Теория относительности - Theory of relativity

Эта статья о научной концепции. Для философских или онтологических теорий относительности см. Релятивизм. Для немого фильма см. Теория относительности Эйнштейна.

Часть цикла статей о
Общая теория относительности
Схема кривизны пространства-времени
Двумерный проекция трехмерный аналогия кривизны пространства-времени, описанная в общей теории относительности

В теория относительности обычно охватывает две взаимосвязанные теории Альберт Эйнштейн: специальная теория относительности и общая теория относительности.[1] Специальная теория относительности применима ко всем физическим явлениям в отсутствие сила тяжести. Общая теория относительности объясняет закон всемирного тяготения и его связь с другими силами природы.[2] Это относится к космологический и астрофизическая область, включая астрономию.[3]

Теория трансформировалась теоретическая физика и астрономия в 20-м веке, заменив 200-летнюю теория механики создан в основном Исаак Ньютон.[3][4][5] Он представил концепции, включая пространство-время как единое целое Космос и время, относительность одновременности, кинематический и гравитационный замедление времени, и сокращение длины. В области физики теория относительности улучшила науку о элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия, наряду с открытием ядерный век. С относительностью, космология и астрофизика предсказал необычный астрономические явления Такие как нейтронные звезды, черные дыры, и гравитационные волны.[3][4][5]

Развитие и принятие

Основные статьи: История специальной теории относительности и История общей теории относительности

Альберт Эйнштейн опубликовал теорию специальная теория относительности в 1905 г., опираясь на многие теоретические результаты и эмпирические данные, полученные Альберт А. Михельсон, Хендрик Лоренц, Анри Пуанкаре и другие. Макс Планк, Герман Минковски и другие сделали последующую работу.

Эйнштейн разработал общая теория относительности между 1907 и 1915 годами, с участием многих других после 1915 года. Окончательная форма общей теории относительности была опубликована в 1916 году.[3]

Термин «теория относительности» был основан на выражении «относительная теория» (Немецкий: Relativtheorie), использованный в 1906 г. Планком, который подчеркнул, как теория использует принцип относительности. В разделе обсуждения той же статьи Альфред Бухерер впервые употреблено выражение «теория относительности» (Немецкий: Relativitätstheorie).[6][7]

К 1920-м годам физическое сообщество поняло и приняло специальную теорию относительности.[8] Он быстро стал важным и необходимым инструментом для теоретиков и экспериментаторов в новых областях атомная физика, ядерная физика, и квантовая механика.

Для сравнения, общая теория относительности оказалась не такой полезной, если не считать незначительных поправок к предсказаниям ньютоновской теории гравитации.[3] Казалось, что у него мало возможностей для экспериментальной проверки, так как большинство его утверждений имеют астрономический масштаб. Его математика казалось трудным и вполне понятным лишь небольшому количеству людей. Примерно в 1960 году общая теория относительности стала центральной в физике и астрономии. Новые математические методы, применяемые к общей теории относительности, упростили вычисления и упростили ее концепции. Как астрономический явления были обнаружены, такие как квазары (1963), температура 3 кельвина микроволновое фоновое излучение (1965), пульсары (1967), и первая черная дыра кандидаты (1981),[3] теория объяснила их атрибуты, и их измерение дополнительно подтвердило теорию.

Специальная теория относительности

Основная статья: Специальная теория относительности

Специальная теория относительности - это теория строения пространство-время. Он был представлен в статье Эйнштейна 1905 г. "К электродинамике движущихся тел. "(о вкладе многих других физиков см. История специальной теории относительности ). Специальная теория относительности основана на двух постулатах, которые противоречат друг другу. классическая механика:

  1. Законы физика одинаковы для всех наблюдателей в любом инерциальная система отсчета относительно друг друга (принцип относительности ).
  2. В скорость света в вакуум одинаково для всех наблюдателей, независимо от их относительного движения или движения свет источник.

Получающаяся в результате теория лучше справляется с экспериментом, чем классическая механика. Например, постулат 2 объясняет результаты Эксперимент Майкельсона-Морли. Более того, у этой теории есть много удивительных и противоречивых следствий. Вот некоторые из них:

  • Относительность одновременности: Два события, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого наблюдателя, если наблюдатели находятся в относительном движении.
  • Замедление времени: Движущийся часы отсчитываются медленнее, чем «стационарные» часы наблюдателя.
  • Уменьшение длины: Объекты укорачиваются в направлении, в котором они движутся по отношению к наблюдателю.
  • Максимальная скорость конечна: Ни один физический объект, сообщение или полевая линия не могут двигаться быстрее скорости света в вакууме.
    • Эффект гравитации может перемещаться в пространстве только со скоростью света, а не быстрее или мгновенно.
  • Эквивалентность массы и энергии: E = MC2, энергия и масса эквивалентны и трансмутируемы.
  • Релятивистская масса, идею использовали некоторые исследователи.[9]

Определяющей чертой специальной теории относительности является замена Галилеевы преобразования классической механики Преобразования Лоренца. (Видеть Уравнения Максвелла из электромагнетизм ).

Общая теория относительности

Основные статьи: Общая теория относительности и Введение в общую теорию относительности

Общая теория относительности - это теория гравитации, разработанная Эйнштейном в 1907–1915 годах. Развитие общей теории относительности началось с принцип эквивалентности, при котором состояния ускоренное движение и отдыхая в гравитационное поле (например, стоя на поверхности Земли) физически идентичны. Результатом этого является то, что свободное падение является инерционное движение: объект в свободном падении падает, потому что именно так объекты движутся, когда нет сила оказываются на них, а не из-за силы сила тяжести как в случае с классическая механика. Это несовместимо с классической механикой и специальная теория относительности потому что в этих теориях движущиеся по инерции объекты не могут ускоряться относительно друг друга, а объекты в свободном падении делают это. Чтобы решить эту проблему, Эйнштейн сначала предположил, что пространство-время изогнутый. В 1915 году он изобрел Уравнения поля Эйнштейна которые связывают кривизну пространства-времени с массой, энергией и любым импульсом внутри него.

Некоторые из следствий общей теории относительности:

Технически общая теория относительности - это теория гравитация отличительной чертой которого является использование Уравнения поля Эйнштейна. Решения уравнений поля: метрические тензоры которые определяют топология пространства-времени и как объекты движутся по инерции.

Экспериментальные доказательства

Эйнштейн утверждал, что теория относительности принадлежит к классу «теорий-принципов». Таким образом, он использует аналитический метод, что означает, что элементы этой теории основаны не на гипотезах, а на эмпирических открытиях. Наблюдая за естественными процессами, мы понимаем их общие характеристики, разрабатываем математические модели для описания того, что мы наблюдали, и аналитическими средствами выводим необходимые условия, которые должны быть выполнены. Измерение отдельных событий должно удовлетворять этим условиям и соответствовать выводам теории.[2]

Тесты специальной теории относительности

Основная статья: Тесты специальной теории относительности
Схема Эксперимент Майкельсона-Морли

Относительность - это фальсифицируемый теория: она делает прогнозы, которые можно проверить экспериментально. В случае специальной теории относительности к ним относятся принцип относительности, постоянство скорости света и замедление времени.[11] Предсказания специальной теории относительности были подтверждены многочисленными проверками с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою статью в 1905 году, но три эксперимента, проведенные между 1881 и 1938 годами, имели решающее значение для ее подтверждения. Эти Эксперимент Майкельсона-Морли, то Кеннеди-Торндайк эксперимент, а Эксперимент Айвса – Стилвелла. Эйнштейн вывел Преобразования Лоренца из первых принципов в 1905 году, но эти три эксперимента позволяют вызвать преобразования на основе экспериментальных данных.

Уравнения Максвелла - основа классического электромагнетизма - описывают свет как волну, движущуюся с характерной скоростью. Современная точка зрения состоит в том, что свету не нужна среда передачи, но Максвелл и его современники были убеждены, что световые волны распространяются в среде, аналогично звуку, распространяющемуся в воздухе, и ряби, распространяющейся на поверхности пруда. Эта гипотетическая среда была названа светоносный эфир, в покое относительно «неподвижных звезд» и через которые движется Земля. Френеля гипотеза частичного увлечения эфира исключил измерение эффектов первого порядка (v / c), и хотя наблюдения эффектов второго порядка (v2/ c2) были возможны в принципе, Максвелл считал, что они слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью современных технологий.[12][13]

Эксперимент Майкельсона-Морли был разработан для обнаружения эффектов второго порядка «эфирного ветра» - движения эфира относительно Земли. Майкельсон разработал инструмент, названный Интерферометр Майкельсона для этого. Устройство было более чем достаточно точным, чтобы обнаружить ожидаемые эффекты, но он получил нулевой результат, когда первый эксперимент был проведен в 1881 году.[14] и снова в 1887 году.[15] Хотя неспособность обнаружить эфирный ветер была разочарованием, результаты были приняты научным сообществом.[13] Пытаясь спасти парадигму эфира, Фитцджеральд и Лоренц независимо друг от друга создали для этого случая гипотеза в котором длина материальных тел изменяется в зависимости от их движения в эфире.[16] Это было происхождение Сжатие Фитцджеральда – Лоренца, и их гипотеза не имела теоретической основы. Интерпретация нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли состоит в том, что время прохождения света туда и обратно равно изотропный (независимо от направления), но одного результата недостаточно, чтобы обесценить теорию эфира или подтвердить предсказания специальной теории относительности.[17][18]

В Кеннеди-Торндайк эксперимент показаны с интерференционными полосами.

Хотя эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света изотропна, он ничего не сказал о том, как величина скорости изменилась (если вообще изменилась) в разных инерциальные системы отсчета. Для этого был разработан эксперимент Кеннеди-Торндайка, который впервые был проведен в 1932 году Роем Кеннеди и Эдвардом Торндайком.[19] Они получили нулевой результат и пришли к выводу, что «эффекта нет ... если только скорость Солнечной системы в космосе не превышает примерно половину скорости Земли на ее орбите».[18][20] Эта возможность была сочтена слишком случайной, чтобы дать приемлемое объяснение, поэтому из нулевого результата их эксперимента был сделан вывод, что время прохождения света туда и обратно одинаково во всех инерциальных системах отсчета.[17][18]

Эксперимент Айвса – Стилуэлла был проведен Гербертом Айвсом и Г. Стилуэлл первый в 1938 году[21] и с большей точностью в 1941 году.[22] Он был разработан для проверки поперечный эффект Доплера - в красное смещение света от движущегося источника в направлении, перпендикулярном его скорости, что было предсказано Эйнштейном в 1905 году. Стратегия заключалась в том, чтобы сравнить наблюдаемые доплеровские сдвиги с тем, что было предсказано классической теорией, и найти Фактор Лоренца исправление. Такая поправка наблюдалась, из чего был сделан вывод, что частота движущихся атомных часов изменяется согласно специальной теории относительности.[17][18]

Эти классические эксперименты повторялись много раз с повышенной точностью. Другие эксперименты включают, например, релятивистское увеличение энергии и импульса на высоких скоростях, экспериментальная проверка замедления времени, и современные поиски нарушений Лоренца.

Тесты общей теории относительности

Основная статья: Тесты общей теории относительности

Общая теория относительности также была многократно подтверждена, классический эксперимент - прецессия перигелия Меркурий орбита, отклонение света посредством солнце, а гравитационное красное смещение света. Другие тесты подтвердили принцип эквивалентности и перетаскивание кадра.

Современные приложения

Релятивистские эффекты представляют собой не только теоретический интерес, но и важные практические инженерные проблемы. Спутниковые измерения должны учитывать релятивистские эффекты, поскольку каждый спутник движется относительно пользователя, привязанного к Земле, и, таким образом, находится в другой системе отсчета согласно теории относительности. Системы глобального позиционирования, такие как GPS, ГЛОНАСС, и Галилео, должен учитывать все релятивистские эффекты, такие как последствия гравитационного поля Земли, чтобы работать с точностью.[23] То же самое и в случае высокоточного измерения времени.[24] Инструменты, от электронных микроскопов до ускорителей частиц, не работали бы, если бы не учитывались релятивистские соображения.[25]

Асимптотические симметрии

Группа симметрии пространства-времени для специальной теории относительности - это Группа Пуанкаре, который представляет собой десятимерную группу из трех бустеров Лоренца, трех вращений и четырех пространственно-временных трансляций. Логично спросить, какие симметрии могут применяться в общей теории относительности. Подходящим случаем может быть рассмотрение симметрии пространства-времени с точки зрения наблюдателей, находящихся далеко от всех источников гравитационного поля. Наивное ожидание асимптотически плоских симметрий пространства-времени могло быть просто расширением и воспроизведением симметрий плоского пространства-времени специальной теории относительности, а именно, группа Пуанкаре.

В 1962 г. Герман Бонди, М. Г. ван дер Бург, А. В. Мецнер[26] и Райнер К. Сакс[27] обратился к этому асимптотическая симметрия задача для исследования потока энергии на бесконечности из-за распространения гравитационные волны. Их первым шагом было принять решение о некоторых физически разумных граничных условиях, которые следует поместить в гравитационное поле на светоподобной бесконечности, чтобы охарактеризовать то, что значит сказать, что метрика является асимптотически плоской, не делая априори предположения о природе асимптотической группы симметрии - даже не предположение, что такая группа существует. Затем, после разработки того, что они считали наиболее разумными граничными условиями, они исследовали природу результирующих преобразований асимптотической симметрии, которые оставляют неизменной форму граничных условий, подходящих для асимптотически плоских гравитационных полей. Они обнаружили, что преобразования асимптотической симметрии действительно образуют группу, и структура этой группы не зависит от конкретного гравитационного поля, которое случайно присутствует. Это означает, что, как и ожидалось, можно отделить кинематику пространства-времени от динамики гравитационного поля, по крайней мере, на пространственной бесконечности. Озадачивающим сюрпризом в 1962 году стало открытие богатой бесконечномерной группы (так называемой группы BMS) в качестве асимптотической группы симметрии вместо конечномерной группы Пуанкаре, которая является подгруппой группы BMS. Мало того, что преобразования Лоренца являются преобразованиями асимптотической симметрии, существуют также дополнительные преобразования, которые не являются преобразованиями Лоренца, но являются преобразованиями асимптотической симметрии. Фактически, они обнаружили дополнительную бесконечность генераторов преобразований, известных как суперпереводы. Отсюда следует вывод, что общая теория относительности нет сводятся к специальной теории относительности в случае слабых полей на больших расстояниях.[28]:35

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эйнштейн А. (1916), Относительность: специальная и общая теория  (Перевод 1920 г.), Нью-Йорк: Х. Холт и компания
  2. ^ а б Эйнштейн, Альберт (28 ноября 1919 г.). «Время, пространство и гравитация». Времена.
  3. ^ а б c d е ж Уилл, Клиффорд М (2010). «Относительность». Мультимедийная энциклопедия Grolier. Получено 2010-08-01.
  4. ^ а б Уилл, Клиффорд М (2010). «Пространственно-временной континуум». Мультимедийная энциклопедия Grolier. Получено 2010-08-01.
  5. ^ а б Уилл, Клиффорд М (2010). «Сокращение Фицджеральда – Лоренца». Мультимедийная энциклопедия Grolier. Получено 2010-08-01.
  6. ^ Планк, Макс (1906), "Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen (Измерения Кауфмана отклоняемости β-лучей в их важности для динамики электронов)", Physikalische Zeitschrift, 7: 753–761
  7. ^ Миллер, Артур I. (1981), Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна. Возникновение (1905 г.) и ранняя интерпретация (1905–1911 гг.), Читает: Эддисон – Уэсли, ISBN  978-0-201-04679-3
  8. ^ Эй, Энтони Дж. Дж .; Уолтерс, Патрик (2003). Новая квантовая вселенная (иллюстрировано, переработанное ред.). Издательство Кембриджского университета. п. 227. Bibcode:2003nqu..book ..... H. ISBN  978-0-521-56457-1.
  9. ^ Грин, Брайан. "Теория относительности тогда и сейчас". Получено 2015-09-26.
  10. ^ Фейнман, Ричард Филлипс; Мориниго, Фернандо Б .; Вагнер, Уильям; Сосны, Дэвид; Хатфилд, Брайан (2002). Лекции Фейнмана по гравитации. Западный вид Press. п. 68. ISBN  978-0-8133-4038-8., Лекция 5
  11. ^ Робертс, Т; Schleif, S; Длугош, JM (редактор) (2007). "Что является экспериментальной основой специальной теории относительности?". Часто задаваемые вопросы по Usenet Physics. Калифорнийский университет, Риверсайд. Получено 2010-10-31.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  12. ^ Максвелл, Джеймс Клерк (1880), «О возможном способе обнаружения движения Солнечной системы через светоносный эфир», Природа, 21 (535): 314–315, Bibcode:1880Натура..21С.314., Дои:10.1038 / 021314c0
  13. ^ а б Паис, Авраам (1982). «Тонкий Господь ...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Oxford Univ. Нажмите. стр.111–113. ISBN  978-0-19-280672-7.
  14. ^ Михельсон, Альберт А. (1881). «Относительное движение Земли и светоносного эфира». Американский журнал науки. 22 (128): 120–129. Bibcode:1881AmJS ... 22..120M. Дои:10.2475 / ajs.s3-22.128.120. S2CID  130423116.
  15. ^ Михельсон, Альберт А. & Морли, Эдвард В. (1887). «Об относительном движении Земли и светоносного эфира». Американский журнал науки. 34 (203): 333–345. Bibcode:1887AmJS ... 34..333M. Дои:10.2475 / ajs.s3-34.203.333. S2CID  124333204.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ Паис, Авраам (1982). «Тонкий Господь ...»: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна (1-е изд.). Оксфорд: Oxford Univ. Нажмите. п.122. ISBN  978-0-19-280672-7.
  17. ^ а б c Робертсон, Х. (Июль 1949 г.). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности» (PDF). Обзоры современной физики. 21 (3): 378–382. Bibcode:1949РвМП ... 21..378Р. Дои:10.1103 / RevModPhys.21.378.
  18. ^ а б c d Тейлор, Эдвин Ф .; Джон Арчибальд Уиллер (1992). Физика пространства-времени: введение в специальную теорию относительности (2-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. стр.84 –88. ISBN  978-0-7167-2327-1.
  19. ^ Kennedy, R.J .; Торндайк, Э.М. (1932). «Экспериментальное установление относительности времени» (PDF). Физический обзор. 42 (3): 400–418. Bibcode:1932ПхРв ... 42..400К. Дои:10.1103 / PhysRev.42.400. S2CID  121519138.
  20. ^ Робертсон, Х. (Июль 1949 г.). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности» (PDF). Обзоры современной физики. 21 (3): 381. Bibcode:1949РвМП ... 21..378Р. Дои:10.1103 / revmodphys.21.378.
  21. ^ Ives, H.E .; Стилуэлл, Г. (1938). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов». Журнал Оптического общества Америки. 28 (7): 215. Bibcode:1938JOSA ... 28..215I. Дои:10.1364 / JOSA.28.000215.
  22. ^ Ives, H.E .; Стилуэлл, Г. (1941). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов. II». Журнал Оптического общества Америки. 31 (5): 369. Bibcode:1941JOSA ... 31..369I. Дои:10.1364 / JOSA.31.000369.
  23. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-11-05. Получено 2015-12-09.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  24. ^ Francis, S .; Б. Рэмси; С. Штейн; Leitner, J .; Моро, J.M .; Burns, R .; Nelson, R.A .; Bartholomew, T.R .; Гиффорд, А. (2002). «Хронометраж и распространение времени в распределенном ансамбле космических часов» (PDF). Труды 34-го ежегодного совещания по системам и приложениям точного времени и интервалов времени (PTTI): 201–214. Архивировано из оригинал (PDF) 17 февраля 2013 г.. Получено 14 апреля 2013.
  25. ^ Привет, Тони! Эй, Энтони Дж. Дж .; Уолтерс, Патрик (1997). Зеркало Эйнштейна (иллюстрированный ред.). Издательство Кембриджского университета. п. х (предисловие). ISBN  978-0-521-43532-1.
  26. ^ Bondi, H .; Van der Burg, M.G.J .; Мецнер, А. (1962). «Гравитационные волны в общей теории относительности: VII. Волны от осесимметричных изолированных систем». Труды Лондонского королевского общества A. A269 (1336): 21–52. Bibcode:1962RSPSA.269 ... 21B. Дои:10.1098 / rspa.1962.0161. S2CID  120125096.
  27. ^ Сакс Р. (1962). «Асимптотические симметрии в теории гравитации». Физический обзор. 128 (6): 2851–2864. Bibcode:1962ПхРв..128.2851С. Дои:10.1103 / PhysRev.128.2851.
  28. ^ Строминджер, Эндрю (2017). «Лекции по инфракрасной структуре гравитации и калибровочной теории». arXiv:1703.05448. ... отредактированная стенограмма курса, прочитанного автором в Гарварде в весеннем семестре 2016 года. Он содержит педагогический обзор последних достижений, связывающих темы мягких теорем, эффекта памяти и асимптотических симметрий в четырехмерной КЭД, неабелевой калибровочной теории и гравитация с приложениями к черным дырам. Будет опубликовано Princeton University Press, 158 страниц. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка