Что такое относительность?

[Carder]

Условия внутри ускоряющегося поезда многое говорят об относительности.

Относительность подобна рожку мороженого с тройной ложкой; большинство из нас просто не могут проглотить его одним укусом, не испытывая серьезного замораживания мозга. Так что давайте займемся этой темой по одной совке за раз. Мы начнем с более чем четырехвековой версии теории относительности: теории относительности Галилея.

Да, эта мерная ложка космического мороженого создана знаменитым итальянским астрономом Галилео Галилеем, и она состоит из следующего: любые два наблюдателя, движущиеся с постоянной скоростью и направлением, получат одинаковые результаты для всех механических экспериментов.

Допустим, рассматриваемый эксперимент не более сложен, чем бросать мяч для пинг-понга под проход поезда. Пока скорость и направление постоянны, мяч для пинг-понга будет вести себя точно так же, идет ли поезд со скоростью улитки или несется по рельсам. Пока поезд не дергается из-за изменения скорости или направления движения, внутри вагона нет абсолютно никакой разницы.

Однако за пределами ускоряющегося поезда это другая история (или система отсчета).

Человеку, сидящему на борту мчащегося поезда - допустим, он едет со скоростью 100 миль в час (161 километр в час) - кажется, что мяч движется с обычной скоростью. Человеку, стоящему у рельсов, казалось, что мяч (если он или она его видит) движется со скоростью поезда, плюс скорость, с которой он был брошен.

Как быстро этот мяч действительно летит? Допустим, вы бросили его со скоростью всего 5 миль в час (8 километров в час). Если мы добавим к нему скорость поезда, мы получим общую скорость 105 миль в час (169 километров в час) - вычисление, известное как преобразование Галилея. На борту поезда это не будет похоже на 105 миль в час, если он подпрыгнет и ударит вас в грудь. Однако относительно внешней среды это скорость, с которой он будет двигаться.

Вот где возникает сложность: что, если бы вы осветили фонариком проход поезда? Могут ли световые волны распространяться на 100 миль в час быстрее скорости света? Но это не так, по мнению физиков Альберта А. Майкельсона и Эдварда Морли. В 1879 году два американца провели революционный эксперимент по измерению скорости света. Оказывается, свет движется с постоянной скоростью 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду). Он никак не может двигаться быстрее, что нарушает концепцию относительности Галилея.

К счастью, Альберт Эйнштейн вмешался, чтобы исправить ситуацию в 1920 году со своей специальной теорией относительности.

Специальная теория относительности и общая теория относительности​

Общая теория относительности лучше позволяет нам изучать далекие звезды.

Давайте добавим вторую ложку на конус теории относительности - прекрасный вкус Шварцвальда, любезно предоставленный физиком немецкого происхождения Альбертом Эйнштейном. Как мы только что упомянули, теория относительности Галилея, даже после того, как в нее были внесены некоторые изменения из ньютоновской физики, была нарушена. Ученые выяснили, что свет движется с постоянной скоростью даже на мчащемся поезде.

Поэтому Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, которая сводится к следующему: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, а скорость света одинакова для всех наблюдателей. Будь вы в сломанном школьном автобусе, в скором поезде или на каком-то футуристическом ракетном корабле, свет движется с одинаковой скоростью, а законы физики остаются неизменными. Если предположить, что скорость и направление постоянны и не было окна, через которое можно было бы смотреть, вы не сможете сказать, на каком из этих трех судов вы летели.
Но разветвления специальной теории относительности влияют на все. По сути, теория предполагала, что расстояние и время не абсолютны.

Теперь пришло время для третьей шариковой ложки мороженого, и Эйнштейн еще раз сильно помог ему. Назовем это немецким шоколадом. В 1915 году Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, чтобы включить гравитацию в релятивистский взгляд на Вселенную.

Ключевой концепцией, которую следует запомнить, является принцип эквивалентности, который гласит, что гравитационное притяжение в одном направлении эквивалентно ускорению в другом. Вот почему ускоряющийся лифт дает ощущение увеличения силы тяжести при подъеме и уменьшение силы тяжести при спуске. Если гравитация эквивалентна ускорению, это означает, что гравитация (как и движение) влияет на измерения времени и пространства.

Это означало бы, что достаточно массивный объект, такой как звезда, искривляет время и пространство под действием своей гравитации. Итак, теория Эйнштейна изменила определение гравитации с силы на искривление пространства-времени. Ученые наблюдали гравитационное искажение как времени, так и пространства, чтобы подтвердить это определение.
Вот как: мы знаем, что время на орбите течет быстрее, чем на Земле, потому что мы сравнили часы на Земле с часами на орбитальных спутниках, находящихся дальше от массы планеты. Ученые называют это явление гравитационным замедлением времени. Точно так же ученые наблюдали прямые лучи света, изгибающиеся вокруг массивных звезд в результате того, что мы называем гравитационным линзированием.

Итак, что для нас делает теория относительности? Это дает нам космологическую основу для расшифровки Вселенной. Это позволяет нам понять небесную механику, предсказать существование черных дыр и нанести на карту отдаленные уголки нашей Вселенной.