Теория относительности Эйнштейна простыми словами

Наверное, каждый из вас знает Альберта Эйнштейна, а его теория относительности без преувеличения является самой известной теорией в мире. Она приобрела огромную популярность в ХХ веке и решила кучу проблем тогдашней физики. По сути, теория относительности Эйнштейна – это мать современной физики, ведь она легла в основу почти всех современных теорий. Предлагаем не оперировать “тяжелыми” терминами, а попытаться объяснить эту теорию простыми словами.

Для начала, стоит отметить, что существуют 2 подвиды теории относительности:

• Специальная теория относительности, что рассматривает физические процессы в равномерно движущихся объектах;
• Общая теория относительности, что рассматривает объекты в ускорении и объясняет происхождение гравитации.

Специальную теорию относительности (СТВ) Альберт Эйнштейн опубликовал в 1905 году, для объяснения того, как интерпретировать движения между различными инерционными системами отсчета – просто говоря, о’объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два о’объекты движутся с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

СТВ появилась раньше общей теории относительности, и по сути стала ее частью. Она рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейное и равномерное. Если материальное тело ускоряется или поворачивает в сторону, законы СТВ уже не действуют. Именно тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движение тел в общем случае.

Чтобы лучше понять ЗТВ нам нужно объединить 2 факты:

1. Мы живем в четырехмерном пространстве. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К ним добавляется еще одно измерение – время. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум. Люди не могут воспринимать 4 замеры одинаково – только как пространство, или как время. По сути мы видим лишь проекции настоящих чотирьохвимірних объектов на пространство и время.

В соответствии с общей теорией относительности, чотирьохвимірні объекты всегда остаются неизменными при движении, но их проекции могут меняться, и мы воспринимаем это как эффекты замедления времени, уменьшение размеров объектов и так далее.

2. Все тела падают с постоянной скоростью, а не с ускорением. Представьте, что вы в закрытой кабине лифта и вы находитесь в состоянии невесомости. Это могло произойти с вами по 2 причинам: или вы находитесь в далеком космосе и равномерно двигаетесь по инерции, или вы в свободном падении на землю под действием гравитации. Хоть в этих случаях вы движетесь по-разному, равномерно и с ускорением, определить тип движения самостоятельно вам не удастся.

Эйнштейн размышлял над ситуацией с лифтами и пришел к выводу, что если эти два случая невозможно отличить, значит падение под действием гравитации и является равномерным движением. Но как так, ведь когда тела падают, они набирают скорость?

Эйнштейн объяснил это так, равномерным движение есть именно в пространстве чотирьохвимірному, но при наличии массивных тел пространство-время искривляется и равномерное движение проецируется в привычный для нас трехмерный пространство в виде движения с ускорением.

Явление гравитации можно объяснить на примере двумерного пространства. Каждое массивное тело под собой создает определенную образную воронку. Тогда другие тела, что пролетают мимо, не могут продолжать прямолинейное движение, и они меняют свою траекторию в соответствии с изгибом искривленного пространства.

Не стоит забывать, что в действительности искривляется 4 просторы, в том числе и время. Согласно теории относительности чем сильнее гравитация, тем медленнее протекает время. Этот факт обязательно’обязательно учитывается при работе GPS, ведь на их спутниках установлены точные атомные часы, которые идут немного быстрее, чем на Земле. Если этот факт не учитывать, то уже через сутки погрешность координат составит 10 км.

Таким образом, в ОТО гравитация – это даже не сила, а следствие искривления пространственно-временного континуума.

Почему теория относительности не может быть Теорией Всего?

Все наши знания о законах вселенной можно разделить на две большие группы. В одной окажется квантовая механика, которая создала Стандартную модель вместе со всеми своими фундаментальными частицами и тремя силами взаимодействия: электромагнитной, сильной и слабой. В другую группу попадет ОТО, что описывает четвертое фундаментальное взаимодействие – гравитацию, а также черные дыры, расширение вселенной и даже путешествия во времени.

Квантовая механика и ОТО обычно применяются в очень разных масштабах. Например, квантовая механика долгое время оставалась загадкой для ученых назад, что ее эффекты становятся значимыми лишь на масштабах отдельных атомов. Она идеально описывает микромир, имея дело с элементарными частями.

Эффекты ОТО, в свою очередь, становятся заметными в сильных гравитационных полях. Например, время у поверхности Земли течет медленнее, а свет огибает скопление галактик. Эти явления могут быть, в целом, проигнорированы, но только до тех пор, пока мы не захотим разобраться, например, что происходит на поверхности нейтронных звезд. Одним словом, ОТО работает на больших масштабах, начиная от звездных систем и заканчивая всей Вселенной.

Эти две теории прекрасно существуют в независимости друг от друга, но в связи дают совершенно взаимоисключающие результаты. Эта проблема несовместимость двух верных теорий не дает покоя физикам всего мира на протяжении долгого периода времени. На сегодняшний день, самой популярной теорией, что теоретически может совместить в себе ОТО и квантовую механику есть теория струн.