Теория относительности для чайников — Naked Science
11 минут
Редакция
42

Теория относительности для чайников

5.0

Специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей. Сегодня мы попытаемся разобраться вместе, что это такое.

everything-you-ever-wanted-to-know-about-albert-einstein
©Wikipedia

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.  

2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных.

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты. 

Однородность пространства и времени

В Специальной теории относительности Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 

Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным. 

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее. 

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

Объединение массы и энергии

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.

©deviantART/ RowanPhoenix

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Комментарии

42 Комментариев
Oleg Gulenko
15.12.2020
-
0
+
До умовної зірки Z летіти 4 роки із швидкістю С , туди 4-ри і назад 4-ри земних роки...!Змотався туди- сюди....? Була б менша швидкість, наприклад 0,5 С летів би 16 років....? Його не було 8-м років...? З якого дива на Землі має пройти тисяча років...?
    Evgen Storm
    15.12.2020
    -
    0
    +
    В статье же русским по белому написано: "Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют." Т.е. на движение туда-обратно СТО не распространяется.
    +
      ещё комментарии
      Oleg Gulenko
      16.12.2020
      -
      0
      +
      Пошутил...
Михаил Лещ
13.08.2020
-
0
+
То что, А.Эйнштейн - обычный балбес от академической науки я не раз писал, в том числе и в комментариях к статьям Naked Science, что очень не нравилось авторам публикаций, проблема конечно не в Эйнштейне, а не в состоятельности механики Ньютона и Галилея в шарлатанстве академической науки в целом СТО и ОТО Эйнштейна - фиговый листок, для прикрытия глупости Ньютона.
Владимир Давыдов
01.04.2020
-
0
+
Вирус COVID-19 ещё пару раз мутирует и найденная терапия окажется бесполезной
Владимир Давыдов
01.04.2020
-
1
+
Да ... а если скорость света неизменна, и два объекта движутся друг относительно друга со скоростью света, то как это всё согласуется с теорией?
taras4324
09.11.2019
-
0
+
А кто нибудь видел материальные тела движущиеся со скоростью света. Ну наверное видели только уже как свет и не знали, что это материальные тела. Бред какой-то!
Алексей Маров
06.05.2019
-
1
+
Если вдуматься, то никакого прямолинейного и равномерного движения в природе не существует. Любой наблюдатель вращается вместе с поверхностью земли. Земля вращается вокруг солнца, солнце вокруг центра галактики, галактики разбегаются с возрастающим ускорением из гипотетического центра Большого взрыва. Если сложить вращение планет, с вращением солнца в галактике, то получится спираль. Получается, что известный нам вид движения в природе это вращение. Зачем изобретать гипотетическую силу (чёрную энергию) ответственную за разбегание галактик? Почему ей не может быть центростремительное ускорение видимого участка вселенной, которое превосходит силу тяготения?
Александр Максютин
15.04.2019
-
1
+
Не вдаваясь в математику, рассматривая наблюдаемые явления, как реально существующие ощутимые сущности, можно говорить об искажении пространства, которое утверждает ОТО, только в том случае – относительно чего происходит искажение. Для этого необходимо рассматривать и сравнивать пространство, как две сущности: - Геометрическая сущность, которая в логическом, в сформировавшемся в нашем сознании, представлении исказиться не может; - Физическая сущность – физический вакуум, термин, который в настоящее время внедряется в физику – это, своего рода желе, механически человеком не ощущаемое, абсолютно плотная субстанция, представляющая собой, совокупность бесконечно больших полей, имеющих в каждой точке свою напряжённость, которая изменяется в присутствии локальных источников поля: - Электромагнитного - взаимосвязанных электрического и магнитного полей; - Гравитационного, из-за лжетеории ОТО, закономерность взаимосвязи которого с электромагнитным полем не установлена до сих пор. Из-за того, что физика направлена по ложному пути, до сих пор нет определения массы, эквивалентности сил тяжести и инерции, как физических сущностей. Касаясь этого вопроса, математики начинают пудрить мозги, выкручиваться, перепрыгивая из одной системы в другую. Человеку с его пониманием, что всё имеет начало и конец, что всё можно увидеть и пощупать, трудно переключить свой сознание, что в непознанной природе всё может быть по другому. Однако, гравитационное поле, как компонент физического вакуума или просто вакуума, человек не осознанно ощущает в виде массы и силы тяжести. Силу тяжести человек научился искусственно создавать помощью центрифуги, которая называется как центробежная сила, своего рода, гравитационная аномалия на однородном фоне, скомпенсированного однородного гравитационного поля, Вселенной. Электромагнитное поле - с помощью электромагнитных приборов. Естественные и искусственно создаваемые поля являются локальными проявлениями, своего рода, аномалиями на фоне однородных бесконечно больших полей. Величина искусственных аномалий ограничивается только техническими возможностями приборов, созданных человеком: электромагниты, источники генераторов высокого напряжения, скорость вращения центрифуги. В общем случае они стремятся к бесконечности. Таким образом, масса, гравитационное и электромагнитное поля являются взаимосвязанными элементами пространства, как физической сущности - вакуума. Естественными источниками гравитационных аномалий являются скопления локальных масс во Вселенной, создающими неоднородность гравитационного поля в Пространстве, выражаясь языком физики - градиент, напряжённость поля. Отказываться от этого понятия в угоду лжетеории, заблуждение. Тормозом развития физики и создания Единой теории поля явилась лжетеория алфизика Эйнштейна. Единственное, что можно признать верным в его теории – это эквивалентность массы и энергии. ОТО не привела за сто лет к разгадке природы массы, эквивалентности сил тяжести и инерции. Это два основополагающих вопроса в физике, которая находится под колпаком ОТО, на которые нет ответа до сих пор и не будет, потому что ОТО отрицает существование эфира, как субстанции, заполняющей пространство. Хотя на основании законов Ньютона, принцип Маха однозначно определяет массу, как результат взаимодействия тела с гравитационной составляющей физического вакуума и появления силы инерции при ускоренном движении в бесконечно большом гравитационном поле, относительно полу пространств Вселенной.
    Phase Runner
    17.06.2020
    -
    0
    +
    Комментарий удален пользователям или модератором...
    Phase Runner
    17.06.2020
    -
    0
    +
    А вот это мне понравилось. Смело! И красиво, хотя и немного сумбурно. А что если дополнить принцип Маха всеобщим отталкиванием? Ведь именно это считается ключевым свойством Тёмной энергии?
13.10.2018
-
0
+
ОТО и СТО это типа приватизации и пенсионной реформы
13.10.2018
-
0
+
чел в трамвае не увидит что брошенная сумка летит вниз . так как она как и ВСЁ в мире с чем то связана . и по инерции вагон так идёт а ! сумка вот ! так . так как и малое притягиает большое и большое малое . и нет ничё мире без гравитации. кстати и вагон палетит к сумке ! а так как вагон летит вперёт то и будет сильнее тащить сумку . мелочи . а ОТО не мелочь в жизни обычной . придумал то что нет эйнштейн (нет ничё прямолетящего ) и к этому придуманному придумал прицепить явь - мир наш .
13.10.2018
-
0
+
ползёт жук по ветке и не знает что она крива . - так говорят . а разе не чуствует ? что нада наклоняться и не по а снизу ползти ? патом 2 жука идут по 2 параллельным КРИВЫМ и встречаются . эт чё ? типа ты дурак и нечево суваться в физику ?
1
2
3
3 часа назад
52 минуты
Александр Березин

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

Вчера, 15:51
5 минут
Ольга Иванова

Не потерять — в буквальном смысле. Ведь как всем известно, самки этих насекомых нередко промышляют тем, что откусывают голову (и другие части тела) самцам сразу после или даже во время спаривания. Ученые из Новой Зеландии выяснили, что мужские особи одного из видов богомолов могут применять определенную тактику для того, чтобы защититься от нападения агрессивной самки.

5 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

Говоря об атмосферном электричестве люди, как правило, подразумевают привычные грозовые либо полумифические шаровые молнии. Однако на большой высоте, над облаками, изредка наблюдаются иные разряды не до конца ясной природы. Специальное оборудование на МКС зафиксировало одно из таких явлений и приблизило ученых к пониманию так называемых ионосферных молний.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Россия подняла в небо группу из шести военно-транспортных самолетов Ан-124-100. Такие тренировки позволяют отработать переброску на большие расстояния личного состава воинских подразделений.

18 января
5 минут
Василий Парфенов

В московском аэропорту Жуковский произошло ЧП: за пределы взлетно-посадочной полосы выкатился новейший отечественный авиалайнер МС-21-300. Он проходил испытания, во время которых имитировали прерванный полет из-за отказа одного двигателя.

16 января
9 минут
Василий Парфенов

Специалисты по информационной безопасности нашли пренеприятнейшую особенность ОС Windows 10. Ее штатный драйвер файловой системы NTFS при определенных условиях реагирует крайне деструктивным образом — критически повреждает главную файловую таблицу MFT. Вызвать такое его поведение можно огромным количеством способов: от создания подготовленной веб-страницы до отправки картинок, файлов и документов жертве.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: