Теорія відносності, розроблена Альбертом Ейнштейном, є однією з найбільш новаторських концепцій у фізиці. Ця теорія докорінно змінила наше розуміння часу, простору та гравітації. Вона ділиться на дві частини: спеціальну теорію відносності та загальну теорію відносності.
Спеціальна теорія відносності
Спеціальна теорія відносності, запропонована Ейнштейном у 1905 році, зосереджена на поведінці об’єктів в інерціальних системах відліку, які є перспективами, що рухаються з постійними швидкостями. Ця теорія ввела два ключових принципи: принцип відносності та сталості швидкості світла.
Принцип відносності
Принцип відносності стверджує, що закони фізики однакові в усіх інерціальних системах відліку. Це означає, що незалежно від того, перебуваєте ви в спокої чи рухаєтеся з постійною швидкістю, закони фізики не змінюються. Цікавим наслідком цього принципу є нездатність розрізнити, рухаєтеся ви чи перебуваєте в спокої, не дивлячись за межі своєї системи відліку.
Постійність швидкості світла
Теорія Ейнштейна стверджує, що швидкість світла у вакуумі постійна і не залежить від руху джерела світла або спостерігача. Ця швидкість становить приблизно \(299,792\) кілометрів на секунду ( \(c\) ). Це призводить до ідеї, що час і простір є відносними поняттями. Та сама подія може відбуватися в різний час і в різних місцях залежно від стану руху спостерігача.
Уповільнення часу
Одним із найцікавіших результатів спеціальної теорії відносності є уповільнення часу. Цей ефект означає, що час протікає з різною швидкістю для спостерігачів у різних системах інерції. Формула, що описує уповільнення часу: \( t' = \frac{t}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \) де \(t'\) — інтервал часу вимірюється спостерігачем у русі, \(t\) — інтервал часу, виміряний нерухомим спостерігачем, \(v\) — швидкість рухомого спостерігача, а \(c\) — швидкість світла. Це рівняння показує, що коли \(v\) наближається до \(c\) , \(t'\) стає значно більшим за \(t\) , що вказує на те, що час сповільнюється для рухомого спостерігача.
Скорочення довжини
Скорочення довжини є ще одним інтригуючим результатом. Об’єкти здаються коротшими в напрямку руху, якщо дивитися на них спостерігачем, який рухається відносно об’єкта. Формула скорочення довжини має вигляд: \( L' = L \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} \) де \(L'\) — довжина, виміряна рухомим спостерігачем, \(L\) — довжина, виміряна нерухомим спостерігачем, \(v\) — швидкість рухомого спостерігача, а \(c\) — швидкість світла. Це демонструє, що довжина об'єкта зменшується, коли його швидкість наближається до швидкості світла.
Масово-енергетичний еквівалент
Найвідомішим рівнянням спеціальної теорії відносності є \(E=mc^2\) , яке виражає еквівалентність маси та енергії. Це означає, що маса може перетворюватися на енергію і навпаки. Рівняння зіграло ключову роль у розвитку ядерної енергетики та розумінні виробництва енергії зірками.
Загальна теорія відносності
У 1915 році Ейнштейн розширив свою теорію, включивши в неї прискорення та гравітацію, що призвело до загальної теорії відносності. Ця теорія забезпечила нову основу для розуміння гравітації не як сили між масами, а як викривлення простору-часу, викликаного масою.
Кривизна простору-часу
Загальна теорія відносності припускає, що масивні об’єкти, такі як планети та зірки, викликають викривлення тканини простору-часу навколо них. Ця кривизна простору-часу, у свою чергу, керує рухом об’єктів, який ми сприймаємо як силу тяжіння. Наявність маси деформує простір-час і шлях, яким рухаються об’єкти в цьому викривленому просторі-часі, ми бачимо як гравітаційні орбіти.
Гравітаційне уповільнення часу
Гравітаційне уповільнення часу є передбаченням загальної теорії відносності. У ньому стверджується, що час тече з різною швидкістю в регіонах з різним гравітаційним потенціалом. Чим ближче ви до масивного об’єкта, як-от планети чи зірки, тим повільніше плине час порівняно з регіоном, який знаходиться далі від маси. Цей ефект було підтверджено експериментами, що порівнюють хід часу для годинників на поверхні Землі та на орбіті.
Експериментальне підтвердження
Теорія відносності була підтверджена численними експериментами та спостереженнями. Одним із найвідоміших тестів було спостереження за викривленням світла під дією сили тяжіння під час сонячного затемнення в 1919 році, яке підтвердило передбачення Ейнштейна про те, що світло викривлятиметься під час проходження поблизу масивного об’єкта, такого як Сонце. Іншим підтвердженням є система глобального позиціонування (GPS), яка враховує як спеціальну, так і загальну теорії відносності. На супутники GPS впливає як швидкість, з якою вони рухаються (спеціальна теорія відносності), так і слабше гравітаційне поле порівняно з поверхнею Землі (загальна теорія відносності). Коригування цих релятивістських ефектів необхідні для того, щоб система надавала точні дані про місцезнаходження. Теорія відносності глибоко впливає на наше розуміння Всесвіту, від поведінки атомів до динаміки галактик. Незважаючи на його, здавалося б, абстрактний характер, його принципи відіграють важливу роль у технологіях, які ми використовуємо щодня, і продовжуємо керувати дослідженнями космосу.
