Ничего не является абсолютным: руководство для начинающих по теории Эйнстена о сеплентной относительности
7 июля 2025 г.Когда Эйнштейн представил теорию особой относительности, он сделал то, что никто не осмелился сделать раньше: он бросил вызов те самым основаниям, на которых было построено наше понимание физического мира. До тех пор ньютоновская механика царила Supreme, обрабатывая время, пространство и масса как фиксированные, неизменные величины. Это не были активными элементами в динамике природы, в которой разворачивались действия, на которой разворачивалось действие. Затем появился этот дикий посторонний, смело заявил, что ничего не является абсолютным-все относительно.
Эта единственная идея несла глубокие последствия далеко за пределами сферы физики. Это предположило, что даже самые фундаментальные концепции - пространство и сами время - не являются священными и неприкасаемыми. Все может быть поставлено под сомнение. И, возможно, именно это широкое культурное воздействие действительно отличает Эйнштейна от других блестящих умов в науке.
Неудивительно, что если вы остановите незнакомца на улице сегодня и попросите их назвать ученых, скорее всего, имя «Эйнштейн» будет первым - и, возможно, единственным - одним из них упомянуты.
Что такое особое относительность?
История начинается в 19 веке. В то время физики имели две очень успешные теории, которые с замечательной точностью описали мир природы. Одним из них была ньютоновская механика, которая объясняла движение объектов. Другим было уравнения Максвелла, которые управляли электромагнетизмом - и, с ним, поведение света. Единственная проблема заключалась в том, что эти две теории не соответствовали друг другу. Вместо того, чтобы погрузиться в технические детали, позвольте мне проиллюстрировать конфликт с простым мыслительным экспериментом.
Представьте себе два космических корабля в движении. Один уходит от земли со скоростью 5000 км/ч, а другой приближается к Земле с той же скоростью. С точки зрения пассажира на борту космического корабля, другое ремесло, по -видимому, приближается со скоростью 10 000 км/ч. Ничего странного в этом - в конце концов, скорость всегда измеряется относительно чего -то: для нас, к земле, солнцу и так далее. Таким образом, по сравнению с одним космическим кораблем, другой движется со скоростью 10 000 км/ч.
Теперь предположим, что кто -то бросает объект с одного корабля в сторону другого со скоростью 100 км/ч. Это логически поразило бы цель с относительной скоростью 10 100 км/ч. Все это имеет интуитивно понятный смысл. Но все становится странно, когда вместо того, чтобы бросить объекты, мы посылаем луч света с одного корабля на другой. Согласно наблюдению, и теории, свет достигает другого космического корабля, а не на 10 100 км/ч, или что -то, что между ними - но всегда, упорно, со скоростью света. Неважно, насколько быстро движется космический корабль, либо в каком направлении. Свет цепляется за свою скорость, как будто ничего не имеет значения.
Это неповиновение интуиции коренится в столкновении между этими двумя теориями 19-го века. Физики уже понимали, что свет ведет себя как волна, очень похожа на рябь на поверхности воды. Таким образом, они предположили гипотезу о существовании среды, которая заполняет все пространство и несет эти волны: эфир. Согласно ньютоновскому мышлению, если свет прошел через этот эфир, то мы должны быть в состоянии обнаружить изменения в его скорости в зависимости от того, как Земля прошла через эфир.
Эта идея привела к знаменитуюЭксперимент Michelson - MorleyПолем В упрощенных терминах он включал разделение луча света на два, посылая одну часть в направлении движения Земли, а другой под прямым углом. Когда балки были рекомбинированы, любая разница в скорости даст интерференционную картину. Но никто не наблюдался. Независимо от того, как они это измерили, скорость света оставалась упорно постоянной, не зависящей от движения Земли.
Смелый ответ Эйнштейна состоял в том, чтобы перестать бороться с этим странным поведением и вместо этого принять его как фундаментальную истину. Что если скорость света - это не просто свойство света, а универсальная константа? Давайте предположим, что светвсегдаПо его словам, движется с той же скоростью - и соответственно корректируйте ньютоновскую механику. Но это потребовало драматического сдвига в мышлении: а именно, это время сами течет медленнее для объектов в движении.
Скорость, в конце концов, это просто расстояние, разделенное временем. Если мы спешаем к лучу света в 100 000 км/ч, мы ожидаем измерить его скорость как соответственно выше. Но мы не делаем. Если время на борьбе с нашим быстрожирующим космическим кораблем замедляется, это замедление может компенсировать наше движение, что делает показание, что свет проходит с той же скорости, что и всегда. Некоторая умная математика показывает, сколько времени должно замедлиться, чтобы сохранить это постоянство. Проблема решена.
Но это не конец этого. Если время замедляется, мы также должны корректировать другие величины, чтобы сохранить физические законы, такие как сохранение энергии и импульса. Это означает, что расстояния должны сокращаться, а масса должна увеличиваться. Как только все эти корректировки внесены, все станет на свои места. Законы физики все еще работают, и скорость света остается постоянной.
Ключевым пониманием Эйнштейна было перевернуть наши предположения. Вместо того, чтобы рассматривать время, пространство и масса как абсолютное, он объявил скорость света истинной постоянной, и пусть все остальное адаптируется. При этом он примирил ньютоновскую механику с уравнениями Максвелла, не выбрасывая ни одну из них.
Что делает это еще более удивительным, так это то, что он работает. Несмотря на звучание как математическая ловкость рук, прогнозы особой относительности были подтверждены снова и снова, хотя и не с космическими кораблями, а с субатомными частицами. Частицы, движущиеся на высоких скоростях, распадаются медленнее, чем ожидалось. Их массы также увеличиваются именно так, как предсказывал Эйнштейн. Физики, работающие в акселераторах частиц, объясняют эти эффекты каждый день.
Тем не менее, это глубоко нелогично. Как время на самом деле может замедлиться? Как объекты могут сокращаться только потому, что они движутся быстро? Эти странные идеи порождают парадоксы, которые сбивают с толку даже вдумчивых читателей. Тем не менее, прежде чем Эйнштейн опубликовал свою теорию, уже была более ранняя попытка объяснить эти явления.
Объяснение Лоренца на основе эфира
В учебниках по относительности редко упоминается, что до Эйнштейна,Хендрик Лоренц и Джордж Фрэнсис Фицджеральд уже предложили теориюЧтобы объяснить, почему движение через гипотетический эфир не может быть обнаружено. Их подход не предполагал постоянство скорости света в качестве основополагающего принципа. Вместо этого он был основан на идее, что такой эфир существует - универсальная среда, посредством которой свет (или, точнее, электромагнитные волны) распространяется.
Вы можете вспомнить из школы классическую модель атома, где электроны вращаются на ядре так же, как планеты вокруг Солнца. Электроны удерживаются на орбите электромагнитными силами, которые, как и сам свет, считались передаваемыми через эфир. Если атомы перемещаются через этот эфир, идея заключалась в том, что орбиты их электронов искажаются в направлении движения, заставляя атомы слегка сжиматься. Поскольку весь вопрос состоит из атомов, это будет означать, что все объекты физически сокращаются. Степень этого сокращения была количественно определена по тому, что мы сейчас называем сокращением Лорента - того же эффекта, предсказанного специальной относительностью Эйнштейна.
Теория Лоренца была в конечном итоге отброшена не потому, что она была неправильной, а потому, что теория Эйнштейна была более элегантной, требовала меньше предположений и применялась более широко. Сегодня единственный остаток модели Лоренца - это формула преобразования, которая все еще носит его имя. Но мы не должны так быстро отклонять его идеи - есть ли многое мы можем учиться на теории Лоренца, которая может помочь сделать странность относительности более понятной.
Для обычного человека концепция пространства все еще основана на определении Ньютона: абсолютно и неизменно - фоном, на который разворачиваются события. В этом классическом взгляде, если два объекта находятся на расстоянии одного метра, то они находятся на расстоянии одного метра друг от друга, независимо от их отсчета. Эта идея кажется интуитивной, потому что это единственная, с которой мы выросли. Но, как оказалось, это неточно.
Когда -то платиновый батончик, хранящийся в Париже, был официальным стандартом для одного метра. Если бы два объекта были на десять метров друг от друга, это означало, что вы могли бы положить планку между ними десять раз. Но что, если сама счетчик сжимается, как предложил Лоренц? Что, есликаждыйМетровой батончик в существовании сжимается таким же образом? Тогда каждое измерение все равно даст тот же результат, даже если физическое расстояние фактически уменьшилось. В этом случае имеет больше смысла сказать, что само пространство сократилось.
Наша классическая концепция пространства остается нетронутой в принципе, но она становится физически бессмысленной. В сфере физики расстояние - это то, что мы измеряем с помощью инструментов. Если все инструменты сокращаются, то так же, как и места.
Также важно помнить, что человеческое восприятие коренится в физических процессах. То, что мы думаем о «пространстве» в наших умах, отличается от «физического пространства», которое мы испытываем. Если бы скорость света была намного ниже, а релятивистские эффекты были видны в повседневной жизни, мы, естественно, могли бы признать, что быстро движущиеся автомобили кажутся раздавленными в направлении движения. Возможно, сама идея абсолютного пространства никогда бы не сформировалась в наших умах.
Учитывая все это, мы можем понять, почему концепция абсолютного ньютоновского пространства должна была быть заброшена в пользу чего -то измеримого,физическое пространствоПолем Но когда дело доходит довремя, Тайна идет глубже. Как может астронавт на быстро движущемся космическом возрасте медленнее, чем их близнец, который остается на земле?
Так же, как мы различаем абсолютное и физическое пространство, мы также должны отделитьАбсолютное время(как это представлял Ньютон) изфизическое время- время, измеренное часами. И под часами мы подразумеваем любой процесс, который разворачивается с течением времени: распад частицы или даже старение человеческого тела. Старение - это сложный химический процесс, основанный на физических взаимодействиях, в первую очередь электромагнитные. Если эти взаимодействия искажаются движением, это может замедлить основные процессы и, с ними, самого старения.
Таким образом, как и в случае с пространством, мы могли бы сохранить идею абсолютного времени в теории, но на практике он теряет свое значение. Все часы измеряют физическое время, и весь человеческий опыт основан на это физическое время. Абсолютное время, будучи неизмеримым и непостижимым, не имеет физической реальности.
Тогда естьмасса, что мы часто связываем с количеством материи в объекте. Странно думать, что простое движение может быстрее увеличить массу объекта. Но физическая масса на самом деле не связана с «сколько вещей», который содержит объект. Ньютон определилИнерционная массакак мера того, сколько объекта устойчиво устойчиво ускоряется. Если вы толкнете маленький шарик и большой с равной силой, более легкий мяч движется дальше. Мы можем оказывать силу только на объекты через взаимодействия, о которых мы знаем четыре: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные силы.
Гравитационное взаимодействие, сОбщая относительность Эйнштейна, понимается как кривизна пространства, а не силу. Сильное взаимодействие ограничено атомным ядром. Это оставляетэлектромагнитные и слабые силы, который физики объединились в 1970 -х годах в соответствии с терминомЭЛЕКТРОВЕКОВЫЕ ВзаимодействиеПолем Это взаимодействие, на которое мы обычно полагаемся, чтобы ускорить объекты. Если это взаимодействие ослаблено в быстро меняющемся космическом корабле, объект сопротивляется ускорению больше. Для нас это похоже на увеличение массы.
Независимо от того, расширил ли кто -нибудь теорию эфира Лорента, чтобы объяснить этот эффект, я не знаю. Но это не главное. Дело в том, что теория Лоренца не была неправильной - на самом деле, она обеспечила решающую ступеньку для прорыва Эйнштейна. Модель Эйнштейна просто сделанаменьше предположенийи произведеноболее точные прогнозы, вот почему это в конечном итоге преобладало.
Одним из распространенных претензий в пользу особой относительности является то, что он устранял необходимость в эфире. Но что с этим случилось? По правде говоря, эфир был отброшен во многом так же, как ньютоновское абсолютное пространство и время. Поскольку эфир не мог быть обнаружен, ему не хватало физического значения, как абсолютное время и пространство. Но если эфира не существует, что именно размахивает, когда легкая волна движется через пространство?
Ответ Эйнштейна был прост: свет распространяется через само пространство. По сути, онобъединил концепцию эфира с концепцией пространства, рассматривая их как одно и то же самое. Эфир не исчезал - он был пересмотрен. Пространство Эйнштейна не пассивная пустота, нофизическая сущность, больше похоже на эфир, среда, которая поддерживает электромагнитные волны и может быть описана присутствием массы. Мы воспринимаем это деформацию какгравитацияПолем
Чему мы можем научиться у особой относительности?
Ключевое понимание на удивление просто: Эйнштейн использовал словакосмосивремяЧтобы означать что -то очень отличное от того, что большинство людей понимают.
Для обычного человека пространство все еще является абсолютным пространством Ньютона - фиксированный, неизменной фон, где разворачиваются события. Но концепция пространства Эйнштейна гораздо больше похожа на старую идею эфира: что -то, что заполняет все. Электромагнитные волны распространяются через него, и частицы перемещаются внутри него, возможно, даже как крошечные стоящие волны. Пространство Эйнштейна динамично. Он может изгибаться в ответ на массу, что даетиллюзияЭта гравитация - это сила, похожая на электромагнетизм, хотя она принципиально отличается.
Мы можем представить, что пространство Эйнштейна просто заполняет абсолютное пространство Ньютона. Но поскольку каждая частица и каждый физический процесс происходитв пределахЭто пространство, мы никогда не сможем ничего наблюдать за этим «снаружи». Вот почему Эйнштейн был оправдан на название этогокосмос-физическийкосмос.
То же самое касается времени. Концепция времени Эйнштейна полностью отличается от нашего интуитивного чувства этого, и на самом деле она настолько тесно связана с пространством, что он объединил их в единую концепцию:КосмосПолем То, что Эйнштейн назвал время, - это продолжительность физических процессов - время, измеренное часами. И под часами мы имеем в видулюбойФизический процесс: распад частиц, тикание механических часов или старение живого тела.
Можно сказать, что время Эйнштейна существует в основное абсолютное время, так же, как его пространство может существовать в абсолютном пространстве Ньютона. Но поскольку это «внешнее» время не может быть измерено или испытано, оно становится физически бессмысленным. Единственный раз, кто имеет значение, этофизическое время- Время, когда мы на самом деле наблюдаем. Если физическое пространство похоже на современную версию эфира, то физическое время зависит от скорости, с которой разворачиваются процессы. И эти ставки, в свою очередь, зависят от свойств среды. Вот почему пространство и время неразделимы - и почемугравитационная деформация не только пространство, но и время тожеПолем
Этот эффект не ограничивается далекими звездами или черными дырами. Мы можем наблюдать это прямо здесь, на Земле. Спутники GPS, эрбирующие высоко над нами, содержат чрезвычайно точные атомные часы. Эти часы тикают иначе, чем на земле, не только из -за их скорости, но и из -за более слабой гравитации на их высоте. Если бы эти релятивистские эффекты не были приняты во внимание, GPS был бы дико неточным.
В конце концов, специальная относительность учит нас, что умственные модели, которые мы несем - наши повседневные предположения о пространстве и времени - простоУпрощенные прогнозыгораздо более сложной физической реальности. Мы рассматриваем такие понятия, как пространство и время абсолютным, но это не так. Вот почему, когда физик говорит о пространстве или времени, они могут означать что -то совершенно отличное от того, что воображает обычный человек. И поскольку мы принимаем эти концепции как должное, мы часто полностью упускаем разницу.
Но физическое пространство -время - это не похоже на нашу интуицию. Он ведет себя больше как эфир: настоящая, динамическая среда со структурой и влиянием. Возможно, если бы физики просто продолжали называть это «эфиром», люди обнаружили бы, что теория относительности Эйнштейна гораздо легче понять.
Примечание автора: эта статья предназначена как быстрый учебник - своего рода интеллектуальное вынос - для тех, кто интересуется теорией относительности. Для читателей, которые хотят более глубоко изучить эту тему, на YouTube доступно бесчисленное количество отличных видеороликов, охватывающих более специальную, так и общую теоритарную деятельность.
Оригинал