Общая теория относительности Эйнштейна: четыре шага, предпринятых гением

26 Июня 2017 в 18:30, Илья Хель 15 536 просмотров 28

Революционный физик использовал свое воображение, а не сложную математику, чтобы придумать свое самое известное и элегантное уравнение. Общая теория относительности Эйнштейна известна тем, что предсказывает странные, но истинные явления, вроде замедления старения астронавтов в космосе по сравнению с людьми на Земле и изменения форм твердых объектов на высоких скоростях.

Но интересно то, что если вы возьмете копию оригинальной статьи Эйнштейна об относительности 1905 года, ее будет довольно просто разобрать. Текст прост и понятен, а уравнения в основном алгебраические — их сможет разобрать любой старшеклассник.

Все потому, что сложная математика никогда не была коньком Эйнштейна. Он любил думать образно, проводить эксперименты в своем воображении и осмыслять их до тех пор, пока физические идеи и принципы не станут видны кристально ясно.

Вот с чего начались мысленные эксперименты Эйнштейна, когда ему было всего 16 лет, и как они в конечном итоге привели его к самому революционному уравнению в современной физике.

1895 год: бег рядом с лучом света

К этому моменту жизни Эйнштейна его плохо скрываемое презрение к немецким корням, авторитарным методам обучения в Германии уже сыграло свою роль, и его выгнали из средней школы, поэтому он переехал в Цюрих в надежде на поступление в Швейцарский федеральный технологический институт (ETH).

Но сперва Эйнштейн решил провести год подготовки в школе в соседнем городе Аарау. В этом месте он вскоре обнаружил, что интересуется тем, каково это — бежать рядом с лучом света.

Эйнштейн уже узнал в физическом классе, что такое луч света: множество колеблющихся электрических и магнитных полей, движущихся на скорости 300 000 километров в секунду, измеренной скорости света. Если он бежал бы рядом с такой же скоростью, осознал Эйнштейн, он мог бы увидеть множество колеблющихся электрических и магнитных полей рядом с ним, словно застывшие в пространстве.

Но это было невозможно. Во-первых, стационарные поля нарушали бы уравнения Максвелла, математические законы, в которых было заложено все, что физики знали об электричестве, магнетизме и свете. Эти законы были (и остаются) довольно строгими: любые волны в этих полях должны двигаться со скоростью света и не могут стоять на месте, без исключений.

Хуже того, стационарные поля не вязались с принципом относительности, который был известен физикам со времен Галилея и Ньютона в 17 веке. По сути, принцип относительности говорит, что законы физики не могут зависеть от того, как быстро вы движетесь: вы можете измерить лишь скорость одного объекта относительно другого.

Но когда Эйнштейн применил этот принцип к своему мысленному эксперименту, возникло противоречие: относительность диктовала, что все, что он мог увидеть, двигаясь рядом с лучом света, включая стационарные поля, должно быть чем-то приземленным, что физики могут создать в лаборатории. Но такого никто никогда не наблюдал.

Эта проблема будет волновать Эйнштейна еще 10 лет, на протяжении всего его пути обучения и работы в ETH и движения к столице Швейцарии Берну, где он станет экзаменатором в швейцарском патентном бюро. Именно там он разрешит парадокс раз и навсегда.

1904 год: измерение света с движущегося поезда

Это было непросто. Эйнштейн пробовал любое решение, которое приходило ему в голову, но ничего не работало. Почти отчаявшись, он начал раздумывать, но простым, однако радикальным решением. Возможно, уравнения Максвелла работают для всего, подумал он, но скорость света всегда была постоянной.

Другими словами, когда вы видите пролетающий пучок света, не имеет значения, будет ли его источник двигаться к вам, от вас, в сторону или еще куда-нибудь, и не имеет значения, насколько быстро движется его источник. Скорость света, которую вы измерите, всегда будет 300 000 километров в секунду. Помимо всего прочего, это означало, что Эйнштейн никогда не увидит стационарных колеблющихся полей, поскольку никогда не сможет поймать луч света.

Это был единственный способ, который увидел Эйнштейн, чтобы примирить уравнения Максвелла с принципом относительности. На первый взгляд, впрочем, это решение имело собственный роковой недостаток. Позже он объяснил его другим мысленным экспериментом: представьте себе луч, который запускается вдоль железнодорожной насыпи, в то время как поезд проходит мимо в том же направлении со скоростью, скажем, 3000 километров в секунду.

Некто стоящий возле насыпи должен будет измерить скорость светового луча и получить стандартное число в 300 000 километров в секунду. Но кто-то на поезде будет видеть свет, движущийся со скоростью 297 000 километров в секунду. Если скорость света непостоянна, уравнение Максвелла внутри вагона должно выглядеть иначе, заключил Эйнштейн, и тогда принцип относительности будет нарушен.

Это кажущееся противоречие заставило Эйнштейна задуматься почти на год. Но затем, в одно прекрасное утро в мае 1905 года, он шел на работу со своим лучшим другом Мишелем Бессо, инженером, которого он знал со студенческих лет в Цюрихе. Двое мужчин говорили о дилемме Эйнштейна, как и всегда. И вдруг Эйнштейн увидел решение. Он работал над ним всю ночь, и когда следующим утром они встретились, Эйнштейн сказал Бессо: «Спасибо. Я полностью решил проблему».

Май 1905 года: молния бьет в движущийся поезд

Откровение Эйнштейна состояло в том, что наблюдатели в относительном движении воспринимают время по-разному: вполне возможно, что два события будут происходить одновременно с точки зрения одного наблюдателя, но в разное время с точки зрения другого. И оба наблюдателя будут правы.

Позднее Эйнштейн проиллюстрировал свою точку зрения другим мысленным экспериментом. Представьте, что рядом с железной дорогой снова стоит наблюдатель и мимо него проносится поезд. В тот момент, когда центральная точка поезда проходит мимо наблюдателя, в каждый конец поезда бьет молния. Поскольку молнии бьют на одном расстоянии от наблюдателя, их свет попадает в его глаза одновременно. Справедливо будет сказать, что молнии бьют одновременно.

Между тем ровно в центре поезда сидит другой наблюдатель. С его точки зрения свет от двух ударов молний проходит одинаковое расстояние и скорость света будет одинаковой в любом направлении. Но поскольку поезд движется, свет, приходящий от задней молнии, должен пройти большее расстояние, поэтому попадает к наблюдателю несколькими мгновениями позже, чем свет из начала. Поскольку импульсы света приходят в разное время, можно заключить, что удары молнии не одновременны — один происходит быстрее.

Эйнштейн понял, что относительна как раз эта одновременность. И как только вы это признаете, странные эффекты, которые мы сейчас связываем с относительностью, разрешаются при помощи простой алгебры.

Эйнштейн лихорадочно записал свои мысли и отправил свою работу для публикации. Названием стало «Об электродинамике движущихся тел», и в нем отразилась попытка Эйнштейна увязать уравнения Максвелла с принципом относительности. Бессо была вынесена отдельная благодарность.

Сентябрь 1905 года: масса и энергия

Эта первая работа, впрочем, не стала последней. Эйнштейн был одержим относительностью до лета 1905 года, а в сентябре отправил вторую статью для публикации, уже вдогонку, задним числом.

Она была основана еще на одном мысленном эксперименте. Представьте объект в состоянии покоя, говорил он. Теперь представьте, что тот одновременно испускает два идентичных импульса света в противоположных направлениях. Объект будет оставаться на месте, но поскольку каждый импульс уносит определенное количество энергии, заключенная в объекте энергия будет уменьшаться.

Теперь, писал Эйнштейн, как будет выглядеть этот процесс для движущегося наблюдателя? С его точки зрения, объект просто будет продолжать двигаться по прямой линии, в то время как два импульса будут улетать. Но даже если скорость двух импульсов будет оставаться прежней — скоростью света — их энергии будут разными. Импульс, который движется вперед по направлению движения, будет иметь более высокую энергию, чем тот, что движется в обратном направлении.

Добавив немного алгебры, Эйнштейн показал, что для того, чтобы все это было последовательным, объект должен не только терять энергию при отправке световых импульсов, но и массу. Или же масса и энергия должны быть взаимозаменяемы. Эйнштейн записал уравнение, которое их связывает. И оно стало самым знаменитым уравнением в истории науки: E = mc2.

Общая теория относительности Эйнштейна: четыре шага, предпринятых гением

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

28 комментариев

  1. kollapups

    Поправка: 300 000 м/с (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • deaddreams

      чушь. 300 тыс км в сек. или 300 млн метров в секунду.

    • DimRex

      Или же масса и энергия должны быть взаимозаменяемы. Эйнштейн записал уравнение, которое их связывает. И оно стало самым знаменитым уравнением в истории науки: E = mc2.
      Вы так и не поняли Главного в Этом Перпетуум Мобиле доказательстве .
      E = mc2.
      Суть то в чем !.
      Кучи Работ ..о том что не может Работать Вечный Двигатель ....
      КАКОЙ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ?????
      не может Работать Вечный Двигатель основанный На физика Структура .
      Почему???
      Это Надо Знать физику Кравченко ..А Она по сложнее Энштейна физики .
      Потому что у Энштейна = физика =Это Тело Без ГОЛОВЫ!
      То есть НЕТ ..система Отсчета =Начало Отсчета .
      Энергию .и массу ..Он взаимозаменяет ....
      Это вид Обычного Научного =софизма ..основанный на определение события на ГОМОПОЛЕ .. Это что то сродни . ГОМИКОВ в Европе .
      То есть ..вместо Научной физика =на гетеро основе ..на Разности .. Строится модель .. СОФИЗМА ..=КУРКА -ЯЙКО с оператором от ЗАБОРА до ОБЕДА .
      Почему ТАК??? потому что Масса ..Это физика с культурного Поля -ЭВКЛИДА -НЬЮТОНА ..а перед ним Этим Полем =ИЛИ =РОВНО . еще Два Поля Высшего Порядка .. Которых Энштейн заставлял Кривляться ..от Оператора =От Забора до Обеда !.
      То есть . Пытался =Рациональным проявлять =Иррациональное ..
      Объятым обнимать Необъятное!
      Так Что сначала ..нужно Понимать не Энштейна с его ВКС = видио кинематическими симуляторами Образа от Голливуда ..А понимать физику Систем отсчета =Начало Отсчета ..Обычное ==Баба +Мужик = ДЫРКА +ПАЛКА = ИНЬ +ЯНЪ.. имеет Большую научную основу чем .Эта Эквилибристика Софиста с его "Помидорами- Судьбы" =E = mc2.

  2. DenisRaza

    Предпоследний абзац непонятен.

  3. kirfoton

    Постоянство скорости света сначала пытались объяснить также, как и постоянство скорости звука . Звук и снаружи движущегося поезда и внутри его имеет одинаковую скорость - около 330 м /с. И не удивительно, ведь звук движется в воздухе, а воздух внутри вагонов движется вместе с вагоном. Поэтому сначала подозревали, что и свет движется в среде особой - эфире . Но последующие опыты с интерферометром Майкельсона опровергли (вроде как) эту гипотезу, оказалось , что нету никакого эфира . Вот так и появилась эта странная теория относительности, появилась , потому что надо было объяснить постоянство скорости света без эфира. А также проводились опыты с примитивными ускорителями их назвали трубки Крукса если не ошибаюсь, оказалось что электрон имеет разную массу в зависимости от направления движения. Это вторая причина появления теории относительности. Хотя , в литературе я как то прочитал, что была гипотеза, что эфир всё таки есть, просто он (эфир) увлекается движущимся телом , но эта гипотеза почему - то проиграла ...

  4. kirfoton

    И ещё по теме . Мне вот интересно, почему в знаменитой формуле E = mc2 скорость света в квадрате, а не в кубе например ? И случайно ли то, что формула кинетической энергии так похожа, вот она E = mv2 / 2. Как видите, формула кинетической энергии отличается от формулы энергии покоя Эйнштейна всего лишь двойкой в знаменателе.

    • mr Vanya

      Из соображения соразмерности
      1 Дж = 1 Н·м=1 кг·м²/с²

      Иначе формула бы выглядела E = mc3/(Lt)
      - L длина; t - время

    • vi-rus

      лол, ваша формула кинетической энергии подходит лишь для классической механики, при световых же скоростях она записывается иначе и считается как разность между кинетической энергией движущегося тела и кинетической энергией тела, находящегося в состоянии покоя. Но если скорость тела во много меньше c, то формула переходит в привычную E=(1/2)mv^2

    • macss

      А вы слыхали про скорость света в квадрате? То то и оно!
      Просто произошла подмена v на c и получилась абракадабра.
      Вот и в этой статье упорно пытаются о.....ать/извратить теорию Гения!
      Для чего? Дабы оставить вас под влиянием Единственной и Неповторимой
      теории Большого Взрыва(которого никогда не было)!

  5. RiotMakeR

    Теория построенная на предположении "Представьте себе, что ..." всегда будет оставаться лишь предположением.

    Когда кто то сможет (теоретически) пробежать рядом с лучом света, то этот кто то перейдет в другое агрегатное состояние и мы уже никогда не узнаем что он там видел перед своим фазовым переходом.

    В физике, в отличии от математики и фантазии, есть вполне реальные и определенные физические ограничения.

  6. botan

    Обьясните шаровую молнию. Что в нутри? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • mr Vanya

      О природе шаровой молнии.
      Капица П. Л. ДАН СССР 1955. Том 101, № 2, стр. 245-248.
      http://ikar.udm.ru/sb/sb1-1.htm

      • botan

        Логическое обьяснение. Вкратце :-) между небом и землёй восновном на уровне океана (в нишах) где большое скопление разряженого воздуха. Молния проходя через разряженое место тормозит и накапливается образуя вакуумный шар. Горит только то что соприкасается с ним - пыль... От смеси пыли в воздухе разный оттенок свечения. Так как вес мал дизбаланс может возникнуть от всего плотного вплоть до звука. Если звук не выше расстояния от земли по плоскости. При прикосновении с плотной материей может лопнуть или перейти как мыльный пузырь. Хлопок происходит в момент как с надувным шариком только реакция как у микро водородной или атомной (это так описывают в сравнении разные источники).
        Просчитать какой может быть в объёме можно по логическому соображению из статьи выше.
        Охрть.... что будет творится на марсе в очень разряженых местах при дождике с гразой)))) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. Editor54

    Хорошая статья о гениальном ученом. Спасибо.

  8. nomad62

    Спасибо

  9. Gidan

    "Если он бежал бы рядом с такой же скоростью, осознал Эйнштейн, он мог бы увидеть множество колеблющихся электрических и магнитных полей рядом с ним, словно застывшие в пространстве. Но это было невозможно" ??????

    Почему? Серфингисты постоянно катаются с "застывших" волн и ничего при этом кроме удовольствия не получают. Зачем двойные стандарты? Волна - она и в космосе тоже волна...

    Если бы поезд двигался со скоростью 3000 км/сек, то пассажиры наблюдали бы красное смещение...

    • RiotMakeR

      потому что скорости разные ... одно дело серфингист скользит по волне ... а другое дело передвижение на скорости света ... на скорости света ваше хрупкое тельце перейдет в иное агрегатное состояние ... т.е. не переживет фазовый переход в высоко-ионизированный газ ... физические ограничения, знаете ли

      • Gidan

        Когда появились первые машины и поезда многие всерьёз считали, что на таких больших скоростях есть риск умереть - ничего, выжили даже летая на ракетах ...))))

        • RiotMakeR

          вы опять же НЕ УЧИТЫВАЕТЕ физические ограничения, а витаете в фантазиях ... дело в том, что элементарные частицы из которых вы состоите НЕ МОГУТ двигаться со скоростями, выше скорости света ... таки образом если все ваше тело будет двигаться на скорости света, то элементарные частицы из которых вы состоите, вынуждены будут по закону сохранения энерии и импульса понижать свою собственную скорость по отношении друг к другу, и как следствие нарушатся меж-атомные и молекулярные связи ... ваше тело при этом целиком будет двигаться на скорости света, но так как меж-атомные и молекулярные связи распадутся, то ваше тело перейдет в другое агрегатное состояние - высокоионизированный газ ... а если вы как человек перешли в состояние высокоионизированного газа, то вы физически не будете в состоянии воспринимать что либо своими органами чувств ... вы же распались ... вот почему, когда вам говорят аргументируя какую либо якобы научную теорию "представьте себе, что ... и т.д." эта теория никогда не перестанет быть всего лишь теорией в вашем воображении

          так что чтобы опровергнуть данное мое утверждение, вам прийдется доказать, что частицы могут передвигаться со сверхсветовыми скоростями ... удачи вам в этом, юный друг

          • Gidan

            Считается, что вселенная расширяется и самые дальние галактики убегают от нас на скорости выше световой, а так как всё в этом мире относbтельно, то это мы по отношению к ним мчимся в космосе со сверхсветовой скоростью и пока до сих пор не умерли...)))

            • summertash

              мы на поверхности округлого раздуваемог мыльного пузыря в приближении плоском связанной материи гравитационными полями характерного все что устремляется со скоростью света
              то что от нас тормозит оно наверно сжимается
              а те что нас обогнали то им точно пипец. они поменяют агрегатне свое состояние и им пипец, они смеются наднами но им точно кранты

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.