Теорията на относителността е съвкупност от две теории, създадени от родения в Германия физик Алберт Айнщайн. Тези теории са (1) Специалната теория на относителността, публикувана през 1905 година; и (2) Общата теория на относителността, издадена през 1915 година. Те са два от фундаменталните блокове, изграждащи модерната физика.
Теориите описват толкова сложни събития, че хората трудно разбират, как е възможно да се случат такива неща. На пример, един човек може да вижда, че две неща стават едновременно, докато за друг те стават в различно време. За един наблюдател часовник може да отброява времето различно, от колкото за друг. Двама наблюдатели могат да измерят дължината на пръчка правилно, но да получат различни резултати.
Галилеева относителност
В разработката на теориите си, Айнщайн използва принципите на относителността, разработени от италианския физик и астроном Галилео Галилей. Тези принципи сега са познати като Галилеева относителност.
Неопределено движение
Галилео представя основната идея на Галилеевата относителност в Диалога относно двете главни световни системи (1632 г.). В този труд, персонаж наречен Салаватиус описва два сценария, включващи корабна кабина. В двата случая, двама приятели са в кабината заедно с пеперуди други хвърчащи животинки, риба, плуваща в аквариум, бутилка, от която падат капки вода в друг съд и топка. Кабината е под борда, така че никой от двамата приятели не вижда навън.
В първия сценарий, кораба не се движи. Животните се движат естествено, а двамата приятели си подхвърлят топката и подскачат. Приятелите виждат, че животните летят с еднаква скорост към всички страни на кабината, рибата плува във всички посоки и капките вода падат право надолу. Когато единия приятел хвърля топката към другия, усилието за хвърлянето на топката не зависи от посоката на хвърлянето. Когато и двамата приятели скачат, усилието за скока не зависи от неговата посока.
Във втория сценарий, кораба плува с постоянна скорост. Т.е. посоката и скоростта на кораба не се променят. Всички действия от първия сценарий се повтарят: животните летят и плуват, водата капе и двамата приятели си подхвърлят топката и скачат. Движението на кораба няма никакъв ефект върху тези събития. Салватиус обяснява това така: всички обекти в кабината, включително и живите същества, споделят движението на кораба.
Понеже движението на кораба няма никакъв ефект върху събитията в кабината, никой от двамата приятели не може да прецени, дали кораба се движи или е в покой. Това е основната идея зад Галилеевата относителност.
Казано по-точно, реален кораб не би пътувал с постоянна скорост. На пример кораба ще пътува по крива, поради факта, че Земята е кръгла, включително и повърхността на водата е крива – заради вълните. Кораба също ще се движи в крива, поради въртенето на Земята около оста й и около слънцето. Обаче за периоди от по няколко секунди, скоростта и посоката на кораба могат да са почти постоянни.
Инерционни рамки
Физиците биха нарекли кабината инерционна рамка. Термина произлиза от факта, че в кабината, принципа на инерцията ще е валиден за кабината. Инерцията е съпротивлението на дадено тяло при опит за промяна на движението му. Тяло, което е в покой, се опитва да остане в покой поради инерцията. По същия начин, движещо тяло се опитва да запази движението си. На пример рибата в аквариума ще е в покой спрямо кабината. Поради инерцията, аквариума ще се опитва да остане в покой относно кабината.
Но представете си, че кораба рязко набира скорост и в следствие на това аквариума се плъзва и пада. Приятелите в кабината биха видели, че принципа на инерцията вече е неприложим в кабината. Тя вече няма да се движи с постоянна скорост и посока и следователно вече няма да е инерционна рамка. Понеже кабината ще се ускорява, тя би била ускорителна рамка.
Принципа ни инерцията е още познат като Първи закон на Нютон. Той е един от трите закона за движение, открити от английския учен Исак Нютон. До края на 19-ти век, повечето учени смятали, че всички естествени събития могат да се обяснят със законите на Нютон. Така че принципа на Нютон би бил перифразиран така: „Законите на природата са еднакви във всички инерционни рамки.” Под природни закони се подразбирало трите закона на Нютон.
Галилееви трансформации
Няколко вида изчисления от Галилеевата относителност са важна част от основата на теориите на Айнщайн. Тези изчисления са познати като Галилееви трансформации. Те показват как събитие, протичащо в една инерционна рамка, би изглеждало в друга инерционна рамка.
Галилеевите трансформации се базират на първия закон на Нютон: Всяка рамка, която се движи с постоянна скорост и посока относно инерционна рамка, също е инерционна рамка.
Представете си два реактивни самолета. Самолет А и самолет Б летят в еднаква посока. Нека самолет А да се движи с 30 км/ч по-бързо от самолет Б. Пътник в самолет А се движи с 5 км/ч в самолета по посоката на полета. Галилеевата трансформация ще ни даде скоростта на пътника относно самолет Б. Трансформацията ще е събиране: 30 км/ч 5 км/ч = 35 км/ч.
Сега си представете, че пътника се обръща в противоположна посока и върви с 5 км/ч. Галилеевата трансформация ще е изваждане: 30 км/ч – 5 км/ч = 25 км/ч.
Експеримента Майкалсън-Морли
През 1887 година, експеримент, проведен от двама американски физици показал, че има нещо грешно с Галилеевите трансформации. Физиците Алберт Майкалсън и Едуард Морли експериментирали със светлинни лъчи.
Експеримента Майкалсън-Морли е изпробване на теорията на шотландския учен Джеймс Максуел от 1864 година. Част от тази теория описва връзката между електрическите и магнитните полета. Електрическото поле е въздействието върху пространството, създадено от електрически заредена частица. Електрически заредените частици могат да се отблъскват и привличат. По същия начин, магнитно поле е въздействието върху пространството, породено от магнит или от ток. И по същия начин обекти с магнитно поле или такива, които пропускат ток се привличат или отблъскват.
Максуел е измислил уравнения, които показват, че могат да се комбинират в електромагнитно поле и да създават електромагнитни вълни. Уравненията също показват, че електромагнитните вълни се движат със скоростта на светлината. Максуел казал, че самата светлина е съставена от електромагнитни вълни – твърдение, което по-късно се оказало вярно. Той също казал, че съществуват и други видове електромагнитни вълни. Немският физик Хайнрих Херц открил такива вълни – познати като радиовълни – между 1886 и 1888 година.
Физиците си помислили, че ако светлината е изградена от вълни, то тези вълни трябва да пътуват в някаква субстанция, така както водните вълни пътуват във водата. Те нарекли тази субстанция етер и си представили, че етера изпълва пространството. Те казали, че въпреки, че етера може да излъчва вълни, той не може да се движи. Неподвижността му го прави специална инерционна рамка.
Според уравненията на Максуел, светлината се движи с определена скорост, означена с буквата с. Стойността на с е 299 792 км/с. Максуел предположил, че с е скоростта на светлината, относно етера. В такъв случай, светлината би могла да се движи по-бързо или по-бавно в инерционна рамка, вътрешна за етера.
Учените казали, че Земята също се движи в етера при въртенето й около оста й и около Слънцето. Така всяко нещо на Земята, включително и лабораторията на Майкалсън-Морли, се движела относно етера. В такъв случай скоростта на светлината относно лабораторията трябвало да е различна, когато се движи в различни посоки. С Галилеевите трансформации е било възможно да се изчисли скоростта на различните лъчи в лабораторията.
Представете си, че лабораторията се движи със 150 км/с спрямо етера. Представете си, че лъч светлина е излъчен в посока на движението. Според Галилеевите трансформации, скоростта на светлината спрямо лабораторията би трябвало да е равен на с – 150 км8/с. А сега си представете, че лъча се движи в противоположна посока. Очакваната скорост е с 150 км/с.
Майкалсън и Морли извършили експеримент за измерване на разликата в скоростта на светлината спрямо тяхната лаборатория. Въпреки че светлината се движи изключително бързо, техният експеримент показал само изключително малка разлика. Всъщност Майкалсън и Морли не открили никаква разлика. Резултата бил огромен пъзел. Физиците безуспешно се опитвали да разберат същността на светлината, без да влизат в разрез с Галилеевите трансформации и експеримента Майкалсън-Морли.
Специална теория на относителността
Айнщайн забелязал, че няма никакви доказателства за съществуването на етера. Така той премахнал етера от общата картинка. Той спори с Максуел, че скоростта на светлината трябва да е една и съща във всички инерционни рамки. В такъв случай, принципите на Галилео не са напълно верни.
За това Айнщайн представил нова теория – Специалната теория на относителността. Тя се състои от две части: (1) Няма етер и скоростта на светлината е една и съща, независимо от тяхното относително движение. (2) Природните закони са еднакви във всички рамки, където се подразбира, че законите включват и тези на Максуел.
Айнщайн базирал теорията си на тези принципи. Теорията решила пъзела на експеримента Майкалсън-Морли. Благодарения на нея бяха направени предсказания, които по-късно се оказаха верни.
Лоренцови трансформации
Специалната теория на относителността използва уравнения, познати като Лоренцови трансформации, за да опише как събития от една инерционна рамка изглеждат в друга инерционна рамка. Уравненията са именувани така в памет на холандския физик Хендрик Лоренц, който първи ги записал през 1895 година. Лоренц измисля уравненията, за да разгадае мистерията на експеримента Майкалсън-Морли.
В комплексната математика на теорията на относителността, времето и пространството не са съвсем различни неща. Вместо това учените ги наричат с едно име – времепространство. Времепространството е съвкупността от трите измерения – височина, дължина и ширина – и времето. Така времепространството е четириизмерно.
Забавяне на времето
Лоренцовите трансформации показват, че могат да се случват много странни неща. Едно от тези неща е забавяне на времето.
Представете си два космически кораба – А и Б. Корабите се движат един спрямо друг със скорост близка до с. Във всеки космически кораб има часовник. И двата часовника са точни, а хората в корабите могат да ги виждат. Странно, но хората в двата кораба ще ги четат грешно. Хората от космически кораб А ще виждат, че часовника в космически кораб Б се върти по-бавно. Хората в космически кораб Б ще виждат, че часовника в кораб А се върти по-бавно. Всъщност забавянето съществува при всички относителни скорости. Но при ежедневните скорости, дори и най-чувствителната техника не може да го установи. За това хората не знаят за забавянията, когато извършват нормалните си дейности.
Забавянето на времето е важно за изучаването на космическите лъчи – високоенергийни части, които пътуват през Вселената. Някой частици от открития космос се сблъскват с атоми от горните слоеве на атмосферата. Сблъсъците създават разнообразни частици, включително и мюони. Мюоните пътуват със скорост, близка до тази на светлината. Освен това те са радиоактивни – те се разпадат, когато се движат.
Всеки мюон може да бъде разглеждан, като собствена инерционна рамка. Учените са измерили колко бързо се разпадат мюоните спрямо времето в тяхната собствена инерционна рамка. Те се разпадат толкова бързо, че човек може да си помисли, че е невъзможно достигането им до земната повърхност. Обаче поради забавянията на времето, мюоните стигат до земната повърхност доста по-бавно спрямо земната инерционна рамка.
Лоренц-Фицджералд свиване
Друг странен ефект на Специалната теория на относителността е Лоренц-Фицджералд свиването или за по-просто Фицджералд свиване. Лоренц предположил това свиване в резултат на Лоренцовите трансформации. През 1889 година, ирландския физик Джордж Фицджералд направил подобно предположение.
Отново си представете двата космически кораба. Хората от космически кораб А ще виждат, че космически кораб Б и всички обекти в него се смаляват в посоката на движение на космически кораб Б спрямо А. Но те няма да наблюдават никаква промяна в размера на кораб Б и обектите в него, измерени от отгоре до дули или от страна до страна.
Този ефект, както и забавянето на времето, важи и обратно за хората от космически кораб Б. Те също ще виждат свиването на кораб А и обектите в него при движение относно космически кораб А. Този ефект също е на лице при всички относителни скорости.
Връзка между масата и енергията
Един от най-известните ефекти на Специалната теория на относителността е връзката между масата и енергията:
. На масата може да се гледа като количество материя в обект. Уравнението казва,че обект в покой има енергия Е,равна на неговата маса, умножена по скоростта на светлината с наквадрат. Скоростта на светлината е толкова голяма, че при преобразуванена малко количество материя се получава огромно количество енергия. Например преобразуването на 1 грам материя ще освободи 90 трилиона джаулаенергия. Този енергия е равна на енергията, освободена при взривяванена 22 000 тона тротил.
Преобразуването на маса създава енергия в Слънцето и другите звезди. То също създава топлинната енергия, по-късно използвана за получаване на електричество в атомните електроцентрали. В допълнение, преобразуването на маса в енергия е отговорно за невероятната разрушителна сила на ядрените оръжия.
Обща теория на относителността
Айнщайн създал Общата теория на относителността, за да модифицира закона на Нютон за гравитацията по такъв начин, че да е в съгласие със Специалната теория на относителността. Ключовото разминаване е в описанието на начина, по който обектите си упражняват сили по между си.
В Специалната теория на относителността, нищо не може да се движи между две точки със скорост по-голяма от тази на светлината. Този принцип важи както за лъчи светлина, така и за сили.
Представете си атома на най-простата форма на водорода. Този атом е изграден от един протон и един електрон, който обикаля около протона. Електрона притежава отрицателен електрически заряд, а протона положителен. Позицията на протона определя движението на електрона. Това се дължи на факта, че протона упражнява сила на привличане върху електрона – приложение на принципа „противоположни заряди се привличат”.
Протона упражнява сила чрез електромагнитни вълни, на които може да се гледа като лъчи светлина. Протона излъчва лъч, който бива абсорбиран от електрона. Така движението на електрона зависи от позицията на протона в момента на излъчване на този лъч.
Според закона на Нютон за гравитацията
.Закона обяснява движението на планетите. Според закона, движението на планетите зависи от позицията на Слънцето и другите планети. Всички тези обекти си взаимодействат чрез гравитационната сила.
Но Нютон казва, че силата между обектите се предава мигновено, без значение на разстоянието между тях. Това е, закона описва гравитационното взаимодействие чрез като функция на разстоянието. Това описание е в разрез със Специалната теория на относителността.
Принцип на равнозначността
За да премахне действието спрямо разстоянието, Айнщайн започнал с наблюдение, което нарича принцип на равнозначността. Според този принцип, гравитационната маса на обект е равнозначна на неговата вътрешна маса.
Гравитационната маса помага за определянето на гравитацията на обект. Масите m1 иm2 са гравитационни маси в закона на Нютон.
Вътрешната маса е мярка за инерцията на даден обект. Инерционната маса е дадена във втория закон на Нютон: F=ma, където Fе упражнената сила върху даден обект и a е ускорението на обекта.Закона е в сила на пример, когато бутате обект по пода. Ако силата ви е по-голяма от силата на триене между обекта и пода и всяка друга сила,която работи против вас, обекта ще се плъзга все по-бързо и по-бързо. Ускорението ще зависи от вашата сила и масата на обекта минус съпротивляващите се сили.
Унгарския физик Лоранд Еотвос е потвърдил принципа на равнозначността експериментално през 1889 година. Айнщайн видял, че принципа разкрива тясна връзка между начина, по който обект се движи във времепространството и гравитационната сила, която му действа. Тогава той осъзнал, че гравитацията е свързана с времепространството.
„Труден експеримент”
За да опише как Айнщайн би работил, за да елиминира действие спрямо разстояние, той предложил пример, наречен „труден експеримент”. Първо си представете асансьор, който пада свободно към повърхността на Земята. Да предположим, че човек в асансьора изпуска камък. Камъка ще пада заедно с човека, като направо ще увисне във въздуха отстрани него.
Сега си представете, че асансьора е в открития космос – толкова далечеот всички звезди и планети, че почти никаква гравитационна сила да нему действа. Човека пуска камъка и той отново увисва до него.
Айнщайн казал, че „трудния експеримент” разкрива една обща истина:когато човек пада свободно, той не може да определи, дали му действа гравитация. Така че гравитацията трябва да е характеристика на времепространството, в което пада наблюдателя.
В днешно време, принципа, който стои в основата на примера на Айнщайн е познат като феномена „безтегловност”. Астронавтите в совалката и космическата станция са толкова близо до Земята, че те изпитват 90% от гравитацията й. Но както камъка в асансьора, те падат свободно. Така чете се чувствата така, сякаш не им действа никаква гравитация.
Изкривяване на времепространството
Айнщайн превел този принцип по математически път в Общата теория наотносителността. В неговата теория, материята и енергията изкривяватвремепространството и изкривяването е гравитацията.
Айнщайн предположил, че астрономите могат да направят определенинаблюдения, за да тестват Общата теория на относителността.Най-невероятното от тях е прегъване (пречупване) на лъчи светлина отгравитацията на Слънцето. В реалния свят масата и енергията саеквивалентни и понеже светлината пренася енергия, гравитацията й влияе.Прегъването на светлина е слабо, но Айнщайн изчислил, че при слънчевозатъмнение, то може да се наблюдава. През 1919 година, британскияастроном Артър Едингтън наблюдавал прегъване на светлина и таканаправил Айнщайн световноизвестен.
Информацията от следния материал е предоставена от професор MichaelDine, преподавател по физика в Калифорнийския университет – Санта Круз.Тя е публикувана в „Книга за света“ на НАСА.
Информацията е преведена, оформена и систематизирана от Атанас Кумбаров (kumbarov@gmail.com). Авторските права за материала са собственост на Michael Dine. Авторските права за превода са собственост на Атанас Кумбаров.