Теория относительности эйнштейна кратко и понятно видео

Обновлено: 02.07.2024

Эйнштейн опубликовал теорию специальной теории относительности в 1905 году (до общей теории относительности). Специальная теория относительности применяется к объектам, которые движутся со скоростью, сопоставимой со скоростью света. Следует отметить, что специальная теория относительности не связана с гравитацией. Чтобы включить гравитацию, Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности. Следовательно, общая теория относительности может рассматриваться как расширение специальной теории относительности.

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛОРЕНЦА

Поскольку скорость света должна оставаться одинаковой во всех системах отсчета, необходимо, чтобы координаты длины и времени в движущейся системе отсчета изменялись. Соотношение между пространственными и временными координатами между двумя системами отсчета в относительном движении задается преобразованием Лоренца.

Рассмотрим событие в системе отсчета S, имеющей пространственно-временные координаты (x, y, z, t) и пространственно-временные координаты (x ', y', z ', t') в другой системе отсчета S ', движущейся с скорость 'v' в направлении X относительно S. Тогда эти координаты связаны следующим образом:

где ϒ (гамма) - коэффициент Лоренца, определяемый как

Это будет в равной степени справедливо для направлений Y и Z, если движение происходит вдоль осей Y и Z соответственно. Используя преобразование Лоренца, можно получить ряд следствий в специальной теории относительности, таких как замедление времени, сокращение длины, релятивистское сложение скоростей и т. Д.

1. ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ:

Согласно специальной теории относительности, скорость света 'c' является максимальным пределом скорости. По мере приближения к скорости света время в вашей системе отсчета будет замедляться. Это можно выразить как

Δt '= ϒ Δt где

где Δt ' - время между двумя тактами движущихся часов, Δt - время между двумя тактами для часов в покое, а ϒ - коэффициент Лоренца, формула которого приведена выше. Можно видеть, что с увеличением скорости 'v' значение ϒ также увеличивается и, следовательно, Δt ' также увеличивается, т.е. время замедляется с увеличением скорости. Подставляя v = 99,999% скорости света, мы получаем, что время между двумя тактами (одна секунда) часов в движущемся кадре соответствует 224 секундам!

2. СОКРАЩЕНИЕ ДЛИНЫ:

Подобно времени, даже длина влияет. Длина сокращается в направлении движения рамы. Это может быть задано как Δx '= Δx / ϒ .

Здесь Δx ' - это длина, наблюдаемая наблюдателем в относительном движении к объекту; Δx - это длина объекта в кадре покоя (правильная длина).

Следовательно, с увеличением скорости длина сокращается. Например, космический корабль, движущийся со скоростью 86,5% скорости света, может показаться, что для стационарного наблюдателя он сократился вдвое по длине из-за сокращения длины (Примечание: другие его размеры не изменятся. Размер только в направлении движения будет подвержен

3. РЕЛЯТИВИСТСКОЕ СЛОЖЕНИЕ СКОРОСТЕЙ:

Вы должны знать, что, когда две машины движутся со скоростями v 1 и v 2 соответственно в одном и том же направлении , человек в автомобиле 1 увидит автомобиль 2, движущийся со скоростью (v 2 - v 1 ) . Если автомобили движутся в противоположном направлении , то относительная скорость определяется как (v 2 + v 1 ) .

Это будет означать, что если два космических корабля движутся со скоростью 99% скорости света в противоположных направлениях, то человек на одном космическом корабле должен видеть, что другой космический корабль движется со скоростью (v 2 + v 1 ), т. Е. (99% + 99%) скорости света, которая равна 198% скорости света. Это невозможно, потому что скорость света не может быть превышена. Специальная теория относительности решает эту проблему. Согласно специальной теории относительности, относительная скорость между двумя системами отсчета определяется как:

Подставляя 0.99c (99% скорости света) для v 1 и v 2 , мы получаем относительную скорость как u = 0.99995 c, которая меньше скорости света. Когда v 1 и v 2 намного меньше по сравнению со скоростью света, знаменатель исчезает, и остается только числитель (v 2 + v 1 ) . Но на скоростях, близких к скорости света, знаменатель имеет значительное значение и не может быть проигнорирован.

4. МАССОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ:

E 2 = P 2 C 2 + (M O C 2 ) 2

Для таких частиц, как фотоны (частицы света), чья масса покоя m o равна нулю, уравнение сводится к E = pc, что означает, что энергия, связанная с фотонами, обусловлена их импульсом.

Это некоторые из наиболее важных последствий специальной теории относительности. Теперь давайте перейдем к общей теории относительности.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Общая теория относительности описывает гравитацию как кривизну пространства-времени. Общая теория относительности предсказывала существование черных дыр и их свойства еще до того, как они были открыты. Общая теория относительности основана на полевых уравнениях Эйнштейна, которые являются нелинейными и очень трудными для решения. Согласно общей теории относительности, объекты, имеющие массу, изгибают ткань пространства-времени. Чем больше масса, тем больше изгиб. Общая теория относительности приводит к ряду последствий, которые обсуждаются ниже.

1. ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ:

Время замедления происходит не только из-за высоких скоростей, но и в присутствии силы тяжести. Время замедляется при наличии гравитационного поля. Время замедления из-за силы тяжести может быть дано как:

Здесь To - время, измеренное в гравитационном поле, а T - время, измеренное вдали от гравитационного поля. Приведенное выше уравнение показывает, что чем больше масса тела, тем больше замедление времени. Удивительно отметить, что замедление времени в черной дыре настолько сильно, что время останавливается на горизонте событий. Замедление времени в гравитационном поле также приводит к явлению, известному как гравитационное красное смещение. Свет, распространяющийся за пределами гравитационной ямы, оказывается смещенным в красную сторону (длина волны увеличивается) при наблюдении из точки в более низком гравитационном поле.

2. ГРАВИТАЦИОННОЕ ЛИНЗИРОВАНИЕ:

Мы знаем, что пространство-время изгибается вокруг массивных объектов. Согласно общей теории относительности, свет следует кривизне пространства-времени. В результате свет огибает массивные объекты. Изгиб света вокруг тяжелых объектов, таких как галактики, квазары, скопления галактик и т. Д., Заставляет их вести себя как линза.

Гравитационное линзирование галактическим скоплением (Изображение: STScI, Источник: Wikimedia Commons )

Как видно на рисунке выше, белая стрелка показывает путь света, исходящего из фоновой галактики. Свет, исходящий из фоновой галактики, огибает галактическое скопление между Землей и фоновой галактикой (подобно линзе), и мы видим многочисленные изображения фоновой галактики. Оранжевая стрелка показывает видимое положение фоновой галактики. Это явление называется гравитационным линзированием .

3. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ:

Гравитационные волны - это пульсации в пространстве-времени, которые распространяются с той же скоростью, что и скорость света. Эйнштейн предсказал их существование за 100 лет до того, как они были обнаружены в 2016 году командой Advanced LIGO из двух сливающихся черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет.

Многочисленные другие наблюдения гравитационных волн, исходящих как от сливающихся черных дыр, так и от сливающихся нейтронных звезд, были сделаны после первой, что подтверждает их существование.

Общая теория относительности была проверена несколько раз и оказалась успешной в большинстве случаев. Общая теория относительности может объяснить несколько наблюдений, что закон тяготения Ньютона не может быть таким, как аномальный сдвиг перигелия Меркурия, когда он вращается вокруг Солнца, существование черных дыр, особенности и т.д. Следовательно, сегодня это самая принятая теория гравитации.

Таким образом, теория относительности оказывается одной из самых красивых теорий всех времен. Теория неполна и имеет определенные ограничения, но она делает некоторые очень смелые предсказания о нашей Вселенной, которые, кажется, согласуются с наблюдениями.

Эта статья дает упрощенное объяснение теории относительности Эйнштейна и охватывает большинство важных тем без большого участия математики. Если я увижу интерес к этой теме я более подробно займусь написанием статей.

О том, как в знаменитой теории Альберта Эйнштейна взаимосвязаны скорость света, масса, время и пространство.

Как известно, вся материальная Вселенная имеет три измерения: вверх-вниз, вправо-влево, вперёд-назад. Четвёртое измерение — это время. Вместе они и составляют пространственно-временной континуум. Но вся загвоздка в том, что наши представления о пространстве и времени напрямую зависят от скорости, с которой мы движемся.

Именно взаимоотношения между временем, пространством и движущимся объектом описывает специальная теория относительности (СТО), разработанная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Позже на её основе великий физик создал также общую теорию относительности (ОТО), которая, помимо времени и пространства, учитывает и другие факторы, например гравитацию. О ней мы говорить не будем — для этого потребовался бы отдельный научный труд. Итак, приступим к изучению специальной теории относительности!

Главные принципы теории относительности

Первое, что нужно понять для освоения теории относительности: движение относительно.

Это значит, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчёта (того, откуда он смотрит).

Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как неподвижны и кресла в поезде, и другие пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются к вагону-ресторану, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.

В это время на платформе стоит другой человек, мимо которого со свистом пролетает поезд. Для него и пассажир с книгой, и кресла движутся со скоростью поезда — допустим, 200 км/ч. А вот пассажиры на пути в вагон-ресторан, расположенный в голове состава, будут двигаться ещё быстрее: их скорость сложится со скоростью поезда.

Так происходит при любом сложении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда будет двигаться всегда с одинаковой скоростью — 300 000 км/с.

Здесь мы вплотную подошли к базовым принципам, на которых строится теория относительности:

Принцип относительности: для тех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково.
Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. То есть свет от фонаря на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.

Свет движется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях всё выглядит совсем по-другому. К примеру, расстояние от Солнца до Земли, составляющее 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. А значит, что если Солнце когда-нибудь потухнет, то мы увидим это только через 8 минут.

Следствия теории относительности

Что же следует из описанных выше принципов и как они связаны со временем и пространством? Теория относительности имеет три основных следствия: пространство расширяется, время сжимается, масса увеличивается. Разберёмся с каждым по порядку.

Время сжимается

Эйнштейн первым понял, что время не абсолютно и зависит от системы отсчёта, в которой мы его наблюдаем. Земля и далёкая галактика на другом конце Вселенной находятся в разных точках не только пространства, но и времени.

Относительно движущихся объектов время идёт медленнее. Этот факт был проверен Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains с использованием двух одинаковых атомных часов: один прибор оставили на Земле, а другой отправили на сверхзвуковом самолёте вокруг планеты. При посадке было отмечено, что часы, которые летали, на несколько тысячных секунды отстают от часов в состоянии покоя.

Чем ближе скорость объекта становится к скорости света, тем медленнее для него течёт время. В теории, если астронавт отправится в путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он попадёт в будущее. Для него пройдёт несколько недель, а на Земле — несколько десятилетий. Это и есть относительность времени.

Пространство сжимается

Ещё одно удивительное следствие относительности: когда мы видим объект в движении, то можем наблюдать, что он становится всё более коротким с увеличением его скорости. С точки зрения наблюдателя, при приближении к скорости света объект становится всё короче и короче по направлению движения, а перпендикулярно ему остаётся в прежних размерах.

Допустим, мы сажаем астронавта в космический корабль, который может двигаться со скоростью света, а сами отправляемся в уютную обсерваторию наблюдать за его путешествием. По мере приближения к скорости света с кораблём начнёт происходить что-то странное. Мы заметим, что он становится всё короче. Но изменения происходят только в отношении направления движения, ширина корабля остаётся постоянной. Достигнув скорости света, он станет практически неразличим в длину.

Наверное, нашему астронавту сейчас не очень весело? Не беспокойтесь за него: для астронавта никаких изменений не происходит. Он всё так же радостно несётся навстречу космическим просторам и ничего не замечает. Пространство сжимается только относительно наблюдателя.

Масса увеличивается

Ещё одним поразительным следствием относительности является то, что по мере увеличения скорости объекта его масса тоже увеличивается.

Масса и энергия неразрывно связаны. Именно это выразил Эйнштейн в знаменитом уравнении E = mc². Эта формула показывает, что энергия тела пропорциональна его массе. При передаче телу энергии (то есть его ускорении) увеличивается и масса. Выходит, что часть энергии идёт на увеличение скорости, а другая часть увеличивает массу.

Вспомним о нашем астронавте, который приближается к скорости света в своём корабле. Наблюдая с Земли, мы видим, что по мере увеличения скорости корабля становится всё труднее ускорить его, то есть всё больше и больше энергии требуется, чтобы его подтолкнуть. Наступает момент, когда корабль достигнет такой массы, что никакая энергия во Вселенной больше не сможет его двигать. Вот поэтому на практике путешествия во времени пока невозможны.

Если коротко

Итак, при приближении к скорости света время расширяется, пространство сжимается. Но происходит всё это только в глазах наблюдателя, который видит движение объекта относительно себя. Для астронавта в корабле ничего не меняется (кроме увеличения массы). Но при этом обе точки зрения верны. Поэтому теория относительности и носит такое название.

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.

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.

Альберт Эйнштейн — великий физик-теоретик, имя которого на слуху у каждого из нас еще со школьной скамьи. Обладатель Нобелевской премии, автор почти 500 книг, посвященных физике, философии и истории. Именно он перевернул научное представление о природе пространства и времени, движении и законах механики теорией относительности, которую открыл в 1905 году.

Согласно его теории, мир состоит из четырех измерений:

вправо-влево;
вверх-вниз;
вперед-назад.

Еще одно измерение – время. Эти четыре величины формируют пространственно–временную физическую модель.

Самое интересное в том, что восприятие времени и пространства напрямую зависит от скорости нашего движения.

Взаимосвязь трех составляющих объясняет специальная теория относительности: чем больше скорость движения объекта, тем больше искажение пространства и времени.

На основе данного учения позже Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности, но она понятна немногим, потому в школе мы изучали специальную теорию относительности. Именно о ней мы поговорим подробнее в статье.

Основные принципы учения

Как определить движется объект или стоит на месте? Просто оцените его состояние относительно других тел. Важно понимать, что наличие или отсутствие движения, а также скорость перемещения зависят от двух факторов: кто наблюдает за предметом и откуда наблюдает. Проще говоря, движение – это относительный параметр.

Ваш друг решил встретить вас на платформе одной из станций и уже ожидает на месте. Для него поезд и все объекты, находящиеся в нем, движутся с одинаковой скоростью, например, 50 км/ч. А если кто-то из пассажиров вагона решит перейти на ходу поезда по направлению движения состава в другой вагон, то его скорость будет еще выше, т.к. она суммируется со скоростью поезда.

Но есть одно исключение из правила — свет фар поезда. Скорость света остается неизменна и будет равна скорости движения самого поезда.

Отсюда следуют два главных принципа специальной теории относительности:

Принцип относительности: если объекты неподвижны или имеют постоянную скорость (например, вы и ваш телефон), для них все физические явления протекают одинаково.
Принцип постоянства скорости света: данная величина не зависит от других данных (например, от источника света) и является постоянной для всех наблюдателей.

На первый взгляд, скорость света кажется молниеносной, но это не так. Рассмотрим на примере распространения света в космосе. Между Солнцем и Землей 150 миллионов километров, солнечный свет доходит до земного шара за 8 минут. Соответственно, если Солнце вдруг перестанет светить, ночь нас накроет не сразу, а через 8 минут.

Два главных принципа теории рождают другие важные факты о пространственно-временной среде. Расскажем о них в следующих разделах.

Следствия учения

Важно понять, как выше изложенные принципы относятся к пространству и времени. Благодаря им Альберт Эйнштейн пришел к трем выводам:

время замедляется;
пространство расширяется;
масса увеличивается.

Чтобы понимать, о чем речь, давайте рассмотрим подробнее каждое из заключений.

Время замедляется

Время — это не абсолютная величина, она зависит от системы отсчета, в которой находится на данный момент.

Интересный опыт был проведен с применением двух атомных часов: одно устройство было отправлено самолетом вокруг планеты, а другое осталось на Земле. После посадки самолета сравнили показатели часов: те, что облетели земной шар, отставали от других часов на тысячные секунды.

Отсюда можно сделать вывод, время идет медленнее относительно объектов, находящихся в движении. При этом оно становится еще медленнее, если скорость объекта приближается к скорости света. Если космический корабль достигнет скорости света, то астронавт попадет в будущее. В этом случае время также будет относительно: недели в космосе будут равны годам на Земле. На этой теории построены сюжеты многих фантастических фильмов о космосе и его исследователях.

Пространство уменьшается

Давайте представим, что наш космический путешественник отправляется в полет на своем корабле. Скорость летательного аппарата приближается к скорости света и если наблюдать за его полетом со стороны, то можно заметить, что по направлению движения он становится короче, а перпендикулярно пути сохраняет исходные размеры, т.е. его ширина не меняется. При этом с самим астронавтом все в порядке: он на прежнем месте и прежних параметров.

Данный пример наглядно показывает, что для наблюдателя движущийся объект с увеличением своей скорости становится короче по направлению движения, а перпендикулярно ему его размеры остаются неизменными.

Масса увеличивается

E = mc² — знакомая формула из школьной программы? Своим уравнением Альберт Эйнштейн наглядно показал, что масса пропорциональна энергии тела, т.е., если увеличить скорость движения объекта, увеличивается и его масса. Отсюда следует вывод, что одна часть энергии затрачивается на изменение массы, а другая – на увеличение скорости. Это объясняет тот факт, что на деле путешествие во времени, о котором говорилось в предыдущем разделе, невозможно. Судите сами: чем больше скорость корабля, тем труднее его подтолкнуть. В итоге, приближаясь к скорости света, он достигает таких показателей, что никакая энергия вселенной не сможет его передвинуть.

Подведем итог

Почему теория относительности носит такое название?

Если скорость объекта приближается к скорости света, то его время замедляется, а пространство сжимается. Но эти показатели относительны наблюдателя, т.е. так он видит картину со своей стороны. Но для астронавта, который летит в космическом корабле, меняется только масса тела, остальные показатели остаются неизменными. При этом обе точки зрения верны, отсюда и название теории.

Читайте также: