Splošna in posebna teorija relativnosti. Posebna teorija relativnosti

Posebna teorija relativnosti (STR) ali delna teorija relativnosti je teorija Alberta Einsteina, objavljena leta 1905 v delu “O elektrodinamiki gibajočih se teles” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 Juni 1905).

Pojasnil je gibanje med različnimi vztrajnostnimi referenčnimi sistemi ali gibanje teles, ki se gibljejo med seboj s konstantno hitrostjo. V tem primeru nobenega od predmetov ne bi smeli vzeti kot referenčni sistem, ampak jih je treba obravnavati relativno drug glede na drugega. SRT zagotavlja le 1 primer, ko 2 telesi ne spremenita smeri gibanja in se gibata enakomerno.

Zakoni SRT prenehajo veljati, ko eno od teles spremeni svojo trajektorijo ali poveča hitrost. Tukaj poteka splošna teorija relativnosti (GTR), ki daje splošno razlago gibanja predmetov.

Dva postulata, na katerih temelji teorija relativnosti:

1. Načelo relativnosti- Po njegovem mnenju v vseh obstoječih referenčnih sistemih, ki se gibljejo drug glede na drugega s konstantno hitrostjo in ne spreminjajo smeri, veljajo enaki zakoni.
2. Načelo hitrosti svetlobe- Hitrost svetlobe je za vse opazovalce enaka in ni odvisna od hitrosti njihovega gibanja. To je največja hitrost in nič v naravi nima večje hitrosti. Hitrost svetlobe je 3*10^8 m/s.

Albert Einstein je za osnovo uporabil eksperimentalne in ne teoretične podatke. To je bila ena od sestavin njegovega uspeha. Novi eksperimentalni podatki so služili kot osnova za ustvarjanje nove teorije.

Od sredine 19. stoletja so fiziki iskali nov skrivnostni medij, imenovan eter. Veljalo je, da lahko eter prehaja skozi vse predmete, vendar ne sodeluje pri njihovem gibanju. Po prepričanjih o etru se s spreminjanjem hitrosti gledalca glede na eter spreminja tudi hitrost svetlobe.

Einstein, ki je zaupal eksperimentom, je zavrnil koncept novega eterskega medija in domneval, da je hitrost svetlobe vedno konstantna in ni odvisna od nobenih okoliščin, kot je hitrost človeka samega.

Časovni intervali, razdalje in njihova enakomernost

Posebna teorija relativnosti povezuje čas in prostor. V materialnem vesolju so v vesolju znani 3: desno in levo, naprej in nazaj, gor in dol. Če jim dodamo še eno dimenzijo, imenovano čas, bo ta tvorila osnovo prostorsko-časovnega kontinuuma.

Če se premikate počasi, se vaša opažanja ne bodo zbližala z ljudmi, ki se premikajo hitreje.

Poznejši poskusi so potrdili, da prostora tako kot časa ni mogoče zaznavati na enak način: naše zaznavanje je odvisno od hitrosti gibanja predmetov.

Povezovanje energije z maso

Einstein je prišel do formule, ki združuje energijo z maso. Ta formula se pogosto uporablja v fiziki in je znana vsakemu študentu: E=m*c², pri čemer E-energija; m - telesna masa, c - hitrostširjenje svetlobe.

Masa telesa narašča sorazmerno z večanjem svetlobne hitrosti. Če dosežete svetlobno hitrost, masa in energija telesa postaneta brezrazsežni.

S povečevanjem mase telesa postane težje doseči povečanje njegove hitrosti, tj. za telo z neskončno veliko materialno maso je potrebna neskončna energija. Toda v resnici je to nemogoče doseči.

Einsteinova teorija je združila dve ločeni določbi: položaj mase in položaj energije v en splošni zakon. To je omogočilo pretvorbo energije v materialno maso in obratno.

Newtonovo delo je primer velike znanstvene revolucije, radikalne spremembe skoraj vseh znanstvenih idej v naravoslovju. Od časa Newtona se je pojavila paradigma klasične fizike, ki je skoraj 250 let postala glavni in opredeljujoč sistem pogledov v znanosti.

Newtonovi privrženci so začeli konstante, ki jih je odkril, smiselno izpopolnjevati. Postopoma so se začele oblikovati znanstvene šole, uveljavile so se metode opazovanja in analize ter klasifikacije različnih naravnih pojavov. Instrumente in znanstveno opremo so začeli izdelovati na tovarniški način. Začela je izhajati periodika iz številnih panog naravoslovja. Znanost je postala najpomembnejša veja človeške dejavnosti.

Tako sta se Newtonova mehanika in kozmologija uveljavili kot osnova novega pogleda na svet, ki je nadomestil Aristotelov nauk in srednjeveške šolske konstrukcije, ki so prevladovale več kot tisoč let.

Vendar so se proti koncu 19. stoletja začela pojavljati dejstva, ki so bila v nasprotju s prevladujočo paradigmo. In glavne nedoslednosti so bile spet opažene v fiziki, najbolj dinamično razvijajoči se znanosti v tistem času.

Klasičen primer te situacije je izjava lorda Kelvina (William Thomson), ki je čisto ob koncu 19. stoletja ugotovil, da sta bila »na jasnem in sijočem nebu klasične fizike tistih let le dva majhna oblaka«. Eden od njih je povezan z negativnim rezultatom Michelsonovega eksperimenta za določitev absolutne hitrosti Zemlje, drugi pa s protislovjem med teoretičnimi in eksperimentalnimi podatki o porazdelitvi energije v spektru absolutno črnega telesa.

Kelvin je pokazal izjemno pronicljivost. Ti nerešeni problemi so privedli do nastanka tako Einsteinove teorije relativnosti kot kvantne teorije, ki sta bili podlaga za novo naravoslovno paradigmo.

Prav tako je mogoče opozoriti, da uporaba klasične Newtonove fizike ni omogočila natančnega izračuna orbite Merkurja in da Maxwellove elektrodinamične enačbe niso ustrezale klasičnim zakonom gibanja.

Predpogoj za nastanek relativnostne teorije so bila prav že omenjena protislovja. Njihovo reševanje je postalo mogoče z uvedbo novega relativističnega pristopa v naravoslovju.

Kar običajno ni jasno razumljeno, je dejstvo, da se je splošna želja po relativnem (ali relativističnem) pristopu k fizikalnim zakonom začela pojavljati že zelo zgodaj v razvoju sodobne znanosti. Začenši z Aristotelom so znanstveniki imeli Zemljo za osrednjo točko vesolja, začetni časovni trenutek pa so vzeli za začetni sunek, ki je spravil pramaterijo v gibanje. Aristotelove ideje so bile v srednjeveški zavesti sprejete kot absolut, vendar so proti koncu 15. stoletja že prišle v konflikt z opazovanimi naravnimi pojavi. Še posebej veliko nedoslednosti se je nabralo v astronomiji.

Prvi resen poskus razrešitve protislovij je naredil Kopernik, preprosto s sprejetjem, da se planeti gibljejo okoli Sonca in ne okoli Zemlje. To pomeni, da je Zemljo prvič odstranil iz središča vesolja in vesolju odvzel njegovo izhodišče. To je bil pravzaprav začetek odločilnega prestrukturiranja vsega človeškega mišljenja. Čeprav je Kopernik postavil Sonce v to središče, je vseeno naredil velik korak k temu, da so kasneje ljudje spoznali, da je tudi Sonce lahko le ena izmed mnogih zvezd in da središča sploh ni mogoče najti. Potem se je seveda pojavila podobna misel o času in Vesolje se je začelo dojemati kot neskončno in večno, brez trenutka nastanka in brez »konca«, proti kateremu se premika.

Ta prehod je tisti, ki vodi do nastanka relativnostne teorije. Ker ni privilegiranih položajev v prostoru in privilegiranih trenutkov v času, potem lahko fizikalne zakone enako uporabimo za katero koli točko, vzeto za središče, in iz njih bodo sledili enaki sklepi. V tem pogledu je situacija bistveno drugačna od tiste, ki se dogaja v Aristotelovi teoriji, kjer je bila na primer središču Zemlje dodeljena posebna vloga kot točka, h kateri teži vsa materija. Težnja po relativizaciji se je pozneje odrazila v Galilejevih in Newtonovih zakonih

Galileo je izrazil idejo, da je gibanje po naravi relativno. To pomeni, da je enakomerno in premočrtno gibanje teles mogoče določiti le glede na predmet, ki pri takem gibanju ne sodeluje.

V mislih si predstavljajmo, da en vlak pelje mimo drugega s konstantno hitrostjo in brez sunkov. Poleg tega so zavese zaprte in nič ni vidno. Ali lahko potniki povedo, kateri vlak se premika in kateri stoji? Lahko le opazujejo relativno gibanje. To je glavna ideja klasičnega načela relativnosti.

Odkritje principa relativnosti gibanja je eno največjih odkritij. Brez njega bi bil razvoj fizike nemogoč. Po Galilejevi hipotezi se vztrajnostno gibanje in mirovanje ne razlikujeta v svojih učinkih na materialna telesa. Da bi prešli na opis dogajanja v gibljivem referenčnem sistemu, je bilo potrebno izvesti transformacije koordinat, t.i. "Galilejeve preobrazbe", poimenovana po avtorju.

Vzemimo za primer nek koordinatni sistem X, povezan s fiksnim referenčnim sistemom. Zdaj si predstavljajmo predmet, ki se premika vzdolž osi X pri konstantni hitrosti v. Koordinate X " , t", vzeto relativno glede na ta objekt, so nato določene z Galilejevo transformacijo

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

Posebej omembe vredna je tretja enačba ( t" = t), po katerem takt ni odvisen od relativnega gibanja. Ista zakonitost velja tako v starem kot v novem referenčnem okviru. To je omejeno načelo relativnosti. To pravimo zato, ker so zakoni mehanike izraženi z enakimi razmerji v vseh referenčnih sistemih, ki so med seboj povezani z Galilejevimi transformacijami.

Po Newtonu, ki je razvil Galilejevo idejo o relativnosti gibanja, bodo vsi fizični poskusi, izvedeni v laboratoriju, ki se premikajo enakomerno in premočrtno (inercialni referenčni okvir), dali enak rezultat, kot če bi mirovali.

Kot smo že omenili, se je kljub uspehom klasične fizike tistih let nabralo nekaj dejstev, ki ji nasprotujejo.

Ti novi podatki, odkriti v 19. stoletju, so pripeljali do Einsteinovega relativističnega koncepta.

Revolucija v fiziki se je začela z Roemerjevim odkritjem. Izkazalo se je, da je svetlobna hitrost končna in znaša približno 300.000 km/s. Bradry je nato odkril pojav zvezdne aberacije. Na podlagi teh odkritij je bilo ugotovljeno, da je hitrost svetlobe v vakuumu konstantna in ni odvisna od gibanja vira in sprejemnika.

Ogromna, a še vedno ne neskončna hitrost svetlobe v praznini je privedla do konflikta z načelom relativnosti gibanja. Predstavljajmo si vlak, ki se premika z ogromno hitrostjo – 240.000 kilometrov na sekundo. Naj bova na čelu vlaka, na repu pa se prižge žarnica. Pomislimo, kakšni bi lahko bili rezultati merjenja časa, ki ga svetloba porabi za pot od enega konca vlaka do drugega.

Tokrat bo, kot kaže, drugačen od tistega, ki ga dobimo v mirujočem vlaku. Pravzaprav bi imela svetloba glede na vlak, ki se giblje s hitrostjo 240.000 kilometrov na sekundo, hitrost (naprej vzdolž vlaka) samo 300.000 - 240.000 = 60.000 kilometrov na sekundo. Zdi se, da svetloba dohiti sprednjo steno glavnega avtomobila, ki beži od nje. Če postavite žarnico na čelo vlaka in izmerite čas, ki je potreben, da svetloba doseže zadnji vagon, potem bi se zdelo, da bi morala biti svetlobna hitrost v nasprotni smeri od gibanja vlaka 240.000 + 300.000 = 540.000 kilometrov na sekundo (luč in zadnji vagon se premikata drug proti drugemu).

Tako se izkaže, da bi se morala svetloba pri premikajočem se vlaku širiti v različne smeri z različnimi hitrostmi, pri mirujočem vlaku pa je ta hitrost v obe smeri enaka.

Iz tega razloga Maxwellove enačbe za elektromagnetno polje pod Galilejevimi transformacijami nimajo invariantne oblike. Opisujejo širjenje svetlobe in drugih vrst elektromagnetnega sevanja s hitrostjo, ki je enaka svetlobni hitrosti C. Za rešitev protislovja v okviru klasične fizike je bilo treba najti privilegiran referenčni okvir, v katerem bi bile Maxwellove enačbe točno zadovoljna in svetlobna hitrost bi bila enaka C v vseh smereh. Zato so fiziki 19. stoletja domnevali obstoj etra, katerega vloga je bila pravzaprav reducirana na ustvarjanje fizične podlage za tako privilegiran referenčni okvir.

Izvedeni so bili poskusi za ugotavljanje hitrosti gibanja Zemlje skozi eter (kot Michelson-Morleyev poskus). Da bi to naredili, je bil žarek svetlobe iz vira, ki je šel skozi prizmo, razdeljen v smeri gibanja Zemlje in pravokotno nanjo. Po zamislih, če sta hitrosti enaki, bosta oba žarka prispela na prizmo istočasno in intenzivnost svetlobe se bo povečala. Če sta hitrosti različni, bo intenzivnost svetlobe oslabela. Rezultat poskusa je bil enak nič; ni bilo mogoče določiti hitrosti Zemlje glede na eter.

Ko poskusi niso potrdili napovedi preproste teorije etra o lastnostih tega referenčnega sistema, je H. Lorentz, spet z namenom, da bi rešil klasično fiziko, predlagal novo teorijo, ki je negativne rezultate tovrstnih poskusov razlagala kot posledica sprememb, ki se dogajajo v merilnih instrumentih, ko se premikajo glede na eter. Razliko med rezultati opazovanja in Newtonovimi zakoni je razložil s spremembami, ki se zgodijo z instrumenti, ko se premikajo s hitrostjo blizu C.

Lorentz je predlagal, da pri gibanju s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti Galilejeve transformacije ni mogoče uporabiti, saj ne upoštevajo učinka visokih hitrosti. Njegove transformacije za hitrosti, ki so blizu svetlobni hitrosti, imenujemo "Lorentzove transformacije". Galilejeve transformacije so poseben primer Lorentzove transformacije za sisteme z nizkimi hitrostmi.

Lorentzove transformacije imajo obliko:

V skladu z Lorentzovimi transformacijami so fizikalne količine - masa telesa, njegova dolžina v smeri gibanja in čas odvisne od hitrosti gibanja teles po naslednjih razmerjih:

	Kje M- telesna masa	Pomen teh Lorentzovih transformacij pravi: povečanje telesne teže pri hitrostih blizu svetlobnih zmanjšanje dolžine telesa pri gibanju v smeri, ki sovpada z vektorjem hitrosti povečanje časa med dvema dogodkoma ali upočasnitev časa
	Kje L- dolžina telesa
	Kje ∆t – časovni interval med dvema dogodkoma

Če poskušamo najti fizični pomen vzorcev, ki jih je odkril Lorentz, lahko domnevamo, da so v smeri x, ki sovpada z vektorjem hitrosti, vsa telesa stisnjena in čim močnejša je hitrost njihovega gibanja. To pomeni, da se telesa skrčijo zaradi sploščitve elektronskih orbit. Ko so dosežene podsvetlobne hitrosti, lahko govorimo o dilataciji časa v gibajočem se sistemu. Na tem principu temelji znani paradoks dvojčkov. Če gre eden od dvojčkov na petletno vesoljsko potovanje z ladjo s podsvetlobno hitrostjo, potem se bo vrnil na zemljo, ko bo njegov brat dvojček že zelo star. Vpliv naraščajoče mase na predmet, ki se giblje s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti, je mogoče pojasniti s povečanjem kinetične energije hitro premikajočega se telesa. V skladu z Einsteinovimi predstavami o istovetnosti mase in energije se del kinetične energije telesa med gibanjem pretvori v njegovo maso.

Če Lorentzove transformacije uporabimo za Maxwellove elektrodinamične enačbe, se izkaže, da so glede na takšne transformacije invariantne.

Einstein je uporabil Lorentzove transformacije za razvoj svoje teorije relativnosti.

Pomemben predpogoj za nastanek relativnostne teorije so bile nove ideje o lastnostih prostora in časa.

V običajni zavesti je čas sestavljen iz objektivno obstoječe naravne koordinacije zaporednih pojavov. Prostorske značilnosti so položaji nekaterih teles glede na druga in razdalje med njimi.

V Newtonovem teoretičnem sistemu je bil jasno oblikovan prvi znanstveni koncept časa kot objektivne, samostojne entitete – substancialni koncept časa. Ta koncept izvira iz starodavnih atomistov in cveti v Newtonovem nauku o absolutnem prostoru in času. Po Newtonu je bil ta koncept vodilni v fiziki do začetka dvajsetega stoletja. Newton je ubral dvojni pristop k definiranju časa in prostora. Po tem pristopu obstajata absolutni in relativni čas.

Absolutni, resnični in matematični čas sam po sebi, brez kakršnega koli razmerja do česar koli zunanjega, teče enakomerno in se imenuje trajanje.

Relativni, navidezni ali navadni čas je merilo trajanja, ki se v vsakdanjem življenju uporablja namesto matematičnega časa - to je ura, mesec, leto itd.

Absolutnega časa ni mogoče spremeniti v njegovem toku.

Na vsakodnevni ravni je možen sistem za štetje dolgih časovnih obdobij. Če določa vrstni red štetja dni v letu in je v njem navedena doba, potem je to koledar.

Relacijski koncept časa je tako star kot substancialni koncept. Razvili so ga v delih Platona in Aristotela. Aristotel je bil prvi, ki je podrobno predstavil ta koncept časa v svoji Fiziki. V tem konceptu čas ni nekaj neodvisno obstoječega, ampak je nekaj, kar izhaja iz bolj temeljne entitete. Za Platona je čas ustvaril Bog, za Aristotela je rezultat objektivnega snovnega gibanja. V filozofiji sodobnega časa, začenši z Descartesom in konča s pozitivisti 19. stoletja, je čas lastnost ali razmerje, ki izraža različne vidike dejavnosti človeške zavesti.

Tudi problem prostora se ob natančnejšem pregledu izkaže za zahtevnega. Prostor je logično predstavljiva oblika, ki služi kot medij, v katerem obstajajo druge oblike in določene strukture. Na primer, v elementarni geometriji je ravnina prostor, ki služi kot medij, kjer so zgrajene različne, a ravne figure.

V Newtonovi klasični mehaniki absolutni prostor po svojem bistvu, ne glede na vse zunanje, vedno ostaja enak in negiben. Deluje kot analog Demokritove praznine in je arena dinamike fizičnih objektov.

Aristotelova ideja o izotropnem prostoru se je oddaljila od homogenosti in neskončnosti Demokritovega prostora. Po Aristotelu in njegovih privržencih je vesolje dobilo središče - Zemljo, okoli katere krožijo krogle, pri čemer najbolj oddaljena nebesna krogla zvezd služi kot meja končnega svetovnega prostora. Aristotel zavrača neskončnost prostora, vendar se drži koncepta neskončnega časa. Ta koncept je izražen v njegovi ideji o sferičnem prostoru vesolja, ki, čeprav je omejen, ni končen.

Klasični Newtonov prostor temelji na ideji njegove homogenosti. To je osnovna ideja klasične fizike, dosledno razvita v delih Kopernika, Bruna, Galileja in Descartesa. Bruno je že opustil idejo o središču vesolja in ga razglasil za neskončnega in homogenega. Ta ideja je dosegla svoj zaključek z Newtonom. V homogenem prostoru se spremeni ideja absolutnega gibanja, to je, da se telo v njem premika zaradi vztrajnosti. V odsotnosti pospeška ne nastanejo vztrajnostne sile. Pomen premočrtnega in enakomernega gibanja se zmanjša na spremembo razdalje med danim telesom in poljubno izbranim referenčnim telesom. Premočrtno in enakomerno gibanje je relativno.

Zgodovinsko gledano je prvi in ​​najpomembnejši matematični prostor ravno evklidski prostor, ki predstavlja abstraktno podobo realnega prostora. Lastnosti tega prostora so opisane s 5 glavnimi postulati in 9 aksiomi. V Evklidovi geometriji je bila šibka točka, tako imenovani peti postulat o nesekajočih se vzporednicah. Matematiki starodavnih in sodobnih časov so neuspešno poskušali dokazati to stališče. V 18. - 19. stoletju so D. Saccheri, Lambert in A. Legendre poskušali rešiti ta problem. Neuspešni poskusi dokazovanja 5. postulata so prinesli velike koristi. Matematiki so ubrali pot spreminjanja konceptov geometrije evklidskega prostora. Najresnejšo spremembo je v prvi polovici 19. stoletja uvedel N. I. Lobačevski (1792 - 1856).

Prišel je do zaključka, da lahko namesto aksioma dveh vzporednih premic postavimo neposredno nasprotno hipotezo in na njeni podlagi ustvarimo konsistentno geometrijo. V tej novi geometriji so bile nekatere izjave videti čudne in celo paradoksalne. Na primer, evklidski aksiom pravi: v ravnini lahko skozi točko, ki ne leži na dani premici, narišemo eno in samo eno premico, vzporedno s prvo. V geometriji Lobačevskega je ta aksiom nadomeščen z naslednjim: v ravnini lahko skozi točko, ki ne leži na dani premici, narišemo več kot eno premico, ki ne seka dane premice. V tej geometriji je vsota kotov trikotnika manjša od dveh ravnih črt itd. Toda kljub zunanjemu paradoksu so te trditve logično popolnoma enake evklidskim. Radikalno so spremenili predstave o naravi prostora. Skoraj sočasno z Lobačevskim sta do podobnih ugotovitev prišla madžarski matematik J. Bolyai in slavni matematik K. Gauss. Sodobniki znanstvenikov so bili skeptični do neevklidske geometrije, saj so jo imeli za čisto fantazijo. Vendar je rimski matematik E. Beltrami našel model za neevklidsko geometrijo, ki je psevdosfera:

Slika 1. Psevdosfera

Naslednji večji korak v razumevanju narave prostora je naredil B. Riemann (1826 - 1866). Po diplomi na univerzi v Göttingenu leta 1851 je že leta 1854 (star 28 let) podal poročilo "O hipotezah, ki so osnova geometrije", kjer je podal splošno predstavo o ​matematičnem prostoru, v katerem so bile geometrije Evklida. in Lobačevski sta bila posebna primera. V n-dimenzionalnem Riemannovem prostoru so vse črte razdeljene na elementarne segmente, katerih stanje je določeno s koeficientom g. Če je koeficient 0, so vse črte na tem segmentu ravne - Evklidovi postulati delujejo. V drugih primerih bo prostor ukrivljen. Če je ukrivljenost pozitivna, se prostor imenuje Riemannov sferičen. Če je negativen, je to psevdosferični prostor Lobačevskega. Tako je do sredine 19. stoletja mesto ravnega tridimenzionalnega evklidskega prostora zasedel večdimenzionalni ukrivljeni prostor. Koncepti Riemannovega prostora so na koncu služili kot eden od glavnih predpogojev za Einsteinovo ustvarjanje splošne teorije relativnosti.

Slika 2 Riemannov sferični prostor

Končno pripravo prostorsko-geometričnega ozadja teorije relativnosti je dal Einsteinov neposredni učitelj G. Minkowski (1864 - 1909), ki je oblikoval idejo o štiridimenzionalni prostor-časovni kontinuum, ki združuje fizični tridimenzionalni prostor in čas. Aktivno se je ukvarjal z elektrodinamiko gibajočih se medijev na podlagi elektronske teorije in načela relativnosti. Enačbe, ki jih je dobil, pozneje imenovane enačbe Minkowskega, so nekoliko drugačne od Lorentzovih enačb, vendar so skladne z eksperimentalnimi dejstvi. Sestavljajo matematično teorijo fizikalnih procesov v štiridimenzionalnem prostoru. Prostor Minkowskega omogoča vizualno interpretacijo kinematičnih učinkov posebne relativnostne teorije in je osnova sodobnega matematičnega aparata relativnostne teorije.

Ta ideja o enotnem prostoru in času, kasneje imenovana prostor-čas, in njegovo temeljno razliko od Newtonovega neodvisnega prostora in časa je očitno zajel Einstein že dolgo pred letom 1905 in ni neposredno povezan niti z Michelsonovim eksperimentom niti z Lorentz-Poincaréjevo teorijo.

Leta 1905 je Albert Einstein objavil članek "O elektrodinamiki gibajočih se teles" v reviji "Annals of Physics" in še en majhen članek, kjer je bila formula prvič prikazana. E=mc2. Kot so kasneje začeli govoriti, je to glavna formula našega stoletja.

Članek o elektrodinamiki predstavlja teorijo, ki izključuje obstoj privilegiranega koordinatnega sistema za premočrtno in enakomerno gibanje. Einsteinova teorija izključuje čas, neodvisen od prostorskega referenčnega sistema, in opušča klasično pravilo seštevanja hitrosti. Einstein je domneval, da je svetlobna hitrost konstantna in predstavlja mejno hitrost v naravi. To teorijo je poimenoval "Posebna teorija relativnosti".

Einstein je svojo teorijo razvil na podlagi naslednjih osnovnih postulatov:

• zakonitosti, po katerih se spreminjajo stanja fizikalnih sistemov, niso odvisne od tega, na katerega od obeh koordinatnih sistemov, ki se drug glede na drugega premikata enakomerno in premočrtno, se te spremembe nanašajo. Posledično ni prednostnega referenčnega okvira za enakomerno in premočrtno gibanje - načelo relativnosti
• Vsak svetlobni žarek se giblje v mirujočem koordinatnem sistemu z določeno hitrostjo, ne glede na to, ali ta svetlobni žarek oddaja mirujoči ali premikajoči se vir. Ta hitrost je največja hitrost interakcij v naravi - postulat o nespremenljivosti svetlobne hitrosti

Iz teh postulatov izhajata dve posledici:

• če se dogodki v okviru 1 zgodijo na eni točki in so sočasni, potem niso istočasni v drugem inercialnem okviru. To je načelo relativnosti sočasnosti
• za nobeni hitrosti 1 in 2 njuna vsota ne more biti večja od svetlobne hitrosti. To je relativistični zakon seštevanja hitrosti

Ti postulati – načelo relativnosti in načelo nespremenljivosti svetlobne hitrosti – so osnova Einsteinove posebne teorije relativnosti. Iz teh dobi relativnost dolžin in relativnost časa.

Bistvo Einsteinovega pristopa je bilo zavračanje idej o absolutnem prostoru in času, na katerih temelji hipoteza o etru. Namesto tega je bil sprejet relacijski pristop k elektromagnetnim pojavom in širjenju elektromagnetnega sevanja. Newtonovi zakoni gibanja so bili izraženi z enakimi razmerji v vseh enakomerno gibajočih se sistemih, ki so med seboj povezani z Galilejevimi transformacijami, zakon invariantnosti opazovane vrednosti hitrosti svetlobe pa je bil izražen z enakim razmerjem v vseh enakomerno gibajočih se sistemih, ki so med seboj povezani z Lorentzovimi transformacijami.

Vendar pa Newtonovi zakoni gibanja niso invariantni glede na Lorentzove transformacije. Iz tega sledi, da Newtonovi zakoni ne morejo biti pravi zakoni mehanike (so le približni, veljavni v mejnem primeru, ko je razmerje v/c teži k ničli).

Posebna teorija relativnosti pa velja tudi za omejene pogoje – za enakomerno gibajoče se sisteme.

Einstein je nadaljeval razvoj posebne teorije relativnosti v svojem delu "Zakon ohranjanja gibanja težišča in vztrajnosti telesa". Za osnovo je vzel Maxwellov sklep, da ima svetlobni žarek maso, to je, da med premikanjem pritiska na oviro. To predpostavko je eksperimentalno dokazal P.N.Lebedev. Einstein je v svojem delu utemeljil razmerje med maso in energijo. Prišel je do zaključka, da ko telo oddaja energijo L, se njegova masa zmanjša za količino, ki je enaka L / V2. Iz tega je bil narejen splošni sklep - masa telesa je merilo energije, ki jo vsebuje. Če se energija spremeni za količino, ki je enaka L, potem se masa ustrezno spremeni za količino L, deljeno s kvadratom svetlobne hitrosti. Tako se prvič pojavi znamenita Einsteinova relacija E = MC2.

V letih 1911-1916 je Einsteinu uspelo posplošiti teorijo relativnosti. Teorija, ki je nastala leta 1905, se je, kot že rečeno, imenovala posebna teorija relativnosti, ker. veljalo je samo za premočrtno in enakomerno gibanje.

V splošni teoriji relativnosti so se razkrili novi vidiki odvisnosti prostorsko-časovnih odnosov in materialnih procesov. Ta teorija je dala fizikalno podlago za neevklidske geometrije in povezala ukrivljenost prostora in odstopanje njegove metrike od evklidske z delovanjem gravitacijskih polj, ki jih ustvarjajo mase teles.

Splošna teorija relativnosti temelji na načelu enakovrednosti vztrajnostnih in gravitacijskih mas, katerih kvantitativna enakost je bila že zdavnaj uveljavljena v klasični fiziki. Kinematični učinki, ki nastanejo pod vplivom gravitacijskih sil, so enakovredni učinkom, ki nastanejo pod vplivom pospeška. Torej, če raketa vzleti s pospeškom 3 g, se bo posadka rakete počutila, kot da je v trikratnem gravitacijskem polju Zemlje.

Klasična mehanika ni znala razložiti, zakaj se vztrajnost in teža merita z isto količino - maso, zakaj je težka masa sorazmerna z vztrajnostno maso, zakaj z drugimi besedami telesa padajo z enakim pospeškom. Po drugi strani pa je klasična mehanika, ki je vztrajnostne sile razlagala s pospešenim gibanjem v absolutnem prostoru, menila, da ta absolutni prostor deluje na telesa, vendar ta nanj ne vplivajo. To je pripeljalo do identifikacije inercialnih sistemov kot posebnih sistemov, v katerih se upoštevajo le zakoni mehanike. Einstein je razglasil pospešeno gibanje sistema zunaj gravitacijskega polja in vztrajnostno gibanje v gravitacijskem polju za načeloma nerazločljiva. Pospešek in gravitacija povzročata fizično neločljive učinke.

To dejstvo je v bistvu ugotovil Galileo: vsa telesa se gibljejo v gravitacijskem polju (brez okoljskega upora) z enakim pospeškom, trajektorije vseh teles z dano hitrostjo so enako ukrivljene v gravitacijskem polju. Zaradi tega noben poskus ne more zaznati gravitacijskega polja v prosto padajočem dvigalu. Z drugimi besedami, v referenčnem sistemu, ki se prosto giblje v gravitacijskem polju v majhnem območju prostora-časa, gravitacije ni. Zadnja izjava je ena od formulacij načela enakovrednosti. To načelo pojasnjuje pojav breztežnosti v vesoljskih plovilih.

Če načelo enakovrednosti razširimo na optične pojave, bo to vodilo do številnih pomembnih posledic. To je pojav rdečega premika in odklona svetlobnega žarka pod vplivom gravitacijskega polja.. Učinek rdečega premika se pojavi, ko je svetloba usmerjena od točke z večjim gravitacijskim potencialom do točk z manjšim gravitacijskim potencialom. To pomeni, da se v tem primeru njegova frekvenca zmanjša, valovna dolžina pa se poveča in obratno. Na primer, sončna svetloba, ki pada na Zemljo, bo do sem prihajala s spremenjeno frekvenco, pri kateri se bodo spektralne črte premaknile proti rdečemu delu spektra.

Sklep o spremembi frekvence svetlobe v gravitacijskem polju je povezan z učinkom dilatacije časa v bližini velikih gravitacijskih mas. Kjer so senčna polja večja, ura teče počasneje.

Tako je bil pridobljen nov temeljni rezultat - hitrost svetlobe ni več konstantna vrednost, temveč se v gravitacijskem polju povečuje ali zmanjšuje, odvisno od tega, ali smer svetlobnega žarka sovpada s smerjo gravitacijskega polja.

Nova teorija je malo spremenila Newtonovo teorijo kvantitativno, vendar je uvedla globoke kvalitativne spremembe. Vztrajnost, gravitacija in metrično obnašanje teles in ure so bili zreducirani na eno samo lastnost polja, posplošeni vztrajnostni zakon pa je prevzel vlogo zakona gibanja. Hkrati se je pokazalo, da prostor in čas nista absolutni kategoriji – telesa in njihove mase vplivajo nanje in spreminjajo njihovo metriko.

Kako si lahko predstavljamo ukrivljenost prostora in širjenje časa, o čemer govori splošna relativnostna teorija?

Predstavljajmo si model prostora v obliki gumijaste plošče (tudi če to ni ves prostor, ampak njegov ravninski izrez). Če ta list vodoravno raztegnemo in nanj položimo velike krogle, potem bodo gumo upognile, bolj ko bo masa žoge večja. To jasno prikazuje odvisnost ukrivljenosti prostora od mase telesa in tudi kaže, kako je mogoče prikazati neevklidske geometrije Lobačevskega in Riemanna.

Teorija relativnosti je ugotovila ne le ukrivljenost prostora pod vplivom gravitacijskih polj, temveč tudi upočasnitev časa v močnem gravitacijskem polju. Svetloba, ki potuje po valovih vesolja, traja dlje kot za premikanje po ravnem prostoru. Ena najbolj fantastičnih napovedi splošne teorije relativnosti je popolna ustavitev časa v zelo močnem gravitacijskem polju. Dilatacija časa se kaže v gravitacijskem rdečem premiku svetlobe: močnejša kot je gravitacija, daljša je valovna dolžina in nižja je frekvenca. Pod določenimi pogoji se lahko valovna dolžina nagiba k neskončnosti, njena frekvenca pa k ničli. Tisti. svetloba bo izginila.

Ob svetlobi, ki jo oddaja naše Sonce, bi se to lahko zgodilo, če bi se naša zvezda skrčila in spremenila v kroglo s premerom 5 km (premer Sonca je » 1,5 milijona km). Sonce bi se spremenilo v "črno luknjo". Sprva so "črne luknje" napovedali teoretično. Vendar pa sta leta 1993 dva astronoma, Hulse in Taylor, prejela Nobelovo nagrado za odkritje takega objekta v sistemu črna luknja-pulsar. Odkritje tega predmeta je bila še ena potrditev Einsteinove splošne teorije relativnosti.

Splošna relativnost je lahko pojasnila neskladje med izračunano in pravo orbito Merkurja. V njem orbite planetov niso zaprte, to pomeni, da se po vsakem obratu planet vrne na drugo točko v vesolju. Izračunana orbita Merkurja je dala napako 43??, kar pomeni, da je bilo opazovano vrtenje njegovega perihelija (perihelij je točka orbite planeta, ki kroži okoli njega, najbližje Soncu.).

Samo splošna teorija relativnosti bi ta učinek lahko pojasnila z ukrivljenostjo prostora pod vplivom gravitacijske mase Sonca.

Ideje o prostoru in času, oblikovane v teoriji relativnosti, so najbolj dosledne in dosledne. Toda zanašajo se na makrokozmos, na izkušnje preučevanja velikih objektov, velikih razdalj, velikih časovnih obdobij. Pri konstruiranju teorij, ki opisujejo pojave mikrosveta, Einsteinova teorija morda ni uporabna, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi nasprotovali njeni uporabi v mikrosvetu. A možno je, da bo že sam razvoj kvantnih konceptov zahteval revizijo razumevanja fizike prostora in časa.

Trenutno je splošna teorija relativnosti splošno sprejeta teorija v znanstvenem svetu, ki opisuje procese, ki se dogajajo v času in prostoru. Toda kot vsaka znanstvena teorija ustreza ravni znanja za določeno obdobje. S kopičenjem novih informacij in pridobivanjem novih eksperimentalnih podatkov je mogoče vsako teorijo ovreči.

Splošna in posebna teorija relativnosti (nova teorija prostora in časa) sta privedli do tega, da so vsi referenčni sistemi postali enakovredni, zato so vse naše ideje smiselne le v določenem referenčnem sistemu. Slika sveta je pridobila relativno, relativno naravo, ključne ideje o prostoru, času, vzročnosti, kontinuiteti so bile spremenjene, nedvoumno nasprotje subjekta in objekta je bilo zavrnjeno, percepcija se je izkazala za odvisno od referenčnega okvira, ki vključuje oboje. subjekt in objekt, metoda opazovanja itd.)

Na podlagi novega relativističnega pristopa k dojemanju narave se je oblikovala nova, tretja naravoslovna paradigma v zgodovini znanosti. Temelji na naslednjih zamislih:

• Ø Relativizem– nova znanstvena paradigma je opustila idejo o absolutnem znanju. Vsi fizikalni zakoni, ki so jih odkrili znanstveniki, so objektivni v določenem času. Znanost se ukvarja z omejenimi in približnimi koncepti in stremi le k dojemanju resnice.
• Ø Neodeterminizem- nelinearni determinizem. Najpomembnejši vidik razumevanja determinizma kot nelinearnega je zavrnitev ideje o prisilni vzročnosti, ki predpostavlja prisotnost tako imenovanega zunanjega vzroka za tekoče naravne procese. Pri analizi poteka naravnih procesov imata tako nujnost kot naključje enake pravice.
• Ø Globalni evolucionizem– ideja o naravi kot nenehno razvijajočem se dinamičnem sistemu. Znanost je začela preučevati naravo ne le z vidika njene strukture, temveč tudi procese, ki se v njej dogajajo. Ob tem se daje prednost raziskovanju procesov v naravi.
• Ø Holizem- pogled na svet kot enotno celoto. Univerzalna narava povezave med elementi te celote (obvezna povezava).
• Ø Sinergija– kot raziskovalna metoda, kot univerzalni princip samoorganizacije in razvoja odprtih sistemov.
• Ø Vzpostavitev razumnega ravnotežja med analizo in sintezo pri proučevanju narave. Učenje je razumelo, da je narave nemogoče v nedogled drobiti v najmanjše kocke. Njegove lastnosti je mogoče razumeti le skozi dinamiko narave kot celote.
• Ø Trditev, da se razvoj narave odvija v štiridimenzionalnem prostorsko-časovnem kontinuumu.

SRT, znana tudi kot posebna teorija relativnosti, je prefinjen opisni model za razmerja med prostorom in časom, gibanjem in zakoni mehanike, ki ga je leta 1905 ustvaril Nobelov nagrajenec Albert Einstein.

Max Planck se je ob vstopu na oddelek za teoretično fiziko na univerzi v Münchnu obrnil po nasvet k profesorju Philippu von Jollyju, ki je takrat vodil oddelek za matematiko na tej univerzi. Na kar je dobil nasvet: »na tem področju je že skoraj vse odprto, preostane le še, da zakrpamo nekaj ne tako pomembnih težav.« Mladi Planck je odgovoril, da ne želi odkrivati ​​novih stvari, ampak želi le razumeti in sistematizirati že znano znanje. Posledično je iz enega takega »ne zelo pomembnega problema« pozneje nastala kvantna teorija, iz drugega pa relativnostna teorija, za katero sta Max Planck in Albert Einstein prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

Za razliko od številnih drugih teorij, ki so se opirale na fizikalne poskuse, je Einsteinova teorija skoraj v celoti temeljila na njegovih miselnih poskusih in je bila šele kasneje potrjena v praksi. Tako je že leta 1895 (pri komaj 16 letih) razmišljal, kaj bi se zgodilo, če bi se gibal vzporedno s svetlobnim žarkom z njegovo hitrostjo? V takšni situaciji se je izkazalo, da bi za zunanjega opazovalca morali delci svetlobe nihati okoli ene točke, kar je bilo v nasprotju z Maxwellovimi enačbami in načelom relativnosti (ki pravi, da fizikalni zakoni niso odvisni od kraja, kjer se nahajate in od hitrost, s katero se premikate). Tako je mladi Einstein prišel do zaključka, da bi morala biti svetlobna hitrost za materialno telo nedosegljiva, in prva opeka je bila položena v osnovo bodoče teorije.

Naslednji poskus je izvedel leta 1905 in je bil sestavljen iz dejstva, da sta na koncih premikajočega se vlaka dva impulzna vira svetlobe, ki se prižgeta hkrati. Za zunanjega opazovalca, ki pelje mimo vlaka, se oba dogodka zgodita hkrati, za opazovalca, ki se nahaja v središču vlaka, pa se bo zdelo, da sta se zgodila ob različnih časih, saj je svetlobni blisk na začetku vagona bo prišel prej kot s svojega konca (zaradi stalne hitrosti svetlobe).

Iz tega je naredil zelo drzno in daljnosežno ugotovitev, da je sočasnost dogodkov relativna. Izračune, pridobljene na podlagi teh poskusov, je objavil v delu "O elektrodinamiki gibajočih se teles". Še več, za premikajočega se opazovalca bo imel eden od teh impulzov večjo energijo kot drugi. Da v takšni situaciji pri prehodu iz enega inercialnega referenčnega sistema v drugega ni bil kršen zakon o ohranitvi gibalne količine, je bilo potrebno, da je predmet hkrati z izgubo energije izgubil tudi maso. Tako je Einstein prišel do formule, ki označuje razmerje med maso in energijo E=mc 2 - ki je morda trenutno najbolj znana fizikalna formula. Rezultate tega poskusa je objavil kasneje istega leta.

Osnovni postulati

Konstantnost svetlobne hitrosti– do leta 1907 so bili izvedeni poskusi merjenja z natančnostjo ±30 km/s (kar je bilo več kot krožna hitrost Zemlje) in niso zaznali njenih sprememb med letom. To je bil prvi dokaz nespremenljivosti svetlobne hitrosti, ki so ga pozneje potrdili številni drugi poskusi, tako eksperimentatorjev na zemlji kot avtomatskih naprav v vesolju.

Načelo relativnosti– to načelo določa nespremenljivost fizikalnih zakonov na kateri koli točki v prostoru in v katerem koli inercialnem referenčnem okviru. Se pravi, ne glede na to, ali se gibljete s hitrostjo okoli 30 km/s po orbiti Sonca skupaj z Zemljo ali v vesoljski ladji daleč onstran njenih meja – ko izvajate fizikalni poskus, boste vedno prišli do enaki rezultati (če vaša ladja v tem času ne pospeši ali upočasni). To načelo so potrdili vsi poskusi na Zemlji in Einstein je modro menil, da to načelo velja za ostalo vesolje.

Posledice

Z izračuni na podlagi teh dveh postulatov je Einstein prišel do zaključka, da bi se moral čas za opazovalca, ki se giblje v ladji, z naraščajočo hitrostjo upočasnjevati, on pa bi se moral skupaj z ladjo manjšati v smeri gibanja (da bi se s tem kompenzirajo učinke gibanja in ohranjajo načelo relativnosti). Iz pogoja končne hitrosti za materialno telo je tudi sledilo, da je treba pravilo seštevanja hitrosti (ki je imelo v Newtonovi mehaniki preprosto aritmetično obliko) nadomestiti s kompleksnejšimi Lorentzovimi transformacijami – v tem primeru tudi če seštejemo dve hitrosti na 99 % svetlobne hitrosti, bomo dobili 99,995 % te hitrosti, vendar je ne bomo presegli.

Stanje teorije

Ker je Einstein potreboval le 11 let, da je oblikoval splošno različico določene teorije, niso bili izvedeni nobeni poskusi, ki bi neposredno potrdili STR. Vendar pa je istega leta, ko je bil objavljen, Einstein objavil tudi svoje izračune, ki so pojasnili premik perihelija Merkurja do delčka odstotka, ne da bi bilo treba uvesti nove konstante in druge predpostavke, ki so jih zahtevale druge teorije, da pojasnil ta postopek. Od takrat je bila pravilnost splošne relativnostne teorije eksperimentalno potrjena z natančnostjo 10 -20 in na njeni podlagi prišlo do številnih odkritij, ki jasno dokazujejo pravilnost te teorije.

Prvenstvo v otvoritvi

Ko je Einstein objavil svoja prva dela o posebni teoriji relativnosti in začel pisati njeno splošno različico, so drugi znanstveniki že odkrili pomemben del formul in idej, na katerih temelji ta teorija. Recimo, da je Lorentzove transformacije v splošni obliki prvi dobil Poincaré leta 1900 (5 let pred Einsteinom) in so jih poimenovali po Hendriku Lorentzu, ki je dobil približno različico teh transformacij, čeprav je bil tudi v tej vlogi pred Waldemarjem Vogtom.

POSEBNA IN SPLOŠNA RELATIVNOST

Eden najpomembnejših vidikov sodobne fizike, ki je neposredno povezan z našo analizo teologije, je koncept časa – njegov izvor in odsotnost enotnega ali stalnega in nespremenljivega merila njegovega toka. Zaradi pomena kronologije pri razlagi Svetega pisma je zelo pomembno, da poskušamo razumeti, kako teorija relativnosti razlaga naše dojemanje vesolja, njegove starosti in vsega, kar se v njem dogaja. časovna relativnost kvantni foton

Težko je imenovati drugo teorijo, ki bi tako močno vplivala na naše razumevanje sveta in njegovega nastanka, kot je teorija relativnosti (tako posebna kot splošna). Pred pojavom te teorije je bil čas vedno obravnavan kot absolutna kategorija. Čas, ki je pretekel od začetka do zaključka procesa, je veljal neodvisno od tega, kdo je meril njegovo trajanje. Že pred 300 leti je Newton zelo zgovorno formuliral to prepričanje: »Absolutni, pravi in ​​matematični čas sam po sebi in zaradi svoje narave teče enotno in neodvisno od kakršnih koli zunanjih dejavnikov.« Poleg tega sta bila čas in prostor obravnavana kot nepovezani kategoriji, ki na noben način nista vplivala druga na drugo. In res, kakšna druga povezava bi lahko obstajala med razdaljo, ki ločuje dve točki prostora, in potekom časa, razen tega, da večja razdalja zahteva več časa za njeno premagovanje; preprosta in čista logika.

Koncepti, ki jih je predlagal Einstein v svoji posebni teoriji relativnosti (1905) in pozneje v splošni teoriji relativnosti (1916), so spremenili naše razumevanje prostora in časa tako temeljito, kot svetloba prižgane svetilke spremeni naše dojemanje prej zatemnjene sobe. .

Dolga pot do Einsteinovega vpogleda se je začela leta 1628, ko je Johannes Kepler odkril nenavaden pojav. Opazil je, da so repi kometov vedno usmerjeni v smeri, ki je nasprotna Soncu. Padajoče zvezde, ki sledijo nočnemu nebu, imajo za seboj žareč rep, kot se spodobi. Na enak način se rep razteza za kometom, ko se približuje Soncu. Toda potem, ko komet preleti Sonce in začne svoj povratni let v oddaljene predele sončnega sistema, se situacija spremeni na najbolj dramatičen način. Rep kometa je pred glavnim telesom. Ta slika je v odločilnem nasprotju s samim konceptom repa! Kepler je predlagal, da položaj kometovega repa glede na njegovo glavno telo določa pritisk sončne svetlobe. Rep ima manjšo gostoto kot sam komet in je zato bolj dovzeten za pritisk sončnega sevanja kot glavno telo kometa. Sevanje sonca dejansko piha na rep in ga potiska stran od sonca. Če ne bi bilo gravitacijske sile glavnega telesa kometa, bi drobne delce, ki sestavljajo rep, odneslo stran. Keplerjevo odkritje je bilo prvi pokazatelj, da ima lahko sevanje – kot je svetloba – mehansko (v tem primeru odbojno) silo. To je bila zelo pomembna sprememba v našem razumevanju svetlobe, saj iz tega sledi, da ima svetloba, ki je vedno veljala za nekaj nematerialnega, lahko težo ali maso. Toda šele 273 let kasneje, leta 1901, so izmerili pritisk, ki ga povzroča svetlobni tok. E.F. Nichols in J.F. Hull je z močnim žarkom svetlobe posvetil zrcalo, obešeno v vakuumu, izmeril premik zrcala kot posledico svetlobnega pritiska. To je bila laboratorijska analogija kometovega repa, ki ga sončna svetloba odrine.

Leta 1864 je James Clerk Maxwell, ko je raziskoval odkritja Michaela Faradaya o elektriki in magnetizmu, predlagal, da se svetloba in vse druge oblike elektromagnetnega sevanja gibljejo skozi vesolje kot valovi z enako fiksno hitrostjo7. Mikrovalovi v mikrovalovni pečici v naši kuhinji, svetloba, pod katero beremo, rentgenski žarki, ki zdravniku omogočajo, da vidi zlomljeno kost, in žarki gama, ki jih sprošča atomska eksplozija, so vsi elektromagnetni valovi, ki se med seboj razlikujejo le v valovni dolžini in frekvenci. Večja kot je energija sevanja, krajša je valovna dolžina in višja je frekvenca. V vseh drugih pogledih sta enaka.

Leta 1900 je Max Planck predlagal teorijo elektromagnetnega sevanja, ki je bila bistveno drugačna od vseh prejšnjih. Prej je veljalo, da se energija, ki jo oddaja segret predmet, kot je rdeč sij vroče kovine, oddaja enakomerno in neprekinjeno. Predpostavljeno je bilo tudi, da se proces sevanja nadaljuje, dokler se vsa toplota popolnoma ne razprši in se predmet vrne v prvotno stanje – in to je bilo v celoti potrjeno z ohlajanjem segrete kovine na sobno temperaturo. Toda Planck je pokazal, da je situacija popolnoma drugačna. Energija se ne oddaja v enakomernem in neprekinjenem toku, ampak v diskretnih delih, kot da bi razbeljena kovina oddala svojo toploto in bruhala tok drobnih vročih delcev.

Planck je predlagal teorijo, po kateri ti delci predstavljajo posamezne dele sevanja. Poimenoval jih je "kvanti" in tako se je rodila kvantna mehanika. Ker se vsako sevanje giblje z enako hitrostjo (svetlobno hitrostjo), mora biti enaka tudi hitrost gibanja kvantov. In čeprav je hitrost vseh kvantov enaka, nimajo vsi enake energije. Planck je predlagal, da je energija posameznega kvanta sorazmerna s frekvenco njegovih nihanj, ko se premika skozi vesolje, kot majhna gumijasta žogica, ki se nenehno krči in širi, ko leti po svoji poti. V vidnem območju lahko naše oči izmerijo frekvenco pulziranja kvanta in to meritev imenujemo barva. Zaradi kvantiziranega oddajanja energije rahlo segret predmet začne svetiti rdeče, nato pa z dvigom temperature začne oddajati druge barve spektra, ki ustrezajo višjim energijam in frekvencam. Na koncu se njegovo sevanje spremeni v mešanico vseh frekvenc, ki jo zaznamo kot belo barvo razgretega telesa.

In tu naletimo na paradoks – ista teorija, ki opisuje svetlobo kot tok delcev, imenovanih kvanti, hkrati opisuje energijo svetlobe z uporabo frekvence (glej sliko 1). Toda frekvenca je povezana z valovi, ne z delci. Poleg tega vemo, da je svetlobna hitrost vedno konstantna. Toda kaj se zgodi, če se predmet, ki oddaja svetlobo, ali opazovalec, ki to svetlobo zazna, sam premakne? Se bo njihova hitrost dodala ali odštela od svetlobne hitrosti? Logika nam pravi, da je treba dodati ali odšteti, vendar potem svetlobna hitrost ne bo konstantna! Pritisk, ki ga svetloba izvaja na kometov rep ali zrcalo v poskusu Nichols-Hull, pomeni, da pride do spremembe gibalne količine (imenovane tudi gibalna količina) svetlobe, ko zadene površino. Zaradi tega vsak premikajoči se predmet pritiska na oviro. Curek vode iz cevi poganja žogico po tleh, ker ima voda maso in ta masa ima hitrost, ki se spremeni na nič v trenutku, ko curek udari v žogico. V tem primeru se gibalna količina vode prenese na kroglo in ta se odkotali. Sama definicija gibalne količine (momentuma) kot zmnožka mase (t) ali teže predmeta in hitrosti njegovega gibanja (v) ali mv zahteva, da ima gibljiva svetloba maso. Nekako imajo ti valoviti delci svetlobe maso, čeprav na površini, na katero pade svetloba, ni nobene materialne sledi. Potem, ko se lučka "razlije" po površini, na njej ne ostane nobena "umazanija", ki bi jo lahko očistili. Do sedaj se še vedno trudimo ustvariti enotno teorijo, ki bi v celoti razložila ta pojav svetlobe in kateregakoli drugega sevanja.

Hkrati s preučevanjem narave sevalne energije so potekale raziskave v zvezi s širjenjem svetlobe. Zdelo se je logično, da ker so svetloba in druge oblike elektromagnetnega sevanja v določenem smislu valovi, potrebujejo nekakšen medij, v katerem bi se lahko ti valovi širili. Veljalo je, da se valovi v vakuumu ne morejo širiti. Tako kot je zvok potreboval določeno materialno snov, kot je zrak, da prenaša svojo valovito energijo, tako se je zdelo, da svetloba potrebuje posebno snov za širjenje. Nekoč je bilo predlagano, da bi moralo biti vesolje napolnjeno z nevidnim in nematerialnim medijem, ki zagotavlja prenos energije sevanja skozi vesolje - na primer svetlobe in toplote od Sonca do Zemlje. Ta medij so poimenovali eter, ki naj bi zapolnil celo vesoljski vakuum.

Postulat o širjenju svetlobe skozi eter je omogočil razlago paradoksa nespremenljivosti njegove hitrosti. Po tej razlagi mora svetloba potovati s konstantno hitrostjo, ne glede na svetlobni vir ali opazovalca, temveč glede na ta vseprisotni eter. Za opazovalca, ki se giblje skozi eter, lahko svetloba potuje hitreje ali počasneje, odvisno od smeri njenega gibanja glede na smer svetlobe, vendar glede na mirujoči eter mora hitrost svetlobe ostati konstantna.

riž. 1.

Enako velja za širjenje zvoka. Zvok potuje skozi mirni zrak na morski gladini s konstantno hitrostjo približno 300 metrov na sekundo, ne glede na to, ali se vir zvoka premika ali ne. Eksploziji podoben zvok, ki ga letalo oddaja, ko prečka zvočni zid, je pravzaprav posledica tega, da letalo ob prehitevanju zadene svoj zvočni val, ki potuje hitreje od 300 metrov na sekundo. V tem primeru se vir zvoka, letalo, premika hitreje od zvoka, ki ga proizvaja. Dvojna narava svetlobe je takšna, da če na njeno pot postavimo luknjo majhnega premera, se svetloba obnaša natanko tako kot oceanski val, ki gre skozi ozek vhod v pristanišče. Tako svetloba kot oceanski val sta se, ko sta šla skozi luknjo, v krogih širila na drugi strani luknje. Po drugi strani pa, če svetloba osvetli površino neke kovine, se obnaša kot tok drobnih delcev, ki bombardirajo to površino. Svetloba enega za drugim izbije elektrone iz kovine na enak način, kot bodo majhne kroglice, ki zadenejo papirnato tarčo, iztrgale koščke papirja, en košček na kroglico. Energija svetlobnega vala je določena z njegovo dolžino. Energija svetlobnih delcev ni določena z njihovo hitrostjo, ampak s frekvenco, s katero delci svetlobe - fotoni - utripajo, ko se gibljejo s svetlobno hitrostjo.

Ko so znanstveniki razpravljali o domnevnih lastnostih etra, ki jih je bilo treba še odkriti, nihče ni slutil, da je minevanje časa povezano z gibanjem svetlobe. Toda to odkritje je bilo tik za vogalom.

Leta 1887 sta Albert Michelson in Edward Morley objavila rezultate svojega poskusa eksperimentalnega opazovanja tega, kar je sledilo iz teorije etra8. Primerjali so skupni čas, ki ga svetloba potrebuje, da prepotuje enako razdaljo naprej in nazaj v dveh smereh – vzporedno in pravokotno na gibanje Zemlje v njeni orbiti okoli Sonca. Ker se Zemlja giblje po orbiti okoli Sonca s hitrostjo približno 30 kilometrov na sekundo, je bilo predpostavljeno, da se giblje z enako hitrostjo glede na eter. Če se svetlobno sevanje podreja istim zakonom, ki urejajo vse druge valove, bi moralo gibanje Zemlje glede na eter vplivati ​​na potovalni čas svetlobe, izmerjen v njihovih poskusih. Ta učinek se ne bi smel razlikovati od učinka močnega vetra, ki odnaša zvok.

Na presenečenje vseh Michelson in Morley nista zabeležila niti najmanjše sledi vpliva te hitrosti 30 kilometrov na sekundo. Začetni poskus, pa tudi kasnejše, tehnično naprednejše različice istega eksperimenta, so pripeljali do povsem nepričakovanega zaključka – gibanje Zemlje nima vpliva na svetlobno hitrost.

To je povzročilo zmedo. Svetlobna hitrost (c) je vedno 299.792,5 kilometrov na sekundo, ne glede na to, ali se svetlobni vir ali opazovalec premika ali miruje. Poleg tega se isti svetlobni žarek obnaša tako kot valovanje kot kot delec, odvisno od načina opazovanja. Bilo je, kot da bi stali na pomolu in opazovali valove, ki se valijo iz oceana, in nenadoma, kot bi mignil, bi se običajni grebeni valov in korita med njimi spremenili v tok posameznih vodnih kroglic. , premikajoče se, utripajoče, v zraku nad samo gladino morja. In v naslednjem trenutku bi kroglice izginile in spet bi se pojavili valovi.

Leta 1905 se je sredi te zmede na znanstveni sceni pojavil Albert Einstein s svojo teorijo relativnosti. Tega leta je Einstein objavil vrsto člankov, ki so dobesedno spremenili človeško razumevanje našega vesolja. Pet let prej je Planck predlagal kvantno teorijo svetlobe. S pomočjo Planckove teorije je Einsteinu uspelo razložiti zanimiv pojav. Svetloba, ki zadene površino nekaterih kovin, sprosti elektrone, kar povzroči električni tok. Einstein je domneval, da je ta "fotoelektrični" učinek posledica svetlobnih kvantov (fotonov), ki dobesedno izbijajo elektrone iz njihovih orbit okoli atomskega jedra. Izkazalo se je, da imajo fotoni maso, ko se gibljejo (ne pozabite, da se gibljejo s svetlobno hitrostjo c), vendar je njihova "masa mirovanja" enaka nič. Gibajoči se foton ima lastnosti delca - v vsakem trenutku je na določeni točki v vesolju in ima tudi maso, zato lahko, kot je nekoč predlagal Kepler, deluje na materialne objekte, na primer na rep kometa; hkrati pa ima lastnosti valovanja – zanj je značilna frekvenca nihanja, ki je sorazmerna z njegovo energijo. Izkazalo se je, da sta snov in energija v fotonu tesno povezani. Einstein je odkril to povezavo in jo formuliral v splošno znano enačbo. Einstein je zaključil, da ta enačba velja za vse vrste mase in oblike energije. Te določbe so postale osnova posebne teorije relativnosti.

Zaznavanje teh idej ni tako preprosto in zahteva precejšen miselni napor. Na primer, vzemimo določen predmet. Masa (kar običajno imenujemo "teža") mirujočega predmeta se v znanstvenem smislu imenuje masa mirovanja. Zdaj pa ta predmet močno potisnimo. Začelo se bo premikati z določeno hitrostjo in posledično pridobilo kinetično energijo, tem večjo, čim večja je njegova hitrost. Toda ker se e v E=mc2 nanaša na vse oblike energije, bo skupna energija predmeta vsota njegove energije mirovanja (povezane z maso mirovanja) in njegove kinetične energije (energije njegovega gibanja). Z drugimi besedami, Einsteinova enačba zahteva, da se masa predmeta dejansko poveča, ko se poveča njegova hitrost.

Torej, po teoriji relativnosti se masa predmeta spreminja, ko se spreminja njegova hitrost. Pri nizkih hitrostih se masa predmeta praktično ne razlikuje od mase počitka. Zato se pri vsakodnevnih dejavnostih Newtonov opis naravnih zakonov izkaže za precej natančnega. Toda za galaksije, ki drvijo skozi vesolje, ali za subatomske delce v pospeševalniku je situacija povsem drugačna. V obeh primerih je lahko hitrost teh teles velik del svetlobne hitrosti, zato je lahko sprememba njihovih mas zelo, zelo pomembna.

O tej izmenjavi med maso in energijo zelo zgovorno razpravljata tako Steven Weinberg v svoji knjigi Prve tri minute kot Nachmanides v svojem komentarju Geneze. Oba govorita o dualizmu mase in energije, ko opisujeta prve minute življenja vesolja.

Posebna teorija relativnosti temelji na dveh postulatih: načelu relativnosti in nespremenljivosti svetlobne hitrosti. Načelo relativnosti, ki ga je pred 300 leti postavil Galileo Galilei, je izpopolnil Einstein. To načelo pravi, da vsi zakoni fizike (ki niso nič drugega kot naravni zakoni) delujejo enako v vseh sistemih, ki se gibljejo brez pospeška, torej enakomerno in premočrtno. V jeziku fizikov se takšni sistemi imenujejo inercialni referenčni sistemi.

Referenčni okvir določa odnos opazovalca do zunanjega sveta. Načelo relativnosti nam pove, da v inercialnem referenčnem sistemu ne moremo z uporabo fizikalnih zakonov ugotoviti, ali se sam sistem giblje, saj njegovo gibanje na noben način ne vpliva na rezultate meritev znotraj sistema. . Zato ne čutimo gibanja, ko letimo s konstantno hitrostjo v mirnem vremenu. Toda ko se zibamo v gugalnem stolu, se znajdemo v neinercialnem referenčnem okviru; Ker se hitrost in smer gibanja gugalnice nenehno spreminjata, svoje gibanje čutimo.

Vsi smo se že srečali s primeri nezmožnosti merjenja absolutnega gibanja. Na primer, stojimo pred semaforjem in avto pred nami se začne počasi kotaliti nazaj. Ali gremo naprej? Sprva je težko razumeti, kdo točno se premika. Naš vlak se počasi in gladko začne premikati po peronu. Ko se zbudimo iz sna, opazimo, da se vlak, ki stoji na sosednji progi, začne počasi premikati nazaj. Ali pa se nam vsaj zdi, da je temu tako. Dokler se naš referenčni okvir – naš avto ali vlak – ne začne premikati pospešeno (neha biti inercialni okvir), ni jasno, kaj se giblje in kaj miruje.

Morda se zdi, da gre tukaj za protislovje: Einstein nas je učil, da je masa predmeta funkcija njegove hitrosti, zdaj pa trdimo, da ne moremo določiti gibanja z merjenjem, kako se masa spreminja pod njegovim vplivom. Toda tukaj je zelo subtilna razlika. Znotraj inercialnega referenčnega sistema ostanejo vse količine nespremenjene. Ko se merijo iz drugega referenčnega sistema, ki se premika glede na prvega, se vrednosti velikosti in mase spremenijo. Če bi se vsi deli vesolja gibali enako in enakomerno, relativnostna teorija ne bi imela nobene zveze s temo našega raziskovanja. Vendar temu ni tako. Sposobnost opazovanja istih dogodkov iz različnih referenčnih okvirov igra pomembno vlogo v svetopisemski analizi kozmologije, ki se je lotimo.

Drugi element temelja posebne teorije relativnosti je še težje razumeti. Lahko bi celo rekli, da je do skrajnosti nerazumljiv. Pravi, da je svetlobna hitrost c konstantna količina (c = 2,997925 x 108 metrov na sekundo v vakuumu – vedno) in enaka v vseh referenčnih sistemih. To dejstvo so razkrili rezultati Michelson-Morleyjevega eksperimenta. Če pomislite na pomen te izjave, boste lahko cenili njeno drznost. Einstein se je zavzel za razglasitev, da ne glede na hitrost gibanja opazovalca proti svetlobnemu viru ali stran od njega ostaja svetlobna hitrost enaka c. Nobena druga oblika gibanja (kot je zvočni val) nima te lastnosti. To se zdi zelo nelogično.

Če podajalec vrže žogo lovilcu s hitrostjo 90 milj na uro, lovilec vidi žogo, ki prihaja proti njemu s hitrostjo 90 milj na uro. Zdaj, če v nasprotju z vsemi pravili lovilec teče proti metalcu s hitrostjo 20 milj na uro, bo hitrost žoge glede na lovilca 110 milj na uro (90 + 20). Hitrost žoge glede na vrč bo enaka kot prej, 90 milj na uro. Naslednjič metalec namesto metanja žoge lovilcu pokaže sliko žoge. Proti lovilcu se premika s svetlobno hitrostjo (c), to je približno 300 milijonov metrov na sekundo. Hitronogi lovilec pa hiti proti vrču s hitrostjo, ki je enaka desetini svetlobne hitrosti, to je 30 milijonov metrov na sekundo. In kaj bo videl ta naš lovilec? Slika žoge, ki se mu približuje s 330 milijoni metrov na sekundo? ne! Prav to je paradoks svetlobe – povzroča zmedo, moti, včasih celo razjezi, a nas hkrati osvobaja.

Lovilec vidi sliko žoge, ki se mu približuje natanko s svetlobno hitrostjo, 300 milijonov metrov na sekundo, čeprav teče proti njej in s tem svetlobni hitrosti prišteje svojo hitrost. Svetloba se ne glede na hitrost gibanja opazovalca glede na vir svetlobe vedno giblje s hitrostjo c. Nenehno. In kakšno hitrost gibanja slike žoge beleži nepremično stoječ metalec? Tako je, tudi s. Kako dva opazovalca, eden se premika in drugi miruje, zabeležita enako hitrost svetlobe? Logika in zdrava pamet pravita, da je to nemogoče. Toda relativnost pravi, da je to realnost. In ta resničnost je bila potrjena v poskusu Michelson-Morley.

Oba opazovalca beležita enako svetlobno hitrost, saj je dejstvo spreminjanja mase, prostora in časa – pa naj se zdi še tako nerazumljivo – temeljni zakon relativistične mehanike in vesolja, v katerem živimo. Zakoni, ki urejajo te spremembe, so takšni, da se v danem sistemu ne zgodi nič, kar se zdi absurdno. Tisti, ki je v njem, ne opazi nobenih sprememb. Toda, ko opazujemo drug sistem, ki se premika mimo nas, vidimo, da se dimenzije predmeta v smeri gibanja zmanjšujejo glede na enake dimenzije predmeta, ko ta miruje. Še več, ure, ki so kazale točen čas, ko so mirovale, se gibale, začnejo v našem referenčnem okviru zaostajati za urami »mirovanja«.

Kombinacija konstantnosti svetlobne hitrosti in načela relativnosti neizogibno potegne za seboj dilatacijo časa. Dilatacijo časa je mogoče prikazati z miselnim eksperimentom, podobnim tistemu, ki ga je uporabil Einstein, ko je razvil osnovna načela relativnosti. Primer takšnega miselnega eksperimenta sta podala Taylor in Wheeler v njuni klasični knjigi "Physics of Space and Time"0.

Razmislimo o dveh referenčnih sistemih, od katerih eden miruje, drugi pa se premika. Stacionarni sistem je navaden fizikalni laboratorij. Drugi sistem je raketa, ki se premika z veliko hitrostjo, popolnoma prozorna in prepustna, znotraj katere je posadka, sestavljena iz popolnoma prozornih in prepustnih znanstvenikov. Raketa zaradi svoje popolne transparentnosti in prepustnosti lahko prehaja skozi naš laboratorij, ne da bi prišla v kakršno koli interakcijo z njo in njeno vsebino. V laboratoriju iz točke A (slika 2) nastane blisk svetlobe, ki se premika diagonalno na zrcalo, ki se nahaja v točki M. Svetloba, odbita od zrcala, prehaja tudi diagonalno na točko B. Čas prihoda rakete v laboratorij se določi tako, da v trenutku plamenišča A rakete sovpada s točko A laboratorija. Naj bo hitrost rakete tolikšna, da točka A rakete sovpada s točko B laboratorija točno v trenutku, ko svetlobni blisk doseže točko B. Opazovalcem v raketi se bo zdelo, da je svetloba, poslana iz točke A na raketi gre neposredno do točke B M in se vrne nazaj v točko rakete A. Ker je hitrost rakete konstantna (je inercialni sistem), ljudje v raketi ne vedo, da se premika.

Razdalja, ki jo prepotuje svetloba, kot jo zaznajo potniki rakete, je 2y (od točke A do točke M in nazaj). Enaka pot svetlobe, ki jo vidijo tisti v laboratoriju, je vsota obeh stranic trikotnika - od točke A do točke M in od točke M do točke B. Očitno mora biti ta pot večja od poti, ki jo vidi potniki rakete. Razliko med njima lahko natančno izračunamo s pomočjo Pitagorovega izreka. Tako sklepamo, da je pot svetlobe, opazovana iz rakete, krajša od poti svetlobe, opazovane iz laboratorija.

riž. 2.

Spomnimo se, da je svetlobna hitrost v obeh sistemih enaka. To je eno od trdno uveljavljenih temeljnih načel relativnostne teorije. Znano je tudi, da je v vseh primerih čas, porabljen za premikanje, enak prevoženi razdalji, deljeni s hitrostjo gibanja. Čas, potreben za prevoz 100 milj s hitrostjo 50 milj na uro, je dve uri. Ker je hitrost svetlobe tako za znanstvenike v laboratoriju kot za znanstvenike, ki se premikajo v raketi, enaka c in je razdalja, ki jo prepotuje svetloba v laboratoriju, večja od razdalje, ki jo prepotuje v raketi, je časovni interval med blisk bi moralo biti več svetlobe na točki A in prihod svetlobe na točko B v laboratoriju kot v raketi.

Zgodil se je le en dogodek. Bil je samo en blisk svetlobe in svetloba, opazovana v dveh referenčnih sistemih, je enkrat zaključila svojo pot. Vendar je bilo trajanje tega dogodka drugačno, če smo ga izmerili v dveh različnih referenčnih okvirih.

Ta razlika v izmerjenem času se imenuje relativistična dilatacija časa in prav ta dilatacija prepričljivo usklajuje šest dni stvarjenja s 15 milijardami let kozmologije.

Koncepti, na katerih temelji splošna teorija relativnosti, so razvoj idej iz posebne teorije relativnosti, vendar so bolj zapleteni. Medtem ko se posebna relativnost ukvarja z inercialnimi sistemi, splošna relativnost obravnava tako inercialne kot neinercialne (pospešene) sisteme. V neinercialnih sistemih zunanje sile - kot so gravitacijske sile - vplivajo na gibanje predmetov. Posebna relativistična lastnost gravitacije, ki je neposredno povezana s problemom, ki ga preučujemo, je, da gravitacija – tako kot hitrost – povzroča dilatacijo časa. Ista ura na Luni teče hitreje kot na Zemlji, ker je Lunina gravitacija šibkejša. Kot bomo videli, ima gravitacija ključno vlogo pri usklajevanju Stvarjenja in Velikega poka.

Sile gravitacijske privlačnosti čutimo na popolnoma enak način kot sile, ki povzročajo pospešek. Na primer, v dvigajočem se dvigalu čutimo silo, s katero tla pritiskajo na naša stopala; ona nas pravzaprav potisne gor skupaj z dvigalom. To zaznavamo kot silo, ki bi jo občutili, ko bi stali v mirujočem dvigalu, če bi se Zemljina gravitacijska sila nekako nenadoma povečala. Einstein je razmišljal, da mora gravitacija, ker se dojema tako kot katera koli druga sila, ki povzroča spremembo gibanja, povzročiti enake rezultate. Ker pospeševalne sile povzročajo spremembe v gibanju in dilatacijo časa, morajo tudi spremembe v gravitaciji povzročiti dilatacijo časa.

Ker je vidik časovne dilatacije teorije relativnosti zelo pomemben za problem poenotenja kozmološkega in svetopisemskega koledarja, je zelo pomembno pokazati, da časovna dilatacija dejansko obstaja. Navsezadnje postanejo relativistične spremembe opazne le v tistih primerih, ko se relativne hitrosti gibanja približajo svetlobni hitrosti. Celo pri 30 milijonih metrov na sekundo, kar je ena desetina svetlobne hitrosti, je časovna dilatacija manjša od enega odstotka.

Hitrosti blizu svetlobne hitrosti so v vsakdanjem življenju redke, vendar so običajne v kozmologiji in fiziki visokih energij. Vendar je treba opozoriti, da realna možnost merjenja časovne dilatacije ne naredi same ideje bolj dostopne za razumevanje. Kljub temu nam to omogoča, da ga premaknemo iz kategorije povsem teoretičnega koncepta v področje empiričnih dejstev. Dokaj širok spekter človeških dejavnosti – od poskusov v laboratorijih za fiziko visokih energij do rednih letov komercialnih letalskih prevoznikov – nam omogoča, da pokažemo dilatacijo časa.

Eden od številnih osnovnih delcev, ki nastanejo med poskusi v fizikalnih laboratorijih, je mu mezon. Ima razpolovno dobo ene in pol mikrosekunde. Mu mezoni pa se ne pojavljajo le v laboratorijih za fiziko visokih energij, ampak tudi v zgornjih plasteh Zemljine atmosfere, ko kozmični žarki trčijo v jedra atomov atmosferskega plina. Ker je energija kozmičnega sevanja zelo visoka, mu mezoni v trenutku nastanka dosežejo hitrost, ki je skoraj enaka svetlobni hitrosti. Pri tako visokih hitrostih pride do dilatacije časa, ki jo je mogoče izmeriti. Tudi če se gibljejo s hitrostjo blizu svetlobne, potrebujejo mu mezoni 200 mikrosekund, da prepotujejo 60 kilometrov od plasti atmosfere, v kateri nastanejo, do površja Zemlje. Ker ima mu mezon razpolovno dobo ene in pol mikrosekunde, prehodni čas 200 mikrosekund pokriva 133 njegovih razpolovnih dob. Spomnimo se, da med vsako tako polperiodo razpade polovica preostalih delcev. Po 133 polciklih bo delež mu-mezonov, ki naj bi preživeli in dosegli površje Zemlje, enak "/2 x 1/2 x "/2 in tako naprej 133-krat, kar je ena milijoninka milijoninke milijardinko milijarde števila mu-mezonov, ki so začeli svojo pot do površja Zemlje. To število je tako majhno, da skoraj noben mu mezon ne bi smel doseči Zemlje. Velika večina jih bo na poti razpadla. Vendar, če primerjamo število mu mezonov, proizvedenih v zgornji atmosferi, s številom mu mezonov, ki dosežejo površje Zemlje, smo presenečeni, ko ugotovimo, da "/8 njihovega začetnega števila uspešno prispe na cilj." 1/8 mionov pomeni, da so med njihovim 60-kilometrskim potovanjem zaključene samo tri polperiode, torej za mu-mezon, ki se giblje s hitrostjo blizu svetlobe, znaša pretečeni (relativistični) čas le tri pol-periode - 4,5 mikrosekunde (3 x 1,5 mikrosekunde). Za opazovalca na površju Zemlje bo minilo najmanj 200 mikrosekund - najmanjši čas, ki je potreben za potovanje 60 kilometrov od zgornje atmosfere do površja in se isti dogodek zgodi v dveh različnih časih intervali - 4,5 mikrosekunde v referenčnem okviru hitro premikajočega se mu-mezona in 200 mikrosekund v referenčnem okviru opazovalca, ki stoji na površju. Še enkrat spomnimo, da govorimo o enem dogodku. Toda zaradi dejstva, da se opazovalec in opazovani objekt gibljeta relativno drug glede na drugega, sta za ta dogodek dve različni časovni obdobji. In oboje je popolnoma res!

Toda mu mezoni so precej eksotični delci in skeptik bi se lahko zasmejal in nejeverno zmajal z glavo. Navsezadnje noben opazovalec ne more potovati v družbi mionov. Zanašamo se samo na njihovo razpolovno dobo kot na uro, ki teče z njimi.

Kaj pa prava ura in človek, ki se premika z njo in na najbolj neposreden način meri dilatacijo časa? To bi očitno izgledalo bolj prepričljivo. In prav o tem sta v prestižni reviji Science poročala Hafele in Keating12 z Univerze v Washingtonu in ameriškega pomorskega laboratorija. Poslali so štiri komplete cezijevih ur na letala Boeing 707 in Concorde, ki sta v lasti TWA in Pan Am in opravljata redne komercialne lete po vsem svetu. Te ure so bile izbrane, ker so izjemno natančne.

Zemlja se vrti od zahoda proti vzhodu. Če pogledamo Zemljo iz vesolja, medtem ko smo nad njenim severnim polom, bomo videli, da se pri letenju proti vzhodu hitrost letala prišteva k hitrosti Zemlje. Kot predvideva relativnostna teorija, so bile ure na krovu letala za istimi urami, ki se nahajajo v ameriškem pomorskem laboratoriju v Washingtonu, D.C. (vse ure, uporabljene v tem poskusu, je zagotovil laboratorij). Pri letenju proti zahodu se hitrost letala odšteje od hitrosti vrtenja Zemlje in v popolnem skladu s teorijo relativnosti so se ure na krovu tega letala pomaknile naprej. Po mnenju Haefeleja in Keatinga so »v znanosti pomembna empirična dejstva močnejša od teoretičnih argumentov. Ti rezultati zagotavljajo nedvoumno empirično rešitev slavnega paradoksa ure."3

Ne samo zaznavanje časa, tudi dejanski potek časa se spreminja glede na relativno gibanje opazovalcev. Znotraj katerega koli referenčnega okvira je vse videti povsem normalno. Toda ko se dva sistema najprej ločita in nato ponovno povežeta ter primerjata odčitke ure, se izkaže, da je potek časa v njiju različen (dejansko "staranje").

Posebej zanimiv vidik Hefele-Keatingovih poskusov dilatacije časa je bil, da so testirali posebno in splošno relativnost. Glede na splošno relativnost razlike v moči gravitacije vplivajo na trajanje na enak način kot razlike v relativni hitrosti, kot to predvideva posebna relativnost. Učinek gravitacijskega polja na kateri koli predmet je obratno sorazmeren s kvadratom razdalje med predmeti. Ko se razdalja podvoji, se gravitacijska privlačnost zmanjša za faktor štiri. Dlje kot je predmet od Zemlje, šibkejša je privlačnost Zemlje zanj. Ker so letala med letom visoko nad zemeljsko površino (običajna višina leta boeinga 707 je 10 km, concorda pa 20 km), je bil gravitacijski učinek Zemlje na ure v letalu drugačen od vpliva na ure, ki so bile na površju Zemlje v laboratorijih mornarice. Spremembe ure, zabeležene v poskusu, so bile skladne z napovedmi splošne teorije relativnosti (ki upošteva vpliv gibanja in gravitacije).

Ta poskus, tako kot vsi drugi njemu podobni, je dokazal, da Einsteinova posebna in splošna teorija relativnosti pravilno opisujeta resnične značilnosti našega vesolja. Relativnost ni več čista teorija. Relativnost je dokazano, empirično dokazano dejstvo. Z drugimi besedami, teorija relativnosti je postala zakon relativnosti.

In zdaj lahko na podlagi tega zakona, ki ga utemeljuje ena od naravoslovnih ved, ki opisujejo vesolje, nadaljujemo z razpravo o prvih šestih dneh stvarjenja - tistem obdobju, v katerem si naravoslovje in teologija na prvi pogled nasprotujeta.

Razmislimo o spremembah v odnosu med Stvarnikom, vesoljem in človekom, ki so se zgodile od tistega trenutka, ki ga imenujemo »začetek«. Ob tem ne smemo niti za trenutek izgubiti izpred oči, da lahko razliko v poteku časa zabeležimo le, če primerjamo opazovanje istih dogodkov iz dveh različnih referenčnih sistemov. A to ni dovolj - potrebno je tudi, da se bodisi gravitacijske sile v teh dveh referenčnih sistemih med seboj bistveno razlikujejo ali pa se relativna hitrost njihovega gibanja približa 300 milijonom metrov na sekundo, torej svetlobni hitrosti. Znotraj vsakega sistema, ne glede na njegovo relativno hitrost ali gravitacijsko silo, ki deluje v njem, se vse dogaja popolnoma v skladu z Newtonovimi zakoni, torej vse izgleda normalno in logično, tako kot tukaj na Zemlji, čeprav drvimo skozi vesolje z veliko hitrostjo.

Stvarnik je imel in ima še vedno določen interes pri ustvarjanju Vesolja. To lahko domnevamo na podlagi dejstva, da vesolje obstaja. Vendar ne vemo, kakšen je ta interes. Nekaj ​​namigov o tem pa lahko najdemo z analizo interakcije med Stvarnikom in Vesoljem skozi ves čas njegovega nastanka in obstoja. Tradicionalna teologija trdi, da če bi Stvarnik želel ustvariti vesolje z enim zamahom, bi to tudi storil. Toda iz svetopisemskega poročila je jasno, da njegov načrt ni bil ustvariti popolnoma oblikovanega vesolja z enim samim dejanjem. Iz neznanega razloga je bila izbrana metoda postopnega razvoja. In prvi dve poglavji knjige "Geneza" sta posvečeni prav opisu postopnega nastajanja vesolja.

Če igramo po pravilih, po katerih vesolje deluje danes - in ta pravila so fizikalni zakoni, ki jih poznamo - potem je bil postopen razvoj vesolja iz primarne snovi, ki je obstajala v trenutku velikega poka, absolutno nujen za nastanek človeka. Toda sama Zemlja in vse, kar obstaja na njej, nista neposredni produkt velikega poka. Povsem jasno nam je povedano, da je bila Zemlja na samem začetku brezoblična in prazna ali v hebrejščini gohu in bohu. Vodilni fiziki jedrskih delcev zdaj označujejo T in B (tohu in bohu) kot dve prvotni »opeki«, iz katerih je zgrajena vsa materija. Sila velikega poka je te GiB dobesedno stisnila v vodik in helij – v tistem trenutku skoraj ni nastal noben drug element. In šele alkimija kozmosa je pozneje ustvarila vse druge elemente iz teh pravodika in helija.

Zemlja in celoten sončni sistem sta zmešnjava snovi, ki nas je dosegla po neštetih ciklih superkompresije v globinah zvezd. Ta pritisk je tako močno stisnil vodik in helij, da sta se njuni jedri združili in spet ločili ter tvorili težje elemente, kot so ogljik (resnična snov življenja), železo, uran in drugih 89 elementov, ki sestavljajo vesolje. Zvezde so nato eksplodirale in svoje novonastale elemente izbruhale v vesolje, ki jih je pohlepno absorbiralo in uporabilo za ustvarjanje drugih zvezd. Rojstvo zvezd in njihova smrt sta bila potrebna, da sta vodik in helij, ki sta nastala v prvih trenutkih po velikem poku, sčasoma preoblikovala v elemente, potrebne za ustvarjanje življenja v obliki, ki jo poznamo. V svojih razlagah Svetega pisma so komentatorji, kot sta Maimonides in Rashi, pojasnili, da je Bog ustvaril in uničil številne svetove v procesu ustvarjanja življenja na Zemlji. Toda tu se ne zanašam na Maimonidesa; Zgornje informacije sem pridobil od astrofizikov Woosleyja in Phillipsa.

Torej, če imamo vse, kar moramo postoriti v šestih dneh, preden se pojavi Adam, kako lahko vse cikle nastajanja in uničenja sveta stlačimo v to časovno obdobje? Svetopisemski komentatorji, na katere se opiramo, jasno trdijo, da je prvih šest dni stvarjenja šest dni po 24 ur. To pomeni, da je nekdo, ki je spremljal čas, potem moral beležiti potek teh istih 24 ur na dan. Toda kdo bi lahko bil takrat prisoten, da bi meril potek časa? Vse do trenutka, ko se je po šestih dneh pojavil Adam, je samo Gospod Bog lahko spremljal uro. In to je bistvo.

Ko je bilo naše vesolje ustvarjeno - vse do trenutka, ko se je pojavil človek - Bog ni bil tesno povezan z Zemljo. V prvih enem ali dveh dneh šestih dni stvarjenja Zemlja sploh še ni obstajala! Čeprav Geneza 1:1 pravi, da je »V začetku Bog ustvaril nebo in zemljo«, naslednji verz pravi, da je bila Zemlja prazna in brez oblike. Prvi verz Geneze je pravzaprav zelo splošna izjava, ki pomeni, da je bila na samem začetku ustvarjena primarna snov, iz katere naj bi se v naslednjih šestih dneh oblikovala nebo in zemlja. Spodaj, v vrstici 31:17 knjige »Exodus«, je to bolj jasno povedano: »... v šestih dneh je Gospod ustvaril nebo in zemljo ...«. Iz česa sta bila v teh šestih dneh »narejena« nebo in zemlja? Iz snovi, ustvarjene »na začetku« teh šestih dni. Ker v zgodnjem vesolju ni bilo Zemlje in ker ni bilo možnosti tesne povezave ali prepletanja referenčnih sistemov, ni bilo skupnega koledarja za Boga in za Zemljo.

Zakon relativnosti nas je naučil, da niti ni mogoče, da bi Bog izbral koledar, ki bi bil pravičen za vse dele Vesolja ali vsaj za omejeno število le-teh, ki so imeli vlogo pri nastanku človeštva. Zakon relativnosti, eden od temeljnih zakonov vesolja, ki je bil vzpostavljen ob njegovem nastanku, onemogoča obstoj skupnega referenčnega okvira za Stvarnika in za vsak del te celote materije, ki se je nazadnje spremenila v človeštvo in planet. Zemlja, na kateri živi.

Vemo, da v skladu z relativnostnim zakonom v vesolju, ki se širi, ni mogoče opisati časa, ki pokriva določeno zaporedje dogodkov v enem delu vesolja tako, da bi bil enak času istih dogodkov. opazovano z drugega dela vesolja. Razlike v gibanju in gravitacijskih silah različnih galaksij ali celo zvezd v isti galaksiji spremenijo absolutni čas v čisto lokalni pojav. Na različnih delih vesolja čas teče drugače.

Sveto pismo je vodnik, ki opisuje potovanje človeštva skozi življenje in čas. Da bi človeku vcepil spoštovanje do fizičnega čudesa vesolja, ta vodnik vključuje opis procesa, ki je vodil iz praznega, brezobličnega vesolja v dom, v katerem človeštvo lahko obstaja. Toda skoraj nemogoče je izbrati en sam časovni okvir za opis tega procesa, saj preveč dejavnikov neposredno vpliva na hitrost časa. Ti dejavniki vključujejo gravitacijske sile v številnih zvezdah, v globinah katerih sta se prvotni vodik in helij spremenila v elemente življenja, in gibanje medgalaktičnega plina, ki se kondenzira v procesu gibanja v meglici, nato pa v zvezde in supernove. eksplozije, ki označujejo smrt in posledično ponovno rojstvo zvezd, ki sestavljajo Rimsko cesto in maso Zemlje. Minevanje časa je bil vidik življenja, za katerega smo pred Einsteinovim uvidom zmotno mislili, da je nespremenljiv. Nerealno je, ne, preprosto nemogoče je, da bi ista ura v vseh stoletjih merila starost vse te kozmične snovi, iz katere smo sestavljeni.

Odisejada materije od snovi velikega poka do sedanjega stanja je bila preveč zapletena, preveč raznolika, da bi potek časa v njej lahko merili z isto uro. Kdo lahko zdaj reče, koliko galaksij ali katera posebna supernova je na koncu povzročila elemente, ki sestavljajo naša fizična telesa? Ljudje in vse ostalo v sončnem sistemu, vključno s Soncem in planeti, smo delčki zvezd, ki jih že dolgo ni več. Dobesedno smo narejeni iz zvezdnega prahu. Na katere atome ogljika, dušika ali kisika se nanaša ta čas? Na svoje ali na sosedove atome? Tiste, ki so delček vaše kože, ali tiste, ki so v kapljici vaše krvi? Verjetno se je vsaka od njih začela v globinah različnih zvezd, zato ima vsaka svojo edinstveno starost. Transformacije kozmične snovi, ki so se zgodile pred nastankom Zemlje, so potekale v neštetih zvezdah, istočasno in zaporedno. Vsaka zvezda, vsaka supernova je imela svojo gravitacijo in svojo hitrost gibanja, torej svoj prostorsko-časovni referenčni okvir.

Milijarde kozmičnih ur so tiktakale (in še tiktakajo), vsaka v svojem, lokalno pravilnem tempu. Vsi so začeli tiktakati v enem trenutku - trenutku velikega poka, in vsi so hkrati dosegli časovno obdobje, ko se je pojavil Adam. Toda absolutni, lokalni čas, ki je pretekel od »začetka« do trenutka, ko je vsak od teh delcev snovi prispeval k nastanku človeštva, je bil za vsako zvezdo in za vsak delec zelo različen. Čeprav so se preobrazbe materije začele in končale istočasno, iz Einsteinove teorije izhaja, da se starost vsakega danega delca snovi zelo razlikuje od starosti drugih delcev snovi, s katerimi se je na koncu združil in oblikoval sončni sistem, in potem človeštvo. Naše razmišljanje ni nič bolj ali manj sofisticirano kot na primer detektiranje 200 mikrosekund v 4,5 mikrosekundah, ki pretečejo, medtem ko mu mezoni, nastali v zgornji atmosferi pod udarci kozmičnega sevanja, dosežejo površje Zemlje. V 4,5 mikrosekundah mine 200 mikrosekund. To dokazano dejstvo je mogoče bolje razumeti z Einsteinovim miselnim eksperimentom, v katerem znanstveniki na krovu hitre rakete in znanstveniki v stacionarnem laboratoriju zabeležijo dve različni časovni obdobji za isti dogodek. Ta situacija nima nobene zveze z izjavo pokojnega W.K. Fields, ki je povedal, da je v enem dolgem večeru cel teden živel v Filadelfiji15. Njegova izjava se nanaša na področje čustvenih občutkov; v našem primeru imamo opravka s fizičnim dejstvom. Ko govorimo o milijardi let, ne mislimo, da jih doživljamo kot milijardo let. Minila je res milijarda let! Če bi v teh istih šestih dneh obstajala ura v tistem delu vesolja, ki ga sedaj zaseda Zemlja, ne bi nujno zabeležila 15 milijard let. V zgodnjem vesolju je bila ukrivljenost prostora in časa na tem mestu verjetno povsem drugačna, kot je zdaj.

Da bi opisali dosleden razvoj vesolja, je bilo treba najti nekakšen kompromis. Kot takšen kompromis je Stvarnik za čas pred pojavom Adama izbral svoj referenčni okvir, v katerem je bilo celotno vesolje zaznano kot ena sama celota.

Stvarjenje Adama je bilo kvalitativno drugačno od vseh drugih dogodkov, ki so spremljali nastanek vesolja. Nakazal je temeljno spremembo v Božjem odnosu do vesolja. Vemo, da so vsi predmeti v vesolju, organski in anorganski, živi in ​​neživi, ​​sestavljeni iz snovi, katere izvor je mogoče izslediti nazaj do prvotnega stvarjenja. V tem smislu človeštvo ni izjema. Jasno nam je bilo pojasnjeno, da je materialni vir našega izvora »zemeljski prah«. Vsa živa bitja (Geneza 1:30), vključno z ljudmi (Genesis 2:7), so dobila živo dušo (nefeš v hebrejščini). Toda samo Adamu je bilo dano nekaj novega, edinstvenega za celotno Vesolje – živi Božji dih (Geneza 2:7).

In v tem trenutku, ko je Bog vdahnil Adamu svoj dih življenja (v hebrejščini neshamah), sta oba – Stvarnik in njegovo stvarstvo – postala neločljivo povezana drug z drugim. V tem trenutku je bila med milijardami možnih ur nepreklicno izbrana le ena, po kateri je bilo treba odslej meriti potek vseh prihodnjih dogodkov.

V žargonu relativističnih fizikov je tisti del vesolja, ki je postal življenjski prostor človeka, v trenutku pojava Adama začel delovati v istem prostorsko-časovnem referenčnem okviru kot njegov Stvarnik. Od te točke dalje sta se kronologija Svetega pisma in tok časa na Zemlji poenotila – splošno prostorsko-časovno razmerje med Bogom in človekom je bilo odslej določeno.

Rezultati te nove povezave so očitni že ob prvem pogledu na svetopisemsko besedilo. Obstaja vzporednica med datumi, na katere se Sveto pismo nanaša na dogodke, ki so se zgodili po stvarjenju Adama, in ustreznimi arheološkimi ocenami kronologije istih dogodkov. Bronasta doba svetopisemskega koledarja in bronasta doba arheologije res sovpadata. Po Svetem pismu je Hazor uničil Jozue pred 3300 leti; arheologija, kot se je izkazalo po podrobnih raziskavah, datira ta dogodek v isto obdobje. Del svetopisemskega koledarja, ki se začne z Adamovim stvarjenjem, se zdi v naših očeh precej logičen, odkritje zvitkov Mrtvega morja pa dokazuje, da Sveto pismo pravilno opisuje dogodke tisočletja, preden jih potrdijo sodobne arheološke najdbe. Če ne bi poznali relativnostnega zakona in če bi skušali dogodke, ki so se zgodili na Zemlji v času po Adamu, datirati z druge točke vesolja, bi se zdaj spraševali, zakaj se v naši percepciji pretekli čas razlikuje od zapisanega po uri na Zemlji.

V prvih šestih dneh obstoja našega vesolja je večna ura namerila 144 ur. Zdaj vemo, da to časovno obdobje ne sovpada nujno z istim časovnim obdobjem, izmerjenim v drugem delu vesolja. Kot prebivalci tega vesolja vrednotimo potek časa s pomočjo ur, ki se nahajajo v našem lokalnem referenčnem okviru; Takšne ure vključujejo radioaktivno datiranje, geološke podatke ter meritve hitrosti in razdalj v širitvenem vesolju. S temi urami človeštvo potuje skozi čas in prostor.

Ko Sveto pismo opisuje, kako se naše vesolje razvija dan za dnem v prvih šestih dneh po stvarjenju, dejansko govori o šestih dneh po 24 ur. Toda referenčni okvir, v katerem so bili izračunani ti dnevi, je vključeval celotno vesolje. Ta prvi teden Stvarjenja nikakor ni pravljica, namenjena potešitvi otroške radovednosti, da bi jo pozneje, s prihodom modrosti odraslega, zavrgli kot nepotrebne. Ravno nasprotno – vsebuje namige o dogodkih, ki jih človeštvo šele začenja razumeti.

Svetopisemski modreci že dolgo opozarjajo, da naše razumevanje dogodkov v prvih šestih dneh stvarjenja ne bo ustrezalo našemu razumevanju narave v časih po pojavu Adama. To so razumeli iz opisa sobotnega počitka v desetih zapovedih. Če primerjamo besedilo v 2. Mojzesovi 20:11 z besedilom v Zahariji 5:11 in 2. Samuelovi 21:10, vidimo, da obe besedili uporabljata isto besedo za počitek, vendar z različnimi odtenki. Iz tega, kako je beseda tam uporabljena, je mogoče sklepati, da Bog prvo soboto pravzaprav ni »počival«. Namesto tega se je Stvarnik ustavil pri svojem delu, da bi pregledal vesolje, ki je bilo ustvarjeno v prvih šestih dneh. Naše dojemanje tega preloma, po Maimonidesu, je, da bodo naravni zakoni, vključno s časom, ves čas, začenši s to prvo soboto, delovali na "normalen" način. Nasprotno pa se lahko potek dogodkov, ki so se zgodili v prvih šestih dneh, zdi nelogičen, kot da bi šlo za kršitev zakonov narave in časa. Kot lahko vidimo, se je napoved modrecev, da bomo svetopisemske in znanstvene slike zgodnjega vesolja dojemali kot nasprotujoče si, dejansko uresničila.

Prva sobota je začetek koledarja, ki se začne z Adamovim stvarjenjem. In prav ta del koledarja je tisti, ki ustreza našemu logičnemu dojemanju realnosti. Zahvaljujoč izjemnemu dejstvu relativnosti časa, Einsteinovemu zakonu relativnosti, je svetopisemski koledar pravilen na teh šest dni. Postalo je nepotrebno razlagati odkritje fosilnih najdb s tem, da jih je Stvarnik namenoma postavil tja, kjer so jih našli, da bi preizkusil našo vero v dejanje stvarjenja ali potešil našo radovednost. Hitrost radioaktivnega razpada v kamninah, meteoritih in fosilih pravilno odraža potek časa, vendar se ta potek časa meri in se še vedno meri z urami, ki se nahajajo v našem zemeljskem referenčnem okviru. Čas, ki so ga beležile te ure, je bil in je še vedno le relativno, torej samo lokalno, točen. Druge ure, ki se nahajajo v drugih referenčnih sistemih, pripisujejo dogodke na Zemlji drugačnim, a nič manj pravilnim trenutkom v času. In vedno bo tako, dokler bo Vesolje sledilo naravnim zakonom.

LITERATURA

• 1. Raši. "Komentarji k knjigi Geneze." 1:1.
• 2. Nachmanides. "Komentarji Tore". 1. Mojzesova 5:4
• 3. "Arheologija in študije stare zaveze." Ed. Thomas. (Thomas, ur., Arheologija in preučevanje stare zaveze).
• 4. Newton. "Matematični principi naravne filozofije". (Newton, Matematični principi naravne filozofije).
• 5. Einstein. "Relativnost: posebne in splošne teorije". (Einstein, Relativnost: posebne in splošne teorije).
• 6. Cohen. "Rojstvo nove fizike". (Cohen, Rojstvo nove fizike).
• 7. Pageli. "Popolna simetrija." (Pageli, popolna simetrija).
• 8. Shankland. "Michelson-Morleyjev eksperiment". (Shankland, “Eksperiment Michelson-Morley,” American Journal of Physics, 32 (1964):16).
• 9. Herman. "Izvor kvantne teorije" (1899-1913). (Hermann, Geneza kvantne teorije (1899-1913)).
• 10. Taylor in Wheeler. "Fizika prostora-časa". (Taylor in Wheeler, Spacetime Physics).
• 11. Haefele in Keating, "Around the World Atomic Clocks: Observations of Relativistic Time Shift." (Hafele in Keating, »Atomske ure okoli sveta: opazovani relativistični časovni dobički.« Znanost, 117 (1972): 168).
• 12. Woosley in Phillips, "Supernova 1987A1." (Woosley in Phillips, "Supernova 1987A!" Science, 240 (1988): 750).
• 13. Maimonides. »Mentor oklevajočih«, 1. del, pogl. 67.

Teorijo relativnosti je v začetku 20. stoletja uvedel Albert Einstein. Kaj je njeno bistvo? Oglejmo si glavne točke in opišemo TOE v jasnem jeziku.

Teorija relativnosti je praktično odpravila nedoslednosti in protislovja fizike 20. stoletja, prisilila v korenito spremembo predstave o strukturi prostora-časa in bila eksperimentalno potrjena v številnih poskusih in študijah.

Tako je TOE tvoril osnovo vseh sodobnih temeljnih fizikalnih teorij. Pravzaprav je to mati sodobne fizike!

Za začetek velja omeniti, da obstajata 2 teoriji relativnosti:

• Posebna teorija relativnosti (STR) – obravnava fizične procese v enakomerno gibajočih se objektih.
• Splošna teorija relativnosti (GTR) - opisuje pospeševanje objektov in pojasnjuje izvor pojavov, kot sta gravitacija in obstoj.

Jasno je, da se je STR pojavil prej in je v bistvu del GTR. Najprej se pogovorimo o njej.

STO z enostavnimi besedami

Teorija temelji na načelu relativnosti, po katerem so vsi naravni zakoni enaki glede na telesa, ki mirujejo in se gibljejo s konstantno hitrostjo. In iz tako na videz preproste misli sledi, da je svetlobna hitrost (300.000 m/s v vakuumu) za vsa telesa enaka.

Na primer, predstavljajte si, da ste dobili vesoljsko ladjo iz daljne prihodnosti, ki lahko leti z veliko hitrostjo. Na premcu ladje je nameščen laserski top, ki lahko izstreljuje fotone naprej.

Glede na ladjo takšni delci letijo s svetlobno hitrostjo, glede na mirujočega opazovalca pa bi se zdelo, da bi morali leteti hitreje, saj se obe hitrosti seštejeta.

Vendar se v resnici to ne zgodi! Zunanji opazovalec vidi fotone, ki potujejo s hitrostjo 300.000 m/s, kot da jim ne bi prišteli hitrosti vesoljskega plovila.

Zapomniti si morate: glede na katero koli telo bo hitrost svetlobe konstantna vrednost, ne glede na to, kako hitro se premika.

Iz tega sledijo neverjetni zaključki, kot so dilatacija časa, vzdolžna kontrakcija in odvisnost telesne teže od hitrosti. Več o najbolj zanimivih posledicah posebne teorije relativnosti si preberite v članku na spodnji povezavi.

Bistvo splošne teorije relativnosti (GR)

Da bi ga bolje razumeli, moramo znova združiti dve dejstvi:

• Živimo v štiridimenzionalnem prostoru

Prostor in čas sta manifestaciji iste entitete, imenovane »prostorsko-časovni kontinuum«. To je 4-dimenzionalni prostor-čas s koordinatnimi osemi x, y, z in t.

Ljudje ne moremo enakovredno zaznati 4 dimenzij. V bistvu vidimo le projekcije resničnega štiridimenzionalnega objekta na prostor in čas.

Zanimivo je, da relativnostna teorija ne trdi, da se telesa med premikanjem spreminjajo. 4-dimenzionalni objekti vedno ostanejo nespremenjeni, vendar se lahko z relativnim gibanjem spremenijo njihove projekcije. In to dojemamo kot upočasnitev časa, zmanjšanje velikosti itd.

• Vsa telesa padajo s konstantno hitrostjo in ne pospešujejo

Naredimo strašljiv miselni eksperiment. Predstavljajte si, da se vozite v zaprtem dvigalu in ste v breztežnostnem stanju.

Do te situacije lahko pride le iz dveh razlogov: ali ste v vesolju ali pa prosto padate skupaj s kabino pod vplivom zemeljske gravitacije.

Ne da bi pogledali iz kabine, je popolnoma nemogoče razlikovati med tema dvema primeroma. Le da v enem primeru letiš enakomerno, v drugem pa pospešeno. Ugibati boste morali!

Morda je Albert Einstein sam razmišljal o namišljenem dvigalu in se mu je porodila ena neverjetna misel: če teh dveh primerov ni mogoče razlikovati, potem je tudi padanje zaradi gravitacije enakomerno gibanje. Gibanje je preprosto enakomerno v štiridimenzionalnem prostoru-času, vendar je v prisotnosti masivnih teles (npr.) ukrivljeno in enakomerno gibanje se projicira v tridimenzionalni prostor, ki je za nas običajen v obliki pospešenega gibanje.

Poglejmo si še enostavnejši, čeprav ne povsem pravilen primer ukrivljenosti dvodimenzionalnega prostora.

Lahko si predstavljate, da vsako masivno telo ustvari nekakšen oblikovan lijak pod seboj. Potem druga telesa, ki letijo mimo, ne bodo mogla nadaljevati svojega gibanja v ravni črti in bodo spremenila svojo trajektorijo glede na zavoje ukrivljenega prostora.

Mimogrede, če telo nima veliko energije, se lahko njegovo gibanje izkaže za zaprto.

Omeniti velja, da se z vidika premikajočih se teles še naprej gibljejo v ravni liniji, saj ne čutijo ničesar, kar bi jih prisililo k obračanju. Pravkar so končali v ukrivljenem prostoru in, ne da bi se tega zavedali, imajo nelinearno pot.

Upoštevati je treba, da so 4 dimenzije upognjene, vključno s časom, zato je treba to analogijo obravnavati previdno.

Tako v splošni teoriji relativnosti gravitacija sploh ni sila, temveč le posledica ukrivljenosti prostora-časa. Trenutno je ta teorija delujoča različica izvora gravitacije in se odlično ujema z eksperimenti.

Presenetljive posledice splošne teorije relativnosti

Svetlobni žarki se lahko ukrivijo, ko letijo blizu masivnih teles. V vesolju so namreč našli oddaljene predmete, ki se »skrivajo« za drugimi, vendar se svetlobni žarki upogibajo okoli njih, zaradi česar svetloba doseže nas.

Zahvaljujoč Albertu Einsteinu lahko razumete, kje v bližini je knjižnica ali trgovina.

In končno, splošna relativnost napoveduje obstoj črnih lukenj, okoli katerih je gravitacija tako močna, da se čas preprosto ustavi v bližini. Zato svetloba, ki pade v črno luknjo, je ne more zapustiti (odbiti).

V središču črne luknje se zaradi gromozanskega gravitacijskega stiskanja oblikuje objekt z neskončno visoko gostoto, ki pa, kot kaže, ne more obstajati.

Tako lahko splošna teorija relativnosti za razliko od , vodi do zelo protislovnih zaključkov, zato je večina fizikov ni povsem sprejela in je še naprej iskala alternativo.

Marsikaj pa ji uspe uspešno napovedati, nedavno senzacionalno odkritje je na primer potrdilo teorijo relativnosti in se znova spomnilo velikega znanstvenika z izvešenim jezikom. Če imate radi znanost, preberite WikiScience.