Теория относительности Эйнштейна - принципы, основные положения и суть

Существует история, согласно которой автор теории ехал на трамвае и увидел часы на башне. В этот момент он и предположил, что существует вероятность, в которой значение времени будет отличаться от существующего в перемещающимся в транспорте. В этот миг Эйнштейн осознал, что событие любого физического явления зависит от выбранной системы отсчёта, в которой располагается наблюдатель.

Например, если у пассажира упадут очки в движущемся транспорте. То для едущих людей они будут падать сверху вниз, в то же время для человека, стоящего на улице, падение будет происходить по параболе, то есть с искривлением. Получается, что пространство и время в теории относительности Эйнштейна зависят от расположения наблюдателя, но в то же время законы природы ему не подчиняются.

Специальная теория описывает эффект замедления времени. Система для отсчёта представляет собой некое материальное тело, взятое за начало. Объект перемещается равномерно без искривлений и не подвергается внешнему воздействию. Такая система называется инерциальной. Событие, происходящее в ней, описывается координатами x, y, x, t. Для рассмотрения явления используют две инерционные системы, описываемые своими координатами. Соотношения, связывающие их между собой, называются преобразованиями Лоренца.

Существует два постулата:

• какой бы ни была система координат законы природы остаются неизменными;
• скорость света в вакууме одинакова для любой системы координат.

Человек, стоящий на перроне, может отметить, что с нарастанием скорости длина поезда будет уменьшаться. С его точки зрения, поезд был бы короче, чем для людей, едущих в вагоне. Так, для разных жителей Земли одновременно может быть вечер и утро, для обитателей южного полюса верх располагается в противоположной стороне от проживающих на севере. То есть для каждой точки пространства существует свой вверх. Получается, что в каждой физической системе есть собственные размеры и своё время, но изменения нельзя заметить, так как скорость движения низкая.

При движении поезда со световой скоростью для пассажиров ничего не поменяется. Но для людей на платформе всё, что находится в вагоне, сократится в три раза. Это касается и времени. Один день жизни в поезде равнялся бы трём дням за его пределами. Но с точки зрения пассажиров, всё было бы с точностью наоборот. Объясняется это тем, что неважно, какой объект движется относительно другого.

Равномерно-прямолинейное движение относительное. Поэтому как поезд удаляется от станции, так и она отдаляется от него.

Общие постулаты

Общая теория основывается на революционном предположении, что гравитация — это не сила, а следствие. Суть его в том, что пространство-время не плоское, а изогнуто-искривлённое. Согласно утверждению создателя теории, время искривляется из-за помещённой в него массы и энергии.

Если рассмотреть траекторию движения в космосе по прямой линии, то её проекция в двухмерном пространстве будет представлять собой искривление. Таким образом, свет искривляется под действием гравитационных полей. Так, если свет от космического объекта попадёт в поле зрения с Земли, то реальное положение тела будет отличаться от действительного.

Учитывая постулат, можно сказать, что принцип эквивалентности справедлив для любого наблюдателя, движущегося как свободно, так и в гравитационном поле. Эйнштейн предположил, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда нельзя утверждать, стоит он или перемещается, так невозможно и охарактеризовать гравитацию. Это и стало принципом эквивалентности, который использовал учёный при создании новой теории.

Смысл её в том, что гравитация изменяется со временем. При этом у поверхности твердыни время течёт медленнее, так как гравитация сильнее. Известен так называемый парадокс близнецов. Если один из братьев будет жить внизу скалы, а другой на её вершине, то горец относительно жителя равнины будет стареть быстрее. Это различие будет настолько ничтожным, что его нельзя практически обнаружить. Но если один из близнецов отправится в космическое путешествие на корабле со скоростью света, он вернётся явно моложе.

Дело в том, что он не будет лететь равномерно и прямолинейно. Ему придётся изменять скорость, испытывать ускорение, менять направление полёта. А ускорение не относительное, оно абсолютное. Поэтому молодым останется тот, кто его испытает.

Появление формулировки общей теории относительности привело к тому, что пространство и время обрели статус динамических сущностей. Когда объекты передвигаются или действуют силы, они приводят к искривлению пространства и времени, но при этом их структура также влияет на движение тел и действие сил.

Формулы Эйнштейна

Теория относительности может быть описана математическими уравнениями. Они являются связующими элементами между свойствами материи и кривизной. Равенства Эйнштейна характеризуются свойствами общей ковариантности. Их решение неоднозначное. Поэтому вводятся ограничения на метрику компонентов. Главная проблема заключается в системе отсчёта. Физические приборы могут измерить лишь проекции измеряемых величин. Измерение последних возможно при нахождении наблюдателем метрики, связности и кривизны посылки и приёма отражённого света.

Эти формулы сложны, а их доказательство базируются на громоздких вычислениях и введения дополнительных величин. Простейшие уравнения включают в себя следующее:

1. Тензор Риччи. Находится из тензора кривизны, определяемого свёрткой пары индексов.
2. Скалярная кривизна. Это свёрнутый два раза тензор Риччи методом контравариантности.
3. Тензор кривизны. Вычисляется с помощью производных дважды ковариантным метрическим тензором.
4. Космологическая постоянная. Определяется как тензор энергии-импульса.
5. Тензор Эйнштейна. Симметричная величина, определяемая как разность тензора Риччи от половины произведения метрического тензора и скалярной величиной. По сути, это однородность вариационной производной скалярной кривизны связности Леви-Чивиты по метрическому тензору.

Длина в подвижной системе отсчёта находится из формулы: l = l 0 * √1 — b². Время и импульс же определяют из выражений: t = t 0 / √ 1 — b ² и p = m 0 * v / √ 1- b ² . При этом кратко запись импульса можно охарактеризовать формулой: p = m * v. Используя релятивистскую теорию можно описать сложение скоростей: v = (v ' + V) / (1 + v ' V / c ² ). Массу же движущей системы, определяют используя выражение: m = m0 / √ 1 — b ².

С точки зрения физики, понять теорему относительности довольно сложно, не говоря уже о математическом её описании. Теория предложена Эйнштейном раскрывает более подробно механику движения в равномерном пространстве. Его постулаты говорят, что скорость всегда постоянна и не зависит от системы наблюдения. При этом установить находится ли объект в состоянии покоя или движения невозможно.