В статье разберем, как Альберт Эйнштейн перевернул представления о пространстве и времени с помощью теории относительности. Вы узнаете, почему движение может замедлять часы, как гравитация искривляет свет и что общего между формулой E=mc² и атомными электростанциями.
Кто такой Альберт Эйнштейн
Альберт Эйнштейн (1879-1955) — один из величайших физиков в истории, изменивший представления о пространстве, времени и самой природе Вселенной.
Он родился в Германии, в городе Ульм. С детства проявлял интерес к науке, знал математику далеко за пределами школьной программы. Позже он поступил Политехникум в Цюрихе. В 1905 году, работая в патентном бюро, Эйнштейн опубликовал три статьи, каждая из которых совершила революцию в физике. Этот год вошел в историю как его «Год чудес».
В 1922 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию за теорию фотоэффекта, а в 1933 году эмигрировал в США, спасаясь от нацистов. Он работал в Принстонском институте, его письмо президенту Рузвельту способствовало запуску Манхэттенского проекта. Впоследствии ученый выступал против ядерного оружия.
Интересный факт. В гимназии Альберт Эйнштейн не был лучшим учеником, система заучивания ему очень не нравилась, и он часто вступал в перепалки с преподавателями. Однако миф о том, что он был двоечником, сильно преувеличен.
Перечислим главные открытия Альберта Эйнштейна.
- Теория относительности. Их было целых две — общая и специальная. Это главные открытия ученого, о которых расскажем дальше.
- Квантовая теория фотоэффекта. Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц — фотонов.
- Броуновское движение. Создана молекулярно-кинетическая теория для количественного описания броуновского движения, которое является наглядным экспериментальным подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул.
- Теория индуцированного излучения. При воздействии электромагнитного поля на квантовую систему (атом, молекулу, ядро) происходит генерация нового фотона при переходе между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень). Эта теория легла в основу создания лазеров и мазеров — важнейших инструментов в медицине, науке и технике.
О чем гласит теория относительности Эйнштейна: суть простыми словами
Теория относительности включает в себя специальную и общую. Специальная теория относительности (СТО) относится к процессам, при исследовании которых полями тяготения можно пренебречь. Она базируется на постулатах.
- Первый постулат. Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
- Второй постулат. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
Из постулатов вытекает несколько следствий.
| Следствие | Суть |
|---|---|
| Замедление времени | Чем быстрее движется объект, тем медленнее идет для него время |
| Сокращение размеров | Длина предметов сокращается при больших скоростях |
| Независимость скорости света от движения источника | Скорость света не складывается со скоростью движущегося источника света |
| Масса и энергия взаимосвязаны | Чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. Масса может превращаться в энергию, и наоборот. E=mc² |
| Гравитация искривляет пространство и время | Чем больше масса, тем сильнее она «гнет» пространство и замедляет время |
Общая теория относительности появилась позже — как теория гравитации. Представьте, что вы летите на космическом корабле. При движении с околосветовой скоростью время для вас будет течь гораздо медленнее, чем для тех, кто остался на Земле. За несколько недель полета на планете могут пройти годы или даже десятилетия — в зависимости от скорости.
А теперь представьте, что вы стоите рядом с черной дырой, как в фильме «Интерстеллар». Из-за ее огромной массы время для вас будет идти медленнее, а свет, проходя мимо нее, искривится. В картине Нолана, например, у планеты, которая находилась ближе всего к сверхмассивной черной дыре Гаргантюа, час соответствовал семи годам на Земле. Это не выдумка сценариста — с научной точки зрения все корректно. Гравитация способна менять само пространство и время.
Попробуем объяснить простыми словами общую и специальную теорию относительности.
Специальная теория относительности
В начале XX века ученые столкнулись с противоречиями в физике. Законы Ньютона прекрасно описывали движение тел, но не работали для объектов, летящих с огромными скоростями, близкими к скорости света.
Кроме того, эксперименты показали, что свет распространяется с одной и той же скоростью независимо от того, движется ли наблюдатель или источник света. Альберт Эйнштейн решил эту загадку, предложив специальную теорию относительности в 1905 году.
Постулаты специальной теории относительности
- Принцип относительности. Законы физики одинаковы во всех инерциальных (движущихся равномерно и прямолинейно) системах отсчета.
- Постоянство скорости света. Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей независимо от их движения или движения источника света. Даже если вы летите навстречу световому лучу, его скорость относительно вас все равно будет 299 792 458 м/с.
Где применяется специальная теория относительности
- Навигация GPS. Спутники вращаются вокруг Земли со скоростью около 3,9 км/с и находятся выше, чем наземные объекты, в более слабом гравитационном поле. Из-за этих условий их часы идут иначе, чем на поверхности планеты. Хотя расхождение составляет доли секунды, со временем оно накапливается. Без учета эффектов теории относительности GPS перестал бы работать точно.
- Атомные и термоядерные реакции. В ядерных реакциях часть массы превращается в огромное количество энергии, что объясняется формулой E=mc². Это актуально как для ядерных бомб, так и для атомных реакторов.
- Физика частиц. В ускорителях, например, в Большом адронном коллайдере, частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света, и ведут себя в точности так, как предсказывает теория относительности.
Общая теория относительности
Специальная теория относительности работает только в случаях, когда тела движутся равномерно и прямолинейно. Но что происходит, если есть ускорение или гравитация? В 1915 году Эйнштейн расширил свои идеи, создав общую теорию относительности (ОТО), которая объяснила, как масса и энергия искривляют пространство и время.
Принципы общей теории относительности
- Эквивалентность гравитации и ускорения. Невозможно отличить действие гравитации от ускоренного движения. Если вы находитесь в лифте без окон и чувствуете силу тяжести, то не можете сказать, тянет ли вас вниз гравитация или лифт просто ускоряется относительно инерциальной системы отсчета, находящейся вне гравитационного поля.
- Пространство и время искривляются под воздействием массы. Масса заставляет пространство «гнуться», а время — замедляться. Это эффект можно наблюдать, например, вблизи черных дыр. Он очень реалистично продемонстрирован в фильме «Интерстеллар», когда показывают Гаргантюа со стороны, а на самой близкой к ней планете время идет значительно медленнее, чем на Земле.
- Гравитационное замедление времени. Часы идут медленнее вблизи массивных объектов. Например, рядом с черной дырой время почти останавливается.
Экспериментальное подтверждение общей теории относительности
- Черные дыры. Их существование подтверждено на основе предсказаний ОТО: это области пространства, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться.
- Гравитационные волны. В 2015 году ученые впервые зарегистрировали рябь пространства-времени, возникающую при слиянии черных дыр. Это еще одно блестящее подтверждение ОТО.
- Космология. Уравнения общей теории относительности позволяют описывать расширение Вселенной и моделировать эволюцию космоса.
Примеры задач по физике с теорией относительности Эйнштейна
Теория относительности кажется сложной, но многие задачи можно решить, если правильно воспользоваться ее принципами: замедлением времени, сокращением длины и формулой E=mc².
Задача №1: Космический путешественник и эффект замедления времени
Представьте, что космонавт находится в межзвездном корабле, движущимся с постоянной скоростью 0,8 от скорости света (c). Полет в одну сторону длится 10 лет по земным часам. Сколько лет пройдет для самого космонавта?
Воспользуемся формулой замедления времени:
Где:
- t — время в системе наблюдателя (на Земле), 10 лет;
- v — скорость корабля, 0,8 c;
- c — скорость света;
- t ′ — время, прошедшее для космонавта.
Подставляем значения.
Ответ: для космонавта пройдет шесть лет, хотя на Земле пройдет 10 лет.
Задача №2: Масса и энергия
Во время ядерной реакции выделился 1 Дж энергии. Какую массу потеряла система, если воспользоваться формулой Эйнштейна E=mc²?
Для решения преобразуем формулу под расчет массы.
Из условия:
- E = 1 Дж;
- c = 3*108 м/с.
Подставляем значения:
Ответ: потерянная масса составила примерно 1,1*10–17 кг.
Доказательство теории относительности Альберта Эйнштейна
Теория относительности казалась революционной и даже противоречащей здравому смыслу, но со временем она получила множество подтверждений. Вот несколько ключевых экспериментов и наблюдений, которые доказали правоту Эйнштейна.
- Искривление света (1919). Во время солнечного затмения английский астроном Артур Эддингтон измерил отклонение света звезд, проходящего рядом с Солнцем. Оказалось, что массивные гравитационные объекты действительно искривляют свет, как предсказывала общая теория относительности.
- Гравитационное замедление времени (1959). Эксперимент Паунда и Ребки показал, что время идет медленнее вблизи массивных объектов. Физики использовали эффект Доплера и гамма-лучи, чтобы доказать, что сильное гравитационное поле замедляет ход часов.
- Гравитационные волны (2015). Гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, возникающая при слиянии массивных объектов (например, черных дыр). Их существование предсказал Эйнштейн, но доказать удалось только через 100 лет, когда обсерватория LIGO впервые зарегистрировала такую волну.
Мнение эксперта
С подготовкой материала помогала Елена Руденко, ведущий методист по физике в онлайн-школе «Фоксфорд», эксперт ЕГЭ и ОГЭ по физике. Она приводит цитату Чарльза Перси Сноу: «Если бы не существовало Эйнштейна, физика XX века была бы иной. Этого нельзя сказать ни об одном другом ученом».
Теории Альберта Эйнштейна были настолько революционными и переворачивали привычные представления, что даже члены Нобелевского комитета несколько лет не могли сформулировать, за что же они готовы присудить премию. Ученый мечтал создать теорию всего, но не смог завершить задуманное. Наверняка современные космические исследования и новые возможности благодаря техническому прогрессу подарят массу сюрпризов, о которых размышлял Альберт Эйнштейн почти 100 лет назад.
Что нужно запомнить о теории относительности Эйнштейна
Самое важное о теории относительности.
- Время не абсолютно. Оно замедляется при больших скоростях и в сильных гравитационных полях.
- Пространство и время связаны. Гравитация искривляет их, влияя на траектории движения тел.
- Скорость света — предел. Ничто не может двигаться быстрее, чем 299 792 458 м/с.
- Масса и энергия эквивалентны. Формула E=mc² объясняет, как масса превращается в энергию.
- Теория подтверждена экспериментами: от отклонения света звезд в гравитационных полях до движения элементарных частиц в ускорителях.