Говори се, че епифенията дошла при Алберт Айнщайн в един миг. Ученият уж карал трамвай в Берн (Швейцария), погледнал часовника на улицата и изведнъж разбрал, че ако трамвайът сега се ускори до скоростта на светлината, тогава според него този часовник ще спре - и няма да има време наоколо. Това го накара да формулира един от централните постулати на относителността - че различните наблюдатели възприемат реалността по различен начин, включително такива основни величини като разстояние и време.
Научно казано, в този ден Айнщайн осъзнал, че описанието на всяко физическо събитие или явление зависи от референтната рамка, в която се намира наблюдателят (виж ефекта на Кориолис). Ако пътник в трамвай, например, пусне очила, тогава за нея те ще паднат вертикално надолу, а за пешеходец, който стои на улицата, очилата ще паднат в парабола, тъй като трамвайът се движи, докато очилата падат. Всяка от тях има собствена референтна рамка.
Но въпреки че описанията на събитията се променят по време на прехода от една референтна рамка към друга, има и универсални неща, които остават непроменени. Ако вместо да опишем падането на очилата, си зададем въпрос за природния закон, който ги кара да паднат, тогава отговорът на него ще бъде един и същ за наблюдател във фиксирана координатна система и за наблюдател в движеща се координатна система. Законът за разпределения трафик е еднакво валиден на улицата и в трамвая. С други думи, докато описанието на събитията зависи от наблюдателя, законите на природата не зависят от него, тоест, както казват на научен език, те са инвариантни. Това е принципът на относителността.
Както всяка хипотеза, принципът на относителността трябваше да бъде тестван чрез съпоставяне с реални природни явления. От принципа на относителността Айнщайн извежда две отделни (макар и свързани) теории. Специалната теория на относителността изхожда от предположението, че природните закони са еднакви за всички референтни рамки, движещи се с постоянна скорост. Общата теория на относителността разширява този принцип върху всяка контролна рамка, включително тази, която се движи с ускорение. Специалната теория на относителността е публикувана през 1905 г., а по-сложната от гледна точка на математическия апарат, общата теория на относителността е завършена от Айнщайн до 1916 г.
Специална теория на относителността
Повечето от парадоксалните и противоречиви интуитивни идеи за света на ефектите, които възникват при движение със скорост, близка до скоростта на светлината, са предвидени от специалната теория на относителността. Най-известният от тях е ефектът от забавянето на часовника или ефектът от забавянето на времето. Часовник, който се движи спрямо наблюдателя, върви по-бавно за него, отколкото точно същия часовник в ръцете му.
Времето в координатна система, движеща се със скорости, близки до скоростта на светлината, се разтяга спрямо наблюдателя, докато пространствената степен (дължина) на обектите по оста на посоката на движение, напротив, се компресира. Този ефект, известен като свиването на Лоренц-Фицджералд, е описан през 1889 г. от ирландския физик Джордж Фицджералд (1851-1901) и завършен през 1892 г. от холандеца Хендрик Лоренц (1853-1928). Съкращението Лоренц-Фицджералд обяснява защо експериментът на Микелсън-Морли за определяне на скоростта на движението на Земята в космическото пространство чрез измерване на "етерния вятър" даде отрицателен резултат. По-късно Айнщайн включи тези уравнения в специална относителност и ги допълни с подобна формула за преобразуване на масата, т.е.според която масата на тялото също се увеличава с наближаването на скоростта на тялото към скоростта на светлината. Така при скорост от 260 000 км / с (87% от скоростта на светлината) масата на обект от гледна точка на наблюдател в референтната рамка за почивка ще се удвои.
Промоционално видео:
От времето на Айнщайн всички тези прогнози, колкото и противни на здравия разум да изглеждат, намират пълно и пряко експериментално потвърждение. В един от най-разкриващите експерименти учени от Мичиганския университет поставиха ултра прецизен атомен часовник на борда на самолет, който извършваше редовни трансатлантически полети и след всеки полет обратно до домашното летище те проверяваха показанията си спрямо контролния часовник. Оказа се, че часовникът в самолета постепенно изостава от контролните все повече и повече (така да се каже, когато става дума за части от секундата). През изминалия половин век учените изследват елементарни частици в огромни хардуерни комплекси, наречени ускорители. В тях лъчите на заредени субатомни частици (като протони и електрони) се ускоряват до скорости, близки до скоростта на светлината, т.е.след това те се стрелят по различни ядрени цели. При такива експерименти върху ускорители е необходимо да се вземе предвид увеличението на масата на ускорените частици - в противен случай резултатите от експеримента просто няма да се поддадат на разумна интерпретация. И в този смисъл специалната теория на относителността отдавна е преминала от категорията на хипотетичните теории в областта на инструментите на приложното инженерство, където се използва наравно със законите на механиката на Нютон.
Връщайки се към законите на Нютон, бих искал да подчертая, че специалната теория на относителността, въпреки че външно противоречи на законите на класическата Нютонова механика, всъщност практически точно възпроизвежда всички обичайни уравнения на законите на Нютон, ако се прилага за описване на тела, движещи се със скорост значително по-малка от скоростта на светлината. Тоест, специалната теория на относителността не отменя нютоновата физика, но я разширява и допълва (тази идея е разгледана по-подробно във Въвеждането).
Принципът на относителността също помага да се разбере защо скоростта на светлината, а не която и да е друга, играе толкова важна роля в този модел на структурата на света - този въпрос се задава от много от тези, които за първи път се сблъскват с теорията на относителността. Скоростта на светлината се откроява и играе специална роля като универсална константа, тъй като се определя от природонаучния закон (виж уравненията на Максуел). По силата на принципа на относителност скоростта на светлината във вакуум, с, е еднаква във всяка референтна рамка. Това, изглежда, противоречи на здравия разум, тъй като се оказва, че светлината от движещ се източник (независимо колко бързо се движи) и от неподвижен източник достига до наблюдателя едновременно. Това обаче е така.
Поради специалната си роля в природните закони, скоростта на светлината е централна за общата относителност.
Обща теория на относителността
Общата теория на относителността вече се прилага за всички референтни рамки (и не само за онези, които се движат с постоянна скорост една спрямо друга) и изглежда математически много по-сложна от специалната (което обяснява единадесетгодишната разлика между публикуването им). Включва като специален случай специалната теория на относителността (и следователно законите на Нютон). Освен това общата теория на относителността отива много по-далеч от всичките й предшественици. По-специално, тя предоставя нова интерпретация на гравитацията.
Общата относителност прави света четириизмерен: времето се прибавя към трите пространствени измерения. И четирите измерения са неразделни, затова вече не говорим за пространственото разстояние между два обекта, какъвто е случаят в триизмерния свят, а за интервалите между време и пространство между събития, обединяващи разстоянието едно от друго - както във времето, така и в пространството … Тоест, пространството и времето се разглеждат като четириизмерен пространствено-времеви континуум или, просто, пространство-време. В този континуум наблюдатели, движещи се един спрямо друг, могат дори да не са съгласни дали две събития са се случили едновременно - или едно е предшествало другото. За щастие на бедните ни умове въпросът не стига до нарушаване на причинно-следствените връзки - тоест съществуването на координатни системи, т.е.в които две събития не се случват едновременно и в различна последователност, дори общата теория на относителността не позволява.
Законът на гравитацията на Нютон ни казва, че има сила на взаимно привличане между всякакви две тела във Вселената. От тази гледна точка Земята се върти около Слънцето, тъй като силите на взаимно привличане действат помежду им. Общата относителност обаче ни принуждава да гледаме на това явление по различен начин. Според тази теория гравитацията е следствие от деформацията („кривината“) на еластичната тъкан на пространство-време под въздействието на масата (в случая, колкото по-тежко е тялото, например Слънцето, толкова повече пространството-време се „огъва“под него и съответно, толкова по-силна е неговата гравитация поле). Представете си платно, опънато плътно (вид батут) с масивна топка върху него. Мрежата се деформира под тежестта на топката и около нея се образува деформация във формата на фуния. Според общата относителност,Земята се върти около Слънцето като малка топка, зададена да се търкаля около конуса на фуния, образувана в резултат на "принуждаване" пространство-време от тежка топка - Слънцето. И това, което ни се струва силата на гравитацията, всъщност е чисто външно проявление на кривината на пространството-време, а изобщо не е сила в Нютонов смисъл. Към днешна дата не е намерено по-добро обяснение на природата на гравитацията от общата теория на относителността. Към днешна дата не е намерено по-добро обяснение на природата на гравитацията от общата теория на относителността. Към днешна дата не е намерено по-добро обяснение на природата на гравитацията от общата теория на относителността.
Трудно е да се тества общата теория на относителността, тъй като в обикновени лабораторни условия резултатите от нея почти напълно съвпадат с предсказания от закона на Нютон за универсална гравитация. Въпреки това са проведени няколко важни експеримента и техните резултати позволяват теорията да се счита за потвърдена. Освен това общата относителност помага да се обяснят феномените, които наблюдаваме в космоса - например малки отклонения на Меркурий от неподвижна орбита, които са необясними от гледна точка на класическата Нютонова механика или кривината на електромагнитното излъчване от далечни звезди, когато тя преминава в непосредствена близост до Слънцето.
В действителност, резултатите, предвидени от общата относителност, се различават значително от резултатите, предвидени от законите на Нютон, само при наличието на свръхсилни гравитационни полета. Това означава, че за пълноправен тест на общата теория на относителността са необходими или ултра точни измервания на много масивни предмети или черни дупки, към които не е приложима никоя от обичайните ни интуитивни идеи. Така разработването на нови експериментални методи за тестване на теорията на относителността остава една от най-важните задачи на експерименталната физика.