Ogólna i szczególna teoria względności. Szczególna teoria względności

Szczególna teoria względności (STR) lub częściowa teoria względności to teoria Alberta Einsteina, opublikowana w 1905 roku w pracy „O elektrodynamice ciał ruchomych” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921, czerwiec 1905).

Wyjaśniał ruch pomiędzy różnymi inercjalnymi układami odniesienia lub ruch ciał poruszających się względem siebie ze stałą prędkością. W takim przypadku żadnego z obiektów nie należy traktować jako układu odniesienia, lecz należy je rozpatrywać względem siebie. SRT przewiduje tylko 1 przypadek, gdy 2 ciała nie zmieniają kierunku ruchu i poruszają się równomiernie.

Prawa SRT przestają obowiązywać, gdy jedno z ciał zmieni swoją trajektorię lub zwiększy prędkość. Tutaj ma miejsce ogólna teoria względności (GTR), podająca ogólną interpretację ruchu obiektów.

Dwa postulaty, na których opiera się teoria względności:

1. Zasada względności- Według niego we wszystkich istniejących układach odniesienia, które poruszają się względem siebie ze stałą prędkością i nie zmieniają kierunku, obowiązują te same prawa.
2. Zasada prędkości światła- Prędkość światła jest taka sama dla wszystkich obserwatorów i nie zależy od prędkości ich ruchu. Jest to najwyższa prędkość i nic w przyrodzie nie ma większej prędkości. Prędkość światła wynosi 3*10^8 m/s.

Albert Einstein oparł się na danych eksperymentalnych, a nie teoretycznych. To był jeden z elementów jego sukcesu. Nowe dane eksperymentalne posłużyły jako podstawa do stworzenia nowej teorii.

Od połowy XIX wieku fizycy poszukiwali nowego, tajemniczego ośrodka zwanego eterem. Uważano, że eter może przechodzić przez wszystkie obiekty, ale nie uczestniczy w ich ruchu. Według wierzeń o eterze, zmieniając prędkość widza względem eteru, zmienia się także prędkość światła.

Einstein, ufając eksperymentom, odrzucił koncepcję nowego ośrodka eterowego i założył, że prędkość światła jest zawsze stała i nie zależy od żadnych okoliczności, takich jak prędkość samego człowieka.

Przedziały czasu, odległości i ich jednorodność

Szczególna teoria względności łączy czas i przestrzeń. W Materialnym Wszechświecie znane są 3 w przestrzeni: prawa i lewa, przód i tył, góra i dół. Jeśli dodamy do nich kolejny wymiar, zwany czasem, stanie się to podstawą kontinuum czasoprzestrzennego.

Jeśli poruszasz się z małą prędkością, twoje obserwacje nie będą zbieżne z obserwacjami osób poruszających się szybciej.

Późniejsze eksperymenty potwierdziły, że przestrzeni, podobnie jak czasu, nie można postrzegać w ten sam sposób: nasza percepcja zależy od prędkości poruszania się obiektów.

Łączenie energii z masą

Einstein wymyślił wzór łączący energię z masą. Ta formuła jest szeroko stosowana w fizyce i jest znana każdemu uczniowi: E=m*c², w której E-energia; m - masa ciała, c - prędkość propagacja światła.

Masa ciała rośnie proporcjonalnie do wzrostu prędkości światła. Jeśli osiągniesz prędkość światła, masa i energia ciała staną się bezwymiarowe.

Zwiększając masę obiektu, coraz trudniej jest osiągnąć wzrost jego prędkości, czyli dla ciała o nieskończenie dużej masie materialnej wymagana jest nieskończona energia. Ale w rzeczywistości nie da się tego osiągnąć.

Teoria Einsteina łączyła dwa odrębne postanowienia: położenie masy i położenie energii w jedno ogólne prawo. Umożliwiło to konwersję energii na masę materialną i odwrotnie.

Praca Newtona jest przykładem wielkiej rewolucji naukowej, radykalnej zmiany niemal wszystkich idei naukowych w naukach przyrodniczych. Od czasów Newtona narodził się paradygmat fizyki klasycznej, który stał się głównym i definiującym systemem poglądów w nauce na prawie 250 lat.

Zwolennicy Newtona zaczęli znacząco udoskonalać odkryte przez niego stałe. Stopniowo zaczęły powstawać szkoły naukowe, ustalano metody obserwacji i analizy oraz klasyfikacji różnych zjawisk przyrodniczych. Przyrządy i sprzęt naukowy zaczęto produkować w sposób fabryczny. Zaczęto ukazywać się periodyki z wielu dziedzin nauk przyrodniczych. Nauka stała się najważniejszą gałęzią działalności człowieka.

Tak więc mechanika Newtona i kosmologia stały się podstawą nowego światopoglądu, zastępując nauczanie Arystotelesa i średniowieczne konstrukcje scholastyczne, które dominowały przez ponad tysiąc lat.

Jednak pod koniec XIX wieku zaczęły pojawiać się fakty zaprzeczające dominującemu paradygmatowi. Główne niespójności ponownie zaobserwowano w fizyce, wówczas najbardziej dynamicznie rozwijającej się nauce.

Klasycznym przykładem takiej sytuacji jest wypowiedź Lorda Kelvina (William Thomson), który już pod koniec XIX wieku zauważył, że „na czystym i świecącym niebie fizyki klasycznej tamtych lat były tylko dwie małe chmurki”. Jedna z nich związana jest z negatywnym wynikiem eksperymentu Michelsona mającego na celu wyznaczenie prędkości bezwzględnej Ziemi, druga zaś ze sprzecznością danych teoretycznych i eksperymentalnych na temat rozkładu energii w widmie absolutnego ciała doskonale czarnego.

Kelvin wykazał się niezwykłą wnikliwością. Te nierozwiązane problemy doprowadziły do ​​powstania zarówno teorii względności Einsteina, jak i teorii kwantowej, które stworzyły podstawę nowego paradygmatu nauk przyrodniczych.

Można też zauważyć, że zastosowanie klasycznej fizyki Newtona nie pozwoliło na dokładne obliczenie orbity Merkurego, a równania elektrodynamiki Maxwella nie odpowiadały klasycznym prawom ruchu.

Warunkiem powstania teorii względności były właśnie wspomniane już sprzeczności. Ich rozwiązanie stało się możliwe dzięki wprowadzeniu do nauk przyrodniczych nowego podejścia relatywistycznego.

To, co zwykle nie jest jasno rozumiane, to fakt, że ogólne pragnienie względnego (lub relatywistycznego) podejścia do praw fizycznych zaczęło pojawiać się na bardzo wczesnym etapie rozwoju współczesnej nauki. Począwszy od Arystotelesa naukowcy uważali Ziemię za centralny punkt przestrzeni, a początkowy moment czasu uznawano za początkowy impuls, który wprawił w ruch pierwotną materię. Idee Arystotelesa zostały przyjęte w świadomości średniowiecznej jako absolutne, jednak już pod koniec XV wieku weszły w konflikt z obserwowanymi zjawiskami naturalnymi. Szczególnie wiele niespójności narosło w astronomii.

Pierwszą poważną próbę rozwiązania tych sprzeczności podjął Kopernik, po prostu przyjmując, że planety krążą wokół Słońca, a nie wokół Ziemi. Oznacza to, że po raz pierwszy usunął Ziemię z centrum Wszechświata i pozbawił przestrzeń jej punktu początkowego. Był to w istocie początek zdecydowanej przebudowy całego ludzkiego myślenia. Chociaż Kopernik umieścił Słońce w tym centrum, zrobił jednak duży krok w kierunku tego, aby później ludzie zdali sobie sprawę, że nawet Słońce może być tylko jedną z wielu gwiazd i że w ogóle nie można znaleźć żadnego środka. Potem oczywiście pojawiła się podobna myśl o czasie i Wszechświat zaczął być postrzegany jako nieskończony i wieczny, bez żadnego momentu stworzenia i bez „celu”, do którego zmierza.

To właśnie to przejście prowadzi do powstania teorii względności. Ponieważ nie ma uprzywilejowanych pozycji w przestrzeni i uprzywilejowanych momentów w czasie, wówczas prawa fizyczne można jednakowo zastosować do dowolnego punktu wziętego za środek i wyciągną z nich te same wnioski. Pod tym względem sytuacja różni się zasadniczo od tej, która ma miejsce w teorii Arystotelesa, gdzie np. środkowi Ziemi przypisywano szczególną rolę jako punkt, do którego zmierza cała materia. Tendencja do relatywizacji znalazła później odzwierciedlenie w prawach Galileusza i Newtona

Galileusz wyraził pogląd, że ruch ma charakter względny. Oznacza to, że ruch jednostajny i prostoliniowy ciał można określić jedynie względem obiektu nie uczestniczącego w takim ruchu.

Wyobraźmy sobie w myślach, że jeden pociąg mija drugi ze stałą prędkością i bez szarpnięć. Poza tym zasłony są zasunięte i nic nie widać. Czy pasażerowie potrafią rozpoznać, który pociąg jedzie, a który stoi? Mogą jedynie obserwować ruch względny. Jest to główna idea klasycznej zasady względności.

Odkrycie zasady względności ruchu jest jednym z największych odkryć. Bez niego rozwój fizyki byłby niemożliwy. Zgodnie z hipotezą Galileusza, wpływ ruchu bezwładnościowego i spoczynku na ciała materialne jest nierozróżnialny. Aby przejść do opisu zdarzeń w ruchomym układzie odniesienia, konieczne było przeprowadzenie przekształceń współrzędnych, tzw „Przemiany Galileusza”, nazwane na cześć ich autora.

Weźmy na przykład jakiś układ współrzędnych X, powiązane ze stałym układem odniesienia. Wyobraźmy sobie teraz obiekt poruszający się wzdłuż osi X ze stałą prędkością w. Współrzędne X " , T”, wzięte w odniesieniu do tego obiektu, są następnie wyznaczane przez transformację Galileusza

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

Na szczególną uwagę zasługuje trzecie równanie ( t" = t), zgodnie z którym częstotliwość taktowania nie zależy od ruchu względnego. To samo prawo obowiązuje zarówno w starym, jak i nowym układzie odniesienia. Jest to ograniczona zasada względności. Mówimy tak, ponieważ prawa mechaniki wyrażają się tymi samymi relacjami we wszystkich układach odniesienia, połączonych transformacjami Galileusza.

Według Newtona, który rozwinął Galileuszową koncepcję względności ruchu, wszystkie eksperymenty fizyczne przeprowadzone w laboratorium poruszającym się ruchem jednostajnym i prostoliniowym (inercjalny układ odniesienia) dadzą taki sam wynik, jak gdyby znajdowało się ono w spoczynku.

Jak wspomniano wcześniej, pomimo sukcesów fizyki klasycznej tamtych lat, nagromadziły się pewne fakty, które temu zaprzeczają.

Te nowe dane, odkryte w XIX wieku, doprowadziły do ​​relatywistycznej koncepcji Einsteina.

Rewolucja w fizyce rozpoczęła się od odkrycia Roemera. Okazało się, że prędkość światła jest skończona i wynosi około 300 000 km/s. Następnie Bradry odkrył zjawisko aberracji gwiazdowej. Na podstawie tych odkryć ustalono, że prędkość światła w próżni jest stała i nie zależy od ruchu źródła i odbiornika.

Kolosalna, ale wciąż nie nieskończona prędkość światła w pustce doprowadziła do konfliktu z zasadą względności ruchu. Wyobraźmy sobie pociąg poruszający się z ogromną prędkością – 240 000 kilometrów na sekundę. Bądźmy na czele pociągu, a na ogonie zapala się żarówka. Zastanówmy się, jakie mogą być wyniki pomiaru czasu potrzebnego światłu na podróż z jednego końca pociągu na drugi.

Wydawać by się mogło, że tym razem będzie on inny niż ten, który spotykamy w jadącym pociągu. W rzeczywistości, w porównaniu do pociągu poruszającego się z prędkością 240 000 kilometrów na sekundę, światło miałoby prędkość (do przodu wzdłuż pociągu) zaledwie 300 000 - 240 000 = 60 000 kilometrów na sekundę. Światło zdaje się doganiać oddalającą się od niego przednią ścianę samochodu głównego. Jeśli umieścisz żarówkę na przodzie pociągu i zmierzysz czas, jaki zajmuje jej dotarcie do ostatniego wagonu, to wydaje się, że prędkość światła w kierunku przeciwnym do ruchu pociągu powinna wynosić 240 000 + 300 000 = 540 000 kilometrów na sekundę (Światło i ogon samochodu zbliżają się do siebie).

Okazuje się więc, że w jadącym pociągu światło musiałoby rozchodzić się w różnych kierunkach z różnymi prędkościami, natomiast w nieruchomym pociągu prędkość ta byłaby taka sama w obu kierunkach.

Z tego powodu w przypadku transformacji Galileusza równania Maxwella dla pola elektromagnetycznego nie mają postaci niezmienniczej. Opisują one rozchodzenie się światła i innych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego o prędkościach równych prędkości światła C. Aby rozwiązać sprzeczność w ramach fizyki klasycznej, konieczne było znalezienie uprzywilejowanego układu odniesienia, w którym równania Maxwella byłyby dokładnie spełniony, a prędkość światła będzie równa C we wszystkich kierunkach. Dlatego fizycy XIX wieku postulowali istnienie eteru, którego rola w rzeczywistości sprowadzała się do stworzenia fizycznej podstawy dla tak uprzywilejowanego układu odniesienia.

Przeprowadzono eksperymenty mające na celu określenie prędkości ruchu Ziemi w eterze (np. Eksperyment Michelsona-Morleya). Aby to zrobić, wiązka światła ze źródła przechodząca przez pryzmat została rozdzielona w kierunku ruchu Ziemi i prostopadle do niego. Według pomysłów, jeśli prędkości będą takie same, obie wiązki dotrą do pryzmatu w tym samym czasie, a natężenie światła wzrośnie. Jeśli prędkości są różne, intensywność światła słabnie. Wynik eksperymentu był zerowy, niemożliwe było określenie prędkości Ziemi względem eteru.

Kiedy eksperymenty nie potwierdziły przewidywań prostej teorii eteru na temat właściwości tego układu odniesienia, H. Lorentz, ponownie w celu ratowania fizyki klasycznej, zaproponował nową teorię wyjaśniającą negatywne wyniki takich eksperymentów jak konsekwencja zmian zachodzących w przyrządach pomiarowych podczas ich ruchu względem eteru. Rozbieżność pomiędzy wynikami obserwacji a prawami Newtona wyjaśnił zmianami zachodzącymi w przyrządach podczas poruszania się z prędkościami bliskimi C.

Lorentz zasugerował, że przy poruszaniu się z prędkościami bliskimi prędkości światła nie można stosować transformacji Galileusza, gdyż nie uwzględniają one efektu dużych prędkości. Jego transformacje, dla prędkości bliskich prędkości światła, nazywane są „transformacjami Lorentza”. Transformacje Galileusza są szczególnym przypadkiem transformacji Lorentza dla systemów o małych prędkościach.

Transformacje Lorentza mają postać:

Zgodnie z transformacjami Lorentza wielkości fizyczne - masa ciała, jego długość w kierunku ruchu i czas zależą od prędkości ruchu ciał według następujących zależności:

	Gdzie M- masa ciała	Znaczenie tych transformacji Lorentza mówi: wzrost masy ciała przy prędkościach bliskich prędkościom świetlnym zmniejszenie długości ciała podczas poruszania się w kierunku zgodnym z wektorem prędkości wydłużenie czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami lub spowolnienie czasu
	Gdzie L- wzrost
	Gdzie ∆t – odstęp czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami

Próbując znaleźć fizyczne znaczenie wzorów odkrytych przez Lorentza, możemy założyć, że w kierunku x, pokrywającym się z wektorem prędkości, wszystkie ciała są ściskane, a im mocniej, tym większa jest prędkość ich ruchu. Oznacza to, że ciała ulegają skurczowi w wyniku spłaszczenia orbit elektronów. Kiedy zostaną osiągnięte prędkości podświetlne, możemy mówić o dylatacji czasu w poruszającym się układzie. Na tej zasadzie opiera się dobrze znany paradoks bliźniąt. Jeśli jeden z bliźniaków wyruszy w kosmiczną podróż na okres pięciu lat na statku z prędkością poniżej światła, to powróci na ziemię, gdy jego brat bliźniak będzie już bardzo starym człowiekiem. Wpływ wzrostu masy na obiekt poruszający się z prędkością bliską prędkości światła można wytłumaczyć wzrostem energii kinetycznej szybko poruszającego się ciała. Zgodnie z koncepcją Einsteina dotyczącą tożsamości masy i energii, część energii kinetycznej ciała podczas ruchu zamienia się na masę.

Jeśli zastosujemy przekształcenia Lorentza do równań elektrodynamiki Maxwella, okaże się, że są one niezmiennicze przy takich przekształceniach.

Einstein wykorzystał transformacje Lorentza do rozwinięcia swojej teorii względności.

Ważnym warunkiem powstania teorii względności były nowe idee dotyczące właściwości przestrzeni i czasu.

W zwykłej świadomości czas składa się z obiektywnie istniejącej naturalnej koordynacji następujących po sobie zjawisk. Charakterystyka przestrzenna to położenie niektórych ciał względem innych i odległości między nimi.

W systemie teoretycznym Newtona jasno sformułowana została pierwsza naukowa koncepcja czasu jako obiektywnej, niezależnej całości – substancjalne pojęcie czasu. Koncepcja ta wywodzi się od starożytnych atomistów i rozkwita w doktrynie Newtona o absolutnej przestrzeni i czasie. Po Newtonie właśnie ta koncepcja dominowała w fizyce aż do początku XX wieku. Newton przyjął podwójne podejście do definiowania czasu i przestrzeni. Według tego podejścia istnieje zarówno czas bezwzględny, jak i względny.

Czas absolutny, prawdziwy i matematyczny sam w sobie, bez żadnego związku z niczym zewnętrznym, płynie równomiernie i nazywa się trwaniem.

Czas względny, pozorny lub zwyczajny jest miarą czasu używaną w życiu codziennym zamiast czasu matematycznego – jest to godzina, miesiąc, rok itp.

Czasu absolutnego nie da się zmienić w jego biegu.

Na poziomie codziennym możliwy jest system liczenia długich okresów czasu. Jeśli przewiduje kolejność liczenia dni w roku i jest w nim wskazana era, to jest to kalendarz.

Relacyjna koncepcja czasu jest tak stara jak koncepcja substancjalna. Został on rozwinięty w dziełach Platona i Arystotelesa. Arystoteles jako pierwszy szczegółowo opisał tę koncepcję czasu w swojej Fizyce. W tej koncepcji czas nie jest czymś istniejącym niezależnie, ale czymś wywodzącym się z bardziej fundamentalnej istoty. Dla Platona czas został stworzony przez Boga, dla Arystotelesa jest on wynikiem obiektywnego ruchu materialnego. W filozofii czasów nowożytnych, począwszy od Kartezjusza, a skończywszy na pozytywistach XIX wieku, czas jest właściwością lub relacją wyrażającą różne aspekty działania ludzkiej świadomości.

Problem przestrzeni po bliższym zbadaniu również okazuje się trudny. Przestrzeń jest logicznie wyobrażalną formą, która służy jako medium, w którym istnieją inne formy i pewne struktury. Na przykład w geometrii elementarnej płaszczyzna to przestrzeń będąca ośrodkiem, w którym konstruowane są różne, choć płaskie figury.

W mechanice klasycznej Newtona przestrzeń absolutna w swej istocie, niezależnie od wszystkiego, co zewnętrzne, pozostaje zawsze taka sama i nieruchoma. Działa jako analogia pustki Demokryta i jest areną dynamiki obiektów fizycznych.

Arystotelesowska koncepcja przestrzeni izotropowej odeszła od jednorodności i nieskończoności przestrzeni Demokryta. Według Arystotelesa i jego zwolenników przestrzeń zyskała centrum - Ziemię, wokół której krążą kule, a najdalsza niebiańska sfera gwiazd stanowi granicę ostatecznej przestrzeni świata. Arystoteles odrzuca nieskończoność przestrzeni, ale obstaje przy koncepcji nieskończonego czasu. Koncepcja ta wyraża się w jego idei sferycznej przestrzeni Wszechświata, która choć ograniczona, nie jest skończona.

Klasyczna przestrzeń newtonowska opiera się na idei jej jednorodności. Jest to podstawowa idea fizyki klasycznej, konsekwentnie rozwijana w dziełach Kopernika, Brunona, Galileusza i Kartezjusza. Bruno porzucił już ideę centrum Wszechświata i ogłosił ją nieskończoną i jednorodną. Pomysł ten osiągnął swój finał wraz z Newtonem. W jednorodnej przestrzeni zmienia się idea ruchu absolutnego, to znaczy znajdujące się w niej ciało porusza się na skutek bezwładności. W przypadku braku przyspieszenia siły bezwładności nie powstają. Znaczenie ruchu prostoliniowego i jednostajnego sprowadza się do zmiany odległości danego ciała od dowolnie wybranego układu odniesienia. Ruch prostoliniowy i jednostajny jest względny.

Historycznie pierwszą i najważniejszą przestrzenią matematyczną jest płaska przestrzeń euklidesowa, która reprezentuje abstrakcyjny obraz przestrzeni rzeczywistej. Właściwości tej przestrzeni opisano za pomocą 5 głównych postulatów i 9 aksjomatów. W geometrii Euklidesa był słaby punkt, tzw. piąty postulat o nieprzecinających się liniach równoległych. Matematycy starożytni i nowożytni bezskutecznie próbowali udowodnić to stanowisko. W XVIII – XIX w. problem ten próbowali rozwiązać D. Saccheri, Lambert i A. Legendre. Nieudane próby udowodnienia piątego postulatu przyniosły ogromne korzyści. Matematycy poszli drogą modyfikacji koncepcji geometrii przestrzeni euklidesowej. Najpoważniejszą modyfikację wprowadził w pierwszej połowie XIX wieku N. I. Łobaczewski (1792–1856).

Doszedł do wniosku, że zamiast aksjomatu dwóch równoległych prostych można postawić hipotezę wprost przeciwną i na jej podstawie stworzyć spójną geometrię. W tej nowej geometrii niektóre stwierdzenia wyglądały dziwnie, a nawet paradoksalnie. Na przykład aksjomat Euklidesa mówi: na płaszczyźnie, przez punkt nie leżący na danej prostej, można poprowadzić jedną i tylko jedną prostą równoległą do pierwszej. W geometrii Łobaczewskiego aksjomat ten otrzymuje brzmienie: na płaszczyźnie, przez punkt nie leżący na danej prostej, można poprowadzić więcej niż jedną prostą, która nie przecina danej. W tej geometrii suma kątów trójkąta jest mniejsza niż dwie linie proste itp. Ale pomimo zewnętrznego paradoksu logicznie te stwierdzenia są całkowicie równe twierdzeniom euklidesowym. Radykalnie zmienili poglądy na temat natury przestrzeni. Niemal jednocześnie z Łobaczewskim do podobnych wniosków doszli węgierski matematyk J. Bolyai i słynny matematyk K. Gauss. Współcześni naukowcy byli sceptyczni wobec geometrii nieeuklidesowej, uważając ją za czystą fantazję. Jednak rzymski matematyk E. Beltrami znalazł model geometrii nieeuklidesowej, jaką jest pseudosfera:

Rysunek 1. Pseudosfera

Kolejnym ważnym krokiem w zrozumieniu natury przestrzeni był B. Riemann (1826 - 1866). Po ukończeniu studiów na Uniwersytecie w Getyndze w 1851 r. już w 1854 r. (28 lat) wydał raport „O hipotezach leżących u podstaw geometrii”, w którym podał ogólne pojęcie przestrzeni matematycznej, w którym geometrie Euklidesa i Łobaczewski były przypadkami szczególnymi. W n-wymiarowej przestrzeni Riemanna wszystkie linie dzielą się na elementarne odcinki, których stan określa współczynnik g. Jeżeli współczynnik wynosi 0, to wszystkie proste na tym odcinku są proste – postulaty Euklidesa działają. W innych przypadkach przestrzeń będzie zakrzywiona. Jeśli krzywizna jest dodatnia, wówczas przestrzeń nazywa się sferyczną Riemanna. Jeśli jest ujemna, jest to pseudosferyczna przestrzeń Łobaczewskiego. Tak więc do połowy XIX wieku miejsce płaskiej trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej zajęła wielowymiarowa przestrzeń zakrzywiona. Koncepcje przestrzeni Riemanna ostatecznie posłużyły jako jeden z głównych warunków wstępnych stworzenia przez Einsteina ogólnej teorii względności.

Rys. 2 Przestrzeń sferyczna Riemanna

Ostatecznego opracowania przestrzenno-geometrycznego tła teorii względności dokonał bezpośredni nauczyciel Einsteina G. Minkowski (1864 - 1909), który sformułował ideę czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne, jednocząc fizyczną trójwymiarową przestrzeń i czas. Aktywnie zajmował się elektrodynamiką ośrodków ruchomych w oparciu o teorię elektronów i zasadę względności. Otrzymane przez niego równania, zwane później równaniami Minkowskiego, różnią się nieco od równań Lorentza, ale są zgodne z faktami eksperymentalnymi. Stanowią matematyczną teorię procesów fizycznych w przestrzeni czterowymiarowej. Przestrzeń Minkowskiego umożliwia wizualną interpretację efektów kinematycznych szczególnej teorii względności i stanowi podstawę współczesnego aparatu matematycznego teorii względności.

Ta idea pojedynczej przestrzeni i czasu, zwana później czas, przestrzeń i jego zasadnicza różnica w stosunku do niezależnej przestrzeni i czasu Newtona najwyraźniej ujęła Einsteina na długo przed 1905 rokiem i nie jest bezpośrednio związana ani z eksperymentem Michelsona, ani z teorią Lorentza-Poincarégo.

W 1905 roku Albert Einstein opublikował artykuł „O elektrodynamice ciał ruchomych” w czasopiśmie „Annals of Physics” oraz inny mały artykuł, w którym po raz pierwszy pokazano wzór E=mc2. Jak później zaczęli mówić, jest to główna formuła naszego stulecia.

W artykule z elektrodynamiki przedstawiono teorię wykluczającą istnienie uprzywilejowanego układu współrzędnych dla ruchu prostoliniowego i jednostajnego. Teoria Einsteina wyklucza czas niezależny od przestrzennego układu odniesienia i porzuca klasyczną zasadę dodawania prędkości. Einstein założył, że prędkość światła jest stała i stanowi granicę prędkości w przyrodzie. Nazwał tę teorię „Szczególna teoria względności”.

Einstein rozwinął swoją teorię w oparciu o następujące podstawowe postulaty:

• prawa, według których zmieniają się stany układów fizycznych, nie zależą od tego, którego z dwóch układów współrzędnych, poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym i prostoliniowym, dotyczą te zmiany. W rezultacie nie ma preferowanego układu odniesienia dla ruchu jednostajnego i prostoliniowego - zasada względności
• Każdy promień światła porusza się w stacjonarnym układzie współrzędnych z określoną prędkością, niezależnie od tego, czy ten promień światła jest emitowany przez źródło stacjonarne czy ruchome. Ta prędkość to maksymalna prędkość interakcji w przyrodzie - postulat o stałości prędkości światła

Z tych postulatów wyłaniają się dwa wnioski:

• jeśli zdarzenia w układzie 1 zachodzą w jednym punkcie i są jednoczesne, to nie są jednoczesne w innym układzie inercjalnym. Jest to zasada względności jednoczesności
• dla dowolnych prędkości 1 i 2 ich suma nie może być większa niż prędkość światła. Jest to relatywistyczne prawo dodawania prędkości

Postulaty te – zasada względności i zasada stałości prędkości światła – stanowią podstawę szczególnej teorii względności Einsteina. Z nich otrzymuje względność długości i względność czasu.

Istotą podejścia Einsteina było odrzucenie idei o absolutnej przestrzeni i czasie, na których opiera się hipoteza eteru. Zamiast tego przyjęto relacyjne podejście do zjawisk elektromagnetycznych i propagacji promieniowania elektromagnetycznego. Prawa ruchu Newtona wyrażały się tymi samymi zależnościami we wszystkich układach poruszających się jednostajnie, połączonych transformacjami Galileusza, a prawo niezmienności obserwowanej wartości prędkości światła wyrażało się tą samą zależnością we wszystkich układach poruszających się jednostajnie, połączonych transformacjami Lorentza.

Jednak prawa ruchu Newtona nie są niezmienne w przypadku transformacji Lorentza. Wynika z tego, że prawa Newtona nie mogą być prawdziwymi prawami mechaniki (są jedynie przybliżone, obowiązują w granicznym przypadku, gdy stosunek v/c dąży do zera).

Jednakże szczególna teoria względności obowiązuje także w ograniczonych warunkach – w przypadku układów poruszających się równomiernie.

Einstein kontynuował rozwój szczególnej teorii względności w swojej pracy „Prawo zachowania ruchu środka ciężkości i bezwładności ciała”. Za podstawę przyjął wniosek Maxwella, że ​​wiązka światła ma masę, to znaczy poruszając się, wywiera nacisk na przeszkodę. Założenie to zostało eksperymentalnie udowodnione przez P.N. Lebiediewa. W swojej pracy Einstein uzasadnił związek między masą a energią. Doszedł do wniosku, że gdy ciało emituje energię L, jego masa zmniejsza się o ilość równą L/V2. Z tego wyciągnięto ogólny wniosek - masa ciała jest miarą zawartej w nim energii. Jeśli energia zmienia się o wielkość równą L, wówczas masa zmienia się odpowiednio o wielkość L podzieloną przez kwadrat prędkości światła. W ten sposób po raz pierwszy pojawia się słynna zależność Einsteina E = MC2.

W latach 1911-1916 Einsteinowi udało się uogólnić teorię względności. Teorię stworzoną w 1905 roku, jak już wspomniano, nazwano szczególną teorią względności, ponieważ. dotyczyło to tylko ruchu prostoliniowego i jednostajnego.

W ogólnej teorii względności ujawniono nowe aspekty zależności relacji czasoprzestrzennych i procesów materialnych. Teoria ta zapewniła fizyczne podstawy geometrii nieeuklidesowej i powiązała krzywiznę przestrzeni i odchylenie jej metryki od euklidesowej z działaniem pól grawitacyjnych wytwarzanych przez masy ciał.

Ogólna teoria względności opiera się na zasadzie równoważności mas bezwładności i grawitacji, której ilościowa równość została dawno temu ustalona w fizyce klasycznej. Efekty kinematyczne powstające pod wpływem sił grawitacyjnych są równoważne efektom powstającym pod wpływem przyspieszenia. Jeśli więc rakieta wystartuje z przyspieszeniem 3 g, załoga rakiety poczuje się tak, jakby znajdowała się w polu grawitacyjnym trzykrotnie większym od ziemskiego.

Mechanika klasyczna nie potrafiła wyjaśnić, dlaczego bezwładność i ciężar mierzy się tą samą wielkością – masą, dlaczego masa ciężka jest proporcjonalna do masy bezwładności, innymi słowy, dlaczego ciała spadają z tym samym przyspieszeniem. Z kolei mechanika klasyczna, tłumacząc siły bezwładności ruchem przyspieszonym w przestrzeni absolutnej, uważała, że ​​ta przestrzeń absolutna oddziałuje na ciała, ale nie ulega ich wpływowi. Doprowadziło to do identyfikacji układów inercjalnych jako układów specjalnych, w których przestrzegane są jedynie prawa mechaniki. Einstein oświadczył, że przyspieszony ruch układu poza polem grawitacyjnym i ruch bezwładnościowy w polu grawitacyjnym są zasadniczo nierozróżnialne. Przyspieszenie i grawitacja powodują fizycznie nieodróżnialne efekty.

Fakt ten został zasadniczo ustalony przez Galileusza: wszystkie ciała poruszają się w polu grawitacyjnym (przy braku oporu środowiska) z tym samym przyspieszeniem, trajektorie wszystkich ciał z daną prędkością są jednakowo zakrzywione w polu grawitacyjnym. Z tego powodu żaden eksperyment nie jest w stanie wykryć pola grawitacyjnego w swobodnie opadającej windzie. Innymi słowy, w układzie odniesienia poruszającym się swobodnie w polu grawitacyjnym w małym obszarze czasoprzestrzeni, nie ma grawitacji. To ostatnie stwierdzenie jest jednym ze sformułowań zasady równoważności. Zasada ta wyjaśnia zjawisko nieważkości w statku kosmicznym.

Jeśli rozszerzymy zasadę równoważności na zjawiska optyczne, doprowadzi to do szeregu ważnych konsekwencji. Jest to zjawisko przesunięcia ku czerwieni i odchylenia wiązki światła pod wpływem pola grawitacyjnego. Efekt przesunięcia ku czerwieni występuje, gdy światło jest kierowane z punktu o większym potencjale grawitacyjnym do punktów o mniejszym potencjale grawitacyjnym. Oznacza to, że w tym przypadku jego częstotliwość maleje, a długość fali rośnie i odwrotnie. Przykładowo światło słoneczne padające na Ziemię dotrze tutaj ze zmienioną częstotliwością, w której linie widmowe przesuną się w stronę czerwonej części widma.

Wniosek o zmianie częstotliwości światła w polu grawitacyjnym wiąże się z efektem dylatacji czasu w pobliżu dużych mas grawitacyjnych. Tam, gdzie pola cienia są większe, zegar działa wolniej.

W ten sposób uzyskano nowy podstawowy wynik - prędkość światła nie jest już wartością stałą, lecz zwiększa się lub maleje w polu grawitacyjnym w zależności od tego, czy kierunek wiązki światła pokrywa się z kierunkiem pola grawitacyjnego.

Nowa teoria zmieniła teorię Newtona w niewielkim stopniu ilościowo, ale wprowadziła głębokie zmiany jakościowe. Bezwładność, grawitacja i metryczne zachowanie ciał i zegarów zostały zredukowane do jednej właściwości pola, a uogólniona zasada bezwładności przejęła rolę prawa ruchu. Jednocześnie wykazano, że przestrzeń i czas nie są kategoriami absolutnymi - ciała i ich masy wpływają na nie i zmieniają ich metrykę.

Jak można sobie wyobrazić zakrzywienie przestrzeni i dylatację czasu, o których mowa w ogólnej teorii względności?

Wyobraźmy sobie model przestrzeni w postaci arkusza gumy (nawet jeśli nie jest to cała przestrzeń, ale jej płaski wycinek). Jeśli rozciągniemy ten arkusz poziomo i ułożymy na nim duże kulki, to będą one uginać gumę, im bardziej, tym większa będzie masa piłki. To wyraźnie pokazuje zależność krzywizny przestrzeni od masy ciała, a także pokazuje, jak można przedstawić nieeuklidesowe geometrie Łobaczewskiego i Riemanna.

Teoria względności ustaliła nie tylko zakrzywienie przestrzeni pod wpływem pól grawitacyjnych, ale także spowolnienie czasu w silnym polu grawitacyjnym. Światło przemieszczające się wzdłuż fal kosmicznych zajmuje więcej czasu niż przemieszczanie się po płaskim fragmencie przestrzeni. Jedną z najbardziej fantastycznych przewidywań ogólnej teorii względności jest całkowite zatrzymanie czasu w bardzo silnym polu grawitacyjnym. Dylatacja czasu objawia się grawitacyjnym przesunięciem ku czerwieni światła: im silniejsza grawitacja, tym dłuższa długość fali i niższa częstotliwość. W pewnych warunkach długość fali może dążyć do nieskończoności, a jej częstotliwość do zera. Te. światło zniknie.

Przy świetle emitowanym przez nasze Słońce mogłoby się to zdarzyć, gdyby nasza gwiazda skurczyła się i zamieniła w kulę o średnicy 5 km (średnica Słońca wynosi » 1,5 miliona km). Słońce zamieniłoby się w „czarną dziurę”. Początkowo przewidywano teoretycznie „czarne dziury”. Jednak w 1993 roku dwóch astronomów, Hulse i Taylor, otrzymało Nagrodę Nobla za odkrycie takiego obiektu w układzie Czarna Dziura-Pulsar. Odkrycie tego obiektu było kolejnym potwierdzeniem ogólnej teorii względności Einsteina.

Ogólna teoria względności była w stanie wyjaśnić rozbieżność między obliczonymi i rzeczywistymi orbitami Merkurego. W nim orbity planet nie są zamknięte, to znaczy po każdym obrocie planeta powraca do innego punktu w przestrzeni. Obliczona orbita Merkurego dała błąd 43Ω, czyli zaobserwowano obrót jego peryhelium (peryhelium to punkt orbity planety krążącej wokół niego najbliżej Słońca).

Jedynie ogólna teoria względności mogła wyjaśnić ten efekt zakrzywieniem przestrzeni pod wpływem masy grawitacyjnej Słońca.

Idee dotyczące przestrzeni i czasu sformułowane w teorii względności są najbardziej spójne i spójne. Opierają się jednak na makrokosmosie, na doświadczeniu badania dużych obiektów, dużych odległości i długich okresów czasu. Konstruując teorie opisujące zjawiska mikroświata, teoria Einsteina może nie mieć zastosowania, choć nie ma danych eksperymentalnych zaprzeczających jej zastosowaniu w mikroświecie. Możliwe jednak, że sam rozwój koncepcji kwantowych będzie wymagał rewizji rozumienia fizyki przestrzeni i czasu.

Obecnie ogólna teoria względności jest ogólnie przyjętą teorią w świecie naukowym, opisującą procesy zachodzące w czasie i przestrzeni. Ale jak każda teoria naukowa, odpowiada ona poziomowi wiedzy dla danego, konkretnego okresu. Wraz z gromadzeniem nowych informacji i pozyskiwaniem nowych danych eksperymentalnych każdą teorię można obalić.

Ogólna i szczególna teoria względności (nowa teoria przestrzeni i czasu) doprowadziła do tego, że wszystkie układy odniesienia stały się sobie równe, dlatego wszystkie nasze idee mają sens tylko w pewnym układzie odniesienia. Obraz świata nabrał względnego, względnego charakteru, zmodyfikowano kluczowe pojęcia dotyczące przestrzeni, czasu, przyczynowości, ciągłości, odrzucono jednoznaczne przeciwstawienie podmiotu i przedmiotu, percepcja okazała się zależna od układu odniesienia, który obejmuje zarówno podmiot i przedmiot, sposób obserwacji itp.)

W oparciu o nowe, relatywistyczne podejście do postrzegania przyrody sformułowano nowy, trzeci w dziejach nauki paradygmat nauk przyrodniczych. Opiera się na następujących pomysłach:

• Ø Relatywizm– nowy paradygmat naukowy porzucił ideę wiedzy absolutnej. Wszystkie prawa fizyczne odkryte przez naukowców są obiektywne w danym momencie. Nauka zajmuje się pojęciami ograniczonymi i przybliżonymi, a jedynie stara się zrozumieć prawdę.
• Ø Neodeterminizm- determinizm nieliniowy. Najważniejszym aspektem rozumienia determinizmu jako nieliniowego jest odrzucenie idei wymuszonej przyczynowości, która zakłada obecność tzw. przyczyny zewnętrznej dla zachodzących procesów naturalnych. Przy analizie przebiegu procesów naturalnych zarówno konieczność, jak i szansa zyskują równe prawa.
• Ø Globalny ewolucjonizm– idea natury jako stale rozwijającego się, dynamicznego układu. Nauka zaczęła badać przyrodę nie tylko z punktu widzenia jej budowy, ale także procesów w niej zachodzących. Jednocześnie priorytetem są badania procesów zachodzących w przyrodzie.
• Ø Holizm- wizja świata jako jednej całości. Uniwersalny charakter powiązania pomiędzy elementami tej całości (połączenie obowiązkowe).
• Ø Synergia– jako metoda badawcza, jako uniwersalna zasada samoorganizacji i rozwoju systemów otwartych.
• Ø Ustalenie rozsądnej równowagi pomiędzy analizą i syntezą w badaniu przyrody. Nauczanie rozumiało, że nie można w nieskończoność miażdżyć natury na najmniejsze cegły. Jego właściwości można zrozumieć jedynie poprzez dynamikę natury jako całości.
• Ø Twierdzenie, że ewolucja przyrody odbywa się w czterowymiarowym kontinuum czasoprzestrzennym.

SRT, znana również jako szczególna teoria względności, to wyrafinowany model opisowy zależności czasoprzestrzeni, ruchu i praw mechaniki, stworzony w 1905 roku przez laureata Nagrody Nobla Alberta Einsteina.

Wchodząc na wydział fizyki teoretycznej Uniwersytetu w Monachium, Max Planck zwrócił się o poradę do profesora Philippa von Jolly, który w tym czasie kierował wydziałem matematyki na tej uczelni. Na co otrzymał radę: „w tym obszarze prawie wszystko jest już otwarte i pozostaje tylko załatać kilka niezbyt istotnych problemów”. Młody Planck odpowiedział, że nie chce odkrywać nowych rzeczy, a jedynie zrozumieć i usystematyzować już znaną wiedzę. W rezultacie z jednego takiego „mało istotnego problemu” wyłoniła się później teoria kwantowa, a z drugiego teoria względności, za którą Max Planck i Albert Einstein otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

W przeciwieństwie do wielu innych teorii opierających się na eksperymentach fizycznych, teoria Einsteina opierała się niemal wyłącznie na jego eksperymentach myślowych i dopiero później została potwierdzona w praktyce. Zatem już w 1895 roku (w wieku zaledwie 16 lat) zastanawiał się, co by się stało, gdyby poruszał się równolegle do wiązki światła z jej prędkością? W takiej sytuacji okazało się, że dla zewnętrznego obserwatora cząstki światła powinny oscylować wokół jednego punktu, co jest sprzeczne z równaniami Maxwella i zasadą względności (która głosiła, że ​​prawa fizyczne nie zależą od miejsca, w którym się znajdujesz i od prędkość, z jaką się poruszasz). W ten sposób młody Einstein doszedł do wniosku, że prędkość światła powinna być nieosiągalna dla ciała materialnego, i położył pierwszą cegłę pod podstawę przyszłej teorii.

Kolejny eksperyment przeprowadził przez niego w 1905 roku i polegał na tym, że na końcach jadącego pociągu znajdują się dwa pulsacyjne źródła światła, które zapalają się jednocześnie. Dla zewnętrznego obserwatora przejeżdżającego obok pociągu oba te zdarzenia zachodzą jednocześnie, natomiast dla obserwatora znajdującego się w środku pociągu będzie się wydawać, że zdarzenia te miały miejsce w różnym czasie, gdyż rozbłysk światła od początku wagonu dotrze wcześniej niż od jego końca (ze względu na stałą prędkość światła).

Wyciągnął z tego bardzo śmiały i daleko idący wniosek, że jednoczesność zdarzeń jest względna. Obliczenia uzyskane na podstawie tych eksperymentów opublikował w pracy „O elektrodynamice ciał ruchomych”. Co więcej, dla poruszającego się obserwatora jeden z tych impulsów będzie miał większą energię niż drugi. Aby w takiej sytuacji nie została naruszona zasada zachowania pędu przy przechodzeniu z jednego inercjalnego układu odniesienia do drugiego, konieczne było, aby obiekt jednocześnie z utratą energii utracił masę. W ten sposób Einstein doszedł do wzoru charakteryzującego związek pomiędzy masą i energią E=mc 2 - co jest obecnie chyba najsłynniejszym wzorem fizycznym. Wyniki tego eksperymentu zostały przez niego opublikowane jeszcze w tym samym roku.

Podstawowe postulaty

Stałość prędkości światła– do 1907 r. prowadzono eksperymenty mierzące z dokładnością ±30 km/s (czyli większą od prędkości orbitalnej Ziemi) i nie wykrywano jej zmian w ciągu roku. Był to pierwszy dowód na niezmienność prędkości światła, co zostało później potwierdzone przez wiele innych eksperymentów, zarówno eksperymentatorów na Ziemi, jak i automatycznych urządzeń w kosmosie.

Zasada względności– zasada ta określa niezmienność praw fizycznych w dowolnym punkcie przestrzeni i w każdym inercjalnym układzie odniesienia. Oznacza to, że niezależnie od tego, czy poruszasz się z prędkością około 30 km/s po orbicie Słońca wraz z Ziemią, czy też w statku kosmicznym daleko poza jej granicami – wykonując eksperyment fizyczny, zawsze trafisz na takie same wyniki (jeśli twój statek jest w tym czasie, nie przyspiesza ani nie zwalnia). Zasadę tę potwierdziły wszystkie eksperymenty na Ziemi, a Einstein mądrze uznał tę zasadę za prawdziwą dla reszty Wszechświata.

Konsekwencje

Na podstawie obliczeń opartych na tych dwóch postulatach Einstein doszedł do wniosku, że czas dla obserwatora poruszającego się na statku powinien zwalniać wraz ze wzrostem prędkości, a on wraz ze statkiem powinien zmniejszać się w kierunku ruchu (aby kompensując w ten sposób skutki ruchu i zachowując zasadę względności). Z warunku skończonej prędkości dla ciała materialnego wynikało także, że regułę dodawania prędkości (która w mechanice Newtona miała prostą postać arytmetyczną) należy zastąpić bardziej złożonymi transformacjami Lorentza – w tym przypadku nawet jeśli dodamy dwie prędkości do 99% prędkości światła, uzyskamy 99,995% tej prędkości, ale jej nie przekroczymy.

Stan teorii

Ponieważ Einsteinowi stworzenie ogólnej wersji konkretnej teorii zajęło zaledwie 11 lat, nie przeprowadzono żadnych eksperymentów, które bezpośrednio potwierdziłyby STR. Jednak w tym samym roku, w którym została opublikowana, Einstein opublikował także swoje obliczenia wyjaśniające przesunięcie peryhelium Merkurego z dokładnością do ułamka procenta, bez konieczności wprowadzania nowych stałych i innych założeń, których wymagały inne teorie wyjaśnił ten proces. Od tego czasu poprawność ogólnej teorii względności została potwierdzona eksperymentalnie z dokładnością 10 -20 i na jej podstawie dokonano wielu odkryć, co jednoznacznie potwierdza poprawność tej teorii.

Mistrzostwo w otwarciu

Kiedy Einstein opublikował swoje pierwsze prace na temat szczególnej teorii względności i zaczął pisać jej ogólną wersję, inni naukowcy odkryli już znaczną część wzorów i idei leżących u podstaw tej teorii. Powiedzmy więc, że transformacje Lorentza w ogólnej formie zostały po raz pierwszy uzyskane przez Poincarégo w 1900 roku (5 lat przed Einsteinem) i nazwane na cześć Hendrika Lorentza, który otrzymał przybliżoną wersję tych transformacji, chociaż i w tej roli wyprzedził Waldemara Vogta.

SZCZEGÓLNA I OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI

Jednym z najważniejszych aspektów współczesnej fizyki, który jest bezpośrednio związany z naszą analizą teologii, jest koncepcja czasu – jego pochodzenie i brak jednej, czyli stałej i niezmiennej miary jego przepływu. Ze względu na znaczenie chronologii w interpretacji Biblii bardzo ważne jest, aby spróbować zrozumieć, w jaki sposób teoria względności interpretuje nasze postrzeganie Wszechświata, jego wieku i wszystkiego, co się w nim dzieje. Foton kwantowy według teorii względności czasu

Trudno wymienić drugą teorię, która miałaby tak głęboki wpływ na nasze rozumienie świata i jego powstania, jak teoria względności (zarówno szczególnej, jak i ogólnej). Przed pojawieniem się tej teorii czas zawsze był uważany za kategorię absolutną. Czas, jaki upłynął od początku do zakończenia procesu, uznawano za niezależny od tego, kto mierzył jego czas trwania. Już 300 lat temu Newton sformułował to przekonanie bardzo wymownie: „Czas absolutny, prawdziwy i matematyczny, sam w sobie i ze względu na swoją naturę, płynie równomiernie i niezależnie od jakichkolwiek czynników zewnętrznych”. Co więcej, czas i przestrzeń uznano za kategorie niepowiązane ze sobą, które w żaden sposób na siebie nie wpływają. I rzeczywiście, jaki inny związek mógłby istnieć między odległością dzielącą dwa punkty przestrzeni a upływem czasu, poza tym, że większa odległość wymagała więcej czasu na jej pokonanie; prosta i czysta logika.

Koncepcje zaproponowane przez Einsteina w jego szczególnej teorii względności (1905), a później w ogólnej teorii względności (1916) zmieniły nasze rozumienie przestrzeni i czasu tak fundamentalnie, jak światło włączonej lampy zmienia nasze postrzeganie wcześniej zaciemnionego pokoju .

Długa podróż do wglądu Einsteina rozpoczęła się w 1628 roku, kiedy Johannes Kepler odkrył ciekawe zjawisko. Zauważył, że ogony komet są zawsze skierowane w stronę przeciwną do Słońca. Spadające gwiazdy kreślące nocne niebo mają za sobą płonący ogon, tak jak powinien. W ten sam sposób ogon rozciąga się za kometą, gdy zbliża się ona do Słońca. Jednak gdy kometa minie Słońce i rozpocznie lot powrotny do odległych rejonów Układu Słonecznego, sytuacja zmienia się w najbardziej dramatyczny sposób. Ogon komety znajduje się przed jej głównym korpusem. To zdjęcie zdecydowanie zaprzecza samej koncepcji ogona! Kepler zaproponował, że położenie ogona komety względem jej głównego ciała zależy od ciśnienia światła słonecznego. Ogon ma mniejszą gęstość niż sama kometa i dlatego jest bardziej podatny na ciśnienie promieniowania słonecznego niż główny korpus komety. Promieniowanie słoneczne w rzeczywistości wieje w ogon i odpycha go od słońca. Gdyby nie przyciąganie grawitacyjne głównego ciała komety, maleńkie cząstki tworzące ogon zostałyby zmiecione. Odkrycie Keplera było pierwszą wskazówką, że promieniowanie – takie jak światło – może mieć siłę mechaniczną (w tym przypadku odpychającą). Była to bardzo ważna zmiana w naszym rozumieniu światła, ponieważ wynika z tego, że światło, które zawsze było uważane za coś niematerialnego, może mieć ciężar lub masę. Jednak dopiero 273 lata później, w 1901 roku, zmierzono ciśnienie wywierane przez strumień światła. E.F. Nichols i J.F. Hull, świecąc potężną wiązką światła na zwierciadło zawieszone w próżni, zmierzył przemieszczenie zwierciadła pod wpływem nacisku światła. Była to laboratoryjna analogia ogona komety odpychanego przez światło słoneczne.

W 1864 roku, eksplorując odkrycia Michaela Faradaya na temat elektryczności i magnetyzmu, James Clerk Maxwell zaproponował, że światło i wszystkie inne formy promieniowania elektromagnetycznego poruszają się w przestrzeni jako fale z tą samą stałą prędkością7. Mikrofale w kuchence mikrofalowej w naszej kuchni, światło, pod którym czytamy, promienie rentgenowskie, które pozwalają lekarzowi zobaczyć złamaną kość, oraz promienie gamma uwalniane podczas eksplozji atomowej to fale elektromagnetyczne, różniące się od siebie jedynie pod względem długości fali i częstotliwości. Im większa energia promieniowania, tym krótsza długość fali i wyższa częstotliwość. Pod wszystkimi innymi względami są identyczne.

W 1900 roku Max Planck zaproponował teorię promieniowania elektromagnetycznego, która zasadniczo różniła się od wszystkich poprzednich. Wcześniej uważano, że energia emitowana przez nagrzany obiekt, np. czerwony blask gorącego metalu, jest emitowana równomiernie i w sposób ciągły. Założono także, że proces napromieniania trwa aż do całkowitego rozproszenia ciepła i powrotu obiektu do stanu pierwotnego – co w pełni potwierdziło się poprzez ochłodzenie nagrzanego metalu do temperatury pokojowej. Ale Planck pokazał, że sytuacja była zupełnie inna. Energia nie jest emitowana w postaci jednolitego i ciągłego strumienia, ale w dyskretnych porcjach, tak jakby rozżarzony do czerwoności metal oddał ciepło, wyrzucając strumień maleńkich, gorących cząstek.

Planck zaproponował teorię, według której cząstki te reprezentują pojedyncze porcje promieniowania. Nazwał je „kwantami” i tak narodziła się mechanika kwantowa. Ponieważ każde promieniowanie porusza się z tą samą prędkością (prędkość światła), prędkość ruchu kwantów musi być taka sama. I chociaż prędkość wszystkich kwantów jest taka sama, nie wszystkie mają tę samą energię. Planck zaproponował, że energia pojedynczego kwantu jest proporcjonalna do częstotliwości jego oscylacji podczas poruszania się w przestrzeni, jak maleńka gumowa kulka, która stale kurczy się i rozszerza, gdy leci wzdłuż swojej trajektorii. W zakresie widzialnym nasze oczy mogą mierzyć częstotliwość pulsacji kwantu i tę miarę nazywamy kolorem. To właśnie w wyniku skwantowanej emisji energii lekko podgrzany obiekt zaczyna świecić na czerwono, następnie wraz ze wzrostem temperatury zaczyna emitować inne kolory widma odpowiadające wyższym energiom i częstotliwościom. Ostatecznie jego promieniowanie zamienia się w mieszaninę wszystkich częstotliwości, które postrzegamy jako biały kolor gorącego ciała.

I tu natrafiamy na paradoks – ta sama teoria, która opisuje światło jako strumień cząstek zwanych kwantami, opisuje jednocześnie energię światła za pomocą częstotliwości (patrz rys. 1). Ale częstotliwość jest powiązana z falami, a nie cząsteczkami. Ponadto wiemy, że prędkość światła jest zawsze stała. Ale co się stanie, jeśli obiekt emitujący światło lub obserwator wykrywający to światło poruszy się? Czy ich prędkość zostanie dodana czy odjęta od prędkości światła? Logika podpowiada nam, że tak, należy to dodać lub odjąć, ale wtedy prędkość światła nie będzie stała! Nacisk, jaki światło wywiera na ogon komety lub zwierciadło w eksperymencie Nicholsa-Hulla, oznacza, że ​​następuje zmiana pędu (zwanego także pędem) światła w chwili uderzenia w powierzchnię. Z tego powodu każdy poruszający się obiekt wywiera nacisk na przeszkodę. Strumień wody z węża spycha kulę po ziemi, ponieważ woda ma masę, a ta masa ma prędkość, która w momencie uderzenia strumienia w piłkę spada do zera. W tym przypadku pęd wody jest przenoszony na piłkę, a piłka toczy się z powrotem. Sama definicja pędu (pędu) jako iloczynu masy (t) lub ciężaru obiektu i prędkości jego ruchu (v) lub mv wymaga, aby poruszające się światło miało masę. W jakiś sposób te falowe cząstki światła mają masę, mimo że na powierzchni, na którą pada światło, nie pozostaje żaden materialny ślad. Po tym jak światło „zrzuci się” na powierzchnię, nie pozostaje na niej „brud”, z którego można by je oczyścić. Do tej pory wciąż staramy się stworzyć jednolitą teorię, która w pełni wyjaśniałaby to zjawisko światła i każdego innego promieniowania.

Równolegle z badaniem natury energii promienistej prowadzono badania związane z propagacją światła. Wydawało się logiczne, że skoro światło i inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego są w pewnym sensie falami, potrzebują jakiegoś ośrodka, w którym fale te mogłyby się rozchodzić. Uważano, że fale nie mogą rozchodzić się w próżni. Tak jak dźwięk potrzebował pewnej substancji materialnej, takiej jak powietrze, aby przenosić swoją energię falową, tak światło wydawało się potrzebować jakiejś specjalnej substancji, aby się rozchodzić. Kiedyś sugerowano, że Wszechświat powinien być wypełniony niewidzialnym i nieuchwytnym ośrodkiem, który zapewnia transfer energii promieniowania przez przestrzeń kosmiczną - na przykład światła i ciepła ze Słońca na Ziemię. Ośrodek ten nazwano eterem, który miał wypełniać nawet próżnię kosmiczną.

Postulat o rozchodzeniu się światła w eterze pozwolił wyjaśnić paradoks stałości jego prędkości. Zgodnie z tym wyjaśnieniem światło musi poruszać się ze stałą prędkością nie względem źródła światła czy obserwatora, ale względem wszechobecnego eteru. Dla obserwatora poruszającego się w eterze światło może przemieszczać się szybciej lub wolniej w zależności od kierunku jego ruchu względem kierunku światła, ale w stosunku do nieruchomego eteru prędkość światła musi pozostać stała.

Ryż. 1.

To samo dotyczy propagacji dźwięku. Dźwięk rozchodzi się w nieruchomym powietrzu na poziomie morza ze stałą prędkością około 300 metrów na sekundę, niezależnie od tego, czy źródło dźwięku się porusza, czy nie. Dźwięk przypominający eksplozję, jaki wydaje samolot przekraczający barierę dźwięku, jest w rzeczywistości skutkiem uderzenia samolotu we własną falę dźwiękową, gdy ją wyprzedza, i porusza się z prędkością ponad 300 metrów na sekundę. W tym przypadku źródło dźwięku, czyli samolot, porusza się szybciej niż dźwięk, który wytwarza. Podwójna natura światła polega na tym, że jeśli na jego drodze umieścimy otwór o małej średnicy, światło zachowuje się dokładnie tak, jak fala oceaniczna przechodząca przez wąskie wejście do portu. Zarówno światło, jak i fala oceaniczna, przechodząc przez dziurę, rozchodziły się kręgami po drugiej stronie dziury. Z drugiej strony, jeśli światło oświetla powierzchnię jakiegoś metalu, zachowuje się jak strumień drobnych cząstek bombardujących tę powierzchnię. Światło wybija elektrony z metalu pojedynczo w taki sam sposób, w jaki małe kulki uderzające w tarczę papierową wyrywają z niej skrawki papieru, po jednym kawałku na kulkę. Energia fali świetlnej zależy od jej długości. Energia cząstek światła nie jest określona przez ich prędkość, ale przez częstotliwość, z jaką cząstki światła - fotony - pulsują, gdy poruszają się z prędkością światła.

Kiedy naukowcy dyskutowali o rzekomych właściwościach eteru, które nie zostały jeszcze odkryte, nikt nie podejrzewał, że upływ czasu ma związek z ruchem światła. Ale to odkrycie było tuż za rogiem.

W 1887 roku Albert Michelson i Edward Morley opublikowali wyniki swojej próby eksperymentalnego zaobserwowania tego, co wynika z teorii eteru8. Porównali całkowity czas potrzebny światłu na przebycie tej samej odległości tam i z powrotem w dwóch kierunkach – równoległym i prostopadłym do orbity Ziemi wokół Słońca. Ponieważ Ziemia porusza się po swojej orbicie wokół Słońca z prędkością około 30 kilometrów na sekundę, założono, że porusza się z tą samą prędkością względem eteru. Jeśli promieniowanie świetlne podlega tym samym prawom, które rządzą wszystkimi innymi falami, ruch Ziemi względem eteru powinien mieć wpływ na czas podróży światła zmierzony w ich eksperymentach. Efekt ten nie powinien różnić się niczym od efektu silnego wiatru niosącego dźwięk.

Ku zaskoczeniu wszystkich Michelson i Morley nie odnotowali najmniejszego śladu wpływu tej prędkości 30 kilometrów na sekundę. Początkowy eksperyment, a także kolejne, bardziej zaawansowane technicznie wersje tego samego eksperymentu, doprowadziły do ​​zupełnie nieoczekiwanego wniosku – ruch Ziemi nie ma wpływu na prędkość światła.

To spowodowało zamieszanie. Prędkość światła (c) wynosi zawsze 299 792,5 km na sekundę, niezależnie od tego, czy źródło światła lub obserwator jest w ruchu, czy nieruchomy. Poza tym ta sama wiązka światła zachowuje się zarówno jak fala, jak i cząstka, w zależności od sposobu obserwacji. To było tak, jakbyśmy stali na molo i patrzyli, jak fale napływają od oceanu, i nagle, w mgnieniu oka, zwykłe grzbiety fal i doliny pomiędzy nimi zamieniły się w strumień pojedynczych kul wodnych , poruszający się, pulsujący, w powietrzu nad samym poziomem morza. A w następnej chwili kule znikną, a fale pojawią się ponownie.

W 1905 roku, w środku tego zamieszania, na scenie naukowej pojawił się Albert Einstein ze swoją teorią względności. W tym roku Einstein opublikował serię artykułów, które dosłownie zmieniły rozumienie wszechświata przez ludzkość. Pięć lat wcześniej Planck zaproponował kwantową teorię światła. Korzystając z teorii Plancka, Einstein był w stanie wyjaśnić interesujące zjawisko. Światło uderzające w powierzchnię niektórych metali uwalnia elektrony, w wyniku czego powstaje prąd elektryczny. Einstein postulował, że ten efekt „fotoelektryczny” wynika z kwantów światła (fotonów) dosłownie wypychających elektrony z ich orbit wokół jądra atomowego. Okazuje się, że fotony w czasie ruchu mają masę (pamiętajcie, że poruszają się z prędkością światła c), ale ich „masa spoczynkowa” wynosi zero. Poruszający się foton ma właściwości cząstki – w każdej chwili znajduje się w określonym punkcie przestrzeni, a także ma masę, dlatego też, jak sugerował kiedyś Kepler, może oddziaływać na obiekty materialne, np. ogon komety; jednocześnie ma właściwości fali – charakteryzuje się częstotliwością oscylacji proporcjonalną do jej energii. Okazało się, że w fotonie materia i energia są ze sobą ściśle powiązane. Einstein odkrył to powiązanie i sformułował je w powszechnie znane równanie. Einstein doszedł do wniosku, że to równanie ma zastosowanie do wszystkich rodzajów mas i form energii. Przepisy te stały się podstawą szczególnej teorii względności.

Dostrzeżenie tych idei nie jest takie proste i wymaga sporego wysiłku umysłowego. Weźmy na przykład pewien przedmiot. Masę (którą zwykle nazywamy „wagą”) nieruchomego obiektu nazywa się naukowo masą spoczynkową. Teraz mocno popchnijmy ten obiekt. Zacznie poruszać się z określoną prędkością i w efekcie będzie nabywał energię kinetyczną, tym większą, im większa będzie jego prędkość. Ponieważ jednak e w E=mc2 odnosi się do wszystkich form energii, całkowita energia obiektu będzie sumą jego energii spoczynkowej (związanej z masą spoczynkową) i jego energii kinetycznej (energii ruchu). Innymi słowy, równanie Einsteina wymaga, aby masa obiektu faktycznie wzrastała wraz ze wzrostem jego prędkości.

Zatem zgodnie z teorią względności masa obiektu zmienia się wraz ze zmianą jego prędkości. Przy małych prędkościach masa obiektu praktycznie nie różni się od masy spoczynkowej. Dlatego w naszych codziennych działaniach Newtonowski opis praw natury okazuje się całkiem trafny. Ale w przypadku galaktyk pędzących w przestrzeni kosmicznej lub cząstek subatomowych w akceleratorze sytuacja jest zupełnie inna. W obu przypadkach prędkość tych obiektów może stanowić duży ułamek prędkości światła, a zatem zmiana ich mas może być bardzo, bardzo znacząca.

Tę wymianę pomiędzy masą a energią bardzo wymownie omawiają zarówno Steven Weinberg w swojej książce Pierwsze trzy minuty, jak i Nachmanides w swoim komentarzu do Księgi Rodzaju. Obydwaj mówią o dualizmie masa-energia, opisując pierwsze minuty życia Wszechświata.

Szczególna teoria względności opiera się na dwóch postulatach: zasadzie względności i stałości prędkości światła. Zasada względności, postulowana przez Galileusza 300 lat temu, została udoskonalona przez Einsteina. Zasada ta głosi, że wszystkie prawa fizyki (które nie są niczym innym jak prawami natury) działają jednakowo we wszystkich układach poruszających się bez przyspieszenia, czyli ruchem jednostajnym i prostoliniowym. W języku fizyków takie układy nazywane są inercjalnymi układami odniesienia.

Układ odniesienia określa relację obserwatora ze światem zewnętrznym. Zasada względności mówi nam, że będąc w inercjalnym układzie odniesienia, nie możemy, korzystając z praw fizyki, określić, czy sam układ się porusza, gdyż jego ruch nie wpływa w żaden sposób na wyniki pomiarów dokonywanych w obrębie układu . Dlatego też nie czujemy ruchu, gdy lecimy ze stałą prędkością przy spokojnej pogodzie. Ale kołysząc się w fotelu bujanym, znajdujemy się w nieinercjalnym układzie odniesienia; Ponieważ prędkość i kierunek ruchu fotela bujanego stale się zmienia, możemy poczuć nasz ruch.

Wszyscy spotkaliśmy się z przykładami niemożności zmierzenia ruchu absolutnego. Przykładowo stoimy przed sygnalizacją świetlną, a samochód przed nami zaczyna powoli toczyć się do tyłu. A może idziemy do przodu? Na początku trudno jest zrozumieć, kto dokładnie się porusza. Nasz pociąg powoli i płynnie zaczyna poruszać się po peronie. Budząc się ze snu zauważamy, że stojący na sąsiednim torze pociąg zaczyna powoli cofać się. A przynajmniej nam się wydaje, że tak właśnie jest. Dopóki nasz układ odniesienia – nasz samochód czy pociąg – nie zacznie poruszać się z przyspieszeniem (przestanie być układem inercjalnym), nie jest jasne, co się porusza, a co pozostaje w spoczynku.

Może się wydawać, że jest tu sprzeczność: Einstein nauczył nas, że masa obiektu jest funkcją jego prędkości, a teraz twierdzimy, że nie możemy określić ruchu, mierząc, jak zmienia się masa pod jego wpływem. Ale jest tu bardzo subtelna różnica. Wewnątrz inercyjnego układu odniesienia wszystkie wielkości pozostają niezmienione. Kiedy zostaną zmierzone z innego układu odniesienia, który porusza się względem pierwszego, zmienią się wartości wielkości i masy. Gdyby wszystkie części Wszechświata poruszały się równomiernie i równomiernie, teoria względności nie miałaby nic wspólnego z tematem naszych badań. Ale tak nie jest. To właśnie umiejętność obserwacji tych samych wydarzeń z różnych punktów odniesienia odgrywa znaczącą rolę w prowadzonej przez nas biblijnej analizie kosmologii.

Drugi element podstaw szczególnej teorii względności jest jeszcze trudniejszy do zrozumienia. Można nawet powiedzieć, że jest do granic możliwości niezrozumiały. Twierdzi, że prędkość światła c jest wielkością stałą (c = 2,997925 x 108 metrów na sekundę w próżni – zawsze) i taką samą we wszystkich układach odniesienia. Fakt ten został ujawniony na podstawie wyników eksperymentu Michelsona-Morleya. Jeśli zastanowisz się nad znaczeniem tego stwierdzenia, będziesz w stanie docenić jego śmiałość. Einstein wziął na siebie stwierdzenie, że niezależnie od prędkości poruszania się obserwatora w kierunku źródła światła lub od niego, prędkość światła pozostaje równa c. Żadna inna forma ruchu (taka jak fala dźwiękowa) nie ma tej właściwości. Wydaje się to wysoce nielogiczne.

Jeśli miotacz rzuci piłkę do łapacza z prędkością 90 mil na godzinę, łapacz widzi, że piłka leci w jego stronę z prędkością 90 mil na godzinę. Teraz, jeśli wbrew wszelkim zasadom łapacz podbiegnie w stronę miotacza z prędkością 20 mil na godzinę, prędkość piłki względem łapacza wyniesie 110 mil na godzinę (90 + 20). Prędkość piłki względem miotacza będzie taka sama jak poprzednio i wynosi 90 mil na godzinę. Następnym razem zamiast rzucać piłkę, miotacz pokazuje łapaczowi zdjęcie piłki. Porusza się w stronę łapacza z prędkością światła (c), czyli około 300 milionów metrów na sekundę. Z kolei szybkonogi łapacz pędzi w stronę miotacza z prędkością równą jednej dziesiątej prędkości światła, czyli 30 milionów metrów na sekundę. I co zobaczy ten nasz łapacz? Obraz piłki zbliżającej się do niego z prędkością 330 milionów metrów na sekundę? NIE! Na tym właśnie polega paradoks światła – wywołującego zamęt, irytującego, a czasem nawet irytującego, ale jednocześnie wyzwalającego.

Łapacz widzi obraz zbliżającej się do niego piłki z dokładnie prędkością światła, 300 milionów metrów na sekundę, mimo że biegnie w jej stronę, dodając w ten sposób własną prędkość do prędkości światła. Światło, niezależnie od prędkości ruchu obserwatora względem źródła światła, zawsze porusza się z prędkością c. Zawsze. A jaką prędkość ruchu obrazu piłki rejestruje stojący w bezruchu miotacz? Zgadza się, także s. W jaki sposób dwóch obserwatorów, jeden w ruchu, a drugi w miejscu, rejestruje tę samą prędkość światła? Logika i zdrowy rozsądek podpowiadają, że jest to niemożliwe. Ale teoria względności mówi, że to rzeczywistość. I tę rzeczywistość potwierdzono w eksperymencie Michelsona-Morleya.

Obydwaj obserwatorzy rejestrują tę samą prędkość światła, gdyż fakt zmian masy, przestrzeni i czasu – jakkolwiek może się to wydawać niezrozumiałe – jest podstawowym prawem mechaniki relatywistycznej i Wszechświata, w którym żyjemy. Prawa rządzące tymi zmianami są takie, że w danym systemie nie dzieje się nic, co wydawałoby się absurdalne. Ten, kto jest w środku, nie zauważa żadnych zmian. Ale obserwując inny układ poruszający się obok nas, widzimy, że wymiary obiektu wzdłuż kierunku ruchu zmniejszają się w stosunku do tych samych wymiarów obiektu w stanie spoczynku. Co więcej, zegary, które pokazywały dokładny czas, kiedy były w spoczynku, poruszając się, zaczynają opóźniać się w stosunku do zegarów „w spoczynku” w naszym układzie odniesienia.

Połączenie stałości prędkości światła i zasady względności nieuchronnie pociąga za sobą dylatację czasu. Dylatację czasu można wykazać za pomocą eksperymentu myślowego podobnego do tego, którego użył Einstein, gdy opracowywał podstawowe zasady teorii względności. Przykład takiego eksperymentu myślowego podają Taylor i Wheeler w swojej klasycznej książce „Fizyka przestrzeni i czasu”0.

Rozważmy dwa układy odniesienia, z których jeden jest nieruchomy, a drugi porusza się. System stacjonarny to zwykłe laboratorium fizyczne. Drugi system to rakieta poruszająca się z dużą prędkością, całkowicie przezroczysta i przepuszczalna, wewnątrz której znajduje się załoga składająca się z absolutnie przezroczystych i przepuszczalnych naukowców. Rakieta dzięki swojej całkowitej przezroczystości i przepuszczalności może przejść przez nasze laboratorium nie wchodząc w żadną interakcję z nią i jej zawartością. W laboratorium z punktu A (rys. 2) następuje błysk światła, który przemieszcza się ukośnie do zwierciadła znajdującego się w punkcie M. Światło odbite od zwierciadła również przechodzi ukośnie do punktu B. Czas przylotu rakiety do laboratorium ustala się w taki sposób, aby w chwili zapłonu temperatura A rakiety pokrywała się z punktem A laboratorium. Niech prędkość rakiety będzie taka, że ​​punkt A rakiety zbiegnie się z punktem B laboratorium dokładnie w momencie, gdy błysk światła dotrze do punktu B. Obserwatorom rakiety będzie się wydawać, że światło wysłane z punktu A rakieta przechodzi bezpośrednio do punktu B M i wraca z powrotem do punktu A rakiety. Ponieważ prędkość rakiety jest stała (jest to układ inercjalny), osoby znajdujące się w rakiecie nie wiedzą, że się ona porusza.

Odległość, jaką przebywa światło, postrzegana przez pasażerów rakiety, wynosi 2 lata (od punktu A do punktu M i z powrotem). Ta sama droga światła widoczna dla osób w laboratorium jest sumą dwóch boków trójkąta - od punktu A do punktu M i od punktu M do punktu B. Oczywiście ta droga musi być większa niż droga widoczna dla pasażerowie rakiety. Różnicę między nimi możemy dokładnie obliczyć korzystając z twierdzenia Pitagorasa. Dochodzimy zatem do wniosku, że droga światła obserwowana z rakiety jest krótsza niż droga światła obserwowana w laboratorium.

Ryż. 2.

Pamiętajmy, że prędkość światła w obu układach jest taka sama. Jest to jedna z mocno ugruntowanych podstawowych zasad teorii względności. Wiadomo również, że we wszystkich przypadkach czas spędzony w ruchu jest równy przebytej odległości podzielonej przez prędkość ruchu. Czas potrzebny na przebycie 100 mil przy prędkości 50 mil na godzinę wynosi dwie godziny. Ponieważ prędkość światła zarówno dla naukowców w laboratorium, jak i dla naukowców poruszających się w rakiecie jest równa c, a odległość, jaką światło przebywa w laboratorium, jest większa niż odległość, jaką przebyło w rakiecie, odstęp czasu między po błysku powinno być więcej światła w punkcie A i przybyciu światła do punktu B w laboratorium niż w rakiecie.

Miało miejsce tylko jedno zdarzenie. Był tylko jeden błysk światła, a światło obserwowane w dwóch układach odniesienia zakończyło swoją podróż tylko raz. Jednakże czas trwania tego zdarzenia był inny, mierzony w dwóch różnych układach odniesienia.

Ta różnica w mierzonym czasie nazywana jest relatywistyczną dylatacją czasu i to właśnie ta dylatacja w przekonujący sposób łączy sześć dni Stworzenia z 15 miliardami lat kosmologii.

Pojęcia leżące u podstaw ogólnej teorii względności są rozwinięciem idei szczególnej teorii względności, ale są bardziej złożone. Podczas gdy szczególna teoria względności dotyczy układów inercyjnych, ogólna teoria względności dotyczy zarówno układów inercyjnych, jak i nieinercyjnych (przyspieszonych). W układach nieinercjalnych siły zewnętrzne, takie jak siły grawitacyjne, wpływają na ruch obiektów. Szczególną relatywistyczną właściwością grawitacji, która jest bezpośrednio związana z badanym przez nas problemem, jest to, że grawitacja – podobnie jak prędkość – powoduje dylatację czasu. Ten sam zegar na Księżycu działa szybciej niż na Ziemi, ponieważ grawitacja Księżyca jest słabsza. Jak zobaczymy, grawitacja odgrywa kluczową rolę w pogodzeniu Stworzenia z Wielkim Wybuchem.

Siły przyciągania grawitacyjnego odczuwane są dokładnie w taki sam sposób, jak siły powodujące przyspieszenie. Na przykład, jadąc wznoszącą się windą, czujemy siłę, z jaką podłoga naciska na nasze stopy; właściwie pcha nas na górę razem z windą. Postrzega się to jako siłę, którą odczuwalibyśmy stojąc w nieruchomej windzie, gdyby w jakiś sposób przyciąganie grawitacyjne Ziemi nagle wzrosło. Einstein argumentował, że skoro grawitację postrzega się tak samo, jak każdą inną siłę powodującą zmianę ruchu, powinna dawać takie same skutki. Ponieważ siły przyspieszające powodują zmiany w ruchu i wydłużenie czasu, zmiany grawitacji muszą również powodować wydłużenie czasu.

Ponieważ aspekt dylatacji czasu w teorii względności jest bardzo istotny dla problemu ujednolicenia kalendarza kosmologicznego i biblijnego, bardzo ważne jest wykazanie, że dylatacja czasu faktycznie istnieje. Przecież zmiany relatywistyczne stają się zauważalne tylko w tych przypadkach, gdy względne prędkości ruchu zbliżają się do prędkości światła. Nawet przy 30 milionach metrów na sekundę, czyli jednej dziesiątej prędkości światła, dylatacja czasu jest mniejsza niż jeden procent.

Prędkości bliskie prędkości światła są rzadkie w życiu codziennym, ale są powszechne w kosmologii i fizyce wysokich energii. Należy jednak zaznaczyć, że realna możliwość pomiaru dylatacji czasu nie czyni samej idei bardziej przystępną do zrozumienia. Pozwala to jednak przenieść je z kategorii koncepcji czysto teoretycznej do sfery faktów empirycznych. Dość szeroki zakres działalności człowieka – od eksperymentów w laboratoriach fizyki wysokich energii po regularne loty komercyjnych linii lotniczych – pozwala nam wykazać dylatację czasu.

Jedną z wielu cząstek elementarnych powstających podczas eksperymentów w laboratoriach fizycznych jest mezon mu. Jego okres półtrwania wynosi półtora mikrosekundy. Mezony Mu pojawiają się jednak nie tylko w laboratoriach fizyki wysokich energii, ale także w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, gdy promienie kosmiczne zderzają się z jądrami atomów gazu atmosferycznego. Ponieważ energia promieniowania kosmicznego jest bardzo duża, mezony mu w momencie powstania uzyskują prędkość prawie równą prędkości światła. Przy tak dużych prędkościach następuje dylatacja czasu, którą można zmierzyć. Nawet poruszając się z prędkością bliską prędkości światła, mezony mi potrzebują 200 mikrosekund, aby przebyć 60 kilometrów od warstwy atmosfery, z której pochodzą, do powierzchni Ziemi. Ponieważ okres półtrwania mezonu mu wynosi półtora mikrosekundy, czas przejścia wynoszący 200 mikrosekund obejmuje 133 jego okresów półtrwania. Pamiętajmy, że w każdym takim półokresie rozpada się połowa pozostałych cząstek. Po 133 półcyklach część mu-mezonów, która powinna przetrwać i dotrzeć do powierzchni Ziemi, będzie równa „/2 x 1/2 x”/2 i tak dalej 133 razy, co stanowi jedną milionową części milionowej jednej miliardowej z miliardowej liczby mu-mezonów, które rozpoczęły swoją podróż na powierzchnię Ziemi. Liczba ta jest tak mała, że ​​prawie żaden mezon mu nie powinien dotrzeć do Ziemi. Zdecydowana większość z nich rozpadnie się po drodze. Jeśli jednak porównamy liczbę mezonów mu wytwarzanych w górnych warstwach atmosfery z liczbą mezonów mi docierających do powierzchni Ziemi, ze zdziwieniem stwierdzamy, że „/8 z ich początkowej liczby pomyślnie dociera do celu”. 1/8 mionów oznacza, że ​​podczas ich 60-kilometrowej podróży przechodzą tylko trzy półokresy, a zatem dla mezonu poruszającego się z prędkością bliską prędkości światła (relatywistyczny) czas, jaki upłynął, wynosi tylko trzy półokresy – 4,5 mikrosekundy ( 3 x 1,5 mikrosekundy) Dla obserwatora na powierzchni Ziemi upłynie co najmniej 200 mikrosekund – minimalny czas potrzebny na przebycie 60 kilometrów z górnych warstw atmosfery na powierzchnię. A to samo pojedyncze zdarzenie zachodzi w dwóch różnych odstępach czasu – 4,5 mikrosekundy w układzie odniesienia szybko poruszającego się mu-mezonu i 200 mikrosekund w układzie odniesienia obserwatora stojącego na powierzchni. Jeszcze raz przypomnijmy, że mówimy o pojedynczym zdarzeniu. Jednak ze względu na to, że obserwator i obserwowany obiekt poruszają się względem siebie, dla tego jednego zdarzenia przypadają dwa różne okresy czasu. I jedno i drugie jest absolutnie prawdziwe!

Ale mezony mu są dość egzotycznymi cząstkami i sceptyk może chichotać i potrząsać głową z niedowierzaniem. Przecież żaden obserwator nie może podróżować w towarzystwie mionów. Opieramy się tylko na ich okresie półtrwania, jak na poruszającym się z nimi zegarze.

A co z prawdziwym zegarem i poruszającą się z nim osobą, która w najbardziej bezpośredni sposób mierzy dylatację czasu? To oczywiście wyglądałoby bardziej przekonująco. I tak właśnie donieśli w prestiżowym czasopiśmie Science Hafele i Keating12 z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i US Naval Laboratory. Wysłali cztery zestawy zegarów cezowych na samoloty Boeing 707 i Concorde należące do TWA i Pan Am i wykonujące regularne loty komercyjne na całym świecie. Wybrano te zegarki, ponieważ są niezwykle dokładne.

Ziemia obraca się z zachodu na wschód. Jeśli spojrzymy na Ziemię z kosmosu, będąc nad jej biegunem północnym, zobaczymy, że podczas lotu na wschód prędkość samolotu dodaje się do prędkości Ziemi. Zgodnie z przewidywaniami teorii względności, zegary na pokładzie samolotu znajdowały się za tymi samymi zegarami, które znajdują się w US Naval Laboratory w Waszyngtonie (wszystkie zegary użyte w tym eksperymencie zostały dostarczone przez laboratorium). Podczas lotu na zachód prędkość samolotu odejmuje się od prędkości obrotu Ziemi i zgodnie z teorią względności zegary na pokładzie tego samolotu przesunęły się do przodu. Według Haefele i Keatinga: „W nauce istotne fakty empiryczne mają większą moc niż argumenty teoretyczne. Wyniki te dostarczają jednoznacznego empirycznego rozwiązania słynnego paradoksu zegara.”3

W zależności od względnego ruchu obserwatorów zmienia się nie tylko postrzeganie czasu, ale także jego faktyczny upływ. W dowolnym układzie odniesienia wszystko wygląda całkiem normalnie. Kiedy jednak dwa systemy zostaną najpierw rozdzielone, a następnie ponownie połączone i porównane wskazania zegarów, upływ czasu w nich okazuje się inny (faktyczne „starzenie się”).

Szczególnie interesującym aspektem eksperymentów z dylatacją czasu Hefele-Keatinga było to, że sprawdzały one zarówno szczególną, jak i ogólną teorię względności. Zgodnie z ogólną teorią względności różnice w sile grawitacji wpływają na czas trwania w taki sam sposób, jak różnice w prędkości względnej, jak postuluje szczególna teoria względności. Wpływ pola grawitacyjnego na dowolny obiekt jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości między obiektami. Gdy odległość się podwaja, przyciąganie grawitacyjne zmniejsza się czterokrotnie. Im dalej obiekt znajduje się od Ziemi, tym słabsze jest przyciąganie Ziemi do niego. Ponieważ samoloty w locie znajdują się wysoko nad powierzchnią Ziemi (typowa wysokość lotu Boeinga 707 to 10 km, a Concorde'a 20 km), oddziaływanie grawitacyjne Ziemi na zegarki na pokładzie samolotu było inne niż na zegarki, które znajdowały się na powierzchni Ziemi w laboratoriach Marynarki Wojennej. Zarejestrowane w eksperymencie zmiany czasu zegarowego były zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności (uwzględniającej wpływ zarówno ruchu, jak i grawitacji).

Ten eksperyment, jak wszystkie inne, dowiódł, że szczególna i ogólna teoria względności Einsteina poprawnie opisują rzeczywiste cechy naszego Wszechświata. Teoria względności nie jest już czystą teorią. Teoria względności jest faktem udowodnionym, udowodnionym empirycznie. Innymi słowy, teoria względności stała się prawem względności.

I teraz, w oparciu o to prawo, poparte jedną z nauk przyrodniczych opisujących Wszechświat, możemy w dalszym ciągu omawiać pierwsze sześć dni stworzenia - okres, w którym nauki przyrodnicze i teologia na pierwszy rzut oka są ze sobą sprzeczne.

Zastanówmy się nad zmianami w relacji pomiędzy Stwórcą, Wszechświatem i człowiekiem, jakie zaszły od momentu, który nazywamy „początkiem”. Jednocześnie nie powinniśmy ani na chwilę tracić z oczu faktu, że różnicę w upływie czasu można zarejestrować tylko wtedy, gdy porównamy obserwację tych samych zdarzeń z dwóch różnych układów odniesienia. Ale to nie wystarczy - konieczne jest również, aby albo siły grawitacyjne w tych dwóch układach odniesienia znacznie różniły się od siebie, albo aby względna prędkość ich ruchu zbliżała się do 300 milionów metrów na sekundę, czyli prędkości światła. Wewnątrz każdego układu, niezależnie od jego prędkości względnej czy działającej w nim siły grawitacji, wszystko dzieje się w pełnej zgodzie z prawami Newtona, czyli wszystko wygląda normalnie i logicznie, zupełnie jak tu na Ziemi, chociaż pędzimy przez przestrzeń kosmiczną z dużą prędkością.

Stwórca miał i nadal ma pewien interes w stworzeniu Wszechświata. Możemy to założyć na podstawie faktu, że Wszechświat istnieje. Nie wiemy jednak, jakie jest to zainteresowanie. Pewne wskazówki na ten temat możemy jednak znaleźć analizując interakcję Stwórcy z Wszechświatem przez cały czas jego powstania i istnienia. Tradycyjna teologia utrzymuje, że gdyby Stwórca chciał stworzyć wszechświat za jednym zamachem, zrobiłby to. Jednak z przekazu biblijnego jasno wynika, że ​​jego plan nie polegał na stworzeniu w pełni ukształtowanego wszechświata w jednym akcie. Z jakiegoś powodu wybrano metodę stopniowego rozwoju. Pierwsze dwa rozdziały książki „Genesis” poświęcone są właśnie opisowi etapowego powstawania Wszechświata.

Jeśli będziemy kierować się zasadami, według których funkcjonuje współczesny Wszechświat – a tymi zasadami są znane nam prawa fizyczne – to stopniowy rozwój Wszechświata z pierwotnej substancji, która istniała w momencie Wielkiego Wybuchu, był absolutnie niezbędny do powstania człowieka. Ale sama Ziemia i wszystko, co na niej istnieje, nie są bezpośrednimi produktami Wielkiego Wybuchu. Powiedziano nam całkiem wyraźnie, że na samym początku Ziemia była bezkształtna i pusta, czyli po hebrajsku gohu i bohu. Czołowi fizycy cząstek jądrowych nazywają obecnie T i B (tohu i bohu) dwiema pierwotnymi „cegłami”, z których zbudowana jest cała materia. Siła Wielkiego Wybuchu dosłownie skompresowała te GiB w wodór i hel – w tym momencie nie powstały prawie żadne inne pierwiastki. I dopiero alchemia kosmosu stworzyła później wszystkie inne pierwiastki z pierwotnego wodoru i helu.

Ziemia i cały Układ Słoneczny to mieszanina materii, która dotarła do nas po niezliczonych cyklach superkompresji w głębinach gwiazd. To ciśnienie sprężyło wodór i hel tak mocno, że ich jądra połączyły się i ponownie rozdzieliły, tworząc cięższe pierwiastki, takie jak węgiel (prawdziwa substancja życia), żelazo, uran i pozostałych 89 pierwiastków tworzących Wszechświat. Następnie gwiazdy eksplodowały i wyrzuciły nowo powstałe pierwiastki do Wszechświata, który zachłannie je wchłonął, wykorzystując je do stworzenia innych gwiazd. Narodziny gwiazd i ich śmierć były konieczne, aby ostatecznie przekształcić wodór i hel powstałe w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu w pierwiastki niezbędne do stworzenia życia w znanej nam formie. W swoich interpretacjach Biblii komentatorzy tacy jak Majmonides i Raszi wyjaśniali, że Bóg stworzył i zniszczył wiele światów w procesie tworzenia życia na Ziemi. Ale tutaj nie polegam na Majmonidesie; Powyższe informacje uzyskałem od astrofizyków Woosleya i Phillipsa.

Jeśli więc mamy wszystko do zrobienia w ciągu sześciu dni przed pojawieniem się Adama, jak możemy wcisnąć w ten okres wszystkie cykle tworzenia i niszczenia świata? Komentatorzy biblijni, na których się opieramy, wyraźnie stwierdzają, że pierwsze sześć dni stworzenia to sześć dni po 24 godziny każdy. Oznacza to, że ktoś, kto liczył czas, musiał następnie rejestrować upływ tych samych 24 godzin na dobę. Ale kto mógłby być obecny w tym czasie, aby zmierzyć upływ czasu? Aż do chwili, gdy po sześciu dniach pojawił się Adam, tylko Pan Bóg mógł mierzyć zegar. I o to właśnie chodzi.

Kiedy powstawał nasz Wszechświat – aż do momentu pojawienia się człowieka – Bóg nie był ściśle związany z Ziemią. Przez pierwszy jeden lub dwa dni z sześciu dni Stworzenia Ziemia jeszcze w ogóle nie istniała! Chociaż Księga Rodzaju 1:1 stwierdza, że ​​„Na początku Bóg stworzył niebiosa i ziemię”, następny werset stwierdza, że ​​Ziemia była pusta i bez kształtu. Pierwszy werset Księgi Rodzaju jest bowiem stwierdzeniem bardzo ogólnym, oznaczającym, że na samym początku została stworzona substancja pierwotna, z której w ciągu następnych sześciu dni miały powstać niebo i ziemia. Poniżej, w wersecie 31:17 księgi „Wyjścia”, jest powiedziane wyraźniej: „...w ciągu sześciu dni stworzył Pan niebo i ziemię...”. Z czego „zrobiły się” niebiosa i ziemia w ciągu tych sześciu dni? Z substancji powstałej „na początku” tych sześciu dni. Ponieważ we wczesnym Wszechświecie nie było Ziemi i nie było możliwości ścisłego połączenia lub wzajemnego przenikania się układów odniesienia, nie było wspólnego kalendarza dla Boga i Ziemi.

Prawo względności nauczyło nas, że Bóg nie jest nawet w stanie wybrać kalendarza, który byłby sprawiedliwy dla wszystkich części Wszechświata, a przynajmniej dla ograniczonej ich liczby, co odegrało rolę w powstaniu ludzkości. Prawo względności, jedno z podstawowych praw Wszechświata ustanowione w momencie jego stworzenia, uniemożliwia istnienie wspólnego układu odniesienia dla Stwórcy i dla każdej części tej całości materii, która ostatecznie przekształciła się w ludzkość i planetę Ziemia, na której żyje.

Wiemy, że zgodnie z prawem względności w rozszerzającym się Wszechświecie nie da się opisać czasu obejmującego pewien ciąg zdarzeń w jednej części Wszechświata w taki sposób, aby był równy czasowi tych samych zdarzeń obserwowane z innej części Wszechświata. Różnice w ruchu i siłach grawitacyjnych różnych galaktyk, a nawet gwiazd w tej samej galaktyce sprawiają, że czas absolutny staje się zjawiskiem czysto lokalnym. Czas płynie inaczej w różnych częściach Wszechświata.

Biblia jest przewodnikiem opisującym podróż ludzkości przez życie i czas. Aby zaszczepić w człowieku uznanie dla fizycznego cudu Wszechświata, ten przewodnik zawiera opis procesu, który doprowadził z pustego, bezkształtnego Wszechświata do domu, w którym ludzkość może istnieć. Jednak prawie niemożliwe jest wybranie jednego przedziału czasowego do opisania tego procesu, ponieważ zbyt wiele czynników bezpośrednio wpływa na szybkość upływu czasu. Czynniki te obejmują siły grawitacyjne w wielu gwiazdach, w głębinach których pierwotny wodór i hel zostały przekształcone w pierwiastki leżące u podstaw życia, oraz ruch gazu międzygalaktycznego, kondensującego w procesie ruchu w mgławicy, a następnie w gwiazdy, oraz supernową eksplozje, oznaczające śmierć i późniejsze odrodzenie gwiazd tworzących Drogę Mleczną i masę Ziemi. Upływ czasu był aspektem życia, który przed odkryciem Einsteina błędnie uważaliśmy za niezmienny. To nierealne, nie, po prostu niemożliwe jest, aby ten sam zegar przez wszystkie stulecia mierzył wiek całej kosmicznej substancji, z której się składamy.

Odyseja materii od substancji Wielkiego Wybuchu do jej obecnego stanu była zbyt złożona, zbyt różnorodna, aby upływ w niej czasu mógł być mierzony przez ten sam zegar. Kto może teraz powiedzieć, ile galaktyk lub która konkretna supernowa ostatecznie dała początek elementom tworzącym nasze ciała fizyczne? My, ludzie, i wszystko inne w Układzie Słonecznym, w tym Słońce i planety, jesteśmy fragmentami gwiazd, które dawno już przeminęły. Jesteśmy dosłownie zbudowani z pyłu gwiezdnego. Do jakich atomów węgla, azotu lub tlenu odnosi się ten czas? Do atomów twoich czy sąsiadów? Te, które są częścią cząsteczki Twojej skóry, czy te, które znajdują się w kropli Twojej krwi? Jest prawdopodobne, że każdy z nich rozpoczął się w głębinach różnych gwiazd, dlatego każdy z nich ma swój własny, niepowtarzalny wiek. Przekształcenia materii kosmicznej, które miały miejsce przed powstaniem Ziemi, zachodziły w niezliczonych gwiazdach, jednocześnie i sekwencyjnie. Każda gwiazda, każda supernowa miała własną grawitację i własną prędkość ruchu, a zatem swój własny czasoprzestrzenny układ odniesienia.

Miliardy kosmicznych zegarów tykały (i nadal tykają), każdy w swoim własnym, lokalnie poprawnym tempie. Wszystkie zaczęły tykać w jednym momencie – w momencie Wielkiego Wybuchu i wszystkie jednocześnie osiągnęły okres, w którym pojawił się Adam. Jednak absolutny, lokalny czas jaki upłynął od "początku" do momentu, w którym każda z tych cząstek materii przyczyniła się do powstania ludzkości, był bardzo różny dla każdej gwiazdy i dla każdej cząstki. Choć przemiany materii rozpoczęły się i zakończyły w tym samym czasie, z teorii Einsteina wynika, że ​​wiek każdej danej cząstki materii różni się bardzo znacząco od wieku innych cząstek materii, z którymi ostatecznie się ona zjednoczyła, tworząc Układ Słoneczny i wtedy ludzkość. Nasze rozumowanie nie jest ani bardziej, ani mniej wyrafinowane niż, powiedzmy, wykrycie 200 mikrosekund w ciągu 4,5 mikrosekundy, jaką upływa, gdy mezony mu, powstałe w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania kosmicznego, docierają do powierzchni Ziemi. W ciągu 4,5 mikrosekundy mija 200 mikrosekund. Ten udowodniony fakt można lepiej zrozumieć dzięki eksperymentowi myślowemu Einsteina, w którym naukowcy na pokładzie szybkiej rakiety i naukowcy w stacjonarnym laboratorium rejestrują dwa różne okresy czasu dla tego samego zdarzenia. Sytuacja ta nie ma nic wspólnego z oświadczeniem śp. W.K. Fields, który stwierdził, że w ciągu jednego długiego wieczoru mieszkał w Filadelfii przez cały tydzień15. Jego wypowiedź odnosi się do sfery doznań emocjonalnych; w naszym przypadku mamy do czynienia z faktem fizycznym. Kiedy mówimy o miliardzie lat, nie mamy na myśli, że doświadczamy ich jako miliarda lat. Minęło naprawdę miliard lat! Gdyby w ciągu tych samych sześciu dni w tej części Wszechświata, którą obecnie zajmuje Ziemia, stał zegar, niekoniecznie wskazywałby 15 miliardów lat. We wczesnym Wszechświecie krzywizna przestrzeni i czasu w tym miejscu była prawdopodobnie zupełnie inna niż obecnie.

Aby opisać konsekwentny rozwój Wszechświata, konieczne było znalezienie pewnego rodzaju kompromisu. Jako taki kompromis Stwórca wybrał na czas poprzedzający pojawienie się Adama własny układ odniesienia, w którym cały Wszechświat był postrzegany jako jedna całość.

Stworzenie Adama różniło się jakościowo od wszystkich innych wydarzeń towarzyszących stworzeniu Wszechświata. Sygnalizowało to zasadniczą zmianę w stosunku Boga do wszechświata. Wiemy, że wszystkie obiekty we Wszechświecie, organiczne i nieorganiczne, ożywione i nieożywione, składają się z materii, której pochodzenie sięga pierwotnego stworzenia. W tym sensie ludzkość nie jest wyjątkiem. Wyraźnie wyjaśniono nam, że materialnym źródłem naszego pochodzenia jest „proch ziemi”. Wszystkie żyjące istoty (Księga Rodzaju 1:30), w tym ludzie (Księga Rodzaju 2:7), otrzymały żywą duszę (po hebrajsku nefesz). Jednak dopiero Adamowi zostało dane coś nowego, unikalnego dla całego Wszechświata – żywe tchnienie Boga (Rdz 2,7).

I to właśnie w tym momencie, gdy Bóg tchnął w Adama swoje tchnienie życia (po hebrajsku neshamah), zarówno Stwórca, jak i jego stworzenie zostali ze sobą nierozerwalnie związani. To właśnie w tym momencie spośród miliardów możliwych godzin została nieodwołalnie wybrana tylko jedna, według której należało odtąd mierzyć przebieg wszystkich przyszłych wydarzeń.

W żargonie fizyków relatywistycznych, w chwili pojawienia się Adama, ta część Wszechświata, która stała się siedliskiem człowieka, zaczęła funkcjonować w tym samym czasoprzestrzennym układzie odniesienia, co jej Stwórca. Od tego momentu chronologia Biblii i bieg czasu na Ziemi zostały ujednolicone - odtąd została ustalona ogólna relacja czasoprzestrzenna pomiędzy Bogiem a człowiekiem.

Rezultaty tego nowego połączenia są oczywiste już na pierwszy rzut oka na tekst biblijny. Istnieje paralelizm między datami, do których Biblia odnosi się do wydarzeń, które miały miejsce po stworzeniu Adama, a odpowiadającymi im archeologicznymi szacunkami chronologii tych samych wydarzeń. Epoka brązu w kalendarzu biblijnym i epoka brązu w archeologii pokrywają się. Według Biblii Chasor został zniszczony przez Jozuego 3300 lat temu; archeologia, jak się okazało po szczegółowych badaniach, datuje to wydarzenie na ten sam okres. Część kalendarza biblijnego rozpoczynająca się od stworzenia Adama wydaje się nam całkiem logiczna, a odkrycie Zwojów znad Morza Martwego dowodzi, że Biblia poprawnie opisuje wydarzenia tysiące lat przed ich potwierdzeniem przez współczesne znaleziska archeologiczne. Gdybyśmy nie znali prawa względności i próbowali datować wydarzenia, które miały miejsce na Ziemi w czasie po Adamie, z innego punktu we Wszechświecie, zastanawialibyśmy się teraz, dlaczego w naszym postrzeganiu czas przeszły różni się od tego, który jest zarejestrowany przez zegar na Ziemi.

W ciągu pierwszych sześciu dni istnienia naszego Wszechświata Wieczny Zegar liczył 144 godziny. Wiemy już, że ten okres czasu niekoniecznie pokrywa się z tym samym okresem mierzonym w innej części Wszechświata. Jako mieszkańcy tego Wszechświata oceniamy upływ czasu za pomocą zegarów znajdujących się w naszym lokalnym układzie odniesienia; Takie zegary obejmują datowanie radioaktywne, dane geologiczne oraz pomiary prędkości i odległości w rozszerzającym się Wszechświecie. To dzięki tym zegarkom ludzkość podróżuje w czasie i przestrzeni.

Kiedy Biblia opisuje rozwój naszego wszechświata dzień po dniu w ciągu pierwszych sześciu dni po stworzeniu, tak naprawdę ma na myśli sześć dni po 24 godziny każdy. Ale układ odniesienia, w którym obliczono te dni, obejmował cały Wszechświat. Ten pierwszy tydzień stworzenia nie jest bynajmniej bajką mającą na celu zaspokojenie ciekawości dziecka, aby później zostać wyrzucona jako niepotrzebna, wraz z nadejściem mądrości osoby dorosłej. Wręcz przeciwnie – zawiera wskazówki dotyczące wydarzeń, które ludzkość dopiero teraz zaczyna rozumieć.

Mędrcy biblijni od dawna ostrzegali, że nasze zrozumienie wydarzeń pierwszych sześciu dni stworzenia nie będzie odpowiadać naszemu rozumieniu natury w czasach następujących po pojawieniu się Adama. Rozumieli to z opisu odpoczynku szabatowego zawartego w Dziesięciu Przykazaniach. Jeśli porównamy tekst z Księgi Wyjścia 20:11 z tekstem z Zachariasza 5:11 i 2 Samuela 21:10, zobaczymy, że w obu tekstach używa się tego samego słowa na określenie odpoczynku, ale w różnych odcieniach. Ze sposobu, w jaki zostało tam użyte to słowo, można wywnioskować, że Bóg tak naprawdę nie „odpoczął” w pierwszy szabat. Raczej Stwórca przerwał swoją pracę, aby przyjrzeć się Wszechświatowi, który został stworzony w ciągu pierwszych sześciu dni. Według Majmonidesa postrzegamy tę przerwę w ten sposób, że przez cały czas, począwszy od pierwszego sabatu, prawa natury, łącznie z upływem czasu, będą funkcjonować w „normalny” sposób. Natomiast przebieg wydarzeń, które miały miejsce w ciągu pierwszych sześciu dni, mógł wydawać się nielogiczny, jakby doszło do naruszenia praw natury i czasu. Jak widzimy, przepowiednie mędrców, że biblijne i naukowe obrazy wczesnego Wszechświata będziemy postrzegać jako sprzeczne ze sobą, faktycznie się sprawdziły.

Pierwsza sobota wyznacza początek kalendarza, który rozpoczyna się wraz ze stworzeniem Adama. I to właśnie ta część kalendarza odpowiada naszemu opartemu na logice postrzeganiu rzeczywistości. Dzięki niezwykłemu faktowi względności czasu, prawu względności Einsteina, kalendarz biblijny zgadza się w tych sześciu dniach. Nie ma potrzeby wyjaśniać odkrycia znalezisk kopalnych stwierdzeniem, że Stwórca celowo umieścił je tam, gdzie je znaleziono, aby sprawdzić naszą wiarę w akt stworzenia lub zaspokoić naszą ciekawość. Tempo rozpadu radioaktywnego w skałach, meteorytach i skamieniałościach prawidłowo odzwierciedla upływ czasu, lecz upływ ten był i nadal jest mierzony przez zegary znajdujące się w naszym ziemskim układzie odniesienia. Czas rejestrowany przez te zegary był i jest jedynie względny, czyli tylko lokalnie, prawidłowy. Inne zegary, znajdujące się w innych układach odniesienia, przypisują zdarzenia zachodzące na Ziemi różnym, ale nie mniej poprawnym momentom w czasie. I tak będzie zawsze, jeśli Wszechświat będzie przestrzegał praw natury.

LITERATURA

• 1. Raszi. „Komentarze do Księgi Rodzaju”. 1:1.
• 2. Nachmanides. „Komentarze do Tory”. Rodzaju 5:4.
• 3. „Archeologia i studia nad Starym Testamentem”. wyd. Tomasz. (Thomas, red., Archeologia i studia nad Starym Testamentem).
• 4. Newton. „Matematyczne zasady filozofii przyrody”. (Newton, Matematyczne zasady filozofii naturalnej).
• 5. Einsteina. „Teoria względności: teorie szczególne i ogólne”. (Einstein, Teoria względności: teoria szczególna i ogólna).
• 6. Cohena. „Narodziny nowej fizyki”. (Cohen, Narodziny nowej fizyki).
• 7. Pagele. „Doskonała symetria”. (Pagels, Doskonała symetria).
• 8. Shankland. „Eksperyment Michelsona-Morleya”. (Shankland, „Eksperyment Michelsona-Morleya”, American Journal of Physics, 32 (1964): 16).
• 9. Hermana. „Pochodzenie teorii kwantowej” (1899-1913). (Hermann, Geneza teorii kwantowej (1899-1913)).
• 10. Taylor i Wheeler. „Fizyka czasoprzestrzeni”. (Taylor i Wheeler, Fizyka czasoprzestrzeni).
• 11. Haefele i Keating, „Dookoła świata zegarów atomowych: obserwacje relatywistycznego przesunięcia czasu”. (Hafele i Keating, „Zegary atomowe dookoła świata: zaobserwowane relatywistyczne przyrosty czasu”. Science, 117 (1972): 168).
• 12. Woosley i Phillips, „Supernova 1987A1”. (Woosley i Phillips, „Supernova 1987A!” Science, 240 (1988): 750).
• 13. Majmonides. „Mentor wahających się”, część 1, rozdz. 67.

Teorię względności wprowadził Albert Einstein na początku XX wieku. Jaka jest jego istota? Rozważmy główne punkty i opiszmy TOE jasnym językiem.

Teoria względności praktycznie wyeliminowała niespójności i sprzeczności fizyki XX wieku, wymusiła radykalną zmianę koncepcji budowy czasoprzestrzeni i została eksperymentalnie potwierdzona w licznych eksperymentach i badaniach.

W ten sposób TOE stworzyło podstawę wszystkich współczesnych podstawowych teorii fizycznych. W rzeczywistości jest to matka współczesnej fizyki!

Na początek warto zauważyć, że istnieją 2 teorie względności:

• Szczególna teoria względności (STR) – uwzględnia procesy fizyczne w obiektach poruszających się równomiernie.
• Ogólna teoria względności (GTR) - opisuje przyspieszające obiekty i wyjaśnia pochodzenie takich zjawisk jak grawitacja i istnienie.

Oczywiste jest, że STR pojawił się wcześniej i jest w zasadzie częścią GTR. Porozmawiajmy najpierw o niej.

STO w prostych słowach

Teoria opiera się na zasadzie względności, zgodnie z którą wszelkie prawa natury są takie same w odniesieniu do ciał nieruchomych i poruszających się ze stałą prędkością. A z tak pozornie prostej myśli wynika, że ​​prędkość światła (300 000 m/s w próżni) jest taka sama dla wszystkich ciał.

Wyobraź sobie na przykład, że dostałeś statek kosmiczny z odległej przyszłości, który może latać z dużą prędkością. Na dziobie statku zainstalowano działo laserowe, które może strzelać fotonami do przodu.

W stosunku do statku takie cząstki latają z prędkością światła, ale w stosunku do nieruchomego obserwatora wydaje się, że powinny lecieć szybciej, gdyż obie prędkości są sumowane.

Jednak w rzeczywistości tak się nie dzieje! Zewnętrzny obserwator widzi fotony poruszające się z prędkością 300 000 m/s, jakby nie dodano do nich prędkości statku kosmicznego.

Trzeba pamiętać: w stosunku do dowolnego ciała prędkość światła będzie stałą wartością, niezależnie od tego, jak szybko się porusza.

Z tego wynikają niesamowite wnioski, takie jak wydłużenie czasu, skrócenie podłużne i zależność masy ciała od prędkości. Więcej o najciekawszych konsekwencjach Szczególnej Teorii Względności przeczytasz w artykule pod linkiem poniżej.

Istota ogólnej teorii względności (GR)

Aby lepiej to zrozumieć, musimy ponownie połączyć dwa fakty:

• Żyjemy w przestrzeni czterowymiarowej

Przestrzeń i czas są przejawami tej samej istoty zwanej „kontinuum czasoprzestrzennym”. Jest to 4-wymiarowa czasoprzestrzeń z osiami współrzędnych x, y, z i t.

My, ludzie, nie jesteśmy w stanie jednakowo postrzegać czterech wymiarów. W istocie widzimy jedynie projekcje prawdziwego czterowymiarowego obiektu na przestrzeń i czas.

Co ciekawe, teoria względności nie stwierdza, że ​​ciała zmieniają się, gdy się poruszają. Obiekty 4-wymiarowe zawsze pozostają niezmienione, ale wraz z względnym ruchem ich rzuty mogą się zmieniać. I postrzegamy to jako spowolnienie czasu, zmniejszenie rozmiaru itp.

• Wszystkie ciała spadają ze stałą prędkością i nie przyspieszają

Zróbmy straszny eksperyment myślowy. Wyobraź sobie, że jedziesz zamkniętą windą i jesteś w stanie nieważkości.

Taka sytuacja może mieć miejsce tylko z dwóch powodów: albo jesteś w kosmosie, albo swobodnie spadasz wraz z kabiną pod wpływem ziemskiej grawitacji.

Bez wyjrzenia z kabiny absolutnie nie da się rozróżnić tych dwóch przypadków. Tyle, że w jednym przypadku lecisz równomiernie, a w drugim z przyspieszeniem. Będziesz musiał zgadnąć!

Być może sam Albert Einstein myślał o wyimaginowanej windzie i wpadł na jedną niesamowitą myśl: jeśli nie można rozróżnić tych dwóch przypadków, to upadek pod wpływem grawitacji również jest ruchem jednostajnym. Ruch jest po prostu jednolity w czterowymiarowej czasoprzestrzeni, ale w obecności masywnych ciał (na przykład) jest zakrzywiony, a jednolity ruch jest rzutowany na naszą zwykłą trójwymiarową przestrzeń w postaci przyspieszonego ruchu.

Spójrzmy na inny prostszy, choć nie do końca poprawny, przykład krzywizny przestrzeni dwuwymiarowej.

Można sobie wyobrazić, że każde masywne ciało tworzy pod sobą swego rodzaju lejek. Wtedy inne przelatujące obok ciała nie będą mogły kontynuować ruchu po linii prostej i zmienią swoją trajektorię zgodnie z zakrętami zakrzywionej przestrzeni.

Nawiasem mówiąc, jeśli ciało nie ma dużo energii, jego ruch może okazać się zamknięty.

Warto zauważyć, że z punktu widzenia poruszających się ciał, poruszają się one nadal po linii prostej, ponieważ nie czują niczego, co powoduje, że się obracają. Po prostu znaleźli się w zakrzywionej przestrzeni i, nie zdając sobie z tego sprawy, mają nieliniową trajektorię.

Należy zaznaczyć, że zakrzywione są 4 wymiary, w tym czas, dlatego do tej analogii należy podchodzić ostrożnie.

Zatem w ogólnej teorii względności grawitacja w ogóle nie jest siłą, a jedynie konsekwencją krzywizny czasoprzestrzeni. W tej chwili teoria ta jest działającą wersją pochodzenia grawitacji i doskonale zgadza się z eksperymentami.

Zaskakujące konsekwencje ogólnej teorii względności

Promienie świetlne mogą zostać załamane podczas lotu w pobliżu masywnych ciał. Rzeczywiście, w kosmosie znaleziono odległe obiekty, które „chowają się” za innymi, ale wokół nich załamują się promienie świetlne, dzięki czemu światło dociera do nas.

To dzięki Albertowi Einsteinowi możesz zrozumieć, gdzie w pobliżu znajduje się biblioteka lub sklep.

I wreszcie ogólna teoria względności przewiduje istnienie czarnych dziur, wokół których grawitacja jest tak silna, że ​​czas po prostu się zatrzymuje. Dlatego światło wpadające do czarnej dziury nie może jej opuścić (odbić).

W centrum czarnej dziury w wyniku kolosalnej kompresji grawitacyjnej powstaje obiekt o nieskończenie dużej gęstości, który, jak się wydaje, nie może istnieć.

Zatem ogólna teoria względności może prowadzić do bardzo sprzecznych wniosków, w przeciwieństwie do , dlatego większość fizyków nie zaakceptowała jej całkowicie i nadal szukała alternatywy.

Ale wiele rzeczy udaje jej się z powodzeniem przewidzieć, na przykład niedawne sensacyjne odkrycie potwierdziło teorię względności i sprawiło, że po raz kolejny przypomnieliśmy sobie wielkiego naukowca z wywieszonym językiem. Jeśli kochasz naukę, przeczytaj WikiScience.