Теория относительности Эйнштейна: коротко и просто о сложном

Всем известное имя Альберта Эйнштейна ассоциируется с гениальным физиком-теоретиком, чья слава проникла в наши жизни с самых школьных лет. В качестве обладателя Нобелевской премии и автора почти 500 книг, посвященных физике, философии и истории, Эйнштейн стал непревзойденным авторитетом в научном мире. Его научные открытия, особенно теория относительности, которую он представил в 1905 году, перевернули представление о природе пространства и времени, движении и законах механики.

Согласно его теории, мир состоит из четырех измерений:

• вправо-влево;
• вверх-вниз;
• вперед-назад.

Время также является еще одним измерением, вместе с пространством. Благодаря этим четырем параметрам мы можем создать пространственно-временную физическую модель.

Удивительно, что наше восприятие времени и пространства непосредственно связано с нашей скоростью передвижения.

Три составляющие выражают взаимосвязь, которую можно понять через специальную теорию относительности: чем быстрее объект двигается, тем сильнее искажается пространство и время.

Впоследствии, основываясь на представленной доктрине, Альберт Эйнштейн разработал всеобщую теорию относительности. Однако пониманию её не подвластно большинство, и поэтому на уроках мы изучали особую теорию относительности. Именно о ней мы более подробно расскажем в данной статье.

Как определить, движется ли объект или находится на месте? Запросто можно определить его состояние с учетом окружающих объектов. Важно понимать, что наличие или отсутствие движения, а также скорость перемещения могут зависеть от двух факторов: точка наблюдения и точка, с которой наблюдают. Другими словами, движение является относительным параметром.

Давайте представим ситуацию. Вы только что закончили тяжелый рабочий день и сейчас находитесь в метро. Вы сидите на одном из пассажирских мест и увлеченно изучаете нашу онлайн-программу "Психическая саморегуляция" через свой мобильный телефон (который, кстати, отличный выбор, если вашей целью является преодоление стресса, трудных межличностных отношений в коллективе и других эмоциональных преград). В этот момент все вокруг вас, такие как кресла и другие пассажиры (кто-то стоит, кто-то сидит), а также ваш мобильный телефон, находятся в неподвижном состоянии - они не двигаются, и их скорость равна нулю.

Ваш знакомый решил вас встретить на платформе одной из станций и уже ожидает вас там. Для него поезд и все предметы внутри него движутся с одинаковой скоростью, например, 50 км/ч. А если пассажир решит перейти на другой вагон по направлению движения поезда, его скорость будет еще выше, так как она будет складываться с скоростью поезда.

Единственное исключение из этого правила составляет свет фар поезда. Скорость света остаётся постоянной и равна скорости перемещения самого поезда.

Отсюда следуют два главных принципа специальной теории относительности:

Принцип относительности признаёт, что все физические явления происходят однаковым образом для неподвижных объектов или объектов с постоянной скоростью, как, например, вы и ваш телефон.

Принцип константности скорости света: данная характеристика не подвержена влиянию других факторов (например, источника света) и остается неизменной для всех наблюдателей.

На первый взгляд, скорость света кажется невероятной, но на самом деле она имеет свои особенности. Возьмем, к примеру, распространение света в пространстве. Расстояние между Солнцем и Землей составляет 150 миллионов километров, что делает невозможным мгновенную доставку солнечного света до нашей планеты. Удивительно, но этот свет достигает Земли только через 8 минут! А если представить, что Солнце внезапно перестает излучать свет, то ночь наступит не сразу же, а только через этот промежуток времени.

В следующих разделах мы будем подробно рассматривать важные факты о пространственно-временной среде, которые вытекают из двух главных принципов данной теории.

Понимание того, как данные принципы взаимосвязаны с пространством и временем, является ключевым аспектом. Благодаря этому, известный ученый Альберт Эйнштейн смог сформулировать три важных вывода.

• время замедляется;
• пространство расширяется;
• масса увеличивается.

Чтобы понимать, о чем речь, давайте рассмотрим подробнее каждое из заключений.

Величина времени не является абсолютной, так как она зависит от системы отсчета, в которой мы находимся.

Очень увлекательное исследование было проведено, с использованием двух атомных часов: одно устройство было отправлено самолетом вокруг планеты, в то время как второе осталось на Земле. По приземлении самолета были проведены сравнения между показателями часов: результаты показали, что часы, прошедшие полет вокруг земного шара, отставали на невообразимо незначительное количество тысячных секунд от остальных.

Из этого можно сделать вывод, что время проходит медленнее для объектов, находящихся в движении. Более того, оно становится еще более замедленным, когда скорость объекта приближается к скорости света. Если космический корабль достигнет скорости света, астронавт окажется в будущем. В таком случае время также будет относительным: неделя на космическом корабле будет эквивалентна году на Земле. Эта теория служит основой для сюжетов многих фантастических фильмов о космосе и его покорителях.

Представьте себе захватывающее космическое приключение, где наш отважный путешественник отправляется в захватывающий полет на своем современном космическом корабле. С каждой секундой скорость этого уникального аппарата приближается к невероятной скорости света. И если мы наблюдаем за его захватывающим полетом со стороны, могли бы заметить, что в направлении движения корабль кажется сжимается, становясь все короче и короче. Но несмотря на это, его ширина остается неизменной, подчеркивая его эффективность и инновационный дизайн. В то же время, наш бесстрашный астронавт находится в полной безопасности, не замечая никаких изменений в себе или вокруг себя.

Данная иллюстрация наглядно демонстрирует, что при увеличении своей скорости, движущийся объект сжимается в направлении своего движения, однако его размеры остаются неизменными в перпендикулярном направлении.

Вы знакомы с формулой E = mc² из школы? Альберт Эйнштейн использовал это уравнение, чтобы наглядно показать, что масса тела пропорциональна его энергии. Если увеличить скорость объекта, его масса тоже увеличится. Из этого следует, что часть энергии расходуется на изменение массы, а другая часть - на увеличение скорости. Именно поэтому путешествие во времени, о котором мы говорили ранее, невозможно. Думайте сами: чем выше скорость корабля, тем сложнее его ускорить. В конечном итоге, при приближении к скорости света, его показатели так велики, что никакая энергия во вселенной не может его превзойти.

Почему теория относительности носит такое название?

Если объект начинает двигаться со скоростью, близкой к скорости света, происходят два интересных эффекта - время замедляется, а пространство сжимается. Однако эти изменения зависят от точки наблюдения. Каждый наблюдатель видит картину с учетом своих параметров. Однако для астронавтов, путешествующих на космическом корабле, изменяется только масса тела, все остальные факторы остаются неизменными. Обе точки зрения верны, и именно поэтому данная теория получила свое название.

Благодарим вас за то, что наша статья помогла вам получить общее представление о фундаментальных принципах теории относительности. Захотели бы мы поделиться интересным фактом: Альберт Эйнштейн посвятил целых 10 лет исследованию и описанию этой теории. Чтобы обрести более глубокое понимание этого учения, мы настоятельно советуем вам прочитать книгу "Теория относительности" от Шеддада Каид-Сала Феррона. Вас удивят ее простое и увлекательное изложение, яркие иллюстрации и графики, которые сделают ее интересной для школьников и взрослых.

Желаем удачи!