Спеціальна теорія відносності змінила фізику: у чому суть ідеї Ейнштейна про час і світло

Про це пише Space.

Спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна 1905 року зробила революцію в сучасній фізиці. Ця теорія пояснює, як швидкість впливає на масу, час і простір, і представила світу найвідоміше рівняння в науці: E = mc².

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Спеціальна теорія відносності може бути застосована до ситуацій, пов'язаних із високими швидкостями, величезною енергією і величезними відстанями, і все це за відсутності гравітації. Що стосується останньої, то головною теорією гравітації стала загальна теорія відносності Ейнштейна 1915 року.

До Ейнштейна три закони руху Ісаака Ньютона лягли в основу класичної фізики. Але вони не могли пояснити все, особливо поведінку світла.

Ключові поняття спеціальної теорії відносності Ейнштейна

Чому ніщо не може рухатися швидше за світло?

Коли об'єкти наближаються до швидкості світла (приблизно 300 000 км/с), їхня маса фактично стає безмежною, що вимагає нескінченної енергії для руху. Це створює універсальне обмеження: ніщо з масою не може рухатися швидше за світло.

Що означає E = mc²?

Рівняння E = mc² означає, що енергія (E) і маса (m) взаємозамінні. Швидкість світла (c) у квадраті — це величезний множник, тому навіть крихітна частина маси містить величезну кількість енергії. Наприклад, перетворення атомів у звичайній канцелярській скріпці на чисту енергію вивільнило б еквівалент 18 кілотонн у тротиловому еквіваленті.

Як Ейнштейн розробив спеціальну теорію відносності?

Як говорив сам Ейнштейн, він уявляв себе підлітком, який переслідує промінь світла. Якби він міг його наздогнати, він би побачив хвилю світла нерухомою. Але це суперечило твердженням фізика Джеймса Максвелла, рівняння якого вимагали, щоб електромагнітні хвилі завжди рухалися з однаковою швидкістю у вакуумі: 300 000 км/с.

Це протиріччя привело Ейнштейна до припущення, що закони фізики і швидкість світла однакові для всіх спостерігачів, незалежно від їхнього руху. Ця ідея лягла в основу спеціальної теорії відносності.

Чому час відносний?

Одним із багатьох наслідків спеціальної теорії відносності є те, що час рухається відносно спостерігача. Об'єкт у русі відчуває сповільнення часу, що означає, що, коли об'єкт рухається дуже швидко, для нього час іде повільніше, ніж коли він перебуває у стані спокою.

Наприклад, астронавти на орбіті старіють на орбіті повільніше, ніж люди на Землі, адже Міжнародна космічна станція рухається швидше, ніж обертається наша планета.

Але на швидкостях, близьких до швидкості світла, ефекти уповільнення часу є більш очевидними. Уявіть собі 15-річного підлітка, який протягом 5 років (з його точки зору) переміщався в космосі зі швидкістю 99,5% швидкості світла, а потім повернувся на Землю. У підсумку підліток постарів би на 5 років, але всі його родичі постаріли б на 65 років. Річ у тім, що 50 років минули набагато швидше на планеті, яка повільніше рухається.

У чому різниця між спеціальною та загальною теорією відносності?

Спеціальна теорія відносності має справу з простором, часом і енергією в постійному русі, без урахування гравітації. Загальна теорія відносності розширює ці ідеї, включно з гравітацією і прискоренням.

Що означає "відносність" у спеціальній теорії відносності?

Це означає, що вимірювання часу і простору залежать від відносного руху спостерігача.

Чому швидкість світла постійна?

Ейнштейн показав, що незалежно від того, наскільки швидко ви рухаєтеся, ви завжди будете вимірювати світло, яке рухається з однією і тією ж швидкістю. Ця сталість є ключем до розуміння того, чому час і простір зміщуються для рухомих спостерігачів.

Як уже писав Фокус, фізика не дає спокою те, що загальна теорія відносності не працює всередині чорних дір. Тепер вчені запропонували рішення цієї проблеми.

Нагадуємо, що загальна теорія відносності Ейнштейна не працює разом із квантовою механікою, але фізики шукають спосіб їх об'єднати, щоб описати разом усі чотири головні сили природи. Вчені наблизилися до створення так званої теорії всього, як уже писав Фокус.

Також Фокус писав про те, що Землю накрила найпотужніша геомагнітна буря за 21 рік і вчені розповіли про наслідки. Вчені з NASA розповіли про те, до чого призвела найпотужніша геомагнітна буря на Землі, яка виникла 10 травня 2024 року і наслідки якої досі є предметом детального вивчення.