General

Загальна теорія відносності Ейнштейна: чотири кроки, вжиті генієм

Революційний фізик використовував свою уяву,а не складну математику, щоб придумати свій найвідоміший і елегантне рівняння. Загальна теорія відносності Ейнштейна відома тим, що пророкує дивні, але справжні явища, на зразок уповільнення старіння астронавтів у космосі в порівнянні з людьми на Землі і зміни форм твердих об'єктів на високих швидкостях.

Але цікаво те, що якщо ви візьмете копіюоригінальної статті Ейнштейна про відносність 1905 року, її буде досить просто розібрати. Текст простий і зрозумілий, а рівняння в основному алгебраїчні - їх зможе розібрати будь-старшокласник.

Все тому, що складна математика ніколи небула коником Ейнштейна. Він любив думати образно, проводити експерименти в своїй уяві і осмислювати їх до тих пір, поки фізичні ідеї і принципи не стануть видні кристально ясно.

Ось з чого почалися уявні експерименти Ейнштейна, коли йому було всього 16 років, і як вони в кінцевому підсумку призвели його до самого революційного рівняння в сучасній фізиці.

зміст

  • 1 1895 рік: біг поруч з променем світла
  • 2 1904 рік: вимір світла з потяга
  • 3 Май 1905 року: блискавка б'є в поїзд, що рухався
  • 4 Вересень 1905 року: маса і енергія

1895 рік: біг поруч з променем світла

До цього моменту життя Ейнштейна його поганоприховуване презирство до німецьких коренів, авторитарних методів навчання в Німеччині вже зіграло свою роль, і його вигнали із середньої школи, тому він переїхав до Цюріха в надії на надходження до Швейцарського федерального технологічного інституту (ETH).

Але спершу Ейнштейн вирішив провести рік підготовки в школі в сусідньому місті Аарау. У цьому місці він незабаром виявив, що цікавиться тим, як це - бігти поруч з променем світла.

Ейнштейн вже дізнався в фізичному класі, що такепромінь світла: безліч тих, хто вагається електричних і магнітних полів, що рухаються на швидкості 300 000 км в секунду, виміряної швидкості світла. Якщо він втік би поруч з такою ж швидкістю, усвідомив Ейнштейн, він міг би побачити безліч тих, хто вагається електричних і магнітних полів поруч з ним, немов застиглі в просторі.

Але це було неможливо. По-перше, стаціонарні поля порушували б рівняння Максвелла, математичні закони, в яких було закладено все, що фізики знали про електрику, магнетизм і світлі. Ці закони були (і залишаються) досить суворими: будь-які хвилі в цих полях повинні рухатися зі швидкістю світла і не можуть стояти на місці, без винятків.

Гірше того, стаціонарні поля не пов'язувалося зпринципом відносності, який був відомий фізикам з часів Галілея і Ньютона в 17 столітті. По суті, принцип відносності говорить, що закони фізики не можуть залежати від того, як швидко ви рухаєтесь: ви можете виміряти лише швидкість одного об'єкта щодо іншого.

Але коли Ейнштейн застосував цей принцип до свогоуявного експерименту, виникло протиріччя: відносність диктувала, що все, що він міг побачити, рухаючись поруч з променем світла, включаючи стаціонарні поля, має бути чимось приземленим, що фізики можуть створити в лабораторії. Але такого ніхто ніколи не чув од.

Ця проблема буде хвилювати Ейнштейна ще 10років, на протязі всього його шляху навчання і роботи в ETH і руху до столиці Швейцарії Берну, де він стане екзаменатором в швейцарському патентному бюро. Саме там він дозволить парадокс раз і назавжди.

1904 рік: вимір світла з потяга

Це було непросто. Ейнштейн намагався будь-яке рішення, яке приходило йому в голову, але нічого не працювало. Майже зневірившись, він почав роздумувати, але простим, проте радикальним рішенням. Можливо, рівняння Максвелла працюють для всього, подумав він, але швидкість світла завжди була постійною.

Іншими словами, коли ви бачите, що пролітаєпучок світла, не має значення, чи буде його джерело рухатися до вас, від вас, в сторону або ще куди-небудь, і не має значення, наскільки швидко рухається його джерело. Швидкість світла, яку ви виміряти, завжди буде 300 000 км в секунду. Крім усього іншого, це означало, що Ейнштейн ніколи не побачить стаціонарних тих, хто вагається полів, оскільки ніколи не зможе зловити промінь світла.

Це був єдиний спосіб, який побачивЕйнштейн, щоб примирити рівняння Максвелла з принципом відносності. На перший погляд, втім, це рішення мало власний фатальний недолік. Пізніше він пояснив його іншим уявним експериментом: уявіть собі промінь, який запускається уздовж залізничного насипу, в той час як потяг проходить повз в тому ж напрямку зі швидкістю, скажімо, 3000 кілометрів на секунду.

Хтось стоїть біля насипу повинен буде вимірятишвидкість світлового променя і отримати стандартне число в 300 000 км в секунду. Але хтось на поїзді буде бачити світло, що рухається зі швидкістю 297 000 км в секунду. Якщо швидкість світла непостійна, рівняння Максвелла всередині вагона повинно виглядати інакше, уклав Ейнштейн, і тоді принцип відносності буде порушений.

Це удаване протиріччя змусило Ейнштейназадуматися майже на рік. Але потім, в один прекрасний ранок в травні 1905 року, він йшов на роботу зі своїм кращим другом Мішелем Бессо, інженером, якого він знав зі студентських років в Цюріху. Двоє чоловіків говорили про проблеми Ейнштейна, як і завжди. І раптом Ейнштейн побачив рішення. Він працював над ним всю ніч, і коли наступного ранку вони зустрілися, Ейнштейн сказав Бессо: «Спасибі. Я повністю вирішив проблему ».

Май 1905 року: блискавка б'є в поїзд, що рухався

Одкровення Ейнштейна полягало в тому, щоспостерігачі в відносному русі сприймають час по-різному: цілком можливо, що дві події будуть відбуватися одночасно з точки зору одного спостерігача, але в різний час з точки зору іншого. І обидва спостерігача будуть праві.

Пізніше Ейнштейн проілюстрував свою точкузору іншим уявним експериментом. Уявіть, що поруч із залізницею знову стоїть спостерігач і повз нього проноситься поїзд. У той момент, коли центральна точка поїзда проходить повз спостерігача, в кожен кінець поїзда б'є блискавка. Оскільки блискавки б'ють на одній відстані від спостерігача, їх світло потрапляє в його очі одночасно. Справедливо буде сказати, що блискавки б'ють одночасно.

Тим часом рівно в центрі поїзда сидить іншийспостерігач. З його точки зору світло від двох ударів блискавок проходить однакову відстань і швидкість світла буде однаковою в будь-якому напрямку. Але оскільки поїзд рухається, світло, що приходить від задньої блискавки, повинен пройти більшу відстань, тому потрапляє до спостерігача декількома хвилинами пізніше, ніж світло з початку. Оскільки імпульси світла приходять в різний час, можна зробити висновок, що удари блискавки не одночасні - один відбувається швидше.

Ейнштейн зрозумів, що відносна якраз ця одночасність. І як тільки ви це визнаєте, дивні ефекти, які ми зараз пов'язуємо з относительностью, вирішуються за допомогою простої алгебри.

Ейнштейн гарячково записав свої думки івідправив свою роботу для публікації. Назвою стало «Про електродинаміки рухомих тіл», і в ньому відбилася спроба Ейнштейна пов'язати рівняння Максвелла з принципом відносності. Бессо була винесена окрема подяка.

Вересень 1905 року: маса і енергія

Ця перша робота, втім, не стала останньою. Ейнштейн був одержимий относительностью до літа 1905 року, а у вересні відправив другу статтю для публікації, вже навздогін, заднім числом.

Вона була заснована ще на одному уявномуексперименті. Уявіть об'єкт в стані спокою, говорив він. Тепер уявіть, що той одночасно випускає два ідентичних імпульсу світла в протилежних напрямках. Об'єкт буде залишатися на місці, але оскільки кожен імпульс забирає певну кількість енергії, укладена в об'єкті енергія буде зменшуватися.

Тепер, писав Ейнштейн, як буде виглядати цейпроцес для рухомого спостерігача? З його точки зору, об'єкт просто буде продовжувати рухатися по прямій лінії, в той час як два імпульсу будуть відлітати. Але навіть якщо швидкість двох імпульсів буде залишатися незмінною - швидкістю світла - їх енергії будуть різними. Імпульс, який рухається вперед у напрямку руху, матиме вищу енергію, ніж той, що рухається в зворотному напрямку.

Додавши трохи алгебри, Ейнштейн показав, щодля того, щоб все це було послідовним, об'єкт повинен не тільки втрачати енергію при відправці світлових імпульсів, а й масу. Або ж маса і енергія повинні бути взаємозамінні. Ейнштейн записав рівняння, що їх пов'язує. І воно стало найзнаменитішим рівнянням в історії науки: E = mc2.