Про теорію відносності простими словами

Теорія відносності — це одна з найвідоміших і, водночас, найскладніших наукових ідей ХХ століття, створена Альбертом Ейнштейном. Вона перевернула наше уявлення про простір, час і навіть саму природу реальності. Адже до її появи вчені вважали, що час тече однаково для всіх, а простір — це незмінна сцена, де відбуваються події.

Теорія відносності пояснює те, як працюють простір і час, коли об’єкти рухаються дуже швидко або знаходяться поруч із масивними тілами на кшталт планет і зір. Вона пояснює, чому годинник у літаку може відставати від годинника на землі, чому світло «гнеться» біля Сонця і чому енергію можна «перетворити» на масу та навпаки.

Що покладено в основу теорії відносності?

У центрі теорії відносності лежить ідея, що закони фізики однакові для всіх спостерігачів, незалежно від того, рухаються вони чи ні. Це означає, що природа не «робить винятків» для тих, хто, наприклад, стоїть на місці або мчить із величезною швидкістю.

Ще один ключовий момент — світло у вакуумі завжди має однакову швидкість, незалежно від того, як рухається джерело світла або спостерігач.

Саме ці дві ідеї стали відправною точкою для всіх розрахунків та висновків, які Ейнштейн зробив у своїй роботі.

Що таке спеціальна теорія відносності?

Спеціальна теорія відносності (СТВ), яку Ейнштейн опублікував у 1905 році, пояснює, як поводяться простір і час, коли об’єкти рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла, але без урахування гравітації. Вона показала, що:

• час для різних спостерігачів може йти з різною швидкістю (ефект «сповільнення часу»);

• довжини об’єктів можуть скорочуватися у напрямку руху (так зване «лінійне скорочення»).

Маса і енергія — це, по суті, одне й те саме, що виражено у знаменитій формулі E = mc².

І хоча ці явища майже непомітні у звичайному житті, вони стають критично важливими, коли йдеться про космічні швидкості або надточні вимірювання часу, наприклад, у роботі GPS-супутників.

Постулати спеціальної теорії відносності

Спеціальна теорія відносності спирається на два фундаментальні твердження (або постулати). Це, можна сказати, «основні правила гри», які не потребують доказу в межах самої теорії, а приймаються як вихідні положення. Вони формують основу всіх подальших висновків і розрахунків. Розгляньмо їх.

Перший постулат спеціальної теорії відносності

Закони фізики однакові для всіх інерціальних систем відліку.

Простими словами: якщо ви рухаєтеся рівномірно і прямолінійно (без прискорення), то жоден фізичний експеримент всередині вашої «замкненої лабораторії» не покаже, рухаєтеся ви чи стоїте на місці.

«Замкнена лабораторія» — це образний приклад, який часто використовують фізики. Йдеться про уявну кімнату або простір, де ви ізольовані від зовнішнього світу; де немає вікон чи будь-якого способу «підглянути» за тим, що відбувається ззовні. Ви можете проводити будь-які фізичні експерименти всередині, але не відчуватимете впливу зовнішніх факторів.

Наприклад, уявіть, що ви в потязі, який рухається ідеально рівномірно. Якщо зачинити вікна і почати кидати м’яч угору, він падатиме прямо в руки, так само як і тоді, коли потяг стоїть.

Або, наприклад, всередині каюти на кораблі, у відкритому морі без хвиль і вітру ви не здогадаєтеся, чи ви рухаєтеся, чи стоїте.

Другий постулат спеціальної теорії відносності

Швидкість світла у вакуумі однакова для всіх спостерігачів, незалежно від того, як рухається джерело світла або сам спостерігач.

Це звучить дуже незвично, адже ми звикли, що швидкості додаються. Наприклад, якщо бігти назустріч машині, яка їде, вона здаватиметься швидшою. А якщо бігти в одному напрямку з нею — повільнішою. Але зі світлом це не працює.

Зі світлом усе інакше: навіть якщо ви мчите назустріч променю світла зі швидкістю, близькою до світлової, ви все одно виміряєте ту саму швидкість — близько 300 000 км/с.

Наприклад, якщо спочатку ми подивимося на промінь ліхтаря, стоячи нерухомо на одному місці, а потім побіжимо назустріч цьому світлу — швидкість світла не зміниться.

Або уявімо, що космічний корабель летить майже зі швидкістю світла і ще й вмикає прожектор. Для екіпажу всередині і для спостерігача ззовні промінь прожектору рухатиметься однаково швидко.

Наслідки постулатів теорії відносності

З цих постулатів ми отримуємо наступні висновки:

1. Сповільнення часу.

Що швидше рухається об’єкт, то повільніше для нього минає час. Це підтверджено експериментами з атомними годинниками на літаках і космічних апаратах.

2. Скорочення довжини.

Об’єкти, що рухаються на великій швидкості, «стискаються» у напрямку руху. Для космічних кораблів на швидкостях, близьких до світлової, це скорочення стає помітним.

3. Відносність одночасності.

Події, які для одного спостерігача відбуваються одночасно, для іншого можуть статися у різний час.

4. Еквівалентність маси та енергії.

Формула E = mc² показує, що маса може перетворюватися на енергію і навпаки. Це лежить в основі роботи ядерних реакторів і зірок.

Чим загальна теорія відносності відрізняється від спеціальної?

Спеціальна теорія відносності (СТВ) працює для випадків, коли ми розглядаємо рівномірний рух і не враховуємо гравітацію. Загальна теорія відносності (ЗТВ), яку Ейнштейн розробив у 1915 році, розширює ці ідеї, додаючи вплив гравітації.

У ЗТВ гравітація розглядається не як «сила притягання» у класичному сенсі, а як викривлення простору-часу масивними об’єктами.

Наприклад, Земля «вгинає» простір навколо себе, і Місяць рухається по цій викривленій траєкторії. Це пояснює явища, які класична фізика не могла точно описати, наприклад, відхилення світла біля масивних тіл.

Теорія відносності Ейнштейна змінила наше розуміння світу, показавши, що простір і час — гнучкі та взаємопов’язані. Її ідеї лягли в основу сучасної космології, GPS-навігації та багатьох технологій, якими ми користуємося щодня, навіть не замислюючись.

Якщо ви хочете глибше розібратися у цих складних, але захопливих концепціях, вам допоможе репетитор з фізики онлайн. А якщо ви плануєте готуватися до іспитів, то підготовка до НМТ з фізики з професійним викладачем допоможе перетворити навіть найскладніші теми на зрозумілі та логічні.