Теорията на относителността е въведена от Алберт Айнщайн в началото на 20 век. Каква е нейната същност? Нека да се запознаем с основните моменти и да се опитаме да я разгледаме на разбираем език.
Теорията на относителността практически елиминира несъответствията и противоречията във физиката на 20-ти век, променя коренно идеята за структурата на пространството-времето и е експериментално потвърдена в множество експерименти и изследвания. По този начин теорията на относителността е в основата на всички съвременни фундаментални физически теории. Всъщност, може да се нарече „Майката на съвременната физика”.
Като начало си струва да се отбележи, че има 2 теории на относителността:
- Специална теория на относителността (СТО) - разглежда физическите процеси в равномерно движещи се обекти;
- Обща теория на относителността (ОТО) - описва ускоряващи се обекти и обяснява произхода на такова явление като гравитацията и съществуването на частици гравитони.
Специалната теория на относителността (СТО) с прости думи
Ясно е, че СТО се появи по-рано и всъщност е част от ОТО. Тя се основава на принципа на относителността, според който всички природни закони са еднакви по отношение на тела, които са неподвижни и се движат с постоянна скорост. И от такава привидно проста мисъл следва, че скоростта на светлината (300 000 m/s във вакуум) е еднаква за всички тела. Или казано по друг начин: спрямо всяко тяло скоростта на светлината ще бъде постоянна, независимо колко бързо се движи.
Например, представете си, че ви е даден космически кораб от далечното бъдеще, който може да лети с голяма скорост. На носа на кораба е инсталирано лазерно оръдие, способно да изстреля фотони напред. По отношение на космическия кораб такива частици летят със скоростта на светлината, но по отношение на неподвижния наблюдател те би трябвало да летят по-бързо, тъй като и двете скорости се събират. Това обаче всъщност не се случва. Външен наблюдател вижда фотони, летящи със скорост 300 000 m/s, сякаш скоростта на космическия кораб не е била добавена към тях.
От това произтичат зашеметяващи заключения като дилатация (разтегляне) на времето, надлъжно свиване и зависимостта на телесното тегло от скоростта.
Същност на общата теория на относителността (ОТО)
За да я разберем по-добре, трябва да съгласуваме два факта:
- Живеем в четиримерно пространство;
- Пространството и времето са прояви на една и съща същност, наречена "пространствено-времеви континуум". Това е 4-мерното пространство - време с осите x, y, z и t.
Ние хората не можем да възприемем 4 измерения по същия начин. Всъщност виждаме само проекциите на реален четириизмерен обект върху пространството и времето. Интересното е, че теорията на относителността не гласи, че телата се променят при движение. 4D обектите винаги остават непроменени, но при относително движение техните проекции могат да се променят. И ние възприемаме това като разширяване на времето, намаляване на размера и т.н.
Нека направим мисловен експеримент. Представете си, че се возите в затворен асансьор и сте в състояние на нулева гравитация. Тази ситуация може да възникне само по две причини: или сте в космоса, или свободно падате с кабината под въздействието на земната гравитация. Без да гледате вън от кабината е абсолютно невъзможно да се направи разлика между тези два случая. Просто в единия случай летите равномерно, а в другия с ускорение.
Може би самият Алберт Айнщайн е мислил за въображаем асансьор и е имал една невероятна мисъл: ако тези два случая не могат да бъдат разграничени, тогава падането поради гравитацията също е равномерно движение. Движението е просто равномерно в четиримерното пространство-време, но при наличието на масивни тела (например планетите на Слънчевата система) то е извито и равномерното движение се проектира в обичайното триизмерно пространство под формата на ускорено движение.
Нека разгледаме друг по-прост, макар и не съвсем правилен пример за кривината на двумерното пространство. Можете да си представите, че всяко масивно тяло под себе си създава някаква оформена фуния. Тогава други тела, които летят оттам, няма да могат да продължат движението си по права линия и ще променят траекторията си според завоите на извитото пространство. Между другото, ако тялото няма много енергия, тогава движението му като цяло може да се окаже затворено.
Всъщност, от гледна точка на движещите се тела те продължават да се движат по права линия, защото не усещат нищо, което да ги кара да се завъртат. Те попадат в извито пространство без да осъзнават, че имат нелинейна траектория.
Трябва да се отбележи, че 4-те измерения са огънати, включително времето, така че тази аналогия трябва да се третира внимателно. По този начин, като цяло относителността, гравитацията изобщо не е сила, а само последица от кривината на пространство-времето. В момента тази теория е работеща версия за произхода на гравитацията и е в отлично съгласие с експериментите.
Интересни следствия от общата теория на относителността
Светлинните лъчи могат да се огъват, когато летят близо до масивни тела. Наистина в космоса са открити далечни обекти, които се „крият“ зад другите, но светлинните лъчи се огъват около тях, поради което светлината достига до нас.
Според общата теория на относителността, колкото по-силна е гравитацията, толкова по-бавно минава времето. Този факт трябва да се вземе предвид, когато GPS и GLONASS работят, тъй като на техните сателити са инсталирани най-точните атомни часовници, които тиктакат малко по-бързо, отколкото на Земята. Ако този факт не бъде взет предвид, в рамките на един ден координатната грешка ще бъде 10 км. Благодарение на Алберт Айнщайн можете да разберете къде се намира библиотека или магазин наблизо.
И накрая, общата теория на относителността предсказва съществуването на черни дупки, около които гравитацията е толкова силна, че времето в близост просто спира. Следователно светлината, удряща черна дупка, не може да я напусне (да бъде отразена). В центъра на черната дупка поради колосалната гравитационна контракция, се образува обект с безкрайно висока плътност, а това изглежда, че е невъзможно.
Общата теория на относителността може да доведе до много противоречиви заключения, за разлика от специалната теория на относителността, така че по-голямата част от физиците не я приемат напълно и продължават да търсят алтернатива.
Но все пак, тя успява да предскаже много неща, като например неотдавнашното сензационно откритие на гравитационните вълни, което потвърди теорията на относителността. Това отново напомни на света за великия учен Алберт Айнщайн.
