Специалната теория на относителността, която в началото на миналия век преобърна общоприетите идеи за света, все още продължава да вълнува умовете и сърцата на хората. Днес ще се опитаме да разберем заедно какво представлява.
През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува Специална теория на относителността (СРТ), в която обяснява как да се интерпретира движението между различни инерционни референтни рамки - просто казано, обекти, които се движат с постоянна скорост един спрямо друг.
Айнщайн обясни, че когато два обекта се движат с постоянна скорост, човек трябва да обмисли движението им относително един към друг, вместо да приеме един от тях като абсолютна ориентир.
Така че, ако двама астронавти, вие и, да речем, Херман, летите на два космически кораба и искате да сравните наблюденията си, единственото нещо, което трябва да знаете, е скоростта ви един спрямо друг.
Специалната относителност разглежда само един специален случай (оттук и името), когато движението е праволинейно и равномерно. Ако материално тяло се ускори или отклони, законите за СЗТ вече не работят. Тогава влиза в сила общата теория на относителността (GTR), която обяснява движенията на материалните тела в общия случай.
Теорията на Айнщайн се основава на два основни принципа:
1. Принципът на относителността: физическите закони се запазват дори за тела, които са инерциални референтни рамки, тоест се движат с постоянна скорост относително едно към друго.
2. Принципът на скоростта на светлината: скоростта на светлината остава непроменена за всички наблюдатели, независимо от скоростта им по отношение на източника на светлина. (Физиците обозначават скоростта на светлината с буквата c).
Промоционално видео:
Една от причините за успеха на Алберт Айнщайн е, че той постави експериментални данни над теоретичните. Когато серия от експерименти разкриха резултати, противоречащи на общоприетата теория, много физици решиха, че тези експерименти са грешни.
Алберт Айнщайн беше един от първите, който реши да изгради нова теория на базата на нови експериментални данни.
В края на IX век физиците търсят мистериозен етер - среда, в която според общоприетите предположения светлинните вълни трябва да се разпространяват, подобно на акустични вълни, за които е необходим въздух за разпространение, или друга среда - твърда, течна или газообразна. Вярата в съществуването на етера е довела до убеждението, че скоростта на светлината трябва да се променя в зависимост от скоростта на наблюдателя по отношение на етера.
Алберт Айнщайн се отказа от концепцията за етер и предложи всички физически закони, включително скоростта на светлината, да останат непроменени, независимо от скоростта на наблюдателя - както показаха експериментите.
Хомогенност на пространството и времето
SRT на Айнщайн постулира фундаментална връзка между пространството и времето. Материалната Вселена, както знаете, има три пространствени измерения: нагоре, надолу, отдясно и напред-назад. Към него се добавя още едно измерение - временно. Заедно тези четири измерения съставят пространствено-времевия континуум.
Ако се движите с висока скорост, вашите наблюдения по отношение на пространството и времето ще се различават от тези на други хора, които се движат с по-малка скорост.
Снимката по-долу показва мисловен експеримент, който да ви помогне да разберете тази идея. Представете си, че сте на космически кораб, държите в ръцете си лазер, с помощта на който изпращате лъчи светлина до тавана, на който е фиксирано огледало. Светлината, отразена, пада върху детектора, който ги регистрира.
Отгоре - изпратихте лъч светлина в тавана, той беше отразен и падна вертикално върху детектора. Отдолу - за Херман светлинният ви лъч се движи диагонално към тавана и след това диагонално към детектора.
Отгоре - изпратихте лъч светлина в тавана, той беше отразен и падна вертикално върху детектора. Отдолу - за Херман светлинният ви лъч се движи диагонално към тавана и след това диагонално към детектора.
Да речем, че вашият кораб се движи с постоянна скорост, равна на половината от скоростта на светлината (0,5с). Според SRT на Айнщайн, за вас няма значение, дори не забелязвате движението си.
Херман обаче, гледайки ви от почивен звезден кораб, ще види съвсем различна картина. От негова гледна точка лъчът светлина ще се движи по диагонал до огледалото на тавана, ще се отразява от него и ще пада по диагонал върху детектора.
С други думи, траекторията на светлинния лъч ще изглежда различно за вас и за Херман и дължината му ще бъде различна. Следователно продължителността на времето, необходимо за лазерния лъч да измине разстоянието до огледалото и до детектора, ще ви се стори различно.
Това явление се нарича разширяване на времето: времето на един звезден кораб, който се движи с висока скорост, от гледна точка на наблюдател на Земята, тече много по-бавно.
Този пример, като много други, ясно демонстрира неразривната връзка между пространството и времето. Тази връзка ясно се проявява към наблюдателя само когато става дума за високи скорости, близки до скоростта на светлината.
Експериментите откакто Айнщайн публикува голямата си теория потвърдиха, че пространството и времето всъщност се възприемат по различен начин в зависимост от скоростта на движение на обектите.
Комбиниране на маса и енергия
В своята известна статия, публикувана през 1905 г., Айнщайн комбинира маса и енергия в проста формула, която е позната на всеки ученик оттогава: E = mc².
Според теорията на великия физик, когато скоростта на материално тяло се увеличава, приближавайки се до скоростта на светлината, неговата маса също се увеличава. Тези. колкото по-бързо се движи обектът, толкова по-тежък става. В случай на достигане на скоростта на светлината масата на тялото, както и неговата енергия, стават безкрайни. Колкото по-тежко е тялото, толкова по-трудно е да се увеличи скоростта му; необходимо е безкрайно количество енергия, за да се ускори тялото с безкрайна маса, така че невъзможно е материалните предмети да достигнат скоростта на светлината.
Преди Айнщайн понятията маса и енергия във физиката бяха разглеждани отделно. Блестящият учен доказа, че законът за запазване на масата, подобно на закона за опазване на енергията, е част от по-общия закон за масова енергия.
Поради фундаменталната връзка между тези две понятия, материята може да се превърне в енергия и обратно - енергия в материя.