Способ доказательства эйнштейна кратко

Обновлено: 13.05.2024

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

История возникновения теории

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

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

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

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

Теория относительности простыми словами для чайников

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

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

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

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

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

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

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

В этом видеоролике можно подробно узнать о парадоксах теории относительности:

Принципы теории

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

Замедление времени

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

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

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

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

Продольное сокращение

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

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

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

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

Одновременность

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

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

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

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

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

Масса и энергия

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

В этом видео приводится разъяснение основных положений теории относительности:

Частые вопросы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Кто бы мог подумать, что мелкий почтовый служащий изменитосновы науки своего времени? Но такое случилось! Теория относительности Эйнштейна заставила пересмотреть привычный взгляд на устройство Вселенной и открыла новые области научного познания.

Большинство научных открытий сделано с помощью эксперимента: ученые повторяли свои опыты много раз, чтобы быть уверенными в их результатах. Работы обычно проводились в университетах или исследовательских лабораториях больших компаний.

Альберт Эйнштейн полностью изменил научную картину мира, не проведя ни одного практического эксперимента.

Его единственными инструментами были бумага и ручка, а все эксперименты он проводил в голове.

Движущийся свет

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свои первые статьи. В них шла речь о движении со скоростью, близкой к скорости света. Выдвинутая им теория получила название специальной теории относительности.

Эти эксперименты можно было совершить только в воображении.

Скорости всех движущихся тел относительны. Это означает, что все объекты движутся или остаются неподвижными только относительно какого-либо другого объекта. Например, человек, неподвижный относительно Земли, в то же время вращается вместе с Землей вокруг Солнца. Или допустим, что по вагону движущегося поезда идет человек в сторону движения со скоростью 3 км/час.

Поезд движется со скоростью 60 км/час. Относительно неподвижного наблюдателя на земле скорость человека будет равна 63 км/час – скорость человека плюс скорость поезда. Если бы он шел против движения, то его скорость относительно неподвижного наблюдателя была бы равна 57 км/час.

Эйнштейн утверждал, что о скорости света так рассуждать нельзя. Скорость света всегда постоянна, независимо от того, приближается ли источник света к вам, удаляется от вас или стоит на месте.

Чем быстрее, тем меньше

С самого начала Эйнштейн выдвинул несколько удивительных предположений.

Он утверждал, что, если скорость объекта приближается к скоростисвета, его размеры уменьшаются, а масса, наоборот, увеличивается. Никакое тело нельзя разогнать до скорости равной или большей скорости света.

Другой его вывод был еще удивительней и, казалось, противоречил здравому смыслу.

Представьте, что из двоих близнецов один остался на Земле, а другой путешествовал по космосу со скоростью, близкой к скорости света. С момента старта на Земле прошло 70 лет. Согласно теории Эйнштейна, на борту корабля время течет медленнее, и там прошло, например, только десять лет.

Беспощадный вывод

Теория Эйнштейна также включает известную формулу E=mc2, в которой E – энергия, m – масса, а c – скорость света.

Эйнштейн утверждал, что масса может превращаться в чистую энергию.

В результате применения этого открытия в практической жизни появились атомная энергетика и ядерная бомба.

Эйнштейн был теоретиком. Эксперименты, которые должны были доказать правоту его теории, он оставлял другим.

Многие из этих экспериментов было невозможно проделать до тех пор, пока не появились достаточно точные измерительные приборы.

Факты и события

Был произведен следующий эксперимент: самолет, на котором были установлены очень точные часы, взлетел и, облетев с большой скоростью вокруг Земли, опустился в той же точке. Часы, находившиеся на борту самолета, на ничтожную долю секунды отстали от часов, которые оставались на Земле.
Если в лифте, падающем с ускорением свободного падения, уронить шар, то шар не будет падать, а как бы зависнет в воздухе.

Это происходит потому, что шар и лифт падают с одинаковой скоростью.

Эйнштейн доказал, что тяготение влияет на геометрические свойства пространства-времени, которое в свою очередь влияет на движение тел в этом пространстве. Так, два тела, начавшие движение параллельно друг другу, в конце концов встретятся в одной точке.

Искривляя время и пространство

Десятью годами позже, в 1915—1916 годах, Эйнштейн построил новую теорию гравитации, названную им общей теорией относительности.

Он утверждал, что ускорение (изменение скорости) действует на тела так же, как и сила гравитации. Космонавт не может по своим ощущениям определить, притягивает ли его большая планета, или ракета начала тормозить.

Если космический корабль разгоняется до скорости, близкой к скорости света, то часы на нем замедляются.

Чем быстрее движется корабль, тем медленнее идут часы.

Отличия ее от ньютоновской теории тяготения проявляются при изучении космических объектов с огромной массой, например планет или звезд.

Ньютон утверждал, что орбиты планет вокруг Солнца фиксированы.

Теория Эйнштейна предсказывает медленный дополнительный поворот орбит планет, связанный с наличием гравитационного поля Солнца. Предсказание подтвердилось экспериментально. Это было поистине эпохальное открытие.

В закон всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона были внесены поправки.

Начало гонки вооружений

Работы Эйнштейна дали ключ ко многим тайнам природы. Они оказали влияние на развитие многих разделов физики, от физики элементарных частиц до астрономии – науки о строении Вселенной.

Эйнштейн в своей жизни занимался не только теорией.

В 1914 году он стал директором института физики в Берлине. В 1933 году, когда к власти в Германии пришли нацисты, ему, как еврею, пришлось уехать из этой страны.

Он переехал в США.

В 1939 году, несмотря на то что он был противником войны, Эйнштейн написал президенту Рузвельту письмо, в котором предупреждал его, что можно сделать бомбу, обладающую огромной разрушительной силой, и что фашистская Германия уже приступила к разработке такой бомбы. Президент отдал распоряжение начать работы. Это положило начало гонке вооружений.

Закон Эйнштейна

В предыдущем параграфе мы установили связь между кинетической энергией тела и его массой: если телу сообщается кинетическая энергия , то его масса возрастает на величину .

Эта связь носит общий характер: она относится к любым телам — большим и малым, заряженным и незаряженным и т. д. В то же время кинетическая энергия является только одним из многих видов энергии. Другие известные нам формы энергии — это внутренняя энергия тел, электрическая энергия, энергия световых квантов и т. д.

Как мы знаем, все виды энергии могут переходить друг в друга. Встает вопрос: нет ли между всеми видами энергии и массой тела такой же связи, как в случае кинетической энергии?

Для одного случая мы сразу можем дать утвердительный ответ. Предположим, что мы нагреваем одноатомный газ. В случае одноатомных газов увеличение внутренней энергии при нагревании сводится к увеличению кинетической энергии его частиц. Но с увеличением кинетической энергии частиц растет, как мы видели, их масса.

Следовательно, при нагревании возрастает и масса всего газа. Так как в целом тело (газ) остается неподвижным, покоящимся, то отсюда следует, что при нагревании возрастает масса покоя тела. Таким образом, некоторая (крайне малая — см. упражнение 13 в конце главы) часть массы покоя газа связана с кинетической энергией теплового движения его молекул, которая является одним из видов внутренней энергии.

Теория относительности широко обобщает этот вывод и доказывает, что вся масса покоя тела пропорциональна его внутренней энергии. Коэффициент пропорциональности между массой покоя и внутренней энергией тела тот же, что и между добавочной массой тела и кинетической энергией , т.

где — внутренняя энергия тела, называемая также энергией покоя; — масса покоя тела.

Используя соотношение (199.1), мы можем теперь написать:

здесь — масса тела, а — полная энергия тела, равная сумме внутренней энергии (энергия покоя) и кинетической энергии .

Мы пришли к закону Эйнштейна; масса тела пропорциональна его полной анергии или обратно: полная энергия тела пропорциональна его массе. Таким образом, закон Эйнштейна выражается формулой

Найдем с помощью закона Эйнштейна энергию покоя (внутреннюю энергию), которой обладает вещества:

Эта энергия чудовищно велика: для получения такой энергии необходимо сжечь 2 миллиона килограммов наиболее теплотворного топлива — нефти!

Во всех обычных процессах (химические реакции, механическое движение тел и т. д.) энергия, переходящая от одного тела (или системы тел) к другому телу (или системе тел), ничтожно мала по сравнению с энергией покоя участвующих тел. Она не превышает миллиардных долей энергии покоя. Ввиду этого при обычных процессах полная энергия каждого из участвующих тел изменяется не более чем на миллиардные доли своей величины. Масса тел, пропорциональная полной энергии, остается поэтому при таких процессах практически (с очень большой точностью) неизменной.

В этом состоит закон сохранения массы, открытый Ломоносовым и Лавуазье еще задолго до создания теории относительности.

В последние десятилетия физика и техника столкнулись с явлениями, в которых выделение энергии настолько велико, что составляет уже заметную долю энергии покоя взаимодействующих тел (пример: атомная энергия).

В этих явлениях изменения массы тел, сопровождающие превращения энергии, также велики и поддаются точному измерению. Путем таких измерений была доказана, как мы увидим в §§ 223, 225, справедливость закона Эйнштейна. В изучении этого круга процессов, идущих с большим энерговыделением, закон Эйнштейна оказывается очень полезным.

С его помощью трудная задача измерения содержания энергии в теле заменяется гораздо более простой задачей точного измерения массы. Воспользовавшись (199.2), можно переписать закон Эйнштейна в несколько другом виде:

Установим теперь связь между полной энергией тела, его массой покоя и импульсом.

Из (199.4) и (200.3) найдем отношение скорости тела к скорости света: или .

Подставив это выражение для в формулу (200.3) для полной энергии, окончательно получим очень важное соотношение релятивистской механики

Закон Эйнштейна справедлив для любых объектов — не только для тел или частиц, но и, например, для электрических и магнитных полей.

Согласно этому закону электромагнитные поля обладают массой. Рассмотрим для примера световые кванты — сгустки электромагнитного волнового поля. Каждый квант света частоты обладает энергией , где — постоянная Планка.

Согласно (200.2) квант имеет массу . Этот результат подтвержден опытами.

Световые кванты обладают важной особенностью; масса покоя светового кванта равна нулю. В этом легко убедиться, используя формулу зависимости массы от скорости (199.2).

Согласно этой формуле масса покоя . Световые кванты движутся со скоростью света, т. е. для них , , следовательно, .

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.

Психолог Роберт Б. Дилтс недавно собрал все обрывки информации, характеризующие научное мышление Эйнштейна, проанализировав его переписку с Зигмундом Фрейдом и математиком Жаком Адамадом, а также детально изучив интервью, данное Эйнштейном психологу Максу Вертхеймеру, основателю гештальт-терапии. Биографические исследования дали потрясающие результаты.

Комбинаторная игра.

Теория относительности Эйнштейна — всегда представлялась чем то абстрактным и непонятным для меня. Попробуем описать теорию относительности Эйнштейна простыми словами. Представьте, как вы находитесь на улице в сильный дождь и ветер дует вам на спину. Если вы начнете быстро бежать, капли дождя не будут попадать на спину. Капли будут медленнее или вовсе не достигать вашей спины, это научно доказанный факт, да и сами вы сможете проверить это в ливень. А теперь представим, если бы вы обернулись и побежали против ветра с дождем, капли будут сильнее попадать на одежду и лицо, чем если бы вы просто стояли.

Ранее ученые думали, что свет действует как дождь в ветреную погоду. Они думали, что если Земля двигается вокруг Солнца, а Солнце двигается вокруг галактики, то возможно измерить скорость их движения в пространстве. По их мнению, все что им остается сделать это измерить скорость света и то как она изменяется относительно двух тел.

Ученые это сделали и обнаружили что-то очень странное. Скорость света была такой же, несмотря ни на что, как бы тела не двигались и не важно в каком направлении проводить измерения.

Это было очень странно. Если брать ситуацию с ливнем, то при обычных обстоятельствах капли дождя будут воздействовать на вас сильнее или слабее в зависимости от ваших передвижений. Согласитесь, было бы очень странно, если бы ливень с одинаковой силой дул вам в спину, как при беге, так и при остановке.

Ученые обнаружили, что свет не имеет такие же свойства, как капли дождя или что-то другое во вселенной. Независимо от того, как быстро вы двигаетесь, и независимо от того, в каком направлении вы направляетесь, скорость света всегда будет одинаковой. Это очень запутанно и только Альберт Эйнштейн смог пролить свет на эту несправедливость.

Теория относительности Эйнштейна кратко

Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.

Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее, всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.

Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился. Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.

Двоякость измерений

Другое, что Эйнштейн и Лоренц выяснили, это то, что два человека при разных обстоятельствах могут получить разные расчетные значения и самое странное, что они оба будут правы. Это еще один побочный эффект того, что свет всегда движется с одинаковой скоростью.

Проведем мысленный эксперимент

Представьте, что вы стоите в центре своей комнаты, и вы установили лампу прямо посередине комнаты. Теперь представьте, что скорость света очень медленна, и вы можете видеть, как он распространяется, представьте, что вы включили лампу.

Как только вы включите лампу, свет начнет расходится и освещать. Поскольку обе стены находятся на одном и том же расстоянии, свет достигнет обе стены одновременно.

Теперь представьте, что в вашей комнате есть большое окно, и ваш знакомый проезжает мимо. Он увидит уже другое. Для него это будет выглядеть так, как будто ваша комната движется вправо и когда вы включите лампу, он увидит, что левая стена движется к свету. а правая стена отодвигается от света. Он увидит, что свет сначала попал в левую стену, а потом на правую. Ему покажется, что свет не осветил обе стены одновременно.

Согласно теории относительности Эйнштейна, обе точки зрения будут правы. С вашей точки зрения, свет попадает в обе стены одновременно. С точки зрения вашего знакомого это не так. В этом нет ничего плохого.

Нам это кажется очень странным, потому что скорость света для нас мгновенная, и мы двигаемся очень медленно по сравнению с ней. Поскольку скорость света настолько велика, мы не замечаем скорость распространения света, до тех пор пока не будем проводить специальные эксперименты.

Чем быстрее движется предмет, тем он короче и меньше

Еще один очень странный побочный эффект того, что скорость света не изменяется. При скорости света движущиеся вещи становятся короче.

Опять же, давайте представим, что скорость света очень медленная. Представьте, что вы едете в поезде, и вы установили лампу посередине вагона. Теперь представьте, что вы включили лампу, как в комнате.

Свет будет распространяться и одновременно достигнет стен спереди и сзади вагона. Таким образом вы можете даже измерить длину вагона, измерив, сколько времени потребовалось свету достигнуть обеих сторон.

Проведем расчеты:

Представим себе, что для прохождения 10 метров требуется 1 секунда и чтобы свет распространился от лампы до стены вагона потребуется 1 секунда. Это значит, что лампа находится на расстоянии 10 метров от обеих сторон вагона. Так как 10 + 10 = 20, то значит длина вагона 20 метров.

Теперь давайте представим, что ваш знакомый находится на улице, наблюдая, как поезд проходит мимо. Помните, что он видит вещи по другому. Задняя стена вагона движется к лампе, а передняя отодвигается от нее. Таким образом для него свет не будет касаться передней и задней части стены вагона одновременно. Сначала свет дойдет до задней части, а потом до передней.

Таким образом если вы и ваш знакомый измерите скорость распространения света от лампы до стен, вы получите разные значения, при этом с точки зрения науки оба расчета будут верны. Только для вас, согласно измерениям, длина вагона будет одного размера, а для знакомого длина вагона будет меньше.

Помните, все дело в том, каким образом и при каких условиях вы производите измерения. Если бы вы оказались внутри летящей ракеты, которая движется со скоростью света, вы бы не почувствовали ничего необычного, в отличие от измеряющих ваше движение людей на земле. Вы не смогли бы понять, что время для вас идет медленнее или что передняя и задняя часть корабля вдруг стали ближе друг к другу.

При этом, если бы вы летели на ракете, то вам казалось бы так, как будто все планеты и звезды пролетают мимо вас со скоростью света. В таком случае если вы попробуете измерить их время и размер, то по логике для них время должно замедлится, а размеры уменьшаться, правильно?

Все это было очень странно и непонятно, но Эйнштейн предложил решение и объединил все эти явления в одну теорию относительности.

Читайте также: