Теория относительности

Теория относительности — это физическая теория, в которой объединены пространство и время. С ее появлением стало ясно, что классическая механика Ньютона — только часть более обширной теории, объясняющей устройство мира, и выполняется лишь для скоростей, далеких от скорости света (около 300 000 км/с), для размеров, которые значительно превышают размеры атомов и молекул, и тогда, когда скорость распространения гравитации является бесконечной.

Мемориал Альберта Эйнштейна (1879—1955) в Вашингтоне

Существуют две теории относительности — специальная и общая. Специальная теория относительности (СТО) изучает процессы, при исследовании которых можно пренебречь полями тяготения; общая теория относительности представляет собой теорию гравитации и обобщает ньютоновскую физику.

Начало специальной теории относительности — это 1905 г., когда Альберт Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн предположил, что физические процессы, в том числе скорость света, не зависят от скорости движения наблюдателя.

Кротовая кора, или червоточина, — гипотетический «туннель» в пространстве, через который можно попадать в невообразимо отдаленные области. Его существование предполагает общая теория относительности

Эйнштейн объяснил, как следует интерпретировать движения различных инерциальных систем отсчета, то есть объектов, которые движутся относительно друг друга с постоянной скоростью. При этом ни один из них не принимается как абсолютная система отсчета. Возьмем, например, два корабля. Один из них движется, другой неподвижен относительно первого. Человек в движущемся корабле направляет луч света вертикально в потолок. Для человека, который находится в неподвижном корабле, свет будет направлен по диагонали и пройдет большее расстояние, пока не отразится от потолка. Следовательно, и время для пассажиров второго корабля окажется другим. Это эффект замедления времени.

Специальная теория относительности показывает также, что масса тела увеличивается с приближением скорости его движения к скорости света. А чем больше масса, тем большее ускорение требуется придать телу, чтобы оно продолжало двигаться. Если достигается скорость света, то масса тела становится бесконечной, как и его энергия.

Отсюда Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу:

Е = mc²,

где Е—энергия, m — масса, c — скорость света.

Специальная теория относительности, объединив энергию и массу, расширила современную физику, в частности, физику элементарных частиц, и дала многое для развития науки.

Любое тело, обладающее массой, искривляет и деформирует пространство-время

Общую теорию относительности Эйнштейн предложил в 1915—1918 гг. Она развивает специальную теорию относительности и постулирует, что гравитационные эффекты обусловлены деформацией пространства-времени. Благодаря общей теории относительности оказалось возможным предсказать существование черных дыр, гравитационных волн и нейтронных звезд.

Основные принципы специальной теории относительности

1. Принцип относительности: физические процессы протекают одинаково в инерциальных системах отсчета, независимо от того, неподвижны ли системы или находятся в состоянии прямолинейного и равномерного движения относительно друг друга.
2. Принцип скорости света: скорость света в вакууме, измеренная в любой инерциальной системе отсчета, остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света.

Из второго принципа следует, что движение быстрее скорости света невозможно.

Формула специальной теории относительности, объединяющая энергию, массу и ускорение

Парадокс близнецов

Иногда парадоксом близнецов называется следующая ситуация. Существуют два брата-близнеца. Первый остается на Земле, второй улетает к далекой звезде со скоростью, близкой к скорости света. Из-за этого его часы должны сильно отстать, и он постареет меньше. Но это так и есть, и никакого парадокса на самом деле здесь нет. Настоящий парадокс в другом. Оставшийся брат двигается вместе с Землей, следовательно, часы должны отстать у него, и сильнее постареть должен космонавт. Так по-разному течет время или нет?

И где оно течет быстрее? Однако это противоречие можно разрешить. Брат-космонавт, который возвращается, должен изменить свою скорость, двигаться с ускорением. Значит, его система отсчета окажется неинерциальной.

А согласно специальной теории относительности, только инерциальные системы оказываются равноправными. Следовательно, системы космонавта и оставшегося на Земле брата неравноправны, несимметричны, и время у них будет течь по-разному, причем сильнее постареет оставшийся на Земле близнец.