσίας. Ο μετασχηματισμός ή η αλλαγή στις κλίμακες μέτρησης μπορεί να είναι ομοιογενής και μη ομοιογενής από το ένα σημείο στο άλλο στις χωροχρονικές δομές.

Οι ανομοιογενείς μετασχηματισμοί ονομάζονται μετασχηματισμοί μετρητή. Στη γενική σχετικότητα, οι κλίμακες των μηκών και του χρόνου δεν εξαρτώνται από τον τόπο, τον χρόνο και την κατάσταση κίνησης του παρατηρητή. Η θεωρία του G. Weyl επιτρέπει απλώς αλλαγές στις χρονικές κλίμακες στις χωροχρονικές δομές.

Ο καμπύλος χώρος μπορεί να φανταστεί ως εξής. Εάν τεντώσετε ένα λεπτό κομμάτι καουτσούκ και τοποθετήσετε ένα βαρύ αντικείμενο στο κέντρο του, το λάστιχο από κάτω θα κρεμάσει. Εάν τώρα κυλήσει μια μικρή μπάλα κατά μήκος αυτού του μπαλώματος, θα τραβηχτεί προς την κοιλότητα. Εάν η κοιλότητα είναι βαθιά, τότε η μπάλα θα περιστραφεί γύρω από το αντικείμενο που σχημάτισε αυτήν την κοιλότητα.

Ο πρώτος φυσικός που αποδέχτηκε με ενθουσιασμό την ανακάλυψη του στοιχειώδους κβάντου δράσης και το ανέπτυξε δημιουργικά ήταν ο Α. Αϊνστάιν. Το 1905, μετέφερε την έξυπνη ιδέα της κβαντισμένης απορρόφησης και της απελευθέρωσης ενέργειας κατά τη θερμική ακτινοβολία στην ακτινοβολία γενικά, και έτσι τεκμηρίωσε τη νέα θεωρία του φωτός. Εάν ο M. Planck (1900) κβαντίζει μόνο την ενέργεια ενός ταλαντωτή υλικού, τότε ο Αϊνστάιν εισήγαγε την έννοια μιας διακριτής, κβαντικής δομής της ίδιας της ακτινοβολίας φωτός, θεωρώντας την τελευταία ως ρεύμα κβαντών φωτός ή φωτονίων (η θεωρία φωτονίων του φως). Έτσι, ο Αϊνστάιν κατέχει τη θεωρητική ανακάλυψη του φωτονίου, που ανακαλύφθηκε πειραματικά το 1922 από τον A. Compton.

Η έννοια του φωτός ως ρεύματος ταχέως κινούμενων κβάντων ήταν εξαιρετικά τολμηρή, σχεδόν τολμηρή, στην ορθότητα της οποίας ελάχιστοι πίστεψαν στην αρχή. Πρώτα απ 'όλα, ο ίδιος ο M. Planck δεν συμφωνούσε με την επέκταση της κβαντικής υπόθεσης στην κβαντική θεωρία του φωτός, παραπέμποντας τον κβαντικό τύπο του μόνο στους νόμους που θεωρούσε θερμική ακτινοβολίαμαύρο σώμα.

Ο Α. Αϊνστάιν πρότεινε ότι μιλάμε για ένα φυσικό πρότυπο παγκόσμιας φύσης. Χωρίς να κοιτάξει πίσω στις επικρατούσες απόψεις στην οπτική, εφάρμοσε την υπόθεση του Planck στο φως και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η σωματική δομή του φωτός πρέπει να αναγνωριστεί. Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης: ένα εγχειρίδιο για φοιτητές / εκδ. V.N. Lavrinenko, V.P. Ράτνικοφ. - 4η έκδ., αναθεωρημένη. και επιπλέον - Μ.: ΕΝΟΤΗΤΑ-ΔΑΝΑ, 2008.

Η κβαντική θεωρία του φωτός, ή θεωρία φωτονίων, του Α. Αϊνστάιν υποστήριξε ότι το φως είναι ένα κυματικό φαινόμενο που διαδίδεται συνεχώς στον παγκόσμιο χώρο. Και ταυτόχρονα, η φωτεινή ενέργεια, για να είναι φυσικά αποτελεσματική, συγκεντρώνεται μόνο σε ορισμένα σημεία, επομένως το φως έχει μια ασυνεχή δομή. Το φως μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ρεύμα από αδιαίρετους ενεργειακούς κόκκους, κβάντα φωτός ή φωτόνια. Η ενέργειά τους καθορίζεται από το στοιχειώδες κβάντο δράσης Planck και τον αντίστοιχο αριθμό ταλαντώσεων. Το φως διαφορετικών χρωμάτων αποτελείται από κβάντα φωτός διαφορετικών ενεργειών.

Η ιδέα του Αϊνστάιν για τα κβάντα φωτός βοήθησε στην κατανόηση και την οπτικοποίηση του φαινομένου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η ουσία του οποίου είναι να χτυπήσει τα ηλεκτρόνια από την ύλη υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Πειράματα έδειξαν ότι η παρουσία ή η απουσία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου δεν καθορίζεται από την ένταση του προσπίπτοντος κύματος, αλλά από τη συχνότητά του. Αν υποθέσουμε ότι κάθε ηλεκτρόνιο χτυπιέται έξω από ένα φωτόνιο, τότε γίνεται σαφές το εξής: το φαινόμενο συμβαίνει μόνο εάν η ενέργεια του φωτονίου και, κατά συνέπεια, η συχνότητά του, είναι αρκετά μεγάλη ώστε να υπερνικήσει τις δυνάμεις δέσμευσης του ηλεκτρονίου με το ουσία.

Η ορθότητα αυτής της ερμηνείας του φωτοηλεκτρικού φαινομένου (για αυτό το έργο, ο Αϊνστάιν έλαβε το 1922 βραβείο Νόμπελστη φυσική) μετά από 10 χρόνια επιβεβαιώθηκε στα πειράματα του Αμερικανού φυσικού R.E. Millikan (1868 - 1953). Ανακαλύφθηκε το 1923 από τον Αμερικανό φυσικό A.Kh. Compton (1892 - 1962) το φαινόμενο (φαινόμενο Compton), το οποίο παρατηρείται όταν άτομα με ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτίθενται σε πολύ σκληρές ακτίνες Χ, επιβεβαίωσε ξανά και ήδη τελικά την κβαντική θεωρία του φωτός. Αυτή η θεωρία είναι μια από τις πιο πειραματικά επιβεβαιωμένες φυσικές θεωρίες. Αλλά η κυματική φύση του φωτός έχει ήδη εδραιωθεί με πειράματα σε παρεμβολές και περίθλαση.

Προέκυψε μια παράδοξη κατάσταση: ανακαλύφθηκε ότι το φως συμπεριφέρεται όχι μόνο σαν κύμα, αλλά και σαν ένα ρεύμα σωματιδίων. Σε πειράματα περί περίθλασης και παρεμβολής, του κυματικές ιδιότητες, και με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο - σωματιδιακό. Σε αυτή την περίπτωση, το φωτόνιο αποδείχθηκε ότι ήταν ένα σώμα πολύ ιδιαίτερου είδους. Το κύριο χαρακτηριστικό της διακριτικότητας του - το μερίδιο της ενέργειας που είναι εγγενές σε αυτό - υπολογίστηκε μέσω ενός αμιγώς κυματικού χαρακτηριστικού - συχνότητας.

Όπως όλες οι μεγάλες ανακαλύψεις στις φυσικές επιστήμες, το νέο δόγμα του φωτός είχε θεμελιώδη γνωσιολογική σημασία. Η παλιά θέση για τη συνέχεια των φυσικών διεργασιών, που κλονίστηκε πλήρως από τον M. Planck, ο Αϊνστάιν απέκλεισε από μια πολύ ευρύτερη περιοχή φυσικών φαινομένων.

Η σύγχρονη σχετικιστική κοσμολογία χτίζει μοντέλα του Σύμπαντος, ξεκινώντας από τη βασική εξίσωση της βαρύτητας που εισήγαγε ο Α. Αϊνστάιν στη γενική θεωρία της σχετικότητας (GR). Likhin A.F. Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης: εγχειρίδιο. - Μ.: TK Velby, Εκδοτικός Οίκος Prospekt, 2006.

Η βασική εξίσωση της γενικής σχετικότητας συνδέει τη γεωμετρία του χώρου (ακριβέστερα, τον μετρικό τανυστή) με την πυκνότητα και την κατανομή της ύλης στο χώρο. Για πρώτη φορά στην επιστήμη, το Σύμπαν εμφανίστηκε ως φυσικό αντικείμενο. Η θεωρία περιλαμβάνει τις παραμέτρους της: μάζα, πυκνότητα, μέγεθος, θερμοκρασία.

Η εξίσωση της βαρύτητας του Αϊνστάιν δεν έχει μία, αλλά πολλές λύσεις, που είναι ο λόγος για την ύπαρξη πολλών κοσμολογικών μοντέλων του Σύμπαντος. Το πρώτο μοντέλο αναπτύχθηκε από τον Α. Αϊνστάιν το 1917. Απέρριψε τα αξιώματα της Νευτώνειας κοσμολογίας για την απολυτότητα και το άπειρο του χώρου. Σύμφωνα με το κοσμολογικό μοντέλο του Σύμπαντος του Α. Αϊνστάιν παγκόσμιο διάστημαομοιόμορφα και ισοτροπικά, η ύλη κατανέμεται ομοιόμορφα σε αυτήν κατά μέσο όρο, η βαρυτική έλξη των μαζών αντισταθμίζεται από την καθολική κοσμολογική απώθηση. Το μοντέλο του Α. Αϊνστάιν έχει στάσιμο χαρακτήρα, αφού η μετρική του χώρου θεωρείται ανεξάρτητη του χρόνου. Ο χρόνος ύπαρξης του Σύμπαντος είναι άπειρος, δηλ. δεν έχει ούτε αρχή ούτε τέλος, και ο χώρος είναι απεριόριστος, αλλά πεπερασμένος.

Σύμπαν μέσα κοσμολογικό μοντέλοΟ Α. Αϊνστάιν είναι ακίνητος, άπειρος στο χρόνο και απεριόριστος στο χώρο.

Αυτό το μοντέλο φαινόταν εκείνη την εποχή αρκετά ικανοποιητικό, αφού ήταν συνεπές με όλα γνωστά γεγονότα. Όμως οι νέες ιδέες που προτάθηκαν από τον Α. Αϊνστάιν τόνωσαν περαιτέρω έρευνα και σύντομα η προσέγγιση του προβλήματος άλλαξε αποφασιστικά.

Το ίδιο 1917, ο Ολλανδός αστρονόμος W. de Sitter (1872--1934) πρότεινε ένα άλλο μοντέλο, το οποίο είναι επίσης μια λύση στις εξισώσεις της βαρύτητας. Αυτή η λύση είχε την ιδιότητα ότι θα υπήρχε ακόμη και με την παρουσία ενός «άδειου» Σύμπαντος απαλλαγμένου από ύλη. Εάν, ωστόσο, εμφανίζονταν μάζες σε ένα τέτοιο Σύμπαν, τότε η λύση έπαψε να είναι ακίνητη: ένα είδος κοσμικής απώθησης προέκυψε μεταξύ των μαζών, που τείνει να τις απομακρύνει η μία από την άλλη. Η τάση επέκτασης, σύμφωνα με τον V. de Sitter, έγινε αισθητή μόνο σε πολύ μεγάλες αποστάσεις.

Το 1922, ο Ρώσος μαθηματικός και γεωφυσικός Α.Α. Ο Friedman (1888 - 1925) απέρριψε το αξίωμα της κλασικής κοσμολογίας σχετικά με τη στασιμότητα του Σύμπαντος και έλαβε μια λύση στις εξισώσεις του Α. Αϊνστάιν που περιγράφουν το Σύμπαν με έναν "διαστελλόμενο" χώρο.

αϊνστάιν σχετικότητα κβαντική βαρύτητα