14 марта 1879 года в немецком городе Ульм родился Альберт Эйнштейн: человек, которому было суждено произвести революцию в науке. Его теория относительности стала фундаментом современной физики, заменив классическую механику и закон всемирного тяготения Ньютона.
По случаю 145-летней годовщины со дня рождения Альберта Эйнштейна редакция The Universe Space Tech собрала наиболее значимые факты о самом знаменитом труде великого физика.
Теорий относительности — две
При упоминании теории относительности обыватели обычно представляют себе один научный труд. Но это не так. На самом деле существуют две теории относительности: специальная и общая.
Специальная теория относительности (СТО) была впервые опубликована Эйнштейном в 1905 году. Что любопытно, сама статья носила название «Об электродинамике движущихся тел». Термин «теория относительности» появился спустя год, его предложил Макс Планк. Что же касается Общей теории относительности (ОТО), то она была опубликована в 1915 году — в то время, когда в Европе шла Первая мировая война.
Что такое Специальная теория относительности
СТО интерпретирует движения между различными инерциальными системами отсчета — попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу. Она базируется на двух основных принципах — относительности и постоянства скорости света.
Принцип относительности заключается в том, что физические процессы протекают одинаково для всех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны. Отсюда следует, что все законы природы действуют одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Принцип постоянства скорости света гласит, что она постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. Его следствием является невозможность движения физических тел и передачи информации со скоростью, превышающей скорость света в вакууме (299 792 км/с).
Что такое Общая теория относительности и чем она отличается от Специальной
Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно, и происходит вне мощных гравитационных полей. Если же тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает Общая теория относительности, которая объясняет движения материальных тел в общем случае и учитывает фактор гравитации.
Таким образом, СТО применима для изучения движения тел с любыми скоростями (в том числе близких или равных скорости света) при условии отсутствия очень сильных гравитационных полей. ОТО же можно использовать для изучения движения тел с любыми скоростями в гравитационных полях любой интенсивности, если квантовыми эффектами можно пренебречь.
Эффекты теории относительности
Теория относительности предсказывает множество весьма любопытных эффектов. Пожалуй наиболее известным из них является гравитационное замедление времени — чем сильнее гравитация или чем больше скорость движения объекта, тем медленнее для него течет время по сравнению со внешним наблюдателем. Первый вариант наглядно показан в фильме «Интерстеллар», в виде находящейся на орбите вокруг черной дыры планеты Миллер, где один час времени равен семи годам на Земле.
Для демонстрации второго варианта замедления времени, обычно используется т. н. парадокс близнецов. Так, если бы мы смогли построить корабль, движущийся со скоростью 80% от скорости света и направили его к Альфе Центавра, то по часам, находящегося на нем путешественника, полет займет всего три года (и сам он постареет на три года), в то время, как с точки зрения оставшегося на Земле близнеца, пройдет пять лет.
Теория относительности также предсказывает изменение размеров и массы космического корабля. По мере приближения к скорости света для внешнего наблюдателя, он будет становиться все короче и короче по направлению движения, сохраняя прежнюю ширину (но для экипажа самого корабля все останется как прежде). При этом, его масса будет увеличиваться. Из-за этого для увеличения скорости будет требоваться все больше и больше энергии. Когда корабль приблизится к скорости света, он достигнет такой массы, что никакая энергия во Вселенной больше не сможет его ускорить. Именно поэтому путешествия со сверхсветовыми скоростями и невозможны.
Также нельзя не упомянуть, что с помощью теории относительности космологи и астрофизики сумели предсказать существование ряда весьма экзотических объектов и явлений, чье существование было позднее подтверждено в ходе наблюдений. Среди них нейтронные звезды, черные дыры и гравитационные волны.
Доказательства теории относительности
В настоящее время ОТО является наиболее успешной теорией гравитации в истории, хорошо подтвержденной результатами наблюдений и экспериментов. Первые практические доказательства были получены еще в 1919 году во время полного солнечного затмения. Наблюдения Артура Эддингтона показали, что видимые положения звезд вблизи Солнца изменяются в точном соответствии с предсказаниями ОТО.
В последующем ученые получили еще множество экспериментальных доказательств правоты ОТО. Среди них согласующаяся с ее положениями аномальная прецессия перигелия орбиты Меркурия, гравитационное красное смещение света, искривление световых лучей гравитацией массивных тел и многое другое. Несмотря на то, что СМИ периодически любят публиковать громкие заголовки о том, что кто-то поставил под сомнение выкладки Эйнштейна, в реальности пока еще никому не удалось предоставить убедительных свидетельств ошибочности ОТО.
Более того, каждый из нас может самостоятельно получить доказательство того, что теория относительности работает, просто воспользовавшись навигатором. Дело в том, что для определения точного местоположения, сигналы времени, поступающие со спутников GPS (а также Galileo, «Бэйдоу» и других навигационных систем), должны быть известны с точностью 20-30 наносекунд. Однако, на поверхности Земли и на орбите время течет немного по-разному. И эта разница учитывается в системе. Если бы эффекты теории относительности не принимались в расчет, то координаты, вычисленные на основе GPS-спутников, были бы неверными уже через две минуты, а ошибки в глобальном местоположении продолжали накапливаться со скоростью примерно 10 км в день.
Эйнштейн не получал Нобелевской премии за теорию относительности
Многие считают, что Эйнштейн получил Нобелевскую премию за теорию относительности. Но это не так. Точнее говоря, не совсем так. Эйнштейн действительно стал лауреатом премии по физике за 1921 год. Вот только ее вручили ему с формулировкой «За заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта». При этом далеко не секрет, что закон фотоэффекта являлся одним из наименее значимых открытий Эйнштейна.
Так почему же так произошло? Этому есть несколько причин. И главная из них заключается в том, что теория относительности была слишком сложна для понимания многих физиков того времени. Что уж говорить про членов Нобелевского комитета? Даже после появления экспериментальных доказательств правоты Эйнштейна, многие все еще продолжали относиться к его выкладкам настороженно и искали в них изъяны. Свою роль в том, что долгие годы Нобелевский комитет игнорировал Эйнштейна могла сыграть и поднимавшаяся в те годы в Европе волна антисемитизма.
Однако давление физиков, понимавших значимость того, что сделал Эйнштейн, в какой-то момент все же пересилило консерватизм Нобелевского комитета. Так что он выбрал компромиссный вариант, вручив ему премию за фотоэффект — хотя все прекрасно понимали, что в реальности ее вручают за теорию относительности. Это понимал и Эйнштейн, упомянувший ее в своей нобелевской лекции.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
