Спеціальна теорія відносності

Щоб розшифрувати отримані букви, використовуй шифратор від Всеосвіти з ключем 4

Швидкість, яка є завжди сталою....

Яким символом позначають швидкість світла?

Які чинники визначають енергію спокою тіла?

Під час обертання Сонце навколо світлової осі один його край завжди рухається до Землі, а інший – від Землі. Чи з однаковою швидкістю проходить до Землі світло від обох країв Сонця?

Швидкість поширення світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних СВ. Це яеий постула СТВ?

Дві ракети віддаляються одна від одної зі швидкостями 0,6с відносно нерухомого спостерігача. Чому рівна відносна швидкість руху ракет ?

В інерціальних СВ всі закони природи однакові. Це який постулат СТВ?

Чи зможе вільний нейтрон подолати відстань від Сонця до Землі, рухаючись зі швидкістю 0,6с, якщо час його життя в системі відліку, пов’язаній з цим нейтроном, дорівнює приблизно 12 хв . Знайти t₀

Теорія відносності для чайників: усе, що потрібно знати про найзнаменитішу працю Ейнштейна

Микита Литвинов

14 березня 1879 року в німецькому місті Ульм народився Альберт Ейнштейн: людина, якій судилося зробити революцію в науці. Його теорія відносності стала фундаментом сучасної фізики, замінивши класичну механіку і закон всесвітнього тяжіння Ньютона.

З нагоди 145 річниці від дня народження Альберта Ейнштейна редакція The Universe Space Tech зібрала найбільш значущі факти про найзнаменитішу працю великого фізика.

Теорій відносності — дві

При згадуванні теорії відносності звичайні люди переважно уявляють собі одну наукову працю. Але це не так. Насправді існують дві теорії відносності: спеціальна та загальна.

Стаття, в якій Ейнштейн виклав основи Спеціальної теорії відносності. Джерело: www.manhattanrarebooks.com

Спеціальна теорія відносності (СТВ) була вперше опублікована Ейнштейном у 1905 році. Що цікаво, сама стаття мала назву «Про електродинаміку рухомих тіл». Термін «теорія відносності» з’явився через рік, його запропонував Макс Планк. Що ж стосується Загальної теорії відносності (ЗТВ), то її опублікували 1915 року — у той час, коли в Європі тривала Перша світова війна.

Що таке Спеціальна теорія відносності

СТВ інтерпретує рухи між різними інерціальними системами відліку — просто кажучи, об’єктами, що рухаються з постійною швидкістю відносно один одного. Вона базується на двох основних принципах — відносності та сталості швидкості світла.

Принцип відносності полягає в тому, що фізичні процеси відбуваються однаково для всіх тіл, які відносно одне одного рухаються на постійній швидкості або нерухомі. Звідси випливає, що всі закони природи діють однаково в усіх інерціальних системах відліку.

Принцип сталості швидкості світла свідчить, що вона постійна для всіх спостерігачів, незалежно від їхньої швидкості щодо джерела світла. Його наслідком є неможливість руху фізичних тіл і передавання інформації зі швидкістю, що перевищує швидкість світла у вакуумі (299 792 км/с).

Що таке Загальна теорія відносності та чим вона відрізняється від Спеціальної

Спеціальна теорія відносності розглядає лише один спеціальний випадок (звідси й назва), коли рух прямолінійний і рівномірний, і відбувається поза потужними гравітаційними полями. Якщо ж тіло прискорюється або звертає в бік, закони СТВ уже не діють. Тоді набуває чинності Загальна теорія відносності, яка пояснює рухи матеріальних тіл у загальному випадку і враховує фактор гравітації.

Гравітаційні хвилі, створювані чорними дірами, що стикаються. Джерело: R.Hurt/Caltech-JPL

Отже, СТВ може бути застосована для вивчення руху тіл з будь-якими швидкостями (у тому числі близьких або рівних швидкості світла) за умови відсутності дуже сильних гравітаційних полів. ЗТВ можна використовувати для вивчення руху тіл з будь-якими швидкостями в гравітаційних полях будь-якої інтенсивності, якщо квантовими ефектами можна знехтувати.

Ефекти теорії відносності

Теорія відносності передбачає безліч вельми цікавих ефектів. Мабуть, найвідомішим із них є гравітаційне уповільнення часу — що сильніша гравітація або що більша швидкість руху об’єкта, то повільніше для нього плине час порівняно із зовнішнім спостерігачем. Перший варіант виразно показаний у фільмі «Інтерстеллар», у вигляді планети Міллер, яка перебуває на орбіті навколо чорної діри, де одна година часу дорівнює семи рокам на Землі.

Кадр із фільму «Ітерстеллар»

Для демонстрації другого варіанта уповільнення часу, зазвичай використовують т. зв. парадокс близнюків. Так, якби ми змогли побудувати корабель, що рухається зі швидкістю 80% від швидкості світла, і спрямували його до Альфи Центавра, то за годинником мандрівника, який перебуває на ньому, політ триватиме лише три роки (і сам він постаріє на три роки), тоді як із погляду близнюка, що залишився на Землі, мине п’ять років.

Ілюстрація парадокса близнюків. Джерело: moviesandscience.com

Теорія відносності також передбачає зміну розмірів і маси космічного корабля. У міру наближення до швидкості світла для зовнішнього спостерігача, він буде ставати все коротшим і коротшим у напрямку руху, зберігаючи колишню ширину (але для екіпажу самого корабля все залишиться, як раніше). При цьому, його маса буде збільшуватися. Через це для збільшення швидкості буде потрібно все більше й більше енергії. Коли корабель наблизиться до швидкості світла, він досягне такої маси, що ніяка енергія у Всесвіті більше не зможе його прискорити. Саме тому подорожі з надсвітловими швидкостями й неможливі.

Також не можна не згадати, що за допомогою теорії відносності космологи й астрофізики зуміли передбачити існування низки вельми екзотичних об’єктів і явищ, чиє існування було пізніше підтверджено під час спостережень. Серед них нейтронні зорі, чорні діри та гравітаційні хвилі.

Докази теорії відносності

Нині ЗТВ є найуспішнішою теорією гравітації в історії, добре підтвердженою результатами спостережень та експериментів. Перші практичні докази були отримані ще в 1919 році під час повного сонячного затемнення. Спостереження Артура Еддінгтона показали, що видимі положення зір поблизу Сонця змінюються відповідно до передбачень ЗТВ.

Світлина повного сонячного затемнення 1919 року, що стало одним із перших доказів правоти Ейнштейна. Джерело: ESO/Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl/F. W. Dyson, A. S. Eddington, & C. Davidson

Надалі вчені отримали ще безліч експериментальних доказів правоти ЗТВ. Узгоджується з її положеннями аномальна прецесія перигелію орбіти Меркурія, гравітаційний червоний зсув світла, викривлення світлових променів гравітацією масивних тіл і багато іншого. Попри те, що ЗМІ періодично люблять публікувати гучні заголовки про те, що хтось поставив під сумнів висновки Ейнштейна, в реальності поки що нікому не вдалося надати переконливих свідчень помилковості ЗТВ.

Хрест Ейнштейна — кількість зображень космічного тіла, збільшеного в чотири рази, спричинене гравітацією скупчення галактик. Джерело: ESO/A. Cikota et al.

Ба більше, кожен із нас може самостійно отримати доказ того, що теорія відносності працює, просто скориставшись навігатором. Річ у тім, що для визначення точного місця розташування сигнали часу, які надходять із супутників GPS (а також Galileo, «Бейдоу» та інших навігаційних систем), мають бути відомі з точністю 20-30 наносекунд. Однак, на поверхні Землі та на орбіті час тече трохи по-різному. І ця різниця враховується в системі. Якби ефекти теорії відносності не брали до уваги, то координати, обчислені на основі GPS-супутників, були б неправильними вже за дві хвилини, а помилки в глобальному місцезнаходженні продовжували накопичуватися зі швидкістю приблизно 10 км на день.

Ейнштейн не отримував Нобелівської премії за теорію відносності

Багато хто вважає, що Ейнштейн отримав Нобелівську премію за теорію відносності. Але це не так. Точніше кажучи, не зовсім так. Ейнштейн дійсно став лауреатом премії з фізики за 1921 рік. Ось тільки її вручили йому з формулюванням «За заслуги перед теоретичною фізикою, і особливо за відкриття закону фотоелектричного ефекту». При цьому далеко не секрет, що закон фотоефекту був одним із найменш значущих відкриттів Ейнштейна.

Альберт Ейнштейн у 1921 році. Джерело: Ferdinand Schmutzer / Adam Cuerden

То чому ж так сталося? Цьому є кілька причин. І головна з них полягає в тому, що теорія відносності була занадто складною для розуміння багатьох фізиків того часу. Що вже казати про членів Нобелівського комітету? Навіть після появи експериментальних доказів правоти Ейнштейна, багато хто все ще продовжував ставитися до його викладок насторожено і шукав у них вади. Свою роль у тому, що довгі роки Нобелівський комітет ігнорував Ейнштейна, могла зіграти й хвиля антисемітизму, яка зростала в ті роки в Європі.

Однак тиск фізиків, які розуміли значущість того, що зробив Ейнштейн, у якийсь момент все ж пересилив консерватизм Нобелівського комітету. Тож він обрав компромісний варіант, вручивши йому премію за фотоефект — хоча всі прекрасно розуміли, що в реальності її вручають за теорію відносності. Це розумів і Ейнштейн, який згадав її у своїй нобелівській лекції.

Просто про складне | Як досягти швидкості світла та що швидше за нього?

Якщо ми говоримо про щось спрпавді швидке, то можемо сказати, що це відбувається зі швидкістю світла. Насправді мало хто розуміє, наскільки це значна величина та чому на практиці її вкрай важко досягти якомусь тілу, що має значну масу та розмір. Зараз ми вам це пояснимо.

Світло рухається крізь Всесвіт із величезною швидкістю

1. Чому дорівнює швидкість світла у вакуумі?

Швидкість світла — найбільша швидкість, яку будь-що може мати у нашому Всесвіті. З нею у вакуумі розповсюджуються не лише електромагнітні хвилі видимого спектра, а й будь-яке випромінювання.

Ця величина складає точно 299 792 458 м/с. 1975 року її визначили з точністю до одного метра, а з 1983-го сам метр у Міжнародній системі одиниць — це відстань, яку світло проходить за 1/299 792 458 секунди. Тому це чи не єдина константа, значення якої не буде уточнюватися у майбутньому.

2. Чи бувають випадки, коли швидкість світла нижче?

Все вищесказане стосується лише швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль у вакуумі. У середовищі, хоча б частково здатному розсіювати їх, вона буде значно нижчою. Точна величина залежатиме від довжини хвилі та величини заломлення самого середовища.

Наприклад, в абсолютно чистій воді швидкість світла видимого діапазону становить близько 225 341 км/с, у склі — 200 000 км/с, а в цукрі — лише 192 300 км/с. У повітрі вона лише трохи менша, ніж у вакуумі.

3. Що таке «світловий конус»?

Зі швидкістю світла пов’язане поняття «світлового конуса». Будь-яка взаємодія між двома об’єктами у Всесвіті, включно з передачею інформації, можлива лише за допомогою частинок або хвиль. А вони не можуть рухатися швидше за світло.

Тому жодна подія у Всесвіті не може вплинути на інші об’єкти за час, менший, ніж потрібно світлу, аби подолати відстань між ними. Наприклад, подія, що відбулася на Місяці, ніяк не може вплинути на Землю раніше, ніж за секунду з чвертю.

Для Сонця ця величина вже складає майже 8,5 хвилин, для Плутона — близько 4,5 години, для α Центавра — понад 4 роки, а для чорної діри Стрілець А* — 27 тис. років. Це й називається «світловим конусом».

4. Що буде, якщо спробувати досягти швидкості світла?

Ньютонівська механіка підказує нам, що якщо до якогось тіла постійно прикладати силу — наприклад, імпульс реактивних двигунів — то воно буде прискорюватися, тобто його швидкість буде зростати. То що ж заважає нам досягти швидкості світла?

На це дає відповідь Теорія відносності. Згідно з нею, чим ближча швидкість тіла до світлової, тим більша енергія необхідна для того, аби збільшити її на ту ж саму величину для кожної одиниці маси цього тіла.

Для того ж, аби розігнати хоч якусь масу до швидкості світла, до неї треба прикласти нескінченну кількість енергії. Саме тому в природі у більшості випадків таку швидкість мають лише частинки, у яких маса відсутня — наприклад, фотони.

5. Чи може щось рухатися швидше за світло?

Хоч фізика й наголошує, що для будь-якого тіла швидкість світла є межею, є теорії, які передбачають існування частинок, що рухаються швидше за нього. Ці частинки називаються тахіонами — від грецького слова, що означає «швидкий».

Тахіони мають низку дивних властивостей: наприклад, їхня маса є уявною. Тобто вона виражається числом, яке є квадратним коренем із від’ємної величини.

Жодних доказів реального існування тахіонів учені не мають. Крім того, щодо тахіонних частинок і полів існують сумніви, чи здатні вони переносити інформацію та чи справді всі вони рухаються швидше за світло. Однак саму можливість існування такої частинки ніхто остаточно виключити не може.