Первоосновы материи у эйнштейна кратко

Обновлено: 04.07.2024

Отражая последние тенденции в физике, мой коллега Джеффри Эйшен и я описали обновленный способ размышления о материи. Мы предполагаем, что материя состоит не из частиц или волн, как считалось долгое время, а, что более фундаментально, что материя состоит из фрагментов энергии.

От пяти до одного.

Древние греки задумывали пять строительных блоков материи — снизу вверх: землю, воду, воздух, огонь и эфир. Эфир был материей, которая заполняла небеса и объясняла вращение звезд, наблюдаемое с точки зрения Земли.

Это были первые основные элементы, из которых можно было построить мир. Представления о физических элементах кардинально не менялись почти 2000 лет.

Затем, около 300 лет назад, сэр Исаак Ньютон представил идею о том, что вся материя существует в точках, называемых частицами. Спустя сто пятьдесят лет после этого Джеймс Клерк Максвелл представил электромагнитную волну — лежащую в основе и часто невидимую форму магнетизма, электричества и света.

Частица служила строительным блоком для механики, а волна для электромагнетизма — и публика остановилась на частице и волне как двух строительных блоках материи. Вместе частицы и волны стали строительными блоками всех видов материи.

Это было значительным улучшением по сравнению с пятью элементами древних греков, но все же несовершенно. В известной серии экспериментов, известных как эксперименты с двумя щелями, свет иногда действует как частица, а иногда как волна. И хотя теории и математика волн и частиц позволяют ученым делать невероятно точные предсказания о Вселенной, правила нарушаются в самых больших и мельчайших масштабах.

Эйнштейн предложил лекарство в своей общей теории относительности. Используя математические инструменты, доступные ему в то время, Эйнштейн смог лучше объяснить определенные физические явления, а также разрешить давний парадокс, связанный с инерцией и гравитацией.

Но вместо того, чтобы улучшить частицы или волны, он исключил их, предложив искривление пространства и времени.

Используя новые математические инструменты, мы с коллегой продемонстрировали новую теорию, которая может точно описать Вселенную. Вместо того чтобы основывать теорию на искривлении пространства и времени, мы считали, что может существовать более фундаментальный строительный блок, чем частица и волна.

Ученые понимают, что частицы и волны являются экзистенциальными противоположностями: частица — это источник материи, существующий в одной точке, а волны существуют везде, кроме тех точек, которые их создают.

Мой коллега и я думали, что наличие глубинной связи между ними имеет логический смысл.

Поток и фрагменты энергии.

Представьте, что энергия состоит из линий, заполняющих область пространства и времени, текущих в эту область и из нее, никогда не начинающихся, никогда не заканчивающихся и никогда не пересекающихся.

Исходя из идеи вселенной текущих энергетических линий, мы искали единый строительный блок для текущей энергии. Если бы мы могли найти и определить такую вещь, мы надеялись, что сможем использовать ее для точного представления Вселенной в самых больших и малых масштабах.

Было много строительных блоков, из которых можно было выбрать математически, но мы искали тот, который обладал бы свойствами как частицы, так и волны — концентрировался как частица, но также распространялся в пространстве и времени, как волна.

Ответом на этот вопрос был строительный блок, который выглядит как концентрация энергии — вроде звезды — с максимальной энергией в центре и уменьшающейся по мере удаления от центра.

К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что существует лишь ограниченное количество способов описать концентрацию текущей энергии. Из них мы нашли только один, который работает в соответствии с нашим математическим определением потока.

Мы назвали его фрагментом энергии. Для поклонников математики и физики он определяется как A = -⍺/r, где ⍺ — интенсивность, а r — функция расстояния.

Используя фрагмент энергии как строительный блок материи, мы затем построили математику, необходимую для решения физических задач. Последним шагом было проверить это.

Вернемся к Эйнштейну, добавив универсальности.

Более 100 лет назад Эйнштейн обратился к двум легендарным проблемам физики, чтобы подтвердить общую теорию относительности: очень незначительное ежегодное смещение — или прецессия — орбиты Меркурия и крошечное искривление света, когда он проходит мимо Солнца.

Эти проблемы находились на двух крайностях в спектре размеров. Ни волновая, ни корпускулярная теории материи не могли их решить, но общая теория относительности решила.

Общая теория относительности искривляла пространство и время таким образом, что траектория Меркурия смещалась, а свет искривлялся точно в тех величинах, которые наблюдаются в астрономических наблюдениях.

Если бы наша новая теория имела шанс заменить частицу и волну предположительно более фундаментальным фрагментом, мы бы также смогли решить эти проблемы с помощью нашей теории.

Для задачи о прецессии Меркурия мы смоделировали Солнце как огромный стационарный фрагмент энергии, а Меркурий — как меньший, но все же огромный, медленно движущийся фрагмент энергии. Для задачи изгиба света Солнце моделировалось таким же образом, но фотон моделировался как крохотный фрагмент энергии, движущийся со скоростью света.

В обеих задачах мы рассчитали траектории движущихся фрагментов и получили те же ответы, что и предсказания общей теории относительности. Мы были ошеломлены.

Наша первоначальная работа продемонстрировала, как новый строительный блок может точно моделировать тела от огромных до мельчайших. Там, где частицы и волны разрушаются, фрагмент строительного блока энергии остается прочным.

Фрагмент может быть единственным потенциально универсальным строительным блоком, из которого можно будет математически моделировать реальность — и обновить то, как люди думают о строительных блоках Вселенной.

Ларри М. Сильверберг, профессор механической и аэрокосмической инженерии, Государственный университет Северной Каролины.

Революционный физик использовал свое воображение, а не сложную математику, чтобы придумать свое самое известное и элегантное уравнение. Общая теория относительности Эйнштейна известна тем, что предсказывает странные, но истинные явления, вроде замедления старения астронавтов в космосе по сравнению с людьми на Земле и изменения форм твердых объектов на высоких скоростях.

Альберт Эйнштейн — величайший гений всех времен.

Но интересно то, что если вы возьмете копию оригинальной статьи Эйнштейна об относительности 1905 года, ее будет довольно просто разобрать. Текст прост и понятен, а уравнения в основном алгебраические — их сможет разобрать любой старшеклассник.

Все потому, что сложная математика никогда не была коньком Эйнштейна. Он любил думать образно, проводить эксперименты в своем воображении и осмыслять их до тех пор, пока физические идеи и принципы не станут видны кристально ясно.

Вот с чего начались мысленные эксперименты Эйнштейна, когда ему было всего 16 лет, и как они в конечном итоге привели его к самому революционному уравнению в современной физике.

1895 год: бег рядом с лучом света

К этому моменту жизни Эйнштейна его плохо скрываемое презрение к немецким корням, авторитарным методам обучения в Германии уже сыграло свою роль, и его выгнали из средней школы, поэтому он переехал в Цюрих в надежде на поступление в Швейцарский федеральный технологический институт (ETH).

Но сперва Эйнштейн решил провести год подготовки в школе в соседнем городе Аарау. В этом месте он вскоре обнаружил, что интересуется тем, каково это — бежать рядом с лучом света.

Эйнштейн уже узнал в физическом классе, что такое луч света: множество колеблющихся электрических и магнитных полей, движущихся на скорости 300 000 километров в секунду, измеренной скорости света. Если он бежал бы рядом с такой же скоростью, осознал Эйнштейн, он мог бы увидеть множество колеблющихся электрических и магнитных полей рядом с ним, словно застывшие в пространстве.

Но это было невозможно. Во-первых, стационарные поля нарушали бы уравнения Максвелла, математические законы, в которых было заложено все, что физики знали об электричестве, магнетизме и свете. Эти законы были (и остаются) довольно строгими: любые волны в этих полях должны двигаться со скоростью света и не могут стоять на месте, без исключений.

Иногда гений мог и подурачиться.

Хуже того, стационарные поля не вязались с принципом относительности, который был известен физикам со времен Галилея и Ньютона в 17 веке. По сути, принцип относительности говорит, что законы физики не могут зависеть от того, как быстро вы движетесь: вы можете измерить лишь скорость одного объекта относительно другого.

Но когда Эйнштейн применил этот принцип к своему мысленному эксперименту, возникло противоречие: относительность диктовала, что все, что он мог увидеть, двигаясь рядом с лучом света, включая стационарные поля, должно быть чем-то приземленным, что физики могут создать в лаборатории. Но такого никто никогда не наблюдал.

Эта проблема будет волновать Эйнштейна еще 10 лет, на протяжении всего его пути обучения и работы в ETH и движения к столице Швейцарии Берну, где он станет экзаменатором в швейцарском патентном бюро. Именно там он разрешит парадокс раз и навсегда.

1904 год: измерение света с движущегося поезда

Это было непросто. Эйнштейн пробовал любое решение, которое приходило ему в голову, но ничего не работало. Почти отчаявшись, он начал раздумывать, но простым, однако радикальным решением. Возможно, уравнения Максвелла работают для всего, подумал он, но скорость света всегда была постоянной.

Другими словами, когда вы видите пролетающий пучок света, не имеет значения, будет ли его источник двигаться к вам, от вас, в сторону или еще куда-нибудь, и не имеет значения, насколько быстро движется его источник. Скорость света, которую вы измерите, всегда будет 300 000 километров в секунду. Помимо всего прочего, это означало, что Эйнштейн никогда не увидит стационарных колеблющихся полей, поскольку никогда не сможет поймать луч света.

Это был единственный способ, который увидел Эйнштейн, чтобы примирить уравнения Максвелла с принципом относительности. На первый взгляд, впрочем, это решение имело собственный роковой недостаток. Позже он объяснил его другим мысленным экспериментом: представьте себе луч, который запускается вдоль железнодорожной насыпи, в то время как поезд проходит мимо в том же направлении со скоростью, скажем, 3000 километров в секунду.

Некто стоящий возле насыпи должен будет измерить скорость светового луча и получить стандартное число в 300 000 километров в секунду. Но кто-то на поезде будет видеть свет, движущийся со скоростью 297 000 километров в секунду. Если скорость света непостоянна, уравнение Максвелла внутри вагона должно выглядеть иначе, заключил Эйнштейн, и тогда принцип относительности будет нарушен.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Май 1905 года: молния бьет в движущийся поезд

Откровение Эйнштейна состояло в том, что наблюдатели в относительном движении воспринимают время по-разному: вполне возможно, что два события будут происходить одновременно с точки зрения одного наблюдателя, но в разное время с точки зрения другого. И оба наблюдателя будут правы.

Позднее Эйнштейн проиллюстрировал свою точку зрения другим мысленным экспериментом. Представьте, что рядом с железной дорогой снова стоит наблюдатель и мимо него проносится поезд. В тот момент, когда центральная точка поезда проходит мимо наблюдателя, в каждый конец поезда бьет молния. Поскольку молнии бьют на одном расстоянии от наблюдателя, их свет попадает в его глаза одновременно. Справедливо будет сказать, что молнии бьют одновременно.

В этом уставшем взгляде скрыто многое.

Между тем ровно в центре поезда сидит другой наблюдатель. С его точки зрения свет от двух ударов молний проходит одинаковое расстояние и скорость света будет одинаковой в любом направлении. Но поскольку поезд движется, свет, приходящий от задней молнии, должен пройти большее расстояние, поэтому попадает к наблюдателю несколькими мгновениями позже, чем свет из начала. Поскольку импульсы света приходят в разное время, можно заключить, что удары молнии не одновременны — один происходит быстрее.

Эйнштейн понял, что относительна как раз эта одновременность. И как только вы это признаете, странные эффекты, которые мы сейчас связываем с относительностью, разрешаются при помощи простой алгебры.

Сентябрь 1905 года: масса и энергия

Эта первая работа, впрочем, не стала последней. Эйнштейн был одержим относительностью до лета 1905 года, а в сентябре отправил вторую статью для публикации, уже вдогонку, задним числом.

Она была основана еще на одном мысленном эксперименте. Представьте объект в состоянии покоя, говорил он. Теперь представьте, что тот одновременно испускает два идентичных импульса света в противоположных направлениях. Объект будет оставаться на месте, но поскольку каждый импульс уносит определенное количество энергии, заключенная в объекте энергия будет уменьшаться.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Теперь, писал Эйнштейн, как будет выглядеть этот процесс для движущегося наблюдателя? С его точки зрения, объект просто будет продолжать двигаться по прямой линии, в то время как два импульса будут улетать. Но даже если скорость двух импульсов будет оставаться прежней — скоростью света — их энергии будут разными. Импульс, который движется вперед по направлению движения, будет иметь более высокую энергию, чем тот, что движется в обратном направлении.

Добавив немного алгебры, Эйнштейн показал, что для того, чтобы все это было последовательным, объект должен не только терять энергию при отправке световых импульсов, но и массу. Или же масса и энергия должны быть взаимозаменяемы. Эйнштейн записал уравнение, которое их связывает. И оно стало самым знаменитым уравнением в истории науки: E = mc 2 .

В этой статье речь пойдет о самой знаменитой формуле в мире и о теории, которая лежит во главе современной физической науки. Попробуем рассказать просто о сложном, объясним, что означают основные термины и формулы.

Формула Эйнштейна — краткое описание

Началось все с закона сохранения энергии, который постулирует, что энергия существует всегда и везде, количество ее постоянно, меняется только форма, в которой она проявляется. Закон сохранения массы — это частный случай закона сохранения энергии, согласно которому масса может превращаться в энергию, а энергии соответствует определенная масса.

Каким же образом возможно превращение материи в энергию? Все просто. Что такое излучение? Верно, это энергия. А с другой стороны, излучение — это частицы (материя), которые движутся с огромной скоростью, скоростью света. Таким образом, частица, движущаяся со скоростью света, есть энергия. Частица, находящаяся в состоянии покоя или перемещающаяся медленно — это материя.

Знаменитая формула Эйнштейна как раз описывает преобразование материи в энергию и показывает зависимость материи и энергии от скорости света.

История открытия

В 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности. Данная теория описывает движение при скоростях, меньших и близких к скорости света в вакууме.

Основное отличие теории Эйнштейна от классических представлений механики заключается в зависимости пространства и времени от скорости.

В специальной теории относительности Эйнштейном рассматриваются следующие понятия:

Система отсчета. Это система координат, в которой происходит измерение времени. Ее цель — определить начало, относительно которого будет определено положение искомого объекта.
Инерциальная система отсчета — такая система отсчета, относительно которой объект движется равномерно и по прямой.
Событие — это любой физический процесс, который может быть охарактеризован координатами: x, y, z и временем t.

Специальная теория относительности позволяет преобразовать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерциальной системе к другой. Другими словами, она описывает геометрию четырехмерного пространства (куда, помимо привычного нам трехмерного измерения, добавлено время) и основывается на неискривленном или плоском пространстве.

Позже положения специальной теории относительности были применены Эйнштейном к теории гравитации и получили название общей теории относительности.

Предпосылками создания теории относительности послужили 2 причины:

Развитие электродинамики, в которой эксперименты Максвелла в области электричества и магнетизма вступили в явное противоречие с классической механикой. В исследованиях Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равняется скорости света, не зависит ни от наблюдателя, ни от скорости движения источника.
Формированию специальной теории относительности способствовали разработки многих ученых конца XIX – начала XX веков (Лоренц, Пуанкаре, Майкельсон и др.).

Сам Эйнштейн объяснял свое открытие двумя примерами, которые заставили его задуматься об устройстве пространства-времени и навели на верные мысли:

Ученый обратил внимание, что два автомобиля, движущиеся в одном направлении с одинаковой скоростью, остаются неподвижными по отношению друг к другу, при этом перемещаясь относительно других объектов и планеты в целом.
Он увидел как луч света ведет себя в опускающемся лифте: доходит до дальней стенки и по мере снижения кабины, пересекает ее и начинает изгибаться вверх. Альберт Эйнштейн предположил, что луч на самом деле никак не изгибается, а так кажется наблюдателю, потому что время и пространство в лифте искажено силой, которая тянет лифт вниз.

По другой версии, прозрение пришло к физику одномоментно. Ученый ехал в трамвае и случайно посмотрел на уличные часы. И его внезапно осенила мысль, что если бы трамвай смог разогнаться до скорости света, то в его восприятии уличные часы остановились, и время перестало бы для него существовать. Осознание этого привело его к формулировке одного из постулатов теории: каждый конкретный наблюдатель по-разному воспринимает действительность, включая такие понятия, как расстояние и время.

Влияние формулы

Уравнение Эйнштейна — это основа современной физики. Значение открытия немецкого физика признано величайшим прорывом в физической науке. На основных положениях теории относительности (материя обладает энергией, массу можно преобразовать в энергию) позволили ученым в XX веке совершить следующие открытия:

Объяснить возникновение Вселенной, обнаружив фундаментальные частицы, которые составляют ее основу.
Сделать прорыв в изучении ядерной энергии и изобрести ядерное оружие.
Открыть теорию гравитации, которая описывает взаимодействие всех объектов во Вселенной.

Как Эйнштейн вывел формулу E=mc²

Эффект Доплера формулируется так:

Длина волны излучения, воспринимаемая наблюдателем, меняется вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя.

Три составляющие формулы

Несколько сотен лет ученые считали, что масса вещества остается постоянной, независимо от воздействия внешних факторов и реакции с другими веществами. Теория Эйнштейна и главное ее уравнение опровергают это утверждение.

Формула, которая изменила мир: \(E=mc²\) — содержит 3 составляющих:

\(E\) — полная энергия физической системы, тела или объекта.
\(m\) — масса (количество составляющего тело вещества), которая связана с энергией по коэффициенту пересчета.
\(c²\) — скорость света (в вакууме) в квадрате или постоянный коэффициент, который уравнивает массу и энергию. Скорость света = 299 792 458 м/с.

Из уравнения Эйнштейна следует, что масса и энергия — это разные проявления одного и того же. И зная массу тела, можно рассчитать, чему будет равняться энергия этого тела.

Важнейшие выводы из уравнения

Из уравнения Эйнштейна следуют 3 важнейших следствия:

Массы в покое имеют присущую им энергию. Это важный вывод для понимания того, как устроена Вселенная. Согласно ему, гравитация, которая существует между любыми двумя массами во Вселенной, работает на основе энергии, эквивалентной массе через формулу Эйнштейна.
Масса может быть преобразована в чистую энергию. Уравнение помогает точно рассчитать, сколько энергии будет получено в процессе преобразования массы. Примером может служить процесс ядерной реакции: в ходе реакции получается, что начальная масса больше конечной. Разницей в количестве масс как раз является высвобожденная энергия. Количество уменьшающейся массы в данном примере становится энергией, которая рассчитывается по формуле E\;=\;mc².
Энергию можно использовать для того чтобы сделать массу из ничего. Именно этим занимаются ученые, которые в Большом адронном коллайдере в CERN ищут новые, высокоэнергетические частицы, создавая их из чистой энергии. Получаемая масса частиц исходит из имеющейся энергии, рассчитываемой по формуле Эйнштейна.

Общая теория относительности

Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности в 1905 году. Согласно этой теории, законы природы являются одинаковыми для всех систем отсчета, которые движутся с постоянной скоростью. Общая теория относительности была сформулирована ученым в 1915-1916 гг. Согласно ее положениям, принцип относительности распространяется на любые системы отсчета, независимо от того, движутся они равномерно или с ускорением.

До возникновения общей теории относительности в научном мире считали, что гравитация возникает между объектами, которые обладают массой. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, Вселенная состоит из трех пространственных измерений и одного временного, т.е. является четырехмерной. Объекты, обладающие массой, производят искривление в четырехмерном пространстве-времени. А гравитация является следствием этого искривления под воздействием массы. Причем, чем тяжелее тело, тем сильнее пространство-время искривляется под ним и тем сильнее будет его гравитационное поле.

Если следовать положениям общей теории относительности, получается, что сравнительно маленький “шарик” Земля движется вокруг Солнца по конусу воронки, образованной в результате искривления пространства-времени самим тяжелым Солнцем. Сегодня в мире нет лучшего объяснения гравитации, чем то, которое в начале века предложил гениальный физик. Доказательство верности его теории на протяжении последних лет подтверждалось открытиями современных астрофизиков.

Примеры решения уравнения Эйнштейна

Теория относительности Эйнштейна — одна из самых сложных тем в физике. Простой, на первый взгляд, выглядит только формула. Чтобы разобраться в теме досконально, понадобится много времени и помощь людей, которые детально разбираются в этом вопросе. Помните, на образовательном ресурсе Феникс.Хелп помощь готовы оказать только квалифицированные эксперты.

Читайте также: