Albert Einstein a creat teoria specială a relativității. Teoria specială a relativității a lui Einstein: pe scurt și în cuvinte simple. Necesitatea de a modifica teoria gravitației a lui Newton

Teoria specială a relativității (STR).

SRT se bazează pe două principii sau postulate care nu explică de ce lucrurile ar trebui să se întâmple așa și nu altfel. Cu toate acestea, o teorie construită pe acceptarea lor face posibilă descrierea cu acuratețe a evenimentelor care au loc în lume.

Toate legile fizice trebuie să arate la fel în toate cadrele de referință inerțiale.

Viteza luminii în vid nu se modifică atunci când starea de mișcare a sursei de lumină se schimbă.

Consecințele care decurg din primul principiu:

• · Nu numai legile mișcării mecanice, așa cum era cazul în mecanica clasică, ci și legile altor fenomene fizice ar trebui să arate sau să se manifeste la fel în toate cadrele de referință inerțiale.
• · Toate sistemele de referință inerțiale sunt egale. Prin urmare, nu există un cadru de referință preferat, fie că este vorba de Pământ sau de eter.

Conceptul de eter ca sistem de referință absolut este lipsit de sens fizic.

Consecințele care decurg din al doilea principiu:

• · Nu există o viteză infinit de mare de propagare a interacțiunii fizice în lume.
• · În lumea fizică, interacțiunea nu are loc instantaneu la viteze care depășesc viteza luminii.

Consecințele care decurg împreună din cele două principii ale SRT:

• · Nu există evenimente simultane în lume.
• · Este imposibil să considerăm spațiul și timpul ca proprietăți ale lumii fizice independente unele de altele.

Transformările Lorentz au o semnificație fizică. Ruzavin G.I. Concepte de științe naturale moderne: un manual pentru universități. - M.: Cultură și sport, UNITATE, 2006.

Dovada legăturii dintre spațiu și timp poate fi ilustrată cu următorul exemplu, în care trebuie avut în vedere că, conform SRT, lumina se propagă cu aceeași viteză în toate cadrele de referință inerțiale. Să presupunem că există două sisteme de referință inerțiale care sunt egale în descrierea evenimentelor fizice, adică fiecare oferă descrieri obiective: o persoană care stă pe o platformă de cale ferată (îngrijitorul) și un pasager al unui tren care se deplasează cu aceeași viteză relativ. la peron și la îngrijitorul staționar. Deasupra capului pasagerului se află un bec electric, care clipește în momentul în care pasagerul care stă la fereastra vagonului și îngrijitorul care stă pe peron se găsesc exact unul vizavi de celălalt în timp ce trenul se mișcă. Mecanica clasică oferă următoarea descriere a acestui eveniment.

Timpul are un sens absolut, deci nu depinde de miscarea spatiala a evenimentelor. Îngrijitorul stă în picioare, pasagerul se mișcă, dar ritmul timpului este același pentru ei. STO oferă o altă soluție:

Pentru un pasager dintr-un vagon, lumina va ajunge la ambii pereți ai vagonului în același timp, deoarece în toate cadrele de referință inerțiale lumina va călători în toate direcțiile cu aceeași viteză.

Îngrijitorul va avea un alt punct de vedere. El va spune că lumina va ajunge la peretele din spate (se mișcă spre lumină pe măsură ce trenul avansează) mai devreme decât peretele din față al vagonului, deoarece o ajunge din urmă pe măsură ce trenul avansează.

În plus, dacă setați în avans aceeași oră pe ceasul paznicului și al pasagerului trenului, atunci pentru paznicul stației ceasul de pe peretele din spate al vagonului va afișa o oră diferită de cea de pe cadranul ceasului la peretele frontal. Ele vor arăta că lumina ajunge la peretele din spate înainte de peretele din față. În consecință, unele ceasuri merg mai repede, altele mai încet. Astfel, spațiul și timpul, conform SRT, sunt interconectate și nu sunt absolute, așa cum a fost cazul lui Galileo și Newton, ci relative: viteza unui ceas depinde de locația sa în spațiu, locația poziției sale în spațiu afectează viteza ceasului.

Dezavantajele stațiilor de service:

Se ocupă doar de sisteme de referință inerțiale. Dar majoritatea sistemelor de referință sunt non-inerțiale în viața reală (accelerația și viteza se modifică în timp).

Nu ține cont de efectul forței gravitaționale asupra luminii Căutarea eliminării acestor neajunsuri ale STR a dus la crearea GTR.

Teoria generală a relativității (GTR).

Relativitatea generală se bazează pe două principii sau postulate:

• · Principiul relativității.
• · Principiul echivalenței maselor corporale grele și inerte.

Primul principiu prevede că legile fizicii ar trebui să aibă aceeași formă nu numai în cadrele inerțiale, ci și în cadrele de referință non-inerțiale, adică cadrele de referință inerțiale nu trebuie considerate cadre de referință privilegiate, așa cum a făcut mecanica clasică. . Analizând sistemele de referință neinerțiale care se mișcă cu aceeași accelerație, Einstein a ajuns la concluzia neașteptată că în aceste sisteme ia naștere un fenomen asemănător cu fenomenul gravitației într-un câmp gravitațional uniform. Un câmp gravitațional omogen este un fel de abstractizare sau idealizare. În acest câmp, forța gravitațională are aceeași mărime în toate direcțiile sale și în fiecare punct. Luând în considerare această asemănare, A. Einstein a ajuns la concluzia că gravitația poate fi creată sau distrusă prin trecerea la un sistem de referință care se mișcă cu accelerație. De exemplu, dacă o persoană se află într-un lift fără ferestre în afara forței gravitaționale, atunci va fi într-o stare de imponderabilitate. Toate obiectele care îl înconjoară și el însuși nu vor fi atrase de etajul liftului. Dacă trageți mental un lift în sus folosind o frânghie cu o viteză egală cu accelerația căderii libere pe Pământ, atunci această persoană va simți efectele forței gravitaționale, care vor fi similare cu forța gravitațională într-un câmp gravitațional uniform, unde în fiecare punct accelerația căderii libere a corpurilor are aceeași dimensiune. De fapt, din cadrul extern de referință este corect să spunem că liftul, podeaua lui, se deplasează către persoana și obiectele din el.

Principiul echivalenței maselor grele și inerte. Acest principiu conține răspunsul la întrebarea pe care și-a pus-o Einstein: de ce depinde acțiunea gravitației, cum este determinată? În fizica newtoniană, gravitația depinde numai de masa corpurilor. Din legea căderii libere a corpurilor, descoperită de Galileo, a rezultat că există o relație proporțională între masele grele și cele inerte ale unui corp, ceea ce ne permite să presupunem că nu există nicio diferență semnificativă între aceste mase corporale atunci când vorbim despre acţiunea forţei gravitaţiei.

Deoarece toată căldura cade cu aceeași accelerație, indiferent de greutatea lor, aceasta sugerează că masa inerțială a corpurilor este proporțională cu masa lor gravitațională. Atitudinea Mi? mi (unde mi este masa inerțială a oricărui corp, Mi este masa gravitațională a aceluiași corp) în timpul căderii libere a corpurilor rămâne constantă pentru toate temperaturile, indiferent de natura lor fizică reală (din lemn sau metal etc.). În 1890, fizicianul maghiar Eötvös a dovedit experimental validitatea presupunerii fizicii Galileo-Newton despre masele proporționale inerțiale și gravitaționale ale unui corp. Pentru Newton, acest raport a fost mai mic de 10-8 (M1,/m1< 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.

Analizând semnificația fizică a corespondenței proporționale dintre masele inerțiale și grele ale unui corp, precum și natura asemănării acțiunii forței gravitaționale cu fenomenul care apare într-un cadru de referință neinerțial care se mișcă cu accelerație constantă, Einstein a ajuns la concluzia că forța gravitațională nu depinde de masa corpurilor. Desigur, a apărut întrebarea: de ce depinde? Einstein a dat următorul răspuns la această întrebare: din punct de vedere teoretic, există motive pentru a afirma că forța gravitației este echivalentă cu curbura spațiului, iar curbura spațiului este echivalentă cu acțiunea gravitației. În această soluție, forței de inerție, care în fizica newtoniană era considerată o forță ireală, i se acordă un statut real. De exemplu, atunci când un tren este în mișcare, pasagerii observă mișcarea aparentă a obiectelor din afara trenului în direcția opusă. Teoria lui Einstein dă un sens real acestei forțe. Să presupunem că există un lift care este atașat de o frânghie în așa fel încât obiectele aflate în el să nu fie afectate de forța gravitației. Apoi obiectele vor fi amplasate pe aceeași linie față de podeaua liftului. În momentul în care frânghia este tăiată, va apărea o forță de inerție, care va tinde să mențină poziția inițială a fiecărui obiect din lift. Deoarece forța gravitațională este îndreptată spre centrul Pământului, direcția forței de inerție pentru fiecare obiect ascensor nu va fi aceeași, ci va depinde de distanța sa până la centrul ascensorului. Pentru unele obiecte va fi îndreptată în sus, unde forța gravitației va fi perpendiculară pe centrul Pământului. În alte locuri din lift, direcția forței de inerție va fi la un anumit unghi față de direcția forței gravitaționale. Ca urmare, spațiul din interiorul liftului care căde va fi curbat. Pentru un observator din afara liftului, obiectele nu vor fi amplasate pe o linie orizontală dreaptă paralelă cu podeaua, ci pe o linie curbă. Lumina într-un astfel de spațiu nu se va propaga în linie dreaptă, așa cum este cerut de SRT, ci de-a lungul unei linii curbe.

Consecințele relativității generale.

Lumina într-un spațiu-timp curbat nu se poate propaga cu aceeași viteză, așa cum este cerut de SRT. În apropierea sursei de gravitație se propagă mai încet decât departe de ea.

Viteza ceasului încetinește pe măsură ce se apropie de sursa gravitației.

În structura spațiu - timp - energie (materie, câmp, radiație), sunt posibile formațiuni, structuri, unde forța gravitațională, reprezentată de valoarea corespunzătoare a tensorului de curbură, este atât de puternică încât energia nu poate scăpa din această structură, ca un un fel de „gaură neagră” sub formă de lumină, câmp și materie. Ecuația gravitației lui Einstein include un tensor „energie-impuls” de 10 componente pentru a descrie accelerația unui corp într-un mediu în mișcare. Adăugând la acest tensor informații (componente) despre forțele care acționează în mediul în mișcare însuși, unde se află corpul, oferă un sistem de ecuații pentru descrierea proceselor evolutive din Univers.

După ce a creat Relativitatea Generală, A. Einstein a indicat trei fenomene, ale căror explicații prin teoria sa și teoria lui Newton au dat rezultate diferite: rotația planului orbitei lui Mercur, deviația razelor de lumină care trec în apropierea Soarelui și deplasarea la roșu. a liniilor spectrale de lumină emise de la suprafața corpurilor masive. Efectul de rotație a planului orbitei lui Mercur a fost descoperit de astronomul Leverrier (1811-1877). Teoria lui Newton nu a oferit o explicație pentru acest fenomen. Vorbim despre rotația planului orbitei lui Mercur în jurul axei majore a elipsei de-a lungul căreia Mercur se mișcă în jurul Soarelui.

Conform teoriei generale a relativității a lui A. Einstein, planetele, completând o revoluție completă în jurul Soarelui, nu se pot întoarce în același loc, ci se deplasează ușor înainte și orbitele lor se rotesc lent în planul lor. Acest efect a fost prezis de A. Einstein. Verificarea calculelor a coincis exact cu predicțiile relativității generale. Concepte de științe naturale moderne: un manual pentru studenți / ed. V.N. Lavrinenko, V.P. Ratnikova. - Ed. a IV-a, revizuită. si suplimentare - M.: UNITATEA-DANA, 2008.

Ideea creării unei teorii a câmpurilor gauge este strâns legată de dezvoltarea teoriei relativității generale. Matematicianul german G. Weyl (1862--1943) în lucrarea sa „Spațiu, timp și materie” (1918) a formulat principiul conform căruia legile fizice trebuie să fie invariante (să aibă aceeași formă) cu privire la schimbările de scară a măsurarea în sistemele spaţiu-timp-substanţă. Transformarea sau schimbarea scalelor de măsurare poate fi fie omogenă, fie neomogene de la un punct la altul în structurile spațiu-timp.

Transformările neomogene se numesc transformări gauge. În relativitatea generală, lungimea și scara de timp nu depind de locația, timpul și starea de mișcare a observatorului. Teoria lui G. Weyl permite doar schimbări ale scărilor de timp în structurile spațiu-timp.

Spațiul curbat poate fi imaginat după cum urmează. Dacă întindeți o bucată subțire de cauciuc și plasați un obiect greu în centru, cauciucul de dedesubt se va lăsa. Dacă acum rulați o minge mică de-a lungul acestei clape, aceasta va fi trasă spre depresiune. Dacă depresiunea este adâncă, atunci mingea se va roti în jurul obiectului care a format această depresiune.

Primul fizician care a acceptat cu entuziasm descoperirea cuantumului elementar de acțiune și a dezvoltat-o ​​creativ a fost A. Einstein. În 1905, a transferat ideea genială a absorbției și eliberării cuantificate de energie în timpul radiației termice la radiații în general și a fundamentat astfel noua doctrină a luminii. Dacă M. Planck (1900) a cuantificat doar energia unui oscilator material, atunci Einstein a introdus ideea unei structuri cuantice discrete a radiației luminoase însăși, considerând-o pe aceasta din urmă ca un flux de cuante de lumină sau fotoni (teoria fotonului ușoară). Astfel, Einstein este responsabil pentru descoperirea teoretică a fotonului, descoperit experimental în 1922 de A. Compton.

Ideea luminii ca un flux de quante care se mișcă rapid a fost extrem de îndrăzneață, aproape îndrăzneață și puțini au crezut inițial în corectitudinea ei. În primul rând, M. Planck însuși nu a fost de acord cu extinderea ipotezei cuantice la teoria cuantică a luminii, făcând referire la formula sa cuantică doar la legile radiației termice a unui corp negru pe care le-a luat în considerare.

A. Einstein a sugerat că vorbim despre o lege naturală de natură universală. Fără să privească înapoi la vederile predominante în optică, el a aplicat ipoteza lui Planck la lumină și a ajuns la concluzia că structura corpusculară a luminii ar trebui recunoscută. Concepte de științe naturale moderne: un manual pentru studenți / ed. V.N. Lavrinenko, V.P. Ratnikova. - Ed. a IV-a, revizuită. si suplimentare - M.: UNITATEA-DANA, 2008.

Teoria cuantică a luminii, sau teoria fotonului, a lui A. Einstein a susținut că lumina este un fenomen ondulatoriu care se propagă constant în spațiu. Și în același timp, energia luminii, pentru a fi eficientă din punct de vedere fizic, este concentrată doar în anumite locuri, deci lumina are o structură intermitentă. Lumina poate fi considerată ca un flux de granule de energie indivizibile, cuante de lumină sau fotoni. Energia lor este determinată de cuantumul elementar al acțiunii Planck și de numărul corespunzător de vibrații. Lumina de diferite culori este formată din cuante de lumină de diferite energii.

Ideea lui Einstein despre quanta luminii a ajutat la înțelegerea și vizualizarea fenomenului efectului fotoelectric, a cărui esență este eliminarea electronilor dintr-o substanță sub influența undelor electromagnetice. Experimentele au arătat că prezența sau absența unui efect fotoelectric este determinată nu de intensitatea undei incidente, ci de frecvența acesteia. Dacă presupunem că fiecare electron este eliminat de un foton, atunci devine clar următorul lucru: efectul are loc numai dacă energia fotonului și, în consecință, frecvența acestuia, este suficient de mare pentru a depăși forțele de legare dintre electron și materie. .

Corectitudinea acestei interpretări a efectului fotoelectric (pentru această lucrare Einstein a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1922) a fost confirmată 10 ani mai târziu în experimentele fizicianului american R.E. Millikan (1868 - 1953). Descoperit în 1923 de fizicianul american A.H. Compton (1892 - 1962) fenomenul (efectul Compton), care se observă atunci când atomii cu electroni liberi sunt expuși la raze X foarte dure, a confirmat din nou și în cele din urmă teoria cuantică a luminii. Această teorie este una dintre teoriile fizice cele mai confirmate experimental. Dar natura ondulatorie a luminii fusese deja stabilită ferm prin experimente privind interferența și difracția.

A apărut o situație paradoxală: s-a descoperit că lumina se comportă nu numai ca o undă, ci și ca un flux de corpusculi. În experimentele de difracție și interferență sunt relevate proprietățile sale de undă, iar în efectul fotoelectric sunt relevate proprietățile corpusculare. În acest caz, fotonul s-a dovedit a fi un tip foarte special de corpuscul. Principala caracteristică a discretității sale - porțiunea sa inerentă de energie - a fost calculată printr-o caracteristică pur ondulatorie - frecvența.

Ca toate marile descoperiri științifice naturale, noua doctrină a luminii avea o semnificație teoretică și epistemologică fundamentală. Vechea poziție despre continuitatea proceselor naturale, care a fost zguduită de M. Planck, a fost exclusă de Einstein din domeniul mult mai larg al fenomenelor fizice.

Cosmologia relativistă modernă construiește modele ale Universului, pornind de la ecuația de bază a gravitației introdusă de A. Einstein în teoria generală a relativității (GTR). Likhin A.F. Concepte de științe naturale moderne: manual. - M.: TK Welby, Editura Prospekt, 2006.

Ecuația de bază a relativității generale leagă geometria spațiului (mai precis, tensorul metric) cu densitatea și distribuția materiei în spațiu. Pentru prima dată în știință, Universul a apărut ca un obiect fizic. Teoria include parametrii săi: masă, densitate, mărime, temperatură.

Ecuația gravitației lui Einstein are nu una, ci multe soluții, ceea ce explică existența multor modele cosmologice ale Universului. Primul model a fost dezvoltat de A. Einstein în 1917. El a respins postulatele cosmologiei newtoniene despre absolutitatea și infinititatea spațiului. În conformitate cu modelul cosmologic al Universului al lui A. Einstein, spațiul mondial este omogen și izotrop, materia este distribuită uniform în el în medie, iar atracția gravitațională a maselor este compensată de repulsia cosmologică universală. A. Modelul lui Einstein este de natură staționară, deoarece metrica spațială este considerată independentă de timp. Existența Universului este infinită, adică. nu are început sau sfârșit, iar spațiul este nelimitat, dar finit.

Universul din modelul cosmologic al lui A. Einstein este staționar, infinit în timp și nelimitat în spațiu.

Acest model părea destul de satisfăcător la acea vreme, deoarece era în concordanță cu toate faptele cunoscute. Dar ideile noi prezentate de A. Einstein au stimulat cercetările ulterioare, iar în curând abordarea problemei s-a schimbat decisiv.

În același 1917, astronomul olandez W. de Sitter (1872-1934) a propus un alt model, care era și o soluție a ecuațiilor gravitaționale. Această soluție avea proprietatea că ar exista chiar dacă ar exista un Univers „gol”, lipsit de materie. Dacă într-un astfel de Univers au apărut mase, atunci soluția a încetat să mai fie staționară: a apărut un fel de repulsie cosmică între mase, care avea tendința de a le îndepărta unele de altele. Tendința de expansiune, potrivit lui W. de Sitter, a devenit vizibilă doar la distanțe foarte mari.

În 1922, matematicianul și geofizicianul rus A.A. Friedman (1888 - 1925) a respins postulatul cosmologiei clasice despre natura staționară a Universului și a obținut o soluție la ecuațiile lui A. Einstein, care descrie Universul cu spațiu „în expansiune”.

relativitatea einstein gravitația cuantică

Teoria generală a relativității, împreună cu teoria specială a relativității, este lucrarea genială a lui Albert Einstein, care la începutul secolului al XX-lea a schimbat modul în care fizicienii priveau lumea. O sută de ani mai târziu, relativitatea generală este teoria fundamentală și cea mai importantă a fizicii din lume și, împreună cu mecanica cuantică, pretinde a fi una dintre cele două pietre de temelie ale „teoriei tuturor lucrurilor”. Teoria generală a relativității descrie gravitația ca o consecință a curburii spațiu-timpului (unite în relativitatea generală într-un întreg) sub influența masei. Datorită relativității generale, oamenii de știință au obținut multe constante, au testat o grămadă de fenomene inexplicabile și au descoperit lucruri precum găurile negre, materia întunecată și energia întunecată, expansiunea Universului, Big Bang-ul și multe altele. De asemenea, GTR a refuzat depășirea vitezei luminii, prin urmare literalmente prinzându-ne în împrejurimile noastre (Sistemul Solar), dar a lăsat o portiță sub formă de găuri de vierme - căi posibile scurte prin spațiu-timp.

Fizicianul revoluționar și-a folosit mai degrabă imaginația decât matematica complexă pentru a găsi cea mai faimoasă și elegantă ecuație a sa. Einstein este cunoscut pentru că prezice fenomene ciudate, dar adevărate, cum ar fi astronauții din spațiu care îmbătrânesc mai lent decât oamenii de pe Pământ și formele obiectelor solide care se schimbă la viteze mari.

Dar ceea ce este interesant este că, dacă iei o copie a lucrării originale a lui Einstein din 1905 despre relativitate, este destul de ușor de descifrat. Textul este simplu și clar, iar ecuațiile sunt în mare parte algebrice – orice elev de liceu le poate înțelege.

Acest lucru se datorează faptului că matematica complexă nu a fost niciodată punctul forte al lui Einstein. Îi plăcea să gândească vizual, să facă experimente în imaginația sa și să le gândească până când ideile și principiile fizice au devenit clare.

Aici au început experimentele gândirii lui Einstein când avea doar 16 ani și cum l-au condus în cele din urmă la cea mai revoluționară ecuație din fizica modernă.

În acest moment al vieții lui Einstein, disprețul său prost ascuns față de rădăcinile sale germane și pentru metodele de predare autoritare ale Germaniei își luase deja roadele, iar el fusese dat afară din liceu, așa că s-a mutat la Zurich în speranța că va urma Institutul Federal Elvețian de Tehnologie (ETH).

Dar mai întâi, Einstein a decis să petreacă un an de pregătire la o școală din orașul vecin Aarau. În acest moment, el se trezi curând întrebându-se cum ar fi să alergi lângă un fascicul de lumină.

Einstein învățase deja la ora de fizică ce este un fascicul de lumină: un set de câmpuri electrice și magnetice oscilante care se mișcă cu 300.000 de kilometri pe secundă, viteza măsurată a luminii. Dacă ar alerga în apropiere cu aceeași viteză, și-a dat seama Einstein, ar putea vedea multe câmpuri electrice și magnetice oscilante lângă el, parcă înghețate în spațiu.

Dar asta era imposibil. În primul rând, câmpurile staționare ar încălca ecuațiile lui Maxwell, legile matematice care stau la baza a tot ceea ce știau fizicienii despre electricitate, magnetism și lumină. Aceste legi au fost (și sunt încă) destul de stricte: orice undă din aceste câmpuri trebuie să călătorească cu viteza luminii și nu poate sta nemișcate, fără excepții.

Mai rău, câmpurile staționare nu se potriveau cu principiul relativității, care era cunoscut de fizicieni încă din zilele lui Galileo și Newton în secolul al XVII-lea. În esență, principiul relativității spune că legile fizicii nu pot depinde de cât de repede vă mișcați: puteți măsura doar viteza unui obiect față de altul.

Dar când Einstein a aplicat acest principiu experimentului său de gândire, a apărut o contradicție: relativitatea a dictat că orice ar putea vedea când se mișcă în apropierea unui fascicul de lumină, inclusiv câmpuri staționare, trebuie să fie ceva banal pe care fizicienii l-ar putea crea în laborator. Dar nimeni nu a observat vreodată asta.

Această problemă l-a bântuit pe Einstein încă 10 ani, în timp ce el a studiat și a lucrat la ETH și s-a mutat în capitala Elveției, Berna, unde va deveni examinator la biroul de brevete elvețian. Acolo va rezolva paradoxul odată pentru totdeauna.

1904: Măsurarea luminii dintr-un tren în mișcare

Nu a fost ușor. Einstein a încercat toate soluțiile la care s-a putut gândi, dar nimic nu a funcționat. Aproape disperat, a început să se gândească la o soluție simplă, dar radicală. Poate că ecuațiile lui Maxwell au funcționat pentru orice, se gândi el, dar viteza luminii fusese întotdeauna constantă.

Cu alte cuvinte, când vezi un fascicul de lumină zburând, nu contează dacă sursa lui se mișcă spre tine, departe de tine, departe de tine sau oriunde altundeva și nu contează cât de repede este sursa lui. in miscare. Viteza luminii pe care o măsurați va fi întotdeauna de 300.000 de kilometri pe secundă. Printre altele, acest lucru însemna că Einstein nu va vedea niciodată câmpuri oscilante staționare, deoarece nu va fi niciodată capabil să prindă un fascicul de lumină.

Acesta a fost singurul mod în care Einstein a văzut pentru a reconcilia ecuațiile lui Maxwell cu principiul relativității. La prima vedere, însă, această soluție avea propriul ei defect fatal. El a explicat-o mai târziu cu un alt experiment de gândire: imaginați-vă o grindă care este trasă de-a lungul unui terasament de cale ferată în timp ce un tren trece în aceeași direcție cu, să zicem, 3000 de kilometri pe secundă.

Cineva care stă lângă terasament ar trebui să măsoare viteza razului de lumină și să obțină numărul standard de 300.000 de kilometri pe secundă. Dar cineva dintr-un tren va vedea lumina mișcându-se cu 297.000 de kilometri pe secundă. Dacă viteza luminii nu este constantă, ecuația lui Maxwell din interiorul vagonului ar trebui să arate diferit, a concluzionat Einstein, iar atunci principiul relativității ar fi încălcat.

Această aparentă contradicție ia dat lui Einstein o pauză de aproape un an. Dar apoi, într-o dimineață frumoasă din mai 1905, mergea la muncă cu cel mai bun prieten al său Michel Besso, un inginer pe care îl cunoștea încă din vremea studenției la Zurich. Cei doi bărbați au vorbit despre dilema lui Einstein, așa cum au făcut-o întotdeauna. Și deodată Einstein a văzut soluția. A lucrat la asta toată noaptea, iar când s-au întâlnit a doua zi dimineață, Einstein i-a spus lui Besso: „Mulțumesc. Am rezolvat complet problema.”

Mai 1905: Fulgerul lovește un tren în mișcare

Revelația lui Einstein a fost că observatorii aflați în mișcare relativă percep timpul diferit: este foarte posibil ca două evenimente să se producă simultan din punctul de vedere al unui observator, dar în momente diferite din punctul de vedere al altuia. Și ambii observatori vor avea dreptate.

Einstein și-a ilustrat mai târziu punctul său de vedere cu un alt experiment de gândire. Imaginează-ți că un observator stă din nou lângă calea ferată și un tren trece în grabă pe lângă el. În momentul în care punctul central al trenului trece de observator, fulgerul lovește fiecare capăt al trenului. Deoarece fulgerul lovește la aceeași distanță de observator, lumina lor intră în ochii lui în același timp. Ar fi corect să spunem că fulgerul lovește simultan.

Între timp, un alt observator stă exact în centrul trenului. Din punctul său de vedere, lumina de la două fulgere parcurge aceeași distanță și viteza luminii va fi aceeași în orice direcție. Dar pentru că trenul se mișcă, lumina care vine de la fulgerul din spate trebuie să parcurgă o distanță mai mare, așa că ajunge la observator cu câteva momente mai târziu decât lumina de la început. Deoarece pulsurile de lumină sosesc în momente diferite, putem concluziona că loviturile fulgerelor nu sunt simultane - una are loc mai repede.

Einstein a realizat că tocmai această simultaneitate este relativă. Și odată ce acceptați acest lucru, efectele ciudate pe care le asociem acum cu relativitatea sunt rezolvate folosind algebră simplă.

Einstein și-a scris cu febril gândurile și și-a trimis lucrările spre publicare. Titlul era „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare” și reflecta încercarea lui Einstein de a conecta ecuațiile lui Maxwell cu principiul relativității. Besso a primit mulțumiri speciale.

Septembrie 1905: masă și energie

Această primă lucrare nu a fost însă ultima. Einstein a fost obsedat de relativitate până în vara lui 1905, iar în septembrie a trimis o a doua lucrare spre publicare, de data aceasta în retrospectivă.

S-a bazat pe un alt experiment de gândire. Imaginați-vă un obiect în repaus, spuse el. Acum imaginați-vă că emite simultan două impulsuri identice de lumină în direcții opuse. Obiectul va rămâne pe loc, dar deoarece fiecare puls transportă o anumită cantitate de energie, energia conținută în obiect va scădea.

Acum, a scris Einstein, cum ar arăta acest proces pentru un observator în mișcare? Din punctul său de vedere, obiectul va continua pur și simplu să se miște în linie dreaptă în timp ce cele două impulsuri zboară. Dar chiar dacă viteza celor două impulsuri rămâne aceeași - viteza luminii - energiile lor vor fi diferite. Un impuls care se deplasează înainte în direcția de mers va avea o energie mai mare decât unul care se mișcă în direcția opusă.

Adăugând puțină algebră, Einstein a arătat că, pentru ca acest lucru să fie consistent, obiectul nu trebuie să piardă doar energie atunci când trimite impulsuri de lumină, ci și masă. Sau masa și energia ar trebui să fie interschimbabile. Einstein a scris o ecuație care le leagă. Și a devenit cea mai faimoasă ecuație din istoria științei: E = mc 2.

Teoria relativității a lui Einstein mi s-a părut întotdeauna abstractă și de neînțeles. Să încercăm să descriem teoria relativității a lui Einstein în cuvinte simple. Imaginați-vă că sunteți afară în ploaie puternică, cu vântul care suflă în spate. Dacă începi să alergi repede, picăturile de ploaie nu vor cădea pe spate. Picăturile vor fi mai lente sau nu vor ajunge deloc la spate, acesta este un fapt dovedit științific și îl puteți verifica singur într-o furtună. Acum imaginați-vă că dacă v-ați întoarce și ați alerga împotriva vântului cu ploaie, picăturile ți-ar lovi hainele și fața mai tare decât dacă ai sta în picioare.

Oamenii de știință au crezut anterior că lumina acționează ca ploaia pe vreme cu vânt. Ei au crezut că dacă Pământul s-ar mișca în jurul Soarelui, iar Soarele s-ar mișca în jurul galaxiei, atunci ar fi posibil să se măsoare viteza mișcării lor în spațiu. În opinia lor, tot ce trebuie să facă este să măsoare viteza luminii și modul în care aceasta se schimbă în raport cu două corpuri.

Oamenii de știință au făcut-o și a găsit ceva foarte ciudat. Viteza luminii era aceeași, indiferent ce, indiferent cum se mișcau corpurile și indiferent în ce direcție s-au făcut măsurătorile.

A fost foarte ciudat. Dacă luăm situația cu o furtună, atunci în circumstanțe normale picăturile de ploaie te vor afecta mai mult sau mai puțin în funcție de mișcările tale. De acord, ar fi foarte ciudat dacă o furtună de ploaie ar sufla în spate cu aceeași forță, atât la alergare, cât și la oprire.

Oamenii de știință au descoperit că lumina nu are aceleași proprietăți ca picăturile de ploaie sau orice altceva din univers. Indiferent cât de repede te miști și indiferent în ce direcție te îndrepți, viteza luminii va fi întotdeauna aceeași. Acest lucru este foarte confuz și numai Albert Einstein a putut să facă lumină asupra acestei nedreptăți.

Einstein și un alt om de știință, Hendrik Lorentz, și-au dat seama că există o singură modalitate de a explica cum ar putea fi toate acestea. Acest lucru este posibil doar dacă timpul încetinește.

Imaginează-ți ce s-ar întâmpla dacă timpul ar încetini pentru tine și nu ai ști că te miști mai încet. Veți simți că totul se întâmplă mai repede., totul în jurul tău se va mișca, ca într-un film în avans rapid.

Așa că acum să ne imaginăm că ești din nou într-o ploaie de vânt. Cum este posibil ca ploaia să te afecteze la fel, chiar dacă alergi? Se pare că dacă încercai să fugi de ploaie, atunci timpul tău ar încetini și ploaia s-ar accelera. Picăturile de ploaie ți-ar lovi spatele cu aceeași viteză. Oamenii de știință numesc această dilatare a timpului. Indiferent cât de repede te miști, timpul tău încetinește, cel puțin pentru viteza luminii această expresie este adevărată.

Dualitatea dimensiunilor

Un alt lucru pe care Einstein și Lorentz și-au dat seama a fost că doi oameni în circumstanțe diferite pot obține valori calculate diferite și cel mai ciudat lucru este că amândoi vor avea dreptate. Acesta este un alt efect secundar al luminii care se mișcă mereu cu aceeași viteză.

Să facem un experiment de gândire

Imaginează-ți că stai în centrul camerei tale și ai instalat o lampă chiar în mijlocul camerei. Acum imaginați-vă că viteza luminii este foarte lentă și puteți vedea cum se deplasează, imaginați-vă că aprindeți o lampă.

De îndată ce aprindeți lampa, lumina va începe să se extindă și să se ilumineze. Deoarece ambii pereți sunt la aceeași distanță, lumina va ajunge la ambii pereți în același timp.

Acum imaginează-ți că în camera ta este o fereastră mare și un prieten de-al tău trece cu mașina. Va vedea altceva. Pentru el, va părea că camera ta se mișcă spre dreapta și când vei aprinde lampa, va vedea peretele din stânga îndreptându-se spre lumină. iar peretele drept se îndepărtează de lumină. El va vedea că lumina a lovit mai întâi peretele din stânga, apoi pe dreapta. I se va părea că lumina nu a luminat ambii pereți în același timp.

Conform teoriei relativității a lui Einstein, ambele puncte de vedere vor fi corecte. Din punctul tău de vedere, lumina lovește ambii pereți în același timp. Din punctul de vedere al prietenului tău, nu este așa. Nu este nimic gresit.

Acesta este motivul pentru care oamenii de știință spun că „simultaneitatea este relativă”. Dacă măsori două lucruri care ar trebui să se întâmple în același timp, atunci cineva care se mișcă cu o viteză diferită sau într-o direcție diferită nu le va putea măsura în același mod ca tine.

Acest lucru ni se pare foarte ciudat, deoarece viteza luminii este instantanee pentru noi și ne mișcăm foarte încet în comparație. Deoarece viteza luminii este atât de mare, nu observăm viteza luminii până nu realizăm experimente speciale.

Cu cât un obiect se mișcă mai repede, cu atât este mai scurt și mai mic

Un alt efect secundar foarte ciudat că viteza luminii nu se schimbă. La viteza luminii, lucrurile în mișcare devin mai scurte.

Din nou, să ne imaginăm că viteza luminii este foarte lentă. Imaginează-ți că călătorești într-un tren și ai instalat o lampă în mijlocul vagonului. Acum imaginați-vă că aprindeți o lampă, ca într-o cameră.

Lumina se va răspândi și va ajunge simultan la pereții din față și din spatele mașinii. În acest fel, puteți măsura chiar și lungimea căruciorului, măsurând cât de mult i-a luat luminii să ajungă pe ambele părți.

Hai sa facem calculele:

Să ne imaginăm că durează 1 secundă pentru a parcurge 10 metri și este nevoie de 1 secundă pentru ca lumina să se răspândească de la lampă pe peretele căruciorului. Aceasta înseamnă că lampa este situată la 10 metri de ambele părți ale mașinii. Deoarece 10 + 10 = 20, aceasta înseamnă că lungimea mașinii este de 20 de metri.

Acum să ne imaginăm că prietenul tău este pe stradă și privește un tren care trece. Amintiți-vă că el vede lucrurile diferit. Peretele din spate al căruciorului se deplasează către lampă, iar peretele frontal se îndepărtează de aceasta. În acest fel, lumina nu va atinge partea din față și din spate a peretelui mașinii în același timp. Lumina va ajunge mai întâi în spate și apoi în față.

Astfel, dacă tu și prietenul tău măsurați viteza de propagare a luminii de la lampă la pereți, veți obține valori diferite, dar din punct de vedere științific, ambele calcule vor fi corecte. Doar pentru tine, conform măsurătorilor, lungimea căruciorului va fi de aceeași dimensiune, dar pentru un prieten, lungimea căruciorului va fi mai mică.

Amintiți-vă, totul este despre cum și în ce condiții faceți măsurători. Dacă ai fi în interiorul unei rachete care se mișcă cu viteza luminii, nu ai simți nimic neobișnuit, spre deosebire de oamenii de la sol care îți măsoară mișcarea. N-ai putea să-ți dai seama că timpul se mișcă mai lent pentru tine sau că partea din față și din spate ale navei se apropiaseră brusc una de alta.

În același timp, dacă ai zbura pe o rachetă, ți s-ar părea că toate planetele și stelele ar zbura pe lângă tine cu viteza luminii. În acest caz, dacă încercați să le măsurați timpul și dimensiunea, atunci logic pentru ei timpul ar trebui să încetinească și dimensiunile lor ar trebui să scadă, nu?

Toate acestea erau foarte ciudate și de neînțeles, dar Einstein a propus o soluție și a combinat toate aceste fenomene într-o singură teorie a relativității.

Se spune că Albert Einstein a avut o epifanie într-o clipă. Omul de știință se presupunea că mergea cu tramvaiul în Berna (Elveția), s-a uitat la ceasul străzii și și-a dat brusc seama că dacă tramvaiul ar accelera acum la viteza luminii, atunci, în percepția lui, acest ceas s-ar opri - și nu ar mai fi timp în jur. Acest lucru l-a determinat să formuleze unul dintre postulatele centrale ale relativității - că diferiți observatori percep realitatea în mod diferit, inclusiv cantități fundamentale precum distanța și timpul.

Din punct de vedere științific, în acea zi, Einstein și-a dat seama că descrierea oricărui eveniment sau fenomen fizic depinde de sisteme de referință, în care se află observatorul. Dacă un pasager de tramvai, de exemplu, își scapă ochelarii, atunci pentru ea vor cădea vertical în jos, iar pentru un pieton care stă pe stradă, ochelarii vor cădea într-o parabolă, deoarece tramvaiul se mișcă în timp ce ochelarii cad. Fiecare are propriul său cadru de referință.

Dar, deși descrierile evenimentelor se schimbă atunci când se trece de la un cadru de referință la altul, există și lucruri universale care rămân neschimbate. Dacă, în loc să descriem căderea ochelarilor, punem o întrebare despre legea naturii care îi face să cadă, atunci răspunsul la aceasta va fi același pentru un observator într-un sistem de coordonate staționar și pentru un observator într-o coordonată în mișcare. sistem. Legea mișcării distribuite se aplică în mod egal pe stradă și pe tramvai. Cu alte cuvinte, în timp ce descrierea evenimentelor depinde de observator, legile naturii nu depind de el, adică, așa cum se spune în mod obișnuit în limbajul științific, ele sunt invariant. Despre asta este vorba principiul relativității.

Ca orice ipoteză, principiul relativității trebuia testat prin corelarea lui cu fenomenele naturale reale. Din principiul relativității, Einstein a derivat două teorii separate (deși înrudite). Teoria specială sau particulară a relativității vine din poziția că legile naturii sunt aceleași pentru toate sistemele de referință care se mișcă cu viteză constantă. Teoria generală a relativității extinde acest principiu la orice cadru de referință, inclusiv la cele care se mișcă cu accelerație. Teoria specială a relativității a fost publicată în 1905, iar teoria generală a relativității, mai complexă din punct de vedere matematic, a fost finalizată de Einstein până în 1916.

Teoria specială a relativității

Cele mai multe dintre efectele paradoxale și contraintuitive care apar atunci când se deplasează la viteze apropiate de viteza luminii sunt prezise de teoria relativității speciale. Cel mai faimos dintre ele este efectul de încetinire a ceasului, sau efect de dilatare a timpului. Un ceas care se mișcă în raport cu un observator merge mai lent pentru el decât exact același ceas din mâinile lui.

Timpul într-un sistem de coordonate care se mișcă la viteze apropiate de viteza luminii în raport cu observatorul este întins, iar întinderea (lungimea) spațială a obiectelor de-a lungul axei direcției de mișcare, dimpotrivă, este comprimată. Acest efect, cunoscut sub numele de Contracția Lorentz-Fitzgerald, a fost descris în 1889 de către fizicianul irlandez George Fitzgerald (1851-1901) și extins în 1892 de olandezul Hendrick Lorentz (1853-1928). Reducerea Lorentz-Fitzgerald explică de ce experimentul Michelson-Morley pentru a determina viteza de mișcare a Pământului în spațiul cosmic prin măsurarea „vântului eteric” a dat un rezultat negativ. Einstein a inclus ulterior aceste ecuații în teoria relativității speciale și le-a completat cu o formulă similară de conversie a masei, conform căreia masa unui corp crește și ea pe măsură ce viteza corpului se apropie de viteza luminii. Astfel, la o viteză de 260.000 km/s (87% din viteza luminii), masa obiectului din punctul de vedere al unui observator situat într-un cadru de referință de repaus se va dubla.

De pe vremea lui Einstein, toate aceste predicții, oricât de contrare ar părea ele, au găsit o confirmare experimentală completă și directă. Într-unul dintre cele mai revelatoare experimente, oamenii de știință de la Universitatea din Michigan au plasat ceasuri atomice ultra-precise la bordul unui avion de linie care efectuează zboruri regulate transatlantice și, după fiecare întoarcere la aeroportul de origine, și-au comparat citirile cu ceasul de control. S-a dovedit că ceasul din avion a rămas treptat în urma ceasului de control din ce în ce mai mult (ca să spunem așa, când vorbim de fracțiuni de secundă). În ultima jumătate de secol, oamenii de știință au studiat particulele elementare folosind complexe hardware uriașe numite acceleratoare. În ele, fasciculele de particule subatomice încărcate (cum ar fi protoni și electroni) sunt accelerate la viteze apropiate de viteza luminii, apoi sunt trase către diferite ținte nucleare. În astfel de experimente la acceleratoare, este necesar să se ia în considerare creșterea masei particulelor accelerate - altfel rezultatele experimentului pur și simplu nu se vor preta interpretării rezonabile. Și în acest sens, teoria relativității speciale s-a mutat de mult de la categoria teoriilor ipotetice în domeniul instrumentelor de inginerie aplicată, unde este folosită la egalitate cu legile mecanicii lui Newton.

Revenind la legile lui Newton, aș dori să remarc în mod special că teoria relativității speciale, deși contrazice în exterior legile mecanicii clasice newtoniene, de fapt reproduce aproape exact toate ecuațiile uzuale ale legilor lui Newton, dacă este aplicată pentru a descrie corpurile în mișcare. la viteze semnificativ mai mici decât viteza luminii. Adică, teoria relativității speciale nu anulează fizica newtoniană, ci o extinde și o completează.

Principiul relativității ajută, de asemenea, să înțelegem de ce viteza luminii, și nu oricare alta, joacă un rol atât de important în acest model al structurii lumii - aceasta este o întrebare pusă de mulți dintre cei care au întâlnit prima dată teoria relativitatii. Viteza luminii iese în evidență și joacă un rol deosebit ca constantă universală, deoarece este determinată de o lege a științei naturii. Datorită principiului relativității, viteza luminii în vid c este același în orice sistem de referință. Acest lucru ar părea să contrazică bunul simț, deoarece se dovedește că lumina dintr-o sursă în mișcare (indiferent cât de repede se mișcă) și dintr-o sursă staționară ajunge la observator în același timp. Cu toate acestea, acest lucru este adevărat.

Datorită rolului său special în legile naturii, viteza luminii ocupă un loc central în teoria generală a relativității.

Teoria generală a relativității

Teoria generală a relativității se aplică tuturor sistemelor de referință (și nu doar celor care se mișcă cu o viteză constantă unul față de celălalt) și pare matematic mult mai complicată decât cea specială (ceea ce explică decalajul de unsprezece ani dintre publicarea lor). Include ca caz special teoria relativității speciale (și deci legile lui Newton). În același timp, teoria generală a relativității merge mult mai departe decât toți predecesorii săi. În special, oferă o nouă interpretare a gravitației.

Teoria generală a relativității face lumea cu patru dimensiuni: la cele trei dimensiuni spațiale se adaugă timpul. Toate cele patru dimensiuni sunt inseparabile, așa că nu mai vorbim despre distanța spațială dintre două obiecte, așa cum este cazul în lumea tridimensională, ci despre intervalele spațiu-timp dintre evenimente, care combină distanța dintre ele - ambele. in timp si in spatiu. Adică, spațiul și timpul sunt considerate ca un continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni sau, pur și simplu, spațiu timp. În acest continuum, observatorii care se mișcă unul față de celălalt pot chiar să nu fie de acord dacă două evenimente au avut loc simultan sau dacă unul l-a precedat pe celălalt. Din fericire pentru biata noastră minte, aceasta nu ajunge în punctul de a încălca relațiile cauză-efect - adică nici măcar teoria generală a relativității nu permite existența unor sisteme de coordonate în care două evenimente să nu se producă simultan și în mod diferit. secvente.

Legea gravitației universale a lui Newton ne spune că între oricare două corpuri din Univers există o forță de atracție reciprocă. Din acest punct de vedere, Pământul se rotește în jurul Soarelui, deoarece între ele acționează forțe reciproce de atracție. Relativitatea generală ne obligă însă să privim diferit acest fenomen. Conform acestei teorii, gravitația este o consecință a deformării („curbura”) țesăturii elastice a spațiu-timpului sub influența masei (cu cât corpul este mai greu, de exemplu Soarele, cu atât spațiu-timp „se îndoaie” mai mult sub acesta și, în consecință, cu cât câmpul său de forță gravitațională este mai puternic). Imaginați-vă o pânză întinsă strâns (un fel de trambulină) pe care este plasată o minge masivă. Pânza este deformată sub greutatea mingii, iar în jurul ei se formează o depresiune în formă de pâlnie. Conform teoriei generale a relativității, Pământul se învârte în jurul Soarelui ca o mică minge lansată să se rostogolească în jurul conului unei pâlnii formate ca urmare a „împingerii” spațiu-timp de către o minge grea - Soarele. Și ceea ce ni se pare a fi forța gravitației este, de fapt, o manifestare pur externă a curburii spațiu-timpului și deloc o forță în înțelegerea newtoniană. Până în prezent, nicio explicație mai bună a naturii gravitației decât ne-o oferă teoria generală a relativității.

Testarea relativității generale este dificilă deoarece, în condiții normale de laborator, rezultatele sale sunt aproape exact aceleași cu cele prezice legea gravitației lui Newton. Cu toate acestea, au fost efectuate câteva experimente importante, iar rezultatele acestora ne permit să considerăm teoria confirmată. În plus, relativitatea generală ajută la explicarea fenomenelor pe care le observăm în spațiu, cum ar fi abaterile minore ale lui Mercur de la orbita staționară, care sunt inexplicabile din punctul de vedere al mecanicii clasice newtoniene, sau curbarea radiațiilor electromagnetice de la stelele îndepărtate atunci când trece în interior. aproape de Soare.

De fapt, rezultatele prezise de relativitatea generală diferă semnificativ de cele prezise de legile lui Newton numai în prezența câmpurilor gravitaționale super-puternice. Aceasta înseamnă că pentru a testa pe deplin teoria generală a relativității, avem nevoie fie de măsurători ultra-precise ale obiectelor foarte masive, fie de găuri negre, cărora nici una dintre ideile noastre intuitive obișnuite nu sunt aplicabile. Deci dezvoltarea de noi metode experimentale de testare a teoriei relativității rămâne una dintre cele mai importante sarcini ale fizicii experimentale.

GTO și RTG: câteva accente

1. În nenumărate cărți - monografii, manuale și publicații de popularitate, precum și în diverse tipuri de articole - cititorii sunt obișnuiți să vadă referirile la teoria generală a relativității (GTR) ca una dintre cele mai mari realizări ale secolului nostru, un minunat teorie, un instrument indispensabil al fizicii și astronomiei moderne. Între timp, din articolul lui A. A. Logunov află că, în opinia lui, GTR ar trebui abandonat, că este rău, inconsecvent și contradictoriu. Prin urmare, GTR necesită înlocuirea cu o altă teorie și, în special, cu teoria relativistă a gravitației (RTG) construită de A. A. Logunov și colaboratorii săi.

Este posibilă o astfel de situație atunci când mulți oameni greșesc în evaluarea GTR, care există și a fost studiat de mai bine de 70 de ani, și doar câțiva oameni, conduși de A. A. Logunov, și-au dat seama cu adevărat că GTR trebuie aruncat? Majoritatea cititorilor probabil se așteaptă la răspuns: acest lucru este imposibil. De fapt, nu pot răspunde decât exact invers: „asta” este posibil în principiu, pentru că nu vorbim de religie, ci de știință.

Fondatorii și profeții diferitelor religii și crezuri și-au creat și își creează propriile „cărți sfinte”, al căror conținut este declarat a fi adevărul suprem. Dacă cineva se îndoiește, cu atât mai rău pentru el, el devine un eretic cu consecințele care decurg, adesea chiar sângeroase. E mai bine să nu gândești deloc, ci să crezi, urmând formula cunoscută a unuia dintre conducătorii bisericii: „Cred, pentru că este absurd”. Viziunea științifică asupra lumii este fundamental opusă: ea cere să nu se ia nimic de bun, permite să se îndoiască de totul și nu recunoaște dogmele. Sub influența unor fapte și considerații noi, este nu numai posibil, ci și necesar, dacă este justificat, să vă schimbați punctul de vedere, să înlocuiți o teorie imperfectă cu una mai perfectă sau, să zicem, să generalizați cumva o teorie veche. Situația este similară în ceea ce privește persoanele fizice. Fondatorii doctrinelor religioase sunt considerați infailibili și, de exemplu, printre catolici, chiar și o persoană vie - Papa „domnitor” - este declarată infailibilă. Știința nu cunoaște oameni infailibili. Respectul mare, uneori chiar excepțional, pe care fizicienii (voi vorbi despre fizicieni pentru claritate) îl au față de marii reprezentanți ai profesiei lor, în special față de asemenea titani precum Isaac Newton și Albert Einstein, nu are nimic de-a face cu canonizarea sfinților, cu îndumnezeire. Și marii fizicieni sunt oameni și toți oamenii au slăbiciunile lor. Dacă vorbim despre știință, care ne interesează doar aici, atunci cei mai mari fizicieni nu au avut întotdeauna dreptate în toate; respectul pentru ei și recunoașterea meritelor lor se bazează nu pe infailibilitate, ci pe faptul că au reușit să îmbogățească știința cu realizări remarcabile. , pentru a vedea mai departe și mai adânc decât contemporanii lor.

2. Acum este necesar să ne oprim asupra cerințelor pentru teoriile fizice fundamentale. În primul rând, o astfel de teorie trebuie să fie completă în domeniul aplicabilității ei sau, așa cum voi spune pentru concizie, trebuie să fie consecventă. În al doilea rând, o teorie fizică trebuie să fie adecvată realității fizice sau, mai simplu spus, consecventă cu experimentele și observațiile. Ar putea fi menționate și alte cerințe, în primul rând respectarea legilor și regulilor matematicii, dar toate acestea sunt subînțelese.

Să explicăm ceea ce s-a spus folosind exemplul mecanicii clasice, non-relativiste - mecanica newtoniană aplicată la cea mai simplă problemă de principiu a mișcării unei particule „punctuale”. După cum se știe, rolul unei astfel de particule în problemele mecanicii cerești poate fi jucat de o planetă întreagă sau de satelitul său. Lasă să intre momentul t 0 particula este într-un punct A cu coordonate xiA(t 0) și are viteza v in absenta(t 0) (Aici i= l, 2, 3, deoarece poziția unui punct în spațiu este caracterizată de trei coordonate, iar viteza este un vector). Atunci, dacă toate forțele care acționează asupra particulei sunt cunoscute, legile mecanicii ne permit să determinăm poziția Bși viteza particulelor v iîn orice moment ulterior t, adică găsiți valori bine definite xiB(t) și v iB(t). Ce s-ar întâmpla dacă legile mecanicii folosite nu ar da un răspuns clar și, să zicem, în exemplul nostru ar fi prezis că particula în acest moment t poate fi situat fie la punct B, sau într-un punct complet diferit C? Este clar că o astfel de teorie clasică (non-cuantică) ar fi incompletă, sau, în terminologia menționată, inconsecventă. Ar trebui fie completat, făcându-l fără ambiguitate, fie eliminat complet. Mecanica lui Newton, așa cum sa menționat, este consecventă - oferă răspunsuri clare și bine definite la întrebările din domeniul său de competență și aplicabilitate. Mecanica newtoniană satisface și a doua cerință menționată - rezultatele obținute pe baza ei (și, în mod specific, valorile coordonatelor x i(t) și viteza v i (t)) sunt în concordanță cu observațiile și experimentele. De aceea, toată mecanica cerească - descrierea mișcării planetelor și a sateliților acestora - deocamdată s-a bazat în întregime, și cu deplin succes, pe mecanica newtoniană.

3. Dar în 1859, Le Verrier a descoperit că mișcarea planetei cea mai apropiată de Soare, Mercur, era oarecum diferită de cea prezisă de mecanica newtoniană. Mai exact, s-a dovedit că periheliul - punctul al orbitei eliptice a planetei cel mai apropiat de Soare - se rotește cu o viteză unghiulară de 43 de secunde de arc pe secol, diferită de ceea ce s-ar fi așteptat atunci când se iau în considerare toate perturbațiile cunoscute de la alte planete și sateliții lor. Chiar și mai devreme, Le Verrier și Adams s-au confruntat cu o situație în esență similară atunci când au analizat mișcarea lui Uranus, cea mai îndepărtată planetă de Soare cunoscută la acea vreme. Și au găsit o explicație pentru discrepanța dintre calcule și observații, sugerând că mișcarea lui Uranus este influențată de o planetă și mai îndepărtată, numită Neptun. În 1846, Neptun a fost de fapt descoperit în locația sa prezisă, iar acest eveniment este considerat pe bună dreptate un triumf al mecanicii newtoniene. În mod firesc, Le Verrier a încercat să explice anomalia menționată în mișcarea lui Mercur prin existența unei planete încă necunoscute - în acest caz, o anume planetă Vulcan, deplasându-se și mai aproape de Soare. Dar a doua oară „trucul a eșuat” - nu există Vulcan. Apoi au început să încerce să schimbe legea gravitației universale a lui Newton, conform căreia forța gravitațională, atunci când este aplicată sistemului Soare-planetă, se schimbă conform legii.

unde ε este o valoare mică. Apropo, o tehnică similară este folosită (deși fără succes) în zilele noastre pentru a explica unele întrebări neclare ale astronomiei (vorbim despre problema masei ascunse; vezi, de exemplu, cartea autorului „Despre fizică și astrofizică” citată mai jos, p. 148). Dar pentru ca o ipoteză să se dezvolte într-o teorie, este necesar să se pornească de la unele principii, să se indice valoarea parametrului ε și să se construiască o schemă teoretică consistentă. Nimeni nu a reușit, iar problema rotației periheliului lui Mercur a rămas deschisă până în 1915. Atunci, în plin Primul Război Mondial, când atât de puțini erau interesați de problemele abstracte ale fizicii și astronomiei, Einstein a finalizat (după aproximativ 8 ani de efort intens) crearea teoriei generale a relativității. Această ultimă etapă în construirea bazei GTR a fost acoperită în trei articole scurte raportate și scrise în noiembrie 1915. În al doilea dintre ele, raportat pe 11 noiembrie, Einstein, pe baza relativității generale, a calculat rotația suplimentară a periheliului lui Mercur față de cea newtoniană, care s-a dovedit a fi egală (în radiani pe revoluție a planetei în jurul valorii). soarele)

Și c= 3·10 10 cm s –1 – viteza luminii. La trecerea la ultima expresie (1), a fost folosită a treia lege a lui Kepler

A 3 =	GM ☼	T 2
	4π 2

Unde T– perioada de revoluție a planetei. Dacă înlocuim cele mai cunoscute valori în prezent ale tuturor cantităților în formula (1) și, de asemenea, facem o conversie elementară de la radiani pe revoluție la rotație în secunde de arc (semnul ″) pe secol, atunci ajungem la valoarea Ψ = 42 ″.98 / secol. Observațiile sunt de acord cu acest rezultat cu acuratețea obținută în prezent de aproximativ ± 0″.1 / secol (Einstein în prima sa lucrare a folosit date mai puțin precise, dar în limitele erorii a obținut acordul complet între teorie și observații). Formula (1) este dată mai sus, în primul rând, pentru a clarifica simplitatea sa, care este atât de des absentă în teoriile fizice complexe din punct de vedere matematic, inclusiv în multe cazuri în Relativitatea Generală. În al doilea rând, și acesta este principalul lucru, reiese clar din (1) că rotația periheliului decurge din relativitatea generală fără a fi nevoie să implice noi constante sau parametri necunoscuti. Prin urmare, rezultatul obținut de Einstein a devenit un adevărat triumf al relativității generale.

În cea mai bună biografie a lui Einstein pe care o cunosc, părerea este exprimată și justificată că explicația rotației periheliului lui Mercur a fost „cel mai puternic eveniment emoțional din întreaga viață științifică a lui Einstein și, poate, din întreaga sa viață”. Da, acesta a fost cea mai frumoasă oră a lui Einstein. Dar doar pentru el. Din mai multe motive (e suficient să menționăm războiul) pentru GR însuși, atât pentru ca această teorie, cât și pentru creatorul ei să intre pe scena mondială, „cea mai bună oră” a fost un alt eveniment care a avut loc 4 ani mai târziu - în 1919. Faptul este că în aceeași lucrare în care s-a obținut formula (1), Einstein a făcut o predicție importantă: razele de lumină care trec în apropierea Soarelui trebuie să se îndoaie, iar abaterea lor să fie

α = 4GM ☼ = 1″,75 r ☼ , c 2 r r

(2)

Unde r este cea mai apropiată distanță dintre rază și centrul Soarelui și r☼ = 6,96·10 10 cm – raza Soarelui (mai exact, raza fotosferei solare); astfel abaterea maximă care poate fi observată este de 1,75 secunde de arc. Oricât de mic ar fi un astfel de unghi (aproximativ în acest unghi un adult este vizibil de la o distanță de 200 km), el putea fi măsurat deja la acel moment prin metoda optică prin fotografiarea stelelor de pe cer în vecinătatea Soarelui. Aceste observații au fost făcute de două expediții engleze în timpul eclipsei totale de soare din 29 mai 1919. Efectul de deviere a razelor în câmpul Soarelui a fost stabilit cu certitudine și este în acord cu formula (2), deși acuratețea măsurătorilor datorită micii efectului a fost scăzută. Cu toate acestea, a fost exclusă o abatere la jumătate mai mare decât cea din (2), adică 0″.87. Acesta din urmă este foarte important, deoarece abaterea este de 0″.87 (cu r = r☼) poate fi obținut deja din teoria lui Newton (însăși posibilitatea deviației luminii într-un câmp gravitațional a fost remarcată de Newton, iar expresia unghiului de deviere, jumătate din cea conform formulei (2), a fost obținută în 1801; un alt lucru este că această predicție a fost uitată și Einstein nu a știut despre ea). La 6 noiembrie 1919, rezultatele expedițiilor au fost raportate la Londra la o reuniune comună a Societății Regale și a Societății Regale de Astronomie. Ce impresie au făcut ei este clar din ceea ce președintele, J. J. Thomson, a spus la această întâlnire: „Acesta este cel mai important rezultat obținut în legătură cu teoria gravitației de la Newton... Reprezintă una dintre cele mai mari realizări ale gândirii umane. .”

Efectele relativității generale în sistemul solar, așa cum am văzut, sunt foarte mici. Acest lucru se explică prin faptul că câmpul gravitațional al Soarelui (ca să nu mai vorbim de planete) este slab. Acesta din urmă înseamnă că potențialul gravitațional newtonian al Soarelui

Să ne amintim acum rezultatul cunoscut de la cursul școlar de fizică: pentru orbite circulare ale planetelor |φ ☼ | = v 2, unde v este viteza planetei. Prin urmare, slăbiciunea câmpului gravitațional poate fi caracterizată printr-un parametru mai vizual v 2 / c 2, care pentru sistemul solar, după cum am văzut, nu depășește valoarea de 2,12·10 – 6. Pe orbita Pământului v = 3 10 6 cm s – 1 și v 2 / c 2 = 10 – 8, pentru sateliții apropiați ai Pământului v ~ 8 10 5 cm s – 1 și v 2 / c 2 ~ 7 ·10 – 10 . În consecință, testarea efectelor menționate ale relativității generale chiar și cu acuratețea atinsă în prezent de 0,1%, adică cu o eroare care nu depășește 10 – 3 din valoarea măsurată (de exemplu, deviația razelor de lumină în câmpul Soarelui), nu ne permite încă să testăm în mod cuprinzător relativitatea generală cu o acuratețe a termenilor ordinului

Nu putem decât să visăm să măsurăm, să zicem, devierea razelor în Sistemul Solar cu precizia necesară. Cu toate acestea, proiectele pentru experimente relevante sunt deja în discuție. În legătură cu cele de mai sus, fizicienii spun că relativitatea generală a fost testată în principal doar pentru un câmp gravitațional slab. Dar noi (eu, în orice caz) nu am observat cumva o circumstanță importantă destul de mult timp. După lansarea primului satelit de pe Pământ, pe 4 octombrie 1957, navigația spațială a început să se dezvolte rapid. Pentru instrumentele de aterizare pe Marte și Venus, când zboară lângă Phobos etc., sunt necesare calcule cu precizie de până la metri (la distanțe față de Pământ de ordinul a o sută de miliarde de metri), când efectele relativității generale sunt destul de semnificative. Prin urmare, calculele sunt acum efectuate pe baza unor scheme de calcul care iau în considerare organic relativitatea generală. Îmi amintesc cum în urmă cu câțiva ani un vorbitor - un specialist în navigație spațială - nici măcar nu a înțeles întrebările mele despre acuratețea testului de relativitate generală. El a răspuns: luăm în considerare relativitatea generală în calculele noastre de inginerie, nu putem lucra altfel, totul iese corect, ce ai mai putea dori? Desigur, vă puteți dori multe, dar nu trebuie să uitați că GTR nu mai este o teorie abstractă, ci este folosită în „calculele de inginerie”.

4. În lumina tuturor celor de mai sus, critica lui A. A. Logunov la adresa GTR pare deosebit de surprinzătoare. Dar, conform celor spuse la începutul acestui articol, este imposibil să respingem această critică fără analiză. Într-o măsură și mai mare, este imposibil fără o analiză detaliată să se facă o judecată despre RTG-ul propus de A. A. Logunov - teoria relativistă a gravitației.

Din păcate, este complet imposibil să se realizeze o astfel de analiză pe paginile publicațiilor de știință populară. În articolul său, A. A. Logunov, de fapt, declară și comentează doar poziția sa. Nici aici nu pot face altceva.

Deci, credem că GTR este o teorie fizică consecventă - la toate întrebările adresate corect și clar care sunt permise în domeniul aplicabilității sale, GTR oferă un răspuns fără ambiguitate (cel din urmă se aplică, în special, timpului de întârziere al semnalelor). la localizarea planetelor). Nu suferă de relativitate generală sau de orice defecte de natură matematică sau logică. Este necesar, totuși, să clarificăm ce se înțelege mai sus atunci când se folosește pronumele „noi”. „Noi” sunt, desigur, eu însumi, dar și toți acei fizicieni sovietici și străini cu care a trebuit să discut despre relativitatea generală și, în unele cazuri, despre critica ei de către A. A. Logunov. Marele Galileo spunea cu patru secole în urmă: în probleme de știință, părerea unuia este mai valoroasă decât opinia a o mie. Cu alte cuvinte, disputele științifice nu sunt hotărâte prin vot majoritar. Dar, pe de altă parte, este destul de evident că opinia multor fizicieni, în general, este mult mai convingătoare sau, mai bine spus, mai de încredere și mai ponderată decât opinia unui fizician. Prin urmare, trecerea de la „eu” la „noi” este importantă aici.

Va fi util și potrivit, sper, să mai facem câteva comentarii.

De ce lui A. A. Logunov nu-i place atât de mult GTR? Motivul principal este că în relativitatea generală nu există un concept de energie și impuls în forma care ne este familiară din electrodinamică și, în cuvintele sale, există un refuz „de a reprezenta câmpul gravitațional ca un câmp clasic de tip Faraday-Maxwell. , care are o densitate de energie-impuls bine definită”. Da, aceasta din urmă este adevărată într-un anumit sens, dar se explică prin faptul că „în geometria riemanniană, în cazul general, nu există o simetrie necesară față de deplasări și rotații, adică nu există... grup. a mișcării spațiu-timpului.” Geometria spațiului-timp conform relativității generale este geometria riemanniană. Acesta este motivul pentru care, în special, razele de lumină se abat de la o linie dreaptă atunci când trec în apropierea Soarelui.

Una dintre cele mai mari realizări ale matematicii din secolul trecut a fost crearea și dezvoltarea geometriei non-euclidiene de către Lobachevsky, Bolyai, Gauss, Riemann și adepții lor. Atunci a apărut întrebarea: care este de fapt geometria spațiului-timp fizic în care trăim? După cum sa spus, conform GTR, această geometrie este non-euclidiană, riemanniană și nu geometria pseudo-euclidiană a lui Minkowski (această geometrie este descrisă mai detaliat în articolul de A. A. Logunov). Această geometrie Minkowski a fost, s-ar putea spune, un produs al teoriei speciale a relativității (STR) și a înlocuit timpul absolut și spațiul absolut al lui Newton. Imediat înainte de crearea SRT în 1905, ei au încercat să-l identifice pe acesta din urmă cu eterul nemișcat de Lorentz. Dar eterul Lorentz, ca mediu mecanic absolut nemișcat, a fost abandonat pentru că toate încercările de a observa prezența acestui mediu au fost eșuate (mă refer la experimentul lui Michelson și la câteva alte experimente). Ipoteza conform căreia spațiul-timp fizic este în mod necesar exact spațiul Minkowski, pe care A. A. Logunov îl acceptă ca fundamental, este de mare anvergură. Este într-un anumit sens similar cu ipotezele despre spațiul absolut și eterul mecanic și, după cum ni se pare, rămâne și va rămâne complet nefondat până când orice argumente bazate pe observații și experimente vor fi indicate în favoarea sa. Și astfel de argumente, cel puțin în prezent, lipsesc cu desăvârșire. Referirile la analogia cu electrodinamica și idealurile remarcabililor fizicieni ai secolului trecut, Faraday și Maxwell, nu au niciun fel de convingător în acest sens.

5. Dacă vorbim despre diferența dintre câmpul electromagnetic și, prin urmare, electrodinamică și câmpul gravitațional (GR este tocmai teoria unui astfel de câmp), atunci trebuie reținut următoarele. Alegând un sistem de referință, este imposibil să distrugi (reducerea la zero) chiar și local (într-o zonă mică) întregul câmp electromagnetic. Prin urmare, dacă densitatea de energie a câmpului electromagnetic

W =	E 2 + H 2
	8π

(EȘi H– puterea câmpurilor electrice și respectiv magnetice) este diferită de zero într-un sistem de referință, atunci va fi diferită de zero în orice alt sistem de referință. Câmpul gravitațional, aproximativ vorbind, depinde mult mai mult de alegerea sistemului de referință. Astfel, un câmp gravitațional uniform și constant (adică un câmp gravitațional care provoacă accelerație g particulele plasate în el, independent de coordonate și timp) pot fi complet „distruse” (reduse la zero) prin tranziția la un cadru de referință uniform accelerat. Această împrejurare, care constituie principalul conținut fizic al „principiului echivalenței”, a fost observată pentru prima dată de Einstein într-un articol publicat în 1907 și a fost primul pe calea creării Relativității Generale.

Dacă nu există câmp gravitațional (în special, accelerația pe care o provoacă g este egală cu zero), atunci și densitatea energiei corespunzătoare acesteia este egală cu zero. De aici este clar că în problema densității energiei (și impulsului), teoria câmpului gravitațional trebuie să difere radical de teoria câmpului electromagnetic. Această afirmație nu se modifică datorită faptului că în cazul general câmpul gravitațional nu poate fi „distrus” prin alegerea cadrului de referință.

Einstein a înțeles acest lucru chiar înainte de 1915, când a finalizat crearea Relativității Generale. Astfel, în 1911 el scria: „Desigur, este imposibil să înlocuiești orice câmp gravitațional cu starea de mișcare a unui sistem fără un câmp gravitațional, la fel cum este imposibil să transformi toate punctele unui mediu care se mișcă arbitrar pentru a se odihni printr-un transformare relativistă”. Și iată un fragment dintr-un articol din 1914: „Mai întâi, să mai facem o remarcă pentru a elimina neînțelegerea care apare. Un susținător al teoriei moderne obișnuite a relativității (vorbim despre SRT - V.L.G.) cu un anumit drept numește viteza unui punct material „aparentă”. Și anume, el poate alege un sistem de referință astfel încât punctul material în momentul luat în considerare să aibă o viteză egală cu zero. Dacă există un sistem de puncte materiale care au viteze diferite, atunci el nu mai poate introduce un astfel de sistem de referință astfel încât vitezele tuturor punctelor materiale în raport cu acest sistem devin zero. Într-un mod similar, un fizician care ia punctul nostru de vedere poate numi câmpul gravitațional „aparent”, deoarece prin alegerea adecvată a accelerației cadrului de referință poate realiza ca la un anumit punct din spațiu-timp câmpul gravitațional să devină zero. Cu toate acestea, este de remarcat faptul că dispariția câmpului gravitațional printr-o transformare în cazul general nu poate fi realizată pentru câmpurile gravitaționale extinse. De exemplu, câmpul gravitațional al Pământului nu poate fi egal cu zero prin alegerea unui cadru de referință adecvat.” În cele din urmă, deja în 1916, răspunzând criticilor aduse relativității generale, Einstein a subliniat încă o dată același lucru: „Nu este în niciun fel posibil să afirmăm că câmpul gravitațional este explicat în vreun fel pur cinematic: „o înțelegere cinematică, non-dinamică. de gravitație” este imposibil. Nu putem obține niciun câmp gravitațional prin simpla accelerare a unui sistem de coordonate galileian față de altul, deoarece în acest fel este posibil să obținem câmpuri doar cu o anumită structură, care, totuși, trebuie să respecte aceleași legi ca toate celelalte câmpuri gravitaționale. Aceasta este o altă formulare a principiului echivalenței (în special pentru aplicarea acestui principiu gravitației)."

Imposibilitatea unei „înțelegeri cinematice” a gravitației, combinată cu principiul echivalenței, determină trecerea în relativitate generală de la geometria pseudo-euclidiană a lui Minkowski la geometria riemanniană (în această geometrie, spațiu-timp are, în general, o valoare diferită de zero). curbură; prezența unei astfel de curburi este ceea ce distinge câmpul gravitațional „adevărat” de „cinematic”). Caracteristicile fizice ale câmpului gravitațional determină, să repetăm ​​acest lucru, o schimbare radicală a rolului energiei și impulsului în relativitatea generală în comparație cu electrodinamica. În același timp, atât utilizarea geometriei riemanniane, cât și incapacitatea de a aplica concepte energetice familiare din electrodinamică nu împiedică, așa cum s-a subliniat deja mai sus, faptul că din GTR rezultă și pot fi calculate valori destul de clare pentru toate mărimile observabile. (unghiul de deviere a razelor de lumină, modificări ale elementelor orbitale pentru planete și pulsari dubli etc., etc.).

Ar fi probabil util de remarcat faptul că relativitatea generală poate fi formulată și sub forma familiară din electrodinamică folosind conceptul de densitate energie-impuls (pentru aceasta vezi articolul citat de Ya. B. Zeldovich și L. P. Grishchuk. Totuși, ceea ce este introdus la În acest caz, spațiul Minkowski este pur fictiv (neobservabil), și vorbim doar de aceeași relativitate generală, scrisă într-o formă nestandard.Între timp, să repetăm ​​acest lucru, A. A. Logunov consideră spațiul Minkowski folosit de către el în teoria relativistă a gravitației (RTG) să fie fizic real și, prin urmare, spațiu observabil.

6. În acest sens, a doua dintre întrebările care apar în titlul acestui articol este deosebit de importantă: corespunde GTR realității fizice? Cu alte cuvinte, ce spune experiența – judecătorul suprem în a decide soarta oricărei teorii fizice? Numeroase articole și cărți sunt dedicate acestei probleme - verificarea experimentală a relativității generale. Concluzia este destul de certă - toate datele experimentale sau observaționale disponibile fie confirmă relativitatea generală, fie nu o contrazic. Cu toate acestea, așa cum am indicat deja, verificarea relativității generale a fost efectuată și are loc în principal numai într-un câmp gravitațional slab. În plus, orice experiment are o precizie limitată. În câmpuri gravitaționale puternice (în general, în cazul în care raportul |φ| / c 2 nu este suficient; vezi mai sus) Relativitatea generală nu a fost încă suficient verificată. În acest scop, acum este posibil să se folosească practic doar metode astronomice referitoare la spațiul foarte îndepărtat: studiul stelelor neutronice, pulsarilor dubli, „găurilor negre”, expansiunea și structura Universului, așa cum se spune, „în marele ” – în întinderi vaste măsurate în milioane și miliarde de ani lumină. Multe au fost deja făcute și se fac în această direcție. Este suficient să menționăm studiile pulsarului dublu PSR 1913+16, pentru care (ca în general pentru stelele neutronice) parametrul |φ| / c 2 este deja aproximativ 0,1. În plus, în acest caz a fost posibil să se identifice efectul de ordine (v / c) 5 asociate cu emisia de unde gravitaționale. În următoarele decenii, se vor deschide și mai multe oportunități pentru studierea proceselor în câmpuri gravitaționale puternice.

Steaua călăuzitoare în această cercetare uluitoare este în primul rând relativitatea generală. În același timp, firește, sunt discutate și alte posibilități - alte, așa cum se spune uneori, teorii alternative ale gravitației. De exemplu, în relativitatea generală, ca în teoria gravitației universale a lui Newton, constanta gravitațională G este într-adevăr considerată o valoare constantă. Una dintre cele mai cunoscute teorii ale gravitației, care generalizează (sau, mai precis, se extinde) Relativitatea Generală, este o teorie în care „constanta” gravitațională este considerată o nouă funcție scalară - o cantitate care depinde de coordonate și timp. Observațiile și măsurătorile indică totuși că posibile modificări relative G de-a lungul timpului, foarte mic - se pare că nu mai mult de o sută de miliarde pe an, adică | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G ar putea juca un rol. Rețineți că, chiar și indiferent de problema inconstanței G presupunerea existenței în spațiu-timp real, pe lângă câmpul gravitațional g ik, de asemenea, un câmp scalar ψ este direcția principală în fizica și cosmologia modernă. În alte teorii alternative ale gravitației (despre ele, vezi cartea lui K. Will menționată mai sus în nota 8), GTR este schimbat sau generalizat într-un mod diferit. Desigur, nu se poate obiecta la analiza corespunzătoare, deoarece GTR nu este o dogmă, ci o teorie fizică. Mai mult, știm că Relativitatea Generală, care este o teorie non-cuantică, trebuie în mod evident generalizată la regiunea cuantică, care nu este încă accesibilă experimentelor gravitaționale cunoscute. Desigur, nu ne puteți spune mai multe despre toate acestea aici.

7. A. A. Logunov, pornind de la critica la adresa GTR, construiește de mai bine de 10 ani o teorie alternativă a gravitației, diferită de GTR. În același timp, multe schimbate pe parcursul lucrării, iar versiunea acum acceptată a teoriei (aceasta este RTG) este prezentată în detaliu într-un articol care ocupă aproximativ 150 de pagini și conține doar aproximativ 700 de formule numerotate. Evident, o analiză detaliată a RTG este posibilă doar pe paginile revistelor științifice. Numai după o astfel de analiză se va putea spune dacă RTG este consecvent, dacă nu conține contradicții matematice etc. Din câte am înțeles, RTG diferă de GTR în selectarea doar a unei părți din soluțiile GTR - toate soluțiile ecuațiilor diferențiale RTG satisfac ecuațiile lui GTR, dar cum spun autorii lui RTG, nu invers. În același timp, se ajunge la concluzia că în ceea ce privește problemele globale (soluții pentru întregul spațiu-timp sau marile sale regiuni, topologie etc.), diferențele dintre RTG și GTR sunt, în general, radicale. În ceea ce privește toate experimentele și observațiile efectuate în cadrul Sistemului Solar, din câte am înțeles, RTG nu poate intra în conflict cu Relativitatea Generală. Dacă este așa, atunci este imposibil să preferați RTG (comparativ cu GTR) pe baza experimentelor cunoscute din Sistemul Solar. În ceea ce privește „găurile negre” și Univers, autorii RTG susțin că concluziile lor sunt semnificativ diferite de concluziile relativității generale, dar nu avem cunoștință de date observaționale specifice care să mărturisească în favoarea RTG. Într-o astfel de situație, RTG de A. A. Logunov (dacă RTG diferă într-adevăr de GTR în esență, și nu doar prin modul de prezentare și alegerea uneia dintre posibilele clase de condiții de coordonate; vezi articolul de Ya. B. Zeldovich și L. P. Grishchuk) poate fi considerată doar una dintre teoriile alternative acceptabile, în principiu, ale gravitației.

Unii cititori pot fi atenți la clauze precum: „dacă este așa”, „dacă RTG diferă cu adevărat de GTR”. Încerc să mă protejez de greșeli în acest fel? Nu, nu mă tem să greșesc pur și simplu din cauza convingerii că există o singură garanție a lipsei de eroare - să nu lucrez deloc și, în acest caz, să nu discutăm probleme științifice. Un alt lucru este că respectul pentru știință, familiaritatea cu caracterul și istoria ei încurajează prudența. Afirmațiile categorice nu indică întotdeauna prezența unei clarități autentice și, în general, nu contribuie la stabilirea adevărului. RTG-ul lui A. A. Logunov în forma sa modernă a fost formulat destul de recent și nu a fost încă discutat în detaliu în literatura științifică. Prin urmare, firește, nu am o părere finală despre asta. În plus, este imposibil, și chiar nepotrivit, să discutăm o serie de probleme emergente într-o revistă de știință populară. În același timp, bineînțeles, datorită interesului mare al cititorilor pentru teoria gravitației, par justificată acoperirea la un nivel accesibil a acestei game de probleme, inclusiv controversate, pe paginile Știință și Viață.

Așadar, ghidată de „principiul națiunii celei mai favorizate” înțelept, RTG ar trebui acum considerată o teorie alternativă a gravitației care necesită o analiză și o discuție adecvată. Pentru cei cărora le place această teorie (RTG), care sunt interesați de ea, nimeni nu se deranjează (și, desigur, nu ar trebui să se amestece) cu dezvoltarea ei, sugerând posibile modalități de verificare experimentală.

În același timp, nu există niciun motiv să spunem că GTR este în prezent zdruncinat în vreun fel. Mai mult, domeniul de aplicabilitate al relativității generale pare a fi foarte larg, iar acuratețea acesteia este foarte mare. Aceasta, în opinia noastră, este o evaluare obiectivă a stării actuale a lucrurilor. Dacă vorbim despre gusturi și atitudini intuitive, iar gusturile și intuiția joacă un rol semnificativ în știință, deși nu pot fi prezentate ca dovezi, atunci aici va trebui să trecem de la „noi” la „eu”. Deci, cu cât am avut și mai mult de a face cu teoria generală a relativității și cu critica ei, cu atât mai mult se întărește impresia mea despre profunzimea și frumusețea ei excepțională.

Într-adevăr, după cum se indică în amprentă, tirajul revistei „Știință și viață” nr. 4, 1987 a fost de 3 milioane 475 mii de exemplare. În ultimii ani, tirajul a fost de doar câteva zeci de mii de exemplare, depășind 40 de mii abia în 2002. (notă – A. M. Krainev).

Apropo, 1987 marchează cea de-a 300-a aniversare de la prima publicare a marii cărți a lui Newton „Principiile matematice ale filosofiei naturale”. Familiarizarea cu istoria creării acestei lucrări, ca să nu mai vorbim de lucrarea în sine, este foarte instructivă. Cu toate acestea, același lucru se aplică tuturor activităților lui Newton, cu care nu sunt atât de ușor de familiarizat pentru nespecialiști. Vă pot recomanda în acest scop cartea foarte bună a lui S.I. Vavilov „Isaac Newton”; ar trebui reeditată. Permiteți-mi să menționez și articolul meu scris cu ocazia aniversării lui Newton, publicat în revista „Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, v. 151, nr. 1, 1987, p. 119.

Mărimea virajului este dată conform măsurătorilor moderne (Le Verrier a avut o viraj de 38 de secunde). Să ne amintim pentru claritate că Soarele și Luna sunt vizibile de pe Pământ la un unghi de aproximativ 0,5 grade de arc - 1800 de secunde de arc.

A. Pals „Subtil este Domnul...” Știința și viața lui Albert Einstein. Oxford Univ. Press, 1982. Ar fi indicat să se publice o traducere în limba rusă a acestei cărți.

Acesta din urmă este posibil în timpul eclipselor totale de soare; Prin fotografierea aceleiași părți a cerului, să zicem, șase luni mai târziu, când Soarele s-a deplasat pe sfera cerească, obținem spre comparație o imagine care nu este distorsionată ca urmare a devierii razelor sub influența câmpului gravitațional. al Soarelui.

Pentru detalii, trebuie să mă refer la articolul lui Ya. B. Zeldovich și L. P. Grishchuk, publicat recent în Uspekhi Fizicheskikh Nauk (vol. 149, p. 695, 1986), precum și la literatura citată acolo, în special la articol de L. D. Faddeev („Advances in Physical Sciences”, vol. 136, p. 435, 1982).

Vezi nota de subsol 5.

Vezi K. Will. „Teorie și experiment în fizica gravitațională”. M., Energoiedat, 1985; vezi şi V. L. Ginzburg. Despre fizică și astrofizică. M., Nauka, 1985, și literatura indicată acolo.

A. A. Logunov și M. A. Mestvirishvili. „Fundamentele teoriei relativiste a gravitației”. Jurnalul „Fizica particulelor elementare și a nucleului atomic”, vol. 17, numărul 1, 1986.

În lucrările lui A. A. Logunov există și alte declarații și în mod specific se crede că pentru timpul de întârziere a semnalului la localizarea, de exemplu, Mercur de pe Pământ, o valoare obținută din RTG este diferită de următoarea de la GTR. Mai precis, se argumentează că relativitatea generală nu oferă deloc o predicție clară a timpilor de întârziere a semnalului, adică relativitatea generală este inconsecventă (vezi mai sus). Cu toate acestea, o astfel de concluzie, după cum ni se pare, este rodul unei neînțelegeri (asta este indicat, de exemplu, în articolul citat de Ya. B. Zeldovich și L. P. Grishchuk, vezi nota de subsol 5): rezultate diferite în relativitatea generală atunci când se folosesc sisteme de coordonate diferite se obțin doar pentru că , care compară planetele situate situate pe orbite diferite și, prin urmare, având perioade diferite de revoluție în jurul Soarelui. Timpii de întârziere ai semnalelor observate de pe Pământ la localizarea unei anumite planete, conform relativității generale și RTG, coincid.

Vezi nota de subsol 5.

Detalii pentru curioși

Deviația luminii și a undelor radio în câmpul gravitațional al Soarelui. De obicei, o bilă statică cu rază simetrică sferic este luată ca model idealizat al Soarelui R☼ ~ 6,96·10 10 cm, masa solară M☼ ~ 1,99·10 30 kg (de 332958 ori masa Pământului). Deviația luminii este maximă pentru razele care abia ating Soarele, adică când R ~ R☼ , și egal cu: φ ≈ 1″.75 (arcsecunde). Acest unghi este foarte mic - aproximativ la acest unghi un adult este vizibil de la o distanță de 200 km și, prin urmare, precizia măsurării curburii gravitaționale a razelor a fost scăzută până de curând. Ultimele măsurători optice efectuate în timpul eclipsei de soare din 30 iunie 1973 au avut o eroare de aproximativ 10%. Astăzi, datorită apariției interferometrelor radio „cu o bază ultra-lungă” (mai mult de 1000 km), precizia unghiurilor de măsurare a crescut brusc. Interferometrele radio fac posibilă măsurarea fiabilă a distanțelor unghiulare și a modificărilor unghiurilor de ordinul a 10 – 4 secunde de arc (~ 1 nanoradian).

Figura arată deviația doar a uneia dintre razele care provin de la o sursă îndepărtată. În realitate, ambele raze sunt îndoite.

POTENȚIAL DE GRAVITATE

În 1687, a apărut lucrarea fundamentală a lui Newton „Principiile matematice ale filosofiei naturale” (vezi „Știința și viața” nr. 1, 1987), în care a fost formulată legea gravitației universale. Această lege prevede că forța de atracție dintre oricare două particule materiale este direct proporțională cu masele lor MȘi mși invers proporțional cu pătratul distanței rîntre ele:

F = G	mm	.
	r 2

Factorul de proporționalitate G a început să fie numită constantă gravitațională, este necesară reconcilierea dimensiunilor din partea dreaptă și stângă a formulei newtoniene. Newton însuși a arătat cu foarte mare acuratețe pentru vremea lui că G– cantitatea este constantă și, prin urmare, legea gravitației descoperită de el este universală.

Două mase de puncte de atragere MȘi m apar în mod egal în formula lui Newton. Cu alte cuvinte, putem considera că ambele servesc ca surse ale câmpului gravitațional. Cu toate acestea, în probleme specifice, în special în mecanica cerească, una dintre cele două mase este adesea foarte mică în comparație cu cealaltă. De exemplu, masa Pământului M 3 ≈ 6 · 10 24 kg este mult mai mică decât masa Soarelui M☼ ≈ 2 · 10 30 kg sau, să zicem, masa satelitului m≈ 10 3 kg nu poate fi comparat cu masa Pământului și, prin urmare, nu are practic niciun efect asupra mișcării Pământului. O astfel de masă, care ea însăși nu perturbă câmpul gravitațional, ci servește ca o sondă asupra căreia acționează acest câmp, se numește masă de testare. (În același mod, în electrodinamică există conceptul de „sarcină de testare”, adică una care ajută la detectarea unui câmp electromagnetic.) Deoarece masa de test (sau sarcina de test) are o contribuție neglijabil de mică la câmp, pt. o astfel de masă câmpul devine „extern” și poate fi caracterizat printr-o mărime numită tensiune. În esență, accelerația datorată gravitației g este intensitatea câmpului gravitațional al pământului. A doua lege a mecanicii newtoniene dă apoi ecuațiile de mișcare ale unei mase de testare punctuale m. De exemplu, așa se rezolvă problemele de balistică și mecanică cerească. Rețineți că pentru cele mai multe dintre aceste probleme, teoria gravitației lui Newton chiar și astăzi are suficientă precizie.

Tensiunea, ca și forța, este o mărime vectorială, adică în spațiul tridimensional este determinată de trei numere - componente de-a lungul axelor carteziene reciproc perpendiculare X, la, z. La schimbarea sistemului de coordonate - și astfel de operații nu sunt neobișnuite în problemele fizice și astronomice - coordonatele carteziene ale vectorului sunt transformate într-un mod, deși nu complex, dar adesea greoi. Prin urmare, în locul intensității câmpului vectorial, ar fi convenabil să se folosească mărimea scalară corespunzătoare, din care forța caracteristică câmpului - puterea - s-ar obține folosind o rețetă simplă. Și o astfel de cantitate scalară există - se numește potențial, iar tranziția la tensiune se realizează prin diferențiere simplă. Rezultă că potențialul gravitațional newtonian creat de masă M, este egal

de unde egalitatea |φ| = v 2 .

În matematică, teoria gravitației a lui Newton este uneori numită „teoria potențialului”. La un moment dat, teoria potențialului newtonian a servit drept model pentru teoria electricității, iar apoi ideile despre câmpul fizic, formate în electrodinamica lui Maxwell, au stimulat, la rândul lor, apariția teoriei generale a relativității a lui Einstein. Trecerea de la teoria relativistă a gravitației a lui Einstein la cazul special al teoriei gravitației lui Newton corespunde exact regiunii de valori mici a parametrului adimensional |φ| / c 2 .