Теория относительности

редактировать
две взаимосвязанные физические теории Альберта Эйнштейна

Двумерная проекция трехмерного аналогия кривизны пространства-времени, описанная в общей теории относительности

теория относительности обычно охватывает две взаимосвязанные теории Альберта Эйнштейна : специальная теория относительности и общая теория относительности. Специальная теория относительности применима ко всем физическим явлениям в отсутствие гравитации. Общая теория относительности объясняет закон всемирного тяготения и его связь с другими силами природы. Это применимо к космологической и астрофизической сферам, включая астрономию.

Теория преобразовала теоретическую физику и астрономию в течение 20 века, заменив собой 200-летняя теория механики, созданная в основном Исааком Ньютоном. Он ввел такие концепции, как пространство-время как единое целое пространства и времени, относительности одновременности, кинематики и гравитационное замедление времени и сокращение длины. В области физики теория относительности улучшила науку об элементарных частицах и их фундаментальных взаимодействиях, наряду с открытием ядерной эры. С помощью теории относительности космология и астрофизика предсказали необычные астрономические явления, такие как нейтронные звезды, черные дыры и гравитационные волны.

Содержание

  • 1 Разработка и принятие
  • 2 Специальная теория относительности
  • 3 Общая теория относительности
  • 4 Экспериментальные данные
    • 4.1 Тесты специальной теории относительности
    • 4.2 Тесты общей теории относительности
  • 5 Современные приложения
  • 6 Асимптотические симметрии
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Дополнительная литература
  • 10 Внешние ссылки

Разработка и принятие

Альберт Эйнштейн опубликовал теория специальной теории относительности в 1905 году, основанная на многих теоретических результатах и ​​эмпирических открытиях, полученных Альбертом А. Майкельсоном, Хендриком Лоренцем, Анри Пуанкаре и другие. Макс Планк, Герман Минковский и другие выполняли последующие работы.

Эйнштейн разработал общую теорию относительности между 1907 и 1915 годами, а многие другие внесли вклад после 1915 года. Окончательная форма общей теории относительности была опубликована в 1916 году.

Термин «теория» теории относительности »была основана на выражении« относительная теория »(немецкий : Relativtheorie), использованном в 1906 году Планком, который подчеркнул, как теория использует принцип относительности. В разделе обсуждения той же статьи Альфред Бухерер впервые использовал выражение «теория относительности» (немецкий : Relativitätstheorie).

К 1920-м годам, физическое сообщество поняло и приняло специальную теорию относительности. Она быстро стала важным и необходимым инструментом для теоретиков и экспериментаторов в новых областях атомной физики, ядерной физики и квантовой механики.

Для сравнения, общая теория относительности сделала не кажется столь же полезным, за исключением внесения незначительных поправок в предсказания ньютоновской теории гравитации. Казалось, что у него мало возможностей для экспериментальной проверки, так как большинство его утверждений имеют астрономический масштаб. Его математика казалась сложной и полностью понятной лишь небольшому количеству людей. Примерно в 1960 году общая теория относительности стала центральной в физике и астрономии. Новые математические методы, применимые к общей теории относительности, упростили вычисления и упростили ее концепции. Когда были открыты астрономические явления, такие как квазары (1963), 3-кельвинов микроволновое фоновое излучение (1965), пульсары ( 1967) и первых кандидатов в черные дыры (1981), теория объяснила их атрибуты, и их измерения дополнительно подтвердили теорию.

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности - это теория структуры пространства-времени. Он был представлен в статье Эйнштейна 1905 года «О электродинамике движущихся тел » (о вкладах многих других физиков см. История специальной теории относительности ). Специальная теория относительности основана на двух постулатах, которые противоречат друг другу в классической механике :

  1. Законы физики одинаковы для всех наблюдателей в любой инерциальной системе отсчета относительно одного другой (принцип относительности ).
  2. скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от их относительного движения или движения источник света.

Полученная в результате теория лучше справляется с экспериментом, чем классическая механика. Например, постулат 2 объясняет результаты эксперимента Майкельсона – Морли. Более того, в теории есть много удивительных и противоречивые последствия. Вот некоторые из них:

  • Относительность одновременности : два события, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого наблюдателя, если наблюдатели находятся в относительном движении.
  • Замедление времени : Движущиеся часы отсчитываются медленнее, чем «неподвижные» часы наблюдателя.
  • Сокращение длины : Obj Эффекты измеряются так, чтобы они укорачивались в направлении, в котором они движутся по отношению к наблюдателю.
  • Максимальная скорость конечна : Ни один физический объект, сообщение или силовая линия не может двигаться быстрее скорости света в вакууме.
    • Эффект Гравитации может перемещаться в пространстве только со скоростью света, не быстрее или мгновенно.
  • Эквивалентность массы и энергии : E = mc, энергия и масса эквивалентны и трансмутируемы.
  • Релятивистская масса, идея, используемая некоторыми исследователями.

Определяющей чертой специальной теории относительности является замена преобразований Галилея классической механики на преобразования Лоренца. (См. уравнения Максвелла из электромагнетизма ).

Общая теория относительности

Общая теория относительности - это теория гравитации, разработанная Эйнштейном в 1907–1915 годах. Развитие общей теории относительности началось с принципа эквивалентности, согласно которому состояния ускоренного движения и состояния покоя в гравитационном поле (например, при стоянии на поверхности Земли) физически идентичны. Результатом этого является то, что свободное падение - это инерционное движение : объект в свободном падении падает, потому что именно так движутся объекты, когда не действует сила. на них, а не из-за силы гравитации, как в классической механике. Это несовместимо с классической механикой и специальной теорией относительности, потому что в этих теориях движущиеся по инерции объекты не могут ускоряться относительно друг друга, а объекты в свободном падении делают это. Чтобы решить эту проблему, Эйнштейн впервые предположил, что пространство-время искривлено. В 1915 году он разработал уравнения поля Эйнштейна, которые связывают кривизну пространства-времени с массой, энергией и любым импульсом внутри него.

Некоторые из следствий общей теории относительности:

Технически общая теория относительности - это теория гравитации, определяющей чертой которой является использование уравнений поля Эйнштейна. решениями уравнений поля являются метрические тензоры, которые определяют топологию пространства-времени и то, как объекты движутся по инерции.

Экспериментальные данные

Эйнштейн заявил, что Теория относительности принадлежит к классу "теорий-принципов". Как таковая, она использует аналитический метод, что означает, что элементы этой теории основаны не на гипотезах, а на эмпирических открытиях. Таким образом, мы понимаем их общие характеристики, разрабатываем математические модели для описания того, что мы наблюдали, и аналитическими средствами выводим необходимые условия, которые должны быть выполнены. Измерение отдельных событий должно удовлетворять этим условиям и соответствовать выводам теории.

Тесты специальной теории относительности

Схема эксперимента Майкельсона – Морли

Теория относительности опровергнута теория: она делает прогнозы, которые можно проверить экспериментально. В случае специальной теории относительности к ним относятся принцип относительности, постоянство скорости света и замедление времени. Предсказания специальной теории относительности были подтверждены многочисленными проверками с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою статью в 1905 году, но три эксперимента, проведенные между 1881 и 1938 годами, сыграли решающую роль в ее проверке. Это эксперимент Майкельсона – Морли, эксперимент Кеннеди – Торндайка и эксперимент Айвса – Стилвелла. Эйнштейн вывел преобразования Лоренца из первых принципов в 1905 году, но эти три эксперимента позволяют индуцировать преобразования на основе экспериментальных данных.

Уравнения Максвелла - основа классического электромагнетизма - описывают свет как волну, движущуюся с характерной скоростью. Современная точка зрения состоит в том, что свету не нужна среда передачи, но Максвелл и его современники были убеждены, что световые волны распространяются в среде, аналогично звуку, распространяющемуся в воздухе, и ряби, распространяющейся на поверхности пруда. Эта гипотетическая среда была названа светоносным эфиром, находящимся в состоянии покоя относительно «неподвижных звезд» и через которую движется Земля. Гипотеза Френеля о частичном увлечении эфира исключила возможность измерения эффектов первого порядка (v / c), и хотя наблюдения эффектов второго порядка (v / c) были в принципе возможны, Максвелл считал их слишком малыми быть обнаруженным с помощью современных технологий.

Эксперимент Майкельсона-Морли был разработан для обнаружения эффектов второго порядка «эфирного ветра» - движения эфира относительно Земли. Для этого Майкельсон разработал прибор под названием интерферометр Майкельсона. Аппарат был более чем достаточно точным, чтобы обнаружить ожидаемые эффекты, но он получил нулевой результат, когда первый эксперимент проводился в 1881 году, а затем снова в 1887 году. Хотя неспособность обнаружить эфирный ветер была разочарованием, результаты были приняты научное сообщество. Пытаясь спасти парадигму эфира, Фитцджеральд и Лоренц независимо друг от друга создали специальную гипотезу, согласно которой длина материальных тел изменяется в соответствии с их движением в эфире. Это было источником сокращения Фитцджеральда – Лоренца, и их гипотеза не имела теоретической основы. Интерпретация нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли состоит в том, что время прохождения света туда и обратно изотропно (независимо от направления), но одного результата недостаточно, чтобы не учитывать теорию эфира. или подтвердить предсказания специальной теории относительности.

Эксперимент Кеннеди-Торндайка показан с интерференционными полосами.

Хотя эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света изотропна, он ничего не сказал о том, как величина скорости изменилась (если вообще изменилась) в разных инерциальных системах отсчета. Для этого был разработан эксперимент Кеннеди-Торндайка, который впервые был проведен в 1932 году Роем Кеннеди и Эдвардом Торндайком. Они получили нулевой результат и пришли к выводу, что «эффекта нет... если только скорость Солнечной системы в космосе не превышает примерно половину скорости Земли на ее орбите». Эта возможность была сочтена слишком случайной, чтобы дать приемлемое объяснение, поэтому из нулевого результата их эксперимента был сделан вывод, что время прохождения света туда и обратно одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Айвс –Эксперимент Стилуэлла был проведен Гербертом Айвсом и Г.Р. Stilwell впервые в 1938 году и с большей точностью в 1941 году. Он был разработан для проверки поперечного эффекта Доплера - красного смещения света от движущегося источника в направлении, перпендикулярном его скорости, что была предсказана Эйнштейном в 1905 году. Стратегия заключалась в том, чтобы сравнить наблюдаемые доплеровские сдвиги с предсказаниями классической теории и найти поправку на фактор Лоренца. Такая коррекция была обнаружена, из чего был сделан вывод, что частота движущихся атомных часов изменяется в соответствии со специальной теорией относительности.

Эти классические эксперименты повторялись много раз с повышенной точностью. Другие эксперименты включают, например, релятивистское увеличение энергии и импульса при высоких скоростях, экспериментальное испытание замедления времени и современные поиски нарушений Лоренца.

Тесты общей теории относительности

Общая теория относительности также была многократно подтверждена, классическими экспериментами были прецессия перигелия орбиты Меркурия, отклонение света от Солнца. и гравитационное красное смещение света. Другие тесты подтвердили принцип эквивалентности и перетаскивание кадра.

Современные приложения

Релятивистские эффекты не только представляют теоретический интерес, но и представляют собой важные практические инженерные проблемы. Спутниковые измерения должны учитывать релятивистские эффекты, поскольку каждый спутник движется относительно пользователя, привязанного к Земле, и, таким образом, находится в другой системе отсчета согласно теории относительности. Системы глобального позиционирования, такие как GPS, ГЛОНАСС и Galileo, должны учитывать все релятивистские эффекты, такие как последствия гравитационного поля Земли, чтобы работать с точностью. То же самое и в случае высокоточного измерения времени. Приборы, от электронных микроскопов до ускорителей частиц, не работали бы, если бы не учитывались релятивистские соображения.

Асимптотические симметрии

Пространственно-временной группой симметрии для специальной теории относительности является группа Пуанкаре, которая представляет собой десятимерную группу из трех повышений Лоренца, трех вращений и четырех пространственно-временных трансляций. Логично спросить, какие симметрии, если таковые имеются, могут применяться в общей теории относительности. Подходящим случаем может быть рассмотрение симметрии пространства-времени с точки зрения наблюдателей, находящихся далеко от всех источников гравитационного поля. Наивное ожидание асимптотически плоских симметрий пространства-времени может заключаться в простом расширении и воспроизведении симметрий плоского пространства-времени специальной теории относительности, а именно группы Пуанкаре.

В 1962 году Герман Бонди, М.Г. ван дер Бург, А.В. Мецнер и Райнер К. Сакс обратились к этой проблеме асимптотической симметрии с целью исследования поток энергии на бесконечности из-за распространяющихся гравитационных волн. Их первым шагом было принять решение о некоторых физически разумных граничных условиях, которые нужно поставить на гравитационное поле на светоподобной бесконечности, чтобы охарактеризовать то, что значит сказать, что метрика является асимптотически плоской, без каких-либо априорных предположений о природе асимптотической группы симметрии: нет даже предположения, что такая группа существует. Затем, после разработки того, что они считали наиболее разумными граничными условиями, они исследовали природу результирующих преобразований асимптотической симметрии, которые оставляют неизменной форму граничных условий, подходящих для асимптотически плоских гравитационных полей. Они обнаружили, что преобразования асимптотической симметрии действительно образуют группу, и структура этой группы не зависит от конкретного гравитационного поля, которое случайно присутствует. Это означает, что, как и ожидалось, можно отделить кинематику пространства-времени от динамики гравитационного поля, по крайней мере, на пространственной бесконечности. Озадачивающим сюрпризом в 1962 году было открытие богатой бесконечномерной группы (так называемой группы BMS) в качестве асимптотической группы симметрии вместо конечномерной группы Пуанкаре, которая является подгруппой группы BMS. Мало того, что преобразования Лоренца являются преобразованиями асимптотической симметрии, существуют также дополнительные преобразования, которые не являются преобразованиями Лоренца, но являются преобразованиями асимптотической симметрии. Фактически, они обнаружили дополнительную бесконечность генераторов преобразований, известных как супертрансляции. Отсюда следует вывод, что общая теория относительности не сводится к специальной теории относительности в случае слабых полей на больших расстояниях.

См. Также

  • значок Физический портал
  • значок Научный портал

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Теория относительности
В Викиисточнике есть оригинальные работы по теме: Относительность
Викиисточник содержит оригинальный текст, относящийся к этой статье: Относительность: Специальная и общая теория
Викиучебники Есть книга по теме: Категория: Относительность
Викиверситет имеет учебные ресурсы по общей теории относительности
Последняя правка сделана 2021-06-11 08:19:37
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте