Обща и специална теория на относителността. Специална теория на относителността

Специалната теория на относителността (STR) или частична теория на относителността е теория на Алберт Айнщайн, публикувана през 1905 г. в труда „За електродинамиката на движещите се тела” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 юни 1905 г.).

Той обяснява движението между различни инерционни отправни системи или движението на тела, движещи се едно спрямо друго с постоянна скорост. В този случай нито един от обектите не трябва да се приема като отправна система, а трябва да се разглеждат относително един спрямо друг. SRT осигурява само 1 случай, когато 2 тела не променят посоката на движение и се движат равномерно.

Законите на SRT престават да се прилагат, когато едно от телата промени траекторията си или увеличи скоростта си. Тук се провежда общата теория на относителността (ОТО), която дава общо тълкуване на движението на обектите.

Два постулата, на които се основава теорията на относителността:

1. Принципът на относителността- Според него във всички съществуващи отправни системи, които се движат една спрямо друга с постоянна скорост и не променят посоката си, важат едни и същи закони.
2. Принципът на скоростта на светлината- Скоростта на светлината е еднаква за всички наблюдатели и не зависи от скоростта на тяхното движение. Това е най-високата скорост и нищо в природата няма по-голяма скорост. Скоростта на светлината е 3*10^8 m/s.

Алберт Айнщайн използва за основа експериментални, а не теоретични данни. Това беше един от компонентите на неговия успех. Новите експериментални данни послужиха като основа за създаването на нова теория.

От средата на 19-ти век физиците търсят нова мистериозна среда, наречена етер. Смятало се е, че етерът може да премине през всички обекти, но не участва в тяхното движение. Според вярванията за етера, чрез промяна на скоростта на зрителя спрямо етера се променя и скоростта на светлината.

Айнщайн, доверявайки се на експерименти, отхвърли концепцията за нова етерна среда и прие, че скоростта на светлината винаги е постоянна и не зависи от никакви обстоятелства, като скоростта на самия човек.

Времеви интервали, разстояния и тяхната равномерност

Специалната теория на относителността свързва времето и пространството. В Материалната Вселена има 3 известни в пространството: дясно и ляво, напред и назад, нагоре и надолу. Ако добавим към тях друго измерение, наречено време, това ще формира основата на пространствено-времевия континуум.

Ако се движите с бавна скорост, вашите наблюдения няма да съвпадат с тези на хора, които се движат по-бързо.

По-късни експерименти потвърдиха, че пространството, подобно на времето, не може да се възприема по същия начин: нашето възприятие зависи от скоростта на движение на обектите.

Свързване на енергия с маса

Айнщайн излезе с формула, която комбинира енергия с маса. Тази формула се използва широко във физиката и е позната на всеки ученик: E=m*c², при което Е-енергия; m - телесна маса, c - скоростразпространение на светлината.

Масата на тялото нараства пропорционално на увеличаването на скоростта на светлината. Ако достигнете скоростта на светлината, масата и енергията на тялото стават безразмерни.

С увеличаване на масата на даден обект става по-трудно да се постигне увеличаване на неговата скорост, т.е. за тяло с безкрайно голяма материална маса е необходима безкрайна енергия. Но в действителност това е невъзможно да се постигне.

Теорията на Айнщайн комбинира две отделни разпоредби: позицията на масата и позицията на енергията в един общ закон. Това направи възможно преобразуването на енергията в материална маса и обратно.

Работата на Нютон е пример за голяма научна революция, радикална промяна в почти всички научни идеи в естествените науки. От времето на Нютон възниква парадигмата на класическата физика и се превръща в основна и определяща система от възгледи в науката за почти 250 години.

Последователите на Нютон започнаха смислено да усъвършенстват откритите от него константи. Постепенно започват да се формират научни школи, утвърждават се методи за наблюдение и анализ и класификация на различни природни явления. Инструментите и научното оборудване започват да се произвеждат фабрично. Започнаха да излизат периодични издания в много области на естествените науки. Науката се превърна в най-важния клон на човешката дейност.

И така, механиката и космологията на Нютон се утвърдиха като основа на нов мироглед, заменяйки учението на Аристотел и средновековните схоластични конструкции, доминирали повече от хиляда години.

Въпреки това до края на 19 век започват да се появяват факти, които противоречат на доминиращата парадигма. И основните несъответствия отново се наблюдават във физиката, най-динамично развиващата се наука по това време.

Класически пример за тази ситуация е изявлението на лорд Келвин (Уилям Томсън), който в самия край на 19 век отбелязва, че „в ясното и блестящо небе на класическата физика от онези години е имало само два малки облака“. Едната е свързана с отрицателния резултат от експеримента на Майкелсън за определяне на абсолютната скорост на Земята, другата е с противоречието между теоретичните и експерименталните данни за разпределението на енергията в спектъра на абсолютно черно тяло.

Келвин показа изключителна проницателност. Тези неразрешени проблеми доведоха до появата както на теорията на относителността на Айнщайн, така и на квантовата теория, които формираха основата на нова естественонаучна парадигма.

Може също да се отбележи, че използването на класическата физика на Нютон не позволява точното изчисляване на орбитата на Меркурий и уравненията на електродинамиката на Максуел не съответстват на класическите закони на движение.

Предпоставката за създаването на теорията на относителността бяха именно вече споменатите противоречия. Тяхното разрешаване стана възможно с въвеждането на нов релативистичен подход в естествената наука.

Това, което обикновено не се разбира ясно, е фактът, че общото желание за относителен (или релативистичен) подход към физическите закони започва да се появява на много ранен етап от развитието на съвременната наука. Започвайки с Аристотел, учените смятат Земята за централната точка на пространството и началният момент от времето се приема за първоначалния тласък, който задвижва първичната материя. Идеите на Аристотел са приети като абсолют в средновековното съзнание, но в края на 15 век те вече влизат в конфликт с наблюдаваните природни явления. Особено много несъответствия се натрупаха в астрономията.

Първият сериозен опит за разрешаване на противоречията е направен от Коперник, просто като се приема, че планетите се движат около Слънцето, а не около Земята. Тоест за първи път той измести Земята от центъра на Вселената и лиши космоса от началната му точка. Това всъщност беше началото на решително преструктуриране на цялото човешко мислене. Въпреки че Коперник постави Слънцето в този център, той все пак направи голяма крачка към това, че по-късно хората осъзнаха, че дори Слънцето може да бъде само една от многото звезди и че изобщо не може да се намери център. Тогава, естествено, се появи подобна мисъл за времето и Вселената започна да се възприема като безкрайна и вечна, без момент на сътворение и без „край“, към който се движи.

Именно този преход води до възникването на теорията на относителността. Тъй като няма привилегировани позиции в пространството и привилегировани моменти във времето, тогава физичните закони могат да бъдат еднакво приложени към всяка точка, взета за център, и от тях ще следват същите заключения. В това отношение ситуацията е фундаментално различна от тази, която се случва в теорията на Аристотел, където например на центъра на Земята е отредена специална роля като точка, към която се стреми цялата материя. Тенденцията към релативизация по-късно е отразена в законите на Галилей и Нютон

Галилей изрази идеята, че движението е относително по природа. Тоест, равномерното и праволинейно движение на телата може да се определи само спрямо обект, който не участва в такова движение.

Нека си представим мислено, че един влак минава покрай друг с постоянна скорост и без сътресения. Освен това завесите са затворени и нищо не се вижда. Могат ли пътниците да разберат кой влак се движи и кой е спрял? Те могат да наблюдават само относително движение. Това е основната идея на класическия принцип на относителността.

Откриването на принципа на относителността на движението е едно от най-големите открития. Без него развитието на физиката би било невъзможно. Според хипотезата на Галилей инерционното движение и покоят са неразличими по отношение на въздействието си върху материалните тела. За да се премине към описанието на събитията в подвижна отправна система, беше необходимо да се извършат координатни трансформации, т.нар. "Трансформациите на Галилей", кръстени на техния автор.

Да вземем например някаква координатна система х, свързани с фиксирана референтна система. Нека сега си представим обект, който се движи по оста хпри постоянна скорост v. Координати х " , T", взети спрямо този обект, след това се определят чрез трансформацията на Галилей

x" = x - ut
y" = y
z" = z
t" = t

Особено забележително е третото уравнение ( t" = t), според които тактовата честота не зависи от относителното движение. Същият закон важи както в старата, така и в новата референтна система. Това е ограниченият принцип на относителността. Казваме това, защото законите на механиката се изразяват чрез едни и същи отношения във всички референтни системи, свързани помежду си чрез Галилееви трансформации.

Според Нютон, който развива идеята на Галилей за относителността на движението, всички физически експерименти, проведени в лаборатория, движещи се равномерно и праволинейно (инерционна отправна система), ще дадат същия резултат, както ако е в покой.

Както беше споменато по-горе, въпреки успехите на класическата физика от онези години, се натрупаха някои факти, които й противоречат.

Тези нови данни, открити през 19 век, доведоха до релативистката концепция на Айнщайн.

Революцията във физиката започва с откритието на Рьомер. Оказа се, че скоростта на светлината е крайна и равна на приблизително 300 000 км/сек. След това Брадри открива феномена на звездната аберация. Въз основа на тези открития е установено, че скоростта на светлината във вакуум е постоянна и не зависи от движението на източника и приемника.

Колосалната, но все пак не безкрайна скорост на светлината в пустотата доведе до конфликт с принципа на относителността на движението. Нека си представим влак, който се движи с огромна скорост - 240 000 километра в секунда. Нека сме начело на влака, а на опашката светва крушка. Нека помислим какви биха могли да бъдат резултатите от измерването на времето, необходимо на светлината да пътува от единия край на влака до другия.

Този път, изглежда, ще бъде различен от този, който качваме във влак в покой. Всъщност, спрямо влак, движещ се със скорост от 240 000 километра в секунда, светлината би имала скорост (напред по влака) от само 300 000 - 240 000 = 60 000 километра в секунда. Изглежда, че светлината настига предната стена на главната кола, която бяга от нея. Ако поставите електрическа крушка в началото на влак и измерите времето, необходимо на светлината да достигне до последния вагон, тогава изглежда, че скоростта на светлината в посока, обратна на движението на влака, трябва да бъде 240 000 + 300 000 = 540 000 километра в секунда (светлината и задната кола се движат един към друг).

И така, оказва се, че в движещ се влак светлината трябва да се разпространява в различни посоки с различна скорост, докато в неподвижен влак тази скорост е еднаква и в двете посоки.

Поради тази причина при Галилееви трансформации уравненията на Максуел за електромагнитното поле нямат инвариантна форма. Те описват разпространението на светлина и други видове електромагнитно излъчване със скорости, равни на скоростта на светлината C. За да се разреши противоречието в рамките на класическата физика, беше необходимо да се намери привилегирована референтна система, в която уравненията на Максуел биха били точно удовлетворени и скоростта на светлината ще бъде равна на C във всички посоки. Следователно физиците от 19-ти век постулират съществуването на етер, чиято роля всъщност се свежда до създаването на физическа основа за такава привилегирована референтна система.

Бяха проведени експерименти за определяне на скоростта на движение на Земята през етера (като експеримента на Майкелсън-Морли). За да направите това, лъч светлина от източник, преминаващ през призма, беше разделен по посока на движението на Земята и перпендикулярно на нея. Според идеите, ако скоростите са еднакви, двата лъча ще стигнат до призмата едновременно и интензитетът на светлината ще се увеличи. Ако скоростите са различни, интензитетът на светлината ще отслабне. Резултатът от експеримента беше нулев, беше невъзможно да се определи скоростта на Земята спрямо етера.

Когато експериментите не потвърдиха предсказанията на простата теория на етера за свойствата на тази референтна система, Х. Лоренц, отново с цел да спаси класическата физика, предложи нова теория, която обяснява отрицателните резултати от такива експерименти като следствие от промените, настъпващи в измервателните инструменти, когато се движат спрямо етера. Той обясни несъответствието между резултатите от наблюдението и законите на Нютон с промените, които настъпват с инструментите, когато се движат със скорости, близки до C.

Лоренц предположи, че при движение със скорости, близки до скоростта на светлината, не могат да се използват галилееви трансформации, тъй като те не отчитат ефекта от високите скорости. Неговите трансформации за скорости, близки до скоростта на светлината, се наричат ​​"трансформации на Лоренц". Трансформациите на Галилей са частен случай на трансформациите на Лоренц за системи с ниски скорости.

Трансформациите на Лоренц имат формата:

В съответствие с трансформациите на Лоренц физическите величини - масата на тялото, дължината му по посока на движението и времето зависят от скоростите на движение на телата съгласно следните зависимости:

	Където М- телесна маса	Значението на тези трансформации на Лоренц гласи: увеличаване на телесното тегло при скорости, близки до светлинните намаляване на дължината на тялото при движение в посока, съвпадаща с вектора на скоростта увеличаване на времето между две събития или забавяне на времето
	Където Л- височина
	Където ∆t – интервал от време между две събития

Опитвайки се да намерим физическия смисъл на моделите, открити от Лоренц, можем да приемем, че в посоката x, съвпадаща с вектора на скоростта, всички тела са компресирани и колкото по-силно, толкова по-висока е скоростта на тяхното движение. Тоест, телата изпитват свиване поради сплескване на орбитите на електроните. Когато се достигнат субсветлинни скорости, можем да говорим за забавяне на времето в движеща се система. На този принцип се основава добре познатият парадокс на близнаците. Ако един от близнаците тръгне на космическо пътешествие за период от пет години на кораб с подсветлинна скорост, тогава той ще се върне на земята, когато брат му близнак е вече много стар човек. Ефектът от увеличаване на масата върху обект, движещ се със скорости, близки до скоростта на светлината, може да се обясни с увеличаването на кинетичната енергия на бързо движещо се тяло. В съответствие с идеите на Айнщайн за идентичността на масата и енергията, част от кинетичната енергия на тялото се превръща в масата му по време на движение.

Ако приложим трансформациите на Лоренц към уравненията на електродинамиката на Максуел, се оказва, че те са инвариантни спрямо такива трансформации.

Айнщайн използва трансформациите на Лоренц, за да развие своята теория на относителността.

Важна предпоставка за създаването на теорията на относителността бяха новите идеи за свойствата на пространството и времето.

В обикновеното съзнание времето се състои от обективно съществуваща естествена координация на последователни явления. Пространствените характеристики са положението на едни тела спрямо други и разстоянията между тях.

В теоретичната система на Нютон е ясно формулирана първата научна концепция за времето като обективна, независима същност - субстанциалната концепция за времето. Тази концепция произхожда от древните атомисти и процъфтява в доктрината на Нютон за абсолютното пространство и време. След Нютон именно тази концепция е водеща във физиката до началото на ХХ век. Нютон използва двоен подход към дефинирането на времето и пространството. Според този подход има както абсолютно, така и относително време.

Абсолютното, истинско и математическо време само по себе си, без връзка с нищо външно, тече равномерно и се нарича продължителност.

Относителното, видимо или обикновено време е мярка за продължителност, използвана в ежедневието вместо математическо време - това е час, месец, година и т.н.

Абсолютното време не може да се променя в неговия поток.

На ежедневно ниво е възможна система за отчитане на дълги периоди от време. Ако той предвижда реда на броене на дните в годината и в него е посочена ерата, тогава това е календар.

Релационната концепция за времето е толкова древна, колкото и субстанциалната концепция. Той е разработен в трудовете на Платон и Аристотел. Аристотел е първият, който дава подробна представа за тази концепция за времето в своята Физика. В тази концепция времето не е нещо независимо съществуващо, а е нещо, получено от по-фундаментална същност. За Платон времето е създадено от Бог, за Аристотел то е резултат от обективно материално движение. Във философията на новото време, като се започне от Декарт и се стигне до позитивистите от 19 век, времето е свойство или отношение, което изразява различни аспекти на дейността на човешкото съзнание.

Проблемът за пространството при по-внимателно разглеждане също се оказва труден. Пространството е логически възможна форма, която служи като среда, в която съществуват други форми и определени структури. Например в елементарната геометрия равнината е пространство, което служи като среда, където се изграждат различни, но плоски фигури.

В класическата механика на Нютон абсолютното пространство по своята същност, независимо от всичко външно, винаги остава едно и също и неподвижно. Той действа като аналог на празнотата на Демокрит и е арена на динамиката на физическите обекти.

Идеята на Аристотел за изотропното пространство се отклони от хомогенността и безкрайността на пространството на Демокрит. Според Аристотел и неговите последователи космосът придобива център - Земята, около която се въртят сфери, като най-отдалечената небесна сфера от звезди служи за граница на окончателното световно пространство. Аристотел отхвърля безкрайността на пространството, но се придържа към концепцията за безкрайното време. Тази концепция е изразена в идеята му за сферичното пространство на Вселената, което, макар и ограничено, не е крайно.

Класическото нютоново пространство се основава на идеята за неговата хомогенност. Това е основната идея на класическата физика, последователно развита в трудовете на Коперник, Бруно, Галилей и Декарт. Бруно вече изостави идеята за центъра на Вселената и я обяви за безкрайна и хомогенна. Тази идея достига своето завършване с Нютон. В едно хомогенно пространство идеята за абсолютното движение се променя, тоест тялото в него се движи поради инерция. Инерционните сили не възникват при липса на ускорение. Смисълът на праволинейното и равномерно движение се свежда до промяна на разстоянието между дадено тяло и произволно избрано опорно тяло. Праволинейното и равномерното движение е относително.

Исторически първото и най-важно математическо пространство е плоското евклидово пространство, което представлява абстрактен образ на реално пространство. Свойствата на това пространство са описани с помощта на 5 основни постулата и 9 аксиоми. Имаше слабо място в геометрията на Евклид, така нареченият пети постулат за непресичащите се успоредни прави. Математиците от древни и съвременни времена безуспешно се опитват да докажат тази позиция. През 18-19 век Д. Сакери, Ламбер и А. Лежандр се опитват да решат този проблем. Неуспешните опити да се докаже 5-ти постулат донесоха големи ползи. Математиците поеха по пътя на модифициране на концепциите за геометрията на евклидовото пространство. Най-сериозната модификация е въведена през първата половина на 19 век от Н. И. Лобачевски (1792 - 1856).

Той стигна до извода, че вместо аксиомата за две успоредни прави, може да се изложи директно противоположна хипотеза и на нейна основа да се създаде последователна геометрия. В тази нова геометрия някои твърдения изглеждаха странни и дори парадоксални. Например аксиомата на Евклид гласи: в равнина, през точка, която не лежи на дадена права, може да се начертае една и само една права, успоредна на първата. В геометрията на Лобачевски тази аксиома е заменена със следното: в равнина през точка, която не лежи на дадена права, може да се прекара повече от една права, която не пресича дадената. В тази геометрия сборът от ъглите на триъгълник е по-малък от две прави линии и т.н. Но въпреки външния парадокс, логически тези твърдения са напълно равни на евклидовите. Те коренно промениха представите за природата на космоса. Почти едновременно с Лобачевски до подобни заключения стигат унгарският математик Я. Бояй и известният математик К. Гаус. Съвременниците на учените бяха скептични към неевклидовата геометрия, считайки я за чиста фантазия. Римският математик Е. Белтрами обаче открива модел за неевклидова геометрия, която е псевдосферата:

Фигура 1. Псевдосфера

Следващата голяма стъпка в разбирането на природата на пространството е направена от Б. Риман (1826 - 1866). След като завършва университета в Гьотинген през 1851 г., той вече през 1854 г. (на 28 години) изнася доклад „За хипотезите, лежащи в основата на геометрията“, където дава обща представа за математическото пространство, в което геометриите на Евклид и Лобачевски бяха специални случаи. В n-мерното риманово пространство всички линии са разделени на елементарни сегменти, чието състояние се определя от коефициента g. Ако коефициентът е 0, тогава всички линии на този сегмент са прави - постулатите на Евклид работят. В други случаи пространството ще бъде извито. Ако кривината е положителна, тогава пространството се нарича риманово сферично. Ако е отрицателно, това е псевдосферично пространство на Лобачевски. Така до средата на 19 век мястото на плоското триизмерно евклидово пространство е заето от многомерно извито пространство. Концепциите за римановото пространство в крайна сметка послужиха като една от основните предпоставки за създаването на общата теория на относителността от Айнщайн.

Фиг. 2 Риманово сферично пространство

Окончателната подготовка на пространствено-геометричния фон на теорията на относителността е дадена от непосредствения учител на Айнщайн Г. Минковски (1864 - 1909), който формулира идеята за четириизмерен пространствено-времеви континуум, обединяващ физическото триизмерно пространство и време. Той се занимава активно с електродинамиката на движещите се медии, основана на електронната теория и принципа на относителността. Получените от него уравнения, по-късно наречени уравнения на Минковски, са малко по-различни от уравненията на Лоренц, но са в съответствие с експерименталните факти. Те представляват математическа теория на физическите процеси в четириизмерното пространство. Пространството на Минковски дава възможност за визуална интерпретация на кинематичните ефекти на специалната теория на относителността и е в основата на съвременния математически апарат на теорията на относителността.

Тази идея за единно пространство и време, по-късно наречена космическо време, и фундаменталната му разлика от независимото пространство и време на Нютон, очевидно е уловила Айнщайн много преди 1905 г. и не е пряко свързана нито с експеримента на Майкелсън, нито с теорията на Лоренц-Поанкаре.

През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува статия „За електродинамиката на движещи се тела“ в списание „Annals of Physics“ и друга малка статия, където формулата е показана за първи път E=mc2. Както по-късно започнаха да казват, това е основната формула на нашия век.

Статията по електродинамика представя теория, която изключва съществуването на привилегирована координатна система за праволинейно и равномерно движение. Теорията на Айнщайн изключва времето, независимо от пространствената референтна система, и изоставя класическото правило за добавяне на скорости. Айнщайн приема, че скоростта на светлината е постоянна и представлява ограничението на скоростта в природата. Той нарече тази теория "Специална теория на относителността".

Айнщайн развива своята теория въз основа на следните основни постулати:

• законите, според които се променят състоянията на физическите системи, не зависят от това към коя от двете координатни системи, движещи се една спрямо друга равномерно и праволинейно, се отнасят тези промени. Следователно, няма предпочитана референтна рамка за равномерно и праволинейно движение - принцип на относителността
• Всеки светлинен лъч се движи в неподвижна координатна система с определена скорост, независимо дали този светлинен лъч се излъчва от неподвижен или движещ се източник. Тази скорост е максималната скорост на взаимодействията в природата - постулат за постоянството на скоростта на светлината

От тези постулати излизат две следствия:

• ако събитията в рамка 1 се случват в една точка и са едновременни, тогава те не са едновременни в друга инерционна рамка. Това е принципът на относителността на едновременността
• за всякакви скорости 1 и 2, тяхната сума не може да бъде по-голяма от скоростта на светлината. Това е релативисткият закон за събиране на скоростите

Тези постулати - принципът на относителността и принципът на постоянството на скоростта на светлината - са в основата на специалната теория на относителността на Айнщайн. От тях той получава относителността на дължините и относителността на времето.

Същността на подхода на Айнщайн беше отхвърлянето на идеите за абсолютното пространство и време, на които се основава хипотезата за етера. Вместо това беше приет релационен подход към електромагнитните явления и разпространението на електромагнитно излъчване. Законите за движение на Нютон бяха изразени чрез едни и същи отношения във всички равномерно движещи се системи, свързани помежду си чрез трансформации на Галилей, а законът за инвариантност на наблюдаваната стойност на скоростта на светлината беше изразен чрез същата връзка във всички равномерно движещи се системи, свързани помежду си чрез трансформации на Лоренц.

Законите за движение на Нютон обаче не са инвариантни спрямо трансформациите на Лоренц. От това следва, че законите на Нютон не могат да бъдат истински закони на механиката (те са само приблизителни, валидни в граничния случай, когато съотношението v/cклони към нула).

Специалната теория на относителността обаче е валидна и за ограничени условия – за равномерно движещи се системи.

Айнщайн продължава развитието на специалната теория на относителността в своята работа „Законът за запазване на движението на центъра на тежестта и инерцията на тялото“. Той взе за основа заключението на Максуел, че светлинният лъч има маса, тоест, когато се движи, той оказва натиск върху препятствие. Това предположение е експериментално доказано от П. Н. Лебедев. В работата си Айнщайн обосновава връзката между маса и енергия. Той стигна до извода, че когато едно тяло излъчва енергия L, неговата маса намалява с количество, равно на L / V2. От това се направи общо заключение - масата на тялото е мярка за енергията, която се съдържа в него. Ако енергията се промени с количество, равно на L, тогава масата съответно се променя с количество L, разделено на квадрата на скоростта на светлината. Така за първи път се появява известната връзка на Айнщайн E = MC2.

През 1911-1916 г. Айнщайн успява да обобщи теорията на относителността. Теорията, създадена през 1905 г., както вече беше споменато, се нарича специална теория на относителността, т.к. важеше само за праволинейно и равномерно движение.

В общата теория на относителността бяха разкрити нови аспекти на зависимостта на пространствено-времевите отношения и материалните процеси. Тази теория осигурява физическа основа за неевклидовите геометрии и свързва кривината на пространството и отклонението на неговата метрика от евклидовата с действието на гравитационните полета, създадени от масите на телата.

Общата теория на относителността се основава на принципа на еквивалентността на инертните и гравитационните маси, чието количествено равенство е отдавна установено в класическата физика. Кинематичните ефекти, възникващи под въздействието на гравитационните сили, са еквивалентни на ефектите, възникващи под въздействието на ускорението. Така че, ако една ракета излети с ускорение от 3 g, тогава екипажът на ракетата ще се почувства така, сякаш се намира в тройно гравитационното поле на Земята.

Класическата механика не може да обясни защо инерцията и тежестта се измерват с една и съща величина - маса, защо тежката маса е пропорционална на инертната маса, защо, с други думи, телата падат с еднакво ускорение. От друга страна, класическата механика, обяснявайки силите на инерцията чрез ускорено движение в абсолютното пространство, смяташе, че това абсолютно пространство действа върху телата, но не се влияе от тях. Това доведе до идентифицирането на инерциалните системи като специални системи, в които се спазват само законите на механиката. Айнщайн обяви, че ускореното движение на система извън гравитационно поле и инерционното движение в гравитационно поле са фундаментално неразличими. Ускорението и гравитацията предизвикват физически неразличими ефекти.

Този факт е установен по същество от Галилей: всички тела се движат в гравитационно поле (при липса на съпротивление на околната среда) с еднакво ускорение, траекториите на всички тела с дадена скорост са еднакво извити в гравитационното поле. Поради това нито един експеримент не може да открие гравитационно поле в свободно падащ асансьор. С други думи, в референтна система, движеща се свободно в гравитационно поле в малка област от пространство-време, няма гравитация. Последното твърдение е една от формулировките на принципа на еквивалентността. Този принцип обяснява явлението безтегловност в космическите кораби.

Ако разширим принципа на еквивалентността към оптичните явления, това ще доведе до редица важни последствия. Това е явлението червено изместване и отклонение на светлинен лъч под въздействието на гравитационно поле. Ефектът на червеното отместване възниква, когато светлината се насочва от точка с по-голям гравитационен потенциал към точки с по-малък гравитационен потенциал. Тоест в този случай неговата честота намалява, а дължината на вълната се увеличава и обратно. Например слънчевата светлина, падаща върху Земята, ще пристигне тук с променена честота, при което спектралните линии ще се изместят към червената част на спектъра.

Изводът за промяната на честотата на светлината в гравитационното поле е свързан с ефекта на забавяне на времето в близост до големи гравитационни маси. Където полетата на сенките са по-големи, часовникът работи по-бавно.

Така се получава нов фундаментален резултат - скоростта на светлината вече не е постоянна величина, а нараства или намалява в гравитационното поле, в зависимост от това дали посоката на светлинния лъч съвпада с посоката на гравитационното поле.

Новата теория променя малко теорията на Нютон количествено, но въвежда дълбоки качествени промени. Инерцията, гравитацията и метричното поведение на телата и часовниците бяха сведени до едно свойство на полето, а обобщеният закон на инерцията пое ролята на закона за движението. В същото време беше показано, че пространството и времето не са абсолютни категории - телата и техните маси влияят върху тях и променят тяхната метрика.

Как може да си представим кривината на пространството и разширяването на времето, за които се говори в общата теория на относителността?

Нека си представим модел на пространството под формата на гумен лист (дори и да не е цялото пространство, а равнинното му парче). Ако разтегнем този лист хоризонтално и поставим големи топки върху него, тогава те ще огънат гумата, колкото повече, толкова по-голяма е масата на топката. Това ясно демонстрира зависимостта на кривината на пространството от масата на тялото и също така показва как могат да бъдат изобразени неевклидовите геометрии на Лобачевски и Риман.

Теорията на относителността установи не само кривината на пространството под въздействието на гравитационните полета, но и забавянето на времето в силно гравитационно поле. Светлината, която пътува по вълните на космоса, отнема повече време, отколкото за да се движи по плосък участък от пространството. Едно от най-фантастичните предсказания на общата теория на относителността е пълното спиране на времето в много силно гравитационно поле. Разширяването на времето се проявява в гравитационното червено изместване на светлината: колкото по-силна е гравитацията, толкова по-дълга е дължината на вълната и по-ниска е честотата. При определени условия дължината на вълната може да клони към безкрайност, а честотата й – към нула. Тези. светлината ще изчезне.

Със светлината, излъчвана от нашето Слънце, това може да се случи, ако нашата звезда се свие и се превърне в топка с диаметър 5 km (диаметърът на Слънцето е » 1,5 милиона km). Слънцето ще се превърне в „черна дупка“. Първоначално "черните дупки" бяха предсказани теоретично. Въпреки това през 1993 г. двама астрономи, Хълс и Тейлър, бяха удостоени с Нобелова награда за откриването на такъв обект в системата Черна дупка-Пулсар. Откриването на този обект беше още едно потвърждение на общата теория на относителността на Айнщайн.

Общата теория на относителността успя да обясни несъответствието между изчислената и истинската орбита на Меркурий. При него орбитите на планетите не са затворени, тоест след всяко завъртане планетата се връща в различна точка от пространството. Изчислената орбита на Меркурий дава грешка от 43??, т.е. наблюдава се въртенето на неговия перихелий (перихелият е точката на орбитата на планетата, която обикаля около нея най-близо до Слънцето.).

Само общата теория на относителността би могла да обясни този ефект с кривината на пространството под въздействието на гравитационната маса на Слънцето.

Идеите за пространството и времето, формулирани в теорията на относителността, са най-последователни и последователни. Но те разчитат на макрокосмоса, на опита от изучаването на големи обекти, големи разстояния, големи периоди от време. При изграждането на теории, които описват явленията на микросвета, теорията на Айнщайн може да не е приложима, въпреки че няма експериментални данни, които да противоречат на използването й в микросвета. Но е възможно самото развитие на квантовите концепции да изисква преразглеждане на разбирането на физиката на пространството и времето.

Понастоящем общата теория на относителността е общоприета теория в научния свят, която описва процеси, протичащи във времето и пространството. Но, както всяка научна теория, тя съответства на нивото на познанието за даден конкретен период. С натрупването на нова информация и получаването на нови експериментални данни, всяка теория може да бъде опровергана.

Общата и специалната теория на относителността (новата теория за пространството и времето) доведоха до факта, че всички референтни системи станаха равни, следователно всички наши идеи имат смисъл само в определена референтна система. Картината на света придоби относителен, относителен характер, модифицираха се ключови идеи за пространство, време, причинност, приемственост, отхвърли се недвусмисленото противопоставяне на субект и обект, възприятието се оказа зависимо от референтната рамка, която включва и двете субекта и обекта, метода на наблюдение и др.)

Въз основа на нов релативистичен подход към възприемането на природата е формулирана нова, трета природонаучна парадигма в историята на науката. Тя се основава на следните идеи:

• Ø Релативизъм– новата научна парадигма изостави идеята за абсолютно знание. Всички физически закони, открити от учените, са обективни в даден момент. Науката борави с ограничени и приблизителни понятия и се стреми само да разбере истината.
• Ø Неодетерминизъм- нелинеен детерминизъм. Най-важният аспект на разбирането на детерминизма като нелинеен е отхвърлянето на идеята за принудителна причинно-следствена връзка, която предполага наличието на така наречената външна причина за протичащите природни процеси. И необходимостта, и случайността получават равни права при анализиране на хода на природните процеси.
• Ø Глобален еволюционизъм– идеята за природата като постоянно развиваща се, динамична система. Науката започва да изучава природата не само от гледна точка на нейната структура, но и на процесите, протичащи в нея. В същото време се дава приоритет на изследването на процесите в природата.
• Ø Холизъм- виждане за света като единно цяло. Универсалният характер на връзката между елементите на това цяло (задължителна връзка).
• Ø Синергия– като изследователски метод, като универсален принцип на самоорганизация и развитие на отворени системи.
• Ø Установяване на разумен баланс между анализ и синтез при изучаване на природата. Учението разбра, че е невъзможно безкрайно да се раздробява природата на най-малките тухли. Неговите свойства могат да бъдат разбрани само чрез динамиката на природата като цяло.
• Ø Твърдението, че еволюцията на природата протича в четириизмерен пространствено-времеви континуум.

SRT, известна още като специалната теория на относителността, е усъвършенстван описателен модел за връзките между пространство-времето, движението и законите на механиката, създаден през 1905 г. от носителя на Нобелова награда Алберт Айнщайн.

Влизайки в катедрата по теоретична физика в Мюнхенския университет, Макс Планк се обръща за съвет към професор Филип фон Джоли, който по това време ръководи катедрата по математика в този университет. На което той получи съвет: „в тази област почти всичко вече е отворено и остава само да се закърпят някои не много важни проблеми“. Младият Планк отговорил, че не иска да открива нови неща, а само да разбере и систематизира вече познатите знания. В резултат от един такъв „не много важен проблем“ впоследствие се появи квантовата теория, а от друг – теорията на относителността, за която Макс Планк и Алберт Айнщайн получиха Нобелова награда по физика.

За разлика от много други теории, които се основават на физически експерименти, теорията на Айнщайн се основава почти изцяло на неговите мисловни експерименти и едва по-късно е потвърдена на практика. И така, през 1895 г. (на възраст само 16 години) той се замисли какво ще се случи, ако се движи успоредно на светлинен лъч с неговата скорост? В такава ситуация се оказа, че за външен наблюдател частиците светлина трябва да осцилират около една точка, което противоречи на уравненията на Максуел и принципа на относителността (който гласи, че физическите закони не зависят от мястото, където се намирате и от скоростта, с която се движите). Така младият Айнщайн стига до извода, че скоростта на светлината трябва да е недостижима за материално тяло и първата тухла е положена в основата на бъдещата теория.

Следващият експеримент е извършен от него през 1905 г. и се състои в това, че в краищата на движещ се влак има два импулсни източника на светлина, които светят едновременно. За външен наблюдател, минаващ покрай влак, и двете събития се случват едновременно, но за наблюдател, намиращ се в центъра на влака, тези събития ще изглеждат като че ли са се случили по различно време, тъй като светкавицата от началото на вагона ще пристигне по-рано от своя край (поради постоянната скорост на светлината).

От това той направи много смело и широкообхватно заключение, че едновременността на събитията е относителна. Той публикува изчисленията, получени въз основа на тези експерименти, в работата „За електродинамиката на движещите се тела“. Освен това, за движещ се наблюдател един от тези импулси ще има по-голяма енергия от другия. За да не се нарушава законът за запазване на импулса в такава ситуация при преминаване от една инерциална референтна система към друга, беше необходимо обектът едновременно със загубата на енергия да губи и маса. Така Айнщайн стига до формула, характеризираща връзката между маса и енергия E=mc 2 - която е може би най-известната физична формула в момента. Резултатите от този експеримент са публикувани от него по-късно същата година.

Основни постулати

Постоянство на скоростта на светлината– до 1907 г. са проведени експерименти за измерване с точност ±30 km/s (което е по-голямо от орбиталната скорост на Земята) и не са открили нейните промени през годината. Това беше първото доказателство за неизменността на скоростта на светлината, което впоследствие беше потвърдено от много други експерименти, както от експериментатори на земята, така и от автоматични устройства в космоса.

Принципът на относителността– този принцип определя неизменността на физичните закони във всяка точка на пространството и във всяка инерционна отправна система. Тоест, независимо дали се движите със скорост от около 30 km/s в орбитата на Слънцето заедно със Земята или в космически кораб далеч отвъд нейните граници - когато извършвате физически експеримент, винаги ще стигнете до същите резултати (ако вашият кораб е в това време не ускорява или забавя). Този принцип е потвърден от всички експерименти на Земята и Айнщайн мъдро смята, че този принцип е верен за останалата част от Вселената.

Последствия

Чрез изчисления, базирани на тези два постулата, Айнщайн стига до извода, че времето за наблюдател, който се движи в кораб, трябва да се забавя с увеличаване на скоростта и той, заедно с кораба, трябва да намалява по размер в посоката на движение (за да по този начин компенсира ефектите от движението и поддържа принципа на относителността). От условието за крайна скорост за материално тяло следва също така, че правилото за събиране на скорости (което имаше проста аритметична форма в механиката на Нютон) трябва да бъде заменено с по-сложни трансформации на Лоренц - в този случай, дори ако добавим две скорости до 99% от скоростта на светлината, ще получим 99,995% от тази скорост, но няма да я надвишим.

Състояние на теорията

Тъй като на Айнщайн му бяха необходими само 11 години, за да формира обща версия от определена теория, не бяха проведени експерименти, които директно да потвърдят SRT. Въпреки това, през същата година, когато беше публикувано, Айнщайн също публикува своите изчисления, които обясняват изместването на перихелия на Меркурий до част от процента, без да е необходимо да се въвеждат нови константи и други допускания, които се изискват от други теории, че обясни този процес. Оттогава правилността на общата теория на относителността е потвърдена експериментално с точност до 10 -20 и на нейна основа са направени много открития, което ясно доказва правилността на тази теория.

Първенство в отварянето

Когато Айнщайн публикува първите си трудове по специалната теория на относителността и започва да пише нейната обща версия, други учени вече са открили значителна част от формулите и идеите, залегнали в основата на тази теория. Така че да кажем, че трансформациите на Лоренц в обща форма са получени за първи път от Поанкаре през 1900 г. (5 години преди Айнщайн) и са кръстени на Хендрик Лоренц, който е получил приблизителна версия на тези трансформации, въпреки че дори в тази роля той е изпреварил Валдемар Фогт.

СПЕЦИАЛНА И ОБЩА ТЕОРИЯ НА ОТНОСИТЕЛНОСТ

Един от най-важните аспекти на съвременната физика, който е пряко свързан с нашия анализ на теологията, е концепцията за времето – неговия произход и отсъствието на единична или постоянна и непроменлива мярка за неговия поток. Поради важността на хронологията при тълкуването на Библията е много важно да се опитаме да разберем как теорията на относителността тълкува нашето възприятие за Вселената, нейната възраст и всичко, което се случва в нея. относителност на времето квантов фотон

Трудно е да се назове друга теория, която би имала толкова дълбоко въздействие върху нашето разбиране за света и неговото създаване като теорията на относителността (както специална, така и обща). Преди появата на тази теория времето винаги се е разглеждало като абсолютна категория. Времето, изминало от началото до завършването на даден процес, се счита независимо от това кой измерва неговата продължителност. Още преди 300 години Нютон формулира това убеждение много красноречиво: „Абсолютното, истинско и математическо време, само по себе си и по силата на своята природа, тече равномерно и независимо от всякакви външни фактори.“ Освен това времето и пространството се разглеждат като несвързани категории, които не си влияят по никакъв начин. И наистина, каква друга връзка може да съществува между разстоянието, разделящо две точки от пространството, и изтичането на времето, освен факта, че по-голямото разстояние изисква повече време за преодоляването му; проста и чиста логика.

Концепциите, предложени от Айнщайн в неговата специална теория на относителността (1905 г.) и по-късно в неговата обща теория на относителността (1916 г.), промениха нашето разбиране за пространството и времето толкова фундаментално, колкото светлината на включена лампа променя нашето възприятие за преди това затъмнена стая .

Дългото пътуване до прозрението на Айнщайн започва през 1628 г., когато Йоханес Кеплер открива любопитен феномен. Той забеляза, че опашките на кометите винаги са насочени в посока, обратна на Слънцето. Падащите звезди, очертаващи нощното небе, имат пламтяща опашка, както трябва да бъде, зад тях. По същия начин опашката се простира зад комета, когато се приближи до Слънцето. Но след като кометата преминава покрай Слънцето и започва обратния си полет към далечните райони на Слънчевата система, ситуацията се променя по най-драматичен начин. Опашката на кометата е пред основното й тяло. Тази снимка решително противоречи на самата концепция за опашка! Кеплер предположи, че позицията на опашката на кометата спрямо основното й тяло се определя от налягането на слънчевата светлина. Опашката има по-малка плътност от самата комета и следователно е по-податлива на налягането на слънчевата радиация от основното тяло на кометата. Радиацията от слънцето всъщност духа върху опашката и я отблъсква от слънцето. Ако не беше гравитационното привличане на основното тяло на кометата, малките частици, които изграждат опашката, биха били пометени. Откритието на Кеплер беше първата индикация, че радиацията - като светлината - може да има механична (в този случай отблъскваща) сила. Това беше много важна промяна в нашето разбиране за светлината, тъй като от това следва, че светлината, която винаги е била считана за нещо нематериално, може да има тегло или маса. Но едва 273 години по-късно, през 1901 г., е измерено налягането, упражнявано от светлинен поток. Е.Ф. Никълс и Дж. Хъл, осветявайки мощен лъч светлина върху огледало, окачено във вакуум, измерва изместването на огледалото в резултат на светлинен натиск. Това беше лабораторна аналогия на опашката на комета, отблъсната от слънчева светлина.

През 1864 г., изследвайки откритията на Майкъл Фарадей за електричеството и магнетизма, Джеймс Клерк Максуел предложи светлината и всички други форми на електромагнитно излъчване да се движат в пространството като вълни с една и съща фиксирана скорост7. Микровълните в микровълновата печка в нашата кухня, светлината, на която четем, рентгеновите лъчи, които позволяват на лекаря да види счупена кост, и гама лъчите, освободени от атомна експлозия, са електромагнитни вълни, различаващи се една от друга само в дължина на вълната и честота. Колкото по-голяма е енергията на излъчване, толкова по-къса е дължината на вълната и толкова по-висока е честотата. Във всички останали отношения те са идентични.

През 1900 г. Макс Планк предлага теория за електромагнитното излъчване, която е коренно различна от всички предишни. Преди това се смяташе, че енергията, излъчвана от нагрят обект, като червеното сияние на горещ метал, се излъчва равномерно и непрекъснато. Предполагаше се също, че процесът на излъчване продължава, докато цялата топлина се разсее напълно и обектът се върне в първоначалното си състояние - и това беше напълно потвърдено чрез охлаждане на нагрятия метал до стайна температура. Но Планк показа, че ситуацията е напълно различна. Енергията не се излъчва в равномерен и непрекъснат поток, а на отделни порции, сякаш нажежен метал се отдава от топлината си, изхвърляйки поток от малки горещи частици.

Планк предложи теория, според която тези частици представляват единични порции радиация. Той ги нарече „кванти“ и така се роди квантовата механика. Тъй като всяка радиация се движи с една и съща скорост (скоростта на светлината), скоростта на движение на квантите трябва да бъде същата. И въпреки че скоростта на всички кванти е една и съща, те не всички имат еднаква енергия. Планк предположи, че енергията на отделен квант е пропорционална на честотата на неговите трептения, докато се движи в пространството, подобно на малка гумена топка, която непрекъснато се свива и разширява, докато лети по своята траектория. Във видимия диапазон очите ни могат да измерват честотата на пулсация на кванта и ние наричаме тази мярка цвят. Благодарение на квантуваното излъчване на енергия леко нагрят обект започва да свети в червено, след което, когато температурата се повишава, той започва да излъчва други цветове от спектъра, съответстващи на по-високи енергии и честоти. Накрая излъчването му се превръща в смесица от всички честоти, които възприемаме като бял цвят на горещо тяло.

И тук се сблъскваме с парадокс – същата теория, която описва светлината като поток от частици, наречени кванти, едновременно описва енергията на светлината с помощта на честота (виж Фиг. 1). Но честотата се свързва с вълните, а не с частиците. Освен това знаем, че скоростта на светлината винаги е постоянна. Но какво се случва, ако обектът, излъчващ светлина, или наблюдателят, който открива тази светлина, се премести? Скоростта им ще бъде ли добавена или извадена от скоростта на светлината? Логиката ни казва, че да, трябва да се добавя или изважда, но тогава скоростта на светлината няма да е постоянна! Натискът, който светлината упражнява върху опашката на кометата или върху огледалото в експеримента на Никълс-Хъл, означава, че има промяна в инерцията (наричана още инерция) на светлината, когато тя удря повърхността. Поради тази причина всеки движещ се обект оказва натиск върху препятствието. Поток от вода от маркуч кара топка по земята, защото водата има маса и тази маса има скорост, която се превръща в нула в момента, в който потокът удари топката. В този случай импулсът на водата се предава на топката и топката се търкаля назад. Самата дефиниция на импулс (импулс) като произведение на масата (t) или теглото на обект и скоростта на неговото движение (v), или mv, изисква движещата се светлина да има маса. По някакъв начин тези вълнообразни частици светлина имат маса, въпреки че върху повърхността, върху която пада светлината, не остава материална следа. След като светлината се “разлее” върху повърхността, по нея не остава никаква “мръсотия”, от която може да се почисти. Досега все още се опитваме да създадем единна теория, която да обясни напълно този феномен на светлината и всяко друго излъчване.

Едновременно с изучаването на природата на лъчистата енергия се провеждат изследвания, свързани с разпространението на светлината. Изглеждаше логично, че тъй като светлината и другите форми на електромагнитно излъчване са в известен смисъл вълни, те ще се нуждаят от някакъв вид среда, в която тези вълни да могат да се разпространяват. Смятало се е, че вълните не могат да се разпространяват във вакуум. Точно както звукът се нуждаеше от определена материална субстанция, като въздуха, за да носи своята вълнообразна енергия, така и светлината изглежда изискваше някакво специално вещество, за да я разпространява. Някога се предполагаше, че Вселената трябва да бъде изпълнена с невидима и нематериална среда, която осигурява преноса на радиационна енергия през космическото пространство - например светлина и топлина от Слънцето към Земята. Тази среда се наричаше етер, който трябваше да запълни дори вакуума на космоса.

Постулатът за разпространението на светлината през етера позволи да се обясни парадоксът на постоянството на нейната скорост. Според това обяснение светлината трябва да се движи с постоянна скорост, не спрямо източника на светлина или наблюдателя, а спрямо този вездесъщ етер. За наблюдател, който се движи през етера, светлината може да се движи по-бързо или по-бавно в зависимост от посоката на движение спрямо посоката на светлината, но спрямо неподвижния етер скоростта на светлината трябва да остане постоянна.

Ориз. 1.

Същото важи и за разпространението на звука. Звукът преминава през неподвижен въздух на морското равнище с постоянна скорост от около 300 метра в секунда, независимо дали източникът на звук се движи или не. Звукът, подобен на експлозия, който издава самолет, когато пресича звуковата бариера, всъщност е резултат от това, че самолетът удря собствената си звукова вълна, докато го изпреварва, пътувайки по-бързо от 300 метра в секунда. В този случай източникът на звука, самолетът, се движи по-бързо от звука, който произвежда. Двойствената природа на светлината е такава, че ако поставим дупка с малък диаметър на пътя й, светлината се държи точно като океанска вълна, преминаваща през тесен вход на пристанище. И светлината, и океанската вълна, преминали през дупката, се разпространяват в кръгове от другата страна на дупката. От друга страна, ако светлината осветява повърхността на някакъв метал, тя се държи като поток от малки частици, бомбардиращи тази повърхност. Светлината избива електроните от метала един по един по същия начин, по който малките топчета, удрящи хартиена мишена, ще откъснат парчета хартия от нея, по едно парче на топче. Енергията на светлинната вълна се определя от нейната дължина. Енергията на светлинните частици се определя не от тяхната скорост, а от честотата, с която светлинните частици - фотоните - пулсират, докато се движат със скоростта на светлината.

Когато учените обсъждаха предполагаемите свойства на етера, които все още не бяха открити, никой не подозираше, че изтичането на времето е свързано с движението на светлината. Но това откритие беше точно зад ъгъла.

През 1887 г. Албърт Майкелсън и Едуард Морли публикуват резултатите от своя опит да наблюдават експериментално какво следва от теорията за етера8. Те сравняват общото време, необходимо на светлината да измине същото разстояние напред и назад в две посоки – успоредна и перпендикулярна на орбитата на Земята около Слънцето. Тъй като Земята се движи по своята орбита около Слънцето със скорост приблизително 30 километра в секунда, се предполагаше, че тя се движи със същата скорост спрямо етера. Ако светлинното излъчване се подчинява на същите закони, които управляват всички други вълни, движението на Земята спрямо етера би трябвало да е повлияло на времето за пътуване на светлината, измерено в техните експерименти. Този ефект не би трябвало да е по-различен от ефекта на силен вятър, отнасящ звук.

За всеобща изненада Майкелсън и Морли не записват и най-малката следа от въздействието на тази скорост от 30 километра в секунда. Първоначалният експеримент, както и следващите, технически по-усъвършенствани версии на същия експеримент, доведоха до напълно неочакван извод - движението на Земята не оказва влияние върху скоростта на светлината.

Това предизвика объркване. Скоростта на светлината (c) винаги е 299 792,5 километра в секунда, независимо дали светлинният източник или наблюдателят се движат или неподвижни. В допълнение към това, един и същ лъч светлина се държи и като вълна, и като частица, в зависимост от начина, по който се наблюдава. Сякаш стоим на кей и наблюдаваме вълните, които се надигат от океана, и изведнъж, в миг на око, обичайните гребени на вълните и каналите между тях се превръщат в поток от отделни водни топки , движещ се, пулсиращ, във въздуха над самото морско равнище. И в следващия момент топките изчезваха и вълните се появяваха отново.

През 1905 г., в разгара на това объркване, Алберт Айнщайн се появява на научната сцена със своята теория на относителността. През тази година Айнщайн публикува поредица от статии, които буквално променят разбирането на човечеството за нашата вселена. Пет години по-рано Планк предлага квантовата теория на светлината. Използвайки теорията на Планк, Айнщайн успя да обясни интересен феномен. Светлината, удряща повърхността на някои метали, освобождава електрони, което води до електрически ток. Айнщайн постулира, че този „фотоелектричен“ ефект е резултат от светлинни кванти (фотони), които буквално избиват електрони от техните орбити около атомното ядро. Оказва се, че фотоните имат маса, когато се движат (не забравяйте, че се движат със скоростта на светлината c), но тяхната „маса на покой“ е нула. Движещият се фотон има свойствата на частица - във всеки един момент той се намира в определена точка в пространството и също има маса и следователно, както веднъж предложи Кеплер, може да действа върху материални обекти, например опашката на комета; същевременно притежава свойствата на вълна - характеризира се с честота на трептене, която е пропорционална на нейната енергия. Оказа се, че материята и енергията са тясно свързани във фотона. Айнщайн открива тази връзка и я формулира в широко известно уравнение. Айнщайн заключава, че това уравнение се отнася за всички видове маса и форми на енергия. Тези разпоредби станаха основата на специалната теория на относителността.

Възприемането на тези идеи не е толкова просто и изисква значителни умствени усилия. Например, нека вземем определен обект. Масата (това, което обикновено наричаме "тегло") на неподвижен обект се нарича, на научен език, маса на покой. Сега нека бутнем силно този обект. Той ще започне да се движи с определена скорост и в резултат на това ще придобие кинетична енергия, толкова по-голяма, колкото по-висока е скоростта му. Но тъй като e в E=mc2 се отнася за всички форми на енергия, общата енергия на даден обект ще бъде сумата от неговата енергия на покой (свързана с масата на покой) и неговата кинетична енергия (енергията на неговото движение). С други думи, уравнението на Айнщайн изисква масата на обект действително да се увеличава с увеличаване на скоростта му.

И така, според теорията на относителността масата на обект се променя с промяната на скоростта му. При ниски скорости масата на обекта практически не се различава от масата на покой. Ето защо в нашата ежедневна дейност описанието на Нютон на законите на природата се оказва доста точно. Но за галактиките, които се движат бързо през космоса, или за субатомните частици в ускорител, ситуацията е напълно различна. И в двата случая скоростта на тези обекти може да бъде голяма част от скоростта на светлината и следователно промяната в техните маси може да бъде много, много значителна.

Този обмен между маса и енергия се обсъжда много красноречиво както от Стивън Уайнбърг в книгата му Първите три минути, така и от Нахманид в неговия коментар върху Битие. И двамата говорят за дуализъм маса-енергия, когато описват първите минути от живота на Вселената.

Специалната теория на относителността се основава на два постулата: принципа на относителността и постоянството на скоростта на светлината. Принципът на относителността, постулиран от Галилео Галилей преди 300 години, е усъвършенстван от Айнщайн. Този принцип гласи, че всички закони на физиката (които не са нищо повече от законите на природата) действат еднакво във всички системи, движещи се без ускорение, тоест равномерно и праволинейно. На езика на физиците такива системи се наричат ​​инерционни референтни системи.

Референтната рамка определя връзката на наблюдателя с външния свят. Принципът на относителността ни казва, че намирайки се в инерционна отправна система, не можем, използвайки законите на физиката, да определим дали самата система се движи, тъй като нейното движение по никакъв начин не влияе на резултатите от измерванията, направени в системата. . Ето защо не усещаме движение, когато летим с постоянна скорост в тихо време. Но, люлеейки се в люлеещ се стол, ние се оказваме в неинерционна референтна система; Тъй като скоростта и посоката на движение на люлеещия се стол се променят постоянно, ние можем да усетим движението си.

Всички сме се сблъсквали с примери за невъзможност за измерване на абсолютното движение. Например, стоим пред светофара и колата пред нас започва бавно да се търкаля назад. Или продължаваме напред? Първоначално е трудно да се разбере кой точно се движи. Нашият влак бавно и плавно започва да се движи по платформата. Събуждайки се от съня си, забелязваме, че влакът, който стои на съседния коловоз, започва бавно да се движи назад. Или поне на нас ни се струва, че е така. Докато нашата референтна система - нашата кола или влак - не започне да се движи с ускорение (престане да бъде инерционна система), не е ясно какво се движи и какво е в покой.

Тук може да изглежда, че има противоречие: Айнщайн ни е учил, че масата на обект е функция на неговата скорост, а сега твърдим, че не можем да определим движението, като измерваме как масата се променя под негово влияние. Но тук има много тънка разлика. Вътре в инерциалната отправна система всички величини остават непроменени. Когато се измерват от друга референтна система, която се движи спрямо първата, стойностите на размера и масата ще се променят. Ако всички части на Вселената се движат еднакво и равномерно, теорията на относителността няма да има нищо общо с темата на нашето изследване. Но това не е така. Именно способността да наблюдаваме едни и същи събития от различни референтни рамки играе важна роля в библейския анализ на космологията, който предприемаме.

Вторият елемент от основата на специалната теория на относителността е още по-труден за разбиране. Може дори да се каже, че е неразбираем до краен предел. Той заявява, че скоростта на светлината, c, е постоянна величина (c = 2,997925 x 108 метра в секунда във вакуум - винаги) и еднаква във всички отправни системи. Този факт беше разкрит от резултатите от експеримента Майкелсън-Морли. Ако се замислите върху смисъла на това твърдение, ще можете да оцените неговата дързост. Айнщайн се задължава да заяви, че независимо от скоростта на движение на наблюдателя към или далеч от светлинния източник, скоростта на светлината остава равна на същата c. Никоя друга форма на движение (като звукова вълна) няма това свойство. Това изглежда крайно нелогично.

Ако питчър хвърли топка на кетчър със скорост 90 мили в час, кетчърът вижда топката да идва към него с 90 мили в час. Сега, ако, противно на всички правила, хващачът тича към питчъра с 20 мили в час, скоростта на топката спрямо хващача ще бъде 110 мили в час (90 + 20). Скоростта на топката спрямо стомната ще бъде същата като преди, 90 мили в час. Следващия път, вместо да хвърли топката, питчърът показва на кетчера снимка на топката. Той се движи към уловителя със скоростта на светлината (c), тоест приблизително 300 милиона метра в секунда. Бързокракият ловец от своя страна се втурва към каната със скорост, равна на една десета от скоростта на светлината, тоест 30 милиона метра в секунда. И какво ще види този наш ловец? Изображение на топка, която се приближава към него с 330 милиона метра в секунда? Не! Именно това е парадоксът на светлината – предизвиква объркване, дразни, понякога дори вбесява, но в същото време ни освобождава.

Ловецът вижда изображението на топката, която се приближава към него точно със скоростта на светлината, 300 милиона метра в секунда, въпреки че той тича към нея и по този начин добавя собствената си скорост към скоростта на светлината. Светлината, независимо от скоростта на движение на наблюдателя спрямо източника на светлина, винаги се движи със скорост c. Винаги. И каква скорост на движение на изображението на топката записва неподвижен питчър? Точно така, също s. Как двама наблюдатели, единият движещ се, а другият неподвижен, записват еднаква скорост на светлината? Логиката и здравият разум казват, че това е невъзможно. Но относителността казва, че това е реалността. И тази реалност беше потвърдена в експеримента Майкелсън-Морли.

И двамата наблюдатели регистрират една и съща скорост на светлината, защото фактът на промените в масата, пространството и времето - колкото и непонятен да изглежда - е основен закон на релативистката механика и Вселената, в която живеем. Законите, управляващи тези промени, са такива, че в дадена система не се случва нищо, което изглежда абсурдно. Този, който е вътре в него, не забелязва никакви промени. Но, наблюдавайки друга система, която се движи покрай нас, виждаме, че размерите на обекта по посока на движение намаляват по отношение на същите размери на обекта, когато е в покой. Освен това часовниците, които показваха точното време, когато са били в покой, движещи се, започват да изостават от часовниците „в покой“ в нашата референтна система.

Комбинацията от постоянството на скоростта на светлината и принципа на относителността неизбежно води до забавяне на времето. Разширяването на времето може да се демонстрира с помощта на мисловен експеримент, подобен на този, използван от Айнщайн, когато той развива основните принципи на относителността. Пример за такъв мисловен експеримент е даден от Тейлър и Уилър в тяхната класическа книга "Физика на пространството и времето"0.

Нека разгледаме две отправни системи, едната от които е неподвижна, а другата се движи. Стационарната система е обикновена физическа лаборатория. Втората система е ракета, движеща се с висока скорост, напълно прозрачна и пропусклива, вътре в която има екипаж, състоящ се от абсолютно прозрачни и пропускливи учени. Ракетата, поради своята пълна прозрачност и пропускливост, може да премине през нашата лаборатория, без да влиза в никакво взаимодействие с нея и нейното съдържание. В лабораторията, от точка А (фиг. 2), възниква светлинен проблясък, който се движи диагонално към огледалото, разположено в точка М. Светлината, отразена от огледалото, също преминава диагонално към точка Б. Времето на пристигане на ракетата към лабораторията се определя по такъв начин, че в момента на пламна точка А на ракетата да съвпада с точка А на лабораторията. Нека скоростта на ракетата е такава, че точка А на ракетата да съвпадне с точка В на лабораторията в точния момент, когато проблясъкът на светлината достигне точка В. За наблюдателите в ракетата ще изглежда, че светлината, изпратена от точка А на ракетата преминава директно до точка B M и се връща обратно в точка A на ракетата. Тъй като скоростта на ракетата е постоянна (тя е инерционна система), хората в ракетата не знаят, че тя се движи.

Разстоянието, изминато от светлината, както се възприема от пътниците на ракетата, е 2y (от точка А до точка М и обратно). Същият път на светлината, видим за тези в лабораторията, е сумата от двете страни на триъгълника - от точка А до точка М и от точка М до точка В. Очевидно този път трябва да е по-голям от пътя, видим за пътниците на ракетата. Можем точно да изчислим разликата между тях с помощта на Питагоровата теорема. Така заключаваме, че пътят на светлината, наблюдаван от ракетата, е по-къс от пътя на светлината, наблюдаван от лабораторията.

Ориз. 2.

Нека си припомним, че скоростта на светлината и в двете системи е еднаква. Това е един от твърдо установените фундаментални принципи на теорията на относителността. Известно е също, че във всички случаи времето, прекарано в движение, е равно на изминатото разстояние, разделено на скоростта на движение. Времето, необходимо за изминаване на 100 мили при 50 мили в час, е два часа. Тъй като скоростта на светлината както за учените в лабораторията, така и за учените, движещи се в ракетата, е равна на една и съща c, а разстоянието, изминато от светлината в лабораторията, е по-голямо от разстоянието, изминато от нея в ракетата, интервалът от време между светкавицата трябва да има повече светлина в точка А и пристигането на светлина в точка Б в лабораторията, отколкото в ракетата.

Случи се само едно събитие. Имаше само един проблясък на светлина и светлината, наблюдавана в две референтни системи, завърши своето пътуване веднъж. Въпреки това, продължителността на това събитие е различна, когато се измерва в две различни референтни системи.

Тази разлика в измереното време се нарича релативистично забавяне на времето и именно това забавяне убедително изравнява шестте дни на Сътворението с 15-те милиарда години космология.

Концепциите, залегнали в общата теория на относителността, са развитие на идеи от специалната теория на относителността, но са по-сложни. Докато специалната теория на относителността се занимава с инерциални системи, общата теория на относителността се занимава както с инерциални, така и с неинерциални (ускорени) системи. В неинерционните системи външните сили - като гравитационните сили - влияят върху движението на обектите. Специално релативистично свойство на гравитацията, което е пряко свързано с проблема, който изучаваме, е, че гравитацията - също като скоростта - причинява забавяне на времето. Същият часовник на Луната работи по-бързо, отколкото на Земята, защото гравитацията на Луната е по-слаба. Както ще видим, гравитацията играе решаваща роля в помиряването на Сътворението и Големия взрив.

Силите на гравитационното привличане се усещат точно по същия начин като силите, които причиняват ускорение. Например при изкачващ се асансьор усещаме силата, с която подът притиска краката ни; тя всъщност ни избутва заедно с асансьора. Това се възприема като силата, която бихме почувствали, докато стоим в неподвижен асансьор, ако по някакъв начин гравитационното привличане на Земята внезапно се увеличи. Айнщайн смята, че тъй като гравитацията се възприема като всяка друга сила, която причинява промяна в движението, тя трябва да доведе до същите резултати. Тъй като ускоряващите сили причиняват промени в движението и забавяне на времето, промените в гравитацията също трябва да причиняват забавяне на времето.

Тъй като аспектът на забавянето на времето в теорията на относителността е много важен за проблема с обединяването на космологичния и библейския календар, много е важно да се покаже, че забавянето на времето действително съществува. В крайна сметка релативистичните промени стават забележими само в случаите, когато относителните скорости на движение се доближават до скоростта на светлината. Дори при 30 милиона метра в секунда, една десета от скоростта на светлината, забавянето на времето е по-малко от един процент.

Скорости, близки до скоростта на светлината, са рядкост в ежедневието, но са често срещани в космологията и физиката на високите енергии. Все пак трябва да се отбележи, че реалната възможност за измерване на забавянето на времето не прави самата идея по-достъпна за разбиране. Въпреки това, това ни позволява да го преместим от категорията на чисто теоретична концепция в сферата на емпиричните факти. Доста широк спектър от човешки дейности - от експерименти в лаборатории по физика на високи енергии до редовни полети на търговски авиокомпании - ни позволява да демонстрираме забавяне на времето.

Една от многото елементарни частици, които възникват по време на експерименти във физичните лаборатории, е мю-мезонът. Има период на полуразпад от една и половина микросекунди. Мю-мезоните обаче се появяват не само в лабораториите по физика на високи енергии, но и в горните слоеве на земната атмосфера, когато космическите лъчи се сблъскват с ядрата на атомите на атмосферния газ. Тъй като енергията на космическото излъчване е много висока, мю-мезоните в момента на тяхното образуване придобиват скорост, почти равна на скоростта на светлината. При такива високи скорости се получава забавяне на времето, което може да се измери. Дори когато се движат със скорост, близка до скоростта на светлината, на мю-мезоните са необходими 200 микросекунди, за да изминат 60-те километра от слоя на атмосферата, в който произхождат, до повърхността на Земята. Тъй като мю-мезонът има период на полуразпад от една и половина микросекунди, време на преминаване от 200 микросекунди покрива 133 от неговите полуживоти. Нека припомним, че през всеки такъв полупериод половината от останалите частици се разпадат. След 133 полупериода частта от мю-мезони, които трябва да оцелеят и да достигнат повърхността на Земята, ще бъде равна на "/2 x 1/2 x "/2 и така нататък 133 пъти, което е една милионна от милионната от една милиардна от една милиардна от броя на мю-мезоните, които са започнали своето пътуване.пътуване до повърхността на Земята. Това число е толкова малко, че почти никакъв мю-мезон не би трябвало да достигне Земята. По-голямата част от тях ще се разпаднат по пътя. Въпреки това, ако сравним броя на мю-мезоните, произведени в горните слоеве на атмосферата, с броя на мю-мезоните, достигащи повърхността на Земята, с изненада откриваме, че „/8 от първоначалния им брой успешно пристига до местоназначението си.“ Оцеляване“ от 1/8 мюона означава, че само три полупериода са завършени по време на тяхното пътуване от 60 km.Така, за мю мезон, движещ се близка до скоростта на светлината, изминалото (релативистично) време е само три полупериода - 4,5 микросекунди ( 3 x 1,5 микросекунди) За наблюдател на повърхността на Земята ще изминат поне 200 микросекунди - минималното време, необходимо за изминаване на 60 километра от горните слоеве на атмосферата до повърхността. и едно и също събитие се случва в два различни интервала от време - 4,5 микросекунди в референтната рамка на бързо движещ се мю-мезон и 200 микросекунди в референтната рамка на наблюдател, стоящ на повърхността. Запомнете още веднъж, че говорим за едно събитие. Но поради факта, че наблюдателят и наблюдаваният обект се движат един спрямо друг, за това едно събитие има два различни периода от време. И двете са абсолютно верни!

Но мю-мезоните са доста екзотични частици и един скептик може да се изкиска и да поклати глава невярващо. В крайна сметка никой наблюдател не може да пътува в компанията на мюони. Ние разчитаме само на техния полуживот като часовник, който се движи с тях.

Какво ще кажете за истински часовник и човек, който се движи с него и измерва забавянето на времето по най-директния начин? Това очевидно би изглеждало по-убедително. И точно това беше съобщено в престижното списание Science от Hafele и Keating12 от Университета на Вашингтон и Военноморската лаборатория на САЩ. Те изпратиха четири комплекта цезиеви часовници на самолети Boeing 707 и Concorde, собственост на TWA и Pan Am и извършващи редовни търговски полети по целия свят. Тези часовници са избрани, защото са изключително точни.

Земята се върти от запад на изток. Ако погледнем Земята от космоса, докато сме над нейния северен полюс, ще видим, че когато летим на изток, скоростта на самолета се добавя към скоростта на Земята. Както е предсказано от теорията на относителността, часовниците на борда на самолета са били зад същите часовници, намиращи се във Военноморската лаборатория на САЩ във Вашингтон (всички часовници, използвани в този експеримент, са предоставени от лабораторията). Когато лети на запад, скоростта на самолета се изважда от скоростта на въртене на Земята и в пълно съгласие с теорията на относителността часовниците на борда на този самолет са се преместили напред. Според Haefele и Keating, „В науката съответните емпирични факти са по-мощни от теоретичните аргументи. Тези резултати предоставят недвусмислено емпирично решение на известния парадокс на часовника."3

Не само възприемането на времето, но и действителното протичане на времето се променя в зависимост от относителното движение на наблюдателите. Във всяка една референтна рамка всичко изглежда съвсем нормално. Но когато две системи първо се разделят и след това се свържат отново и се сравняват показанията на часовника, протичането на времето в тях се оказва различно (действително „стареене“).

Особено интересен аспект от експериментите за забавяне на времето на Хефеле-Кийтинг беше, че те тестваха както специалната, така и общата теория на относителността. Според общата теория на относителността разликите в силата на гравитацията влияят върху продължителността по същия начин, както разликите в относителната скорост, както се постулира от специалната теория на относителността. Ефектът на гравитационното поле върху всеки обект е обратно пропорционален на квадрата на разстоянието между обектите. Когато разстоянието се удвои, гравитационното привличане намалява четирикратно. Колкото по-далеч е един обект от Земята, толкова по-слабо е привличането на Земята към него. Тъй като самолетите в полет са високо над земната повърхност (типичната височина на полета на Boeing 707 е 10 km, а Concorde е 20 km), гравитационният ефект на Земята върху часовниците на борда на самолета е различен от ефекта върху часовниците, които са били на повърхността на Земята в лабораториите на ВМС. Промените в часовниковото време, записани в експеримента, са в съответствие с прогнозите на общата теория на относителността (която отчита влиянието както на движението, така и на гравитацията).

Този експеримент, подобно на всички останали като него, доказа, че специалната и общата теория на относителността на Айнщайн описват правилно реалните характеристики на нашата Вселена. Относителността вече не е чиста теория. Относителността е доказан, емпирично доказан факт. С други думи, теорията на относителността се превърна в закон на относителността.

И сега, въз основа на този закон, въз основа на една от естествените науки, които описват Вселената, можем да продължим да обсъждаме първите шест дни от Сътворението - този период, в който естествената наука и теологията на пръв поглед си противоречат.

Нека разгледаме промените в отношенията между Твореца, Вселената и човека, настъпили от този момент, който наричаме „начало“. В същото време не трябва нито за миг да изпускаме от поглед, че разликата във времето може да бъде регистрирана само ако сравним наблюдението на едни и същи събития от две различни референтни системи. Но това не е достатъчно - необходимо е също или гравитационните сили в тези две отправни системи да се различават значително една от друга, или относителната скорост на тяхното движение да се доближава до 300 милиона метра в секунда, тоест скоростта на светлината. Вътре във всяка система, независимо от нейната относителна скорост или гравитационната сила, действаща в нея, всичко се случва в пълно съответствие със законите на Нютон, тоест всичко изглежда нормално и логично, точно както тук на Земята, въпреки че се втурваме с висока скорост в космоса.

Създателят е имал и все още има определен интерес в създаването на Вселената. Можем да предположим това въз основа на факта, че Вселената съществува. Не знаем обаче какъв е този интерес. Въпреки това можем да открием някои намеци за това, като анализираме взаимодействието между Създателя и Вселената през цялото време на нейното създаване и съществуване. Традиционната теология твърди, че ако Създателят е искал да създаде вселената с един замах, той би го направил. Но от библейския разказ става ясно, че неговият план не е бил да създаде напълно оформена вселена чрез едно действие. По някаква причина беше избран методът на постепенното развитие. И първите две глави на книгата "Битие" са посветени именно на описанието на поетапното формиране на Вселената.

Ако играем по правилата, според които Вселената функционира днес - и тези правила са физическите закони, които познаваме - тогава постепенното развитие на Вселената от първичната субстанция, съществувала в момента на Големия взрив, е било абсолютно необходимо за появата на човека. Но самата Земя и всичко, което съществува на нея, не са преки продукти на Големия взрив. Съвсем ясно ни е казано, че в самото начало Земята е била безформена и празна, или на иврит гоху и боху. Водещите физици на ядрените частици сега наричат ​​Т и В (тоху и боху) като двете оригинални „тухли“, от които е изградена цялата материя. Силата на Големия взрив буквално компресира тези GiBs във водород и хелий - в този момент почти не се образуват други елементи. И само алхимията на космоса впоследствие създава всички други елементи от тези първични водород и хелий.

Земята и цялата слънчева система са смесица от материя, достигнала до нас след безброй цикли на свръхкомпресия в дълбините на звездите. Това налягане компресира водорода и хелия толкова силно, че техните ядра се съединяват и разделят отново, образувайки по-тежки елементи като въглерод (наистина субстанцията на живота), желязо, уран и останалите 89 елемента, които изграждат Вселената. След това звездите избухнаха и изхвърлиха своите новообразувани елементи във Вселената, която алчно ги погълна, използвайки ги за създаване на други звезди. Раждането на звездите и тяхната смърт са били необходими, за да трансформират в крайна сметка водорода и хелия, образувани в първите моменти след Големия взрив, в елементите, необходими за създаването на живот във формата, с която сме запознати. В своите тълкувания на Библията коментатори като Маймонид и Раши обясняват, че Бог е създал и унищожил много светове в процеса на създаване на живот на Земята. Но тук не разчитам на Маймонид; Получих горната информация от астрофизиците Усли и Филипс.

И така, ако трябва да направим всичко в шестте дни преди появата на Адам, как можем да вместим всички цикли на формиране и унищожение на света в този период от време? Библейските коментатори, на които разчитаме, ясно заявяват, че първите шест дни от Сътворението са шест дни по 24 часа. Това означава, че някой, който следеше времето, след това трябваше да запише преминаването на същите тези 24 часа на ден. Но кой би могъл да присъства по това време, за да измери изтичането на времето? До момента, в който след шест дни се появи Адам, само Господ Бог можеше да следи часовника. И това е целият смисъл.

Когато нашата Вселена е създадена - до момента на появата на човека - Бог не е бил тясно свързан със Земята. През първите един или два дни от шестте дни на Сътворението, Земята дори още не е съществувала! Въпреки че Битие 1:1 заявява, че „В началото Бог създаде небето и земята“, следващият стих заявява, че Земята е празна и без форма. Първият стих от книгата Битие всъщност е много общо твърдение, което означава, че в самото начало е създадена първична субстанция, от която през следващите шест дни трябва да се образуват небето и земята. По-долу, в стих 31:17 от книгата „Изход“, това е казано по-ясно: „... за шест дни Господ създаде небето и земята...“. От какво бяха „направени” небето и земята през тези шест дни? От веществото, създадено "в началото" на тези шест дни. Тъй като в ранната Вселена не е имало Земя и не е имало възможност за тясна връзка или взаимно проникване на референтни системи, не е имало общ календар за Бог и за Земята.

Законът на относителността ни е научил, че дори не е възможно Бог да избере календар, който да е справедлив за всички части на Вселената или поне за ограничен брой от тях, които са изиграли роля в появата на човечеството. Законът на относителността, един от основните закони на Вселената, установен при нейното създаване, прави невъзможно съществуването на обща референтна рамка за Създателя и за всяка част от тази съвкупност от материя, която в крайна сметка се превърна в човечеството и планетата Земята, на която живее.

Знаем, че в съответствие със закона на относителността в разширяваща се Вселена е невъзможно да се опише времето, обхващащо определена последователност от събития в една част на Вселената, по такъв начин, че да е равно на времето на същите събития наблюдавани от друга част на Вселената. Разликите в движението и гравитационните сили на различни галактики или дори звезди в една и съща галактика превръщат абсолютното време в чисто локален феномен. Времето тече по различен начин в различните части на Вселената.

Библията е пътеводител, описващ пътуването на човечеството през живота и времето. За да внуши у човека признателност за физическото чудо на Вселената, това ръководство включва описание на процеса, довел от празна, безформена Вселена до дом, в който човечеството може да съществува. Но е почти невъзможно да се избере една времева рамка, за да се опише този процес, тъй като твърде много фактори пряко влияят върху скоростта на времето. Тези фактори включват гравитационните сили в много звезди, в чиито дълбини първичният водород и хелий са се трансформирали в елементите, лежащи в основата на живота, и движението на междугалактически газ, кондензиращ се в процеса на движение в мъглявината, а след това в звезди и свръхнова експлозии, бележещи смъртта и последващото прераждане на звездите, съставляващи Млечния път и масата на Земята. Изминаването на времето беше аспект от живота, който преди прозрението на Айнщайн погрешно смятахме за непроменим. Нереалистично е, не, просто е невъзможно един и същи часовник през всички векове да измерва възрастта на цялата тази космическа субстанция, от която сме съставени.

Одисеята на материята от субстанцията на Големия взрив до сегашното й състояние беше твърде сложна, твърде разнообразна, за да може изтичането на времето в нея да се измерва с един и същи часовник. Кой може да каже сега колко галактики или коя конкретна свръхнова в крайна сметка е довела до възникването на елементите, които изграждат нашите физически тела? Ние, хората, и всичко останало в Слънчевата система, включително Слънцето и планетите, сме фрагменти от отдавна изчезнали звезди. Ние буквално сме направени от звезден прах. За кои атоми на въглерод, азот или кислород се отнася това време? Към вашите или към атомите на вашия съсед? Тези, които са част от частица от кожата ви, или тези, които са в капка кръв? Вероятно всяка от тях е започнала в дълбините на различни звезди и следователно всяка от тях има своя уникална възраст. Трансформациите на космическата материя, настъпили преди образуването на Земята, са се случили в безброй звезди, едновременно и последователно. Всяка звезда, всяка свръхнова има своя собствена гравитация и своя собствена скорост на движение, и следователно своя собствена пространствено-времева референтна рамка.

Милиарди космически часовници тиктакаха (и все още тиктакат), всеки със собствено, локално правилно темпо. Всички те започнаха да тиктакат в един момент - момента на Големия взрив, и всички те едновременно достигнаха периода от време, когато се появи Адам. Но абсолютното, местно време, изминало от „началото“ до момента, в който всяка от тези частици материя е допринесла за създаването на човечеството, е много различно за всяка звезда и за всяка частица. Въпреки че трансформациите на материята започват и завършват по едно и също време, от теорията на Айнщайн следва, че възрастта на всяка дадена частица материя се различава значително от възрастта на другите частици материя, с които тя в крайна сметка се е съединила, образувайки слънчевата система, и след това човечеството. Нашите разсъждения не са повече или по-малко сложни от, да речем, откриването на 200 микросекунди в 4,5 микросекунди, които преминават, докато мю-мезоните, образувани в горните слоеве на атмосферата под въздействието на космическата радиация, достигнат повърхността на Земята. За 4,5 микросекунди минават 200 микросекунди. Този доказан факт може да бъде разбран по-добре чрез мисловния експеримент на Айнщайн, при който учени на борда на високоскоростна ракета и учени в стационарна лаборатория записват два различни периода от време за едно и също събитие. Тази ситуация няма нищо общо с изявлението на покойния W.K. Фийлдс, който каза, че през една дълга вечер е живял цяла седмица във Филаделфия15. Неговото изявление се отнася до сферата на емоционалните усещания; в нашия случай имаме работа с физически факт. Когато говорим за милиард години, нямаме предвид, че ги преживяваме като милиард години. Милиард години наистина са минали! Ако през същите тези шест дни имаше часовник в онази част от Вселената, която сега е заета от Земята, той не би отчел непременно 15 милиарда години. В ранната Вселена кривината на пространството и времето на това място вероятно е била напълно различна от сегашната.

За да се опише последователното развитие на Вселената, беше необходимо да се намери някакъв вид компромис. Като такъв компромис Създателят избра за времето преди появата на Адам своя собствена референтна система, в която цялата Вселена се възприема като едно цяло.

Сътворението на Адам е качествено различно от всички останали събития, съпътстващи създаването на Вселената. Това сигнализира за фундаментална промяна в отношението на Бог към Вселената. Ние знаем, че всички обекти във Вселената, органични и неорганични, одушевени и неодушевени, са съставени от материя, чийто произход може да бъде проследен до първичното сътворение. В този смисъл човечеството не прави изключение. Беше ни ясно обяснено, че материалният източник на нашия произход е „земният прах“. Всички живи същества (Битие 1:30), включително хората (Битие 2:7), получиха жива душа (нефеш на иврит). Но само на Адам беше дадено нещо ново, уникално за цялата Вселена – живото дихание на Бога (Битие 2:7).

И точно в този момент, когато Бог вдъхна в Адам своя дъх на живот (на еврейски нешама), Създателят и неговото творение станаха неразривно свързани един с друг. Именно в този момент от милиарди възможни часове беше безвъзвратно избран само един, с който оттук нататък трябваше да се измерва ходът на всички бъдещи събития.

На жаргона на релативистичните физици, в момента на появата на Адам, тази част от Вселената, която се превърна в местообитание на човека, започна да функционира в същата пространствено-времева референтна рамка като своя Създател. Започвайки от тази точка, хронологията на Библията и течението на времето на Земята се обединиха - общата пространствено-времева връзка между Бог и човека беше фиксирана.

Резултатите от тази нова връзка са очевидни от първия поглед върху библейския текст. Има паралелизъм между датите, към които Библията се отнася за събитията, настъпили след сътворението на Адам, и съответните археологически оценки на хронологията на същите събития. Бронзовата епоха на библейския календар и бронзовата епоха на археологията наистина съвпадат. Според Библията Асор е бил унищожен от Исус Навиев преди 3300 години; археологията, както се оказа след подробно проучване, датира това събитие в същия период. Частта от библейския календар, започваща със сътворението на Адам, изглежда доста логична в нашите очи, а откриването на свитъците от Мъртво море доказва, че Библията правилно описва събитията хиляди години преди съвременните археологически находки да ги потвърдят. Ако не познавахме закона на относителността и ако се опитахме да датираме събитията, случили се на Земята във времето след Адам от друга точка на Вселената, сега щяхме да се чудим защо в нашето възприятие миналото време се различава от това, което е записано по часовник на Земята.

През първите шест дни от съществуването на нашата Вселена Вечният часовник отмери 144 часа. Сега знаем, че този период от време не съвпада непременно със същия период от време, измерен в друга част на Вселената. Като обитатели на тази Вселена, ние оценяваме изтичането на времето с помощта на часовници, разположени в нашата локална референтна система; Такива часовници включват радиоактивно датиране, геоложки данни и измервания на скорости и разстояния в разширяващата се Вселена. Именно с тези часовници човечеството пътува във времето и пространството.

Когато Библията описва как нашата вселена се развива ден след ден през първите шест дни след Сътворението, тя всъщност говори за шест дни по 24 часа всеки. Но отправната система, в която бяха изчислени тези дни, включваше цялата Вселена. Тази първа седмица от Сътворението в никакъв случай не е приказка, предназначена да задоволи любопитството на едно дете, за да бъде изхвърлена като ненужна по-късно, с появата на мъдростта на възрастен. Точно обратното – съдържа намеци за събития, които човечеството едва сега започва да разбира.

Мъдреците от Библията отдавна предупреждават, че разбирането ни за събитията от първите шест дни на Сътворението няма да съответства на разбирането ни за природата във времената след появата на Адам. Те разбират това от описанието на съботната почивка, съдържащо се в Десетте заповеди. Ако сравним текста в Изход 20:11 с текста в Захария 5:11 и 2 Царе 21:10, виждаме, че и двата текста използват една и съща дума за почивка, но с различни нюанси. От начина, по който думата е използвана там, може да се заключи, че Бог всъщност не си е „почивал” през първата събота. По-скоро Създателят спря от работата си, за да изследва Вселената, създадена през първите шест дни. Нашето възприятие за това прекъсване, според Маймонид, е, че по всяко време, започвайки с тази първа събота, законите на природата, включително изтичането на времето, ще функционират по „нормален“ начин. Обратно, ходът на събитията, настъпили през първите шест дни, може да изглежда нелогичен, сякаш е имало нарушение на законите на природата и времето. Както виждаме, предсказанието на мъдреците, че ще възприемаме библейските и научните картини на ранната Вселена като противоречащи си, всъщност се е сбъднало.

Първата събота бележи началото на календара, който започва със сътворението на Адам. И точно тази част от календара отговаря на нашето логично възприемане на реалността. Благодарение на изключителния факт на относителността на времето, закона за относителността на Айнщайн, библейският календар е правилен за тези шест дни. Стана ненужно да обясняваме откриването на вкаменелости, като казваме, че Създателят умишлено ги е поставил там, където са били намерени, за да изпита вярата ни в акта на Сътворението или за да задоволи любопитството ни. Скоростта на радиоактивен разпад в скали, метеорити и вкаменелости правилно отразява изтичането на времето, но това изтичане на времето беше и продължава да се измерва от часовници, разположени в нашата земна референтна система. Времето, записано от тези часовници, е било и продължава да бъде само относително, тоест само локално, правилно. Други часовници, разположени в други референтни системи, приписват събитията, случващи се на Земята, на различни, но не по-малко правилни моменти във времето. И винаги ще бъде така, докато Вселената се подчинява на законите на природата.

ЛИТЕРАТУРА

• 1. Раши. „Коментари върху книгата Битие“. 1:1.
• 2. Нахманид. „Коментари върху Тората“. Битие 5:4.
• 3. „Археология и старозаветни изследвания“. Изд. Томас. (Томас, изд., Археология и изследване на Стария завет).
• 4. Нютон. "Математически принципи на естествената философия". (Нютон, Математически принципи на естествената философия).
• 5. Айнщайн. „Теория на относителността: специални и общи теории“. (Айнщайн, Теория на относителността: Специални и общи теории).
• 6. Коен. „Раждането на нова физика“. (Коен, Раждането на нова физика).
• 7. Пагели. "Перфектна симетрия." (Пейджълс, перфектна симетрия).
• 8. Шанкланд. „Експериментът Майкълсън-Морли“. (Шенкланд, „Експериментът Майкълсън-Морли“, Американски журнал по физика, 32 (1964):16).
• 9. Херман. „Произходът на квантовата теория“ (1899-1913). (Херман, Генезисът на квантовата теория (1899-1913)).
• 10. Тейлър и Уилър. "Физика на пространство-времето". (Тейлър и Уилър, Физика на пространството-време).
• 11. Haefele и Keating, „Around the World Atomic Clocks: Observations of Relativistic Time Shift“. (Хафеле и Кийтинг, „Атомни часовници по целия свят: наблюдавани релативистични печалби във времето.“ Science, 117 (1972): 168).
• 12. Усли и Филипс, „Свръхнова 1987A1.“ (Woosley и Phillips, “Supernova 1987A!” Science, 240 (1988): 750).
• 13. Маймонид. „Наставник на колебливите“, част 1, гл. 67.

Теорията на относителността е въведена от Алберт Айнщайн в началото на 20 век. Каква е неговата същност? Нека разгледаме основните моменти и опишем TOE на ясен език.

Теорията на относителността на практика елиминира несъответствията и противоречията на физиката от 20-ти век, наложи радикална промяна в идеята за структурата на пространство-времето и беше експериментално потвърдена в множество експерименти и изследвания.

Така TOE формира основата на всички съвременни фундаментални физични теории. Всъщност това е майката на съвременната физика!

Като начало си струва да се отбележи, че има 2 теории на относителността:

• Специална теория на относителността (СТО) – разглежда физическите процеси в равномерно движещи се обекти.
• Обща теория на относителността (ОТО) - описва ускоряващи се обекти и обяснява произхода на такива явления като гравитация и съществуване.

Ясно е, че STR се появи по-рано и по същество е част от GTR. Нека първо поговорим за нея.

STO с прости думи

Теорията се основава на принципа на относителността, според който всички закони на природата са еднакви по отношение на тела, които са неподвижни и се движат с постоянна скорост. И от такава на пръв поглед проста мисъл следва, че скоростта на светлината (300 000 m/s във вакуум) е еднаква за всички тела.

Например, представете си, че ви е даден космически кораб от далечното бъдеще, който може да лети с голяма скорост. На носа на кораба е инсталирано лазерно оръдие, способно да изстрелва фотони напред.

По отношение на кораба такива частици летят със скоростта на светлината, но спрямо неподвижен наблюдател изглежда, че трябва да летят по-бързо, тъй като и двете скорости се сумират.

В действителност обаче това не се случва! Външен наблюдател вижда фотони, пътуващи с 300 000 m/s, сякаш към тях не е добавена скоростта на космическия кораб.

Трябва да запомните: спрямо всяко тяло скоростта на светлината ще бъде постоянна стойност, независимо колко бързо се движи.

От това следват удивителни изводи като забавяне на времето, надлъжно свиване и зависимостта на телесното тегло от скоростта. Прочетете повече за най-интересните следствия от Специалната теория на относителността в статията на линка по-долу.

Същността на общата теория на относителността (ОТО)

За да го разберем по-добре, трябва отново да комбинираме два факта:

• Ние живеем в четириизмерно пространство

Пространството и времето са проявления на една и съща същност, наречена „континуум пространство-време“. Това е 4-измерно пространство-време с координатни оси x, y, z и t.

Ние, хората, не сме в състояние да възприемаме еднакво 4-те измерения. По същество ние виждаме само проекции на реален четириизмерен обект върху пространството и времето.

Интересното е, че теорията на относителността не твърди, че телата се променят, когато се движат. 4-измерните обекти винаги остават непроменени, но при относително движение техните проекции могат да се променят. И ние възприемаме това като забавяне на времето, намаляване на размера и т.н.

• Всички тела падат с постоянна скорост и не се ускоряват

Нека направим страшен мисловен експеримент. Представете си, че се возите в затворен асансьор и сте в състояние на безтегловност.

Тази ситуация може да възникне само по две причини: или сте в космоса, или свободно падате заедно с кабината под въздействието на земната гравитация.

Без да погледнете от кабината, е абсолютно невъзможно да се направи разлика между тези два случая. Просто в единия случай летиш равномерно, а в другия с ускорение. Ще трябва да познаете!

Може би самият Алберт Айнщайн си е мислил за въображаем асансьор и е имал една удивителна мисъл: ако тези два случая не могат да бъдат разграничени, тогава падането поради гравитацията също е равномерно движение. Движението е просто равномерно в четириизмерното пространство-време, но в присъствието на масивни тела (например) то е извито и равномерното движение се проектира в обичайното ни триизмерно пространство под формата на ускорено движение.

Нека да разгледаме друг по-прост, макар и не съвсем правилен пример за кривината на двумерното пространство.

Можете да си представите, че всяко масивно тяло създава някаква оформена фуния под себе си. Тогава другите тела, които летят покрай тях, няма да могат да продължат движението си по права линия и ще променят траекторията си според завоите на извитото пространство.

Между другото, ако тялото няма много енергия, тогава неговото движение може да се окаже затворено.

Заслужава да се отбележи, че от гледна точка на движещи се тела, те продължават да се движат по права линия, тъй като не усещат нищо, което да ги кара да се въртят. Те просто се озоваха в извито пространство и, без да го осъзнават, имат нелинейна траектория.

Трябва да се отбележи, че 4 измерения са огънати, включително времето, така че тази аналогия трябва да се третира с повишено внимание.

Така в общата теория на относителността гравитацията изобщо не е сила, а само следствие от кривината на пространство-времето. В момента тази теория е работеща версия за произхода на гравитацията и е в отлично съответствие с експериментите.

Изненадващи последици от общата теория на относителността

Светлинните лъчи могат да бъдат огънати, когато летят близо до масивни тела. Наистина в космоса са открити далечни обекти, които се „крият“ зад другите, но светлинните лъчи се огъват около тях, благодарение на което светлината достига до нас.

Благодарение на Алберт Айнщайн можете да разберете къде наблизо се намира библиотека или магазин.

И накрая, общата теория на относителността предсказва съществуването на черни дупки, около които гравитацията е толкова силна, че времето просто спира наблизо. Следователно светлината, която попада в черна дупка, не може да я напусне (отрази).

В центъра на черна дупка, поради колосална гравитационна компресия, се образува обект с безкрайно висока плътност, а това, изглежда, не може да съществува.

По този начин общата теория на относителността може да доведе до много противоречиви заключения, за разлика от , поради което мнозинството от физиците не я приеха напълно и продължиха да търсят алтернатива.

Но тя успява да предскаже много неща успешно, например скорошно сензационно откритие потвърди теорията на относителността и ни накара отново да си спомним за великия учен с изплезен език. Ако обичате науката, прочетете WikiScience.