14 березня 1879 року в німецькому місті Ульм народився Альберт Ейнштейн: людина, якій судилося зробити революцію в науці. Його теорія відносності стала фундаментом сучасної фізики, замінивши класичну механіку і закон всесвітнього тяжіння Ньютона.
З нагоди 145 річниці від дня народження Альберта Ейнштейна редакція The Universe Space Tech зібрала найбільш значущі факти про найзнаменитішу працю великого фізика.
Теорій відносності — дві
При згадуванні теорії відносності звичайні люди переважно уявляють собі одну наукову працю. Але це не так. Насправді існують дві теорії відносності: спеціальна та загальна.
Спеціальна теорія відносності (СТВ) була вперше опублікована Ейнштейном у 1905 році. Що цікаво, сама стаття мала назву «Про електродинаміку рухомих тіл». Термін «теорія відносності» з’явився через рік, його запропонував Макс Планк. Що ж стосується Загальної теорії відносності (ЗТВ), то її опублікували 1915 року — у той час, коли в Європі тривала Перша світова війна.
Що таке Спеціальна теорія відносності
СТВ інтерпретує рухи між різними інерціальними системами відліку — просто кажучи, об’єктами, що рухаються з постійною швидкістю відносно один одного. Вона базується на двох основних принципах — відносності та сталості швидкості світла.
Принцип відносності полягає в тому, що фізичні процеси відбуваються однаково для всіх тіл, які відносно одне одного рухаються на постійній швидкості або нерухомі. Звідси випливає, що всі закони природи діють однаково в усіх інерціальних системах відліку.
Принцип сталості швидкості світла свідчить, що вона постійна для всіх спостерігачів, незалежно від їхньої швидкості щодо джерела світла. Його наслідком є неможливість руху фізичних тіл і передавання інформації зі швидкістю, що перевищує швидкість світла у вакуумі (299 792 км/с).
Що таке Загальна теорія відносності та чим вона відрізняється від Спеціальної
Спеціальна теорія відносності розглядає лише один спеціальний випадок (звідси й назва), коли рух прямолінійний і рівномірний, і відбувається поза потужними гравітаційними полями. Якщо ж тіло прискорюється або звертає в бік, закони СТВ уже не діють. Тоді набуває чинності Загальна теорія відносності, яка пояснює рухи матеріальних тіл у загальному випадку і враховує фактор гравітації.
Отже, СТВ може бути застосована для вивчення руху тіл з будь-якими швидкостями (у тому числі близьких або рівних швидкості світла) за умови відсутності дуже сильних гравітаційних полів. ЗТВ можна використовувати для вивчення руху тіл з будь-якими швидкостями в гравітаційних полях будь-якої інтенсивності, якщо квантовими ефектами можна знехтувати.
Ефекти теорії відносності
Теорія відносності передбачає безліч вельми цікавих ефектів. Мабуть, найвідомішим із них є гравітаційне уповільнення часу — що сильніша гравітація або що більша швидкість руху об’єкта, то повільніше для нього плине час порівняно із зовнішнім спостерігачем. Перший варіант виразно показаний у фільмі «Інтерстеллар», у вигляді планети Міллер, яка перебуває на орбіті навколо чорної діри, де одна година часу дорівнює семи рокам на Землі.
Для демонстрації другого варіанта уповільнення часу, зазвичай використовують т. зв. парадокс близнюків. Так, якби ми змогли побудувати корабель, що рухається зі швидкістю 80% від швидкості світла, і спрямували його до Альфи Центавра, то за годинником мандрівника, який перебуває на ньому, політ триватиме лише три роки (і сам він постаріє на три роки), тоді як із погляду близнюка, що залишився на Землі, мине п’ять років.
Теорія відносності також передбачає зміну розмірів і маси космічного корабля. У міру наближення до швидкості світла для зовнішнього спостерігача, він буде ставати все коротшим і коротшим у напрямку руху, зберігаючи колишню ширину (але для екіпажу самого корабля все залишиться, як раніше). При цьому, його маса буде збільшуватися. Через це для збільшення швидкості буде потрібно все більше й більше енергії. Коли корабель наблизиться до швидкості світла, він досягне такої маси, що ніяка енергія у Всесвіті більше не зможе його прискорити. Саме тому подорожі з надсвітловими швидкостями й неможливі.
Також не можна не згадати, що за допомогою теорії відносності космологи й астрофізики зуміли передбачити існування низки вельми екзотичних об’єктів і явищ, чиє існування було пізніше підтверджено під час спостережень. Серед них нейтронні зорі, чорні діри та гравітаційні хвилі.
Докази теорії відносності
Нині ЗТВ є найуспішнішою теорією гравітації в історії, добре підтвердженою результатами спостережень та експериментів. Перші практичні докази були отримані ще в 1919 році під час повного сонячного затемнення. Спостереження Артура Еддінгтона показали, що видимі положення зір поблизу Сонця змінюються відповідно до передбачень ЗТВ.
Надалі вчені отримали ще безліч експериментальних доказів правоти ЗТВ. Узгоджується з її положеннями аномальна прецесія перигелію орбіти Меркурія, гравітаційний червоний зсув світла, викривлення світлових променів гравітацією масивних тіл і багато іншого. Попри те, що ЗМІ періодично люблять публікувати гучні заголовки про те, що хтось поставив під сумнів висновки Ейнштейна, в реальності поки що нікому не вдалося надати переконливих свідчень помилковості ЗТВ.
Ба більше, кожен із нас може самостійно отримати доказ того, що теорія відносності працює, просто скориставшись навігатором. Річ у тім, що для визначення точного місця розташування сигнали часу, які надходять із супутників GPS (а також Galileo, «Бейдоу» та інших навігаційних систем), мають бути відомі з точністю 20-30 наносекунд. Однак, на поверхні Землі та на орбіті час тече трохи по-різному. І ця різниця враховується в системі. Якби ефекти теорії відносності не брали до уваги, то координати, обчислені на основі GPS-супутників, були б неправильними вже за дві хвилини, а помилки в глобальному місцезнаходженні продовжували накопичуватися зі швидкістю приблизно 10 км на день.
Ейнштейн не отримував Нобелівської премії за теорію відносності
Багато хто вважає, що Ейнштейн отримав Нобелівську премію за теорію відносності. Але це не так. Точніше кажучи, не зовсім так. Ейнштейн дійсно став лауреатом премії з фізики за 1921 рік. Ось тільки її вручили йому з формулюванням «За заслуги перед теоретичною фізикою, і особливо за відкриття закону фотоелектричного ефекту». При цьому далеко не секрет, що закон фотоефекту був одним із найменш значущих відкриттів Ейнштейна.
То чому ж так сталося? Цьому є кілька причин. І головна з них полягає в тому, що теорія відносності була занадто складною для розуміння багатьох фізиків того часу. Що вже казати про членів Нобелівського комітету? Навіть після появи експериментальних доказів правоти Ейнштейна, багато хто все ще продовжував ставитися до його викладок насторожено і шукав у них вади. Свою роль у тому, що довгі роки Нобелівський комітет ігнорував Ейнштейна, могла зіграти й хвиля антисемітизму, яка зростала в ті роки в Європі.
Однак тиск фізиків, які розуміли значущість того, що зробив Ейнштейн, у якийсь момент все ж пересилив консерватизм Нобелівського комітету. Тож він обрав компромісний варіант, вручивши йому премію за фотоефект — хоча всі прекрасно розуміли, що в реальності її вручають за теорію відносності. Це розумів і Ейнштейн, який згадав її у своїй нобелівській лекції.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine
