Всеобщо привличане

Айнщайн

Сред редицата открития на Галилей е ЗАКОНЪТ ЗА СВОБОДНОТО ПАДАНЕ НА ТЕЛАТА:

G = m . g

където G е силата, под действие на която тяло с маса m пада равноускорително - със свяка секунда скоростта на тялото нараства с една и съща величина.

Галилей доказал, че ако се пренебрегне съпротивлението на въздуха, всички тела

биха падали с едно и също ускорение - земното g.

И още:

Галилей твърдял, че съществува вакуум и показал как може да се получи той, но това били умозрителни заключения.

30 години по-късно Робърт Бойл направил опита с перо и тежка златна монета в тръба, от която е изтеглен въздухът. Наистина и перото, и тежката монета в такава тръба падали по един и същи начин.

В разрез с общоприетите схващания на Аристотел, според който естественото състояние на телата е покоят и за да се приведат в движение, трябва да им се приложи сила, Галилей твърдял, че за поддържане състояние на движение не е нужна постоянно действаща сила.

Основният закон на класическата механиката на Галилей-Нютон, известен като ЗАКОН ЗА ИНЕРЦИЯТА гласи:

"Тяло, достатъчно отдалечено от други тела, запазва състоянието си на покой или равномерно праволинейно движение."

Неявно в този закон става дума не само за движението на тяло, а за отправните тела или отправната система спрямо която се извършва движението. В този смисъл движението е относително.

Впоследствие са доразвити понятията и са въведени нови:

Отправните системи са инерциални и неинерциални.

Всяка друга отправна система, която се движи равномерно праволинейно, макар с различна скорост също е инерциална. Обикновено координатните системи на две инерциални отправни системи се дава по този начин:

По-късно Кеплер приел идеята на Уилям Гилберт, че и Слънцето като Земята е огромен магнит. "Магнитните нишки" на Слънцето придърпват Земята и планетите към него. Но въпросът защо планетните орбити в този случай са елиптични, остава открит.

Широко се използвало понятието гравитация в смисъл на сила на привличане между телата.Но каква била тази сила и какво я пораждало? Дали привличането между телата е някакво външно въздействие от страна на други тела или е вътрешно присъщо за тях свойство? Как се осъществява това взаимодействие?

С въпроса за гравитацията се заема сериозно младият Нютон, усамотявайки се в имението си Вулсторп поради вилнеещата чумна епидемия през 1665 г. Едва ли падналата на главата му ябълка е донесла просветление, както казва легендата. Разсъждението върху това какво кара ябълката да пада и Луната да обикаля около Земята обаче е предпоставката, довела до формулиране на силата на всеобщото привличане или силата на гравитация.

Преди това Нютон се заел с разработка на математическия апарат за необходимата формулировка на силата на гравитация и създал цяла нова област от математиката - математическия анализ.

Едва 20 години по-късно, през 1685 г., Нютон изложил математически обоснованата си Теория за привличането между телата в трите си книги: "Математически начала на натурфилософията". В първата от тях са известните му 3 закона на нов дял от физиката, отговарящ на въпроса защо телата се движат по един или друг начин - динамиката:
1/ Всяко тяло е или в състояние на покой, или на равномерно праволинейно движение, докато действаща върху него сила не промени това състояние;

2/ Произведението от масата на телата m и ускорението a е равно на действащата сила F , а посоката й съвпада с посоката на ускорението:

F = m . a

В епохалният труд на Нютон е основата на съвременната класическа физика.

Законът за всеобщото привличане бил "работещ" и в това скоро всички се убедили:

- Приливите и отливите в земните океани получили обяснението си чрез силата на привличане, която Луната оказва върху Земята;

- предсказана, обяснена, а после и доказана чрез предприети експедиции и измервания сплескаността на земното кълбо при полюсите;

- изяснена е причината за прецесията, открита и описана преди 2 хилядолетия от древногръцкият мислител Хипарх;

- младият ентусиазиран сподвижник на Нютон, Едмунд Халей анализира наблюденията на кометите, появили се през 1456, 1531, 1607 и 1687 години и идва до извода, че това е всъщност една и съща комета, преминаваща покрай Слънцето на всеки 75-76 години. Предвидил следващата й поява през 1758 г. Недоживял до триумфа, но кометата била наблюдавана и наречена на името на Халей;

- Льоверие и Адамс предсказват на "върха на перото" съществуването на голяма планета, съдейки по смущенията в движението на Уран. Хале и д'Аре в Берлинската обсерватория я наблюдават. Откриването на осмата планета Нептун е поредният триумф на Закона за всеобщото привличане, простиращ се вече до покрайнините на Слънчевата система.

• 
  През 1803 г. откривателят на Уран, Уилям Хершел публикува данни от свои
  

Разбирането за това довело до разбиране за основата на всичко – до тъканта на Вселената - времето и пространството.

В "Математически начала на натурфилософията" Нютон пише:

Пространството според Нютон е само фон, върху който се разиграват явленията във Вселената и то е абсолютно в смисъл, че е изначално и няма участие в ставащото в него.

Нютон въвежда понятието инерциална отправна система - такава, при която телата, неподложени на външни въздействия се движат равномерно и праволинейно. Но спрямо какво? - Спрямо абсолютното пространство.

Пространството и времето имат своя самостоятелна физическа същност - те са нещо различно от всички останали отправни системи и имат обособено особено място - нулев пункт за началото на всичко.

Според Лайбниц пространството е само разделението, обособеността на телата, а времето е израз на последователността на събитията, но нито пространството, нито времето са нещо самостоятелно, независимо съществуващо. Те имат смисъл, ако в тях се разиграват процеси, а движението е присъщо свойство на телата.

През 1872 г. Ернст Мах твърди, че инерцията е израз на взаимодействието на всяко едно тяло с всички останали. Ако във Вселената има едно-единствено тяло, размишлявал той, то не би притежавало свойството инертност, защото няма с какво да взаимодейства - дори със самото пространство, което е свалено от пиедестала на нещо отделно, съществуващо независимо дали има тела в него или не.
Максуел и етера

Древните гърци говорят за етер като за небето отвъд облаците и въздуха.

През ХVІІ век Рене Декарт дава на етера механични свойства. Пространството между телата и между съставните части на телата и атмосферата са изцяло запълнени с особена среда, чиито частици се допират. Празно пространство, незапълнено с нещо, според него, не съществува. Въздействието на едно тяло върху друго се пренася в пространството чрез частиците на етера. Движението на кое да е тяло е резултат от движението на частиците на етера.

Наистина предствата за празно пространство - вакуум, - в което се разпространяват въздействия като гравитационните е извън всекидневния ни опит. Затова продължавали опитите да се използва етера като някаква, но все пак веществена среда, запълваща Вселената.

През първата половина на ХІХ век Фарадей въвежда представата за реални електрични, магнитни и гравитационни силови линии, изпълващи пространството между частиците и може би съставящи етера.

От средата на ХІХ век се заражда нов дял във физиката и кристализира понятието поле.

Из "Творческа автобиография" на Айнщайн:

"Във физиката се появи ново понятие, най-важното постижение от времето на Нютон насам: полето. Необходимо бе голямо научно въображение, за да се изясни, че съществени за описаниие на физическияте явления са не зарядите и не частиците, а полето в пространството между зарядите и частиците. Понятието поле се оказа твърде плодотворно и води до формулирането на уравненията на Максуел, които описват структурата на електромагнитното поле и които управляват електричните, както и оптичните явления."

Максуел дава строгата математическа обосновка на Теорията на електромагнетизма и теоретично доказва, че скоростта на разпространение на електромагнитните вълни е и скорост на светлината от 300 000 км/сек, измерена прецизно от датчанина Рьомер още през 1676 г. въз основа на наблюденията на спътниците на Юпитер. Максуел не се отказва от идеята за етера. Тъй както звуковите и водни вълни се разпространяват в съответна среда - така електромагнитните и светлинни вълни се разпространяват в особена среда - етер. Отправната система, свързана с етера или ефира оставала абсолютен критерий за състоянието на покой и крачка назад във възгледите за време и пространство от идеите на Лайбниц и Мах, както и великият Галилей.

Ако съществува етер или някаква среда, колкото и да е ефирна, тя би се издавала по някакъв начин. Това трябвало да покаже опита.

Майкелсон посвещава живота си на прецизността на измерванията. Той е първият американец, успял да измери скоростта на светлината от земен източник и тази стойност от 299 853 км/сек се приема половин век за най-точна, докато самият той не я подобрил.

През 1881 г. при посещение на Берлинския университет, Майкелсон прави първите опити за откриване на етера и за целта използва конструиран от него интерферометър.Вибрирането на апарата поради уличното движение, го кара да повтори опита в обсерваторията в Потсдам, където за първи път стига до извода, че Земята е неподвижна спрямо етера.

Друг американец, химикът Едуард Морли се заинтересувал от работата на Майкелсон и през 1887 г. двамата провеждат нови още по-прецизни опити за наличието на етер.



Опитна постановка на опита на Майкелсон-Морли

Логиката на опита е следната:

Можем да си представим етера като вода в спокойна река.Нека двама плувци в един и същи момент започнат състезание – единият трябва преплува реката от бряг до бряг, другият по течението и обратно. Пътят е еднакъв. Кой от двамата ще финишира първи там, откъдето е тръгнал?

Несложни пресмятания показват, че плувайки еднакво добре, този от плувците, който пресича реката от бряг до бряг ще финишира първи. Следователн, ако има етер изпратените в един и същи момент сигнали в двете посоки би трябвало да се върнат по различно време.

Земята се движи по орбита около Слънцето със скорост от около 30 км/сек, постоянно променяйки посоката си на движение. Ако има етер, макар и като неподвижна среда, може да се приеме, че не Земята се движи, а той "духа". Изпращайки примерно светлинен сигнал по направление на земната орбита и перпендикулярно на нея, отразените сигнали ще се върнат обратно, но с различно време, което може да се измери с точния интерферометър на Майкелсон. С това би могло да се докаже съществуването на космическата етерна среда.

Многократно правените прецизни опити на Майкелсон, Морли и мнозина експериментатори след тях сочат отсъствието на някаква среда, запълваща космическото пространство. Сигналът, изпратен по посока на движението на Земята и този, излъчен по перпендикулярно на орбиталното движение направление неизменно се долавяли от чувствителния интерферометър в един и същи момент. Етер нямало.
Електромагнетизмът на Максуел съществувал без веществена среда между космическите тела и все пак светлината от далечните звезди стига до нас.

В същото време класическата механика на Нютон се основавала на възгледите му за абсолютно пространство и време.

Възможно ли е двете части от единствения ни свят да са толкова противоречиви една на друга и все пак да са с действащи физически закони! Два дяла от физиката, всеки един явно отговарящ на реалността, но основаващи се на коренно противоречиви възгледи за основното, първичното - времето и пространството!
Пред това противоречие били изправени учените на прага на двайстото столетие.

Из "Творческа автобиография" на Айнщайн:

"Теорията на относителността възниква от проблемите на полето.

Противоречията и непоследователността на старите теории ни принуждават да припишем нови свойства ва пространствено-времевия континуум, на тази арена, върху която се разиграват всички събития на нашия физически свят."
СПЕЦИАЛНА ТЕОРИЯ НА ОТНОСИТЕЛНОСТТА

Из "Творческа автобиография" на Айнщайн:

"Специалната теория на относителността израсна от електродинамиката и оптиката. Тя малко измени тези теории, но значително опрости теоретичните построения, т.е. извода на законите, и което е значително по-важно, съществено намали броя на независещите една от друга хипотези, лежащи в основата на теорията. Теорията на относителността направи теорията на Максуел толкова очевидна, че физиците бяха напълно убедени в нейната валидност даже в случаите, когато експериментът не я потвърждаваше убедително."

“В резултат на анализ на физическите понятия за време и пространство бе показано, че в действителност принципът за относителността и законът за разпространение на светлината са съвместими и че систематичното придържане към тези два закона води до логически безупречна теория. Основните положения на тази теория, която за разлика от нейните обобщения ние наричаме “специална теория на относителността”, ще бъдат изложени по-долу.”

"За електродинамиката на движещите се тела", публикувана в едно от най-добрите научни списания за времето си Analen der Physik в Берн през 1905 г., където е работел като чиновник в патентно бюро.В тази статия е Специалната теория на относителността. По това време Айнщайн е бил само на 26 години.

Айнщайн изгражда своята теория върху два постулата:

- Принцип на относителността: Физическите закони са еднакви във всички инерциални отправни системи, движещи се равномерно и праволинейно една спрямо друга.

Покой във Вселената няма. Отпада нуждата от отправни системи с привилегии като абсолютното пространство на Нютон в класическата механика и етера в електродинамиката на Максуел.

Айнщайн: "Едни и същи закони на електродинамиката и оптиката ще са валидни във всяка отправна система, в която са валидни уравненията на механиката."

- Вторият постулат е експериментален факт: Скоростта на светлината е постоянна във всички инерциални отправни системи.

Този постулат на пръв поглед противоречи на първия. Докато Принципът на относителността премахва привилегиите сред отправните системи, постоянството на скоростта на светлината прави този факт от особено значение.

Нека си представим, че космически кораб се движи с 1/3 от скоростта на светлината - 100 000 км/сек към даден светлинен източник. Светлината от източника се разпространява със светлинна скорост от 300 000 км/сек. В такъв случай естествено е да се предположи, че екипажът на космическия кораб ще измери, че светлината от светлинния източник се движи със скорост 400 000 км/сек, т.е. тя зависи от движението на отправната система и е повече от установената експериментално. Това противоречи и на двата постулата. Но е факт.

Айнщайн го забелязал още през 1895 г. и не преставал да мисли за него през следващите 10 години. Още оттогава 16-годишният юноша се опитвал да си представи какво би станало , ако "яхне светлинен лъч". По-късно споделя:

Приемайки постоянството на скоростта на светлината, налага се да се преформулират понятията за време и дължина, респективно - пространство.

Резултатите от измерванията на мястото и времето на едно и също събитие, получени от наблюдатели, движещи се равномерно и праволинейно един спрямо друг, са свързани със съотношения, наречени преобразувания на Лоренц.Някои от следствията на СТО вече били изведени математически от Лоренц - като това за скъсяване на дължината на движещи се със субсветлинни скорости тела. Но Лоренц бил математик и неговите решения били интересни от математическа гледна точка. Никой не смятал, че отразяват част от действителността. Трябвало да се появи Айнщайн и да обоснове от физична гледна точка реалността на Лоренцовите изводи.
Следствия от СТО

- съкращаване на дължината

Да разгледаме две инерциални отправни системи, от които едната се движи със субсветлинна скорост, релативистски. Нека това да са два еднакви космически кораба. Физичните, биологичните и всякакви други процеси биха протичали по еднакъв начин, но екипажът на кораба, движещ се с неголяма скорост би забелязал, че релатистски движещия се кораб ще е с доста по-малки размери. При това, колкото по-близо до скоростта на светлината е скоростта на бързия кораб, толкова по-малки размери биха отчели от бавно движещия се космически кораб.

дължина в метри с- скорост на светлината


- забавяне на времето - "парадоксът на близнаците"

Всъщност "паниката сред умовете", предизвикана в цял свят от Теорията на относителността, се дължи преди всичко на принципно новата постановка на въпроса за времето, противоречаща на общоприетата интуитивна представа, че времето е абсолютно и тече еднакво за всичко. Разбира се, хората различават субективното възприятие за време, свързано с усещанията, преживяванията, душевното състояние, но обективното време се счита за непоколебимо, задължително и общо за всички. Теорията на относителността за първи път показва, че обективното време е също относително - то зависи от отправната система.

Нека отново се върнем към двата космически кораба, представляващи инерциални отправни системи. Всички процеси в тях биха протичали по един и същи начин, но за релативистски движещият се кораб времето ще тече по-бавно спрямо това на бавно движещия се кораб. Съответно екипажът на космическия кораб, движещ се със сусветлинна скорост ще остарява по-бавно спрямо екипажа на бавния космически кораб.

Именно защото това следствие получава широк отзвук и руши представите за време от особена важност било то да се провери експериментално.

Опитите с атомни часовници започнали почти веднага след публикуване на СТО.

Самият Айнщайн през 1907 г. дава идеята да се съпоставят спектрите на каналните лъчи със спектрите на същите атоми, намиращи се в относителен покой. Тогава би трябвало да се установи забавяне на трептенето на движещите се атоми в сравнение със спектрите на същите, намиращи се в относителен покой атоми.

За първи в лабораторни условия американските физици Йивз и Стилуел през 1938 г. преодоляват всички трудности на експерименталната постановка и наблюдават за първи път очаквания ефект, доказващ забавяне на времето. Повтарят опита през 1941 г. с усъвършенствана установка и потвърждават с 10 % точност предсказаното от теорията. Опитът продължава и през следващите години. През 1962 г. отново в лабораторни условия. През 1972 г. Хафел и Кинитг поставят атомен часовник на реактивен самолет, извършващ околосветско пътешествие и сверяват хода му с такъв в лабораторията на ВВС на САЩ. Повторенията и на тези опити водят до предвиденото забавяне на времето в бързо движещата се инерциална отправна система.

Всъщност, като най-убедителното доказателство за забавяне на времето при релативистични скорости дават елементарните частици - мю-мезоните. При взаимодействие на космическите частици с атомите от земната атмосфера, възникват мюони на височина около 10 км над земната повърхност. Техният живот е извънредно кратък - 0,000002 секунди или 2 микросекунди. Движейки със скоростта на светлината, те биха могли да изминат най-много 1 км преди да се разпаднат и не би трябвало да бъдат регистрирани от детектори на земната повърхност. Но наличието им е факт, което означава, че благодарение на релатистското им движение, техният живот се удължава поне 10 пъти.

И това следва непосредствено от Лоренцовите преобразувания. Масата - физичната величина за количеството вещество в определен обем от пространството, чието постоянство е един от симетричните основни закони в класическата физика, също се оказва променлива величина, зависеща от скоростта на движение на инерциалната система. Нещо повече, в СТО тя не съществува самостоятелно, а е в пряка зависимост от енергията. В СТО се говори за маса-енергия и се формулира закон за запазване на масата-енергия.

Из "Творческа автобиография" на Айнщайн:

Еквивалентността между маса m и енергия Е Айнщайн изразява с формулата, често изписвана като мото върху негови портрети и трудове:

Из "Творческа автобиография" на Айнщайн:

В Специалната теория на относителността обаче времето е обвързано с инерциална отправна система и нейната скорост на движение. Няма привилегии сред отправните системи нито за пространствено положение, нито за време. Всички инерциални отправни системи са равноправни помежду си, а описанието на всяко едно нещо, ставащо в тях изисква както пространствени, така и времева координата. Времето е също равноправна координата с 3-те пространствени. Тук става дума за четиримерен континуум. И както казва Айнщайн отново в "Творческата си автобиография":

"Когато нематематикът чува за "четиримерното" пространство, той бива обхванат от мистично чувство, подобно на чувството, което събуждат театралните привидения. И въпреки това няма по-банално твърдение от това, че окръжаващият ни свят предствалява четиримерен пространствено-времеви континуум."

През 1907 г. немският математик Минковски описва геометрията на 4-мерния континуум пространство-време, който може да се изрази графически като пространствено-времева диаграма. По едната ос на тази диаграма може да се разположи оста на времето t, а по другата ос - 3-те пространсвени координати x, y, z. Всяка точка от тази диаграма Минковски нарича събитие и то се описва с 4-те числа - 3-те пространствени координати и времето.Сумата от всички събития в тази диаграма е светът на физическите явления или просто свят. Протичането на едно събитие в този свят може да се изобрази с линия, наречена мирова линия.

Така отсечката на постоянната скорост на светлината под ъгъл от 45 градуса спрямо осите на пространството и времето ще отговаря на 300 000 км по пространствената ос и 1 секунда по времевата ос.

Реалните частици, движещи се със скорости до или най-много светлинната, се изобразяват с времеподобни линии.

Айнщайн