SRT, TOE - คำย่อเหล่านี้ซ่อนคำว่า "ทฤษฎีสัมพัทธภาพ" ที่คุ้นเคยซึ่งเกือบทุกคนคุ้นเคย ในภาษาง่ายๆ ทุกอย่างสามารถอธิบายได้ แม้แต่คำพูดของอัจฉริยะ ดังนั้นอย่าสิ้นหวังหากคุณจำวิชาฟิสิกส์ของโรงเรียนไม่ได้ เพราะในความเป็นจริงแล้ว ทุกอย่างง่ายกว่าที่คิดไว้มาก

ต้นกำเนิดของทฤษฎี

เรามาเริ่มหลักสูตร "ทฤษฎีสัมพัทธภาพสำหรับหุ่นจำลอง" กันดีกว่า Albert Einstein ตีพิมพ์ผลงานของเขาในปี 1905 และทำให้เกิดความปั่นป่วนในหมู่นักวิทยาศาสตร์ ทฤษฎีนี้ครอบคลุมช่องว่างและความไม่สอดคล้องกันมากมายในฟิสิกส์ของศตวรรษที่ผ่านมาเกือบทั้งหมดเกือบทั้งหมด แต่เหนือสิ่งอื่นใด มันได้ปฏิวัติแนวคิดเรื่องอวกาศและเวลา ข้อความหลายคำของไอน์สไตน์เป็นเรื่องยากสำหรับคนรุ่นเดียวกันที่จะเชื่อ แต่การทดลองและการวิจัยเพียงยืนยันคำพูดของนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่เท่านั้น

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์อธิบายด้วยคำพูดง่ายๆ ถึงสิ่งที่ผู้คนดิ้นรนต่อสู้มานานหลายศตวรรษ เรียกได้ว่าเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์สมัยใหม่เลยก็ได้ อย่างไรก็ตาม ก่อนที่จะสนทนาเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพต่อไป ควรมีการชี้แจงประเด็นคำศัพท์ก่อน แน่นอนว่าหลายคนที่อ่านบทความวิทยาศาสตร์ยอดนิยมมักเจอคำย่อสองคำ: STO และ GTO อันที่จริงมันบ่งบอกถึงแนวคิดที่แตกต่างกันเล็กน้อย อันแรกคือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และอันที่สองหมายถึง "ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป"

แค่สิ่งที่ซับซ้อน

STR เป็นทฤษฎีเก่าซึ่งต่อมาได้กลายมาเป็นส่วนหนึ่งของ GTR สามารถพิจารณาเฉพาะกระบวนการทางกายภาพสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอเท่านั้น ทฤษฎีทั่วไปสามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นกับวัตถุที่มีความเร่ง และยังอธิบายได้ด้วยว่าเหตุใดจึงมีอนุภาคกราวิตอนและแรงโน้มถ่วงอยู่

หากคุณต้องการอธิบายการเคลื่อนไหวและความสัมพันธ์ของอวกาศและเวลาเมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษก็สามารถทำได้ พูดง่ายๆ ก็สามารถอธิบายได้ดังนี้ เช่น เพื่อนจากอนาคตมอบยานอวกาศที่สามารถบินด้วยความเร็วสูงให้คุณได้ บนจมูกของยานอวกาศมีปืนใหญ่ที่สามารถยิงโฟตอนใส่ทุกสิ่งที่อยู่ข้างหน้าได้

เมื่อมีการยิงกระสุน เมื่อเทียบกับเรือ อนุภาคเหล่านี้จะบินด้วยความเร็วแสง แต่ตามหลักเหตุผลแล้ว ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งควรเห็นผลรวมของความเร็วสองระดับ (โฟตอนเองและตัวเรือ) แต่ไม่มีอะไรแบบนั้น ผู้สังเกตการณ์จะเห็นโฟตอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000 เมตร/วินาที ราวกับว่าความเร็วของเรือเป็นศูนย์

ประเด็นก็คือไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน ความเร็วแสงของวัตถุนั้นก็เป็นค่าคงที่

ข้อความนี้เป็นพื้นฐานของข้อสรุปเชิงตรรกะที่น่าทึ่ง เช่น การชะลอตัวและการบิดเบือนเวลา ขึ้นอยู่กับมวลและความเร็วของวัตถุ เนื้อเรื่องของภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์และละครโทรทัศน์หลายเรื่องมีพื้นฐานมาจากสิ่งนี้

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ในภาษาง่ายๆ เราสามารถอธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่มีขนาดใหญ่กว่าได้ อันดับแรก เราควรคำนึงถึงความจริงที่ว่าพื้นที่ของเรามีสี่มิติ เวลาและพื้นที่ถูกรวมเป็นหนึ่งเดียวกันใน "วัตถุ" เช่น "ความต่อเนื่องของอวกาศ-เวลา" ในอวกาศของเรามีแกนพิกัดสี่แกน: x, y, z และ t

แต่มนุษย์ไม่สามารถรับรู้สี่มิติได้โดยตรง เช่นเดียวกับคนแบนสมมุติที่อาศัยอยู่ในโลกสองมิติไม่สามารถเงยหน้าขึ้นมองได้ ที่จริงแล้ว โลกของเราเป็นเพียงการฉายภาพอวกาศสี่มิติให้กลายเป็นอวกาศสามมิติเท่านั้น

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจก็คือ ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ วัตถุในโลกสี่มิติในความเป็นจริงนั้นไม่เปลี่ยนแปลงเสมอ และเมื่อมันเคลื่อนที่ มีเพียงการฉายภาพเท่านั้นที่เปลี่ยนไป ซึ่งเรามองว่าเป็นการบิดเบือนของเวลา การลดหรือเพิ่มขนาด และอื่นๆ

การทดลองลิฟต์

ทฤษฎีสัมพัทธภาพสามารถอธิบายได้ในรูปแบบง่ายๆ โดยใช้การทดลองทางความคิดเล็กๆ ลองจินตนาการว่าคุณอยู่ในลิฟต์ ห้องโดยสารเริ่มขยับ และคุณพบว่าตัวเองอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก เกิดอะไรขึ้น อาจมีเหตุผลสองประการ: ลิฟต์อยู่ในอวกาศหรือตกอย่างอิสระภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือไม่สามารถหาสาเหตุของภาวะไร้น้ำหนักได้หากไม่สามารถมองออกไปจากรถลิฟต์ได้นั่นคือกระบวนการทั้งสองมีลักษณะเหมือนกัน

บางทีหลังจากทำการทดลองทางความคิดที่คล้ายกัน อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ก็ได้ข้อสรุปว่าหากทั้งสองสถานการณ์นี้แยกกันไม่ออก แล้วในความเป็นจริงแล้ว ร่างกายภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจะไม่ถูกเร่ง มันเป็นการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอซึ่งโค้งงอภายใต้อิทธิพล ของวัตถุขนาดใหญ่ (ในกรณีนี้คือดาวเคราะห์) ดังนั้นการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งจึงเป็นเพียงการฉายภาพการเคลื่อนที่ที่สม่ำเสมอในพื้นที่สามมิติเท่านั้น

เป็นตัวอย่างที่ดี

อีกตัวอย่างที่ดีในหัวข้อ "สัมพัทธภาพสำหรับ Dummies" มันไม่ถูกต้องทั้งหมด แต่เรียบง่ายและชัดเจนมาก หากคุณวางวัตถุใดๆ ไว้บนผ้าที่ยืดออก มันจะทำให้เกิด "การโก่งตัว" หรือ "กรวย" ข้างใต้ ร่างเล็กทุกตัวจะถูกบังคับให้บิดเบือนวิถีตามโค้งใหม่ของอวกาศ และหากร่างกายมีพลังงานน้อย ก็อาจไม่สามารถเอาชนะช่องทางนี้ได้เลย อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ วิถีจะยังคงเป็นเส้นตรง พวกมันจะไม่รู้สึกถึงการโก่งตัวของอวกาศ

แรงโน้มถ่วง "ลดระดับ"

ด้วยการถือกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงได้หยุดเป็นพลังและขณะนี้เป็นที่พอใจที่เป็นผลสืบเนื่องง่ายๆ ของความโค้งของเวลาและอวกาศ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจดูน่าอัศจรรย์ แต่ก็เป็นเวอร์ชันที่ใช้งานได้และได้รับการยืนยันจากการทดลอง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพสามารถอธิบายสิ่งต่างๆ มากมายที่ดูเหมือนน่าเหลือเชื่อในโลกของเรา พูดง่ายๆ ก็คือ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าผลที่ตามมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ตัวอย่างเช่น รังสีของแสงที่บินเข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่จะโค้งงอ ยิ่งไปกว่านั้น วัตถุจำนวนมากจากห้วงอวกาศถูกซ่อนอยู่ข้างหลังกันและกัน แต่เนื่องจากความจริงที่ว่ารังสีของแสงโค้งงอรอบวัตถุอื่น ๆ วัตถุที่ดูเหมือนจะมองไม่เห็นจึงสามารถเข้าถึงได้ด้วยตาของเรา (แม่นยำยิ่งขึ้นคือดวงตาของกล้องโทรทรรศน์) มันเหมือนกับการมองผ่านกำแพง

ยิ่งแรงโน้มถ่วงมากเท่าไร เวลาจะไหลบนพื้นผิวของวัตถุก็จะช้าลงเท่านั้น สิ่งนี้ไม่เพียงแค่ใช้กับวัตถุขนาดใหญ่เช่นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำเท่านั้น ผลกระทบของการขยายเวลาสามารถสังเกตได้แม้กระทั่งบนโลก ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์นำทางด้วยดาวเทียมมีนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูง พวกมันอยู่ในวงโคจรของโลกของเรา และเวลาเดินเร็วขึ้นเล็กน้อยที่นั่น หนึ่งในร้อยวินาทีในหนึ่งวันจะรวมกันเป็นตัวเลขที่จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดสูงสุด 10 กม. ในการคำนวณเส้นทางบนโลก เป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพที่ช่วยให้เราสามารถคำนวณข้อผิดพลาดนี้ได้

พูดง่ายๆ ก็คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปรองรับเทคโนโลยีสมัยใหม่มากมาย และต้องขอบคุณไอน์สไตน์ที่ทำให้เราสามารถค้นหาร้านพิซซ่าและห้องสมุดในพื้นที่ที่ไม่คุ้นเคยได้อย่างง่ายดาย

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ขึ้นอยู่กับข้อความที่ว่าการกำหนดการเคลื่อนไหวของวัตถุตัวแรกนั้นเป็นไปได้เพียงเพราะการเคลื่อนไหวของวัตถุอื่นเท่านั้น ข้อสรุปนี้ได้กลายเป็นพื้นฐานในความต่อเนื่องของกาล-อวกาศสี่มิติและความตระหนักรู้ของมัน ซึ่งเมื่อพิจารณาเวลาและสามมิติแล้วก็มีพื้นฐานเดียวกัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษค้นพบในปี 1905 และศึกษาในระดับสูงที่โรงเรียน มีกรอบการทำงานที่ลงท้ายด้วยคำอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นเท่านั้น จากด้านข้างของการสังเกต ซึ่งมีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กันสม่ำเสมอ ซึ่งนำไปสู่ผลลัพธ์ที่สำคัญหลายประการ:

1 สำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคน ความเร็วแสงจะคงที่

2 ยิ่งความเร็วมากเท่าไร มวลของร่างกายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะรู้สึกได้ถึงความเร็วแสงที่รุนแรงยิ่งขึ้น

3 พลังงาน-E และมวล-m เท่ากันและเทียบเท่ากัน จากสูตรต่อไปนี้ โดยที่ c- จะเป็นความเร็วแสง
อี = mс2
จากสูตรนี้จะเป็นไปตามว่ามวลกลายเป็นพลังงาน มวลน้อยลงนำไปสู่พลังงานมากขึ้น

4 ที่ความเร็วสูงจะเกิดการบีบตัวของร่างกาย (Lorentz-Fitzgerald Compression)

5 เมื่อพิจารณาจากผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งและวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ ครั้งที่สองจะเคลื่อนที่ช้าลง ทฤษฎีนี้สร้างเสร็จในปี 1915 เหมาะสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ดังที่แรงโน้มถ่วงและอวกาศได้แสดงให้เห็นแล้ว ต่อจากนี้ จึงสามารถสันนิษฐานได้ว่าอวกาศมีความโค้งเนื่องจากมีสสารอยู่ในนั้น จึงทำให้เกิดสนามโน้มถ่วง ปรากฎว่าคุณสมบัติของอวกาศคือแรงโน้มถ่วง สิ่งที่น่าสนใจคือสนามโน้มถ่วงทำให้แสงโค้งงอ ซึ่งเป็นจุดที่หลุมดำปรากฏ

หมายเหตุ: หากคุณสนใจโบราณคดี (http://arheologija.ru/) เพียงคลิกลิงก์ไปยังไซต์ที่น่าสนใจที่จะบอกคุณไม่เฉพาะเกี่ยวกับการขุดค้น สิ่งประดิษฐ์ ฯลฯ แต่ยังแบ่งปันข่าวสารล่าสุดด้วย

รูปนี้แสดงตัวอย่างทฤษฎีของไอน์สไตน์

ภายใต้ กแสดงให้เห็นผู้สังเกตการณ์มองดูรถที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างๆ แต่รถสีแดงกำลังเคลื่อนที่เร็วกว่ารถสีน้ำเงิน ซึ่งหมายความว่าความเร็วแสงสัมพันธ์กับรถจะเป็นค่าสัมบูรณ์

ภายใต้ ในแสงที่เล็ดลอดออกมาจากไฟหน้านั้นได้รับการพิจารณาซึ่งถึงแม้ความเร็วของรถจะแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด แต่ก็จะยังคงเหมือนเดิม

ภายใต้ กับมีการแสดงการระเบิดของนิวเคลียร์ซึ่งพิสูจน์ว่าพลังงาน E = มวล T หรือ E = mс2

ภายใต้ ดีจะเห็นได้จากรูปที่มวลน้อยให้พลังงานมากขึ้นในขณะที่ร่างกายถูกบีบอัด

ภายใต้ อีการเปลี่ยนแปลงของเวลาในอวกาศเนื่องจากมูมีซอน เวลาไหลในอวกาศช้ากว่าบนโลก

กิน ทฤษฎีสัมพัทธภาพสำหรับหุ่นจำลองซึ่งแสดงโดยย่อในวิดีโอ:

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจมากเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ในปี 2014 แต่ยังคงเป็นปริศนา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (STR) หรือทฤษฎีสัมพัทธภาพบางส่วนเป็นทฤษฎีของ Albert Einstein ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1905 ในงาน “On the Electrodynamics of Moving Bodies” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. หน้า 891-921 มิถุนายน 1905)

โดยอธิบายการเคลื่อนที่ระหว่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ หรือการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันด้วยความเร็วคงที่ ในกรณีนี้ ไม่ควรใช้วัตถุใดเป็นระบบอ้างอิง แต่ควรพิจารณาว่าวัตถุเหล่านั้นสัมพันธ์กัน รฟท.จัดให้เพียง 1 กรณีเท่านั้น เมื่อ 2 วัตถุไม่เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่และเคลื่อนที่สม่ำเสมอ

กฎของการ รฟท. จะหยุดใช้เมื่อวัตถุตัวใดตัวหนึ่งเปลี่ยนวิถีโคจรหรือเพิ่มความเร็ว ในที่นี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) เกิดขึ้น โดยให้การตีความทั่วไปเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ

สมมุติฐานสองประการที่ใช้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพ:

1. หลักสัมพัทธภาพ- ตามที่เขาพูด ในระบบอ้างอิงที่มีอยู่ทั้งหมด ซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กันด้วยความเร็วคงที่และไม่เปลี่ยนทิศทาง จะใช้กฎหมายเดียวกัน
2. หลักการความเร็วแสง- ความเร็วแสงจะเท่ากันสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคน และไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของพวกเขา นี่คือความเร็วสูงสุด และไม่มีสิ่งใดในธรรมชาติที่มีความเร็วมากไปกว่านี้ ความเร็วแสงคือ 3*10^8 m/s

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ใช้ข้อมูลเชิงทดลองมากกว่าข้อมูลเชิงทฤษฎีเป็นพื้นฐาน นี่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบของความสำเร็จของเขา ข้อมูลการทดลองใหม่ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างทฤษฎีใหม่

ตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ได้ค้นหาสื่อลึกลับชนิดใหม่ที่เรียกว่าอีเทอร์ เชื่อกันว่าอีเทอร์สามารถผ่านวัตถุทั้งหมดได้ แต่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการเคลื่อนไหวของพวกมัน ตามความเชื่อเกี่ยวกับอากาศธาตุ โดยการเปลี่ยนความเร็วของผู้ดูที่สัมพันธ์กับอากาศธาตุ ความเร็วของแสงก็เปลี่ยนไปด้วย

ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นผู้ทดลองที่เชื่อถือได้ ปฏิเสธแนวคิดเรื่องตัวกลางอีเทอร์ชนิดใหม่ และสันนิษฐานว่าความเร็วแสงคงที่เสมอ และไม่ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ใดๆ เช่น ความเร็วของบุคคลเอง

ช่วงเวลา ระยะทาง และความสม่ำเสมอของช่วงเวลา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเชื่อมโยงเวลากับอวกาศ ในจักรวาลวัตถุมี 3 อย่างที่รู้จักในอวกาศ: ขวาและซ้าย, เดินหน้าและถอยหลัง, ขึ้นและลง หากเราเพิ่มมิติอื่นเข้าไป เรียกว่า เวลา สิ่งนี้จะก่อให้เกิดพื้นฐานของความต่อเนื่องของกาล-อวกาศ

หากคุณเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ การสังเกตของคุณจะไม่ไปบรรจบกับผู้คนที่เคลื่อนที่เร็วกว่า

การทดลองในภายหลังยืนยันว่าอวกาศไม่สามารถรับรู้ได้ในลักษณะเดียวกันเช่นเดียวกับเวลา การรับรู้ของเราขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของวัตถุ

การเชื่อมโยงพลังงานกับมวล

ไอน์สไตน์คิดสูตรที่รวมพลังงานเข้ากับมวล สูตรนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาฟิสิกส์และนักเรียนทุกคนคุ้นเคย: E=m*c²ซึ่งในนั้น พลังงานไฟฟ้า; ม. - มวลกาย, ค - ความเร็วการแพร่กระจายของแสง

มวลของร่างกายเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนความเร็วแสงที่เพิ่มขึ้น หากคุณเข้าถึงความเร็วแสง มวลและพลังงานของร่างกายจะกลายเป็นไร้มิติ

การเพิ่มมวลของวัตถุจะทำให้ความเร็วของมันเพิ่มขึ้นได้ยากขึ้น กล่าวคือ สำหรับวัตถุที่มีมวลวัสดุมหาศาลอย่างไม่มีที่สิ้นสุด จำเป็นต้องใช้พลังงานอันไม่มีที่สิ้นสุด แต่ในความเป็นจริงแล้ว มันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุผลสำเร็จ

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ได้รวมข้อกำหนดสองข้อที่แยกจากกัน ได้แก่ ตำแหน่งของมวลและตำแหน่งของพลังงานให้เป็นกฎทั่วไปข้อเดียว ทำให้สามารถแปลงพลังงานเป็นมวลวัสดุและในทางกลับกัน

บทความนี้อธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์โดยไม่มีสูตรหรือคำที่ลึกซึ้งใดๆ

พวกเราหลายคนเคยได้ยินเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แต่บางคนไม่เข้าใจความหมายของทฤษฎีนี้ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นทฤษฎีแรกในประวัติศาสตร์ที่พาเราออกจากโลกทัศน์แบบเดิมๆ มาพูดถึงมันด้วยคำง่ายๆ เราทุกคนคุ้นเคยกับการรับรู้สามมิติ: ระนาบแนวตั้ง แนวนอน และความลึก ถ้าเราบวกเวลาตรงนี้และพิจารณาว่าเป็นปริมาณที่สี่ เราจะได้ปริภูมิสี่มิติ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเวลาก็เป็นค่าสัมพัทธ์เช่นกัน ดังนั้นทุกสิ่งในโลกของเราจึงมีความสัมพันธ์กัน มันหมายความว่าอะไร? ตัวอย่างเช่น ลองเอาพี่น้องฝาแฝดสองคน ส่งคนหนึ่งไปในอวกาศด้วยความเร็วแสงเป็นเวลา 20 ปี แล้วปล่อยอีกคนไว้บนโลก เมื่อแฝดคนแรกกลับมาจากอวกาศ เขาจะอายุน้อยกว่าแฝดที่เหลืออยู่บนโลก 20 ปี นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าแม้แต่เวลาก็ยังสัมพันธ์กันในโลกของเราเช่นเดียวกับสิ่งอื่นใด เมื่อวัตถุเข้าใกล้ความเร็วแสง เวลาจะช้าลง เมื่อถึงความเร็วเท่ากับความเร็วแสง เวลาจะหยุดลงอย่างสมบูรณ์ จากนี้เราสามารถสรุปได้ว่าหากคุณเกินความเร็วแสงแล้วเวลาจะย้อนกลับไปนั่นคืออดีต

ทั้งหมดนี้เป็นในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติล่ะ? คุณไม่สามารถเข้าใกล้ความเร็วแสงได้ แต่จะเกินกว่านั้นมาก ส่วนความเร็วแสงนั้นคงที่เสมอ ตัวอย่างเช่น คนหนึ่งยืนอยู่บนชานชาลาสถานี และอีกคนกำลังนั่งรถไฟมาในทิศทางของเขา หากผู้ที่ยืนอยู่บนแท่นฉายไฟฉาย แสงจากแท่นนั้นจะเดินทางด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที หากผู้ที่เดินทางด้วยรถไฟฉายไฟฉายด้วย ความเร็วแสงของเขาจะไม่เพิ่มขึ้นตามความเร็วของรถไฟ แต่จะเท่ากับ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีเสมอ

เหตุใดจึงยังเป็นไปไม่ได้ที่จะเกินความเร็วแสง? ความจริงก็คือเมื่อเข้าใกล้ความเร็วเท่ากับความเร็วแสงมวลของวัตถุจะเพิ่มขึ้นและพลังงานที่จำเป็นสำหรับการเคลื่อนที่ของวัตถุก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย ถ้าเราไปถึงความเร็วแสง มวลของวัตถุก็จะไม่มีที่สิ้นสุด เช่นเดียวกับพลังงานตามหลักการ แต่มันเป็นไปไม่ได้ เฉพาะวัตถุที่ไม่มีมวลของตัวเองเท่านั้นที่สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงได้ และวัตถุนี้ก็เบาอย่างแม่นยำ

นอกจากนี้แรงโน้มถ่วงยังเกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ด้วย มันสามารถเปลี่ยนแปลงเวลาได้ ตามทฤษฎีแล้ว ยิ่งแรงโน้มถ่วงสูง เวลาจะไหลช้าลง แต่ทั้งหมดนี้เป็นเพียงทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติล่ะ? ระบบนำทางสมัยใหม่ที่เชื่อมต่อกับดาวเทียมมีความแม่นยำมากด้วยเหตุนี้ หากพวกเขาไม่ได้คำนึงถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพ ความแตกต่างในการวัดอาจมีระยะทางหลายกิโลเมตร

“ทฤษฎีสัมพัทธภาพคืออะไร?” เป็นภาพยนตร์วิทยาศาสตร์ขนาดสั้นยอดนิยมที่สร้างโดยผู้กำกับ Semyon Raitburt จาก Second Creative Association ของสตูดิโอภาพยนตร์ Mosnauchfilm ในปี 1964

แม้แต่ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ก็มีแนวโน้มว่าภาพทางกายภาพของโลกนั้นถูกสร้างขึ้นโดยพื้นฐานแล้วและจะยังคงไม่สั่นคลอนในอนาคต - มีเพียงรายละเอียดเท่านั้นที่ยังคงต้องชี้แจง แต่ในทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 มุมมองทางกายภาพเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง นี่เป็นผลมาจากการค้นพบทางวิทยาศาสตร์แบบ “น้ำตก” ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาประวัติศาสตร์ที่สั้นมาก ซึ่งครอบคลุมช่วงปีสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 และทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 ซึ่งหลายแห่งไม่สอดคล้องกับความเข้าใจในประสบการณ์ปกติของมนุษย์โดยสิ้นเชิง ตัวอย่างที่เด่นชัดคือทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สร้างขึ้นโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (พ.ศ. 2422-2498)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ- ทฤษฎีทางกายภาพของกาล-อวกาศ กล่าวคือ ทฤษฎีที่อธิบายคุณสมบัติกาล-อวกาศสากลของกระบวนการทางกายภาพ คำนี้ถูกนำมาใช้ในปี 1906 โดย Max Planck เพื่อเน้นบทบาทของหลักการสัมพัทธภาพ
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (และต่อมาคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป)

ในความหมายที่แคบ ทฤษฎีสัมพัทธภาพรวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปด้วย ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ(ต่อไปนี้ - รฟท.) หมายถึงกระบวนการในการศึกษาว่าสนามโน้มถ่วงใดที่สามารถละเลยได้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป(ต่อไปนี้จะเรียกว่า GTR) เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงที่สรุปทั่วไปของนิวตัน

พิเศษ, หรือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เป็นทฤษฎีโครงสร้างอวกาศ-เวลา เปิดตัวครั้งแรกในปี 1905 โดย Albert Einstein ในงานของเขาเรื่อง “On the Electrodynamics of Moving Bodies” ทฤษฎีนี้อธิบายการเคลื่อนไหว กฎของกลศาสตร์ ตลอดจนความสัมพันธ์ระหว่างกาล-อวกาศที่กำหนดสิ่งเหล่านั้น ไม่ว่าด้วยความเร็วใดก็ตามของการเคลื่อนที่
รวมทั้งพวกที่ใกล้ความเร็วแสงด้วย กลศาสตร์นิวตันคลาสสิก
ภายในกรอบของ รฟท. เป็นการประมาณความเร็วต่ำ

สาเหตุหนึ่งที่ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จก็คือ เขาให้ความสำคัญกับข้อมูลการทดลองมากกว่าข้อมูลเชิงทฤษฎี เมื่อการทดลองจำนวนหนึ่งเปิดเผยผลลัพธ์ที่ขัดแย้งกับทฤษฎีที่ยอมรับกันโดยทั่วไป นักฟิสิกส์หลายคนตัดสินใจว่าการทดลองเหล่านี้ผิด

Albert Einstein เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ตัดสินใจสร้างทฤษฎีใหม่โดยอาศัยข้อมูลการทดลองใหม่

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ได้ค้นหาอีเธอร์ลึกลับซึ่งเป็นสื่อที่คลื่นแสงควรแพร่กระจายตามสมมติฐานที่ยอมรับกันโดยทั่วไปเช่นเดียวกับคลื่นเสียงซึ่งการแพร่กระจายต้องใช้อากาศหรือสื่ออื่นที่เป็นของแข็ง ของเหลวหรือก๊าซ ความเชื่อในการมีอยู่ของอีเทอร์ทำให้เกิดความเชื่อที่ว่าความเร็วแสงควรแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกตที่สัมพันธ์กับอีเทอร์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ละทิ้งแนวคิดเรื่องอีเธอร์และสันนิษฐานว่ากฎทางกายภาพทั้งหมด รวมถึงความเร็วแสง ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าความเร็วของผู้สังเกตจะเป็นเท่าใด ดังที่การทดลองแสดงให้เห็น

SRT อธิบายวิธีตีความการเคลื่อนที่ระหว่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ พูดง่ายๆ ก็คือ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่สัมพันธ์กัน ไอน์สไตน์อธิบายว่าเมื่อวัตถุสองชิ้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เราควรพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุทั้งสองโดยสัมพันธ์กัน แทนที่จะถือว่าวัตถุใดวัตถุหนึ่งเป็นกรอบอ้างอิงสัมบูรณ์ ดังนั้น หากนักบินอวกาศสองคนกำลังบินบนยานอวกาศสองลำและต้องการเปรียบเทียบการสังเกตการณ์ สิ่งเดียวที่พวกเขาต้องรู้ก็คือความเร็วที่สัมพันธ์กัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษพิจารณากรณีพิเศษเพียงกรณีเดียวเท่านั้น (จึงเป็นที่มาของชื่อ) เมื่อการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ

จากความเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจจับการเคลื่อนที่สัมบูรณ์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์สรุปว่าระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดเท่ากัน เขาได้กำหนดสมมุติฐานที่สำคัญที่สุดสองข้อซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีอวกาศและเวลาใหม่ที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (STR):

1. หลักสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ - หลักการนี้เป็นลักษณะทั่วไปของหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ (ระบุสิ่งเดียวกัน แต่ไม่ใช่สำหรับกฎธรรมชาติทั้งหมด แต่สำหรับกฎของกลศาสตร์คลาสสิกเท่านั้น ทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับการบังคับใช้หลักการสัมพัทธภาพกับทัศนศาสตร์และไฟฟ้าพลศาสตร์) แก่บุคคลทางกายภาพใด ๆ มันอ่านว่า: กระบวนการทางกายภาพทั้งหมดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันในระบบอ้างอิงเฉื่อย (IRS) ดำเนินการในลักษณะเดียวกัน- ซึ่งหมายความว่าไม่มีการทดลองทางกายภาพใดๆ ที่ดำเนินการภายใน ISO แบบปิดที่สามารถระบุได้ว่า ISO นั้นอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหวอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ดังนั้น IFR ทั้งหมดจึงเท่าเทียมกันโดยสมบูรณ์ และกฎทางกายภาพไม่แปรผันตามการเลือก IFR (นั่นคือ สมการที่แสดงกฎเหล่านี้มีรูปแบบเดียวกันในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด)

2. หลักการคงตัวของความเร็วแสง- ความเร็วแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและตัวรับแสง- มันจะเหมือนกันในทุกทิศทางและในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด ความเร็วแสงในสุญญากาศคือความเร็วที่จำกัดในธรรมชาติ -นี่เป็นหนึ่งในค่าคงที่ทางกายภาพที่สำคัญที่สุด ซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ของโลก

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของการรฟท. คือชื่อเสียง สูตรของไอน์สไตน์ เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน อี=เอ็มซี 2 (โดยที่ C คือความเร็วแสง) ซึ่งแสดงให้เห็นความเป็นเอกภาพของอวกาศและเวลา แสดงออกโดยการเปลี่ยนแปลงร่วมกันในลักษณะของมัน ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของมวลและการเคลื่อนที่ของพวกมัน และได้รับการยืนยันจากข้อมูลของฟิสิกส์สมัยใหม่ เวลาและพื้นที่หยุดได้รับการพิจารณาอย่างเป็นอิสระจากกันและแนวคิดเรื่องความต่อเนื่องสี่มิติของกาลอวกาศก็เกิดขึ้น

ตามทฤษฎีของนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ เมื่อความเร็วของวัตถุเพิ่มขึ้น เมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง มวลของวัตถุก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เหล่านั้น. ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าไรก็ยิ่งหนักมากขึ้นเท่านั้น หากถึงความเร็วแสง มวลของร่างกายและพลังงานจะกลายเป็นอนันต์ ยิ่งร่างกายหนักเท่าไร การเพิ่มความเร็วก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น การเร่งความเร็วของร่างกายด้วยมวลอนันต์ต้องใช้พลังงานจำนวนอนันต์ ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่วัตถุจะไปถึงความเร็วแสง

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ "กฎสองข้อ - กฎการอนุรักษ์มวลและการอนุรักษ์พลังงาน - สูญเสียความถูกต้องที่เป็นอิสระและพบว่าตัวเองรวมกันเป็นกฎเดียว ซึ่งสามารถเรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงานหรือมวล" ด้วยการเชื่อมโยงพื้นฐานระหว่างแนวคิดทั้งสองนี้ สสารจึงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ และในทางกลับกัน พลังงานเป็นสสาร

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป- ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ไอน์สไตน์ตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2459 ซึ่งเขาศึกษามาเป็นเวลา 10 ปี เป็นการพัฒนาเพิ่มเติมของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ หากวัตถุเร่งความเร็วหรือเลี้ยวไปด้านข้าง กฎของ STR จะไม่ใช้อีกต่อไป จากนั้น GTR ก็มีผลบังคับใช้ซึ่งจะอธิบายการเคลื่อนไหวของวัตถุในกรณีทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปตั้งสมมติฐานว่าผลกระทบของความโน้มถ่วงไม่ได้เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างแรงระหว่างวัตถุและสนาม แต่เกิดจากการเสียรูปของกาล-อวกาศที่วัตถุเหล่านั้นตั้งอยู่ ความผิดปกตินี้ส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของพลังงานมวล

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปัจจุบันเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด โดยได้รับการสนับสนุนจากการสังเกตการณ์เป็นอย่างดี GR ทำให้ SR ทั่วไปเป็นแบบเร่งเช่น ระบบที่ไม่เฉื่อย หลักการพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีดังต่อไปนี้:

- ข้อจำกัดของการบังคับใช้หลักการคงตัวของความเร็วแสงกับบริเวณที่สามารถละเลยแรงโน้มถ่วงได้(เมื่อแรงโน้มถ่วงสูง ความเร็วแสงจะช้าลง)

- การขยายหลักการสัมพัทธภาพไปยังระบบการเคลื่อนที่ทั้งหมด(และไม่ใช่แค่ความเฉื่อย)

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือทฤษฎีแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีนี้ได้มาจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองเกี่ยวกับความสมมูลของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง หรือความสมมูลของสนามเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง

หลักการของความเท่าเทียมกันมีบทบาทสำคัญในทางวิทยาศาสตร์ เราสามารถคำนวณผลกระทบของแรงเฉื่อยต่อระบบทางกายภาพใดๆ ได้โดยตรงเสมอ และสิ่งนี้ทำให้เรามีโอกาสที่จะทราบผลกระทบของสนามโน้มถ่วง โดยสรุปจากความแตกต่างของสนามซึ่งมักไม่มีนัยสำคัญมาก

ได้ข้อสรุปที่สำคัญหลายประการจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป:

1. คุณสมบัติของกาล-อวกาศขึ้นอยู่กับวัตถุที่เคลื่อนที่

2. รังสีแสงซึ่งมีมวลเฉื่อยและมีมวลโน้มถ่วงจึงต้องโค้งงอในสนามโน้มถ่วง

3. ความถี่ของแสงภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วงควรเปลี่ยนไปสู่ค่าที่ต่ำกว่า

เป็นเวลานานมาแล้วที่หลักฐานการทดลองเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแทบไม่มีเลย ข้อตกลงระหว่างทฤษฎีและการทดลองค่อนข้างดี แต่ความบริสุทธิ์ของการทดลองถูกละเมิดโดยผลข้างเคียงที่ซับซ้อนต่างๆ อย่างไรก็ตาม ผลกระทบของความโค้งของกาลอวกาศสามารถตรวจพบได้แม้ในสนามโน้มถ่วงปานกลาง ตัวอย่างเช่น นาฬิกาที่มีความไวสูงสามารถตรวจจับการขยายเวลาบนพื้นผิวโลกได้ เพื่อขยายฐานการทดลองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป การทดลองใหม่ได้ดำเนินการในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20: มีการทดสอบความเท่าเทียมกันของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง (รวมทั้งด้วยเลเซอร์ในการวัดระยะของดวงจันทร์)
การใช้เรดาร์ทำให้การเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ของดาวพุธชัดเจนขึ้น วัดการเบี่ยงเบนความโน้มถ่วงของคลื่นวิทยุโดยดวงอาทิตย์และเรดาร์ถูกดำเนินการบนดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ ประเมินอิทธิพลของสนามโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ต่อการสื่อสารทางวิทยุกับยานอวกาศที่ส่งไปยังดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลของระบบสุริยะ ฯลฯ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งพวกเขาทั้งหมดยืนยันคำทำนายที่ได้รับบนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ดังนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจึงขึ้นอยู่กับสมมุติฐานของความคงตัวของความเร็วแสงและกฎธรรมชาติที่เหมือนกันในระบบทางกายภาพทั้งหมด และผลลัพธ์หลักที่เกิดขึ้นมีดังนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของคุณสมบัติของอวกาศ -เวลา; สัมพัทธภาพของมวลและพลังงาน ความเท่าเทียมกันของมวลหนักและเฉื่อย

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจากมุมมองเชิงปรัชญาคือการสร้างการพึ่งพาคุณสมบัติกาลอวกาศของโลกโดยรอบเกี่ยวกับตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของมวลโน้มถ่วง ต้องขอบคุณอิทธิพลของร่างกาย
เมื่อมีมวลมาก เส้นทางของรังสีแสงจะโค้งงอ ด้วยเหตุนี้ สนามโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยวัตถุดังกล่าวจึงกำหนดคุณสมบัติของกาล-อวกาศของโลกในที่สุด

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นนามธรรมจากการกระทำของสนามโน้มถ่วง ดังนั้นข้อสรุปของทฤษฎีนี้จึงใช้ได้กับพื้นที่เล็กๆ ของกาล-อวกาศเท่านั้น ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับทฤษฎีฟิสิกส์พื้นฐานที่อยู่ก่อนหน้าคือการปฏิเสธแนวคิดเก่าจำนวนหนึ่งและการกำหนดแนวคิดใหม่ เป็นเรื่องที่คุ้มค่าที่จะกล่าวว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้เกิดการปฏิวัติจักรวาลวิทยาอย่างแท้จริง โดยพื้นฐานแล้ว มีแบบจำลองต่างๆ ของจักรวาลเกิดขึ้น