Vispārējā un speciālā relativitātes teorija. Speciālā relativitātes teorija

Speciālā relativitātes teorija (STR) jeb daļējā relativitātes teorija ir Alberta Einšteina teorija, kas publicēta 1905. gadā darbā “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 Juni 1905).

Tas izskaidroja kustību starp dažādiem inerciālajiem atskaites sistēmām vai ķermeņu kustību, kas pārvietojas viens pret otru ar nemainīgu ātrumu. Šajā gadījumā neviens no objektiem nav jāuztver kā atskaites sistēma, bet tie ir jāuzskata attiecībā pret otru. SRT nodrošina tikai 1 gadījumu, kad 2 korpusi nemaina kustības virzienu un pārvietojas vienmērīgi.

SRT likumi pārstāj darboties, kad kāds no ķermeņiem maina savu trajektoriju vai palielina ātrumu. Šeit notiek vispārējā relativitātes teorija (GTR), kas sniedz vispārīgu objektu kustības interpretāciju.

Divi postulāti, uz kuriem balstās relativitātes teorija:

1. Relativitātes princips– Pēc viņa teiktā, visās esošajās atskaites sistēmās, kuras kustas viena pret otru nemainīgā ātrumā un nemaina virzienu, darbojas tie paši likumi.
2. Gaismas ātruma princips- Gaismas ātrums visiem novērotājiem ir vienāds un nav atkarīgs no viņu kustības ātruma. Tas ir lielākais ātrums, un dabā nekas nav lielāks. Gaismas ātrums ir 3*10^8 m/s.

Alberts Einšteins par pamatu izmantoja eksperimentālus, nevis teorētiskus datus. Tā bija viena no viņa panākumu sastāvdaļām. Jauni eksperimentālie dati kalpoja par pamatu jaunas teorijas radīšanai.

Kopš 19. gadsimta vidus fiziķi ir meklējuši jaunu noslēpumainu vidi, ko sauc par ēteri. Tika uzskatīts, ka ēteris var iziet cauri visiem objektiem, bet nepiedalās to kustībā. Saskaņā ar uzskatiem par ēteri, mainot skatītāja ātrumu attiecībā pret ēteri, mainās arī gaismas ātrums.

Einšteins, uzticoties eksperimentiem, noraidīja jaunas ētera vides koncepciju un pieņēma, ka gaismas ātrums vienmēr ir nemainīgs un nav atkarīgs no nekādiem apstākļiem, piemēram, no paša cilvēka ātruma.

Laika intervāli, attālumi un to vienmērīgums

Speciālā relativitātes teorija saista laiku un telpu. Materiālajā Visumā kosmosā ir zināmi 3: pa labi un pa kreisi, uz priekšu un atpakaļ, uz augšu un uz leju. Ja mēs pievienosim tiem vēl vienu dimensiju, ko sauc par laiku, tas veidos telpas-laika kontinuuma pamatu.

Ja pārvietojaties ar lēnu ātrumu, jūsu novērojumi nesaplūdīs ar cilvēkiem, kuri pārvietojas ātrāk.

Vēlāk veiktie eksperimenti apstiprināja, ka telpu, tāpat kā laiku, nevar uztvert vienādi: mūsu uztvere ir atkarīga no objektu kustības ātruma.

Enerģijas savienošana ar masu

Einšteins nāca klajā ar formulu, kas apvienoja enerģiju ar masu. Šo formulu plaši izmanto fizikā, un tā ir pazīstama ikvienam studentam: E=m*c², kurā E-enerģija; m - ķermeņa masa, c - ātrums gaismas izplatīšanās.

Ķermeņa masa palielinās proporcionāli gaismas ātruma pieaugumam. Ja jūs sasniedzat gaismas ātrumu, ķermeņa masa un enerģija kļūst bezizmēra.

Palielinot objekta masu, kļūst grūtāk panākt tā ātruma pieaugumu, t.i., ķermenim ar bezgala milzīgu materiālo masu ir nepieciešama bezgalīga enerģija. Bet patiesībā to nav iespējams sasniegt.

Einšteina teorija apvienoja divus atsevišķus noteikumus: masas stāvokli un enerģijas stāvokli vienā vispārīgā likumā. Tas ļāva pārvērst enerģiju materiāla masā un otrādi.

Ņūtona darbs ir lielas zinātniskas revolūcijas piemērs, radikālas izmaiņas gandrīz visās dabaszinātņu zinātniskajās idejās. No Ņūtona laikiem radās klasiskās fizikas paradigma, kas gandrīz 250 gadus kļuva par galveno un noteicošo uzskatu sistēmu zinātnē.

Ņūtona sekotāji sāka jēgpilni pilnveidot viņa atklātās konstantes. Pamazām sāka veidoties zinātniskās skolas, tika izveidotas novērošanas un analīzes metodes, dažādu dabas parādību klasifikācija. Instrumentus un zinātnisko aprīkojumu sāka ražot rūpnīcā. Periodiskie izdevumi sāka izdoties daudzās dabaszinātņu nozarēs. Zinātne ir kļuvusi par vissvarīgāko cilvēka darbības nozari.

Tātad Ņūtona mehānika un kosmoloģija nostiprinājās kā jauna pasaules uzskata pamats, aizstājot Aristoteļa mācību un viduslaiku skolas konstrukcijas, kas dominēja vairāk nekā tūkstoš gadus.

Tomēr līdz 19. gadsimta beigām sāka parādīties fakti, kas bija pretrunā dominējošajai paradigmai. Un galvenās neatbilstības atkal tika novērotas fizikā, tolaik visdinamiskāk attīstošajā zinātnē.

Klasisks šīs situācijas piemērs ir lorda Kelvina (Viljams Tomsons) izteikums, kurš 19. gadsimta pašās beigās atzīmēja, ka “to gadu klasiskās fizikas skaidrajās un mirdzošajās debesīs bija tikai divi mazi mākoņi”. Viens no tiem ir saistīts ar Miķelsona eksperimenta negatīvo rezultātu Zemes absolūtā ātruma noteikšanai, otrs - ar pretrunu starp teorētiskajiem un eksperimentālajiem datiem par enerģijas sadalījumu absolūtā melnā ķermeņa spektrā.

Kelvins parādīja neparastu ieskatu. Šīs neatrisinātās problēmas izraisīja gan Einšteina relativitātes teorijas, gan kvantu teorijas rašanos, kas veidoja jaunas dabaszinātņu paradigmas pamatu.

Var arī atzīmēt, ka klasiskās Ņūtona fizikas izmantošana neļāva precīzi aprēķināt Merkura orbītu, un Maksvela elektrodinamikas vienādojumi neatbilda klasiskajiem kustības likumiem.

Relativitātes teorijas radīšanas priekšnoteikums bija tieši jau minētās pretrunas. To risinājums kļuva iespējams, ieviešot jaunu relatīvistisku pieeju dabaszinātnēs.

Tas, kas parasti nav skaidri saprotams, ir fakts, ka vispārējā vēlme pēc relatīvas (vai relativistiskas) pieejas fizikālajiem likumiem sāka parādīties ļoti agrīnā mūsdienu zinātnes attīstības stadijā. Sākot ar Aristoteli, zinātnieki uzskatīja Zemi par kosmosa centrālo punktu, un sākotnējais laika moments tika uzskatīts par sākotnējo grūdienu, kas iekustināja pirmatnējo matēriju. Viduslaiku apziņā Aristoteļa idejas tika pieņemtas kā absolūts, taču 15. gadsimta beigās tās jau bija nonākušas pretrunā ar novērotajām dabas parādībām. Īpaši daudz neatbilstību sakrājušās astronomijā.

Pirmo nopietno mēģinājumu atrisināt pretrunas veica Koperniks, vienkārši pieņemot, ka planētas pārvietojas ap Sauli, nevis ap Zemi. Tas ir, pirmo reizi viņš noņēma Zemi no Visuma centra un atņēma telpai tās sākumpunktu. Tas faktiski bija sākums izšķirošai visas cilvēka domāšanas pārstrukturēšanai. Lai gan Koperniks Sauli novietoja šajā centrā, viņš tomēr spēra lielu soli, lai vēlāk cilvēki saprastu, ka pat Saule var būt tikai viena no daudzajām zvaigznēm un ka neviens centrs vispār nav atrodams. Tad, dabiski, radās līdzīga doma par laiku, un Visumu sāka uzskatīt par bezgalīgu un mūžīgu, bez jebkāda radīšanas brīža un bez jebkāda “gala”, uz kuru tas virzās.

Tieši šī pāreja noved pie relativitātes teorijas rašanās. Tā kā nav priviliģētu pozīciju telpā un priviliģētu momentu laikā, tad fizikālos likumus var vienādi attiecināt uz jebkuru punktu, kas tiek uzskatīts par centru, un no tiem izriet tādi paši secinājumi. Šajā ziņā situācija būtiski atšķiras no tās, kas notiek Aristoteļa teorijā, kur, piemēram, Zemes centram tika piešķirta īpaša loma kā punktam, uz kuru tiecas visa matērija. Relativizācijas tendence vēlāk tika atspoguļota Galileja un Ņūtona likumos

Galileo izteica domu, ka kustībai ir relatīvs raksturs. Tas ir, ķermeņu vienmērīgu un taisnu kustību var noteikt tikai attiecībā pret objektu, kas nepiedalās šādā kustībā.

Iedomāsimies garīgi, ka viens vilciens pabrauc garām otram nemainīgā ātrumā un bez grūdieniem. Turklāt aizkari ir aizvērti un nekas nav redzams. Vai pasažieri var pateikt, kurš vilciens brauc un kurš stāv? Viņi var novērot tikai relatīvu kustību. Šī ir klasiskā relativitātes principa galvenā ideja.

Kustības relativitātes principa atklāšana ir viens no lielākajiem atklājumiem. Bez viņa fizikas attīstība nebūtu iespējama. Saskaņā ar Galileja hipotēzi, inerciālā kustība un atpūta nav atšķiramas pēc to ietekmes uz materiālajiem ķermeņiem. Lai pārietu uz notikumu aprakstu kustīgā atskaites rāmī, bija nepieciešams veikt koordinātu transformācijas, t.s. "Galileo pārvērtības", kas nosaukti to autora vārdā.

Ņemsim, piemēram, kādu koordinātu sistēmu X, kas saistīts ar fiksētu atskaites sistēmu. Tagad iedomāsimies objektu, kas pārvietojas pa asi X nemainīgā ātrumā v. Koordinātas X " , t" , kas ņemti attiecībā pret šo objektu, pēc tam nosaka Galilejas transformācija

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

Īpaši ievērības cienīgs ir trešais vienādojums ( t" = t), saskaņā ar kuru pulksteņa ātrums nav atkarīgs no relatīvās kustības. Viens un tas pats likums attiecas gan uz veco, gan uz jauno atsauces sistēmu. Tas ir ierobežotais relativitātes princips. Mēs to sakām tāpēc, ka mehānikas likumi tiek izteikti ar vienādām attiecībām visās atskaites sistēmās, kuras savstarpēji saistītas ar Galilejas transformācijām.

Saskaņā ar Ņūtonu, kurš izstrādāja Galileo ideju par kustības relativitāti, visi fiziskie eksperimenti, kas veikti laboratorijā, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni (inerciāla atskaites sistēma), dos tādu pašu rezultātu kā miera stāvoklī.

Kā minēts iepriekš, neskatoties uz to gadu klasiskās fizikas panākumiem, ir uzkrāti daži fakti, kas ir pretrunā ar to.

Šie jaunie dati, kas atklāti 19. gadsimtā, noveda pie Einšteina relativistiskās koncepcijas.

Revolūcija fizikā sākās ar Rēmera atklājumu. Izrādījās, ka gaismas ātrums ir ierobežots un vienāds ar aptuveni 300 000 km/sek. Pēc tam Bredrijs atklāja zvaigžņu aberācijas fenomenu. Pamatojoties uz šiem atklājumiem, tika noskaidrots, ka gaismas ātrums vakuumā ir nemainīgs un nav atkarīgs no avota un uztvērēja kustības.

Kolosālais, bet joprojām ne bezgalīgais gaismas ātrums tukšumā izraisīja konfliktu ar kustības relativitātes principu. Iedomāsimies vilcienu, kas pārvietojas ar milzīgu ātrumu – 240 000 kilometru sekundē. Būsim vilciena priekšgalā, un aizmugurē iedegas spuldzīte. Padomāsim par to, kādi varētu būt rezultāti, mērot laiku, kas vajadzīgs gaismai, lai pārvietotos no viena vilciena gala līdz otram.

Šķiet, ka šī reize atšķirsies no tās, ko iekāpjam vilcienā miera stāvoklī. Faktiski attiecībā pret vilcienu, kas pārvietojas ar ātrumu 240 000 kilometru sekundē, gaismas ātrums (uz priekšu pa vilcienu) būtu tikai 300 000 - 240 000 = 60 000 kilometru sekundē. Šķiet, ka gaisma panāk galvas automašīnas priekšējo sienu, kas bēg no tās. Ja novietotu spuldzi vilciena priekšgalā un izmērītu laiku, kas nepieciešams, lai gaisma sasniegtu pēdējo vagonu, tad varētu šķist, ka gaismas ātrumam virzienā, kas ir pretējs vilciena kustībai, jābūt 240 000 + 300 000 = 540 000 kilometru sekundē (gaisma un astes automašīna virzās viens pret otru).

Tātad, izrādās, ka braucošā vilcienā gaismai būtu jāizplatās dažādos virzienos dažādos ātrumos, savukārt stāvošā vilcienā šis ātrums ir vienāds abos virzienos.

Šī iemesla dēļ Galilejas transformācijās Maksvela elektromagnētiskā lauka vienādojumiem nav nemainīgas formas. Tie apraksta gaismas un cita veida elektromagnētiskā starojuma izplatīšanos ar ātrumu, kas vienāds ar gaismas ātrumu C. Lai atrisinātu pretrunu klasiskās fizikas ietvaros, bija nepieciešams atrast priviliģētu atskaites sistēmu, kurā Maksvela vienādojumi būtu precīzi apmierināts, un gaismas ātrums būtu vienāds ar C visos virzienos . Tāpēc 19. gadsimta fiziķi postulēja ētera esamību, kura loma faktiski tika samazināta līdz fiziska pamata radīšanai šādai priviliģētai atskaites sistēmai.

Tika veikti eksperimenti, lai noteiktu Zemes kustības ātrumu caur ēteri (piemēram, Mihelsona-Morlija eksperiments). Lai to izdarītu, gaismas stars no avota, kas iet caur prizmu, tika sadalīts Zemes kustības virzienā un perpendikulāri tai. Saskaņā ar idejām, ja ātrumi ir vienādi, abi stari nonāks prizmā vienlaikus un palielināsies gaismas intensitāte. Ja ātrumi ir atšķirīgi, gaismas intensitāte vājinās. Eksperimenta rezultāts bija nulle, nebija iespējams noteikt Zemes ātrumu attiecībā pret ēteri.

Kad eksperimenti neapstiprināja vienkāršās ētera teorijas prognozes par šīs atskaites sistēmas īpašībām, H. Lorencs, atkal ar mērķi glābt klasisko fiziku, ierosināja jaunu teoriju, kas izskaidroja šādu eksperimentu negatīvos rezultātus kā izmaiņu sekas, kas rodas mērinstrumentos, kad tie pārvietojas attiecībā pret ēteri. Viņš skaidroja neatbilstību starp novērojumu rezultātiem un Ņūtona likumiem ar izmaiņām, kas rodas ar instrumentiem, pārvietojoties ar ātrumu tuvu C.

Lorencs ierosināja, ka, pārvietojoties ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, Galilejas transformācijas nevar izmantot, jo tās neņem vērā liela ātruma ietekmi. Viņa transformācijas ātrumiem, kas ir tuvu gaismas ātrumam, sauc par "Lorenca transformācijām". Galilejas transformācijas ir īpašs Lorenca transformāciju gadījums sistēmām ar mazu ātrumu.

Lorenca transformācijām ir šāda forma:

Saskaņā ar Lorenca transformācijām fizikālie lielumi - ķermeņa masa, tā garums kustības virzienā un laiks ir atkarīgi no ķermeņu kustības ātrumiem saskaņā ar šādām attiecībām:

	Kur M- ķermeņa masa	Šo Lorenca transformāciju nozīme saka: ķermeņa masas palielināšanās ātrumā tuvu gaismai ķermeņa garuma samazināšanās, pārvietojoties virzienā, kas sakrīt ar ātruma vektoru palielināt laiku starp diviem notikumiem vai palēnināt laiku
	Kur L- ķermeņa garums
	Kur ∆t – laika intervāls starp diviem notikumiem

Mēģinot atrast Lorenca atklāto modeļu fizisko nozīmi, varam pieņemt, ka x virzienā, kas sakrīt ar ātruma vektoru, visi ķermeņi ir saspiesti, un jo spēcīgāks, jo lielāks ir to kustības ātrums. Tas ir, ķermeņi piedzīvo kontrakcijas elektronu orbītu saplacināšanas dēļ. Kad tiek sasniegti sublight ātrumi, mēs varam runāt par laika dilatāciju kustīgā sistēmā. Uz šī principa balstās labi zināmais dvīņu paradokss. Ja kāds no dvīņiem uz pieciem gadiem dodas kosmosa ceļojumā uz kuģa vājā ātrumā, tad viņš atgriezīsies uz Zemes, kad viņa dvīņubrālis jau būs ļoti vecs cilvēks. Masas pieauguma ietekme uz objektu, kas pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, ir izskaidrojams ar ātri kustīga ķermeņa kinētiskās enerģijas pieaugumu. Saskaņā ar Einšteina idejām par masas un enerģijas identitāti, daļa no ķermeņa kinētiskās enerģijas kustības laikā tiek pārvērsta masā.

Ja Lorenca transformācijas piemērojam Maksvela elektrodinamikas vienādojumiem, izrādās, ka tie ir nemainīgi šādās transformācijās.

Einšteins izmantoja Lorenca transformācijas, lai izstrādātu savu relativitātes teoriju.

Svarīgs priekšnoteikums relativitātes teorijas radīšanai bija jaunas idejas par telpas un laika īpašībām.

Parastā apziņā laiks sastāv no objektīvi pastāvošas secīgu parādību dabiskas koordinācijas. Telpiskās īpašības ir dažu ķermeņu novietojums attiecībā pret citiem un attālumi starp tiem.

Ņūtona teorētiskajā sistēmā tika skaidri formulēts pirmais zinātniskais laika jēdziens kā objektīva, neatkarīga vienība - laika substanciālais jēdziens. Šis jēdziens cēlies no senajiem atomistiem un plaukst Ņūtona doktrīnā par absolūto telpu un laiku. Pēc Ņūtona šī koncepcija bija vadošā fizikā līdz pat divdesmitā gadsimta sākumam. Ņūtons izmantoja duālu pieeju laika un telpas definēšanai. Saskaņā ar šo pieeju pastāv gan absolūtais, gan relatīvais laiks.

Absolūtais, patiesais un matemātiskais laiks pats par sevi, bez jebkādas saistības ar kaut ko ārēju, plūst vienmērīgi un tiek saukts par ilgumu.

Relatīvais, šķietamais vai parastais laiks ir ilguma mērs, ko ikdienā izmanto matemātiskā laika vietā - tā ir stunda, mēnesis, gads utt.

Absolūto laiku nevar mainīt savā plūsmā.

Ikdienas līmenī ir iespējama sistēma ilgu laika periodu skaitīšanai. Ja tā paredz dienu skaitīšanas kārtību gadā un tajā ir norādīts laikmets, tad tas ir kalendārs.

Laika relāciju jēdziens ir tikpat sens kā substanciālais jēdziens. Tas tika izstrādāts Platona un Aristoteļa darbos. Aristotelis bija pirmais, kas sniedza detalizētu priekšstatu par šo laika jēdzienu savā fizikā. Šajā koncepcijā laiks nav kaut kas patstāvīgi pastāvošs, bet gan kaut kas atvasināts no fundamentālākas vienības. Platonam laiku radījis Dievs, Aristotelim tas ir objektīvas materiālās kustības rezultāts. Jauno laiku filozofijā, sākot ar Dekartu un beidzot ar 19. gadsimta pozitīvistiem, laiks ir īpašums vai attiecības, kas pauž dažādus cilvēka apziņas darbības aspektus.

Arī telpas problēma, rūpīgāk izpētot, izrādās sarežģīta. Telpa ir loģiski iedomājama forma, kas kalpo kā medijs, kurā pastāv citas formas un noteiktas struktūras. Piemēram, elementārajā ģeometrijā plakne ir telpa, kas kalpo kā medijs, kurā tiek konstruētas dažādas, bet plakanas figūras.

Ņūtona klasiskajā mehānikā absolūtā telpa pēc savas būtības neatkarīgi no visa ārējā vienmēr paliek nemainīga un nekustīga. Tas darbojas kā Demokrita tukšuma analogs un ir fizisko objektu dinamikas arēna.

Aristoteļa ideja par izotropo telpu atkāpās no Demokrita telpas viendabīguma un bezgalības. Pēc Aristoteļa un viņa sekotāju domām, kosmoss ieguva centru - Zemi ar sfērām, kas griežas ap to, un visattālākā zvaigžņu debess sfēra kalpoja par galīgās pasaules telpas robežu. Aristotelis noraida telpas bezgalību, bet pieturas pie bezgalīgā laika jēdziena. Šī koncepcija ir izteikta viņa idejā par Visuma sfērisko telpu, kas, lai arī ierobežota, nav ierobežota.

Klasiskā Ņūtona telpa ir balstīta uz ideju par tās viendabīgumu. Šī ir klasiskās fizikas pamatideja, kas konsekventi attīstīta Kopernika, Bruno, Galileja un Dekarta darbos. Bruno jau atteicās no idejas par Visuma centru un pasludināja to par bezgalīgu un viendabīgu. Šī ideja tika pabeigta ar Ņūtonu. Viendabīgā telpā mainās ideja par absolūtu kustību, tas ir, ķermenis tajā pārvietojas inerces dēļ. Inerces spēki nerodas, ja nav paātrinājuma. Taisnās un vienmērīgās kustības nozīme ir saistīta ar attāluma izmaiņām starp noteiktu ķermeni un patvaļīgi izvēlētu atskaites ķermeni. Taisnvirziena un vienmērīga kustība ir relatīva.

Vēsturiski pirmā un vissvarīgākā matemātiskā telpa ir plakana Eiklīda telpa, kas attēlo abstraktu reālās telpas attēlu. Šīs telpas īpašības ir aprakstītas, izmantojot 5 galvenos postulātus un 9 aksiomas. Eiklida ģeometrijā bija vājais punkts, tā sauktais piektais postulāts par nekrustojas paralēlām līnijām. Seno un jauno laiku matemātiķi nesekmīgi mēģināja pierādīt šo nostāju. 18. - 19. gadsimtā šo problēmu mēģināja atrisināt D. Sačeri, Lamberts un A. Leģendre. Neveiksmīgie mēģinājumi pierādīt 5. postulātu deva lielus ieguvumus. Matemātiķi izvēlējās Eiklīda telpas ģeometrijas jēdzienu modificēšanas ceļu. Nopietnāko modifikāciju 19. gadsimta pirmajā pusē ieviesa N. I. Lobačevskis (1792 - 1856).

Viņš nonāca pie secinājuma, ka divu paralēlu līniju aksiomas vietā var izvirzīt tieši pretēju hipotēzi un uz tās pamata izveidot konsekventu ģeometriju. Šajā jaunajā ģeometrijā daži apgalvojumi izskatījās dīvaini un pat paradoksāli. Piemēram, Eiklīda aksioma saka: plaknē caur punktu, kas neatrodas uz noteiktas taisnes, paralēli pirmajai var novilkt vienu un tikai vienu taisni. Lobačevska ģeometrijā šī aksioma ir aizstāta ar šādu: plaknē caur punktu, kas neatrodas uz noteiktas taisnes, var novilkt vairāk nekā vienu taisni, kas nekrustojas ar doto. Šajā ģeometrijā trijstūra leņķu summa ir mazāka par divām taisnēm utt. Bet, neskatoties uz ārējo paradoksu, loģiski šie apgalvojumi ir pilnīgi līdzvērtīgi eiklīda apgalvojumiem. Viņi radikāli mainīja priekšstatus par kosmosa būtību. Gandrīz vienlaikus ar Lobačevski pie līdzīgiem secinājumiem nonāca ungāru matemātiķis J. Boļajs un slavenais matemātiķis K. Gauss. Zinātnieku laikabiedri bija skeptiski noskaņoti pret ne-eiklīda ģeometriju, uzskatot to par tīru fantāziju. Tomēr romiešu matemātiķis E. Beltrami atrada modeli ne-eiklīda ģeometrijai, kas ir pseidosfēra:

Attēls 1. Pseido-sfēra

Nākamo lielo soli telpas būtības izpratnē veica B. Rīmanis (1826 - 1866). Beidzis Getingenes universitāti 1851. gadā, viņš jau 1854. gadā (28 gadi) sniedza referātu “Par ģeometrijas pamatā esošajām hipotēzēm”, kurā sniedza vispārīgu priekšstatu par matemātisko telpu, kurā atrodas Eiklida ģeometrijas. un Lobačevskis bija īpaši gadījumi. N-dimensionālajā Rīmaņa telpā visas taisnes tiek sadalītas elementārajos segmentos, kuru stāvokli nosaka koeficients g. Ja koeficients ir 0, tad visas līnijas šajā segmentā ir taisnas - darbojas Eiklida postulāti. Citos gadījumos telpa būs izliekta. Ja izliekums ir pozitīvs, tad telpu sauc par Rīmaņa sfērisku. Ja negatīvs, tā ir pseidosfēriska Lobačevska telpa. Tādējādi līdz 19. gadsimta vidum plakanās trīsdimensiju eiklīda telpas vietu ieņēma daudzdimensionāla izliekta telpa. Rīmaņa telpas jēdzieni galu galā kalpoja par vienu no galvenajiem priekšnoteikumiem Einšteina vispārējās relativitātes teorijas radīšanai.

2. att. Rīmaņa sfēriskā telpa

Galīgo relativitātes teorijas telpiski ģeometriskā fona sagatavošanu veica Einšteina tiešais skolotājs G. Minkovskis (1864 - 1909), kurš formulēja ideju par četrdimensiju telpas-laika kontinuums, apvienojot fizisko trīsdimensiju telpu un laiku. Viņš aktīvi iesaistījās kustīgu mediju elektrodinamikā, pamatojoties uz elektronisko teoriju un relativitātes principu. Viņa iegūtie vienādojumi, vēlāk saukti par Minkovska vienādojumiem, nedaudz atšķiras no Lorenca vienādojumiem, taču atbilst eksperimentāliem faktiem. Tie veido matemātisko teoriju par fizikāliem procesiem četrdimensiju telpā. Minkovska telpa ļauj vizuāli interpretēt speciālās relativitātes teorijas kinemātiskos efektus un ir mūsdienu relativitātes teorijas matemātiskā aparāta pamatā.

Šī ideja par vienotu telpu un laiku, vēlāk saukta telpas laiks, un tā būtiskā atšķirība no Ņūtona neatkarīgās telpas un laika, acīmredzot, Einšteinu notvēra ilgi pirms 1905. gada, un tā nav tieši saistīta ne ar Miķelsona eksperimentu, ne ar Lorenca-Puankarē teoriju.

1905. gadā Alberts Einšteins publicēja rakstu “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku” žurnālā “Annals of Physics” un vēl vienu nelielu rakstu, kurā pirmo reizi tika parādīta formula. E=mc2. Kā viņi vēlāk sāka teikt, šī ir mūsu gadsimta galvenā formula.

Rakstā par elektrodinamiku ir izklāstīta teorija, kas izslēdz priviliģētas koordinātu sistēmas pastāvēšanu taisnai un vienmērīgai kustībai. Einšteina teorija izslēdz laiku, kas nav atkarīgs no telpiskās atskaites sistēmas, un atsakās no klasiskā ātruma pievienošanas likuma. Einšteins pieņēma, ka gaismas ātrums ir nemainīgs un atspoguļo ātruma ierobežojumu dabā. Viņš sauca šo teoriju "Speciālā relativitātes teorija".

Einšteins izstrādāja savu teoriju, pamatojoties uz šādiem pamata postulātiem:

• likumi, saskaņā ar kuriem mainās fizisko sistēmu stāvokļi, nav atkarīgi no tā, uz kuru no abām koordinātu sistēmām, pārvietojoties viena pret otru vienmērīgi un taisni, šīs izmaiņas attiecas. Līdz ar to nav vēlama atskaites sistēma vienmērīgai un taisnai kustībai - relativitātes princips
• Katrs gaismas stars kustas stacionārā koordinātu sistēmā ar noteiktu ātrumu neatkarīgi no tā, vai šo gaismas staru izstaro nekustīgs vai kustīgs avots. Šis ātrums ir maksimālais mijiedarbības ātrums dabā - postulāts par gaismas ātruma noturību

No šiem postulātiem izriet divas sekas:

• ja notikumi 1. kadrā notiek vienā punktā un ir vienlaicīgi, tad tie nav vienlaicīgi citā inerciālajā kadrā. Tas ir vienlaicības relativitātes princips
• jebkuram ātrumam 1 un 2 to summa nevar būt lielāka par gaismas ātrumu. Šis ir ātrumu saskaitīšanas relativistiskais likums

Šie postulāti – relativitātes princips un gaismas ātruma noturības princips – ir Einšteina īpašās relativitātes teorijas pamatā. No tiem viņš iegūst garuma relativitāti un laika relativitāti.

Einšteina pieejas būtība bija ideju par absolūto telpu un laiku noraidīšana, uz kurām balstās ētera hipotēze. Tā vietā tika pieņemta relāciju pieeja elektromagnētiskajām parādībām un elektromagnētiskā starojuma izplatībai. Ņūtona kustības likumi tika izteikti ar vienādām attiecībām visās vienmērīgi kustīgās sistēmās, kuras savstarpēji saistītas ar Galilejas transformācijām, un novērotās gaismas ātruma vērtības nemainības likums tika izteikts ar vienādu attiecību visās vienmērīgi kustīgās sistēmās, kuras savstarpēji saistītas ar Lorenca transformācijām.

Tomēr Ņūtona kustības likumi Lorenca transformācijās nav nemainīgi. No tā izriet, ka Ņūtona likumi nevar būt īsti mehānikas likumi (tie ir tikai aptuveni, spēkā ierobežojošā gadījumā, kad attiecība v/c tiecas uz nulli).

Taču speciālā relativitātes teorija ir derīga arī ierobežotiem apstākļiem – vienmērīgi kustīgām sistēmām.

Einšteins turpināja speciālās relativitātes teorijas attīstību savā darbā “Ķermeņa smaguma centra un inerces kustības saglabāšanas likums”. Par pamatu viņš ņēma Maksvela secinājumu, ka gaismas staram ir masa, tas ir, kustoties, tas izdara spiedienu uz šķērsli. Šo pieņēmumu eksperimentāli pierādīja P. N. Ļebedevs. Savā darbā Einšteins pamatoja attiecības starp masu un enerģiju. Viņš nonāca pie secinājuma, ka tad, kad ķermenis izstaro enerģiju L, tā masa samazinās par summu, kas vienāda ar L / V2. No tā tika izdarīts vispārējs secinājums - ķermeņa masa ir tajā esošās enerģijas mērs. Ja enerģija mainās par daudzumu, kas vienāds ar L, tad masa attiecīgi mainās par summu L, kas dalīta ar gaismas ātruma kvadrātu. Šādi pirmo reizi parādās Einšteina slavenā sakarība E = MC2.

1911.-1916.gadā Einšteinam izdevās vispārināt relativitātes teoriju. 1905. gadā radītā teorija, kā jau minēts, tika saukta par speciālo relativitātes teoriju, jo. tas bija derīgs tikai taisnai un vienmērīgai kustībai.

Vispārējā relativitātes teorijā atklājās jauni telpas-laika attiecību un materiālo procesu atkarības aspekti. Šī teorija nodrošināja fizisko pamatu ne-eiklīda ģeometrijām un saistīja telpas izliekumu un tās metrikas novirzi no eiklīda ar ķermeņu masu radīto gravitācijas lauku darbību.

Vispārējā relativitātes teorija balstās uz inerciālo un gravitācijas masu ekvivalences principu, kura kvantitatīvā vienlīdzība jau sen tika noteikta klasiskajā fizikā. Kinemātiskie efekti, kas rodas gravitācijas spēku ietekmē, ir līdzvērtīgi efektiem, kas rodas paātrinājuma ietekmē. Tātad, ja raķete paceļas ar 3 g paātrinājumu, tad raķetes apkalpe jutīsies tā, it kā atrastos trīskāršā Zemes gravitācijas laukā.

Klasiskā mehānika nevarēja izskaidrot, kāpēc inerci un smagumu mēra ar vienu un to pašu lielumu - masu, kāpēc smagā masa ir proporcionāla inerciālajai masai, kāpēc, citiem vārdiem sakot, ķermeņi krīt ar tādu pašu paātrinājumu. No otras puses, klasiskā mehānika, skaidrojot inerces spēkus ar paātrinātu kustību absolūtā telpā, uzskatīja, ka šī absolūtā telpa iedarbojas uz ķermeņiem, bet to neietekmē. Tas noveda pie inerciālo sistēmu identificēšanas kā īpašas sistēmas, kurās tiek ievēroti tikai mehānikas likumi. Einšteins paziņoja, ka sistēmas paātrinātā kustība ārpus gravitācijas lauka un inerciālā kustība gravitācijas laukā ir principiāli neatšķirama. Paātrinājums un gravitācija rada fiziski neatšķiramas sekas.

Šo faktu būtībā konstatēja Galileo: visi ķermeņi pārvietojas gravitācijas laukā (ja nav vides pretestības) ar vienādu paātrinājumu, visu ķermeņu trajektorijas ar noteiktu ātrumu gravitācijas laukā ir vienādi izliektas. Sakarā ar to neviens eksperiments nevar atklāt gravitācijas lauku brīvi krītošā liftā. Citiem vārdiem sakot, atskaites sistēmā, kas brīvi pārvietojas gravitācijas laukā nelielā laika telpas reģionā, gravitācijas nav. Pēdējais apgalvojums ir viens no līdzvērtības principa formulējumiem. Šis princips izskaidro bezsvara fenomenu kosmosa kuģos.

Ja mēs ekvivalences principu attiecinām uz optiskām parādībām, tas radīs vairākas svarīgas sekas. Tas ir sarkanās nobīdes un gaismas stara novirzes fenomens gravitācijas lauka ietekmē. Sarkanās nobīdes efekts rodas, ja gaisma tiek virzīta no punkta ar lielāku gravitācijas potenciālu uz punktiem ar mazāku gravitācijas potenciālu. Tas ir, šajā gadījumā tā frekvence samazinās un viļņa garums palielinās un otrādi. Piemēram, uz Zemes krītošā saules gaisma šeit ieradīsies ar mainītu frekvenci, kurā spektra līnijas nobīdīsies uz spektra sarkano daļu.

Secinājums par gaismas frekvences izmaiņām gravitācijas laukā ir saistīts ar laika dilatācijas efektu lielu gravitācijas masu tuvumā. Kur ēnu lauki ir lielāki, pulkstenis darbojas lēnāk.

Tādējādi ir iegūts jauns fundamentāls rezultāts - gaismas ātrums vairs nav nemainīgs lielums, bet palielinās vai samazinās gravitācijas laukā atkarībā no tā, vai gaismas stara virziens sakrīt ar gravitācijas lauka virzienu.

Jaunā teorija nedaudz mainīja Ņūtona teoriju kvantitatīvi, taču tā ieviesa dziļas kvalitatīvas izmaiņas. Inerce, gravitācija un ķermeņu un pulksteņu metriskā uzvedība tika samazināta līdz vienai lauka īpašībai, un vispārinātais inerces likums pārņēma kustības likuma lomu. Tajā pašā laikā tika parādīts, ka telpa un laiks nav absolūtas kategorijas - ķermeņi un to masas tos ietekmē un maina to metriku.

Kā var iedomāties telpas izliekumu un laika dilatāciju, par ko runā vispārējā relativitātes teorijā?

Iedomāsimies telpas modeli gumijas loksnes formā (pat ja tā nav visa telpa, bet tās plaknes šķēle). Ja šo palagu izstiepsim horizontāli un uzliksim lielas bumbiņas, tad tās salocīs gumiju, jo vairāk, jo lielāka bumbiņas masa. Tas skaidri parāda telpas izliekuma atkarību no ķermeņa masas, kā arī parāda, kā var attēlot Lobačevska un Rīmaņa ne-eiklīda ģeometrijas.

Relativitātes teorija noteica ne tikai telpas izliekumu gravitācijas lauku ietekmē, bet arī laika palēnināšanos spēcīgā gravitācijas laukā. Gaismai, kas pārvietojas pa kosmosa viļņiem, ir nepieciešams ilgāks laiks, nekā tas pārvietojas pa plakanu telpas šķēli. Viena no fantastiskākajām vispārējās relativitātes teorijas prognozēm ir pilnīga laika apstāšanās ļoti spēcīgā gravitācijas laukā. Laika dilatācija izpaužas gaismas gravitācijas sarkanajā nobīdē: jo spēcīgāka ir gravitācija, jo garāks ir viļņa garums un zemāka frekvence. Noteiktos apstākļos viļņa garums var būt līdz bezgalībai, bet tā frekvence - līdz nullei. Tie. gaisma pazudīs.

Ar mūsu Saules izstaroto gaismu tas varētu notikt, ja mūsu zvaigzne saruktu un pārvērstos par bumbu ar diametru 5 km (Saules diametrs ir » 1,5 miljoni km). Saule pārvērstos par "melno caurumu". Sākumā “melnie caurumi” tika prognozēti teorētiski. Tomēr 1993. gadā diviem astronomiem Hulsam un Teiloram tika piešķirta Nobela prēmija par šāda objekta atklāšanu Melnā cauruma-Pulsāra sistēmā. Šī objekta atklāšana bija vēl viens Einšteina vispārējās relativitātes teorijas apstiprinājums.

Vispārējā relativitāte spēja izskaidrot neatbilstību starp aprēķinātajām un patiesajām Merkura orbītām. Tajā planētu orbītas nav slēgtas, tas ir, pēc katras apgrieziena planēta atgriežas citā kosmosa punktā. Aprēķinātā Merkura orbīta deva kļūdu 43??, tas ir, tika novērota tā perihēlija rotācija (perihēlijs ir planētas orbītas punkts, kas riņķo ap to vistuvāk Saulei.).

Tikai vispārējā relativitātes teorija šo efektu varētu izskaidrot ar telpas izliekumu Saules gravitācijas masas ietekmē.

Relativitātes teorijā formulētās idejas par telpu un laiku ir viskonsekventākās un konsekventākās. Bet viņi paļaujas uz makrokosmu, uz pieredzi, pētot lielus objektus, lielus attālumus, lielus laika periodus. Veidojot teorijas, kas apraksta mikropasaules parādības, Einšteina teorija var nebūt piemērojama, lai gan nav eksperimentālu datu, kas būtu pretrunā ar tās izmantošanu mikropasaulē. Taču iespējams, ka kvantu jēdzienu attīstība prasīs pārskatīt telpas un laika fizikas izpratni.

Pašlaik vispārējā relativitātes teorija ir zinātniskajā pasaulē vispārpieņemta teorija, kas apraksta laikā un telpā notiekošos procesus. Bet, tāpat kā jebkura zinātniska teorija, tā atbilst zināšanu līmenim konkrētajā periodā. Uzkrājoties jaunai informācijai un iegūstot jaunus eksperimentālos datus, jebkura teorija var tikt atspēkota.

Vispārējā un speciālā relativitātes teorija (jaunā telpas un laika teorija) noveda pie tā, ka visas atskaites sistēmas kļuva vienādas, tāpēc visām mūsu idejām ir jēga tikai noteiktā atskaites sistēmā. Pasaules attēls ieguva relatīvu, relatīvu raksturu, tika modificētas galvenās idejas par telpu, laiku, cēloņsakarību, nepārtrauktību, tika noraidīta nepārprotama subjekta un objekta opozīcija, uztvere izrādījās atkarīga no atskaites sistēmas, kas ietver gan subjekts un objekts, novērošanas metode utt.)

Balstoties uz jaunu relativistisku pieeju dabas uztverei, tika formulēta jauna, trešā dabaszinātņu paradigma zinātnes vēsturē. Tas ir balstīts uz šādām idejām:

• Ø Relatīvisms– jaunā zinātniskā paradigma atteicās no idejas par absolūtām zināšanām. Visi zinātnieku atklātie fizikālie likumi ir objektīvi noteiktā laikā. Zinātne nodarbojas ar ierobežotiem un aptuveniem jēdzieniem un tikai cenšas saprast patiesību.
• Ø Neodeterminisms- nelineārais determinisms. Vissvarīgākais determinisma kā nelineāra izpratnes aspekts ir piespiedu cēloņsakarības idejas noraidīšana, kas paredz tā sauktā ārēja cēloņa klātbūtni notiekošajiem dabas procesiem. Analizējot dabas procesu norisi, gan nepieciešamība, gan nejaušība saņem vienādas tiesības.
• Ø Globālais evolucionisms– ideja par dabu kā pastāvīgi attīstošu, dinamisku sistēmu. Zinātne sāka pētīt dabu ne tikai no tās struktūras viedokļa, bet arī no tajā notiekošajiem procesiem. Vienlaikus priekšroka tiek dota dabā notiekošo procesu izpētei.
• Ø Holisms- redzējums par pasauli kā vienotu veselumu. Šī veseluma elementu savienojuma universālais raksturs (obligāts savienojums).
• Ø Sinerģija– kā pētniecības metode, kā universāls pašorganizācijas un atvērto sistēmu attīstības princips.
• Ø Saprātīga līdzsvara noteikšana starp analīzi un sintēzi, pētot dabu. Mācība saprata, ka dabu nav iespējams bezgalīgi sasmalcināt mazākajos ķieģeļos. Tās īpašības var izprast tikai caur dabas dinamiku kopumā.
• Ø Apgalvojums, ka dabas evolūcija notiek četrdimensiju telpas-laika kontinuumā.

SRT, kas pazīstama arī kā īpašā relativitātes teorija, ir sarežģīts aprakstošs modelis telpas-laika, kustības un mehānikas likumu attiecībām, ko 1905. gadā izveidoja Nobela prēmijas laureāts Alberts Einšteins.

Stājoties Minhenes universitātes teorētiskās fizikas nodaļā, Makss Planks vērsās pēc padoma pie profesora Filipa fon Džolija, kurš tajā laikā vadīja šīs universitātes matemātikas nodaļu. Uz ko viņš saņēma padomu: "šajā jomā gandrīz viss jau ir atvērts, un atliek tikai aizlāpīt dažas ne pārāk svarīgas problēmas." Jaunais Planks atbildēja, ka nevēlas atklāt jaunas lietas, bet tikai vēlas saprast un sistematizēt jau zināmās zināšanas. Rezultātā no vienas šādas “ne pārāk svarīgas problēmas” vēlāk radās kvantu teorija, bet no citas – relativitātes teorija, par kuru Nobela prēmiju fizikā saņēma Makss Planks un Alberts Einšteins.

Atšķirībā no daudzām citām teorijām, kas balstījās uz fiziskiem eksperimentiem, Einšteina teorija gandrīz pilnībā balstījās uz viņa domu eksperimentiem un tikai vēlāk tika apstiprināta praksē. Tāpēc 1895. gadā (tikai 16 gadu vecumā) viņš domāja par to, kas notiktu, ja viņš virzītos paralēli gaismas staram tā ātrumā? Šādā situācijā izrādījās, ka ārējam novērotājam gaismas daļiņām vajadzēja svārstīties ap vienu punktu, kas bija pretrunā Maksvela vienādojumiem un relativitātes principam (kas noteica, ka fiziskie likumi nav atkarīgi no vietas, kur atrodaties un ātrums, ar kādu jūs pārvietojaties). Tādējādi jaunais Einšteins nonāca pie secinājuma, ka materiālam ķermenim gaismas ātrumam jābūt nesasniedzamam, un pirmais ķieģelis tika likts nākotnes teorijas pamatā.

Nākamo eksperimentu viņš veica 1905. gadā, un tas sastāvēja no tā, ka kustīga vilciena galos ir divi impulsa gaismas avoti, kas iedegas vienlaikus. Ārējam novērotājam, kas iet garām vilcienam, abi šie notikumi notiek vienlaikus, bet novērotājam, kurš atrodas vilciena centrā, šie notikumi, šķiet, ir notikuši dažādos laikos, jo gaismas uzliesmojums no vagona sākuma ieradīsies agrāk nekā no tā beigām (konstanta gaismas ātruma dēļ).

No tā viņš izdarīja ļoti drosmīgu un tālejošu secinājumu, ka notikumu vienlaicīgums ir relatīvs. Viņš publicēja aprēķinus, kas iegūti, pamatojoties uz šiem eksperimentiem, darbā “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku”. Turklāt kustīgam novērotājam vienam no šiem impulsiem būs lielāka enerģija nekā otram. Lai šādā situācijā, pārejot no vienas inerciālās atskaites sistēmas uz otru, netiktu pārkāpts impulsa nezūdamības likums, bija nepieciešams, lai objekts vienlaikus ar enerģijas zudumu zaudētu arī masu. Tādējādi Einšteins nonāca pie formulas, kas raksturo attiecības starp masu un enerģiju E=mc 2 - kas, iespējams, šobrīd ir slavenākā fiziskā formula. Šī eksperimenta rezultātus viņš publicēja vēlāk tajā pašā gadā.

Pamatpostulāti

Gaismas ātruma noturība– līdz 1907. gadam tika veikti eksperimenti, lai mērītu ar precizitāti ±30 km/s (kas bija lielāka par Zemes orbītas ātrumu), un tā izmaiņas gada laikā netika konstatētas. Šis bija pirmais pierādījums gaismas ātruma nemainīgumam, ko vēlāk apstiprināja daudzi citi eksperimenti, gan eksperimentētāji uz zemes, gan automātiskās ierīces kosmosā.

Relativitātes princips– šis princips nosaka fizisko likumu nemainīgumu jebkurā telpas punktā un jebkurā inerciālā atskaites sistēmā. Tas ir, neatkarīgi no tā, vai jūs pārvietojaties ar ātrumu aptuveni 30 km/s Saules orbītā kopā ar Zemi vai kosmosa kuģī tālu aiz tās robežām - veicot fizisku eksperimentu, jūs vienmēr nonāksit pie tādi paši rezultāti (ja jūsu kuģis atrodas šajā laikā, tas nepaātrina vai nepalēninās). Šo principu apstiprināja visi eksperimenti uz Zemes, un Einšteins gudri uzskatīja, ka šis princips ir patiess pārējam Visumam.

Sekas

Veicot aprēķinus, kas balstīti uz šiem diviem postulātiem, Einšteins nonāca pie secinājuma, ka novērotājam, kurš pārvietojas kuģī, jāpalēninās, palielinoties ātrumam, un viņam līdz ar kuģi ir jāsamazinās izmēros kustības virzienā (lai tādējādi kompensējot kustības ietekmi un saglabājot relativitātes principu). No nosacījuma par ierobežotu ātrumu materiālam ķermenim arī izrietēja, ka ātrumu pievienošanas noteikums (kuram Ņūtona mehānikā bija vienkārša aritmētiskā forma) jāaizstāj ar sarežģītākām Lorenca transformācijām - šajā gadījumā pat tad, ja pievienojam divus ātrumus. līdz 99% no gaismas ātruma, mēs iegūsim 99,995% no šī ātruma, bet mēs to nepārsniegsim.

Teorijas statuss

Tā kā Einšteinam bija nepieciešami tikai 11 gadi, lai izveidotu vispārīgu versiju no konkrētas teorijas, netika veikti eksperimenti, lai tieši apstiprinātu SRT. Tomēr tajā pašā gadā, kad tas tika publicēts, Einšteins publicēja arī savus aprēķinus, kas izskaidro Merkura perihēlijas nobīdi līdz procenta daļai, bez nepieciešamības ieviest jaunas konstantes un citus pieņēmumus, kas tika prasīti citās teorijās. paskaidroja šo procesu. Kopš tā laika vispārējās relativitātes teorijas pareizība ir eksperimentāli apstiprināta ar precizitāti 10 -20, un uz tās pamata ir izdarīti daudzi atklājumi, kas skaidri pierāda šīs teorijas pareizību.

Čempionāts atklāšanā

Kad Einšteins publicēja savus pirmos darbus par īpašo relativitātes teoriju un sāka rakstīt tās vispārīgo versiju, citi zinātnieki jau bija atklājuši ievērojamu daļu no formulām un idejām, kas ir šīs teorijas pamatā. Tātad, pieņemsim, ka Lorenca transformācijas vispārējā formā pirmo reizi ieguva Puankarē 1900. gadā (5 gadus pirms Einšteina), un tās tika nosauktas Hendrika Lorenca vārdā, kurš saņēma šo transformāciju aptuveno versiju, lai gan pat šajā lomā viņš apsteidza Valdemāru Vogu.

SPECIĀLĀ UN VISPĀRĒJĀ RELATIVITĀTE

Viens no svarīgākajiem mūsdienu fizikas aspektiem, kas ir tieši saistīts ar mūsu teoloģijas analīzi, ir laika jēdziens – tā izcelsme un viena vai nemainīga un nemainīga tā plūsmas mēra neesamība. Tā kā Bībeles interpretācijā ir svarīga hronoloģija, ir ļoti svarīgi mēģināt saprast, kā relativitātes teorija interpretē mūsu uztveri par Visumu, tā vecumu un visu, kas tajā notiek. laika relativitātes kvantu fotons

Grūti nosaukt citu teoriju, kas tik dziļi ietekmētu mūsu izpratni par pasauli un tās radīšanu kā relativitātes teorija (gan īpašā, gan vispārējā). Pirms šīs teorijas parādīšanās laiks vienmēr tika uzskatīts par absolūtu kategoriju. Laiks, kas pagājis no procesa sākuma līdz beigām, tika uzskatīts par neatkarīgu no tā, kurš mērīja tā ilgumu. Pat pirms 300 gadiem Ņūtons ļoti daiļrunīgi formulēja šo pārliecību: "Absolūtais, patiesais un matemātiskais laiks pats par sevi un sava rakstura dēļ plūst vienmērīgi un neatkarīgi no ārējiem faktoriem." Turklāt laiks un telpa tika uzskatīti par nesaistītām kategorijām, kas viena otru nekādi neietekmēja. Un patiešām, kāda cita saikne varētu pastāvēt starp attālumu, kas atdala divus telpas punktus, un laika ritējumu, ja neskaita to, ka lielāka attāluma pārvarēšanai vajadzēja vairāk laika; vienkārša un tīra loģika.

Jēdzieni, ko Einšteins ierosināja savā īpašajā relativitātes teorijā (1905) un vēlāk vispārējā relativitātes teorijā (1916), mainīja mūsu izpratni par telpu un laiku tikpat būtiski kā ieslēgtas lampas gaisma maina mūsu priekšstatu par iepriekš aptumšotu telpu. .

Garais ceļš uz Einšteina ieskatu sākās 1628. gadā, kad Johanness Keplers atklāja kuriozu parādību. Viņš pamanīja, ka komētu astes vienmēr ir vērstas virzienā, kas ir pretējs Saulei. Krītošajām zvaigznēm, kas izseko naksnīgajās debesīs, aiz muguras, kā vajadzētu, spīd aste. Tādā pašā veidā aste stiepjas aiz komētas, kad tā tuvojas Saulei. Bet pēc tam, kad komēta šķērso Sauli un sāk savu atgriešanās lidojumu uz tālākajiem Saules sistēmas apgabaliem, situācija mainās visdramatiskāk. Komētas aste atrodas tās galvenā ķermeņa priekšā. Šis attēls ir galīgi pretrunā pašam astes jēdzienam! Keplers ierosināja, ka komētas astes stāvokli attiecībā pret tās galveno ķermeni nosaka saules gaismas spiediens. Astei ir mazāks blīvums nekā pašai komētai, un tāpēc tā ir vairāk pakļauta saules starojuma spiedienam nekā komētas galvenais korpuss. Saules starojums faktiski pūš uz asti un nospiež to prom no saules. Ja ne komētas galvenā korpusa pievilkšanās spēks, sīkās daļiņas, kas veido asti, tiktu aizslaucītas prom. Keplera atklājums bija pirmā norāde, ka starojumam – piemēram, gaismai – varētu būt mehānisks (šajā gadījumā atgrūdošs) spēks. Tās bija ļoti svarīgas izmaiņas mūsu izpratnē par gaismu, jo no tā izriet, ka gaismai, kas vienmēr tika uzskatīta par kaut ko nebūtisku, var būt svars vai masa. Taču tikai 273 gadus vēlāk, 1901. gadā, tika izmērīts gaismas straumes radītais spiediens. E.F. Nikolss un Dž.F. Korpuss, spodrinot jaudīgu gaismas staru uz vakuumā pakārtu spoguli, izmērīja spoguļa nobīdi gaismas spiediena rezultātā. Šī bija laboratorijas analoģija ar komētas asti, ko nospiež saules gaisma.

1864. gadā, izpētot Maikla Faradeja atklājumus par elektrību un magnētismu, Džeimss Klerks Maksvels ierosināja, ka gaisma un visi citi elektromagnētiskā starojuma veidi pārvietojas kosmosā kā viļņi ar tādu pašu fiksētu ātrumu7. Mikroviļņi mūsu virtuves mikroviļņu krāsnī, gaisma, kurā mēs lasām, rentgena stari, kas ļauj ārstam redzēt lauztu kaulu, un gamma stari, ko izdala atomu sprādziens, ir elektromagnētiskie viļņi, kas atšķiras tikai viens no otra. viļņa garumā un frekvencē. Jo lielāka ir starojuma enerģija, jo īsāks viļņa garums un augstāka frekvence. Visos citos aspektos tie ir identiski.

1900. gadā Makss Planks ierosināja elektromagnētiskā starojuma teoriju, kas būtiski atšķīrās no visām iepriekšējām. Iepriekš tika uzskatīts, ka karsēta objekta, piemēram, karsta metāla sarkanā mirdzuma, izstarotā enerģija tiek izstarota vienmērīgi un nepārtraukti. Tika arī pieņemts, ka starojuma process turpinājās, līdz viss siltums bija pilnībā izkliedēts un objekts atgriezās sākotnējā stāvoklī - un tas tika pilnībā apstiprināts, atdzesējot sakarsēto metālu līdz istabas temperatūrai. Taču Planks parādīja, ka situācija ir pavisam cita. Enerģija netiek izstarota vienmērīgā un nepārtrauktā plūsmā, bet gan atsevišķās daļās, it kā karsts metāls atdotu savu siltumu, izspiežot sīku karstu daļiņu plūsmu.

Planks ierosināja teoriju, saskaņā ar kuru šīs daļiņas ir atsevišķas starojuma daļas. Viņš tos sauca par "kvantiem", un tā radās kvantu mehānika. Tā kā jebkurš starojums pārvietojas ar tādu pašu ātrumu (gaismas ātrumu), kvantu kustības ātrumam jābūt vienādam. Un, lai gan visu kvantu ātrums ir vienāds, tiem nav vienāda enerģija. Planks ierosināja, ka atsevišķa kvanta enerģija ir proporcionāla tā svārstību biežumam, kad tas pārvietojas telpā, piemēram, niecīga gumijas bumbiņa, kas, lidojot pa savu trajektoriju, nepārtraukti saraujas un izplešas. Redzamajā diapazonā mūsu acis var izmērīt kvantu pulsācijas frekvenci, un mēs to saucam par krāsu. Kvantētās enerģijas emisijas dēļ nedaudz uzkarsēts objekts sāk mirdzēt sarkanā krāsā, tad, temperatūrai paaugstinoties, tas sāk izstarot citas spektra krāsas, kas atbilst augstākām enerģijām un frekvencēm. Beigās tā starojums pārvēršas visu frekvenču sajaukumā, ko mēs uztveram kā karsta ķermeņa balto krāsu.

Un šeit mēs saskaramies ar paradoksu – tā pati teorija, kas apraksta gaismu kā daļiņu plūsmu, ko sauc par kvantiem, vienlaikus apraksta gaismas enerģiju, izmantojot frekvenci (sk. 1. att.). Bet frekvence ir saistīta ar viļņiem, nevis daļiņām. Turklāt mēs zinām, ka gaismas ātrums vienmēr ir nemainīgs. Bet kas notiek, ja objekts, kas izstaro gaismu, vai novērotājs, kas uztver šo gaismu, pārvietojas pats? Vai to ātrums tiks pievienots vai atņemts no gaismas ātruma? Loģika mums saka, ka jā, tas ir jāsaskaita vai jāatņem, bet tad gaismas ātrums nebūs nemainīgs! Spiediens, ko gaisma iedarbojas uz komētas asti vai spoguli Nikolsa-Hula eksperimentā, nozīmē, ka mainās gaismas impulss (saukts arī par impulsu), kad tā skar virsmu. Šī iemesla dēļ jebkurš kustīgs objekts rada spiedienu uz šķērsli. Ūdens straume no šļūtenes dzen bumbu pa zemi, jo ūdenim ir masa, un šīs masas ātrums pārvēršas līdz nullei brīdī, kad straume atsitas pret bumbu. Šajā gadījumā ūdens impulss tiek pārnests uz bumbu un bumba ripo prom. Pati impulsa (impulsa) definīcija kā objekta masas (t) vai svara un tā kustības ātruma (v) vai mv reizinājums prasa, lai kustīgajai gaismai būtu masa. Kaut kā šīm viļņveidīgajām gaismas daļiņām ir masa, lai gan uz virsmas, uz kuras krīt gaisma, nav atstātas nekādas materiāla pēdas. Pēc tam, kad gaisma ir “izlijusi” uz virsmas, uz tās nav palikuši “netīrumi”, no kuriem to varētu notīrīt. Līdz šim mēs joprojām cenšamies izveidot vienotu teoriju, kas pilnībā izskaidrotu šo gaismas un jebkura cita starojuma fenomenu.

Vienlaikus ar starojuma enerģijas rakstura izpēti tika veikti pētījumi, kas saistīti ar gaismas izplatīšanos. Likās loģiski, ka, tā kā gaisma un citi elektromagnētiskā starojuma veidi savā ziņā ir viļņi, tiem būtu nepieciešams kaut kāds vide, kurā šie viļņi varētu izplatīties. Tika uzskatīts, ka viļņi nevar izplatīties vakuumā. Tāpat kā skaņai bija nepieciešama noteikta materiāla viela, piemēram, gaiss, lai nestu savu viļņveidīgo enerģiju, tāpat šķita, ka gaismai bija nepieciešama īpaša viela, lai to izplatītu. Savulaik tika ierosināts, ka Visums jāpiepilda ar neredzamu un netveramu vidi, kas nodrošina starojuma enerģijas pārnesi caur kosmosu - piemēram, gaismas un siltuma no Saules uz Zemi. Šo barotni sauca par ēteri, kam vajadzēja aizpildīt pat telpas vakuumu.

Postulāts par gaismas izplatīšanos caur ēteri ļāva izskaidrot tās ātruma noturības paradoksu. Saskaņā ar šo skaidrojumu gaismai jāpārvietojas ar nemainīgu ātrumu, nevis attiecībā pret gaismas avotu vai novērotāju, bet gan attiecībā pret šo visuresošo ēteri. Novērotājam, kas pārvietojas pa ēteri, gaisma varētu virzīties ātrāk vai lēnāk atkarībā no tās kustības virziena attiecībā pret gaismas virzienu, bet attiecībā pret stacionāro ēteri gaismas ātrumam jāpaliek nemainīgam.

Rīsi. 1.

Tas pats attiecas uz skaņas izplatīšanos. Skaņa pārvietojas pa klusu gaisu jūras līmenī ar nemainīgu ātrumu aptuveni 300 metri sekundē neatkarīgi no tā, vai skaņas avots kustas vai ne. Sprādzienam līdzīgā skaņa, ko lidmašīna rada, šķērsojot skaņas barjeru, patiesībā ir rezultāts tam, ka lidmašīna, to apdzenot, ietriecas pašas skaņas vilnī, pārvietojoties ātrāk par 300 metriem sekundē. Šajā gadījumā skaņas avots, lidmašīna, pārvietojas ātrāk nekā skaņa, ko tā rada. Gaismas divējāda būtība ir tāda, ka, ievietojot tās ceļā neliela diametra caurumu, gaisma uzvedas tieši tāpat kā okeāna vilnis, kas iet cauri šaurai ostas ieejai. Gan gaisma, gan okeāna vilnis, izgājuši cauri bedrei, izplatījās apļos bedres otrā pusē. No otras puses, ja gaisma apgaismo kāda metāla virsmu, tā uzvedas kā sīku daļiņu straume, kas bombardē šo virsmu. Gaisma izsit elektronus no metāla pa vienam tādā pašā veidā, kā mazas granulas, kas ietriecas papīra mērķī, no tā izplēš papīra lūžņus, vienu lūžņu uz katru granulu. Gaismas viļņa enerģiju nosaka tā garums. Gaismas daļiņu enerģiju nosaka nevis to ātrums, bet gan frekvence, ar kādu gaismas daļiņas - fotoni - pulsē, pārvietojoties ar gaismas ātrumu.

Kad zinātnieki apsprieda iespējamās ētera īpašības, kuras vēl bija jāatklāj, nevienam nebija aizdomas, ka laika ritējums ir saistīts ar gaismas kustību. Bet šis atklājums bija tepat aiz stūra.

1887. gadā Alberts Miķelsons un Edvards Morlijs publicēja rezultātus savam mēģinājumam eksperimentāli novērot to, kas izrietēja no ētera teorijas8. Viņi salīdzināja kopējo laiku, kas vajadzīgs gaismai, lai nobrauktu vienu un to pašu attālumu uz priekšu un atpakaļ divos virzienos - paralēli un perpendikulāri Zemes kustībai tās orbītā ap Sauli. Tā kā Zeme savā orbītā ap Sauli pārvietojas ar ātrumu aptuveni 30 kilometri sekundē, tika pieņemts, ka tā pārvietojas ar tādu pašu ātrumu attiecībā pret ēteri. Ja gaismas starojums pakļaujas tiem pašiem likumiem, kas regulē visus pārējos viļņus, Zemes kustībai attiecībā pret ēteri vajadzēja ietekmēt viņu eksperimentos izmērīto gaismas pārvietošanās laiku. Šim efektam nevajadzētu atšķirties no spēcīga vēja, kas aiznes skaņu.

Visiem par pārsteigumu Miķelsons un Morlijs nefiksēja ne mazākās pēdas no šī ātruma 30 kilometru sekundē trieciena. Sākotnējais eksperiments, kā arī turpmākās, tehniski progresīvākas šī paša eksperimenta versijas noveda pie pavisam negaidīta secinājuma – Zemes kustība nekādi neietekmē gaismas ātrumu.

Tas radīja apjukumu. Gaismas ātrums (c) vienmēr ir 299 792,5 kilometri sekundē neatkarīgi no tā, vai gaismas avots vai novērotājs kustas vai nekustas. Turklāt viens un tas pats gaismas stars darbojas gan kā vilnis, gan kā daļiņa atkarībā no tā, kā tas tiek novērots. Likās, ka mēs stāvētu uz mola un vērotu viļņus, kas ripojas no okeāna, un pēkšņi, acumirklī, parastās viļņu virsotnes un siles starp tām pārvērtīsies atsevišķu ūdens bumbiņu straumē. , kustīgs, pulsējošs, gaisā virs jūras līmeņa. Un nākamajā mirklī bumbiņas pazustu un atkal parādītos viļņi.

1905. gadā šīs neskaidrības vidū Alberts Einšteins parādījās uz zinātnes skatuves ar savu relativitātes teoriju. Tajā gadā Einšteins publicēja virkni rakstu, kas burtiski mainīja cilvēces izpratni par mūsu Visumu. Pirms pieciem gadiem Planks bija ierosinājis gaismas kvantu teoriju. Izmantojot Planka teoriju, Einšteins spēja izskaidrot interesantu parādību. Gaisma, kas saskaras ar dažu metālu virsmu, atbrīvo elektronus, kā rezultātā rodas elektriskā strāva. Einšteins apgalvoja, ka šis "fotoelektriskais" efekts rodas no gaismas kvantiem (fotoniem), kas burtiski izsit elektronus no orbītā ap atoma kodolu. Izrādās, ka fotoniem ir masa, kad tie pārvietojas (atcerieties, ka tie pārvietojas ar gaismas ātrumu c), bet to “miermasa” ir nulle. Kustīgam fotonam piemīt daļiņas īpašības – ik mirkli tas atrodas noteiktā telpas punktā un tam ir arī masa, un tāpēc, kā savulaik ieteica Keplers, tas var iedarboties uz materiāliem objektiem, piemēram, komētas asti; tajā pašā laikā tam ir viļņa īpašības - to raksturo svārstību frekvence, kas ir proporcionāla tā enerģijai. Izrādījās, ka matērija un enerģija fotonā ir cieši saistītas. Einšteins atklāja šo savienojumu un formulēja to plaši pazīstamā vienādojumā. Einšteins secināja, ka šis vienādojums attiecas uz visu veidu masu un enerģijas veidiem. Šie noteikumi kļuva par īpašās relativitātes teorijas pamatu.

Šo ideju uztvere nav tik vienkārša un prasa ievērojamu garīgo piepūli. Piemēram, ņemsim noteiktu objektu. Stacionāra objekta masu (ko mēs parasti saucam par "svaru") zinātniski sauc par miera masu. Tagad dosim šim objektam spēcīgu grūdienu. Tas sāks kustēties ar noteiktu ātrumu un rezultātā iegūs kinētisko enerģiju, jo lielāks, jo lielāks ir tā ātrums. Bet tā kā e E = mc2 attiecas uz visiem enerģijas veidiem, objekta kopējā enerģija būs tā miera enerģijas (saistīta ar miera masu) un tā kinētiskās enerģijas (tā kustības enerģijas) summa. Citiem vārdiem sakot, Einšteina vienādojums pieprasa, lai objekta masa faktiski pieaugtu, palielinoties tā ātrumam.

Tātad, saskaņā ar relativitātes teoriju, objekta masa mainās, mainoties tā ātrumam. Pie maziem ātrumiem objekta masa praktiski neatšķiras no pārējās masas. Tāpēc mūsu ikdienas darbībās Ņūtona dabas likumu apraksts izrādās visai precīzs. Bet galaktikām, kas steidzas cauri kosmosam, vai subatomiskām daļiņām paātrinātājā situācija ir pilnīgi atšķirīga. Abos gadījumos šo objektu ātrums var būt liela daļa no gaismas ātruma, un tāpēc to masas izmaiņas var būt ļoti, ļoti nozīmīgas.

Šo masas un enerģijas mijmaiņu ļoti daiļrunīgi apspriež gan Stīvens Veinbergs savā grāmatā Pirmās trīs minūtes, gan Nahmanīds komentārā par 1. Mozus grāmatu. Viņi abi runā par masu enerģijas duālismu, aprakstot Visuma dzīves pirmās minūtes.

Speciālā relativitātes teorija balstās uz diviem postulātiem: relativitātes principu un gaismas ātruma noturību. Relativitātes principu, ko pirms 300 gadiem postulēja Galilejs Galilejs, pilnveidoja Einšteins. Šis princips nosaka, ka visi fizikas likumi (kas nav nekas vairāk kā dabas likumi) darbojas vienādi visās sistēmās, kas pārvietojas bez paātrinājuma, tas ir, vienmērīgi un taisni. Fiziķu valodā šādas sistēmas sauc par inerciālajām atskaites sistēmām.

Atsauces rāmis nosaka novērotāja attiecības ar ārpasauli. Relativitātes princips saka, ka, atrodoties inerciālā atskaites sistēmā, mēs nevaram, izmantojot fizikas likumus, noteikt, vai pati sistēma kustas, jo tās kustība nekādā veidā neietekmē sistēmā veikto mērījumu rezultātus. . Tāpēc mierīgā laikā lidojot nemainīgā ātrumā, mēs nejūtam kustību. Bet, šūpojoties šūpuļkrēslā, mēs atrodamies neinerciālā atskaites sistēmā; Tā kā šūpuļkrēsla kustības ātrums un virziens nepārtraukti mainās, mēs jūtam savu kustību.

Mēs visi esam saskārušies ar piemēriem, ka nav iespējams izmērīt absolūtu kustību. Piemēram, mēs stāvam luksofora priekšā, un priekšā esošā automašīna sāk lēnām ripot atpakaļ. Vai arī mēs virzāmies uz priekšu? Sākumā ir grūti saprast, kurš tieši pārvietojas. Mūsu vilciens lēnām un vienmērīgi sāk kustēties pa peronu. Pamostoties no snaudas, pamanām, ka uz blakus sliežu ceļa stāvošais vilciens sāk lēnām kustēties atmuguriski. Vai vismaz mums šķiet, ka tas tā ir. Kamēr mūsu atskaites sistēma - mūsu automašīna vai vilciens - nesāk kustēties ar paātrinājumu (pārstāj būt inerciāls rāmis), nav skaidrs, kas kustas un kas atrodas miera stāvoklī.

Var šķist, ka šeit ir pretruna: Einšteins mums mācīja, ka objekta masa ir tā ātruma funkcija, un tagad mēs apgalvojam, ka kustību nevar noteikt, mērot, kā masa mainās tā ietekmē. Bet šeit ir ļoti smalka atšķirība. Inerciālajā atskaites sistēmā visi lielumi paliek nemainīgi. Kad tos mēra no citas atskaites sistēmas, kas pārvietojas attiecībā pret pirmo, izmēra un masas vērtības mainīsies. Ja visas Visuma daļas pārvietotos vienādi un vienmērīgi, relativitātes teorijai nebūtu nekāda sakara ar mūsu pētījuma tēmu. Bet tas tā nav. Tā ir spēja novērot vienus un tos pašus notikumus no dažādām atskaites sistēmām, kas spēlē nozīmīgu lomu mūsu veiktajā kosmoloģijas Bībeles analīzē.

Otrs speciālās relativitātes pamatu elements ir vēl grūtāk saprotams. Varētu pat teikt, ka viņš ir līdz galējībai nesaprotams. Viņš norāda, ka gaismas ātrums c ir nemainīgs lielums (c = 2,997925 x 108 metri sekundē vakuumā – vienmēr) un vienāds visos atskaites kadros. Šis fakts tika atklāts no Miķelsona-Morlija eksperimenta rezultātiem. Ja padomāsi par šī apgalvojuma nozīmi, varēsi novērtēt tā pārdrošību. Einšteins apņēmās paziņot, ka neatkarīgi no novērotāja kustības ātruma virzienā uz gaismas avotu vai prom no tā, gaismas ātrums paliek vienāds ar to pašu c. Nevienam citam kustības veidam (piemēram, skaņas vilnim) nav šādas īpašības. Tas šķiet ļoti neloģiski.

Ja metējs met bumbu ķērājam ar ātrumu 90 jūdzes stundā, ķērājs redz, ka bumba viņam tuvojas ar ātrumu 90 jūdzes stundā. Tagad, ja pretēji visiem noteikumiem ķērējs skrien pretim metējam ar ātrumu 20 jūdzes stundā, bumbiņas ātrums attiecībā pret ķērāju būs 110 jūdzes stundā (90 + 20). Bumbiņas ātrums attiecībā pret metēju būs tāds pats kā iepriekš, 90 jūdzes stundā. Nākamajā reizē metējs tā vietā, lai mestu bumbu, parāda ķērājam bumbas attēlu. Tas virzās uz ķērāju ar gaismas ātrumu (c), tas ir, aptuveni 300 miljoni metru sekundē. Flotes pēdu ķērājs savukārt metas pret krūku ar ātrumu, kas vienāds ar vienu desmito daļu no gaismas ātruma, tas ir, 30 miljoni metru sekundē. Un ko redzēs šis mūsu ķērājs? Attēls, kurā bumba tuvojas viņam ar ātrumu 330 miljoni metru sekundē? Nē! Tieši tāds ir gaismas paradokss – izraisot apjukumu, kaitinot, reizēm pat saniknot, bet tajā pašā laikā atbrīvojot mūs.

Ķērājs redz attēlu, kurā bumba viņam tuvojas tieši ar gaismas ātrumu, 300 miljoniem metru sekundē, lai gan viņš skrien tai pretī un tādējādi gaismas ātrumam pievieno savu ātrumu. Gaisma, neatkarīgi no novērotāja kustības ātruma attiecībā pret gaismas avotu, vienmēr pārvietojas ar ātrumu c. Vienmēr. Un kādu bumbas attēla kustības ātrumu fiksē metējs, kas stāv nekustīgi? Pareizi, arī s. Kā divi novērotāji, viens kustas, bet otrs stāv uz vietas, fiksē vienādu gaismas ātrumu? Loģika un veselais saprāts saka, ka tas nav iespējams. Bet relativitāte saka, ka tā ir realitāte. Un šī realitāte tika apstiprināta Miķelsona-Morlija eksperimentā.

Abi novērotāji reģistrē vienādu gaismas ātrumu, jo masas, telpas un laika izmaiņu fakts – lai cik nesaprotami tas arī šķistu – ir relativistiskās mehānikas un Visuma, kurā dzīvojam, pamatlikums. Likumi, kas regulē šīs izmaiņas, ir tādi, ka noteiktā sistēmā nenotiek nekas tāds, kas šķiet absurds. Tas, kurš atrodas tajā, nepamana nekādas izmaiņas. Bet, novērojot citu sistēmu, kas pārvietojas mums garām, mēs redzam, ka objekta izmēri kustības virzienā samazinās attiecībā pret tiem pašiem objekta izmēriem, kad tas atrodas miera stāvoklī. Turklāt pulksteņi, kas rādīja precīzu laiku, kad viņi atradās miera stāvoklī, kustējās, mūsu atskaites sistēmā sāk atpalikt no pulksteņiem, kas atrodas miera stāvoklī.

Gaismas ātruma noturības un relativitātes principa kombinācija neizbēgami rada laika paplašināšanos. Laika dilatāciju var demonstrēt, izmantojot domu eksperimentu, kas līdzīgs tam, ko izmantoja Einšteins, izstrādājot relativitātes pamatprincipus. Šāda domu eksperimenta piemēru sniedz Teilore un Vīleri savā klasiskajā grāmatā "Telpas un laika fizika"0.

Apskatīsim divas atskaites sistēmas, no kurām viena ir nekustīga, bet otra ir kustīga. Stacionāra sistēma ir parasta fiziska laboratorija. Otrā sistēma ir raķete, kas pārvietojas lielā ātrumā, pilnīgi caurspīdīga un caurlaidīga, kuras iekšpusē atrodas apkalpe, kas sastāv no absolūti caurspīdīgiem un caurlaidīgiem zinātniekiem. Raķete tās pilnīgas caurspīdīguma un caurlaidības dēļ var iziet cauri mūsu laboratorijai, neiedarbojoties ar to un tās saturu. Laboratorijā no punkta A (2. att.) notiek gaismas uzplaiksnījums, kas virzās pa diagonāli uz spoguli, kas atrodas punktā M. No spoguļa atstarotā gaisma pāriet arī pa diagonāli uz punktu B. Raķetes ierašanās laiks uz laboratoriju nosaka tā, lai raķetes uzliesmošanas brīdī A sakrīt ar laboratorijas punktu A. Lai raķetes ātrums būtu tāds, lai raķetes punkts A sakristu ar laboratorijas punktu B tieši tajā brīdī, kad gaismas uzliesmojums sasniedz punktu B. Novērotājiem raķetē šķitīs, ka gaisma, kas sūtīta no punkta A raķete pāriet tieši uz punktu B M un atgriežas atpakaļ raķetes punktā A. Tā kā raķetes ātrums ir nemainīgs (tā ir inerciāla sistēma), cilvēki raķetē nezina, ka tā kustas.

Gaismas nobrauktais attālums, kā to uztver raķetes pasažieri, ir 2y (no punkta A līdz punktam M un atpakaļ). Tas pats gaismas ceļš, kas redzams tiem, kas atrodas laboratorijā, ir trijstūra divu malu summa - no punkta A līdz punktam M un no punkta M līdz punktam B. Acīmredzot šim ceļam ir jābūt lielākam par ceļu, kas redzams līdz punktam B. raķetes pasažieri. Mēs varam precīzi aprēķināt atšķirību starp tiem, izmantojot Pitagora teorēmu. Tādējādi mēs secinām, ka no raķetes novērotais gaismas ceļš ir īsāks nekā gaismas ceļš, kas novērots no laboratorijas.

Rīsi. 2.

Atcerēsimies, ka gaismas ātrums abās sistēmās ir vienāds. Šis ir viens no stingri nostiprinātiem relativitātes teorijas pamatprincipiem. Ir arī zināms, ka visos gadījumos kustībā pavadītais laiks ir vienāds ar nobraukto attālumu, kas dalīts ar kustības ātrumu. Laiks, kas nepieciešams, lai nobrauktu 100 jūdzes ar ātrumu 50 jūdzes stundā, ir divas stundas. Tā kā gaismas ātrums gan zinātniekiem laboratorijā, gan zinātniekiem, kas pārvietojas raķetē, ir vienāds ar vienu un to pašu c, un gaismas nobrauktais attālums laboratorijā ir lielāks par tās nobraukto attālumu raķetē, laika intervāls starp zibspuldzei vajadzētu būt vairāk gaismas punktā A un gaismas ierašanās punktā B laboratorijā nekā raķetē.

Notika tikai viens notikums. Bija tikai viens gaismas uzplaiksnījums, un gaisma, kas novērota divos atskaites rāmjos, savu ceļojumu pabeidza vienu reizi. Tomēr šī notikuma ilgums bija atšķirīgs, mērot divās dažādās atskaites sistēmās.

Šo izmērītā laika atšķirību sauc par relativistisku laika dilatāciju, un tieši šī dilatācija pārliecinoši saskaņo sešas Radīšanas dienas ar 15 miljardiem kosmoloģijas gadu.

Vispārējās relativitātes teorijas pamatā esošie jēdzieni ir ideju attīstība no īpašās relativitātes teorijas, taču tie ir sarežģītāki. Kamēr īpašā relativitāte attiecas uz inerciālajām sistēmām, vispārējā relativitāte attiecas gan uz inerciālām, gan neinerciālām (paātrinātām) sistēmām. Neinerciālās sistēmās ārējie spēki, piemēram, gravitācijas spēki, ietekmē objektu kustību. Īpaša gravitācijas relativistiskā īpašība, kas ir tieši saistīta ar mūsu pētāmo problēmu, ir tāda, ka gravitācija - tāpat kā ātrums - izraisa laika paplašināšanos. Tas pats pulkstenis uz Mēness darbojas ātrāk nekā uz Zemes, jo Mēness gravitācija ir vājāka. Kā mēs redzēsim, gravitācijai ir izšķiroša loma radīšanas un Lielā sprādziena saskaņošanā.

Gravitācijas pievilkšanās spēki ir jūtami tieši tāpat kā spēki, kas izraisa paātrinājumu. Piemēram, augšupejošā liftā mēs jūtam spēku, ar kādu grīda nospiež mūsu kājas; viņa faktiski stumj mūs augšā kopā ar liftu. Tas tiek uztverts kā spēks, ko mēs izjustu stāvot stacionārā liftā, ja Zemes gravitācijas spēks kaut kā pēkšņi palielinātos. Einšteins sprieda, ka, tā kā gravitācija tiek uztverta tāpat kā jebkurš cits spēks, kas izraisa kustības izmaiņas, tam vajadzētu radīt tādus pašus rezultātus. Tā kā paātrinātie spēki izraisa izmaiņas kustībā un laika dilatācijā, gravitācijas izmaiņām ir jāizraisa arī laika paplašināšanās.

Tā kā relativitātes teorijas laika dilatācijas aspekts ir ļoti nozīmīgs kosmoloģiskā un Bībeles kalendāra apvienošanas problēmai, ir ļoti svarīgi parādīt, ka laika dilatācija patiešām pastāv. Galu galā relativistiskās izmaiņas kļūst pamanāmas tikai tajos gadījumos, kad relatīvie kustības ātrumi tuvojas gaismas ātrumam. Pat pie 30 miljoniem metru sekundē, kas ir viena desmitā daļa no gaismas ātruma, laika dilatācija ir mazāka par vienu procentu.

Ātrumi, kas ir tuvu gaismas ātrumam, ikdienas dzīvē ir reti sastopami, taču tie ir izplatīti kosmoloģijā un augstas enerģijas fizikā. Tomēr jāatzīmē, ka reālā iespēja izmērīt laika dilatāciju nepadara pašu ideju pieejamāku izpratnei. Tomēr tas ļauj mums to pārvietot no tīri teorētiskas koncepcijas kategorijas uz empīrisku faktu sfēru. Diezgan plašs cilvēku darbību klāsts – no eksperimentiem augstas enerģijas fizikas laboratorijās līdz regulāriem komerciālo aviolīniju lidojumiem – ļauj demonstrēt laika paplašināšanos.

Viena no daudzajām elementārdaļiņām, kas rodas eksperimentu laikā fizikas laboratorijās, ir mu mezons. Tā pussabrukšanas periods ir pusotra mikrosekunde. Mū mezoni gan parādās ne tikai augstas enerģijas fizikas laboratorijās, bet arī Zemes atmosfēras augšējos slāņos, kad kosmiskie stari saduras ar atmosfēras gāzes atomu kodoliem. Tā kā kosmiskā starojuma enerģija ir ļoti augsta, mu mezoni to veidošanās brīdī iegūst ātrumu, kas gandrīz vienāds ar gaismas ātrumu. Pie tik liela ātruma notiek laika dilatācija, ko var izmērīt. Pat pārvietojoties tuvu gaismas ātrumam, mumezoniem ir nepieciešamas 200 mikrosekundes, lai nobrauktu 60 kilometrus no atmosfēras slāņa, kurā tie rodas, līdz Zemes virsmai. Tā kā mu mezona pussabrukšanas periods ir pusotra mikrosekunde, 200 mikrosekundes ilgs tranzīta laiks aptver 133 tā pussabrukšanas periodus. Atcerēsimies, ka katrā šādā pusperiodā puse atlikušo daļiņu sadalās. Pēc 133 puscikliem mu-mezonu daļa, kurai vajadzētu izdzīvot un sasniegt Zemes virsmu, būs vienāda ar "/2 x 1/2 x "/2 un tā tālāk 133 reizes, kas ir viena miljonā daļa no miljardās daļas no mu-mezonu skaita, kas sāka savu ceļojumu uz Zemes virsmu. Šis skaitlis ir tik mazs, ka gandrīz nevienam mu mezonam nevajadzētu sasniegt Zemi. Lielākā daļa no tiem pa ceļam izjuks. Tomēr, ja salīdzinām augšējos atmosfēras slāņos radīto mū mezonu skaitu ar Zemes virsmu sasniedzošo mū mezonu skaitu, mēs esam pārsteigti, atklājot, ka "/8 no to sākotnējā skaita veiksmīgi nonāk galamērķī". 1/8 mūoni nozīmē, ka to 60 km ceļojuma laikā tiek pabeigti tikai trīs pusperiodi. Līdz ar to mu mezonam, kas pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, pagājušais (relativistiskais) laiks ir tikai trīs – 4,5 mikrosekundes (3 x 1,5 mikrosekundes novērotājam paies vismaz 200 mikrosekundes - minimālais laiks, kas nepieciešams, lai nobrauktu 60 kilometrus no atmosfēras augšdaļas līdz virsmai, un viens un tas pats notikums notiek divos dažādos laikos intervāli - 4,5 mikrosekundes strauji kustīga mu-mezona atskaites sistēmā un 200 mikrosekundes uz virsmas stāvoša novērotāja atskaites ietvaros. Atcerēsimies vēlreiz, ka runa ir par vienu notikumu. Bet sakarā ar to, ka novērotājs un novērotais objekts pārvietojas viens pret otru, šim vienam notikumam ir divi dažādi laika periodi. Un tie abi ir pilnīga patiesība!

Bet mū mezoni ir diezgan eksotiskas daļiņas, un skeptiķis varētu smieties un neticīgi kratīt galvu. Galu galā neviens novērotājs nevar ceļot muonu sabiedrībā. Mēs paļaujamies tikai uz to pussabrukšanas periodu kā pulksteni, kas pārvietojas kopā ar viņiem.

Kā ar īstu pulksteni un cilvēku, kas pārvietojas ar to un vistiešākajā veidā mēra laika paplašināšanos? Tas acīmredzot izskatītos pārliecinošāk. Un tieši par to prestižajā žurnālā Science ziņoja Hafele un Kītings12 no Vašingtonas universitātes un ASV Jūras spēku laboratorijas. Viņi nosūtīja četrus cēzija pulksteņu komplektus uz Boeing 707 un Concorde lidmašīnām, kas pieder TWA un Pan Am un veic regulārus komerciālus lidojumus visā pasaulē. Šie pulksteņi tika izvēlēti, jo tie ir ārkārtīgi precīzi.

Zeme griežas no rietumiem uz austrumiem. Ja skatāmies uz Zemi no kosmosa, atrodoties virs tās ziemeļpola, tad redzēsim, ka, lidojot uz austrumiem, Zemes ātrumam tiek pieskaitīts lidmašīnas ātrums. Kā prognozēja relativitātes teorija, lidmašīnas pulksteņi atradās aiz tiem pašiem pulksteņiem, kas atrodas ASV Jūras spēku laboratorijā Vašingtonā (visus šajā eksperimentā izmantotos pulksteņus nodrošināja laboratorija). Lidojot uz rietumiem, lidmašīnas ātrums tiek atņemts no Zemes griešanās ātruma un, pilnībā saskanot ar relativitātes teoriju, pulksteņi uz šīs lidmašīnas ir pavirzījušies uz priekšu. Saskaņā ar Haefele un Kītinga teikto: “Zinātnē attiecīgie empīriskie fakti ir spēcīgāki nekā teorētiskie argumenti. Šie rezultāti sniedz nepārprotamu empīrisku risinājumu slavenajam pulksteņu paradoksam."3

Atkarībā no novērotāju relatīvās kustības mainās ne tikai laika uztvere, bet arī faktiskais laika ritējums. Jebkurā dotajā atskaites sistēmā viss izskatās diezgan normāli. Bet, ja divas sistēmas vispirms atdala un pēc tam atkal savieno un salīdzina pulksteņa rādījumus, laika ritējums tajās izrādās atšķirīgs (faktiskā “novecošanās”).

Īpaši interesants Hefele-Kītinga laika dilatācijas eksperimentu aspekts bija tas, ka tie pārbaudīja gan īpašo, gan vispārējo relativitāti. Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju gravitācijas spēka atšķirības ietekmē ilgumu tāpat kā relatīvā ātruma atšķirības, ko postulē speciālā relativitāte. Gravitācijas lauka ietekme uz jebkuru objektu ir apgriezti proporcionāla attāluma kvadrātam starp objektiem. Attālumam dubultojoties, gravitācijas pievilcība samazinās četras reizes. Jo tālāk objekts atrodas no Zemes, jo vājāka ir Zemes pievilcība tam. Tā kā lidojumā esošās lidmašīnas atrodas augstu virs Zemes virsmas (parastais Boeing 707 lidojuma augstums ir 10 km, bet Concorde ir 20 km), Zemes gravitācijas ietekme uz pulksteņiem, kas atradās lidmašīnā, atšķiras no ietekmes uz lidmašīnu. pulksteņi, kas atradās uz Zemes virsmas Jūras spēku laboratorijās. Eksperimentā reģistrētās pulksteņa laika izmaiņas atbilda vispārējās relativitātes teorijas prognozēm (kurā tiek ņemta vērā gan kustības, gan gravitācijas ietekme).

Šis eksperiments, tāpat kā visi citi līdzīgi, pierādīja, ka Einšteina īpašās un vispārējās relativitātes teorijas pareizi apraksta mūsu Visuma reālās īpašības. Relativitāte vairs nav tīra teorija. Relativitāte ir pierādīts, empīriski pierādīts fakts. Citiem vārdiem sakot, relativitātes teorija ir kļuvusi par relativitātes likumu.

Un tagad, balstoties uz šo likumu, ko pamato viena no dabaszinātnēm, kas apraksta Visumu, mēs varam turpināt apspriest pirmās sešas radīšanas dienas - periodu, kurā dabaszinātne un teoloģija, no pirmā acu uzmetiena, ir pretrunā viena otrai.

Padomāsim par izmaiņām attiecībās starp Radītāju, Visumu un cilvēku, kas notikušas kopš tā brīža, ko mēs saucam par “sākumu”. Tajā pašā laikā ne mirkli nevajadzētu aizmirst, ka laika ritējuma atšķirību var fiksēt tikai tad, ja salīdzinām vienādu notikumu novērojumus no divām dažādām atskaites sistēmām. Bet ar to nepietiek - ir arī nepieciešams, lai vai nu gravitācijas spēki šajās divās atskaites sistēmās būtiski atšķirtos viens no otra, vai arī to kustības relatīvais ātrums tuvotos 300 miljoniem metru sekundē, tas ir, gaismas ātrumam. Katras sistēmas iekšienē, neatkarīgi no tās relatīvā ātruma vai tajā iedarbojošā gravitācijas spēka, viss notiek pilnīgā saskaņā ar Ņūtona likumiem, tas ir, viss izskatās normāli un loģiski, gluži kā šeit uz Zemes, lai gan kosmosā steidzamies cauri lielā ātrumā.

Radītājam bija un joprojām ir zināma interese par Visuma radīšanu. Mēs to varam pieņemt, pamatojoties uz faktu, ka Visums pastāv. Taču mēs nezinām, kas ir šī interese. Tomēr mēs varam atrast dažus mājienus par to, analizējot mijiedarbību starp Radītāju un Visumu visā tā radīšanas un pastāvēšanas laikā. Tradicionālā teoloģija uzskata, ka, ja Radītājs būtu vēlējies vienā rāvienā radīt Visumu, viņš to būtu izdarījis. Bet no Bībeles stāsta ir skaidrs, ka viņa plāns nebija izveidot pilnībā izveidotu Visumu ar vienu darbību. Kādu iemeslu dēļ tika izvēlēta pakāpeniskas attīstības metode. Un pirmās divas grāmatas “Genesis” nodaļas ir veltītas tieši Visuma pakāpeniskas veidošanās aprakstam.

Ja mēs spēlējam pēc noteikumiem, saskaņā ar kuriem Visums darbojas šodien - un šie noteikumi ir mums zināmie fizikālie likumi -, tad Visuma pakāpeniska attīstība no primārās vielas, kas pastāvēja Lielā sprādziena brīdī, bija absolūti nepieciešama, lai rastos. no cilvēka. Bet pati Zeme un viss, kas uz tās pastāv, nav tieši Lielā sprādziena produkti. Mums diezgan skaidri saka, ka pašā sākumā Zeme bija bezveidīga un tukša jeb ebreju valodā gohu un bohu. Vadošie kodoldaļiņu fiziķi tagad atsaucas uz T un B (tohu un bohu) kā diviem oriģinālajiem “ķieģeļiem”, no kuriem tiek veidota visa matērija. Lielā sprādziena spēks burtiski saspieda šos GiB ūdeņradi un hēliju – tajā brīdī gandrīz nekādi citi elementi neveidojās. Un tikai kosmosa alķīmija pēc tam radīja visus pārējos elementus no šī pirmatnējā ūdeņraža un hēlija.

Zeme un visa Saules sistēma ir matērijas juceklis, kas mūs sasniedzis pēc neskaitāmiem supersaspiešanas cikliem zvaigžņu dziļumos. Šis spiediens saspieda ūdeņradi un hēliju tik cieši, ka to kodoli savienojās un atkal atdalījās, veidojot smagākus elementus, piemēram, oglekli (patiesi dzīvības vielu), dzelzi, urānu un citus 89 elementus, kas veido Visumu. Pēc tam zvaigznes eksplodēja un izspieda savus jaunizveidotos elementus Visumā, kas tos alkatīgi absorbēja, izmantojot tos citu zvaigžņu radīšanai. Zvaigžņu dzimšana un to nāve bija nepieciešama, lai galu galā pārveidotu ūdeņradi un hēliju, kas izveidojās pirmajos brīžos pēc Lielā sprādziena, par elementiem, kas nepieciešami dzīvības radīšanai mums pazīstamajā formā. Savās Bībeles interpretācijās komentētāji, piemēram, Maimonīds un Raši, paskaidroja, ka Dievs radīja un iznīcināja daudzas pasaules dzīvības radīšanas procesā uz Zemes. Bet šeit es nepaļaujos uz Maimonīdu; Iepriekš minēto informāciju ieguvu no astrofiziķiem Vūslija un Filipsa.

Tātad, ja mums ir viss, kas jādara sešās dienās pirms Ādama parādīšanās, kā mēs varam iespiest visus pasaules veidošanās un iznīcināšanas ciklus šajā laika periodā? Bībeles komentētāji, uz kuriem mēs paļaujamies, skaidri norāda, ka pirmās sešas radīšanas dienas ir sešas dienas pa 24 stundām. Tas nozīmē, ka kādam, kurš sekoja līdzi laikam, bija jāreģistrē šīs pašas 24 stundas diennaktī. Bet kurš tajā laikā varētu būt klāt, lai mērītu laika ritējumu? Līdz brīdim, kad pēc sešām dienām parādījās Ādams, tikai Dievs Kungs varēja izsekot pulkstenim. Un tā ir visa būtība.

Kad tika radīts mūsu Visums – līdz pašam cilvēka parādīšanās brīdim – Dievs nebija cieši saistīts ar Zemi. Pirmajās dienās no sešām Radīšanas dienām Zeme vēl pat neeksistēja! Lai gan 1. Mozus grāmatā 1:1 teikts, ka “Sākumā Dievs radīja debesis un zemi”, nākamajā pantā teikts, ka Zeme bija tukša un bez formas. 1. Mozus grāmatas pirmais pants patiesībā ir ļoti vispārīgs apgalvojums, kas nozīmē, ka pašā sākumā tika radīta primārā viela, no kuras turpmāko sešu dienu laikā bija jāveido debesis un zeme. Tālāk, grāmatas “Exodus” 31:17. pantā, tas ir pateikts skaidrāk: “... sešās dienās Tas Kungs radīja debesis un zemi...”. No kā šajās sešās dienās “sastāvēja” debesis un Zeme? No to sešu dienu "sākumā" radītās vielas. Tā kā agrīnajā Visumā nebija Zemes un tā kā nebija iespējamas ciešas saiknes vai atskaites sistēmu savstarpējas iespiešanās, nebija kopēja kalendāra Dievam un Zemei.

Relativitātes likums mums ir iemācījis, ka Dievam pat nav iespējams izvēlēties tādu kalendāru, kas būtu godīgs visām Visuma daļām vai vismaz ierobežotam skaitam no tām, kam bija nozīme cilvēces rašanās procesā. Relativitātes likums, viens no Visuma pamatlikumiem, kas tika izveidots tā radīšanas laikā, padara neiespējamu vienota atskaites sistēmas pastāvēšanu Radītājam un katrai matērijas kopuma daļai, kas galu galā pārvērtās par cilvēci un planētu. Zeme, uz kuras tā dzīvo.

Mēs zinām, ka saskaņā ar relativitātes likumu izplešas Visumā nav iespējams aprakstīt laiku, kas aptver noteiktu notikumu secību vienā Visuma daļā tā, lai tas būtu vienāds ar to pašu notikumu laiku. novērots no citas Visuma daļas. Dažādu galaktiku vai pat zvaigžņu kustības un gravitācijas spēku atšķirības vienā galaktikā pārvērš absolūto laiku par tīri lokālu parādību. Laiks dažādās Visuma daļās plūst atšķirīgi.

Bībele ir ceļvedis, kurā aprakstīts cilvēces ceļojums cauri dzīvei un laikam. Lai cilvēkā iedvestu atzinību par Visuma fizisko brīnumu, šajā rokasgrāmatā ir aprakstīts process, kas no tukša, bezveidīga Visuma noveda pie mājām, kurās var pastāvēt cilvēce. Taču ir gandrīz neiespējami izvēlēties vienu laika posmu, lai aprakstītu šo procesu, jo pārāk daudz faktoru tieši ietekmē laika ātrumu. Šie faktori ietver gravitācijas spēkus daudzās zvaigznēs, kuru dziļumos pirmatnējais ūdeņradis un hēlijs tika pārveidoti par dzīvības pamatā esošajiem elementiem, un starpgalaktiskās gāzes kustība, kas kustības procesā miglājā kondensējas, un pēc tam zvaigznēs un supernovā. sprādzieni, kas iezīmē Piena Ceļu un Zemes masu veidojošo zvaigžņu nāvi un tai sekojošo atdzimšanu. Laika ritējums bija dzīves aspekts, kuru pirms Einšteina ieskata mēs kļūdaini domājām par negrozāmu. Tas ir nereāli, nē, ir vienkārši neiespējami, ka viens un tas pats pulkstenis visos gadsimtos izmērītu visas tās kosmiskās vielas vecumu, no kuras mēs sastāvam.

Matērijas odiseja no Lielā sprādziena būtības līdz tās pašreizējam stāvoklim bija pārāk sarežģīta, pārāk daudzveidīga, lai laika ritējumu tajā varētu izmērīt ar vienu un to pašu pulksteni. Kurš tagad var pateikt, cik galaktiku vai kāda konkrēta supernova galu galā radīja elementus, kas veido mūsu fiziskos ķermeņus? Mēs, cilvēki, un viss pārējais Saules sistēmā, ieskaitot Sauli un planētas, esam sen pazudušo zvaigžņu fragmenti. Mēs burtiski esam izgatavoti no zvaigžņu putekļiem. Uz kuriem oglekļa, slāpekļa vai skābekļa atomiem attiecas šis laiks? Savējiem vai kaimiņa atomiem? Tie, kas ir daļa no jūsu ādas daļiņas, vai tie, kas atrodas jūsu asins pilē? Visticamāk, ka katrs no tiem sākās dažādu zvaigžņu dziļumos, un tāpēc katram no tiem ir savs unikālais vecums. Kosmiskās vielas pārvērtības, kas notika pirms Zemes veidošanās, notika neskaitāmās zvaigznēs, vienlaicīgi un secīgi. Katrai zvaigznei, katrai supernovai bija savs gravitācija un savs kustības ātrums, un līdz ar to savs telpas-laika atskaites rāmis.

Miljardiem kosmisko pulksteņu tikšķēja (un joprojām tikšķ), katrs savā, lokāli pareizā tempā. Viņi visi sāka tikšķēt vienā mirklī – Lielā sprādziena brīdī, un visi vienlaikus sasniedza laika periodu, kad parādījās Ādams. Taču absolūtais, vietējais laiks, kas pagāja no "sākuma" līdz brīdim, kad katra no šīm matērijas daļiņām deva ieguldījumu cilvēces radīšanā, katrai zvaigznei un katrai daļiņai bija ļoti atšķirīgs. Lai gan matērijas pārvērtības sākās un beidzās vienlaikus, no Einšteina teorijas izriet, ka katras dotās matērijas daļiņas vecums ļoti būtiski atšķiras no vecuma citām matērijas daļiņām, ar kurām tā galu galā savienojās, veidojot Saules sistēmu, un tad cilvēce. Mūsu argumentācija nav vairāk vai mazāk izsmalcināta kā, piemēram, 200 mikrosekundes noteikšana 4,5 mikrosekundēs, kas paiet, kamēr mu mezoni, kas veidojas atmosfēras augšējos slāņos kosmiskā starojuma ietekmē, sasniedz Zemes virsmu. 4,5 mikrosekundēs paiet 200 mikrosekundes. Šo pierādīto faktu var labāk izprast, izmantojot Einšteina domu eksperimentu, kurā zinātnieki uz ātrgaitas raķetes un zinātnieki stacionārā laboratorijā fiksē divus dažādus laika periodus vienam un tam pašam notikumam. Šai situācijai nav nekāda sakara ar nelaiķa W.K. Fīldss, kurš stāstīja, ka vienā garā vakarā veselu nedēļu nodzīvojis Filadelfijā15. Viņa paziņojums attiecas uz emocionālo sajūtu jomu; mūsu gadījumā mums ir darīšana ar fizisku faktu. Kad mēs runājam par miljardu gadu, mēs nedomājam, ka mēs tos piedzīvojam kā miljardu gadu. Miljards gadu patiesi ir pagājuši! Ja tajās pašās sešās dienās tajā Visuma daļā, kuru tagad aizņem Zeme, atrastos pulkstenis, tas ne vienmēr ierakstītu 15 miljardus gadu. Agrīnā Visumā telpas un laika izliekums šajā vietā, iespējams, bija pilnīgi atšķirīgs nekā tagad.

Lai aprakstītu Visuma konsekvento attīstību, bija nepieciešams atrast kaut kādu kompromisu. Kā šādu kompromisu Radītājs laikam pirms Ādama parādīšanās izvēlējās savu atskaites sistēmu, kurā viss Visums tika uztverts kā vienots veselums.

Ādama radīšana kvalitatīvi atšķīrās no visiem citiem notikumiem, kas pavadīja Visuma radīšanu. Tas liecināja par fundamentālām izmaiņām Dieva attiecībās ar Visumu. Mēs zinām, ka visi objekti Visumā, gan organiskie, gan neorganiskie, dzīvie un nedzīvie, sastāv no matērijas, kuras izcelsme meklējama pirmatnējā radīšanā. Šajā ziņā cilvēce nav izņēmums. Mums skaidri paskaidroja, ka mūsu izcelsmes materiālais avots ir ”zemes putekļi”. Visām dzīvajām būtnēm (1. Mozus 1:30), ieskaitot cilvēkus (1. Mozus 2:7), tika dota dzīva dvēsele (ebreju valodā nefesh). Tomēr tikai Ādamam tika dots kaut kas jauns, unikāls visam Visumam – dzīvā Dieva elpa (1. Mozus 2:7).

Un tieši šajā brīdī, kad Dievs Ādamā iedvesa savu dzīvības elpu (ebreju valodā neshamah), abi – Radītājs un viņa radība – kļuva nesaraujami saistīti viens ar otru. Tieši šajā brīdī no miljardiem iespējamo stundu neatgriezeniski tika izvēlēta tikai viena, ar kuru turpmāk bija jāmēra visu turpmāko notikumu gaita.

Relatīvisma fiziķu žargonā runājot, Ādama parādīšanās brīdī tā Visuma daļa, kas kļuva par cilvēka dzīvotni, sāka darboties tajā pašā telpas-laika atskaites sistēmā kā tās Radītājs. Sākot no šī brīža, vienojās Bībeles hronoloģija un laika plūsma uz Zemes – turpmāk tika fiksētas vispārējās telpas un laika attiecības starp Dievu un cilvēku.

Šīs jaunās saiknes rezultāti ir acīmredzami jau no pirmā acu uzmetiena uz Bībeles tekstu. Pastāv paralēlisms starp datumiem, uz kuriem Bībele atsaucas uz notikumiem, kas notika pēc Ādama radīšanas, un atbilstošajiem arheoloģiskajiem aprēķiniem par šo pašu notikumu hronoloģiju. Bībeles kalendāra bronzas laikmets un arheoloģijas bronzas laikmets sakrīt. Saskaņā ar Bībeli Hazoru pirms 3300 gadiem iznīcināja Jozua; arheoloģija, kā izrādījās pēc detalizētas izpētes, šo notikumu datē ar to pašu laika posmu. Bībeles kalendāra daļa, kas sākas ar Ādama radīšanu, mūsu acīs šķiet diezgan loģiska, un Nāves jūras tīstokļu atklāšana pierāda, ka Bībele pareizi apraksta notikumus tūkstošiem gadu, pirms mūsdienu arheoloģiskie atradumi tos apstiprina. Ja mēs nezinātu relativitātes likumu un mēģinātu datēt notikumus, kas notika uz Zemes laikā pēc Ādama no cita Visuma punkta, mēs tagad brīnītos, kāpēc mūsu uztverē pagātnes laiks atšķiras no reģistrētā. pēc pulksteņa uz Zemes.

Mūsu Visuma pastāvēšanas pirmajās sešās dienās Mūžīgais pulkstenis mērīja 144 stundas. Tagad mēs zinām, ka šis laika periods ne vienmēr sakrīt ar to pašu laika periodu, kas mērīts citā Visuma daļā. Kā šī Visuma iemītnieki mēs novērtējam laika ritējumu ar pulksteņu palīdzību, kas atrodas mūsu lokālajā atskaites sistēmā; Šādi pulksteņi ietver radioaktīvos datējumus, ģeoloģiskos datus un ātruma un attāluma mērījumus paplašinās Visumā. Tieši ar šiem pulksteņiem cilvēce ceļo laikā un telpā.

Kad Bībele apraksta, kā mūsu Visums attīstās katru dienu pirmajās sešās dienās pēc radīšanas, patiesībā runa ir par sešām dienām pa 24 stundām. Bet atskaites sistēma, kurā šīs dienas tika aprēķinātas, ietvēra visu Visumu. Šī pirmā Radīšanas nedēļa nekādā gadījumā nav pasaka, kas radīta, lai apmierinātu bērna zinātkāri, lai vēlāk, pieaugušā gudrības klātbūtnē, tiktu atmesta kā nevajadzīga. Tieši otrādi – tajā ir mājieni uz notikumiem, kurus cilvēce tikai tagad sāk saprast.

Bībeles gudrie jau sen ir brīdinājuši, ka mūsu izpratne par notikumiem pirmajās sešās radīšanas dienās neatbildīs mūsu izpratnei par dabu laikā pēc Ādama parādīšanās. Viņi to saprata no sabata atpūtas apraksta, kas ietverts desmit baušļos. Ja salīdzinām tekstu 2. Mozus grāmatā 20:11 ar tekstu Cakarijas 5:11 un 2. Samuēla 21:10, mēs redzam, ka abos tekstos ir lietots viens un tas pats vārds atpūtai, bet ar dažādām nokrāsām. Pēc šī vārda lietošanas veida var secināt, ka Dievs pirmajā sabatā patiesībā nav “atpūties”. Drīzāk Radītājs apstājās no sava darba, lai izpētītu Visumu, kas tika radīts pirmajās sešās dienās. Mūsu uztvere par šo pārtraukumu, saskaņā ar Maimonida teikto, ir tāda, ka vienmēr, sākot ar šo pirmo sabatu, dabas likumi, tostarp laika ritējums, darbosies “normālā” veidā. Turpretim notikumu gaita, kas notika pirmajās sešās dienās, varēja šķist neloģiska, it kā būtu noticis dabas un laika likumu pārkāpums. Kā redzam, gudro pareģojums, ka mēs bībeliskās un zinātniskās agrīnā Visuma bildes uztversim kā pretrunīgas savā starpā, patiesībā ir piepildījies.

Pirmā sestdiena iezīmē kalendāra sākumu, kas sākas ar Ādama radīšanu. Un tieši šī kalendāra daļa atbilst mūsu loģikā balstītajai realitātes uztverei. Pateicoties ārkārtējam laika relativitātes faktam, Einšteina relativitātes likumam, Bībeles kalendārs šajās sešās dienās ir pareizs. Fosilo atradumu atrašanu ir kļuvis lieki skaidrot, sakot, ka Radītājs tos tīši ievietojis tur, kur tie tika atrasti, lai pārbaudītu mūsu ticību radīšanas aktam vai apmierinātu mūsu zinātkāri. Radioaktīvās sabrukšanas ātrums akmeņos, meteorītos un fosilijās pareizi atspoguļo laika ritējumu, taču šo laika ritējumu mēra un turpina mērīt ar pulksteņiem, kas atrodas mūsu zemes atskaites sistēmā. Šo pulksteņu fiksētais laiks bija un joprojām ir tikai nosacīti, tas ir, tikai lokāli, pareizs. Citi pulksteņi, kas atrodas citās atskaites sistēmās, uz Zemes notiekošos notikumus attiecina uz dažādiem, bet ne mazāk pareiziem laika momentiem. Un tā tas būs vienmēr, kamēr Visums pakļausies dabas likumiem.

LITERATŪRA

• 1. Raši. "Komentāri par 1. Mozus grāmatu." 1:1.
• 2. Nahmanīdi. "Toras komentāri". 1. Mozus 5:4.
• 3. “Arheoloģija un Vecās Derības pētījumi”. Ed. Tomass. (Tomass, red., Arheoloģija un Vecās Derības pētījums).
• 4. Ņūtons. "Dabas filozofijas matemātiskie principi". (Ņūtons, Dabas filozofijas matemātiskie principi).
• 5. Einšteins. "Relativitāte: īpašās un vispārīgās teorijas". (Einšteins, Relativitāte: īpašās un vispārīgās teorijas).
• 6. Koens. "Jaunas fizikas dzimšana". (Koens, Jaunas fizikas dzimšana).
• 7. Pagels. "Perfekta simetrija." (Pagels, Perfect Symmetry).
• 8. Šenlenda. "Mišelsona-Morlija eksperiments". (Šenlends, “Mihelsona-Morlija eksperiments”, American Journal of Physics, 32 (1964):16).
• 9. Hermanis. "Kvantu teorijas izcelsme" (1899-1913). (Hermann, The Genesis of the Quantum Theory (1899-1913)).
• 10. Teilors un Vīlers. "Telpas-laika fizika". (Teilors un Vīlers, Telpas laika fizika).
• 11. Haefele un Kītings, “Around the World Atomic Clocks: Observations of Relativist Time Shift”. (Hafele un Kītings, "Atomu pulksteņi visā pasaulē: novērotais relatīvais laika pieaugums." Science, 117 (1972): 168).
• 12. Vūslijs un Filipss, “Supernova 1987A1”. (Woosley un Phillips, “Supernova 1987A!” Science, 240 (1988): 750).
• 13. Maimonides. “Svārstīgo mentors”, 1. daļa, nod. 67.

Relativitātes teoriju 20. gadsimta sākumā ieviesa Alberts Einšteins. Kāda ir tā būtība? Apskatīsim galvenos punktus un skaidrā valodā aprakstīsim TOE.

Relativitātes teorija praktiski novērsa 20. gadsimta fizikas neatbilstības un pretrunas, piespieda radikāli mainīt laika telpas struktūras ideju un tika eksperimentāli apstiprināta daudzos eksperimentos un pētījumos.

Tādējādi TOE veidoja visu mūsdienu fundamentālo fizisko teoriju pamatu. Patiesībā šī ir mūsdienu fizikas māte!

Vispirms ir vērts atzīmēt, ka ir 2 relativitātes teorijas:

• Speciālā relativitātes teorija (STR) – aplūko fiziskos procesus vienmērīgi kustīgos objektos.
• Vispārējā relativitāte (GTR) - apraksta paātrinātus objektus un izskaidro tādu parādību izcelsmi kā gravitācija un esamība.

Ir skaidrs, ka STR parādījās agrāk un būtībā ir daļa no GTR. Vispirms parunāsim par viņu.

STO vienkāršos vārdos

Teorija balstās uz relativitātes principu, saskaņā ar kuru jebkuri dabas likumi ir vienādi attiecībā uz ķermeņiem, kas ir nekustīgi un pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Un no tik šķietami vienkāršas domas izriet, ka gaismas ātrums (300 000 m/s vakuumā) visiem ķermeņiem ir vienāds.

Piemēram, iedomājieties, ka jums ir dots kosmosa kuģis no tālās nākotnes, kas var lidot lielā ātrumā. Kuģa priekšgalā ir uzstādīts lāzera lielgabals, kas spēj raidīt fotonus uz priekšu.

Salīdzinot ar kuģi, šādas daļiņas lido ar gaismas ātrumu, bet attiecībā pret stacionāru novērotāju šķiet, ka tām vajadzētu lidot ātrāk, jo abi ātrumi tiek summēti.

Tomēr patiesībā tas nenotiek! Ārējais novērotājs redz fotonus, kas pārvietojas ar ātrumu 300 000 m/s, it kā tiem nebūtu pievienots kosmosa kuģa ātrums.

Jums jāatceras: attiecībā pret jebkuru ķermeni gaismas ātrums būs nemainīga vērtība neatkarīgi no tā, cik ātri tas kustas.

No tā izriet pārsteidzoši secinājumi, piemēram, laika paplašināšanās, gareniskā kontrakcija un ķermeņa svara atkarība no ātruma. Vairāk par īpašās relativitātes teorijas interesantākajām sekām lasiet rakstā zemāk esošajā saitē.

Vispārējās relativitātes teorijas (GR) būtība

Lai to labāk saprastu, mums vēlreiz jāapvieno divi fakti:

• Mēs dzīvojam četrdimensiju telpā

Telpa un laiks ir vienas un tās pašas būtnes izpausmes, ko sauc par "telpas-laika kontinuumu". Tas ir 4-dimensiju telpas laiks ar koordinātu asīm x, y, z un t.

Mēs, cilvēki, nespējam vienādi uztvert 4 dimensijas. Būtībā mēs redzam tikai reāla četrdimensiju objekta projekcijas telpā un laikā.

Interesanti, ka relativitātes teorijā nav teikts, ka ķermeņi mainās, kad tie pārvietojas. 4-dimensiju objekti vienmēr paliek nemainīgi, bet ar relatīvu kustību to projekcijas var mainīties. Un mēs to uztveram kā laika palēnināšanos, izmēra samazināšanos utt.

• Visi ķermeņi krīt ar nemainīgu ātrumu un nepaātrinās

Veiksim biedējošu domu eksperimentu. Iedomājieties, ka braucat slēgtā liftā un esat bezsvara stāvoklī.

Šāda situācija var rasties tikai divu iemeslu dēļ: vai nu jūs atrodaties kosmosā, vai arī jūs brīvi krītat kopā ar kabīni zemes gravitācijas ietekmē.

Neskatoties ārā no kabīnes, ir absolūti neiespējami atšķirt šos divus gadījumus. Vienkārši vienā gadījumā jūs lidojat vienmērīgi, bet otrā - ar paātrinājumu. Jums būs jāuzmin!

Varbūt pats Alberts Einšteins domāja par iedomātu liftu, un viņam radās viena apbrīnojama doma: ja šos divus gadījumus nevar atšķirt, tad arī kritiens gravitācijas dēļ ir vienveidīga kustība. Kustība ir vienkārši vienmērīga četrdimensiju laiktelpā, bet masīvu ķermeņu klātbūtnē (piemēram) tā ir izliekta un vienmērīgā kustība tiek projicēta mums ierastajā trīsdimensiju telpā paātrinātas formā. kustība.

Apskatīsim vēl vienu vienkāršāku, lai arī ne gluži pareizu divdimensiju telpas izliekuma piemēru.

Varat iedomāties, ka jebkurš masīvs ķermenis zem tā izveido sava veida piltuvi. Tad citi garām lidojošie ķermeņi nevarēs turpināt kustību pa taisnu līniju un mainīs savu trajektoriju atbilstoši izliektās telpas līkumiem.

Starp citu, ja ķermenim nav daudz enerģijas, tad tā kustība var izrādīties slēgta.

Ir vērts atzīmēt, ka no kustīgo ķermeņu viedokļa tie turpina kustēties taisnā līnijā, jo nejūt neko tādu, kas liek griezties. Viņi tikko nokļuva izliektā telpā un, to neapzinoties, tiem ir nelineāra trajektorija.

Jāņem vērā, ka ir saliektas 4 dimensijas, ieskaitot laiku, tāpēc pret šo analoģiju jāizturas piesardzīgi.

Tādējādi vispārējā relativitātes teorijā gravitācija vispār nav spēks, bet gan tikai telpas-laika izliekuma sekas. Šobrīd šī teorija ir darba versija par gravitācijas izcelsmi un lieliski saskan ar eksperimentiem.

Pārsteidzošas vispārējās relativitātes teorijas sekas

Gaismas stari var saliekties, lidojot masīvu ķermeņu tuvumā. Patiešām, kosmosā ir atrasti attāli objekti, kas “slēpjas” aiz citiem, bet ap tiem liecas gaismas stari, pateicoties kuriem gaisma sasniedz mūs.

Pateicoties Albertam Einšteinam, jūs varat saprast, kur tuvumā atrodas bibliotēka vai veikals.

Un visbeidzot, vispārējā relativitāte paredz melno caurumu esamību, ap kuriem gravitācija ir tik spēcīga, ka laiks vienkārši apstājas tuvumā. Tāpēc gaisma, kas iekrīt melnajā caurumā, nevar to atstāt (atspīdēt).

Melnā cauruma centrā kolosālas gravitācijas saspiešanas rezultātā veidojas objekts ar bezgala augstu blīvumu, un tas, šķiet, nevar pastāvēt.

Tādējādi vispārējā relativitāte var novest pie ļoti pretrunīgiem secinājumiem, atšķirībā no , tāpēc lielākā daļa fiziķu to pilnībā nepieņēma un turpināja meklēt alternatīvu.

Taču viņai izdodas daudz ko prognozēt veiksmīgi, piemēram, nesenais sensacionālais atklājums apstiprināja relativitātes teoriju un lika mums vēlreiz atcerēties dižo zinātnieku ar izkārušos mēli. Ja jums patīk zinātne, izlasiet WikiScience.