A relativitáselmélet
Kezdőlap | Rólunk | visszacsatolás
Ennek az elméletnek a kiindulópontja a relativitás elve volt. A relativitás klasszikus elveit G. Galileo formálta: minden hivatkozási inerciális keretben a testek mozgása ugyanazon törvények szerint történik. Az inerciális rendszereket referenciakereteknek nevezzük, amelyek egymáshoz képest egyenletesen és egyenes vonalban mozognak.
A Galileo különböző szemléltető példákkal magyarázta ezt a helyzetet. Képzelj el egy utazónak egy zárt udvarban nyugodtan úszó hajót. Nem veszi észre a mozgás jeleit. Ha a legyek repülnek a kabinban, akkor nem halmozódnak fel faluk mögött, hanem biztonságosan repülnek a kötetben. Ha egyenesen a labdát dobja le, leesik lefelé, és nem esik le a hajó mögé, ne kerüljön közelebb a tatához.
A relativitás elvéből következik, hogy a pihenés és a mozgás között - ha egységes és egyenes vonalú - nincs alapvető különbség. A különbség csak nézőpontból áll.
Például egy jó utat lát a hajó kabinjában, mert az íróasztalán fekvő könyv nyugalomban van. De a tengerparton egy ember látja, hogy a hajó vitorlázik, és minden okuk feltételezi, hogy a könyv mozog, és ugyanolyan sebességgel, mint a hajó. Tehát a könyv valóban mozog vagy nyugalomban van?
Ez a kérdés nyilvánvalóan nem válaszolható egyszerűen "igen" vagy "nem". Az utazó és a parton lévő férfi közötti vita időpocsékolás lenne, ha mindegyikük csak az ő nézőpontját védte, és tagadta a partner álláspontját. Mindketten helyesek, és a pozíciók koordinálása érdekében csak fel kell ismerniük, hogy a könyv nyugodt a hajóhoz képest, és a hajóval együtt mozog a parthoz képest.
Így a "relativitás" szó a Galileo elve nevében nem bámul önmagában semmi különlegeset. Nincs más értelme, mint amilyet arra a kijelentésre bocsátunk, hogy a mozgalom vagy a béke mindig mozgás vagy pihenés egy referenciarendszert szolgáló valamivel kapcsolatban. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy nincs különbség a pihenés és az egységes mozgás között. De a pihenés és a mozgás fogalmai csak akkor válnak érthetővé, ha a referenciapont megjelent.
Ha a klasszikus relativitás elve azzal invarianciájának a mechanika törvényei minden inerciális vonatkoztatási rendszerek, a speciális relativitáselmélet, ezt az elvet terjeszteni a törvények az elektrodinamika és az általános relativitáselmélet azzal invarianciájának a természet törvényei minden referencia-keret, mind a tehetetlenségi és a nem-inerciális. A nem-örökös rendszerek referenciakeretek, amelyek lassulást vagy gyorsítást eredményeznek.
A speciális relativitáselméletnek megfelelően, amely a tér és az idő egyetlen négydimenziós tér-idő kontinuumát ötvözi, a testek tér-idő tulajdonságai függenek mozgásuk sebességétől. A térbeli méretek a mozgás irányába ütköznek, mivel a testsebesség megközelíti a 300 000 km / s sebességű fénysebességet, az időfolyamatok lelassulnak a gyorsan mozgó rendszerekben, a testtömeg emelkedik.
Mivel a mellékelt referencia keret, azaz a mozgó párhuzamosak és egyenlő távolságra a mérési rendszer, lehetetlen betartani ezeket a hatásokat, amelyek úgynevezett relativisztikus, hiszen az összes felhasznált mérések térbeli skálák és órák fog változni, ugyanúgy. A relativitás elve szerint az inerciális referenciakeretek összes folyamata ugyanúgy folytatódik. De ha a rendszer nem inerciális, akkor a relativisztikus hatások láthatók és mérhetők. Tehát, ha a képzeletbeli relativisztikus hajótípustól fotonikus rakéta utazás távoli csillagok, miután a visszatérés a Földre időt a jármű rendszer veszi lényegesen kisebb, mint a Földön, és ez a különbség annál nagyobb, minél több elkötelezett repülését és sebességét az űrhajó közelebb fénysebesség. A különbség mérhető több száz, sőt több ezer éves, aminek következtében a hajó legénysége azonnal át a közeli vagy távolabbi jövőben, megkerülve a köztes időben, mint a rakéta a személyzet kiesett a fejlődés során a világon.
Az ilyen folyamatok az idő menetét a mozgási sebesség függvényében valóban valóban rögzítik a mezonok átlagos szabad útjának mérésekor, amelyek a primer kozmikus sugárzás részecskéknek a magokkal
atomok a Földön. Mezonoknak léteznek 10 -6 - 10 -15 s (típusától függően a részecskék) és után felbukkanásának esnek szét a kis távolság a születési hely. Mindez felvehető a mérőeszközök segítségével a részecskék futópályáiban. De ha mezon sebességgel mozog közel fénysebességgel, az idő növekedése lelassul bomlási időszakban növekszik (az ezer és tízezer alkalommal), és az út hossza megnövekszik, illetve a születés és pusztulás.
Tehát a relativitás speciális elmélete a Galileo kiterjesztett relativitáselméletén alapul. Ezenkívül egy újabb pozíciót alkalmaz: a fény propagálásának sebessége (vákuumban) minden inerciális referencia keretben megegyezik.
De miért olyan fontos ez a sebesség, hogy az ezzel kapcsolatos megítélés megegyezik a relativitás elvével? Az a tény, hogy itt állunk szemben a második univerzális fizikai állandóval. A fénysebesség a természet minden sebességének legnagyobb, a fizikai interakciók korlátozó sebessége. Hosszú ideig általában végtelennek tekintették. A XIX. Században telepítették. 300 000 km / s sebességgel. Ez egy hatalmas sebesség a normálisan megfigyelt sebességekhez képest a körülöttünk lévő világban. Például, a lineáris forgási sebessége a föld az egyenlítő egyenlő 0,5 km / s, a sebessége a Föld körüli keringése a Nap forog - 30 km / s, a sebesség a nap mozgását körül galaktikus központ - mintegy 250 km / s. Mozgási sebességét az egész galaxist egy nagy csoport más galaxisok képest más ilyen csoportok - még kétszer. Együtt a Föld, a Nap és a galaxis repülünk az űrben, anélkül, hogy észrevenné, nagy sebességgel mérve több száz kilométer másodpercenként. Ez egy hatalmas sebesség, de még mindig kicsi a fénysebességhez képest.
Képzeljünk el egy kísérletet: nagy műhold kering a Föld körül, és innen, mint egy kozmodrom, egy rakétát indít - egy bolygóközi állomás a Vénuszhoz. A dobást szigorúan az orbitális kozmodrom mozgásának irányában végzik. A klasszikus mechanika törvényeiből következik, hogy a Földhöz viszonyítva a rakéta sebességének megegyezik a két sebesség összegével: a rakéta sebessége az orbitális cosmodrome-hoz viszonyítva, valamint a kozmodrome sebessége a Földhöz viszonyítva. A mozgások sebessége összegyűlik, és a rakéta meglehetősen nagy sebességet kap, ami lehetővé teszi, hogy legyőzze a Föld vonzerejét és repüljön a Vénuszra.
Egy másik kísérlet: a műholdból egy fénysugár érkezik a mozgás irányába. A műholdról, ahonnan kibocsátják, a fény a fénysebességgel terjed. Mi a fényterjedés sebessége a Földhöz képest? Ugyanaz marad. Még akkor is, ha a fény nem a műholdról származik, hanem az ellenkező irányba, akkor a fény sebessége nem változik a Föld vonatkozásában.
Ez a legfontosabb kijelentés, amely a speciális relativitáselmélet alapja. A fénymozgás alapvetően különbözik minden olyan test mozgásától, amelynek sebessége kisebb, mint a fénysebesség. Ezeknek a testeknek a sebessége mindig más sebességgel kapcsolódik össze. Ebben az értelemben a sebességek relatívak: nagyságuk perspektívából áll. És a fény sebessége nem más sebességgel adódik össze, abszolút, mindig ugyanaz, és amikor beszélünk róla, nem kell megadnunk referenciakeret.
A fénysebesség abszolút értéke nem mond ellent a relativitás elvének, és teljesen kompatibilis vele. A sebesség állandósága a természet törvénye, ezért - pontosan a relativitás elvével összhangban - minden inerciális referenciakeretre érvényes.
A fény sebessége a természet bármely testének mozgási sebességének felső határértéke, a hullámok terjedésének gyorsasága, bármilyen jel. Ez maximális - ez egy abszolút sebességi rekord. Ezért gyakran mondják, hogy a fénysebesség az információátvitel korlátozó sebessége. És a fizikai interakciók végső sebessége, sőt a világon minden elképzelhető interakció.
A fénysebesség szorosan kapcsolódik az egyidejűség problémájának megoldásához, amely szintén viszonylagosnak, azaz a nézőponttól függően. A klasszikus mechanikában, amely időt tekintett abszolútnek, az egyidejűség abszolút.
A relativitás általános elméletében felismerték a tér-idő kapcsolat anyagi folyamatok függőségének új vonatkozásait. Ez az elmélet összefoglalta a nem-euklideszi geometriák alatt lévő fizikai okokat, és összekapcsolta a tér görbületét és metrikus visszavonulását az Euklideszi-ból a testek tömegei által létrehozott gravitációs mezők hatásával. A relativitás általános elmélete az inerciális és gravitációs tömeg ekvivalenciájának elvéből indul ki, amelynek mennyiségi egyenlőségét a klasszikus fizika már régóta megalapozza. A gravitációs erők hatása során keletkező kinematikai hatások egyenértékűek a gyorsulás hatásaival. Tehát, ha a rakéta 2 g-os gyorsulást vesz fel, akkor a rakéta-legénység úgy fog érezni, mintha a Föld kétszeresének gravitációs mezőjében lenne. A tömegek egyenértékűségének elve alapján a relativitás elve általános volt, és a relativitás általános elméletében megerősítette a természet törvényeinek invarianciáját bármely referenciakeretben, mind inerciális, mind nem inerciális.
Hogyan képzelheti el a tér görbületét, amelyet a relativitás általános elmélete mond? Képzeljünk el egy nagyon vékony gumi lapot, és megfontoljuk, hogy ez a térmodell. Ezen a lapon nagy és kis golyókat helyezünk el - csillagok modellek. Ezek a golyók a gumi lapot inkább hajlítják, annál nagyobb a golyó tömege. Ez azt mutatja, hogyan függ a tér görbületét a testsúly és az is kiderül, hogy mi megszokott euklideszi geometria ebben az esetben nem érvényes (munka hiperbolikus geometria és a Riemann).
A relativitáselmélet nemcsak a tér görbületét hozta létre a gravitációs mezők hatása alatt, hanem az erős gravitációs mezők lassulása is. Még a Nap gravitációja - a kozmikus normáknak egy meglehetősen kis csillag - befolyásolja az idő áramlási sebességét, lassítja a közeledet. Ezért, ha küldünk egy rádiójelet egy pont egy utat, amely áthalad közel van a Naphoz, rádió utazás veszi ebben az esetben több időt, mint amikor a pálya a jel - az azonos távolságra lesz-nem a napot. A jel késleltetése a Nap közelében, kb. 0,0002 s.
Az általános relativitáselmélet egyik legfantasztikusabb előrejelzése az idő teljes leállítása egy nagyon erős gravitációs mezőben. Minél lassabb az idő, annál erősebb a gravitáció. Az idő lelassulása a fény gravitációs vöröseltolódásában nyilvánul meg: minél erősebb a gravitáció, annál hosszabb a hullámhossz, és csökken a frekvenciája. Bizonyos körülmények között a hullámhossz a végtelenségig hajlamos, és a frekvenciája - nullára.
A Nap által kibocsátott fénynél ez akkor történhet, ha a csillagunk hirtelen összeomlott és 3 km-es vagy annál kisebb sugarú gömbgé változott (a Nap sugara 700 000 km). Ennek a tömörítésnek köszönhetően a gravitációs erő a felszínen, ahonnan a fény emanálódik, annyira megnő, hogy a gravitációs vöröseltolódás valóban végtelen lesz.
Azonnal mondd, hogy ez soha nem fog megtörténni a Napdal. Megléte végén, 15-20 milliárd év alatt valószínűleg sok átalakulás tapasztalható, központi területe jelentősen zsugorodik, de nem annyira.
De más csillagok, amelyek tömege háromszor vagy annál több, mint a Nap tömege, életük végén, és valóban tapasztalják a legvalószínűbb gyors katasztrofális tömörítést saját gravitációjuk hatására. Ez a fekete lyuk állapotához vezet. A fekete lyuk olyan fizikai test, amely olyan erős gravitációt hoz létre, hogy a közelről kibocsátott fény piros váltása végtelenné válhat.
Fekete lyukak merülnek fel az anyag ellenőrizetlen tömörítésének eredményeképpen, saját gravitáció hatására. Annak érdekében, hogy fekete lyuk jelenjen meg, a testnek olyan sugarúnak kell lennie, amely nem haladja meg a test tömegének a nap tömegéhez viszonyított arányát 3 km-rel. Ez a kritikus sugár a test gravitációs sugara.
A fizikusok és a csillagászok meglehetősen biztosak abban, hogy fekete lyukak vannak a természetben, bár eddig nem találtak. A csillagászati kutatások nehézségei ezeknek a szokatlan tárgyaknak a természetéhez kapcsolódnak. Végül is egy végtelen vörös eltolás, amely miatt a vett fény gyakorisága eltűnik, egyszerűen láthatatlanná teszi őket. Nem ragyognak, ezért a szó teljes értelmében fekete. Csak néhány közvetett jelnél remélhetjük, hogy észreveszünk egy fekete lyukat, például egy kettős csillagrendszerben, ahol a partnere egy közönséges csillag lenne. A látható csillagok mozgás észrevételeit az általános gravitációs mező egy ilyen pár lehet megbecsülni a tömege láthatatlan csillagok, és ha ez az érték meghaladja a tömege a Nap három vagy több alkalommal, akkor lehet azt mondani, hogy találtunk egy fekete lyuk.
Most már több jól megvizsgált bináris rendszer van, amelyben a láthatatlan partner tömegét a Nap tömegének 5 vagy akár 8-szorosára becsülik. Valószínűleg ezek fekete lyukak, de a csillagászok inkább ezeket a tárgyakat jelölik fekete lyukaknak, mielőtt ezeket a becsléseket megadnák.
Gravitációs idő dilatáció mértéke és bizonyíték, amely a vöröseltolódás, nagyon közel a neutroncsillag, és közel a fekete lyuk gravitációs sugara, ez olyan nagy, hogy míg ott, mintha kővé.
Egy 3 órás tömegű tömegű fekete lyuk gravitációs mezőjébe eső test esetében az 1 millió km-től a gravitációs sugárig tartó csökkenés csak egy órát vesz igénybe. De a fekete lyuktól távol eső órák szerint a test szabad hulláma időben a végtelenségig növekedni fog. Minél közelebb van a leeső test a gravitációs sugárhoz, annál lassabb lesz a távoli megfigyelő. A távolból látott test végtelenül megközelíti a gravitációs sugarat, és soha nem jut el hozzá. Ez a késés a fekete lyuk közelében.
Az Einstein relativitáselméletében megfogalmazott tér és idő ötlete messze a leginkább következetes. De makroszkopikusak, mivel a makroszkopikus objektumok tanulmányozásának tapasztalatára, nagy távolságokra és nagy időintervallumokra támaszkodnak. Az építési elméletek mikroszkopikus jelenségek, ez a klasszikus geometrikus minta, feltételezve folytonosságát időben és térben (tér-idő kontinuum) költözött egy új területen módosítás nélkül. Nincs olyan kísérleti adat, amely ellentmond a relativitáselméletnek a mikrovilágban való alkalmazásával. De a kvantumelméletek nagyon fejlődése szükségessé teszi a fizikai tér és idő eszméinek felülvizsgálatát. Már beszéltünk a szupersztriák elméletéről, amely az elemi részecskéket harmonikus oszcillációként ábrázolja, a fizikát a geometriához kapcsolja. Ez azt jelenti, hogy mi vagyunk az új fejlődési szakaszában a tudomány, egy új szintű tudás vissza az előrejelzések Einstein 1930 „Mi jön a furcsa következtetést: most kezdjük azt hinni, hogy az elsődleges szerepet játszik a tér, az ügyet meg kell szerezni az űrből , mondjuk, a következő szakaszban. Mindig fontolóra vettük az anyagot, és a tér másodlagos. A tér, figuratív módon, most bosszút áll és "eszik" az anyag. Talán létezik egy tér kvantum, az L. alapvető hosszúság. E koncepció bevezetésével elkerülhetjük a modern kvantumelméletek sok nehézségét. Ha létezését megerősítik, akkor L lesz a harmadik (kivéve a Planck állandóját és a fényben lévõ fénysebességet) a fizika alapvetõ állandója. A tér kvantumától függően egy idő kvantum (L / c) is létezik, ami korlátozza az időintervallumok meghatározásának pontosságát.