Теорија за релативноста

Теоријата за релативноста ја преобличи теориската физика и астрономијата за време на XX век. Кога првпат беше објавена, и ја надмина 200 годишната теоријата на механичките движења создадена од Исак Њутн.^[4][5][6]

Во полето на физиката, релативноста придонесе за подобро и поедноставно разбирање на појавите како што се: науката за елементарните честички и нивните основни заемодејства, кои знаења доведуваат до создавањето на јадрената ера. Со помош на релативноста, космологијата и астрофизиката ги предвидоа астрономските појави како што се неутронските ѕвезди, црните дупки и гравитациските бранови.^[4][5][6]

Преглед на двете теории

Теоријата за релативноста содржи повеќе од една физичка теорија во себе. Постојат неколку објаснувања за ова. Прво, специјалната теорија за релативноста беше објавена во 1905 г. а конечниот облик на општата теорија за релативноста беше објавен во 1916 г.^[4]

Второ, специјалната релативност се применува кај елементрните честички и нивните заемодејства, додека пак општиот релативност се применува во космологијата и астрофизиката како и во астрономијата.^[4]

Трето, специјалната релативност беше целосно прифатен од заедницата на физичарите до 1920 г. Оваа теорија забрзано стана значаен и потребен алат за теоретичарите и опитниците во новите полиња на атомската физика, јадрената физика и квантната механика. Општата релативност, се покажал дека е неупотреблив. Се покажало дека има мала применливост во опитите бидејќи скоро сите примени биле со астрономски големини. Се чинела ограничена за правење на мали незначајни исправки на предвидувањата на Њутновата теорија за гравитацијата.^[4]

Конечно, математиката на општиот релативност се покажала како многу тешка. Како последица теоријата била позната на одрден број на луѓе, и постоеле само неколку луѓе кои целосно ја разбирале општата теорија, но сето ова за теоријата било негирано од Ричард Фајнман. Околу 1960 г. се засилува интересот за општиот релативност со што теоријата има централно значење во физиката и астрономијата. Новите математички методи кои се применети во општиот релативност значително ги олесниле пресметките. Одовде се добиени најразлични физички концепти. Исто така со откривањето на нови астрономски појави, во кои општиот релативност е од важност го засилија интересот за теоријата. Вакви астрономски појави биле квазарите (1963 г.), 3 К микробраново позадинско зрачење (1965 г.), пулсарите (1967 г.), и со откривањето на првите кандидати за црна дупка (1981 г.).^[4]

Ајнштајн тврдел дека Теоријата за релативноста припаѓа на класа од на „начела-теории“. И како таква користи аналитички метод. ова значи дека поединечните делови на теоријата не се засновани на претпоставки туку на искуствени откритија. Искуствените откритија довеле до разбирање на општите особини на природните процеси. Математичките модели кои се добиени ги претвораат природните процеси во теориско-математички записи. Затоа, со помош на аналитички средства се обезбедуваат потребните услови. Одделни случаи мора да ги задоволат овие услов. Искуствено добиените резултати се поклопуваат со овие услови.^[7]

Специјалната теорија за релативноста и Општата теорија за релативноста се поврзани. Како што ќе биде пообјаснето подолу, Специјалната теорија за релативноста се применува на сите физички појави освен на гравитацијата. Општата теорија го објаснува законот за гравитација и неговиот однос со останатите сили на природата.^[7]

Специјалната теорија е теорија за структурата на време-просторот. Била промовирана од Ајнштајн во неговиот труд од 1905 г. „За електродинамиката и телата во движење“ (за придонесите на други физичари Видете Историја на специјалната теорија). Специјалната теорија се заснова на два постулати ки се во спротивност со класичната механика:

1. Законите од физиката се исти за сите набљудувачи истовремени движења релативни едни на други (начело на релативноста).
2. брзината на светлината во вакуум е иста за сите набљудувачи, без разлика од релативното движење или движењето на светлинскиот извор.

Добиената теорија се справува подобро со опитите отколку класичната механика, на пример во Мајкелсон–Морлиевиот обид кој го потврдува вториот постулат, но има и многу неочекувани последици. Некои од нив се:

• Релативност на едновременоста: два настани, едновремени за еден научник, можеби не се едновремени за другиот набљудувач ако двајцата се во релативно движење.
• Временско стеснување: Подвижни часовници е забележано дека работат поспоро отколку часовниците кои се „неподвижни“.
• Релативистичка маса
• Стеснување на должина: Предметите се скусени во насоката на движење во однос на набљудувачите.
• Еднаквост на масата и енергијата: E = mc², енергијата и масата се еднакви и можат да го менуваат својот облике од енергија во маса и обратно.
• Максималната брзина е конечна: Ниедно физичко тело, порака или линиско поле може да патува со брзина поголема од брзината на светлината во вакуум.

Главната особина на специјалната релативност е замената на Галиелевите трансформации на класичната механика со Лоренцовите трансформации. (Видете Максвелови равенки и електромагнетизам).

Општиот релативност е теорија за гравитацијата развиена од страна на Ајнштајн во периодот од 1907-1915 г. Развојот на Теоријата за општиот релативност започнува со начелото на еквивалентноста, кој вели дека забрзаното движење и стоењето во едно место при гравитациско поле (на пример кога стоиме на површината на Земјата) се физички подеднакви. Поволноста на ова тврдење е дека слободниот пад е инерцијално движење: тело при слободен пад паѓа бидејќи таков е начинот на кои телата се движат кога постои отсуство на сила која би дејствувала на телата, наместо да се смета дека тоа е поради гравитацијата како што е случајот во класичната механика. Ова не е во согласност со класичната механика и Специјалната релативност бидејќи во овие теории телата кои се движат инерцијално не можат да забрзуваат во споредба едни со други, но телата во слободен пад го можат тоа. За да ја разјасни оваа потешкотија Ајнштајн првично предложил дека време-просторот е закривен. Во 1915 г. ги запишал Ајнштајновите равенки кои се поврзани со закривеноста на време-просторот во однос на масата, енергијата и импулсот.

Некои од последиците на општата теорија за релативноста се:

• Часовниците се движат псопоро во длабоките гравитациски бунари.^[8] Ова се нарекува гравитацио временско стеснување.
• Прецесијата на орбитите не се очекува како појава од Њутновата теорија за гравитацијата. (Ова тврдење е забележано во орбитата на Меркур и кај двојните пулсари).
• Зраците од светлината закривуваат во близина на гравитациското поле.
• Масите во вртење го „завлекуваат“ време-просторот околу нив, појава која се нарекува „звлекување на инерцијалните појдовни системи“.
• Универзумот се шири, и далечните делови се оддалечуваат од нас со брзини поголеми од брзината на светлината.

технички, општиот релативност е теорија на гравитацијата чија дефинирачка особина е употребата на Ајнштајновите равенки. Решенијата на равенките се метрички тензори кои ја дефинираат топологијата на времепросторот и како телата се движат инерцијално.

Проверка на Специјалната релативност

Како и сите проверливи научни теории, Теоријата за релативноста обезбедува предвидувања кои можат да бидат научно испробани. Во случајот на Специјалната теорија тоа се: начелото на релативноста, постојаноста на брзината на светлината и временското стеснување.^[9] Предвидувањата на Специјалната релативност се потврдени со бројни проби од моментот кога Ајнштајн го објаавил својот труд во 1905 г. но три опити кои се изведени во периодот од 1881 до 1938 г. се однајголема важност за потврдување на веродостојноста на теоријата. Ова се трите обиди Мајкелсон–Морлиевиот опит, Кенеди-Торндајковиот опит, и Ивес-Стивеловиот опит. Ајнштајн ги добил Лоренцовите трансформации од првите начела во 1905 г. но овие три опити дозволија од резултатите да се добијат трансформациите како опитни докази.

Максвеловите равенки – основата на класичниот електромагнетизам – ја опишуваат светлината како што истаат се движи со својата постојана брзина. Современото гледиште е дека на светлината не и е потребна средина за да се движи, но Максвел и неговите современици биле убедени дека светлината се движи во средина на начин како што звукот се движи низ воздухот, брановите се движат по површината на барата. Оваа хипотетичка средина се нарекувала етер, која мирувала во однос на „статични ѕвезди“ и низ кој Земјата се движи. Френеловата претпоставка за делумно завлекување на етерот го исклучувала мерењето на ефектите на величината од прв ред (v/c), иако постоелеможност за набљудувања на ефекти од втор ред (v²/c²), Максвел сметал дека овие ефекти се премногу мали за да бидат забележани од тогашната технологија.^[10][11]

Мајкелсон–Морлиевиот опит бил осмислен да ги забележи ефектите од втор ред во „струењата на етерот“ – движењата на етерот релативно во однос на Земјата. Мајкелсон осмислил инструмент наречен Мајкелсонов интерферометар со кој би ги извршил мерењата. Справата била доволно прецизна за да ги забележи овие ефекти,но не добил никакви резултати кога го извел опитот во 1881 г.^[12] и повторно во 1887 г.^[13] Иако не успеал да го забележи струењето на етерот, tрезултатите биле прифатени од научната средина.^[11] Во обид да го спаси тврдењето за етерот, Фитцџералд и Лоренц независно создале Ад-хок хипотеза во која должината на материјалните тела се менуваспоред начинот на движењето низ етерот.^[14] Ова е зачетокот на Фитцџералд–Лоренцовото стеснување, но нивната хипотеза немала теориска основа. Толкувањето на нултиот резултат на Мајкелсон–Морлиевиот опит е дека времето потребно за изминување на кружниот пат за светлината е изотропен (независен од насоката), но резултатот сам по себе не е доволен за да се прифати или отфрли Теоријата за етерот и предвидувањата на Специјалната теорија за релативноста.^[15][16]

Додека Мајкелсон–Морлиевиот опит покажал дека брзината на светлината е изотропна, не покажал ништо за тоа како големината на брзината се менува (ако и воопшто се случува) во различни инерцијали појдовни системи. Кенеди-Торндајковиот опит бил осмислен токму за таа цел, и за првпат бил изведен во 1932 г. од страна на Рој Кенеди и Едвард Торндајк.^[17] И тие добиле нула какао резултат, и заклучиле дека „не постои ефект... освен во случајот кога брзината на сончевиот Систем во просторот е помалку од половина од брзината на Земјата во сопствената орбита“.^[16][18] Таа можност се сметала за премногу за да обезбеди прифатливо објаснување, па од добиениот резултат со вредност нула се заклучува дека временскиот период потребен на светлината за изминувањето на кружниот пат на светлината е подеднаков во сите правци на инерцијалните појдовни системи.^[15][16]

Ивес-Стивеловиот опит за првпат бил изведен од Херберт Ивес и Г.Р. Стивел first во 1938 г.^[19] и повторно со подобрена прецизност во 1941 г.^[20] Бил осмислен да го испробува Доплеровиот ефект – црвеното поместување на светлината на подвижен извор во насока нормална на сопствената брзина – што и било предвидено од Ајнштајн во 1905 г. Целта била да се споредат набљудуваниите Доплерови промени со она што било предвидено од Класичната теорија, и да се добие Лоренцовиот фактор за исправки. Ваква исправка била набљудувана, од која се заклучува дека честотата на подвижен атомски часовник се менува според Специјалната теорија за релативноста.^[15][16]

Овие класични опити се повторени многупати со зголемена прецизност. Други опити се, на пример, пробите дека релативистичката енергија и импулс се зголемуваат при големи брзини, временското стеснување на подвижните честички, и современите потраги за прекршување на Лоренцовите трансформации.

Проверка на Општата релативност

Општата релативност била потврдена многупати, извршените опити се: перихеловата прецесија на орбитата на Меркур, закривувањето на светлината од страна на Сонцето и гравитациското црвено поместување на светлината. И други опити го потврдиле Начелото на еквивалентноста и завлекувањето на инерцијалните појдовни системи.

Историјата на Специјалната теорија се состои од многу теориски резултати и искуствени резултати добиени од страна на Алберт Абрахам Мајкелсон, Хендрик Лоренц, Анри Поанкаре и останатите. Сето тоа сдовело до создавањето на Специјалната теорија за релативноста предложена од Алберт Ајнштајн, и последователната работа на Макс Планк, Херман Минковски и други.

Општата релативност (ОР) е Теорија за гравитацијата кој била развиена од страна на Алберт Ајнштајн меѓу 1907 и 1915 г. и со придонеси од многу други по 1915 г.

Моментално, може да се каже дека не се работи само за едноставен теориски научен интерес или потреба од опит потврда, анализата на релативистичките ефекти за мерење на времето е важно практичен инженерски проблем при работата на глобалниот положбен систем како што се ГПС, ГЛОНАСС, и системот кој се гради „Галилео“, како и високо прецизното расејување на времето.^[21] Инструментите како што се електронските микроскопи па сè до забрзувачите на честички едноставно не би работеле ако не се земени предвид релативистичките ефекти.

Теоријата на релативноста е употребена во многу современи електронски уреди како што се глобалниот положбен систем (ГПС). ГПС-системите се направени од три дела, контролен дел, просторен дел и дел за употреба. Просторниот дел со состои од сателити кои се поставени во специфични орбити. Контролниот дел се состои од станица до која сите податоци се испраќаат од просторната компонента. Многу од релативистичките ефекти кои се случуваат во ГПС-системите. Бидејќи секој од деловите е во различен појдовен систем, сите релативистички ефекти треба да се земат предвид за да ГПС работи прецизно. Часовнивците кои се користат во ГПС треба да се синхронизирани. Во ГПС-системите, а треба да се земе предвид и гравитациското поле на Земјата. ГПС-системите работат толку прецизно благодарение на Теоријата за релативноста.^[22]

Не сите Ајнштајнови современици ги прифатиле неговите теории. Но денес, теоријата се смета за основа на современата физика.

Иако е широко прифатено дека Ајнштајн е создавачот на Теоријата за релативноста и неговото современо разбирање, некои веруваат дека други се заслужни за нејзиното настанување.

• Општа релативност
• Специјална релативност