Теория на относителността
53007 прегледа
0 Коментара
През 1905-та година Алберт Айнщайн е само един служител в патентно бюро, но с огромен интерес към науката и все още непознатите процеси в нашата Вселена. Точно в този период той се натъква на една основополагаща характеристика на физичните закони и драстично променя представата ни за време, пространство и движение. Той формулира Теорията на относителността, която става повод за редица прозрения в доста сфери от живота – от космологията до медицината.
16-годишният син на търговец от Германия има блестящ ум, благодарение на който ние днес се радваме на някои технологични придобивки. XXI век нямаше да е това, което е, ако Алберт Айнщайн не си беше задал въпроса за какво бихме могли да използваме лъч светлина . Тази загадка е разбулена и се ражда Специалната теория за относителността. Той вдига завесата и осъзнава, че ако яхнем лъча и полетим, той би бил неподвижен, а всъщност е движещо се електромагнитно поле. На какво се дължи това противоречие?! Парадоксът го води към разплитането на една мистерия, оформила се като гениална идея.
И преди Айнщайн е имало учени, които са обръщали внимание на светлинните лъчи, опитвайки се да ги изследват в детайли. В края на XVII век светлината се възприема като вълни, които цепят етера – флуидът, изпълващ цялото пространство. Но ако той съществува, тогава ще се говори за различни стойности на скоростта на светлината според бързината, с която се движи наблюдателят.
Така и не е доказано, че етерът е факт. През 80-те години на XIX век обаче американският физик Албърт Майкелсън изработва оптически уред, който се занимава с регистрирането на въздействието на етера върху светлината. Това става с помощта на два лъча - успореден и перпендикулярен на посоката на движение на Земята около Слънцето.
Първият опит е проведен в далечната 1881 година, но той се оказва неуспешен. Трябва да минат шест години, за да се усъвършенстват опитите на Майкелсън, съвместно с друг американски учен - професора по химия Едуард Морли. Отново доказателства за етера не излизат наяве, изглежда той не може да влияние върху скоростта на светлината.
Експериментите водят до отчайващи резултати, а версиите стават все по-странни. През 1889-та година Джордж Фицджералд 1споделя, че вероятно докато се пътува през етера, уредът за измерване се е смалил дотолкова, че да не отчете въздействието му върху скоростта на светлината.
В продължение на три години научният свят го взима на подбив за твърдението, но внезапно друг негов колега от Холандия – Хендрик Лоренц, изказва същото сензационно хрумване. Той излиза дори с формула, която изчислява ефекта на свиването, наречена впоследствие Лоренцово скъсяване. Погледите на всички са подозрителни, но не могат да ги оборят с алтернатива на теорията.
По официалните закони на физиката, които са формулирани от Джеймс Кларк Максуел, разлика трябва да има.
Айнщайн прекарва няколко години, за да открие брънката на пъзела в тази главоблъсканица. След като се дипломира, той се занимава основно с това – търси решение, което да влиза като представа в общата логика.
През 1905-та той осъзнава, че може да даде обяснение въз основа на два основни принципа - законите на физиката са еднакви за всички обекти, независимо от тяхната скорост и скоростта на светлината е една и съща, независимо дали отправната точка е движеща се или не.
Айнщайн обръща внимание също, че уравненията на Максуел (за електрическото, магнитното и електромагнитното поле) са несъвместими с първия принцип. Ето защо те се нуждаят от незабавна корекция. Как точно може да стане това, дава жокер самият втори принцип, който е доста краен за времето си.
Стига се до извода, че светлинните лъчи не се подчиняват на нормалните закони за скоростта. Айнщайн го доказва по следния начин. Измерването на скоростта на движещ се влак е според скоростта на наблюдателя.
За стоящ човек край релсите, тя може да бъде 200 км/ч, а друг, който пътува успоредно с него в автомобил - 100 км/ч.
В случая със светлината Айнщайн е убеден, че скоростта й е една и съща за всяка отправна точка - 300 000 км./сек. във вакуум.
Специалната теория на относителността (СТО) показва, че времето за два обекта, които се движат един спрямо друг, е различно.
Общата теория на относителността (ОТО) постановява, че всяка маса изкривява пространството също както билярдна топка върху опъната покривка.
Айнщайн поставя основите на една система, която днес физиците определят като Специална теория на относителността, с една революционна статия от 1905 година, озаглавена „За електродинамиката на движещите се тела”.
С нея геният показва, че неговите два принципа обясняват всички досегашни пропуски и катастрофалните резултати от опита на Майкелсон-Морли. Излизат и множество предположения на преден план, сред които например абсолютният лимит на скоростта във Вселената.
Най-невероятното следствие от Теорията на относителността се оформя няколко месеца по-късно. Айнщайн се впечатлява от резултатите от прилагането на принципите си върху прочутия Закон за запазване на енергията. Той помества разсъжденията си в статията „Зависи ли инерцията на едно тяло от съдържащата се в него енергия?”.
Дори той не може да приеме за верна получената формула. Според нея цялата маса е потенциален източник на енергия, което означава, че всеки обект с маса М е равен на енергията Е чрез зависимостта Е=Мс2, където „с” се явява скоростта на светлината. Казано по друг начин - един килограм материя може да бъде разглеждан като енергията, която се освобождава при взрива на повече от 20 млн. тона тротил.
Минава доста време, докато Айнщайн осмисли заключенията си, за да отвори очите си напълно за всички последици от това поразително откритие.
Следват няколко неуспешни опити той да бъде опроверган от останалите специалисти, но твърдението му, че ефектът на скъсяване всъщност е незначителен, се потвърждава.
На практика обектите променят физическите си характеристики съгласно принципите на Теорията на относителността.
Постепенно „плодовете“ от работата на учените се раждат все по-изненадващи на „вкус“.
През 1928 година британският учен Пол Дирак ползва теорията в квантовата механика и разбира, че частици като електроните, по всяка вероятност притежават характеристика, наречена „спин” (въртене). Днес той е приет за фундаментално свойство на частиците.
Освен това Дирак предполага наличието на противоположна на електрона частица - позитрон. Години по-късно, опити върху космически лъчи дават безспорни доказателства за съществуването на подобни частици, които изграждат „антиматерията”.
Към края на 30-те години на миналия век се осветяват още по-важни следствия от основната зависимост в Специалната теория на относителността - Е=Мс2.
Астрономите се досещат, че именно тук се крие отговорът за енергийния източник на Слънцето. През 1938-ма германският ядрен физик Ханс Бете демонстрира, че при водороден ядрен синтез, под повърхността на най-близката звезда се получава хелиева „пепел”, доста по-лека от оригиналните ядра. Разликата в теглото пък се освобождава под формата на енергия според знаменитата формула на Айнщайн.
Имайки предвид количеството енергия, което се извежда от килограм водород, както и реалните размери на Слънцето, вече не е тайна как звездите могат за светят в продължение на милиарди години.
Е=Мс2 дава обяснение за привидно неизчерпаемата енергия, която излъчват радиоактивните елементи, като урана например, което веднага е повод да ги впрегнат в работа.
През 1942 в Чикагския университет е създаден първият ядрен реактор с полезното свойство на урана. Минават само три години и САЩ показват нагледно опустошителния ефект от две атомни бомби над Хирошима и Нагазаки. Айнщайн тъжно обобщава през 1946-та година, „че освободената мощ на атома е успяла да промени всичко, освен мисленето ни.”
Допреди неговата смърт през 1955-та година вече почти е завършена първата АЕЦ в света - край Колдър Хол, Великобритания. Там се внедрява технологията, която днес се използва, за да се добиват около 15 процента от цялата електроенергия на планетата без парникови газове.
В днешно време ЕС и още шест страни работят по международен експериментален термоядрен реактор (ITER) край Кадараш, Франция, който се очаква да стартира на 24 октомври тази година. Той може да се превърне в единственият и напълно достатъчен източник на енергия, който не замърсява околната среда, за разлика от електроцентралите.
СТО има пробойни и неслучайно все още се поставя на изпитание. И Айнщайн е бил на мнение, че тя се срива при много силни гравитационни полета, които са способни да усучат материята на пространството и времето до такава степен, че теорията не съумява да го преодолее.
Действителността сочи някои изключения от правилото, че нищо не може да се движи по-бързо от светлината. Съгласно равенството Е=Мс2, количеството енергия, което е нужно за подобни скорости, е безкрайно. Но всъщност това се отнася само до пътуване във вакуума на пространството. През 1924-та година са наблюдавани заредени частици, които минават през водата по-бързо от светлината. В тази среда скоростта й е по-ниска, отколкото във вакуум. Частиците излъчват причудлива синя светлина, която е известна като „ефект на Черенков“.
Други доказателства за това се появяват по време на опитите в „Адронния ускорител на мини частици” на CERN.
В Общата теория на относителността, свързана с гравитацията, Айнщайн открива още едно несъответствие при СТО. Пространството и времето като материя не е непременно равна и гладка плоскост, може да е извита и разтеглена.
При Големия взрив, Вселената е била наситена с антигравитационни полета с такава мощ, които са станали причина за рязко разширяване на пространство-времето. Това е станало така бързо, че различни части са се отдалечили една от друга със скорост, която е по-висока от тази на светлината.
Един изключителен ум, надхвърлил времето си. Той е бил хуманист, социалист, пацифист, антифашист и ционист (само в сферата на културата). Открито се е противопоставял на крайните и остарели методи на управляващите, възмущавал се е, и се е борил срещу явните неправди. Намерил е и време да ни даде такива научни съкровища, като своята Теория на относителността, благодарение на която прогреса се движи напред и сега се радваме на все повече открития и имаме надежди, че скоро ще разкрием напълно тайната на Вселената.
Снимки: Wikipedia
16-годишният син на търговец от Германия има блестящ ум, благодарение на който ние днес се радваме на някои технологични придобивки. XXI век нямаше да е това, което е, ако Алберт Айнщайн не си беше задал въпроса за какво бихме могли да използваме лъч светлина . Тази загадка е разбулена и се ражда Специалната теория за относителността. Той вдига завесата и осъзнава, че ако яхнем лъча и полетим, той би бил неподвижен, а всъщност е движещо се електромагнитно поле. На какво се дължи това противоречие?! Парадоксът го води към разплитането на една мистерия, оформила се като гениална идея.
Истината за физичните закони
И преди Айнщайн е имало учени, които са обръщали внимание на светлинните лъчи, опитвайки се да ги изследват в детайли. В края на XVII век светлината се възприема като вълни, които цепят етера – флуидът, изпълващ цялото пространство. Но ако той съществува, тогава ще се говори за различни стойности на скоростта на светлината според бързината, с която се движи наблюдателят.
Така и не е доказано, че етерът е факт. През 80-те години на XIX век обаче американският физик Албърт Майкелсън изработва оптически уред, който се занимава с регистрирането на въздействието на етера върху светлината. Това става с помощта на два лъча - успореден и перпендикулярен на посоката на движение на Земята около Слънцето.
Първият опит е проведен в далечната 1881 година, но той се оказва неуспешен. Трябва да минат шест години, за да се усъвършенстват опитите на Майкелсън, съвместно с друг американски учен - професора по химия Едуард Морли. Отново доказателства за етера не излизат наяве, изглежда той не може да влияние върху скоростта на светлината.
Експериментите водят до отчайващи резултати, а версиите стават все по-странни. През 1889-та година Джордж Фицджералд 1споделя, че вероятно докато се пътува през етера, уредът за измерване се е смалил дотолкова, че да не отчете въздействието му върху скоростта на светлината.
В продължение на три години научният свят го взима на подбив за твърдението, но внезапно друг негов колега от Холандия – Хендрик Лоренц, изказва същото сензационно хрумване. Той излиза дори с формула, която изчислява ефекта на свиването, наречена впоследствие Лоренцово скъсяване. Погледите на всички са подозрителни, но не могат да ги оборят с алтернатива на теорията.
Това е най-ранната снимка на Алберт Айнщайн направена през 1882 г., когато той е само на 3 години.
21-годишният абсолвент по математика и физика в Политехниката в Цюрих вече е навътре в материята и е запознат с тестовете на Майкелсън и Морли. За негова изненада те имат връзка с идеите за светлинните лъчи, които са го осенили още в тийнейджърска възраст. По време на занятията си във висшето политехническо училище, той забелязва нещо много интересно. Опитите с магнити и проводници сочат едни и същи резултати, независимо от това дали се движат, тоест има значение само относителното им движение. По официалните закони на физиката, които са формулирани от Джеймс Кларк Максуел, разлика трябва да има.
Айнщайн прекарва няколко години, за да открие брънката на пъзела в тази главоблъсканица. След като се дипломира, той се занимава основно с това – търси решение, което да влиза като представа в общата логика.
През 1905-та той осъзнава, че може да даде обяснение въз основа на два основни принципа - законите на физиката са еднакви за всички обекти, независимо от тяхната скорост и скоростта на светлината е една и съща, независимо дали отправната точка е движеща се или не.
Айнщайн обръща внимание също, че уравненията на Максуел (за електрическото, магнитното и електромагнитното поле) са несъвместими с първия принцип. Ето защо те се нуждаят от незабавна корекция. Как точно може да стане това, дава жокер самият втори принцип, който е доста краен за времето си.
Стига се до извода, че светлинните лъчи не се подчиняват на нормалните закони за скоростта. Айнщайн го доказва по следния начин. Измерването на скоростта на движещ се влак е според скоростта на наблюдателя.
За стоящ човек край релсите, тя може да бъде 200 км/ч, а друг, който пътува успоредно с него в автомобил - 100 км/ч.
В случая със светлината Айнщайн е убеден, че скоростта й е една и съща за всяка отправна точка - 300 000 км./сек. във вакуум.
Специалната теория на относителността (СТО) показва, че времето за два обекта, които се движат един спрямо друг, е различно.
Общата теория на относителността (ОТО) постановява, че всяка маса изкривява пространството също както билярдна топка върху опъната покривка.
Интересното е, че всичките големи открития и прозрения на Алберт Айнщайн не идват в следствие на дългогодишни опити и сложни изчисления, а по скоро, като ефект от брилянтни и елегантни умозаключения!
Етерът – фактор или не?
Айнщайн поставя основите на една система, която днес физиците определят като Специална теория на относителността, с една революционна статия от 1905 година, озаглавена „За електродинамиката на движещите се тела”.
С нея геният показва, че неговите два принципа обясняват всички досегашни пропуски и катастрофалните резултати от опита на Майкелсон-Морли. Излизат и множество предположения на преден план, сред които например абсолютният лимит на скоростта във Вселената.
Най-невероятното следствие от Теорията на относителността се оформя няколко месеца по-късно. Айнщайн се впечатлява от резултатите от прилагането на принципите си върху прочутия Закон за запазване на енергията. Той помества разсъжденията си в статията „Зависи ли инерцията на едно тяло от съдържащата се в него енергия?”.
Дори той не може да приеме за верна получената формула. Според нея цялата маса е потенциален източник на енергия, което означава, че всеки обект с маса М е равен на енергията Е чрез зависимостта Е=Мс2, където „с” се явява скоростта на светлината. Казано по друг начин - един килограм материя може да бъде разглеждан като енергията, която се освобождава при взрива на повече от 20 млн. тона тротил.
Минава доста време, докато Айнщайн осмисли заключенията си, за да отвори очите си напълно за всички последици от това поразително откритие.
Следват няколко неуспешни опити той да бъде опроверган от останалите специалисти, но твърдението му, че ефектът на скъсяване всъщност е незначителен, се потвърждава.
На практика обектите променят физическите си характеристики съгласно принципите на Теорията на относителността.
Опитите дават резултати
Постепенно „плодовете“ от работата на учените се раждат все по-изненадващи на „вкус“.
През 1928 година британският учен Пол Дирак ползва теорията в квантовата механика и разбира, че частици като електроните, по всяка вероятност притежават характеристика, наречена „спин” (въртене). Днес той е приет за фундаментално свойство на частиците.
Освен това Дирак предполага наличието на противоположна на електрона частица - позитрон. Години по-късно, опити върху космически лъчи дават безспорни доказателства за съществуването на подобни частици, които изграждат „антиматерията”.
Към края на 30-те години на миналия век се осветяват още по-важни следствия от основната зависимост в Специалната теория на относителността - Е=Мс2.
Астрономите се досещат, че именно тук се крие отговорът за енергийния източник на Слънцето. През 1938-ма германският ядрен физик Ханс Бете демонстрира, че при водороден ядрен синтез, под повърхността на най-близката звезда се получава хелиева „пепел”, доста по-лека от оригиналните ядра. Разликата в теглото пък се освобождава под формата на енергия според знаменитата формула на Айнщайн.
Имайки предвид количеството енергия, което се извежда от килограм водород, както и реалните размери на Слънцето, вече не е тайна как звездите могат за светят в продължение на милиарди години.
Е=Мс2 дава обяснение за привидно неизчерпаемата енергия, която излъчват радиоактивните елементи, като урана например, което веднага е повод да ги впрегнат в работа.
През 1942 в Чикагския университет е създаден първият ядрен реактор с полезното свойство на урана. Минават само три години и САЩ показват нагледно опустошителния ефект от две атомни бомби над Хирошима и Нагазаки. Айнщайн тъжно обобщава през 1946-та година, „че освободената мощ на атома е успяла да промени всичко, освен мисленето ни.”
Допреди неговата смърт през 1955-та година вече почти е завършена първата АЕЦ в света - край Колдър Хол, Великобритания. Там се внедрява технологията, която днес се използва, за да се добиват около 15 процента от цялата електроенергия на планетата без парникови газове.
В днешно време ЕС и още шест страни работят по международен експериментален термоядрен реактор (ITER) край Кадараш, Франция, който се очаква да стартира на 24 октомври тази година. Той може да се превърне в единственият и напълно достатъчен източник на енергия, който не замърсява околната среда, за разлика от електроцентралите.
СТО има пробойни и неслучайно все още се поставя на изпитание. И Айнщайн е бил на мнение, че тя се срива при много силни гравитационни полета, които са способни да усучат материята на пространството и времето до такава степен, че теорията не съумява да го преодолее.
Действителността сочи някои изключения от правилото, че нищо не може да се движи по-бързо от светлината. Съгласно равенството Е=Мс2, количеството енергия, което е нужно за подобни скорости, е безкрайно. Но всъщност това се отнася само до пътуване във вакуума на пространството. През 1924-та година са наблюдавани заредени частици, които минават през водата по-бързо от светлината. В тази среда скоростта й е по-ниска, отколкото във вакуум. Частиците излъчват причудлива синя светлина, която е известна като „ефект на Черенков“.
Други доказателства за това се появяват по време на опитите в „Адронния ускорител на мини частици” на CERN.
В Общата теория на относителността, свързана с гравитацията, Айнщайн открива още едно несъответствие при СТО. Пространството и времето като материя не е непременно равна и гладка плоскост, може да е извита и разтеглена.
При Големия взрив, Вселената е била наситена с антигравитационни полета с такава мощ, които са станали причина за рязко разширяване на пространство-времето. Това е станало така бързо, че различни части са се отдалечили една от друга със скорост, която е по-висока от тази на светлината.
Един изключителен ум, надхвърлил времето си. Той е бил хуманист, социалист, пацифист, антифашист и ционист (само в сферата на културата). Открито се е противопоставял на крайните и остарели методи на управляващите, възмущавал се е, и се е борил срещу явните неправди. Намерил е и време да ни даде такива научни съкровища, като своята Теория на относителността, благодарение на която прогреса се движи напред и сега се радваме на все повече открития и имаме надежди, че скоро ще разкрием напълно тайната на Вселената.
Снимки: Wikipedia
