Чим відрізняється загальна теорія відносності від спеціальної?

спеціальна теорія відносності (СТО) (приватна теорія відносності; релятивістська механіка) - теорія, що описує рух, закони механіки і просторово-часові відносини при швидкостях руху, близьких до швидкості світла. В рамках спеціальної теорії відносності класична механіка Ньютона є наближенням низьких швидкостей. Узагальнення СТО для гравітаційних полів називається загальною теорією відносності.

Загальна теорія відносності - геометрична теорія тяжіння, розвиваюча спеціальну теорію відносності (СТО), опублікована Альбертом Ейнштейном в 1915--1916 роках. В рамках загальної теорії відносності, як і в інших метричних теоріях, постулюється, що гравітаційні ефекти обумовлені не силовим взаємодією тіл і полів, що знаходяться в просторі-часі, а деформацією самого простору-часу, яка пов'язана, зокрема, з присутністю маси-енергії . Загальна теорія відносності відрізняється від інших метричних теорій тяжіння використанням рівнянь Ейнштейна для зв'язку кривизни простору-часу з присутньої в ньому матерією.

Наведіть експериментальні підтвердження вірності теорії Ейнштейна.

докази ОТО

Ефекти, пов'язані з прискоренням систем відліку

Перший з цих ефектів - гравітаційне уповільнення часу, через який будь-який годинник будуть йти тим повільніше, чим глибше в гравітаційної ямі (ближче до гравитирующего тілу) вони знаходяться. Даний ефект був безпосередньо підтверджений в експерименті Хафелі - Кітінг, а також в експерименті Gravity Probe A і постійно підтверджується в GPS.

Безпосередньо пов'язаний з цим ефект - гравітаційне червоне зміщення світла. Під цим ефектом розуміють зменшення частоти світла щодо локальних годин (відповідно, зміщення ліній спектра до червоного кінця спектра щодо локальних масштабів) при поширенні світла з гравітаційної ями назовні (з області з меншим гравітаційним потенціалом в область з великим потенціалом) /

Гравітаційне уповільнення часу тягне за собою ще один ефект, названий ефектом Шапіро (також відомий як гравітаційна затримка сигналу). Через це ефекту в поле тяжіння електромагнітні сигнали йдуть довше, ніж за відсутності цього поля. Дане явище було виявлено при радіолокації планет сонячної системи і космічних кораблів, що проходять позаду Сонця, а також при спостереженні сигналів від подвійних пульсарів.

Найвідоміша рання перевірка ОТО стала можлива завдяки повному сонячне затемнення 1919 року. Артур Еддінгтон показав, що світло від зірки викривлявся поблизу Сонця в точній відповідності з передбаченнями ОТО.

Викривлення шляху світла відбувається в будь-який прискореної системі відліку. Детальний вид спостерігається траєкторії і гравітаційні ефекти лінзування залежать, тим не менш, від кривизни простору-часу. Ейнштейн дізнався про цей ефект в 1911 році, і коли він евристичним шляхом обчислив величину кривизни траєкторій, вона виявилася такою ж, яка передбачалася класичною механікою для частинок, що рухаються зі швидкістю світла. У 1916 році Ейнштейн виявив, що насправді в ОТО кутовий зсув напрямку поширення світла в два рази більше, ніж в ньютонівської теорії, на відміну від попереднього розгляду. Таким чином, це пророцтво стало ще одним способом перевірки ОТО.

З 1919 року дане явище було підтверджено астрономічними спостереженнями зірок в процесі затемнень Сонця, а також з високою точністю перевірено радіоінтерферометричну спостереженнями квазарів, що проходять поблизу Сонця під час його шляху по екліптиці.

Нарешті, у будь-якої зірки може збільшуватися яскравість, коли перед нею проходить компактний масивний об'єкт. В цьому випадку збільшені і спотворені через гравітаційного відхилення світла зображення далекої зірки не можуть бути дозволені (вони знаходяться дуже близько один до одного) і спостерігається просто підвищення яскравості зірки. Цей ефект називають мікролінзування, і він спостерігається тепер регулярно в рамках проектів, які вивчають невидимі тіла нашої Галактики по гравітаційному мікролінзування світла від зірок - Масна, EROS (англ.) І інші.

орбітальні ефекти

ОТО коригує передбачення ньютонівської теорії небесної механіки щодо динаміки гравітаційно пов'язаних систем: Сонячна система, подвійні зірки і т.д.

Перший ефект ОТО полягав в тому, що перигелії всіх планетних орбіт будуть прецессировать, оскільки гравітаційний потенціал Ньютона матиме малу релятивістську добавку, що приводить до формування незамкнутих орбіт. Це пророцтво було першим підтвердженням ОТО, оскільки величина прецесії, виведена Ейнштейном в 1916 році, повністю збіглася з аномальною прецесією перигелію Меркурія. Таким чином була вирішена відома в той час проблема небесної механіки.

Пізніше релятивістська прецесія перигелію спостерігалася також у Венери, Землі, астероїда Ікар і як сильніший ефект в системах подвійних пульсарів. За відкриття і дослідження першого подвійного пульсара PSR B1913 + 16 в 1974 році Р. Халс і Д. Тейлор отримали Нобелівську премію в 1993 році.

доказ СТО

Спеціальна теорія відносності лежить в основі всієї сучасної фізики. Тому, будь-якого окремого експерименту, «доводить» СТО немає. Вся сукупність експериментальних даних у фізиці високих енергій, ядерної фізики, спектроскопії, астрофізиці, електродинаміки та інших областях фізики узгоджується з теорією відносності в межах точності експерименту. Наприклад, в квантової електродинаміки (об'єднання СТО, квантової теорії і рівнянь Максвелла) значення аномального магнітного моменту електрона збігається з теоретичним прогнозом з відносною точністю 10? 9.

Фактично СТО є інженерної наукою. Її формули використовуються при розрахунку прискорювачів елементарних частинок. Обробка великих масивів даних по зіткненню частинок, що рухаються з релятивістськими швидкостями в електромагнітних полях, заснована на законах релятивістської динаміки, відхилення від яких виявлено не було. Поправки, які випливають з СТО і ОТО, використовуються в системах супутникової навігації (GPS). СТО лежить в основі ядерної енергетики, і т. Д.

Спеціальна теорія відносності . Спеціальна теорія відносності (СТО), опублікована Ейнштейном в 1905 році, описує релятивістські процеси і явища і проявляється при швидкості руху, близькою до швидкості світла. Для створення СТО Ейнштейн прийняв два постулати: 1) швидкість світла у всіх інерційних системах відліку залишається постійною; 2) закони природи у всіх інерційних системах відліку інваріантні (однакові). Крім того, він застосував перетворення нідерландського фізика-теоретика Хендріка Лоренца.

Взаємозв'язок простору і часу, виявляється в чотиривимірному просторі-часі. Цей взаємозв'язок наочно відображається у формулі відстані (s) між двома подіями в чотиривимірному просторі:

де - час, Δℓ - відстань між двома точками в тривимірному просторі.

перетворення Лоренца також містить взаємозв'язок між простором і часом у вигляді взаємозв'язку між координатами НЕ рушійних (К) і рушійних (К 1) системам відліків х 1 \u003d γ ּ (х─) і t 1 \u003d γ ּ (t─), де γ \u003d 1 /- називається релятивістським коефіцієнтом. Вирази для γ Лоренц знаходив виходячи з лінійності перетворення і сталості швидкості світла в рухомих (К 1) і не рухаються (К) системах відліків.

Користуючись перетворенням Лоренца, Ейнштейн створив ОТО, згідно з якою довжина тіла, що рухається скорочуєтьсяза законом:

Маса тіла, що рухається зі швидкістю, зросте за законом:

Плин часу рухомих годин сповільнюється за законом:

τ = τ 0 ּ ,

Наступний приклад більш наочно показує уповільнення часу при рухах з великими швидкостями. Припустимо, стартував космічний корабель зі швидкістю 0,99 км / с і повернувся через 50 років. Згідно СТО, по годинах космонавта цей політ тривав всього лише один рік. Якщо космонавт у віці 20 років залишив на Землі щойно народженого сина, то 50 річний син зустрічатиме 21-річного батька.

В СТО отримана наступна формула замінює закону підсумовування швидкостей:

1 \u003d (+ u) / (1 + u / c 2),

якщо тіло рухається зі швидкістю світла \u003d С. і система відліку рухається зі швидкістю світла u \u003d c, Тоді отримаємо: 1 \u003d з. Отже, швидкість світла залишилася незмінною, незалежно від швидкості руху системи відліку.

Загальну теорію відносності . У системах відліку, що рухаються з прискоренням, не виконуються ні принцип інерції, ні закони механіки. Виникла необхідність створити теорію, що описує руху тіла в неінерційній системах відліку. Це завдання виконав Ейнштейн, створюючи загальну теорію відносності (ЗТВ).

В ОТО Ейнштейн поширює принцип відносності на неінерційні системи відліку. Він виходить з того, що еквівалентні гравітаційні і інерційні маси тіла. Ще в 1890 році угорським фізиком Л. Етвешабула підтверджена з високою точністю еквівалентність гравітаційної та інерційної маси тіла до 10 -9. Це твердження про еквівалентність гравітаційної та інерційної маси було покладено в основу ОТО.

ОТО показала, що простір близько концентрації мас, викривлене і має характер простору Рімана. ОТО замінює закон всесвітнього тяжіння Ньютона з релятивістським законом тяжіння Ейнштейна, від якого в окремому випадку випливає закон Ньютона. У 1919 і одна тисяча дев'ятсот двадцять два рр. при затемненні Сонця вивчалося відхилення променя, Що приходить від далеких зірок, від прямолінійності в поле тяжіння Сонця. досліди показали викривленість простору біля Сонця і тим самим довели правильність ОТО.

ОТО описує релятивістські закони тяжіння, як вплив матерії на властивості простору і часу. А властивості простору і часу впливають на фізичні процеси, що протікають в них. Тому рух матеріальної точки в чотиривимірному просторі відбувається з геодезичної лінії викривленого простору. Отже, рівняння руху матеріальної точки описує геодезичну лінію викривленого простору. Ейнштейн знайшов це рівняння. Воно складається з 10 рівнянь. У цих рівняннях гравітаційне поле описується за допомогою 10 потенціалів полів. Математичний апарат ОТО складний, майже всі завдання, пов'язані з ОТО, поки що не вирішуються, крім найпростіших. Тому вчені до цих пір намагаються розібратися в сенсах ОТО.

СПЕЦІАЛЬНА І ЗАГАЛЬНА ТЕОРІЯ відносності

Одним з найбільш важливих аспектів сучасної фізики, які мають пряме відношення до нашого аналізу теології, є поняття часу - його походження і відсутність єдиної, або постійної і незмінної, заходи його перебігу. Зважаючи на важливість хронології в справі інтерпретації Біблії має велике значення спробувати зрозуміти, як теорія відносності трактує наше сприйняття Всесвіту, її віку та всього того, що в ній відбувається. час відносність квантовий фотон

Важко назвати іншу теорію, яка надала б настільки глибокий вплив на наше розуміння світу і його створення, як теорія відносності (як спеціальна, так і загальна). До появи цієї теорії час завжди розглядалося як категорія абсолютна. Час, що минув від початку до завершення будь-якого процесу, вважалося не залежних від того, хто вимірював його тривалість. Ще 300 років тому Ньютон сформулював це переконання вельми красномовно: «Абсолютна, істинне і математичне час, само по собі і в силу своєї природи, тече рівномірно і незалежно від будь-яких зовнішніх факторів». Більш того, час і простір розглядалися як незв'язані категорії, які не впливають один на одного. І справді - яка інша зв'язок могла існувати між відстанню, що розділяє дві точки простору, і часом, крім того факту, що більшу відстань вимагало більшого часу на його подолання; проста і чиста логіка.

Концепції, запропоновані Ейнштейном в спеціальній теорії відносності (1905), а потім і в загальній теорії відносності (1916), змінили розуміння простору і часу настільки ж докорінно, як світло включеної лампи змінює наше сприйняття перш затемненій комнати5.

Довгий шлях до осяяння Ейнштейна почався в 1628 році, коли Йоганн Кеплер виявив цікаве явище. Він зауважив, що хвости комет завжди спрямовані в протилежний бік Сонця. Прокреслюють нічне небо падаючі зірки мають хвостом, палахкотять, як йому і належить, позаду. Точно так же тягнеться хвіст за кометою, коли вона наближається до Сонця. Але після того, як комета мине Сонце і починає свій зворотний політ в далекі області сонячної системи, ситуація змінюється найдраматичнішим чином. Хвіст комети виявляється попереду її основного тіла. Ця картина рішуче суперечить самому поняттю хвоста! Кеплер припустив, що положення хвоста комети щодо її основного тіла визначається тиском сонячного світла. Хвіст має меншу щільність, ніж сама комета, і тому він більше піддається тиску сонячного випромінювання, Ніж основне тіло комети. Випромінювання сонця фактично дме на хвіст і відштовхує його в напрямку від Сонця. Якби не гравітаційне тяжіння основного тіла комети, дрібні частки, що становлять хвіст, забрав би геть. Відкриття Кеплера було першою вказівкою на те, що випромінювання - наприклад, світло - може володіти механічною (в даному випадку відразливою) силою. Ця було дуже важлива зміна нашого уявлення про світло, бо звідси випливає, що світло, що вважався завжди чимось нематеріальним, володіє, можливо, вагою або масою. Але лише 273 роки по тому, в 1901 році, тиск, який чиниться потоком світла, було виміряно. Е.Ф. Ніколс і Дж.Ф. Халл, направивши потужний пучок світла на дзеркало, підвішене в вакуумі, виміряли зміщення дзеркала в результаті тиску світла. Це була лабораторна аналогія кометного хвоста, відштовхує сонячним світлом.

У 1864 році, досліджуючи відкриття Майкла Фарадея, що стосуються електрики і магнетизму, Джеймс Кларк Максвелл припустив, що світло і всі інші види електромагнітного випромінювання рухаються в просторі, як хвилі з однієї і тієї ж фіксованої скоростью7. Мікрохвилі в мікрохвильовій печі на нашій кухні, світло, при якому ми читаємо, рентгенівські промені, Що дозволяють лікарю побачити зламану кістку, і гамма-промені, що вивільняються при атомному вибуху, - всі вони представляють собою електромагнітні хвилі, що відрізняються один від одного тільки довжиною хвилі і частотою. Чим більше енергія випромінювання, тим менше довжина хвилі і вище частота. У всьому іншому вони ідентичні.

У 1900 році Макс Планк запропонував теорію електромагнітного випромінювання, яка докорінно відрізнялася від усіх попередніх. До цього вважалося, що енергія, яку випромінює нагрітим об'єктом, наприклад червоне свічення розпеченого металу, випускається рівномірно і безперервно. Передбачалося також, що процес випромінювання триває до повного розсіювання всього тепла і повернення об'єкта до його первісного стану - і це цілком підтверджувалося охолодженням нагрітого металу до кімнатної температури. Але Планк показав, що справа йде зовсім інакше. Енергія випускається не рівномірним і безперервним потоком, а дискретними порціями, як якщо б розпечений метал віддавав своє тепло, викидаючи з себе потік крихітних гарячих частинок.

Планк запропонував теорію, згідно з якою ці частинки є одиничними порції випромінювання. Він назвав їх «квантами», і ось так з'явилася на світ квантова механіка. Оскільки будь-яке випромінювання рухається з однаковою швидкістю (швидкістю світла), швидкість руху квантів повинна бути тією ж самою. І хоча швидкість всіх квантів однакова, не всі вони мають однакову енергію. Планк припустив, що енергія індивідуального кванта пропорційна частоті його коливань в процесі його руху крізь простір, подібно крихітному гумовому м'ячу, який безперервно стискається і розширюється, летячи по своїй траєкторії. У видимому діапазоні наші очі можуть виміряти частоту пульсацій кванта, і ми називаємо цей захід кольором. Саме завдяки квантованим випускання енергії злегка нагрітий об'єкт починає світитися червоним кольором, потім, у міру підйому температури, він починає випускати і інші кольори спектра, відповідні вищим енергій і частотам. Зрештою, його випромінювання перетворюється в суміш всіх частот, яке ми сприймаємо як білий колір розпеченого тіла.

І ось тут ми впираємося в парадокс - та сама теорія, яка описує світ як потік частинок, які називаються квантами, одночасно описує енергію світла за допомогою частоти (див. Рис. 1). Але частота асоціюється з хвилями, а не з частинками. Крім того, ми знаємо, що швидкість світла завжди постійна. Але що станеться, якщо об'єкт, що випускає світло, або спостерігач, реєструючий цей світ, рухається сам? Чи буде швидкість їх руху додаватися до швидкості світла або відніматися з неї? Логіка говорить нам, що так, повинна додаватися або відніматися, але тоді швидкість світла не буде постійною! Тиск, який чинить світло на хвіст комети або на дзеркало в досвіді Ніколса - Халла, означає, що відбувається зміна кількості руху (званого також імпульсом) світла при його зіткненні з поверхнею. Саме з цієї причини будь-який рухомий об'єкт тисне на перешкоду. Струмінь води з шланга жене м'яч по землі, тому що у води є маса і ця маса має швидкість, перетворюється в нуль в момент удару струменя по м'ячу. При цьому імпульс води передається м'ячу і м'яч відкочується. Саме визначення імпульсу (кількості руху) як твори маси (т) або ваги об'єкта на швидкість його руху (v), або mv, вимагає, щоб у що рухається світла була маса. Якимось чином ці хвилеподібні частки світла мають масу, хоча на поверхні, на яку падає світло, не залишається ніяких матеріальних слідів. Після того як світло «пролився» на поверхню, на ній не залишається жодної «бруду», від якої її можна було б очистити. До сих пір ми все ще намагаємося створити єдину теорію, яка пояснила б повністю цей феномен світла і будь-якого іншого випромінювання.

Одночасно з вивченням природи променевої енергії проводилися дослідження, які стосуються поширення світла. Уявлялося цілком логічним, що, оскільки світло та інші види електромагнітного випромінювання є, в певному сенсі, хвилями, вони потребують певної середовищі, в якій ці хвилі могли б поширюватися. Вважалося, що хвилі не можуть розповсюджуватися у вакуумі. Точно так же, як звук потребує певної матеріальної субстанції, наприклад, повітрі, для перенесення його хвилеподібною енергії, так і світу, здавалося, потрібно якась спеціальна субстанція для його поширення. Свого часу було висунуто припущення, що Всесвіт повинен бути заповнена невидимою і невловимої середовищем, яка і забезпечує передачу енергії випромінювання через космічний простір - наприклад, світла і тепла від Сонця до Землі. Це середовище була названа ефіром, який, як передбачалося, заповнює навіть вакуум космосу.

Постулат про поширення світла крізь ефір дозволяв пояснити парадокс сталості його швидкості. Відповідно до цього поясненням світло повинне поширюватися з постійної швидкістю не щодо джерела світла або спостерігача, а щодо цього всюдисущого ефіру. Для спостерігача, що рухається крізь ефір, світло могло б поширюватися швидше або повільніше в залежності від напрямку його переміщення відносно напрямку руху світла, але щодо нерухомого ефіру швидкість світла повинна залишатися незмінною.

Мал. 1.

Точно так само йде справа з поширенням звуку. Звук рухається крізь нерухомий повітря на рівні моря з постійною швидкістю близько 300 метрів в секунду незалежно від того, рухається джерело звуку чи ні. Схожий на вибух звук, видаваний літаком при переході їм звукового бар'єру, є насправді результатом удару літака об свою власну звукову хвилю в той момент, коли він обганяє її, рухаючись зі швидкістю швидше 300 метрів в секунду. У цьому випадку джерело звуку, літак, рухається швидше, ніж звук, який він виробляє. Подвійна природа світла така, що якщо ми ставимо на його шляху отвір невеликого діаметру, світло поводиться точно так само, як океанська хвиля, що проходить через вузький вхід в гавань. І світло, і океанська хвиля, пройшовши через отвір, поширюються по іншу сторону від отвору колами. З іншого боку, якщо світло освітлює поверхню якого-небудь металу, він веде себе, як потік дрібних частинок, що бомбардують цю поверхню. Світло вибиває з металу електрони по одному точно так же, як дрібні дробини, б'ючи в паперову мішень, будуть виривати з неї клаптики паперу, по одному клаптику на дробину. Енергія світлової хвилі визначається її довжиною. Енергія світлових частинок визначається не їх швидкістю, а частотою, з якою частинки світла - фотони - пульсують в процесі свого руху зі швидкістю світла.

Коли вчені обговорювали передбачувані властивості ефіру, який ще потрібно було примудритися виявити, ніхто не підозрював, що протягом часу пов'язано з рухом світла. Але це відкриття було вже не за горами.

У 1887 році Альберт Майкельсон і Едвард Морлі опублікували результати своєї спроби експериментального спостереження того, що випливало з теорії ефіра8. Вони порівняли сумарний час, необхідне світла для проходження одного і того ж відстані туди і назад в двох напрямках - паралельно і перпендикулярно руху Землі по її орбіті навколо Сонця. Оскільки Земля рухається по своїй орбіті навколо Сонця зі швидкістю приблизно 30 кілометрів на секунду, передбачалося, що з тією ж швидкістю вона рухається щодо ефіру. Якщо світлове випромінювання підкоряється тим же законам, які керують всіма іншими хвилями, рух Землі щодо ефіру повинно було вплинути на час проходження світла, що вимірювався в їх експериментах. Цей вплив не повинно було відрізнятися нічим від впливу сильного вітру, що відносить звук.

На загальний подив, Майкельсон і Морлі не зафіксували жодного сліду впливу цієї швидкості в 30 кілометрів на секунду. Початковий експеримент, так само як і наступні, технічно більш досконалі варіанти того ж досвіду привели до зовсім несподіваного висновку - рух Землі не робить ніякого впливу на швидкість світла.

Це викликало замішання. Швидкість світла (с) незмінно дорівнює 299 792,5 кілометра в секунду незалежно від того, чи рухається джерело світла, або спостерігач або вони нерухомі. Додатково до цього один і той же промінь світла поводиться і як хвиля, і як частинка в залежності від способу спостереження. Річ було так, як якщо б ми стояли на причалі і спостерігали за хвилями, накочувалися з океану, і раптом, як оком змигнути, звичайні гребені хвиль і западини між ними перетворювалися б в потік окремих водяних куль, що рухаються, пульсуючи, в повітрі над самим рівнем моря. А в наступну мить кулі зникали б і знову з'являлися б хвилі.

У 1905 році, в розпал цього замішання, на науковій сцені з'явився Альберт Ейнштейн зі своєю теорією відносності. Протягом того року Ейнштейн опублікував серію статей, які в самому буквальному сенсі змінили уявлення людства про наш Всесвіт. За п'ять років до цього Планк запропонував квантову теорію світла. Використовуючи теорію Планка, Ейнштейн зміг пояснити цікаве явище. Світло, потрапляючи на поверхню деяких металів, вивільняє електрони, в результаті чого виникає електричний струм. Ейнштейн постулював, що цей «фотоелектричний» ефект є наслідком того, що кванти світла (фотони) буквально вибивають електрони з їх орбіт навколо атомного ядра. Виявляється, фотони мають масу тоді, коли вони рухаються (згадаємо, що вони рухаються зі швидкістю світла с), але їх «маса спокою» дорівнює нулю. Рухається фотону притаманні властивості частинки - в кожен момент він знаходиться в певній точці простору і до того ж має масу, і тому, як свого часу припустив Кеплер, може діяти на матеріальні об'єкти, наприклад хвіст комети; в той же час йому властиві властивості хвилі - він характеризується частотою коливань, яка пропорційна його енергії. Виходило так, що матерія і енергія зв'язані в фотоні найтіснішим чином. Ейнштейн відкрив цей зв'язок і сформулював її в отримав загальну популярність рівнянні. Ейнштейн прийшов до висновку, що це рівняння може бути застосовано до всіх видів маси і формам енергії. Ці положення стали основою спеціальної теорії відносності.

Сприйняття цих ідей виявляється не настільки простою справою і вимагає чималих розумових зусиль. Наприклад, візьмемо якийсь об'єкт. Маса (то, що ми зазвичай називаємо «вагою») нерухомого об'єкта називається, в термінах науки, масою спокою. Тепер дамо цьому об'єкту сильний поштовх. Він почне рухатися з якоїсь швидкістю і внаслідок цього придбає кінетичну енергію, тим більшу, ніж вище його швидкість. Але оскільки е в Е \u003d тс2 відноситься до всіх форм енергії, повна енергія об'єкта буде складатися з енергії спокою (пов'язаної з масою спокою) і його кінетичної енергії (енергії його руху). Іншими словами, рівняння Ейнштейна вимагає, щоб маса об'єкта фактично зростала зі зростанням його швидкості.

Отже, відповідно до теорії відносності, маса об'єкта змінюється зі зміною його швидкості. При малих швидкостях маса об'єкта практично не відрізняється від маси спокою. Саме тому в нашій повсякденній діяльності ньютонова опису законів природи виявляється досить точним. Але для галактик, стрімко мчать крізь космічний простір, або для субатомних частинок в прискорювачі справа йде зовсім інакше. В обох випадках швидкість цих об'єктів може становити велику частку від швидкості світла, і тому зміна їх мас може бути вельми і вельми значним.

Цей взаємообмін між масою і енергією вельми красномовно обговорюється і Стівеном Уайнберг в його книзі «Три перші хвилини», і Нахманідом в його коментарях на книгу «Буття». Вони обидва кажуть про дуалізм маси-енергії, описуючи перші хвилини життя Всесвіту.

Спеціальна теорія відносності грунтується на двох постулатах: принципі відносності і сталість швидкості світла. Принцип відносності, постульований Галілео Галілеєм 300 років тому, було уточнено Ейнштейном. Цей принцип стверджує, що всі закони фізики (які є ні чим іншим як закони природи) діють однаково в усіх системах, що рухаються без прискорення, тобто рівномірно і прямолінійно. Такі системи називаються мовою фізиків інерційних системах відліку.

Система відліку визначає взаємини спостерігача із зовнішнім світом. Принцип відносності говорить нам, що, перебуваючи в інерціальній системі відліку, ми не можемо, користуючись законами фізики, встановити, чи рухається сама система, оскільки її рух ніяк не позначається на результатах вимірювань, вироблених усередині системи. Саме тому ми не відчуваємо руху тоді, коли летимо з постійною швидкістю при спокійній погоді. Але, гойдаючись у кріслі-гойдалці, ми опиняємося в неінерціальної системи відліку; так як швидкість і напрямок руху крісла-качалки постійно змінюються, ми можемо відчути наш рух.

Всім нам доводилося стикатися з прикладами неможливості вимірювання абсолютного руху. Наприклад, ми стоїмо перед світлофором, і машина, що стоїть перед нами, починає повільно котитися назад. Або це ми котимося вперед? У перший момент важко зрозуміти, хто саме рухається. Наш потяг повільно і плавно починає рухатися уздовж перону. Прокинувшись від дрімоти, ми помічаємо, що поїзд, що стоїть на сусідній колії, починає повільно переміщатися назад. Або принаймні нам здається, що справа йде саме так. До тих пір поки наша система відліку - наша машина або поїзд - не починати рухатися з прискоренням (переставши бути інерційної системою), неясно, що рухається і що знаходиться в стані спокою.

Може здатися, що тут є протиріччя: Ейнштейн переконував нас, що маса об'єкта є функцією його швидкості, а тепер ми стверджуємо, що не можемо визначити рух шляхом вимірювання того, як змінюється під його впливом маса. Але тут є дуже тонка різниця. Усередині системи відліку все величини залишаються незмінними. Коли ж вони вимірюються з іншої системи відліку, яка рухається відносно першої, то значення розмірів і маси зміняться. Якби всі частини Всесвіту рухалися однаково і рівномірно, теорія відносності не мала б ніякого відношення до теми нашого дослідження. Але інша справа. Саме можливість спостерігати одні й ті ж події з різних систем відліку грає істотну роль в робилися нами біблійному аналізі космології.

Другий елемент фундаменту спеціальної теорії відносності піддається розумінню з ще більшим працею. Можна навіть сказати, що він незрозумілий до крайності. Він стверджує, що швидкість світла, з, є величиною постійною (з \u003d 2,997925 х 108 метрів в секунду в вакуумі - завжди) і однаковою в усіх системах відліку. Цей факт виявився з результатів експерименту Майкельсона - Морлі. Якщо ви вдумайтеся в значення цього твердження, ви зможете оцінити всю його зухвалість. Ейнштейн взяв на себе сміливість заявити, що незалежно від швидкості переміщення спостерігача у напрямку до джерела світла або від нього швидкість світла залишається рівною все того ж с. Ніяка інша форма руху (наприклад, звукова хвиля) Не володіє такою властивістю. Це виглядає в надзвичайно нелогічним.

Якщо пітчер (подаючий в бейсболі. - Прим. Перекл.) Кидає м'яч кетчер (ловить м'яч в бейсболі. - Прим. Перекл.) Зі швидкістю 90 миль на годину, кетчер бачить м'яч, що наближається до нього зі швидкістю 90 миль на годину. Тепер, якщо, в порушення будь-яких правил, кетчер біжить у напрямку до пітчер зі швидкістю 20 миль на годину, швидкість м'яча по відношенню до кетчер буде дорівнює 110 миль на годину (90 + 20). Швидкість м'яча по відношенню до пітчер буде дорівнює, як і раніше, 90 миль на годину. Наступного разу пітчер, замість того щоб кинути м'яч, показує кетчер зображення м'яча. Воно рухається до кетчер зі швидкістю світла (с), тобто приблизно 300 мільйонів метрів в секунду. Прудконогий кетчер в свою чергу, мчить у напрямку до пітчер зі швидкістю, яка дорівнює одній десятій від швидкості світла, тобто 30 мільйонів метрів в секунду. І що ж цей наш кетчер побачить? Зображення м'яча, що наближається до нього зі швидкістю 330 мільйонів метрів в секунду? Ні! Саме в цьому полягає парадокс світла - викликає сум'яття, дратівливий, часом навіть виводить з себе, але в той же час звільняє нас.

Кетчер бачить зображення м'яча, що наближається до нього в точності зі швидкістю світла, 300 мільйонів метрів в секунду, навіть якщо він біжить назустріч йому і тим самим додає свою швидкість до швидкості світла. Світло незалежно від швидкості руху спостерігача по відношенню до джерела світла завжди рухається зі швидкістю с. Завжди. А яку швидкість руху зображення м'яча фіксує стоїть нерухомо пітчер? Правильно, теж с. Яким же чином два спостерігача, один рухомий і другий стоїть нерухомо, фіксують одну і ту ж швидкість світла? Логіка і здоровий глузд стверджують, що це неможливо. Але відносність каже, що така реальність. І ця реальність була підтверджена в експерименті Майкельсона - Морлі.

Обидва спостерігача реєструють одну і ту ж швидкість світла, тому що факт зміни маси, простору і часу - будь-б незбагненним він не здавався - є фундаментальним законом релятивістської механіки і тієї Всесвіту, в якій ми з вами живемо. Закони, що керують цими змінами, такі, що всередині даної системи не відбувається нічого, що здавалося б абсурдним. Той, хто знаходиться всередині неї, ніяких змін не зазначає. Але, спостерігаючи іншу систему, що рухається повз нас, ми бачимо, що розміри об'єкта вздовж напрямку руху зменшуються по відношенню до тих же розмірах об'єкта, коли він знаходиться в стані спокою. Більш того, годинник, що показували точний час, коли вони перебували в стані спокою, рухаючись, починають відставати по відношенню до годинника, «що покоїться» в нашій системі відліку.

Поєднання сталості швидкості світла і принципу відносності неминуче тягне за собою розтягнення часу. Розтягування часу можна продемонструвати за допомогою уявного експерименту, подібного одному з тих, що використовувалися Ейнштейном при розробці ним основних принципів теорії відносності. Приклад такого уявного експерименту призводять Тейлор і Уілер в своїй класичній книзі «Фізика простору і часу» "0.

Розглянемо дві системи відліку, з яких одна нерухома, а інша рухається. Нерухома система - це звичайна фізична лабораторія. Друга система являє собою рухому з великою швидкістю, абсолютно прозору і проникну ракету, всередині якої знаходиться екіпаж, що складається з абсолютно прозорих і проникних вчених. Ракета, в силу її повної прозорості і проникності, може проходити крізь нашу лабораторію, не вступаючи в яке б то не було взаємодія з нею і її вмістом. В лабораторії з точки А (рис. 2) відбувається спалах світла, який рухається по діагоналі до дзеркала, що знаходиться в точці М. Відбитий від дзеркала світло також діагонально проходить до точки В. Час прибуття ракети в лабораторію визначається таким чином, що в момент спалаху точка А ракети збігається точкою А лабораторії. Нехай швидкість ракети буде така, що точка А ракети співпаде з точкою В лабораторії точно в той момент, коли спалах світла досягне точки В. Спостерігачам, які перебувають в ракеті, буде здаватися, що світло, відправлений з точки ракети А, проходить прямо до точки ракети М і повертається назад в точку ракети А. Оскільки швидкість ракети постійна (вона є інерціальній системою), люди в ракеті не знають, що вона рухається.

Відстань, пройдена світлом, як воно сприймається пасажирами ракети, так само 2у (від точки А до точки М і назад). Той же шлях світла, видимий знаходяться в лабораторії, є сумою двох сторін трикутника - від точки А до точки М і від точки М до точки В. Очевидно, цей шлях повинен бути більше, ніж шлях, видимий пасажирами ракети. Ми можемо точно підрахувати різницю між ними за допомогою теореми Піфагора. Таким чином, ми приходимо до висновку, що шлях світла, що спостерігається з ракети, коротше, ніж шлях світла, що спостерігається з лабораторії.

Мал. 2.

Згадаймо, що швидкість світла в обох системах одна і та ж. Це один з твердо встановлених фундаментальних принципів теорії відносності. Відомо також, що у всіх випадках час, витрачений на переміщення, так само пройденого відстані, поділеному на швидкість руху. Час, необхідний для подолання 100 миль зі швидкістю 50 миль на годину, так само другої години. Оскільки швидкість світла як для вчених, які перебувають в лабораторії, так і для вчених, які прямують в ракеті, дорівнює одному і тому ж с, а відстань, пройдену світлом в лабораторії, більше, ніж відстань, пройдену ним же в ракеті, проміжок часу між спалахом світла в точці А і прибуттям світла в точку в повинен бути більше в лабораторії, ніж в ракеті.

Сталося тільки одна подія. Була тільки одна спалах світла, і світло, що спостерігався в двох системах відліку, здійснював свій шлях один раз. Проте тривалість цієї події була різною при вимірюванні її в двох різних системах відліку.

Ця різниця в вимірюваному часу називається релятивістським розтягуванням часу, і саме це розтягнення переконливо приводить у відповідність шість днів Творіння з 15 мільярдами років космології.

Концепції, що лежать в основі загальної теорії відносності, є розвиток ідей спеціальної теорії відносності, але є більш складними. У той час як спеціальна теорія відносності має справу з інерційних системах, загальна теорія відносності розглядає як інерційні, так і неінерційні (прискорені) системи. У неінерційних системах зовнішні сили - як, наприклад, гравітаційні - впливають на рух об'єктів. Особливу релятивістське властивість гравітації, що має пряме відношення до досліджуваної нами проблеми, полягає в тому, що гравітація - так само як і швидкість - викликає розтягнення часу. Одні і ті ж години на Місяці йдуть швидше, ніж на Землі, оскільки гравітація Місяця слабкіше. Як ми побачимо, гравітація відіграє вирішальну роль у примиренні Творіння і Великого Вибуху.

Сили гравітаційного тяжіння відчуваються точно так же, як сили, що викликають прискорення. Наприклад, в поднимающемся ліфті ми відчуваємо силу, з якою підлогу тисне на наші ноги; вона фактично штовхає нас вгору разом з ліфтом. Це сприймається як сила, яку ми б відчули, стоячи в нерухомому ліфті, якби якимось чином раптово зросла гравітаційне тяжіння Землі. Ейнштейн розмірковував, що, оскільки гравітація сприймається точно так же, як і будь-яка інша сила, що викликає зміна руху, вона повинна приводити до тих же результатів. Так як прискорюють сили викликають зміна руху і розтягнення часу, зміни гравітації також повинні призводити до розтягування часу.

Оскільки аспект теорії відносності, пов'язаний з розтягуванням часу, є дуже великою для проблеми уніфікації космологічного і біблійного календарів, дуже важливо показати, що розтягнення часу дійсно існує. Адже релятивістські зміни стають помітними тільки в тих випадках, коли відносні швидкості руху наближаються до швидкості світла. Навіть при швидкості 30 мільйонів метрів в секунду, що становить одну десяту від швидкості світла, розтягнення часу виявляється менш одного відсотка.

Швидкості, близькі до швидкості світла, рідко зустрічаються в повсякденному житті, Але звичайні для космології і фізики високих енергій. Правда, слід зазначити, що реальна можливість виміряти розтягнення часу робить саму ідею доступнішою для розуміння. Проте це дозволяє перемістити його з розряду чисто теоретичної концепції в область емпіричних фактів. Досить широкий спектр видів людської діяльності - від дослідів в лабораторіях фізики високих енергій до регулярних польотів літаків комерційних авіаліній - дозволяє продемонструвати розтягнення часу.

Однією з багатьох елементарних частинок, що виникають в процесі дослідів в фізичних лабораторіях, є мю-мезон. Він має період напіврозпаду в півтори мікросекунди. Мю-мезони, однак, з'являються не тільки в лабораторіях фізики високих енергій, а й у верхніх шарах земної атмосфери, коли космічні промені стикаються з ядрами атомів атмосферних газів. Оскільки енергія космічного випромінювання дуже висока, мю-мезони в момент свого утворення набувають швидкість, майже рівну швидкості світла. При такій високій швидкості проявляється розтягнення часу, яке можна виміряти. Навіть при русі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, мю-мезони потрібно 200 мікросекунд, щоб подолати відстань в 60 кілометрів від шару атмосфери, в якій вони виникають, до поверхні Землі. Оскільки мю-мезон має період напіврозпаду в півтори мікросекунди, час проходження, рівне 200 мікросекунд, охоплює 133 періоду його напіврозпаду. Згадаймо, що за кожен такий напівперіод розпадається половина залишилися частинок. Після 133 полупериодов частка мю-мезонів, які повинні вціліти і досягти поверхні Землі, буде дорівнює "/ 2 х 1/2 х" / 2 і так 133 рази, що становить одну мільйонну мільйонну мільярдну мільярдну частку від числа мю-мезонів, що почали своє подорож до поверхні Землі. Це число настільки мало, що практично майже жоден мю-мезон не повинен долетіти до Землі. Переважна більшість їх розпадеться по шляху. Проте якщо порівняти число мю-мезонів, що утворюються у верхніх шарах атмосфери, з числом мю-мезонів, які досягли поверхні Землі, то ми, на наш подив, виявимо, що "/ 8 від їх початкового числа успішно прибуває до місця призначення.« виживання »1/8 мю-мезонів означає, що протягом їх 60-кілометрового подорожі завершуються тільки три напів-періоду. Таким чином, для мю-мезона, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, що минув (релятивістське) час становить лише три по-луперіода - 4,5 мікросекунди (3 х 1,5 мікросекунди). для спостерігача, що знаходиться на поверхні Землі, пройде, як і щонайменше 200 мікросекунд - мінімальний час, необхідний для подолання 60 кілометрів від верхніх шарів атмосфери до поверхні. Одне і той же одинична подія відбувається протягом двох різних проміжків часу - 4,5 мікросекунди в системі відліку стрімко рухається мю-мезона і 200 мікросекунд в системі відліку спостерігача, що стоїть на поверхні. Згадаймо ще раз, що мова йде про одну подію. Але внаслідок того, що спостерігач і спостережуваний об'єкт рухаються відносно один одного, для цього одного події існують два різних проміжку часу. І обидва вони абсолютно вірні!

Але мю-мезони є досить екзотичними частинками, і скептик цілком може посміхнутися і недовірливо похитати головою. Зрештою, ніякої спостерігач не може подорожувати в компанії з мю-мезонами. Ми покладаємося тільки на їх період напіврозпаду як на годинник, що переміщаються разом з ними.

А як щодо справжніх годин і людини, що переміщається разом з ними і вимірює розтягнення часу самим прямим чином? Це явно виглядало б більш переконливим. І саме про це повідомлялося в престижному журналі «Наука» (Science) співробітниками Вашингтонського університету і Військово-Морський лабораторії США Хафелі і Кітінгом12. Вони відправили в навколосвітня подорож на літаках Боїнг 707 і Конкорд, що належать компаніям TWA і Pan Am і здійснюють регулярні комерційні рейси, чотири комплекти цезієвого годинника. Цей годинник було обрано тому, що вони володіють виключно високою точністю.

Земля обертається із заходу на схід. Якщо дивитися на Землю з космосу, перебуваючи при цьому над її північним полюсом, ми побачимо, що при польоті на схід швидкість літака додається до швидкості Землі. Як і було передбачено теорією відносності, годинник, що знаходилися на борту літака, відставали від таких же годин, які перебували в Військово-Морський лабораторії США в Вашингтоні, округ Колумбія (всі годинники, що використовувалися в цьому експерименті, були надані цією лабораторією). При польоті на захід швидкість літака віднімається з швидкості обертання Землі і в повній згоді з теорією відносності, годинник на борту цього літака пішли вперед. За словами Хефеле і Кітінг, «б науці стосуються справи емпіричні факти мають велику силу, ніж теоретичні доводи. Ці результати являють собою недвозначне емпіричне рішення знаменитого парадоксу годин »" 3.

Не тільки сприйняття часу, а й фактичний хід часу змінюється в залежності від відносного руху спостерігачів. У межах кожної даної системи відліку все виглядає цілком звичайно. Але коли дві системи спочатку розділяються, а потім знову з'єднуються і показання годин порівнюються, хід часу в них виявляється різним (фактичне «старіння»).

Особливо цікавим аспектом експериментів Хефеле-Китинга по вимірюванню розтягування часу було те, що в них були перевірені як спеціальна, так і загальна теорія відносності. Відповідно до загальної теорії відносності, різниця в силі гравітації впливає на тривалість так само, як і різниця у відносній швидкості, що постулюється спеціальною теорією відносності. Вплив гравітаційного поля на будь-який об'єкт обернено пропорційно квадрату відстані між об'єктами. При збільшенні відстані вдвічі гравітаційне тяжіння зменшується в чотири рази. Чим далі об'єкт від Землі, тим слабкіше Земляпритягає його. Оскільки літаки в польоті знаходяться високо над поверхнею Землі (звичайна висота польоту Боїнга 707 - 10 км, а Конкорда - 20 км), гравітаційний вплив Землі на годинник на борту літаків відрізнялося від впливу на годинник, що знаходилися на поверхні Землі в Військово-Морський лабораторії. Зміни в ході годин, зафіксовані в експерименті, відповідали прогнозам загальної теорії відносності (яка враховує вплив і руху, і гравітації).

Цей експеримент, як і всі інші подібні до нього, довели, що спеціальна і загальна теорії відносності Ейнштейна правильно описують реальні характеристики нашого Всесвіту. Теорія відносності більше не є чистою теорією. Відносність являє собою доведений, емпірично підтверджений факт. Іншими словами, теорія відносності перетворилася в закон відносності.

А тепер, спираючись на цей закон, обгрунтований однією з природних наук, які описують Всесвіт, ми можемо продовжити обговорення перших шести днів Творіння - того періоду, в якому природна наука і теологія, на перший погляд суперечать один одному.

Давайте розглянемо зміни у взаєминах між Творцем, Всесвіту і людиною, що сталися з тієї миті, яке ми називаємо «початком». При цьому ми не повинні ні на хвилину випустити з уваги, що різницю в плині часу можна зафіксувати, лише якщо ми порівнюємо спостереження одних і тих же подій з двох різних систем відліку. Але цього мало - потрібно ще, щоб або гравітаційні сили в цих двох системах відліку істотно відрізнялися один від одного, або щоб відносна швидкість їх руху наближалася до 300 мільйонам метрів в секунду, тобто до швидкості світла. Усередині кожної системи незалежно від її відносної швидкості або діючої в ній гравітаційної сили все відбувається в повній відповідності з законами Ньютона, тобто все виглядає нормально і логічно, точно так же, як і у нас на Землі, хоча ми і мчимо з великою швидкістю крізь космічний простір.

У Творця була і є певна зацікавленість в створенні Всесвіту. Ми можемо це припустити, виходячи з того факту, що Всесвіт існує. Однак ми не знаємо, в чому ця зацікавленість полягає. Втім, деякі натяки на це ми можемо знайти, аналізуючи взаємодію між Творцем і Всесвіту за весь час її створення і існування. Традиційна теологія стверджує, що якби Творець побажав створити Всесвіт одним махом, він так би і зробив. Але з біблійного оповідання ясно, що в його плани не входило створення повністю сформованої Всесвіту за допомогою одиничного акту. З якихось причин був обраний метод поступового розвитку. І перші два розділи книги «Буття» присвячені саме опису поетапного утворення Всесвіту.

Якщо грати за правилами, згідно з якими функціонує сьогоднішня Всесвіт - а ці правила суть відомі нам фізичні закони, - тоді поступовий розвиток Всесвіту з тієї первинної субстанції, яка існувала в момент Великого Вибуху, було абсолютно необхідно для появи людини. Але сама Земля і все, що існує на ній, не є прямими продуктами Великого Вибуху. Нам абсолютно однозначно повідомляється, що на самому початку Земля була пуста та порожня, або на івриті Гоху і Боху. Провідні вчені-фізики, фахівці з ядерним часткам, В даний час посилаються на Т і Б (Тоху і Боху) як на два вихідних «цегли», з яких побудована вся матерія. Сила Великого Вибуху буквально спрессовала ці Гі Б в водень і гелій - в той момент не утворилося майже ніяких інших елементів. І тільки алхімія космосу створила згодом з цих первозданних водню і гелію всі інші елементи.

Земля і вся сонячна система є мішанину матерії, яка дійшла до нас після незліченної кількості циклів сверхсжатого в надрах зірок. Це тиск стискало водень і гелій так щільно, що їх ядра з'єднувалися і відокремлювалися знову, утворюючи такі важчі елементи, як вуглець (воістину субстанція життя), залізо, уран і інші 89 елементів, з яких складається Всесвіт. Зірки потім вибухали і вивергали з себе новоутворені елементи у Всесвіт, яка жадібно поглинала їх, використовуючи для створення інших зірок. Народження зірок і їх смерть були необхідні для того, щоб перетворити в кінцевому підсумку водень і гелій, що утворилися в перші миті після Великого Вибуху, в елементи, необхідні для створення життя в тій формі, яка нам знайома. У своїх тлумаченнях Біблії такі її коментатори, як Маймонід і Раші, роз'яснювали, що Бог створював і руйнував багато світів в процесі створення життя на Землі. Але тут я спираюся нема на Маймоніда; наведену вище інформацію я почерпнув у астрофізиків вусла і Філліпса.

Отже, якщо у нас є на все про все шість днів до появи Адама, як ми можемо втиснути в цей проміжок часу все цикли формування і руйнування світів? Біблійні коментатори, на яких ми спираємося, однозначно стверджують, що перші шість днів Творіння є шістьма днями по 24 години кожен. Це означає, що той хтось, хто стежив тоді за часом, повинен був зафіксувати проходження цих самих 24 годин на добу. Але хто міг бути присутнім в той час, щоб вимірювати протягом часу? До того моменту, коли, після закінчення шести днів, з'явився Адам, стежити за годинами міг один тільки Господь Бог. І в цьому-то й річ.

Коли створювалася наша Всесвіт - до самого моменту появи людини - Бог не був тісно пов'язаний із Землею. Протягом перших одного або двох днів з шести днів Творіння Земля навіть ще не існувала! Хоча у вірші 1: 1 книги «Буття» говориться, що: «На початку створив Бог небо і землю», наступний вірш стверджує, що Земля була порожня і безформна. Перший вірш книги Буття є, по суті, заявою самого загального плану, що означає, що на самому початку була створена первинна субстанція, з якої протягом наступних шести днів треба було утворитися небес і Землі. Нижче, в вірші 31:17 книги «Вихід», про це сказано більш чітко: «... в шість днів створив Господь небо і землю ...». З чого ж були «виготовлені» небо і Земля протягом цих шести днів? З субстанції, створеної «на початку» тих шести днів. Так як в ранньому Всесвіті Землі не було і так як не було ніякої можливості встановлення тісного зв'язку або взаємопроникнення систем відліку, для Бога і для Землі не існувало загального календаря.

Закон відносності навчив нас, що навіть для Бога не існує можливості вибрати такий календар, який був би справедливий для всіх частин Всесвіту або хоча б для обмеженого числа їх, що зіграли свою роль у виникненні людства. Закон відносності, один з основних законів Всесвіту, встановлених при її створенні, унеможливлює існування загальної системи відліку для Творця і для кожної частини тієї сукупності матерії, яка в кінцевому підсумку перетворилася в людство і в планету Земля, на якій воно живе.

Ми знаємо, що відповідно до закону відносності, у Всесвіті неможливо описати час, що охоплює певну послідовність подій в одній частині Всесвіту таким чином, щоб воно дорівнювало часу протікання тих же подій, але спостерігаються з іншої частини Всесвіту. Відмінності в русі і гравітаційні сили різних галактик або навіть зірок в одній галактиці перетворюють абсолютний час в суто локальний феномен. В різних частинах Всесвіту час тече по-різному.

Біблія є путівником, що описує подорож людства по життю і часу. Щоб прищепити людині повагу до фізичного чуду Всесвіту, цей путівник включає в себе опис того процесу, який вів від порожньої, безформною Всесвіту до будинку, в якому людство може існувати. Але вибрати якусь єдину систему відліку часу для опису цього процесу майже неможливо, тому що занадто багато факторів найбезпосереднішим чином впливають на швидкість течії часу. Ці чинники включають в себе і гравітаційні сили в безлічі зірок, в надрах яких первинні водень і гелій перетворювалися в елементи, що лежать в основі життя, і рух міжгалактичного газу, що конденсується в процесі руху в туманності, а потім і в зірки, і вибухи наднових зірок , що відзначають смерть і наступне відродження зірок, з яких утворений Чумацький шлях, І маса Землі. Плин часу було тим аспектом життя, який ми, до осяяння Ейнштейна, помилково вважали незмінним. Це нереально, немає, це просто неможливо, щоб одні і ті ж години в усі віки відміряли вік всієї тієї космічної субстанції, з якої ми складаємося.

Одіссея матерії від субстанції Великого Вибуху до її сьогоднішнього стану була занадто складна, занадто різноманітна, щоб протягом часу в ній вимірювалося одними і тими ж годинами. Хто може сказати зараз, скільки галактик або яка саме наднова породили в кінцевому підсумку ті елементи, з яких складаються наші фізичні тіла? Ми, люди, і все інше в сонячній системі, включаючи Сонце і планети, являємо собою осколки давноминулих зірок. Ми буквально створені з зоряного пилу. До яких атомам вуглецю, азоту або кисню відноситься даний час? До ваших або до атомам вашого сусіда? До тих, які входять до складу частки вашої шкіри, або до тих, які знаходяться в краплі вашої крові? Цілком ймовірно, що початок кожного з них було покладено в надрах різних зірок, і тому у кожного з них свій власний унікальний вік. Перетворення космічного речовини, що відбувалися до освіти Землі, відбувалися в міріадах зірок, одночасно і послідовно. Кожна зірка, кожна наднова мали свою власну гравітацію і свою власну швидкість руху, а тому і свою власну просторово-часову систему відліку.

Мільярди космічних годин цокали (і все ще продовжують тікати), кожні в своєму, локально вірному темпі. Всі вони почали тікати в один момент - момент Великого Вибуху, і всі вони одночасно досягли того періоду часу, коли з'явився Адам. Але абсолютна, локальний час, який минув від «початку» до того моменту, коли кожна з цих частинок матерії внесла свій внесок у створення людства, було дуже різним для кожної зірки і для кожної частки. Хоча перетворення матерії почалися і завершилися одноразово, з теорії Ейнштейна випливає, що вік кожної даної частинки матерії відрізняється досить суттєво від віку інших частинок матерії з якими вона врешті-решт, з'єдналася, утворивши сонячну систему, а потім і людство. Ці наші міркування не більше і не менше витончений, ніж, скажімо, виявлення 200 мікросекунд в тих 4,5 мікросекунд, які проходять, поки мю-мезони, що утворилися в верхніх шарах атмосфери під ударами космічного випромінювання, досягають поверхні Землі. За 4,5 мікросекунд проходять 200 мікросекунд. Цей доведений факт може бути краще зрозумілий за допомогою уявного експерименту Ейнштейна, в якому вчені на борту несеться з великою швидкістю ракети і вчені в нерухомій лабораторії фіксують два різних проміжку часу для одного і того ж події. Ця ситуація не має нічого спільного із заявою покійного У.К. Філдса, який сказав, що протягом одного довгого вечора в Філадельфії він прожив ціле неделю15. Його твердження відноситься до сфери емоційного відчуття; в нашому випадку ми маємо справу з фізичним фактом. Коли ми говоримо про мільярд років, ми не маємо на увазі, що ми відчуваємо їх як мільярд років. Мільярд років дійсно пройшов! Якщо протягом тих самих шести днів в тій частині Всесвіту, яка зараз зайнята Землею, перебували б якісь годинник, вони зовсім не обов'язково зафіксували б 15 мільярдів років. У ранньому Всесвіті кривизна простору і часу в цьому місці, ймовірно, була зовсім іншою, ніж зараз.

Для того щоб описати послідовний розвиток Всесвіту, потрібно знайти якийсь компроміс. В якості такого компромісу Творець вибрав для часу, що передує появі Адама, свою власну систему відліку, в якій весь Всесвіт сприймалася як єдине ціле.

Створення Адама якісним чином відрізнялося від усіх інших подій, які супроводжували створення Всесвіту. Воно свідчило про фундаментальному зміну стосовно Бога до Всесвіту. Ми знаємо, що всі об'єкти Всесвіту, органічні і неорганічні, живі і неживі, складаються з матерії, походження якої може бути простежено аж до первинного створення. У цьому сенсі людство не є винятком. Нам було недвозначно пояснено, що матеріальним джерелом нашого походження служить «прах землі». Всім живим істотам ( «Буття» 1:30), включаючи і людини ( «Буття» 2: 7), була дана душа жива (на івриті нефеш). Однак, тільки Адаму було даровано щось нове, унікальне для всього Всесвіту - живий подих Бога ( «Буття» 2: 7).

І саме в цю мить, коли Бог вдихнув в Адама своє дихання життя (на івриті нешама), обидва - і Творець, і його творіння - стали нерозривно пов'язані один з одним. Саме в цей момент з мільярдів можливих годин були безповоротно обрані одні-єдині, за якими відтепер належало вимірювати протягом усіх майбутніх подій.

На жаргоні фізиків-релятивістів, в момент появи Адама та частина Всесвіту, яка стала місцем існування людини, почала функціонувати в тій же системі відліку простору-часу, що і її Творець. Починаючи від цієї точки, хронологія Біблії і протягом часу на Землі стали єдині - загальні просторово-часові відносини між Богом і людиною були відтепер закріплені.

результати цієї нової зв'язку очевидні з першого погляду на біблійний текст. Існує паралелізм між датами, до яких відносить Біблія події, що відбувалися після створення Адама, і відповідними археологічними оцінками хронології тих же подій. Бронзовий вік біблійного календаря і бронзовий вік археології дійсно збігаються. За біблійними переказами, Хацор був зруйнований Ісусом Навином 3300 років тому; археологія, як з'ясувалося після детальних досліджень, відносить цю подію до того ж періоду. Частина біблійного календаря, що починається з моменту створення Адама, виглядає в наших очах цілком логічною, а відкриття святкові Мертвого моря доводить, що Біблія правильно описує події за тисячі років до того, як їх підтверджують сучасні археологічні знахідки. Якби ми не знали закону відносності і якби ми намагалися датувати події, що відбувалися на Землі за часів після Адама, з іншої точки Всесвіту, ми зараз дивувалися б, чому в нашому сприйнятті минулий час відрізняється від того, що фіксується годинами на Землі.

У перші шість днів існування нашого Всесвіту Вічні Годинники відміряли 144 години. Тепер ми знаємо, що цей проміжок часу не обов'язково збігається з тим же проміжком часу, виміряним в іншій частині Всесвіту. Як мешканці цієї Всесвіту ми оцінюємо протягом часу за допомогою годинника, які є в нашій, локальній системі відліку; до таких годинах можна віднести радіоактивне датування, геологічні дані і вимірювання швидкості та відстані у Всесвіті. Саме з цим годинником подорожує людство в часі і просторі.

Коли Біблія описує, як день за днем \u200b\u200bрозвивається наш Всесвіт протягом перших шести днів, наступних за Творінням, вона і справді говорить про шість днів по 24 години в кожному. Але система відліку, в якій обчислювалися ці дні, включала в себе весь Всесвіт. Ця перша тиждень Творіння - аж ніяк не казка, покликана задовольнити цікавість дитини з тим, щоб потім, з приходом мудрості дорослого, бути відкинутою за непотрібністю. Зовсім навпаки - в ній містяться натяки на події, до розуміння яких людство починає наближатися тільки зараз.

Мудреці, тлумачі Біблії, давно вже попереджали, що наше сприйняття подій перших шести днів Творіння не відповідатиме нашому розумінню природи за часів, що пішли за появою Адама. Вони зрозуміли це з опису суботнього відпочинку, що міститься в Десяти заповідях. Якщо ми порівняємо текст в книзі «Вихід» 20:11 з текстом в книзі Захарії 5:11 і в 2-й Книзі Царств 21:10, ми побачимо, що в цих текстах застосовується один і той же слово для позначення відпочинку, але з різними відтінками. З того, як це слово там використовується, можна зробити висновок, що в першу суботу Бог насправді не «відпочивав». Швидше, Творець перервав свою працю, щоб оглянути Всесвіт, яка була створена за перші шість днів. Наше сприйняття цієї перерви, за твердженням Маймоніда, зводиться до того, що в усі часи, починаючи з цієї першої суботи, закони природи, включаючи і протягом часу, будуть функціонувати «нормальним» чином. За контрастом, перебіг подій, які відбувалися під час перших шести днів, могло виглядати нелогічним, як якби мало місце порушення законів природи і часу. Як бачимо, пророкування мудреців про те, що ми будемо сприймати біблійну і наукову картини ранньому Всесвіті як такі, що суперечать один одному, фактично збулося.

Перша субота відзначає початок календаря, відлічує час з моменту створення Адама. І саме ця частина календаря відповідає нашому, заснованому на логіці, сприйняття реальності. Завдяки екстраординарної фактом відносності часу, закону відносності Ейнштейна, біблійний календар вірний і в ці шість днів. Стало непотрібним пояснювати виявлення викопних знахідок тим, що Творець навмисно помістив їх туди, де вони були знайдені, для випробування нашої віри в акт Творіння або для задоволення нашої цікавості. Швидкість радіоактивного розпаду в скельних породах, метеоритах і копалин знахідки правильно відображає перебіг часу, але це протягом часу вимірювалося і продовжує вимірюватися годинами, що знаходяться в нашій, земній системі відліку. Час, що фіксується цим годинником, було і продовжує залишатися тільки відносно, тобто тільки локально, вірним. Інші годинник, що знаходяться в інших системах відліку, приписують подіям, що відбуваються на Землі, інші, але не менш вірні моменти часу. І так буде завжди, до тих пір, поки Всесвіт буде підкорятися законам природи.

ЛІТЕРАТУРА

• 1. Раші. «Коментарі до книги« Буття ». 1: 1.
• 2. Нахманід. «Коментарі до Тори». «Буття» 5: 4.
• 3. «Археологія та дослідження Старого Завіту». Під ред. Томаса. (Thomas, ed., Archaeology and Old Testament Study).
• 4. Ньютон. «Математичні принципи натурфілософії». (Newton, Mathematical Principles of Natural Philosophy).
• 5. Ейнштейн. «Відносність: спеціальна і загальна теорії». (Einstein, Relativity: The Special and General Theories).
• 6. Коен. «Народження нової фізики». (Cohen, The Birth of a New Physics).
• 7. Пажельс. «Досконала симетрія». (Pagels, Perfect Symmetry).
• 8. Шенкленд. «Експеримент Майкельсона-Морлі». (Shankland, «The Michelson-Morley experiment», American Journal of Physics, 32 (1964): 16).
• 9. Герман. «Походження квантової теорії» (1899-1913). (Hermann, The Genesis of the Quantum Theory (1899-1913)).
• 10. Тейлор і Уілер. «Фізика простору-часу». (Taylor and Wheeler, Spacetime Physics).
• 11. Хефеле і Кітінг, «Кругосвітні атомний годинник: спостереження релятивістського зсуву часу». (Hafele and Keating, «Around-the-world atomic clocks: observed relativistic time gains». Science, 117 (1972): 168).
• 12. вусла і Філліпс, «Наднова 1987А1». (Woosley and Phillips, «Supernova 1987А!» Science, 240 (1988): 750).
• 13. Маймонід. «Наставник коливних», ч. 1, гл. 67.

Спеціальна теорія відносності (СТО) або приватна теорія відносності - це теорія Альберта Ейнштейна, опублікована в 1905 році в роботі «До електродинаміки рухомих тіл» (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 . Juni 1905).

Вона пояснювала рух між різними інерційних системах відліку або рух тіл, що рухаються щодо один одного з постійною швидкістю. У цьому випадку жоден з об'єктів не повинен прийматися за систему відліку, а розглядати їх треба відносно один одного. СТО передбачає тільки 1 випадок, коли 2 тіла не змінюють напрямок руху і рухаються рівномірно.

Закони СТО перестають діяти, коли одне з тіл змінює траєкторію руху або підвищує швидкість. Тут має місце загальна теорія відносності (ЗТВ), що дає загальне тлумачення руху об'єктів.

Два постулату, на яких будується теорія відносності:

1. принцип відносності - Згідно з ним, у всіх існуючих системах відліку, які рухаються відносно один одного з незмінних швидкістю і не змінюють напрямок, діють одні і ті ж закони.
2. Принцип швидкості світла - Швидкість світла однакова для всіх спостерігачів і не має залежність від швидкості їх руху. Це вища швидкість, і ніщо в природі не має велику швидкість. світлова швидкість дорівнює 3 * 10 ^ 8 м / с.

Альберт Ейнштейн за основу брав експериментальні, а не теоретичні дані. Це стало однією з складових його успіху. Нові експериментальні дані послужили базою для створення нової теорії.

Фізики з середини XIX століття займалися пошуком нової загадкової середовища, названої ефіром. Вважалося, що ефір може проходити через всі об'єкти, але не бере участь в їх русі. Згідно з переконаннями про ефір, змінюючи швидкість глядача щодо ефіру, змінюється і швидкість світла.

Ейнштейн, довіряючи експериментів, відкинув поняття нового середовища ефіру і допустив, що швидкість світла завжди є постійною і не залежить від будь-яких обставин, таких як швидкість самої людини.

Тимчасові проміжки, відстані, і їх однорідність

Спеціальна теорія відносності пов'язує тимчасові проміжки і простір. У Матеріальною всесвіту існує 3 відомих в просторі: вправо і вліво, вперед і назад, вгору і вниз. Якщо додати до них інший вимір, назване тимчасовим, то це складе основу просторово-часового континууму.

Якщо Ви здійснюєте рух з малою швидкістю, ваші спостереження не будуть сходитися з людьми, які рухаються швидше.

Пізніше експерименти підтвердили, що простір, так само як і час, не може сприйматися однаково: від швидкості руху об'єктів залежить наше сприйняття.

З'єднання енергії з масою

Ейнштейн вивів формулу, яка поєднала в собі енергію з масою. Ця формула набула широкого поширення в фізиці, і вона знайома кожному учневі: E \u003d m * c², в якій E-енергія; m- маса тіла, c-швидкість поширення світла.

Маса тіла зростає пропорційно збільшенню швидкості світла. Якщо досягти швидкості світла, маса і енергія тіла стають безрозмірними.

Збільшуючи масу об'єкта, стає складніше досягти збільшення його швидкості, т. Е для тіла з нескінченно величезної матеріальної масою необхідна нескінченна енергія. Але на ділі цього досягти неможливо.

Теорія Ейнштейна об'єднала два окремих положень: положення маси і положення енергії в один загальний закон. Це уможливило перетворення енергії в матеріальну масу і навпаки.

СТО, також відома як приватна теорія відносності є проробленою описової моделлю для відносин простору-часу, руху і законів механіки, створена в 1905 році лауреатом Нобелівської премії Альбертом Ейнштейном.

Поступаючи на відділення теоретичної фізики Мюнхенського університету, Макс Планк звернувся за порадою до професора Філіпа фон Жолли, який керував в той момент кафедрою математики цього університету. На що він отримав пораду: «в цій області майже все вже відкрито, і все, що залишається - закрити деякі не дуже важливі проблеми». Юний Планк відповів, що він не хоче відкривати нові речі, а тільки хоче зрозуміти і систематизувати вже відомі знання. В результаті з однієї такої «не дуже важливої \u200b\u200bпроблеми» згодом виникла квантова теорія, а з іншого - теорія відносності, за які Макс Планк і Альберт Ейнштейн отримали нобелівські премії з фізики.

На відміну від багатьох інших теорій, що покладалися на фізичні експерименти, теорія Ейнштейна практично повністю була заснована на його уявних експериментах і тільки згодом була підтверджена на практиці. Так ще в 1895 році (у віці всього 16 років) він задумався про те, що буде, якщо рухатися паралельно променю світла з його швидкістю? У такій ситуації виходило, що для стороннього спостерігача частки світла повинні були коливатися навколо однієї точки, що суперечило рівнянням Максвелла і принципу відносності (який свідчив, що фізичні закони не залежать від місця де ви знаходитеся і швидкості з якою ви рухаєтеся). Таким чином юний Ейнштейн прийшов до висновку, що швидкість світла повинна бути недосяжна для матеріального тіла, а в основу майбутньої теорії було закладено першу цеглину.

Наступний експеримент був проведений ним у 1905 році і полягав в тому, що на кінцях потяга знаходяться два імпульсних джерела світла які запалюються в один час. Для стороннього спостерігача, повз якого проходить поїзд, обидві ці події відбуваються одночасно, проте для спостерігача, що знаходиться в центрі поїзда ці події будуть здаватися відбулися в різний час, так як спалах світла з початку вагона прийде раніше, ніж з його кінця (в слідстві постійності швидкості світла).

З цього він зробив досить сміливий і далекоглядний висновок, що одночасність подій є відносною. Отримані на основі цих експериментів розрахунки він опублікував в роботі «Про електродинаміки рухомих тіл». При цьому для рухомого спостерігача один з цих імпульсів матиме більшу енергію ніж інший. Для того щоб в такій ситуації не порушувався закон збереження імпульсу при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої необхідно було щоб об'єкт одночасно з втратою енергії повинен був втрачати і масу. Таким чином Ейнштейн прийшов до формули характеризує взаємозв'язок маси і енергії E \u003d mc 2 - що є, мабуть, найвідомішою фізичної формулою на даний момент. Результати цього експерименту були опубліковані ним пізніше в тому ж році.

Основні постулати

Сталість швидкості світла - до 1907 року були проведені експерименти по вимірюванню з точністю ± 30 км / с (що було більше орбітальної швидкості Землі) які не виявили її зміни в ході року. Це стало першим доказом незмінності швидкості світла, яке надалі було підтверджено безліччю інших експериментів, як експериментаторами на землі, так і автоматичними апаратами в космосі.

принцип відносності - цей принцип визначає незмінність фізичних законів в будь-якій точці простору і в будь-якій інерційній системі відліку. Тобто в незалежності від того рухаєтеся ви зі швидкістю близько 30 км / с по орбіті Сонця разом із Землею або в космічному кораблі далеко за її межами - ставлячи фізичний експеримент ви завжди будете приходити до одних і тих же результатів (якщо ваш корабель в цей час не прискорюється або сповільнюється). Цей принцип підтверджувався усіма експериментами на Землі, і Ейнштейн розумно вважав цей принцип вірним і для решти Всесвіту.

наслідки

Шляхом розрахунків на основі цих двох постулатів Ейнштейн прийшов до висновку, що час для рухомого в кораблі спостерігача має сповільнюватися зі збільшенням швидкості, а сам він разом з кораблем повинен скорочуватися в розмірах в напрямку руху (для того щоб компенсувати тим самим ефекти від руху і дотримати принцип відносності). З умови кінцівки швидкості для матеріального тіла випливало також що правило додавання швидкостей (що мало в механіці Ньютона простий арифметичний вид) має бути замінено більш складними перетвореннями Лоренца - в такому випадку навіть якщо ми складемо дві швидкості в 99% від швидкості світла ми отримаємо 99,995% від цієї швидкості, але не маємо перевищити її.

статус теорії

Так як формування з приватної теорії її загальної версії у Ейнштейна зайняло лише 11 років, експериментів для підтвердження безпосередньо СТО не проводилося. Однак в тому ж році, коли була опублікована Ейнштейн також опублікував свої розрахунки, що пояснювали зміщення перигелію Меркурія з точністю до часток відсотків, без необхідності введення нових констант і інших припущень, які були потрібні іншими теоріями, пояснював цей процес. З тих пір правильність ОТО була підтверджена експериментально з точністю до 10 -20, а на її основі було зроблено безліч відкриттів, що однозначно доводить правильність цієї теорії.

Першість у відкритті

Коли Ейнштейн опублікував свої перші роботи по спеціальної теорії відносності і приступив до написання її загальної версії, іншими вченими вже була відкрита значна частина формул і ідей, закладених в основі цієї теорії. Так скажімо перетворення Лоренца в загалом вигляді були вперше отримані Пуанкаре в 1900 році (за 5 років до Ейнштейна) і були названі так на честь Хендріка Лоренца отримав наближену версію цих перетворень, хоча навіть в цій ролі його випередив Вольдемар Фогт.