Какое значение имеет общая теория относительности для астрономии кратко

Обновлено: 04.07.2024

Общая теория относительности (ОТО) была востребована современной технологией сравнительно недавно, два десятилетия назад в высокоточной позиционной астрономии. Сейчас ОТО в приближении слабого гравитационного поля используется в высокоточной навигации (система космической навигации GPS, ГЛОНАСС) . Формулы для редукции за эффекты ОТО приводятся во всех астрономических справочниках.

Получение ядерной энергии, полеты космических аппаратов, глобальные системы спутникового позиционирования.

Используется везде, где скорости близкие к световым или нужна точность времени порядка наносекунд. Конечно нельзя сказать с уверенностью, что все результаты совпали с предсказанием с абсолютной точностью, но точность, даваемая СТО и ОТО, достаточная, чтобы менять параметры экспериментов в нужную сторону и получать результат.
Например, на GPS или ГЛОНАСС - используется постоянная поправка времени частично предсказанная этими теориями. На ускорителях учитывается рост массы с ростом скорости.

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.

Теория относительности Эйнштейна, увидевшая свет уже более столетия назад, перевернула весь научный мир, все представление людей об окружающем их пространстве и процессах, которые здесь протекают. Она дала толчок для не только для более глубокого изучения различных физических процессов, но и поспособствовала появлению целых отраслей научного знания.

Концептуальная основа теории относительности

Теория относительности Эйнштейна - результат огромного труда и блистательного прозрения, когда ученый на уровне интуиции осознал, что рассмотрение любого действия находится в прямой зависимости от определенной системы отсчета. Впрочем, он сам же и доказал, что в природе существуют вещи, которые остаются неизменными, даже если для разных наблюдателей они выглядят по-разному. Это, например, можно сказать о силе всемирного тяготения и гравитации: описание их действий самым непосредственным образом зависит от выбранной системы отсчета, но сами законы ни от каких наблюдателей не зависят, другими словами, они являются инвариантными. В этом и состоит знаменитый принцип относительности Эйнштейна, который послужил основой для формирования двух научных концепций.

Частная теория относительности Эйнштейна

Специальная теория относительности Эйнштейна (другое название – частная) как раз и говорит о единстве законов, действующих в природе, для различных систем отсчета, если движение в них осуществляется с постоянной скоростью. Именно в этой концепции ученый утверждал, что даже такие фундаментальные величины, как пространство и время, не остаются неизменными. Более того, вовсе не обязательно достигать скорости света, чтобы убедиться, что объект, движущийся достаточно быстро, будет находиться в несколько ином временном измерении, чем, например, предмет, покоящийся на земле.

Главный труд жизни великого ученого

Общая теория относительности Эйнштейна – это научная концепция, в которой ученый заведомо выдвинул гипотезу о том, что положения специальной теории распространяются на все тела, в движении которых присутствует ускорение. Она была опубликована спустя 11 лет после появления частной концепции относительности, а ключевое ее положение касалось того, что мир, который окружает человека, состоит не из трех, а из четырех измерений. Этим четвертым признаком является время.

Положение о пространственно-временном континууме

Теория относительности Эйнштейна исходит из того, что время не может быть противопоставлено пространственным измерениям, оно образует с ними неразрывную связь. Речь должна вестись о пространственно-временных характеристиках, которые служат связующей нитью между теми или иными явлениями и событиями. Фактически получается, что мы живем в некоем пространственно-временном континууме, в котором количественная оценка событий зависит во многом от наблюдателя. Ведь даже оценки двух людей о том, произошло ли данное явление именно в тот момент, могут не совпадать.

Значение теории относительности

Теория относительности Эйнштейна, ее значение состоит в том, что она стала ориентиром не только для узкоспециализированных физиков, она перевернула сознание миллионов людей, которые получили доказательство того, что наш мир намного сложнее и многограннее того, что мы привыкли о нем думать.

Общая теория относительности – геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности

Как понять Общую теорию относительности?

Как пишет New Scientist, согласно специальной теории относительности (СТО) движение искривляет пространство и время. ОТО Эйнштейна объединила ее с принципом, отмеченным Галилеем более трех столетий назад: падающие объекты ускоряются с одинаковой скоростью независимо от их массы.

Перо и молоток, упавшие с падающей Пизанской башни, ударятся о землю одновременно, если вы не учитываете сопротивление воздуха.

Вслед за Галилеем Исаак Ньютон показал, что это может быть верно только в том случае, если присутствует странное совпадение: инерционная масса, которая количественно определяет сопротивление тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая количественно определяет реакцию тела на гравитацию. Нет никакой очевидной причины, почему это должно быть так, но ни один эксперимент никогда не разделял эти две величины.

Массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя предметы ускоряться по направлению к ним.

Хотя гравитация доминирует в больших космических масштабах и вблизи очень больших масс, таких как планеты или звезды, она на самом деле является самой слабой из четырех известных сил природы – и единственной, не объясненной квантовой теорией. Квантовая теория и общая теория относительности применяются в разных масштабах. Это мешает понять, что происходило в самые ранние моменты Большого взрыва, например, когда Вселенная была очень маленькой, а сила гравитации огромна. В другой ситуации, когда эти силы сталкиваются у горизонта событий черной дыры, возникают неразрешимые парадоксы.

Например, квантовая механика имеет способы принимать во внимание такие понятия, как бесконечность, но если мы попытаемся сделать то же самое с общей теорией относительности, математика порождает предсказания, которые не имеют смысла.

Математические уравнения общей теории относительности Эйнштейна, проверенные снова и снова, в настоящее время являются наиболее точным способом предсказания гравитационных взаимодействий, заменив разработанные Исааком Ньютоном за несколько столетий до этого.

Читайте также: