Напевно, чи не кожен з вас знає Альберта Ейнштейна, а його теорія відносності без перебільшення є найвідомішою теорією у світі. Вона набула шаленої популярності в ХХ столітті і вирішила купу проблем тогочасної фізики. По суті, теорія відносності Ейнштейна – це мати сучасної фізики, адже вона лягла в основу майже всіх сучасних теорій. Пропонуємо не оперувати “важкими” термінами, а спробувати пояснити цю теорію простими словами.

Для початку, варто відмітити що існують 2 підвиди теорії відносності:

  • Спеціальна теорія відносності, що розглядає фізичні процеси в рівномірно рухомих об’єктах;
  • Загальна теорія відносності, що розглядає об’єкти в прискоренні та пояснює походження гравітації.

Спеціальну теорію відносності (СТВ) Альберт Ейнштейн опублікував в 1905 році, для пояснення того, як інтерпретувати рух між різними інерційними системами відліку – просто кажучи, об’єктами, які рухаються з постійною швидкістю по відношенню один до одного.

Ейнштейн пояснив, що коли два об’єкти рухаються з постійною швидкістю, слід розглядати їх рух відносно один одного, замість того щоб прийняти один з них в якості абсолютної системи відліку.

СТВ з’явилась раніше загальної теорії відносності, і по суті стала її частиною. Вона розглядає лише один спеціальний випадок (звідси і назва), коли рух прямолінійний і рівномірний. Якщо матеріальне тіло прискорюється або повертає в сторону, закони СТВ вже не діють. Саме тоді в силу вступає загальна теорія відносності (ЗТВ), яка пояснює рух тіл в загальному випадку.

 

Щоб краще зрозуміти ЗТВ нам потрібно об’єднати 2 факти:

1. Ми живемо в чотиривимірному просторі. Матеріальний Всесвіт, як відомо, має три просторових виміри: вгору-вниз, направо-наліво і вперед-назад. До них додається ще один вимір – час. Разом ці чотири виміри складають просторово-часовий континуум. Люди не можуть сприймати 4 виміри однаково – лише як простір, або як час. По суті ми бачимо лише проекції справжніх чотирьохвимірних об’єктів на простір та час.

Згідно з загальною теорією відносності, чотирьохвимірні об’єкти завжди залишаються незмінними при рухові, але їх проекції можуть змінюватися, і ми сприймаємо це як ефекти уповільнення часу, зменшення розмірів об’єктів і так далі.

2. Всі тіла падають з постійною швидкістю, а не з прискоренням. Уявіть, що ви в зачиненій кабіні ліфта і ви знаходитесь у стані невагомості. Це могло статися з вами по 2 причинам: або ви знаходитесь в далекому космосі і рівномірно рухаєтесь по інерції, або ви у вільному падінні на землю під дією гравітації. Хоч в цих випадках ви рухаєтесь по-різному, рівномірно та з прискоренням, визначити тип руху самостійно вам не вдасться.

Ейнштейн роздумував над ситуацією з ліфтами і дійшов висновку, що якщо ці два випадки неможливо відрізнити, значить падіння під дією гравітації і є рівномірним рухом. Але як так, адже коли тіла падають, вони набирають швидкість?

Ейнштейн пояснив це так, рівномірним рух є саме в чотирьохвимірному просторі, але при наявності масивних тіл простір-час викривлюється і рівномірний рух проектується в звичний для нас трьохмірний простір у вигляді руху з прискоренням.

Явище гравітації можна пояснити на прикладі двовимірного простору. Кожне масивне тіло під собою створює певну образну воронку. Тоді інші тіла, що пролітають повз, не можуть продовжувати прямолінійний рух, і вони змінюють свою траекторію згідно з вигином викривленого простору.

Не варто забувати, що в дійсності викривлюється 4 простори, в тому числі і час. Згідно теорії відносності чим сильніша гравітація, тим повільніше протікає час. Цей факт обов’язково враховується при роботі GPS, адже на їх супутниках встановлені найточніші атомні годинники, які йдуть трохи швидше, ніж на Землі. Якщо цей факт не враховувати, то вже через добу похибка координат складе 10 км.

Таким чином, в ЗТВ гравітація – це навіть не сила, а наслідок викривлення просторово-часового континууму.

Чому теорія відносності не може бути Теорією Всього?

Всі наші знання про закони всесвіту можна розділити на дві великі групи. В одній виявиться квантова механіка, яка створила Стандартну модель разом з усіма своїми фундаментальними частинками і трьома силами взаємодії: електромагнітною, сильною і слабкою. В іншу групу потрапить ЗТВ, що описує четверту фундаментальну взаємодію – гравітацію, а також чорні діри, розширення всесвіту і навіть подорожі в часі.

Квантова механіка і ЗТВ зазвичай застосовуються в дуже різних масштабах. Наприклад, квантова механіка довгий час залишалася загадкою для вчених тому, що її ефекти стають значущими лише на масштабах окремих атомів. Вона ідеально описує мікросвіт, маючи справу з елементарними частинами.

Ефекти ЗТВ, в свою чергу, стають помітними в сильних гравітаційних полях. Наприклад, час біля поверхні Землі тече повільніше, а світло огинає скупчення галактик. Ці явища можуть бути, в цілому, проігноровані, але тільки до тих пір, поки ми не захочемо розібратися, наприклад, що відбувається на поверхні нейтронних зірок. Одним словом, ЗТВ працює на великих масштабах, починаючи від зоряних систем і закінчуючи всім Всесвітом.

Ці дві теорії прекрасно існують в незалежності одне від одного, але у зв’язку дають абсолютно взаємовиключні результати. Ця проблема несумістності двох вірних теорій не дає спокою фізикам з усього світу на протязі довгого періоду часу. На сьогоднішній день, найпопулярнішою теорією, що теоретично може поєднати в собі ЗТВ та квантову механіку є теорія струн.