"แนวความคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่" ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ความแตกต่างระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและพิเศษคืออะไร

ทฤษฎีสัมพัทธภาพริเริ่มโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในต้นศตวรรษที่ 20 สาระสำคัญของมันคืออะไร? ลองพิจารณาประเด็นหลักและอธิบาย TOE ด้วยภาษาที่ชัดเจน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้ขจัดความไม่สอดคล้องและความขัดแย้งของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงในแนวคิดเรื่องโครงสร้างของกาลอวกาศและได้รับการยืนยันจากการทดลองในการทดลองและการศึกษาจำนวนมาก

ดังนั้น TOE จึงเป็นพื้นฐานของทฤษฎีฟิสิกส์พื้นฐานสมัยใหม่ทั้งหมด จริงๆ แล้วนี่คือต้นกำเนิดของฟิสิกส์ยุคใหม่!

ประการแรก เป็นที่น่าสังเกตว่ามี 2 ทฤษฎีสัมพัทธภาพ:

• ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (STR) – พิจารณากระบวนการทางกายภาพในวัตถุที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอ
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) - อธิบายวัตถุที่มีความเร่งและอธิบายที่มาของปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วงและการดำรงอยู่

เห็นได้ชัดว่า STR ปรากฏก่อนหน้านี้และเป็นส่วนหนึ่งของ GTR โดยพื้นฐานแล้ว มาพูดถึงเธอก่อน

STO ด้วยคำง่ายๆ

ทฤษฎีนี้มีพื้นฐานมาจากหลักสัมพัทธภาพ ซึ่งตามกฎของธรรมชาติใดๆ จะเหมือนกันในเรื่องวัตถุที่อยู่นิ่งและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ และจากความคิดที่ดูเรียบง่ายเช่นนี้ ความเร็วแสง (300,000 ม./วินาที ในสุญญากาศ) เท่ากันสำหรับวัตถุทั้งหมด

ตัวอย่างเช่น ลองจินตนาการว่าคุณได้รับยานอวกาศจากอนาคตอันไกลโพ้นที่สามารถบินได้ด้วยความเร็วสูง มีการติดตั้งปืนใหญ่เลเซอร์ไว้ที่หัวเรือ ซึ่งสามารถยิงโฟตอนไปข้างหน้าได้

เมื่อเทียบกับเรือ อนุภาคดังกล่าวบินด้วยความเร็วแสง แต่เมื่อเทียบกับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่ง ดูเหมือนว่าพวกมันควรจะบินเร็วขึ้น เนื่องจากความเร็วทั้งสองถูกรวมเข้าด้วยกัน

อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงสิ่งนี้ไม่เกิดขึ้น! ผู้สังเกตการณ์ภายนอกมองเห็นโฟตอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000 เมตร/วินาที ราวกับว่าไม่ได้เพิ่มความเร็วของยานอวกาศเข้าไป

คุณต้องจำไว้ว่า: เมื่อเทียบกับวัตถุใดๆ ความเร็วแสงจะเป็นค่าคงที่ไม่ว่ามันจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหนก็ตาม

จากสิ่งนี้ ทำให้เกิดข้อสรุปที่น่าทึ่ง เช่น การขยายเวลา การหดตัวตามยาว และการพึ่งพาน้ำหนักตัวกับความเร็ว อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลลัพธ์ที่น่าสนใจที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้ในบทความที่ลิงก์ด้านล่าง

สาระสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR)

เพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้น เราต้องรวมข้อเท็จจริงสองประการเข้าด้วยกันอีกครั้ง:

• เราอาศัยอยู่ในพื้นที่สี่มิติ

อวกาศและเวลาเป็นการสำแดงของเอนทิตีเดียวกันที่เรียกว่า "ความต่อเนื่องของอวกาศ-เวลา" นี่คือกาล-อวกาศ 4 มิติที่มีแกนพิกัด x, y, z และ t

มนุษย์เราไม่สามารถรับรู้ทั้ง 4 มิติได้อย่างเท่าเทียมกัน โดยพื้นฐานแล้ว เราจะเห็นเพียงการฉายภาพของวัตถุสี่มิติของจริงไปยังอวกาศและเวลาเท่านั้น

สิ่งที่น่าสนใจคือทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่ได้ระบุว่าวัตถุเปลี่ยนแปลงเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ วัตถุ 4 มิติยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเสมอ แต่ด้วยการเคลื่อนไหวที่สัมพันธ์กัน การคาดการณ์ของวัตถุจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้ และเรารับรู้สิ่งนี้ว่าเป็นเวลาที่ช้าลง การลดขนาด ฯลฯ

• ศพทั้งหมดตกลงมาด้วยความเร็วคงที่และไม่เร่งความเร็ว

มาทำการทดลองความคิดที่น่ากลัวกันเถอะ ลองนึกภาพว่าคุณกำลังนั่งอยู่ในห้องโดยสารลิฟต์แบบปิดและอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก

สถานการณ์นี้อาจเกิดขึ้นได้จากสองเหตุผลเท่านั้น: คุณอยู่ในอวกาศหรือคุณกำลังตกลงไปพร้อมกับห้องโดยสารอย่างอิสระภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลก

หากไม่ได้มองออกไปนอกบูธ ก็เป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะระหว่างสองกรณีนี้ เป็นเพียงในกรณีหนึ่งที่คุณบินสม่ำเสมอ และอีกกรณีหนึ่งด้วยความเร่ง คุณจะต้องเดา!

บางที อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เองก็กำลังคิดถึงลิฟต์ในจินตนาการ และเขามีความคิดที่น่าทึ่งอย่างหนึ่ง: หากไม่สามารถแยกทั้งสองกรณีนี้ออก การล้มเนื่องจากแรงโน้มถ่วงก็เป็นการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอเช่นกัน การเคลื่อนที่มีความสม่ำเสมอในอวกาศ-เวลาสี่มิติ แต่เมื่อมีวัตถุขนาดใหญ่ (เช่น) การเคลื่อนที่จะโค้งและการเคลื่อนที่สม่ำเสมอจะถูกฉายเข้าไปในอวกาศสามมิติตามปกติของเราในรูปแบบของการเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง

ลองดูตัวอย่างความโค้งของอวกาศสองมิติที่ง่ายกว่าแม้ว่าจะไม่ถูกต้องทั้งหมด

คุณคงจินตนาการได้ว่าร่างกายที่ใหญ่โตจะสร้างช่องทางที่มีรูปร่างอยู่ข้างใต้ จากนั้นวัตถุอื่นๆ ที่บินผ่านจะไม่สามารถเคลื่อนที่ต่อไปเป็นเส้นตรงได้ และจะเปลี่ยนวิถีตามความโค้งของพื้นที่โค้ง

อย่างไรก็ตามหากร่างกายไม่มีพลังงานมากนักการเคลื่อนไหวของมันอาจถูกปิด

เป็นที่น่าสังเกตว่าจากมุมมองของวัตถุที่เคลื่อนไหว พวกมันยังคงเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงต่อไป เพราะพวกเขาไม่รู้สึกถึงสิ่งใดที่ทำให้พวกเขาหมุน พวกมันจบลงในพื้นที่โค้ง และมีวิถีที่ไม่เป็นเชิงเส้นโดยไม่รู้ตัว

ควรสังเกตว่ามีการโค้งงอ 4 มิติรวมถึงเวลาด้วย ดังนั้นการเปรียบเทียบนี้จึงควรได้รับการปฏิบัติด้วยความระมัดระวัง

ดังนั้น ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงไม่ใช่แรงใดๆ เลย แต่เป็นเพียงผลจากความโค้งของกาล-อวกาศเท่านั้น ในขณะนี้ ทฤษฎีนี้เป็นเวอร์ชันที่ใช้งานได้จริงของต้นกำเนิดของแรงโน้มถ่วง และสอดคล้องกับการทดลองต่างๆ เป็นอย่างดี

ผลที่ตามมาอย่างน่าประหลาดใจของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

รังสีของแสงสามารถโค้งงอได้เมื่อบินใกล้วัตถุขนาดใหญ่ อันที่จริงมีการพบวัตถุที่อยู่ไกลออกไปในอวกาศซึ่ง "ซ่อน" ไว้ข้างหลังวัตถุอื่น ๆ แต่รังสีของแสงก็โค้งงอรอบตัวพวกมันขอบคุณที่แสงมาถึงเรา

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ยิ่งแรงโน้มถ่วงมากเท่าไร เวลาก็จะผ่านไปช้าลงเท่านั้น ข้อเท็จจริงนี้จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อใช้งาน GPS และ GLONASS เนื่องจากดาวเทียมของพวกเขาติดตั้งนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำที่สุด ซึ่งทำเครื่องหมายได้เร็วกว่าบนโลกเล็กน้อย หากไม่คำนึงถึงข้อเท็จจริงข้อนี้ ข้อผิดพลาดของพิกัดจะอยู่ที่ 10 กม. ภายในหนึ่งวัน

ต้องขอบคุณ Albert Einstein ที่ทำให้คุณสามารถเข้าใจว่าห้องสมุดหรือร้านค้าอยู่ที่ไหนในบริเวณใกล้เคียง

และสุดท้าย ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายการมีอยู่ของหลุมดำซึ่งมีแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงมากจนเวลาหยุดอยู่ใกล้ๆ ดังนั้นแสงที่ตกลงไปในหลุมดำจึงไม่สามารถละทิ้งได้ (สะท้อน)

ในใจกลางของหลุมดำ เนื่องจากการอัดด้วยแรงโน้มถ่วงขนาดมหึมา วัตถุที่มีความหนาแน่นสูงอย่างไม่สิ้นสุดจึงก่อตัวขึ้น และดูเหมือนว่าจะไม่มีอยู่จริง

ดังนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถนำไปสู่ข้อสรุปที่ขัดแย้งกันอย่างมาก ตรงกันข้ามกับ ซึ่งเป็นสาเหตุที่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ไม่ยอมรับมันอย่างสมบูรณ์และยังคงมองหาทางเลือกอื่นต่อไป

แต่เธอสามารถทำนายสิ่งต่าง ๆ ได้สำเร็จ เช่น การค้นพบที่น่าตื่นเต้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพ และทำให้เราจำนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ได้อีกครั้งด้วยลิ้นห้อย หากคุณรักวิทยาศาสตร์ อ่าน WikiScience

ความสัมพันธ์พิเศษและทั่วไป

แง่มุมที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของฟิสิกส์ยุคใหม่ที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการวิเคราะห์เทววิทยาของเราคือแนวคิดเรื่องเวลา - ต้นกำเนิดและการไม่มีการวัดการไหลของเวลาเพียงจุดเดียวหรือคงที่และไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากความสำคัญของลำดับเหตุการณ์ในการตีความพระคัมภีร์ จึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องพยายามเข้าใจว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพตีความการรับรู้ของเราเกี่ยวกับจักรวาล อายุของมัน และทุกสิ่งที่เกิดขึ้นในนั้นได้อย่างไร ทฤษฎีสัมพัทธภาพเวลา โฟตอนควอนตัม

เป็นการยากที่จะตั้งชื่อทฤษฎีอื่นที่จะมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโลกและการสร้างโลกในฐานะทฤษฎีสัมพัทธภาพ (ทั้งพิเศษและทั่วไป) ก่อนที่ทฤษฎีนี้จะเกิดขึ้น เวลาถือเป็นหมวดหมู่ที่แน่นอนเสมอ เวลาที่ผ่านไปตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงสิ้นสุดกระบวนการถือว่าเป็นอิสระจากผู้ที่วัดระยะเวลา แม้กระทั่งเมื่อ 300 ปีที่แล้ว นิวตันได้กำหนดความเชื่อนี้ไว้อย่างชัดเจน: “เวลาสัมบูรณ์ เวลาจริงและทางคณิตศาสตร์ ทั้งในตัวมันเองและโดยอาศัยธรรมชาติของมัน ไหลไปอย่างสม่ำเสมอและเป็นอิสระจากปัจจัยภายนอกใดๆ” นอกจากนี้เวลาและสถานที่ยังถือเป็นประเภทที่ไม่เกี่ยวข้องกันและไม่มีอิทธิพลต่อกันแต่อย่างใด และแท้จริงแล้ว ความเชื่อมโยงอื่นใดที่อาจมีอยู่ระหว่างระยะทางที่แยกจุดสองจุดของอวกาศออกจากกันกับเวลาที่ผ่านไป นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่าระยะทางที่มากขึ้นต้องใช้เวลามากขึ้นในการเอาชนะมัน ตรรกะที่เรียบง่ายและบริสุทธิ์

แนวคิดที่ไอน์สไตน์เสนอในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (พ.ศ. 2448) และต่อมาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (พ.ศ. 2459) ได้เปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอวกาศและเวลาเป็นพื้นฐาน เช่นเดียวกับแสงจากหลอดไฟที่เปิดสวิตช์เปลี่ยนการรับรู้ของเราเกี่ยวกับห้องที่มืดมิดก่อนหน้านี้ .

การเดินทางอันยาวนานสู่ความเข้าใจอันลึกซึ้งของไอน์สไตน์เริ่มต้นขึ้นในปี 1628 เมื่อโยฮันเนส เคปเลอร์ค้นพบปรากฏการณ์ที่น่าสงสัย เขาสังเกตเห็นว่าหางของดาวหางมักจะหันไปในทิศทางตรงข้ามกับดวงอาทิตย์เสมอ ดาวตกที่ติดตามท้องฟ้ายามค่ำคืนมีหางสว่างจ้าอย่างที่ควรจะเป็น ในทำนองเดียวกัน หางจะทอดยาวไปด้านหลังดาวหางเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ แต่หลังจากที่ดาวหางโคจรผ่านดวงอาทิตย์และเริ่มบินกลับไปยังบริเวณห่างไกลของระบบสุริยะ สถานการณ์ก็เปลี่ยนไปอย่างน่าทึ่งที่สุด หางของดาวหางอยู่ด้านหน้าลำตัวหลัก ภาพนี้ขัดแย้งกับแนวคิดเรื่องหางอย่างเด็ดขาด! เคปเลอร์เสนอว่าตำแหน่งของหางของดาวหางที่สัมพันธ์กับลำตัวหลักนั้นถูกกำหนดโดยแรงดันของแสงแดด หางมีความหนาแน่นน้อยกว่าดาวหางเอง ดังนั้นจึงไวต่อแรงกดดันจากรังสีดวงอาทิตย์มากกว่าส่วนหลักของดาวหาง รังสีจากดวงอาทิตย์พัดไปที่หางและผลักหางออกไปจากดวงอาทิตย์จริงๆ หากไม่ใช่เพราะแรงดึงดูดของวัตถุหลักของดาวหาง อนุภาคเล็กๆ ที่ประกอบเป็นหางก็จะถูกกวาดออกไป การค้นพบของเคปเลอร์เป็นข้อบ่งชี้แรกว่าการแผ่รังสี เช่น แสง อาจมีแรงเชิงกล (ในกรณีนี้คือแรงผลัก) นี่เป็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญมากในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแสง เนื่องจากแสงดังกล่าวอาจมีน้ำหนักหรือมวล ซึ่งถือว่าไม่มีวัตถุมาโดยตลอด อาจมีน้ำหนักหรือมวลได้ แต่เพียง 273 ปีต่อมาในปี 1901 ก็มีการวัดความกดดันที่เกิดจากกระแสแสง อีเอฟ นิโคลส์และเจ.เอฟ. ตัวถังได้ฉายลำแสงอันทรงพลังไปยังกระจกที่แขวนอยู่ในสุญญากาศ วัดการกระจัดของกระจกอันเป็นผลมาจากแรงกดของแสง นี่เป็นการเปรียบเทียบในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับหางของดาวหางที่ถูกแสงแดดผลักออกไป

ในปี ค.ศ. 1864 เจมส์ เคลิร์ก แม็กซ์เวลล์ สำรวจการค้นพบของไมเคิล ฟาราเดย์เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยเสนอว่าแสงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบอื่นๆ เคลื่อนที่ผ่านอวกาศเป็นคลื่นด้วยความเร็วคงที่เท่ากัน7 ไมโครเวฟในเตาไมโครเวฟในครัวของเรา แสงที่เราอ่านได้ รังสีเอกซ์ที่ช่วยให้แพทย์มองเห็นกระดูกที่หัก และรังสีแกมม่าที่ปล่อยออกมาจากการระเบิดของอะตอมล้วนแต่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกันเท่านั้น ความยาวคลื่นและความถี่ ยิ่งพลังงานรังสีมากเท่าใด ความยาวคลื่นก็จะสั้นลงและความถี่ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ประการอื่นก็เหมือนกันหมด

ในปี 1900 แม็กซ์พลังค์เสนอทฤษฎีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีพื้นฐานแตกต่างจากทฤษฎีก่อนหน้านี้ทั้งหมด ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่ให้ความร้อน เช่น แสงสีแดงของโลหะร้อน จะถูกปล่อยออกมาอย่างสม่ำเสมอและต่อเนื่อง สันนิษฐานว่ากระบวนการแผ่รังสีดำเนินต่อไปจนกระทั่งความร้อนทั้งหมดหายไปจนหมดและวัตถุกลับคืนสู่สภาพเดิม - และสิ่งนี้ได้รับการยืนยันอย่างสมบูรณ์โดยการทำให้โลหะที่ให้ความร้อนเย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง แต่พลังค์แสดงให้เห็นว่าสถานการณ์แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง พลังงานไม่ได้ถูกปล่อยออกมาในกระแสที่สม่ำเสมอและต่อเนื่อง แต่ถูกปล่อยออกมาในส่วนที่แยกจากกัน ราวกับว่าโลหะร้อนแดงทำให้ความร้อนหมดไป และพ่นกระแสอนุภาคร้อนเล็กๆ ออกมา

พลังค์เสนอทฤษฎีที่ว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นตัวแทนของรังสีเพียงส่วนเดียว เขาเรียกพวกมันว่า "ควอนตัม" และนั่นคือที่มาของกลศาสตร์ควอนตัม เนื่องจากรังสีใด ๆ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน (ความเร็วแสง) ความเร็วการเคลื่อนที่ของควอนตัมจึงต้องเท่ากัน และถึงแม้ว่าความเร็วของควอนตัมทั้งหมดจะเท่ากัน แต่ก็ไม่ได้มีพลังงานเท่ากันทั้งหมด พลังค์เสนอว่าพลังงานของควอนตัมแต่ละตัวนั้นแปรผันตามความถี่ของการแกว่งของมันเมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ เหมือนลูกบอลยางเล็กๆ ที่หดตัวและขยายตัวอย่างต่อเนื่องเมื่อมันบินไปตามวิถีของมัน ในช่วงที่มองเห็น ดวงตาของเราสามารถวัดความถี่ของการเต้นเป็นจังหวะของควอนตัมได้ และเราเรียกการวัดนี้ว่าสี เนื่องจากการแผ่พลังงานเชิงปริมาณทำให้วัตถุที่ได้รับความร้อนเล็กน้อยเริ่มเรืองแสงสีแดง จากนั้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น วัตถุก็เริ่มเปล่งสเปกตรัมสีอื่นที่สอดคล้องกับพลังงานและความถี่ที่สูงขึ้น ในท้ายที่สุด การแผ่รังสีของมันจะกลายเป็นส่วนผสมของความถี่ทั้งหมด ซึ่งเรารับรู้ได้ว่าเป็นสีขาวของวัตถุที่ร้อน

และที่นี่เราพบกับความขัดแย้ง - ทฤษฎีเดียวกับที่อธิบายแสงเป็นกระแสของอนุภาคที่เรียกว่าควอนตัมอธิบายพลังงานของแสงโดยใช้ความถี่พร้อมกัน (ดูรูปที่ 1) แต่ความถี่เกี่ยวข้องกับคลื่น ไม่ใช่อนุภาค นอกจากนี้เรารู้ว่าความเร็วแสงคงที่เสมอ แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าวัตถุที่เปล่งแสงหรือผู้สังเกตการณ์ตรวจจับแสงนั้นเคลื่อนที่เอง? ความเร็วของมันจะถูกบวกหรือลบออกจากความเร็วแสงหรือไม่? ตรรกะบอกเราว่าใช่ ควรบวกหรือลบ แต่ความเร็วแสงจะไม่คงที่! แรงกดดันที่แสงกระทำบนหางของดาวหางหรือบนกระจกในการทดลองของนิโคลส์-ฮัลล์หมายความว่ามีการเปลี่ยนแปลงในโมเมนตัม (หรือที่เรียกว่าโมเมนตัม) ของแสงเมื่อมันกระทบพื้นผิว ด้วยเหตุนี้เองที่วัตถุเคลื่อนที่ใด ๆ จะสร้างแรงกดดันต่อสิ่งกีดขวาง กระแสน้ำจากท่อส่งลูกบอลไปตามพื้นเนื่องจากน้ำมีมวล และมวลนี้มีความเร็วที่เปลี่ยนเป็นศูนย์ในขณะที่กระแสน้ำกระทบลูกบอล ในกรณีนี้ โมเมนตัมของน้ำจะถูกถ่ายโอนไปยังลูกบอลและลูกบอลจะกลิ้งกลับ คำจำกัดความของโมเมนตัม (โมเมนตัม) เป็นผลคูณของมวล (t) หรือน้ำหนักของวัตถุและความเร็วของการเคลื่อนที่ (v) หรือ mv กำหนดให้แสงที่กำลังเคลื่อนที่ต้องมีมวล อนุภาคของแสงที่มีลักษณะคล้ายคลื่นเหล่านี้มีมวล แม้ว่าจะไม่เหลือร่องรอยของวัสดุเหลืออยู่บนพื้นผิวที่แสงตกกระทบก็ตาม หลังจากที่แสง "ส่อง" ลงบนพื้นผิวแล้ว ก็จะไม่เหลือ "สิ่งสกปรก" เหลืออยู่ซึ่งสามารถทำความสะอาดได้ จนถึงขณะนี้ เรายังคงพยายามสร้างทฤษฎีที่เป็นเอกภาพซึ่งจะอธิบายปรากฏการณ์แสงและการแผ่รังสีอื่นๆ ได้อย่างสมบูรณ์

พร้อมกับการศึกษาธรรมชาติของพลังงานรังสี ได้มีการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของแสง ดูเหมือนสมเหตุสมผลว่าในแง่หนึ่งแล้ว เนื่องจากแสงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบอื่นๆ ถือเป็นคลื่น จึงจำเป็นต้องมีตัวกลางบางชนิดที่คลื่นเหล่านี้สามารถแพร่กระจายได้ เชื่อกันว่าคลื่นไม่สามารถแพร่กระจายในสุญญากาศได้ เช่นเดียวกับที่เสียงต้องการสสารที่เป็นวัตถุบางอย่าง เช่น อากาศ เพื่อส่งพลังงานคล้ายคลื่นของมัน แสงก็ดูเหมือนจะต้องใช้สสารพิเศษบางอย่างเพื่อแพร่กระจายมันฉันนั้น ครั้งหนึ่ง มีข้อเสนอแนะว่าจักรวาลควรเต็มไปด้วยสื่อที่มองไม่เห็นและไม่มีตัวตน ซึ่งรับประกันการถ่ายโอนพลังงานรังสีผ่านอวกาศรอบนอก - ตัวอย่างเช่นแสงและความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก ตัวกลางนี้เรียกว่าอีเทอร์ ซึ่งควรจะเติมเต็มแม้กระทั่งสุญญากาศในอวกาศ

สมมติฐานเกี่ยวกับการแพร่กระจายของแสงผ่านอีเธอร์ทำให้สามารถอธิบายความขัดแย้งของความคงที่ของความเร็วได้ ตามคำอธิบายนี้ แสงจะต้องเดินทางด้วยความเร็วคงที่ ไม่สัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดแสงหรือผู้สังเกตการณ์ แต่สัมพันธ์กับอีเธอร์ที่อยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่เคลื่อนที่ผ่านอีเทอร์ แสงสามารถเดินทางเร็วขึ้นหรือช้าลงได้ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับทิศทางของแสง แต่เมื่อเทียบกับอีเทอร์ที่อยู่นิ่ง ความเร็วของแสงจะต้องคงที่

ข้าว. 1.

เช่นเดียวกับการแพร่กระจายเสียง เสียงเดินทางผ่านอากาศนิ่งที่ระดับน้ำทะเลด้วยความเร็วคงที่ประมาณ 300 เมตรต่อวินาที ไม่ว่าแหล่งกำเนิดเสียงจะเคลื่อนที่หรือไม่ก็ตาม เสียงคล้ายระเบิดที่เครื่องบินทำขณะข้ามกำแพงกั้นเสียง จริงๆ แล้วเป็นผลจากการที่เครื่องบินชนคลื่นเสียงของตัวเองในขณะที่แซงหน้า โดยเดินทางด้วยความเร็วมากกว่า 300 เมตรต่อวินาที ในกรณีนี้ แหล่งกำเนิดเสียง ซึ่งก็คือเครื่องบิน กำลังเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงที่มันผลิต ธรรมชาติสองประการของแสงคือถ้าเราวางรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก ๆ ไว้บนเส้นทาง แสงจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นทะเลที่ลอดผ่านทางเข้าท่าเรือแคบ ๆ ทุกประการ ทั้งแสงและคลื่นทะเลที่ลอดผ่านรูนั้นก็แผ่กระจายเป็นวงกลมไปอีกด้านหนึ่งของหลุม ในทางกลับกัน หากแสงส่องไปที่พื้นผิวของโลหะบางชนิด มันก็จะมีพฤติกรรมเหมือนกระแสอนุภาคเล็กๆ ที่กระหน่ำโจมตีพื้นผิวนี้ แสงทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะทีละตัว ในลักษณะเดียวกับที่เม็ดเล็ก ๆ ที่กระทบกับเป้าหมายกระดาษจะฉีกเศษกระดาษออกมา หนึ่งเศษต่อหนึ่งเม็ด พลังงานของคลื่นแสงถูกกำหนดโดยความยาวของคลื่น พลังงานของอนุภาคแสงไม่ได้ถูกกำหนดโดยความเร็ว แต่โดยความถี่ที่อนุภาคของแสง - โฟตอน - เต้นเป็นจังหวะขณะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง

เมื่อนักวิทยาศาสตร์อภิปรายถึงคุณสมบัติของอีเทอร์ซึ่งยังไม่ได้ถูกค้นพบ ไม่มีใครสงสัยว่ากาลเวลาจะเชื่อมโยงกับการเคลื่อนที่ของแสง แต่การค้นพบนี้อยู่ใกล้แค่เอื้อม

ในปี พ.ศ. 2430 อัลเบิร์ต มิเชลสันและเอ็ดเวิร์ด มอร์ลีย์ตีพิมพ์ผลการทดลองสังเกตสิ่งที่ตามมาจากทฤษฎีอีเธอร์8 พวกเขาเปรียบเทียบเวลาทั้งหมดที่แสงใช้ในการเดินทางในระยะทางเดียวกันไปมาในสองทิศทาง - ขนานและตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของโลกในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ เนื่องจากโลกเคลื่อนที่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วประมาณ 30 กิโลเมตรต่อวินาที จึงสันนิษฐานว่ามันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันเมื่อเทียบกับอีเทอร์ หากการแผ่รังสีของแสงเป็นไปตามกฎเดียวกันกับที่ควบคุมคลื่นอื่นๆ ทั้งหมด การเคลื่อนที่ของโลกสัมพันธ์กับอีเทอร์น่าจะส่งผลต่อเวลาเดินทางของแสงที่วัดได้ในการทดลอง เอฟเฟกต์นี้ไม่ควรแตกต่างจากเอฟเฟกต์ของลมแรงที่พัดพาเสียงไป

ทุกคนต้องประหลาดใจเมื่อ Michelson และ Morley ไม่ได้บันทึกร่องรอยผลกระทบของความเร็วนี้ที่ 30 กิโลเมตรต่อวินาทีแม้แต่น้อย การทดลองครั้งแรกรวมถึงการทดลองเดียวกันในเวอร์ชันขั้นสูงทางเทคนิคที่ตามมานำไปสู่ข้อสรุปที่ไม่คาดคิดโดยสิ้นเชิง - การเคลื่อนที่ของโลกไม่ส่งผลต่อความเร็วแสง

สิ่งนี้ทำให้เกิดความสับสน ความเร็วแสง (c) อยู่ที่ 299,792.5 กิโลเมตรต่อวินาทีเสมอ ไม่ว่าแหล่งกำเนิดแสงหรือผู้สังเกตการณ์จะเคลื่อนที่หรืออยู่กับที่ก็ตาม นอกจากนี้ ลำแสงเดียวกันยังทำหน้าที่เป็นทั้งคลื่นและเป็นอนุภาค ขึ้นอยู่กับวิธีการสังเกต ราวกับว่าเรากำลังยืนอยู่บนท่าเรือและเฝ้าดูคลื่นที่ซัดเข้ามาจากมหาสมุทร และทันใดนั้น ในพริบตา ยอดคลื่นและร่องน้ำระหว่างคลื่นเหล่านั้นก็กลายเป็นกระแสน้ำทีละลูก เคลื่อนไหวเร้าใจในอากาศเหนือระดับน้ำทะเลมาก และทันใดนั้นลูกบอลก็หายไปและคลื่นก็จะปรากฏขึ้นอีกครั้ง

ในปี 1905 ท่ามกลางความสับสนนี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ปรากฏตัวบนเวทีทางวิทยาศาสตร์พร้อมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขา ในช่วงปีนั้น ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์บทความชุดหนึ่งที่เปลี่ยนแปลงความเข้าใจของมนุษยชาติเกี่ยวกับจักรวาลของเราไปอย่างสิ้นเชิง เมื่อห้าปีก่อน พลังค์ได้เสนอทฤษฎีควอนตัมของแสง ด้วยการใช้ทฤษฎีของพลังค์ ไอน์สไตน์สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่น่าสนใจได้ แสงที่ตกกระทบพื้นผิวของโลหะบางชนิดจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมา ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ไอน์สไตน์ตั้งสมมติฐานว่าเอฟเฟกต์ "โฟโตอิเล็กทริก" นี้เป็นผลมาจากควอนตัมแสง (โฟตอน) ที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม ปรากฎว่าโฟตอนมีมวลเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ (โปรดจำไว้ว่าพวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง c) แต่ "มวลนิ่ง" ของพวกมันเป็นศูนย์ โฟตอนที่กำลังเคลื่อนที่มีคุณสมบัติเหมือนอนุภาค ในทุกช่วงเวลา มันจะอยู่ที่จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศและมีมวลด้วย ดังนั้น ตามที่เคปเลอร์เคยแนะนำไว้ มันสามารถกระทำกับวัตถุวัตถุ เช่น หางของดาวหาง ในขณะเดียวกันก็มีคุณสมบัติของคลื่น - มีลักษณะเฉพาะด้วยความถี่การสั่นที่เป็นสัดส่วนกับพลังงานของมัน ปรากฎว่าสสารและพลังงานมีความเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิดในโฟตอน ไอน์สไตน์ค้นพบความเชื่อมโยงนี้และตั้งสมการดังกล่าวขึ้นเป็นสมการที่เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย ไอน์สไตน์สรุปว่าสมการนี้ใช้ได้กับมวลและพลังงานทุกรูปแบบ ข้อกำหนดเหล่านี้กลายเป็นพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

การรับรู้แนวคิดเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องง่ายและต้องใช้ความพยายามอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ลองหาวัตถุบางอย่าง มวล (สิ่งที่เรามักเรียกว่า "น้ำหนัก") ของวัตถุที่อยู่นิ่ง ในแง่วิทยาศาสตร์เรียกว่า มวลนิ่ง ตอนนี้เรามาผลักดันวัตถุนี้กันอย่างแรง มันจะเริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร็วหนึ่งและผลที่ได้ก็คือจะได้รับพลังงานจลน์ ยิ่งความเร็วของมันยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น แต่เนื่องจาก e ใน E=mc2 หมายถึงพลังงานทุกรูปแบบ พลังงานรวมของวัตถุจึงเป็นผลรวมของพลังงานนิ่ง (สัมพันธ์กับมวลนิ่ง) และพลังงานจลน์ (พลังงานของการเคลื่อนที่) กล่าวอีกนัยหนึ่ง สมการของไอน์สไตน์กำหนดให้มวลของวัตถุเพิ่มขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น

ดังนั้น ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ มวลของวัตถุจะเปลี่ยนไปตามความเร็วที่เปลี่ยนแปลง ที่ความเร็วต่ำ มวลของวัตถุแทบไม่ต่างจากมวลที่เหลือ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมคำอธิบายกฎธรรมชาติของนิวตันจึงค่อนข้างแม่นยำในกิจกรรมประจำวันของเรา แต่สำหรับกาแลคซีที่เร่งความเร็วในอวกาศ หรืออนุภาคย่อยของอะตอมในตัวเร่งปฏิกิริยา สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ในทั้งสองกรณี ความเร็วของวัตถุเหล่านี้อาจเป็นเศษส่วนอย่างมากของความเร็วแสง ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงมวลของวัตถุจึงมีความสำคัญมาก

การแลกเปลี่ยนระหว่างมวลและพลังงานนี้ได้รับการกล่าวถึงอย่างคมคายโดยทั้ง Steven Weinberg ในหนังสือของเขา The First Three Minutes และ Nachmanides ในคำอธิบายของเขาเกี่ยวกับ Genesis พวกเขาทั้งสองพูดถึงความเป็นทวินิยมระหว่างมวลและพลังงานเมื่อบรรยายถึงนาทีแรกของชีวิตของจักรวาล

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมีพื้นฐานอยู่บนสมมติฐานสองข้อ: หลักการสัมพัทธภาพและความคงตัวของความเร็วแสง หลักการสัมพัทธภาพซึ่งกาลิเลโอ กาลิเลอีตั้งไว้เมื่อ 300 ปีที่แล้ว ได้รับการขัดเกลาโดยไอน์สไตน์ หลักการนี้ระบุว่ากฎของฟิสิกส์ทั้งหมด (ซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่ากฎของธรรมชาติ) ทำหน้าที่อย่างเท่าเทียมกันในทุกระบบที่เคลื่อนที่โดยไม่มีความเร่ง กล่าวคือ สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ในภาษาของนักฟิสิกส์ ระบบดังกล่าวเรียกว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อย

กรอบอ้างอิงจะกำหนดความสัมพันธ์ของผู้สังเกตการณ์กับโลกภายนอก หลักการสัมพัทธภาพบอกเราว่าเมื่ออยู่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย เราไม่สามารถระบุได้ว่าระบบกำลังเคลื่อนที่หรือไม่ โดยใช้กฎของฟิสิกส์ เนื่องจากการเคลื่อนที่ของมันจะไม่ส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์ของการวัดที่เกิดขึ้นภายในระบบในทางใดทางหนึ่ง . นี่คือสาเหตุที่เราไม่รู้สึกเคลื่อนไหวเมื่อเราบินด้วยความเร็วคงที่ในสภาพอากาศสงบ แต่ขณะโยกอยู่บนเก้าอี้โยก เราพบว่าตัวเองอยู่ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย เนื่องจากความเร็วและทิศทางการเคลื่อนไหวของเก้าอี้โยกเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เราจึงสัมผัสได้ถึงการเคลื่อนไหวของเรา

เราทุกคนต่างเคยพบตัวอย่างความเป็นไปไม่ได้ที่จะวัดการเคลื่อนที่สัมบูรณ์ เช่น เรากำลังยืนอยู่หน้าไฟจราจร และรถคันหน้าเริ่มที่จะเคลื่อนตัวถอยหลังอย่างช้าๆ หรือเรากำลังก้าวไปข้างหน้า? ในตอนแรกเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจว่าใครกำลังเคลื่อนไหวอยู่ รถไฟของเราเริ่มเคลื่อนตัวไปตามชานชาลาอย่างช้าๆและราบรื่น ตื่นจากการหลับใหลเราสังเกตว่ารถไฟที่ยืนอยู่บนรางที่อยู่ติดกันเริ่มเคลื่อนตัวถอยหลังช้าๆ หรืออย่างน้อยก็ดูเหมือนว่าเราจะเป็นเช่นนั้น จนกว่ากรอบอ้างอิงของเรา - รถยนต์หรือรถไฟของเรา - เริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (เลิกเป็นกรอบเฉื่อย) ก็ไม่ชัดเจนว่าสิ่งใดกำลังเคลื่อนที่และสิ่งใดอยู่นิ่ง

อาจดูเหมือนมีข้อขัดแย้งกัน ไอน์สไตน์สอนเราว่ามวลของวัตถุเป็นหน้าที่ของความเร็ว และตอนนี้เราอ้างว่าเราไม่สามารถระบุการเคลื่อนที่ด้วยการวัดว่ามวลเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรภายใต้อิทธิพลของมัน แต่มีความแตกต่างที่ลึกซึ้งมากที่นี่ ภายในกรอบอ้างอิงเฉื่อย ปริมาณทั้งหมดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อวัดจากระบบอ้างอิงอื่นซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กับระบบแรก ค่าขนาดและมวลจะเปลี่ยนไป หากทุกส่วนของจักรวาลเคลื่อนที่อย่างเท่าเทียมกันและสม่ำเสมอ ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะไม่เกี่ยวข้องกับหัวข้อที่เราศึกษาเลย แต่นี่ไม่ใช่กรณี เป็นความสามารถในการสังเกตเหตุการณ์เดียวกันจากกรอบอ้างอิงที่แตกต่างกันซึ่งมีบทบาทสำคัญในการวิเคราะห์จักรวาลวิทยาตามพระคัมภีร์ที่เราดำเนินการ

องค์ประกอบที่สองของรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นเข้าใจได้ยากยิ่งขึ้น บางคนอาจบอกว่าเขาไม่สามารถเข้าใจได้จนถึงที่สุด เขากล่าวว่าความเร็วแสง c เป็นปริมาณคงที่ (c = 2.997925 x 108 เมตรต่อวินาทีในสุญญากาศ - เสมอ) และเท่ากันในกรอบอ้างอิงทั้งหมด ข้อเท็จจริงนี้เปิดเผยจากผลการทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์ หากคุณนึกถึงความหมายของข้อความนี้ คุณจะรู้สึกซาบซึ้งในความกล้าของมัน ไอน์สไตน์รับหน้าที่ประกาศว่า ไม่ว่าผู้สังเกตการณ์จะเคลื่อนที่ไปทางหรือออกจากแหล่งกำเนิดแสงด้วยความเร็วเท่าใด ความเร็วแสงจะยังคงเท่ากับ c เท่าเดิม ไม่มีการเคลื่อนไหวรูปแบบอื่น (เช่น คลื่นเสียง) ที่มีคุณสมบัตินี้ นี่ดูเหมือนไร้เหตุผลอย่างมาก

หากผู้ขว้างขว้างลูกบอลให้ผู้จับด้วยความเร็ว 90 ไมล์ต่อชั่วโมง ผู้จับจะเห็นว่าลูกบอลเข้ามาหาเขาด้วยความเร็ว 90 ไมล์ต่อชั่วโมง ตอนนี้ หากตรงกันข้ามกับกฎทั้งหมด ผู้จับวิ่งไปหาผู้ขว้างด้วยความเร็ว 20 ไมล์ต่อชั่วโมง ความเร็วของลูกบอลสัมพันธ์กับผู้จับจะเป็น 110 ไมล์ต่อชั่วโมง (90 + 20) ความเร็วของลูกบอลสัมพันธ์กับผู้ขว้างจะเท่าเดิม 90 ไมล์ต่อชั่วโมง ครั้งต่อไป แทนที่จะขว้างลูกบอล ผู้ขว้างจะแสดงรูปลูกบอลให้ผู้จับเห็น มันเคลื่อนที่เข้าหาตัวจับด้วยความเร็วแสง (c) ซึ่งก็คือประมาณ 300 ล้านเมตรต่อวินาที ในทางกลับกันผู้จับด้วยเท้าอย่างรวดเร็วก็รีบวิ่งไปหาเหยือกด้วยความเร็วเท่ากับหนึ่งในสิบของความเร็วแสงนั่นคือ 30 ล้านเมตรต่อวินาที แล้วผู้จับของเราคนนี้จะเห็นอะไร? ภาพลูกบอลเข้าใกล้เขาด้วยความเร็ว 330 ล้านเมตรต่อวินาที? เลขที่! นี่เป็นความขัดแย้งของแสงอย่างแท้จริง ทำให้เกิดความสับสน น่ารำคาญ บางครั้งก็ทำให้โกรธเคือง แต่ในขณะเดียวกันก็ปลดปล่อยเรา

ผู้จับมองเห็นภาพของลูกบอลที่กำลังเข้ามาใกล้เขาด้วยความเร็วแสง 300 ล้านเมตรต่อวินาที แม้ว่าเขาจะวิ่งไปหามันก็ตาม และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มความเร็วของตัวเองเป็นความเร็วแสง แสงไม่ว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตสัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดแสงจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว c เสมอ เสมอ. และความเร็วของการเคลื่อนที่ของลูกบอลที่เหยือกยืนนิ่งบันทึกคืออะไร? ถูกต้องแล้วเช่นกัน ผู้สังเกตการณ์สองคน คนหนึ่งเคลื่อนที่และอีกคนยืนนิ่ง บันทึกความเร็วแสงเท่ากันได้อย่างไร ตรรกะและสามัญสำนึกบอกว่านี่เป็นไปไม่ได้ แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกว่านี่คือความจริง และความเป็นจริงนี้ได้รับการยืนยันในการทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์

ผู้สังเกตการณ์ทั้งสองลงทะเบียนด้วยความเร็วแสงเท่ากัน เนื่องจากข้อเท็จจริงของการเปลี่ยนแปลงของมวล พื้นที่ และเวลา ไม่ว่าจะดูเข้าใจยากเพียงใด ก็เป็นกฎพื้นฐานของกลศาสตร์สัมพัทธภาพและจักรวาลที่เราอาศัยอยู่ กฎหมายที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไม่มีสิ่งใดเกิดขึ้นภายในระบบที่กำหนดซึ่งดูเหมือนไร้สาระ ผู้ที่อยู่ในนั้นไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ แต่เมื่อสังเกตระบบอื่นที่เคลื่อนที่ผ่านเรา เราจะเห็นว่าขนาดของวัตถุตามทิศทางการเคลื่อนที่ลดลงเมื่อเทียบกับขนาดเดียวกันของวัตถุเมื่อมันหยุดนิ่ง ยิ่งกว่านั้น นาฬิกาที่แสดงเวลาที่แน่นอนเมื่อนาฬิกาหยุดนิ่ง กำลังเคลื่อนที่ เริ่มล้าหลังนาฬิกา “ขณะพัก” ในกรอบอ้างอิงของเรา

การรวมกันของความคงที่ของความเร็วแสงและหลักสัมพัทธภาพย่อมนำไปสู่การขยายเวลาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การขยายเวลาสามารถแสดงให้เห็นได้โดยใช้การทดลองทางความคิดที่คล้ายคลึงกับการทดลองที่ไอน์สไตน์ใช้เมื่อเขาพัฒนาหลักการพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพ ตัวอย่างของการทดลองทางความคิดดังกล่าวมอบให้โดยเทย์เลอร์และวีลเลอร์ในหนังสือคลาสสิกเรื่อง "ฟิสิกส์ของอวกาศและเวลา"0

ลองพิจารณาระบบอ้างอิงสองระบบ ระบบแรกเป็นแบบหยุดนิ่ง และอีกระบบหนึ่งกำลังเคลื่อนที่ ระบบเครื่องเขียนคือห้องปฏิบัติการทางกายภาพทั่วไป ระบบที่สองคือจรวดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง โปร่งใสอย่างสมบูรณ์และซึมผ่านได้ ภายในมีลูกเรือประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ที่โปร่งใสและซึมผ่านได้อย่างแน่นอน เนื่องจากความโปร่งใสและการซึมผ่านของจรวด จรวดจึงสามารถผ่านห้องปฏิบัติการของเราได้โดยไม่ต้องมีปฏิสัมพันธ์กับมันและเนื้อหาในนั้น ในห้องปฏิบัติการ จากจุด A (รูปที่ 2) แสงวาบเกิดขึ้นซึ่งเคลื่อนในแนวทแยงไปยังกระจกซึ่งอยู่ที่จุด M แสงที่สะท้อนจากกระจกก็ส่องผ่านแนวทแยงไปยังจุด B เช่นกัน เวลาที่จรวดมาถึง ไปยังห้องปฏิบัติการจะถูกกำหนดในลักษณะที่ ณ จุดวาบไฟ A ของจรวดตรงกับจุด A ของห้องปฏิบัติการ ให้ความเร็วของจรวดเป็นไปตามที่จุด A ของจรวดตรงกับจุด B ของห้องปฏิบัติการในช่วงเวลาที่แน่นอนเมื่อแสงวาบถึงจุด B สำหรับผู้สังเกตการณ์ในจรวดจะปรากฏว่าแสงที่ส่งมาจากจุด A บนจรวดจะผ่านตรงไปยังจุด B M แล้วย้อนกลับไปยังจุด A ของจรวด เนื่องจากความเร็วของจรวดคงที่ (เป็นระบบเฉื่อย) คนในจรวดจึงไม่รู้ว่ากำลังเคลื่อนที่

ระยะทางที่แสงเดินทางตามที่ผู้โดยสารจรวดรับรู้คือ 2 ปี (จากจุด A ไปยังจุด M และด้านหลัง) เส้นทางแสงเดียวกันที่ผู้อยู่ในห้องปฏิบัติการมองเห็นได้คือผลรวมของทั้งสองด้านของสามเหลี่ยม - จากจุด A ถึงจุด M และจากจุด M ถึงจุด B แน่นอนว่าเส้นทางนี้จะต้องมากกว่าเส้นทางที่มองเห็นได้ ผู้โดยสารของจรวด เราสามารถคำนวณความแตกต่างระหว่างพวกมันได้อย่างแม่นยำโดยใช้ทฤษฎีบทพีทาโกรัส ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าเส้นทางแสงที่สังเกตจากจรวดนั้นสั้นกว่าเส้นทางแสงที่สังเกตได้จากห้องปฏิบัติการ

ข้าว. 2.

ให้เราจำไว้ว่าความเร็วแสงทั้งสองระบบเท่ากัน นี่เป็นหนึ่งในหลักการพื้นฐานที่มั่นคงของทฤษฎีสัมพัทธภาพ เป็นที่ทราบกันว่าในทุกกรณี เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่จะเท่ากับระยะทางที่เดินทางหารด้วยความเร็วของการเคลื่อนที่ เวลาที่ต้องเดินทาง 100 ไมล์ที่ 50 ไมล์ต่อชั่วโมงคือสองชั่วโมง เนื่องจากความเร็วแสงสำหรับทั้งนักวิทยาศาสตร์ในห้องปฏิบัติการและสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่เคลื่อนที่ในจรวดนั้นเท่ากับ c เท่ากัน และระยะทางที่แสงเดินทางในห้องปฏิบัติการนั้นมากกว่าระยะทางที่แสงเดินทางได้ในจรวด ซึ่งเป็นช่วงเวลาระหว่าง แฟลชควรมีแสงที่จุด A และการมาถึงของแสงที่จุด B ในห้องปฏิบัติการมากกว่าในจรวด

มีเหตุการณ์เดียวเกิดขึ้น มีแสงวาบเพียงแวบเดียว และแสงที่สังเกตได้ในสองกรอบอ้างอิงก็เสร็จสิ้นการเดินทางเพียงครั้งเดียว อย่างไรก็ตาม ระยะเวลาของเหตุการณ์นี้จะแตกต่างกันเมื่อวัดในกรอบอ้างอิงสองกรอบที่แตกต่างกัน

ความแตกต่างของเวลาที่วัดได้นี้เรียกว่าการขยายเวลาเชิงสัมพันธ์ และการขยายนี้เองที่ทำให้วันแห่งการสร้างสรรค์หกวันสอดคล้องกับจักรวาลวิทยา 15 พันล้านปีอย่างน่าเชื่อ

แนวคิดที่เป็นรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือการพัฒนาแนวคิดจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ แต่มีความซับซ้อนมากกว่า แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจะเกี่ยวข้องกับระบบเฉื่อย ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเกี่ยวข้องกับทั้งระบบเฉื่อยและไม่เฉื่อย (เร่ง) ในระบบไม่เฉื่อย แรงภายนอก เช่น แรงโน้มถ่วง มีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุ สมบัติสัมพัทธภาพพิเศษของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับปัญหาที่เรากำลังศึกษาอยู่ก็คือ แรงโน้มถ่วง - เช่นเดียวกับความเร็ว - ทำให้เกิดการขยายเวลา นาฬิกาดวงเดียวกันบนดวงจันทร์วิ่งเร็วกว่าบนโลกเพราะแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์อ่อนกว่า ดังที่เราจะได้เห็น แรงโน้มถ่วงมีบทบาทสำคัญในการคืนดีระหว่างการสร้างสรรค์และบิกแบง

แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงนั้นสัมผัสได้ในลักษณะเดียวกับแรงที่ทำให้เกิดความเร่งทุกประการ ตัวอย่างเช่น ในลิฟต์ที่กำลังขึ้น เรารู้สึกถึงแรงที่พื้นกดลงบนเท้าของเรา เธอผลักเราขึ้นพร้อมกับลิฟต์จริงๆ สิ่งนี้ถูกมองว่าเป็นแรงที่เรารู้สึกได้เมื่อยืนอยู่ในลิฟต์ที่อยู่กับที่ หากแรงดึงโน้มถ่วงของโลกเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน ไอน์สไตน์ให้เหตุผลว่า เนื่องจากแรงโน้มถ่วงถูกมองว่าเหมือนกับแรงอื่นๆ ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ จึงควรให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกัน เนื่องจากแรงเร่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่และการขยายเวลา การเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงจึงควรทำให้เกิดการขยายเวลาด้วย

เนื่องจากแง่มุมการขยายเวลาของทฤษฎีสัมพัทธภาพมีความสำคัญมากต่อปัญหาในการรวมปฏิทินจักรวาลวิทยาและปฏิทินในพระคัมภีร์เข้าด้วยกัน จึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องแสดงให้เห็นว่าการขยายเวลามีอยู่จริง ท้ายที่สุดแล้ว การเปลี่ยนแปลงเชิงสัมพัทธภาพจะสังเกตเห็นได้เฉพาะในกรณีที่ความเร็วสัมพัทธ์เข้าใกล้ความเร็วแสงเท่านั้น แม้จะอยู่ที่ 30 ล้านเมตรต่อวินาที หนึ่งในสิบของความเร็วแสง แต่การขยายเวลายังน้อยกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์

ความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสงนั้นหาได้ยากในชีวิตประจำวัน แต่พบได้ทั่วไปในจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์พลังงานสูง อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าความเป็นไปได้ที่แท้จริงของการวัดการขยายเวลาไม่ได้ทำให้แนวคิดนี้เข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับความเข้าใจ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถย้ายมันจากหมวดหมู่ของแนวคิดทางทฤษฎีล้วนๆ ไปสู่ขอบเขตของข้อเท็จจริงเชิงประจักษ์ กิจกรรมของมนุษย์ที่หลากหลาย ตั้งแต่การทดลองในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลังงานสูง ไปจนถึงเที่ยวบินปกติของสายการบินเชิงพาณิชย์ ช่วยให้เราสามารถสาธิตการขยายเวลาได้

อนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการทดลองในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์คือมิวมีซอน มีครึ่งชีวิตหนึ่งไมโครวินาทีครึ่ง อย่างไรก็ตาม มูซอนมีซอนไม่เพียงปรากฏเฉพาะในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลังงานสูงเท่านั้น แต่ยังปรากฏอยู่ในชั้นบนของชั้นบรรยากาศของโลกด้วย เมื่อรังสีคอสมิกชนกับนิวเคลียสของอะตอมก๊าซในชั้นบรรยากาศ เนื่องจากพลังงานของรังสีคอสมิกสูงมาก มิวมีซอน ณ เวลาที่ก่อตัวจึงมีความเร็วเกือบเท่ากับความเร็วแสง ที่ความเร็วสูงเช่นนี้ การขยายเวลาจะเกิดขึ้นซึ่งสามารถวัดได้ แม้ว่าจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสง แต่ก็ต้องใช้เวลา 200 ไมโครวินาทีในการเดินทาง 60 กิโลเมตรจากชั้นบรรยากาศที่พวกมันกำเนิดขึ้นสู่พื้นผิวโลก เนื่องจากมิวมีซอนมีครึ่งชีวิต 1.5 ไมโครวินาที ระยะเวลาการขนส่ง 200 ไมโครวินาทีจึงครอบคลุม 133 ครึ่งชีวิตของมัน ขอให้เราจำไว้ว่าในแต่ละครึ่งช่วงนั้น ครึ่งหนึ่งของอนุภาคที่เหลือจะสลายตัว หลังจากผ่านไปครึ่งรอบ 133 รอบ เศษส่วนของมิว-มีซอนที่จะรอดและไปถึงพื้นผิวโลกจะเท่ากับ "/2 x 1/2 x "/2 และต่อๆ ไป 133 เท่า ซึ่งเป็นหนึ่งในล้านของหนึ่งในล้าน หนึ่งในพันล้านของจำนวน mu-meson ที่เริ่มต้นการเดินทางสู่พื้นผิวโลก จำนวนนี้น้อยมากจนแทบไม่มีเมซอนของมิวมาถึงโลกเลย ส่วนใหญ่จะพังทลายไประหว่างทาง อย่างไรก็ตาม หากเราเปรียบเทียบจำนวนมิวซอนที่เกิดขึ้นในบรรยากาศชั้นบนกับจำนวนมิวซอนที่มาถึงพื้นผิวโลก เราก็ต้องประหลาดใจที่พบว่า "/8 ของจำนวนเริ่มต้นของพวกมันไปถึงจุดหมายปลายทางได้สำเร็จ" 1/8 มิวออนหมายความว่าในระหว่างการเดินทาง 60 กม. มีเพียงสามช่วงครึ่งเท่านั้นที่จะเสร็จสิ้น ดังนั้น สำหรับมิวมีซอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสง เวลาที่ผ่านไป (เชิงสัมพันธ์) มีเพียงสามครึ่งรอบเท่านั้น - 4.5 ไมโครวินาที (3 x 1.5 ไมโครวินาที) สำหรับผู้สังเกตการณ์บนพื้นผิวโลก เวลาผ่านไปอย่างน้อย 200 ไมโครวินาที ซึ่งเป็นเวลาขั้นต่ำที่ต้องใช้ในการเดินทาง 60 กิโลเมตรจากชั้นบรรยากาศชั้นบนสู่พื้นผิว และเหตุการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่แตกต่างกันสองแห่ง ช่วงเวลา - 4.5 ไมโครวินาทีในกรอบอ้างอิงของ mu-meson ที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและ 200 ไมโครวินาทีในกรอบอ้างอิงของผู้สังเกตการณ์ที่ยืนอยู่บนพื้นผิว ให้เราจำอีกครั้งว่าเรากำลังพูดถึงเหตุการณ์หนึ่ง แต่เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าผู้สังเกตการณ์และวัตถุที่สังเกตมีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กัน สำหรับเหตุการณ์หนึ่งนี้จึงมีช่วงเวลาที่แตกต่างกันสองช่วง และทั้งสองก็เป็นจริงอย่างแน่นอน!

แต่มิวมีซอนเป็นอนุภาคที่ค่อนข้างแปลก และผู้ขี้ระแวงอาจหัวเราะเบา ๆ และส่ายหัวด้วยความไม่เชื่อ ท้ายที่สุดแล้ว ไม่มีผู้สังเกตการณ์คนใดสามารถเดินทางร่วมกับมิวออนได้ เราพึ่งพาเพียงครึ่งชีวิตของพวกเขาเหมือนกับนาฬิกาที่เคลื่อนไปพร้อมกับพวกเขา

แล้วนาฬิกาของจริงกับคนที่เคลื่อนไหวตามนั้นและวัดการขยายเวลาด้วยวิธีที่ตรงที่สุดล่ะ? นี่จะดูน่าเชื่อถือมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และนี่คือสิ่งที่รายงานไว้ในวารสาร Science อันทรงเกียรติ โดย Hafele และ Keating12 จากมหาวิทยาลัย Washington และ US Naval Laboratory พวกเขาส่งนาฬิกาซีเซียมสี่ชุดบนเครื่องบินโบอิ้ง 707 และเครื่องบินคองคอร์ดที่ TWA และ Pan Am เป็นเจ้าของ และทำการบินเชิงพาณิชย์เป็นประจำทั่วโลก นาฬิกาเหล่านี้ถูกเลือกเนื่องจากมีความแม่นยำอย่างยิ่ง

โลกหมุนจากตะวันตกไปตะวันออก หากเรามองโลกจากอวกาศในขณะที่อยู่เหนือขั้วโลกเหนือ เราจะเห็นว่าเมื่อบินไปทางทิศตะวันออก ความเร็วของเครื่องบินจะถูกบวกเข้ากับความเร็วของโลก ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายไว้ นาฬิกาบนเครื่องบินอยู่หลังนาฬิกาเรือนเดียวกันซึ่งตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการกองทัพเรือสหรัฐฯ ในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. (นาฬิกาทั้งหมดที่ใช้ในการทดลองนี้จัดทำโดยห้องปฏิบัติการ) เมื่อบินไปทางตะวันตก ความเร็วของเครื่องบินจะถูกลบออกจากความเร็วการหมุนของโลก และนาฬิกาบนเครื่องบินลำนี้ได้เคลื่อนไปข้างหน้าตามข้อตกลงอย่างสมบูรณ์กับทฤษฎีสัมพัทธภาพ ตามคำกล่าวของเฮเฟเลและคีทติ้ง “ในทางวิทยาศาสตร์ ข้อเท็จจริงเชิงประจักษ์ที่เกี่ยวข้องมีพลังมากกว่าข้อโต้แย้งเชิงทฤษฎี ผลลัพธ์เหล่านี้ให้วิธีแก้ปัญหาเชิงประจักษ์ที่ชัดเจนแก่ความขัดแย้งของนาฬิกาอันโด่งดัง"3

ไม่เพียงแต่การรับรู้ของเวลาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเวลาที่ผ่านไปตามจริงด้วย โดยขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ของผู้สังเกตการณ์ด้วย ภายในกรอบอ้างอิงใดๆ ทุกอย่างดูค่อนข้างปกติ แต่เมื่อทั้งสองระบบถูกแยกออกจากกันก่อน จากนั้นจึงเชื่อมต่ออีกครั้ง และเปรียบเทียบการอ่านค่าของนาฬิกา เวลาที่ผ่านไปในระบบเหล่านั้นจะแตกต่างออกไป ("อายุจริง")

ลักษณะที่น่าสนใจเป็นพิเศษของการทดลองการขยายเวลาของเฮเฟเล-คีทติ้งก็คือ การทดลองทั้งแบบพิเศษและแบบสัมพัทธภาพทั่วไป ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความแตกต่างในความแรงของแรงโน้มถ่วงส่งผลต่อระยะเวลาในลักษณะเดียวกับความแตกต่างของความเร็วสัมพัทธ์ ตามที่สมมุติฐานโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ผลของสนามโน้มถ่วงต่อวัตถุใดๆ จะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุ เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นสองเท่า แรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงจะลดลงสี่เท่า ยิ่งวัตถุอยู่ห่างจากโลกมากเท่าใด แรงดึงดูดของโลกต่อวัตถุนั้นก็จะยิ่งอ่อนลงเท่านั้น เนื่องจากเครื่องบินที่ทำการบินอยู่สูงเหนือพื้นผิวโลก (ระดับความสูงการบินโดยทั่วไปของโบอิ้ง 707 คือ 10 กม. และเครื่องบินคองคอร์ดอยู่ที่ 20 กม.) ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของโลกบนนาฬิกาบนเครื่องบินจึงแตกต่างจากผลกระทบต่อ นาฬิกาที่อยู่บนพื้นผิวโลกในห้องทดลองของกองทัพเรือ การเปลี่ยนแปลงของเวลานาฬิกาที่บันทึกไว้ในการทดลองสอดคล้องกับการทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (ซึ่งคำนึงถึงอิทธิพลของทั้งการเคลื่อนที่และแรงโน้มถ่วง)

การทดลองนี้เช่นเดียวกับการทดลองอื่นๆ พิสูจน์ให้เห็นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไปของไอน์สไตน์บรรยายลักษณะที่แท้จริงของจักรวาลของเราได้อย่างถูกต้อง สัมพัทธภาพไม่ใช่ทฤษฎีที่บริสุทธิ์อีกต่อไป ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นข้อเท็จจริงที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและผ่านการพิสูจน์เชิงประจักษ์แล้ว กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้กลายเป็นกฎแห่งสัมพัทธภาพ

และบัดนี้ ตามกฎนี้ซึ่งพิสูจน์โดยวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอย่างหนึ่งที่อธิบายจักรวาล เราสามารถอภิปรายต่อไปเกี่ยวกับหกวันแรกของการทรงสร้าง - ช่วงเวลาที่วิทยาศาสตร์ธรรมชาติและเทววิทยาขัดแย้งกันเมื่อมองแวบแรก

ขอให้เราพิจารณาการเปลี่ยนแปลงในความสัมพันธ์ระหว่างผู้สร้าง จักรวาล และมนุษย์ที่เกิดขึ้นตั้งแต่วินาทีนั้นที่เราเรียกว่า "จุดเริ่มต้น" ในเวลาเดียวกัน เราไม่ควรมองข้ามช่วงเวลาหนึ่งที่สามารถบันทึกความแตกต่างในช่วงเวลาที่ผ่านไปได้ก็ต่อเมื่อเราเปรียบเทียบการสังเกตเหตุการณ์เดียวกันจากระบบอ้างอิงสองระบบที่แตกต่างกัน แต่นี่ยังไม่เพียงพอ - จำเป็นด้วยที่แรงโน้มถ่วงในระบบอ้างอิงทั้งสองนี้แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญหรือความเร็วสัมพัทธ์ของการเคลื่อนที่เข้าใกล้ 300 ล้านเมตรต่อวินาทีนั่นคือความเร็วแสง ภายในแต่ละระบบ โดยไม่คำนึงถึงความเร็วสัมพัทธ์หรือแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมัน ทุกอย่างเกิดขึ้นตามกฎของนิวตัน กล่าวคือ ทุกอย่างดูเป็นปกติและมีเหตุผล เช่นเดียวกับที่นี่บนโลก แม้ว่าเราจะเร่งรีบผ่านอวกาศที่มีความเร็วสูงก็ตาม

ผู้สร้างมีและยังคงมีความสนใจในการสร้างจักรวาลอยู่บ้าง เราสามารถสรุปสิ่งนี้ได้โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าจักรวาลมีอยู่จริง อย่างไรก็ตามเราไม่ทราบว่าดอกเบี้ยนี้คืออะไร อย่างไรก็ตาม เราสามารถพบเบาะแสบางอย่างเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้โดยการวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ระหว่างผู้สร้างและจักรวาลตลอดระยะเวลาของการกำเนิดและการดำรงอยู่ของมัน เทววิทยาดั้งเดิมถือว่าหากผู้สร้างปรารถนาที่จะสร้างจักรวาลในคราวเดียว พระองค์ก็จะทรงทำเช่นนั้น แต่จากเรื่องราวในพระคัมภีร์ก็ชัดเจนว่าแผนการของเขาไม่ใช่การสร้างจักรวาลที่ก่อตัวขึ้นอย่างสมบูรณ์ด้วยการกระทำเพียงครั้งเดียว ด้วยเหตุผลบางประการ จึงเลือกวิธีการพัฒนาแบบค่อยเป็นค่อยไป และสองบทแรกของหนังสือ "ปฐมกาล" อุทิศให้กับคำอธิบายของการกำเนิดจักรวาลทีละขั้นตอนอย่างแม่นยำ

หากเราเล่นตามกฎตามที่จักรวาลดำเนินอยู่ในปัจจุบัน - และกฎเหล่านี้เป็นกฎทางกายภาพที่เรารู้จัก - ดังนั้นการพัฒนาอย่างค่อยเป็นค่อยไปของจักรวาลจากสสารหลักที่มีอยู่ในช่วงเวลาของบิกแบงจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการเกิดขึ้น ของมนุษย์ แต่ตัวโลกเองและทุกสิ่งที่มีอยู่บนโลกนั้นไม่ใช่ผลผลิตโดยตรงจากบิกแบง เราได้รับการบอกเล่าอย่างชัดเจนว่าในช่วงแรกเริ่มโลกไม่มีรูปร่างและว่างเปล่า หรือในภาษาฮีบรู gohu และ bohu นักฟิสิกส์อนุภาคนิวเคลียร์ชั้นนำในปัจจุบันเรียก T และ B (tohu และ bohu) ว่าเป็น "อิฐ" ดั้งเดิมสองก้อนที่ใช้สร้างสสารทั้งหมด พลังของบิ๊กแบงบีบอัด GiB เหล่านี้ให้เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมอย่างแท้จริง - ในขณะนั้นแทบไม่มีองค์ประกอบอื่นใดเกิดขึ้นเลย และมีเพียงการเล่นแร่แปรธาตุของจักรวาลเท่านั้นที่สร้างองค์ประกอบอื่น ๆ ทั้งหมดจากไฮโดรเจนและฮีเลียมในยุคดึกดำบรรพ์เหล่านี้

โลกและระบบสุริยะทั้งหมดเป็นความสับสนวุ่นวายของสสารที่มาถึงเราหลังจากการอัดแน่นยิ่งยวดในระดับความลึกของดวงดาวนับไม่ถ้วน แรงกดดันนี้อัดไฮโดรเจนและฮีเลียมไว้แน่นจนนิวเคลียสของพวกมันเชื่อมกันและแยกออกจากกันอีกครั้ง ก่อให้เกิดธาตุที่หนักกว่า เช่น คาร์บอน (ซึ่งเป็นสสารแห่งชีวิตอย่างแท้จริง) เหล็ก ยูเรเนียม และธาตุอีก 89 ธาตุที่ประกอบกันเป็นจักรวาล จากนั้นดวงดาวก็ระเบิดและพ่นองค์ประกอบที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ออกไปสู่จักรวาล ซึ่งดูดซับพวกมันอย่างตะกละตะกลาม และใช้พวกมันเพื่อสร้างดาวดวงอื่น การกำเนิดของดวงดาวและการตายของพวกมันจำเป็นต่อการเปลี่ยนไฮโดรเจนและฮีเลียมที่เกิดขึ้นในช่วงแรกหลังบิ๊กแบงให้เป็นองค์ประกอบที่จำเป็นต่อการสร้างชีวิตในรูปแบบที่เราคุ้นเคย ในการตีความพระคัมภีร์ นักวิจารณ์เช่นไมโมนิเดสและราชิอธิบายว่าพระเจ้าทรงสร้างและทำลายโลกมากมายในกระบวนการสร้างชีวิตบนโลก แต่ที่นี่ข้าพเจ้าไม่ได้พึ่งไมโมนิเดส ฉันได้รับข้อมูลข้างต้นจากนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Woosley และ Phillips

ดังนั้น หากเรามีทุกสิ่งที่ต้องทำภายในหกวันก่อนที่อาดัมจะปรากฏตัว เราจะบีบวงจรของการก่อตัวและการทำลายล้างของโลกให้อยู่ในช่วงเวลานั้นได้อย่างไร นักวิจารณ์ในพระคัมภีร์ที่เราพึ่งพาระบุไว้อย่างชัดเจนว่าหกวันแรกของการทรงสร้างคือหกวัน ครั้งละ 24 ชั่วโมง ซึ่งหมายความว่าคนที่ติดตามเวลาจะต้องบันทึกเวลาเดียวกันนี้ตลอด 24 ชั่วโมงต่อวัน แต่ใครจะอยู่ ณ เวลานั้นเพื่อวัดเวลาที่ผ่านไป? จนกระทั่งเมื่อผ่านไปหกวัน อาดัมก็ปรากฏตัวขึ้น มีเพียงพระเจ้าเท่านั้นที่สามารถติดตามนาฬิกาได้ และนั่นคือประเด็นทั้งหมด

เมื่อจักรวาลของเราถูกสร้างขึ้น - จนกระทั่งถึงช่วงเวลาที่มนุษย์ปรากฏตัว - พระเจ้าไม่ได้มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับโลก ในช่วงหนึ่งหรือสองวันแรกของหกวันแห่งการสร้างสรรค์ โลกยังไม่มีอยู่ด้วยซ้ำ! แม้ว่าปฐมกาล 1:1 กล่าวว่า “ในปฐมกาลพระเจ้าทรงสร้างฟ้าและแผ่นดิน” ข้อถัดไประบุว่าโลกว่างเปล่าและไม่มีรูปแบบ อันที่จริงข้อแรกของหนังสือปฐมกาลเป็นข้อความที่กว้างใหญ่ หมายความว่าในตอนเริ่มแรกมีการสร้างสสารปฐมภูมิ ซึ่งในช่วงหกวันต่อจากนี้ สวรรค์และโลกจะถูกสร้างขึ้น ด้านล่างในข้อ 31:17 ของหนังสือ “อพยพ” มีกล่าวไว้ชัดเจนยิ่งขึ้น: “... ในหกวันพระเจ้าทรงสร้างฟ้าสวรรค์และแผ่นดินโลก...” สวรรค์และโลก “ถูกสร้างขึ้น” จากอะไรในช่วงหกวันนี้? จากแก่นสารที่สร้างขึ้น "ในปฐมกาล" ของหกวันนั้น เนื่องจากไม่มีโลกในเอกภพในยุคแรกเริ่ม และเนื่องจากไม่มีความเป็นไปได้ที่จะมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดหรือการแทรกซึมของระบบอ้างอิง จึงไม่มีปฏิทินทั่วไปสำหรับพระเจ้าและสำหรับโลก

กฎสัมพัทธภาพสอนเราว่าเป็นไปไม่ได้ด้วยซ้ำที่พระเจ้าจะเลือกปฏิทินที่จะยุติธรรมสำหรับทุกส่วนของจักรวาลหรืออย่างน้อยก็ในจำนวนจำกัดซึ่งมีบทบาทในการเกิดขึ้นของมนุษยชาติ กฎสัมพัทธภาพซึ่งเป็นหนึ่งในกฎพื้นฐานของจักรวาลที่สถาปนาขึ้นเมื่อสร้างมันขึ้นมา ทำให้เป็นไปไม่ได้สำหรับการดำรงอยู่ของกรอบอ้างอิงทั่วไปสำหรับผู้สร้างและสำหรับแต่ละส่วนของจำนวนทั้งสิ้นของสสารซึ่งท้ายที่สุดก็กลายเป็นมนุษยชาติและโลก โลกที่มันอาศัยอยู่

เรารู้ว่าตามกฎสัมพัทธภาพในจักรวาลที่กำลังขยายตัวนั้นเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายเวลาที่ครอบคลุมลำดับเหตุการณ์บางอย่างในส่วนหนึ่งของจักรวาลในลักษณะที่เท่ากับเวลาของเหตุการณ์เดียวกัน สังเกตได้จากอีกส่วนหนึ่งของจักรวาล ความแตกต่างในการเคลื่อนที่และแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีต่างๆ หรือแม้แต่ดวงดาวในกาแลคซีเดียวกัน ทำให้เวลาสัมบูรณ์กลายเป็นปรากฏการณ์เฉพาะท้องถิ่นเท่านั้น เวลาไหลแตกต่างกันไปตามส่วนต่างๆ ของจักรวาล

พระคัมภีร์เป็นหนังสือนำเที่ยวที่อธิบายการเดินทางของมนุษยชาติผ่านชีวิตและเวลา เพื่อปลูกฝังให้มนุษย์เห็นคุณค่าในความมหัศจรรย์ทางกายภาพของจักรวาล คู่มือนี้ประกอบด้วยคำอธิบายกระบวนการที่นำจากจักรวาลที่ว่างเปล่าและไร้รูปร่างมาสู่บ้านที่มนุษยชาติสามารถดำรงอยู่ได้ แต่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะเลือกกรอบเวลาเดียวเพื่ออธิบายกระบวนการนี้ เนื่องจากมีปัจจัยมากเกินไปที่ส่งผลโดยตรงต่อความเร็วของเวลา ปัจจัยเหล่านี้ได้แก่ แรงโน้มถ่วงในดาวฤกษ์หลายๆ ดวง ซึ่งในส่วนลึกของไฮโดรเจนและฮีเลียมในยุคดึกดำบรรพ์ถูกแปรสภาพเป็นองค์ประกอบที่อยู่ภายใต้สิ่งมีชีวิต และการเคลื่อนที่ของก๊าซในอวกาศ การควบแน่นในกระบวนการเคลื่อนที่ในเนบิวลา แล้วจึงกลายเป็นดาวฤกษ์และซูเปอร์โนวา การระเบิด แสดงถึงการตายและการเกิดใหม่ของดวงดาวที่ประกอบกันเป็นทางช้างเผือกและมวลของโลก การที่เวลาผ่านไปเป็นแง่มุมหนึ่งของชีวิต ซึ่งก่อนที่ไอน์สไตน์จะเข้าใจ เราคิดผิดว่าไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ มันไม่สมจริง ไม่เลย เป็นไปไม่ได้เลยที่นาฬิกาเรือนเดียวกันในทุกศตวรรษจะวัดอายุของสสารจักรวาลทั้งหมดที่เราประกอบขึ้น

การผจญภัยของสสารตั้งแต่สสารของบิ๊กแบงจนถึงสถานะปัจจุบันนั้นซับซ้อนเกินไป หลากหลายเกินกว่าที่กาลเวลาจะผ่านไปด้วยนาฬิกาอันเดียวกัน ใครสามารถบอกได้ว่ามีกาแลคซีกี่แห่งหรือซุปเปอร์โนวาใดที่ก่อให้เกิดองค์ประกอบต่างๆ ที่ประกอบกันเป็นร่างกายของเราในที่สุด มนุษย์เราและทุกสิ่งทุกอย่างในระบบสุริยะ รวมถึงดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ เป็นเพียงเศษเสี้ยวของดาวฤกษ์ที่สาบสูญไปนานแล้ว เราถูกสร้างขึ้นมาจากละอองดาวอย่างแท้จริง กาลนี้หมายถึงอะตอมของคาร์บอน ไนโตรเจน หรือออกซิเจนในข้อใด สำหรับคุณหรืออะตอมของเพื่อนบ้าน? สิ่งที่เป็นส่วนหนึ่งของอนุภาคของผิวหนังของคุณหรือสิ่งที่อยู่ในหยดเลือดของคุณ? มีแนวโน้มว่าแต่ละดวงจะเริ่มต้นในส่วนลึกของดวงดาวต่างๆ ดังนั้นแต่ละดวงจึงมีอายุที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวเอง การเปลี่ยนแปลงของสสารในจักรวาลที่เกิดขึ้นก่อนการก่อตัวของโลกเกิดขึ้นในดาวฤกษ์จำนวนนับไม่ถ้วนพร้อมกันและต่อเนื่องกัน ดาวฤกษ์แต่ละดวง ซูเปอร์โนวาแต่ละดวงมีแรงโน้มถ่วงของตัวเองและความเร็วในการเคลื่อนที่ของตัวเอง ดังนั้นกรอบอ้างอิงอวกาศ-เวลาของมันเอง

นาฬิกาจักรวาลหลายพันล้านเรือนถูกติ๊ก (และยังคงเดินต่อไป) แต่ละเรือนมีจังหวะที่ถูกต้องในแต่ละท้องถิ่น พวกเขาทั้งหมดเริ่มต้นในช่วงเวลาหนึ่ง - ช่วงเวลาของบิ๊กแบง และพวกเขาก็มาถึงช่วงเวลาที่อดัมปรากฏตัวพร้อมกัน แต่เวลาท้องถิ่นที่แน่นอนที่ผ่านไปตั้งแต่ "เริ่มต้น" จนถึงช่วงเวลาที่อนุภาคสสารแต่ละอนุภาคมีส่วนช่วยในการสร้างมนุษยชาตินั้นแตกต่างกันมากสำหรับดาวแต่ละดวงและอนุภาคแต่ละดวง แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงของสสารจะเริ่มต้นและสิ้นสุดในเวลาเดียวกัน แต่ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ที่ว่าอายุของแต่ละอนุภาคของสสารแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญมากจากอายุของอนุภาคอื่นๆ ของสสารซึ่งในที่สุดมันจะรวมตัวกันจนกลายเป็นระบบสุริยะ และ แล้วมนุษยชาติ การให้เหตุผลของเรานั้นไม่ซับซ้อนมากไปกว่าการตรวจจับ 200 ไมโครวินาทีใน 4.5 ไมโครวินาทีที่ผ่านไปในขณะที่มิวซอนซึ่งก่อตัวในชั้นบรรยากาศชั้นบนภายใต้ผลกระทบของรังสีคอสมิกมาถึงพื้นผิวโลก ใน 4.5 ไมโครวินาที จะผ่านไป 200 ไมโครวินาที ข้อเท็จจริงที่พิสูจน์แล้วนี้สามารถเข้าใจได้ดีขึ้นผ่านการทดลองทางความคิดของไอน์สไตน์ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์บนจรวดความเร็วสูงและนักวิทยาศาสตร์ในห้องทดลองที่อยู่กับที่บันทึกช่วงเวลาที่แตกต่างกันสองช่วงเวลาสำหรับเหตุการณ์เดียวกัน สถานการณ์นี้ไม่เกี่ยวข้องกับคำแถลงของ W.K. ฟิลด์สซึ่งกล่าวว่าในช่วงเย็นอันยาวนานวันหนึ่งเขาอาศัยอยู่ที่ฟิลาเดลเฟียตลอดทั้งสัปดาห์15 ข้อความของเขาเกี่ยวข้องกับขอบเขตของความรู้สึกทางอารมณ์ ในกรณีของเรา เรากำลังเผชิญกับข้อเท็จจริงทางกายภาพ เมื่อเราพูดถึงพันล้านปี เราไม่ได้หมายความว่าเราจะประสบกับมันเป็นเวลาพันล้านปี พันล้านปีผ่านไปแล้วจริงๆ! หากในช่วงหกวันเดียวกันนั้นมีนาฬิกาในส่วนนั้นของจักรวาลที่โลกครอบครองอยู่ ก็ไม่จำเป็นต้องบันทึกเวลา 15 พันล้านปี ในจักรวาลยุคแรก ความโค้งของอวกาศและเวลาในสถานที่นี้น่าจะแตกต่างไปจากที่เป็นอยู่ในปัจจุบันโดยสิ้นเชิง

เพื่อที่จะอธิบายการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของจักรวาล จำเป็นต้องหาทางประนีประนอมบางอย่าง ในการประนีประนอมดังกล่าว ผู้สร้างได้เลือกช่วงเวลาก่อนการปรากฏตัวของอดัมกรอบอ้างอิงของเขาเอง ซึ่งจักรวาลทั้งหมดถูกมองว่าเป็นองค์เดียว

การสร้างอาดัมนั้นแตกต่างในเชิงคุณภาพจากเหตุการณ์อื่นๆ ทั้งหมดที่มาพร้อมกับการสร้างจักรวาล มันส่งสัญญาณถึงการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานในความสัมพันธ์ของพระเจ้ากับจักรวาล เรารู้ว่าวัตถุทั้งหมดในจักรวาล ทั้งอินทรีย์และอนินทรีย์ มีชีวิตและไม่มีชีวิต ล้วนประกอบด้วยสสาร ต้นกำเนิดของวัตถุสามารถสืบย้อนไปถึงการทรงสร้างในยุคดึกดำบรรพ์ ในแง่นี้มนุษยชาติก็ไม่มีข้อยกเว้น มีการอธิบายให้เราทราบอย่างชัดเจนว่าแหล่งกำเนิดวัตถุซึ่งกำเนิดของเราคือ “ฝุ่นแห่งแผ่นดิน” สิ่งมีชีวิตทั้งหมด (ปฐมกาล 1:30) รวมถึงมนุษย์ (ปฐมกาล 2:7) ได้รับจิตวิญญาณที่มีชีวิต (เนเฟส ในภาษาฮีบรู) อย่างไรก็ตาม มีเพียงอาดัมเท่านั้นที่ได้รับสิ่งใหม่ที่ไม่เหมือนใครในจักรวาลทั้งหมด นั่นก็คือลมหายใจแห่งชีวิตของพระเจ้า (ปฐมกาล 2:7)

และในขณะนี้เองที่พระเจ้าทรงระบายลมปราณแห่งชีวิตเข้าไปในอาดัม (ในภาษาฮีบรู เนชามาห์) ทั้งผู้สร้างและสิ่งทรงสร้างของเขาเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก ในขณะนี้เองที่จากหลายพันล้านชั่วโมงที่เป็นไปได้ มีเพียงชั่วโมงเดียวเท่านั้นที่ถูกเลือกอย่างไม่อาจเพิกถอนได้ ซึ่งต่อจากนี้ไปจะต้องวัดผลเหตุการณ์ในอนาคตทั้งหมด

ในศัพท์แสงของนักฟิสิกส์เชิงสัมพัทธภาพ ในช่วงเวลาของการปรากฏของอาดัม ส่วนหนึ่งของจักรวาลที่กลายเป็นที่อยู่อาศัยของมนุษย์เริ่มทำงานในกรอบอ้างอิงกาล-อวกาศเดียวกันกับผู้สร้าง เริ่มต้นจากจุดนี้ ลำดับเหตุการณ์ของพระคัมภีร์และการไหลเวียนของเวลาบนโลกกลายเป็นหนึ่งเดียวกัน - ความสัมพันธ์ทั่วไปของกาลอวกาศระหว่างพระเจ้ากับมนุษย์ได้รับการแก้ไขต่อจากนี้ไป

ผลลัพธ์ของการเชื่อมโยงใหม่นี้ชัดเจนตั้งแต่แรกเห็นข้อความในพระคัมภีร์ มีความคล้ายคลึงกันระหว่างวันที่พระคัมภีร์อ้างถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นหลังจากการสร้างอาดัมกับการประมาณการทางโบราณคดีที่สอดคล้องกันของเหตุการณ์เดียวกัน ยุคสำริดของปฏิทินในพระคัมภีร์ไบเบิลและยุคสำริดของโบราณคดีเกิดขึ้นพร้อมกัน ตามพระคัมภีร์ Hazor ถูกทำลายโดย Joshua เมื่อ 3,300 ปีก่อน; โบราณคดีตามที่ปรากฏหลังจากการวิจัยโดยละเอียด ระบุเหตุการณ์นี้ในช่วงเวลาเดียวกัน ส่วนหนึ่งของปฏิทินพระคัมภีร์ที่เริ่มต้นด้วยการสร้างอาดัมดูเหมือนจะสมเหตุสมผลในสายตาของเรา และการค้นพบม้วนหนังสือทะเลเดดซีพิสูจน์ให้เห็นว่าพระคัมภีร์บรรยายเหตุการณ์ต่างๆ ได้อย่างถูกต้องเมื่อหลายพันปีก่อนที่การค้นพบทางโบราณคดีสมัยใหม่จะยืนยันเหตุการณ์เหล่านั้น หากเราไม่รู้กฎสัมพัทธภาพและพยายามระบุเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นบนโลกในเวลาหลังจากอดัมจากอีกจุดหนึ่งในจักรวาล ตอนนี้เราจะสงสัยว่าเหตุใดในการรับรู้ของเราเวลาที่ผ่านมาจึงแตกต่างจากที่บันทึกไว้ โดยนาฬิกาบนโลก

ในช่วงหกวันแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาลของเรา Eternal Clock วัดได้ 144 ชั่วโมง ตอนนี้เรารู้แล้วว่าช่วงเวลานี้ไม่จำเป็นต้องตรงกับช่วงเวลาเดียวกันที่วัดในอีกส่วนหนึ่งของจักรวาล ในฐานะผู้อาศัยอยู่ในจักรวาลนี้ เราประเมินเวลาที่ผ่านไปโดยใช้นาฬิกาที่อยู่ในกรอบอ้างอิงในท้องถิ่นของเรา นาฬิกาดังกล่าวรวมถึงการหาอายุของกัมมันตภาพรังสี ข้อมูลทางธรณีวิทยา และการวัดความเร็วและระยะทางในจักรวาลที่กำลังขยายตัว ด้วยนาฬิกาเหล่านี้เองที่มนุษยชาติเดินทางผ่านกาลเวลาและอวกาศ

เมื่อพระคัมภีร์อธิบายว่าจักรวาลของเราพัฒนาไปอย่างไรในแต่ละวันในช่วงหกวันแรกหลังการทรงสร้าง จริงๆ แล้วพระคัมภีร์พูดถึงหกวัน ครั้งละ 24 ชั่วโมง แต่กรอบอ้างอิงที่คำนวณในสมัยนี้รวมจักรวาลทั้งหมดด้วย สัปดาห์แรกของการสร้างสรรค์นี้ไม่ใช่เทพนิยายที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความอยากรู้อยากเห็นของเด็ก เพื่อที่จะถูกทิ้งโดยไม่จำเป็นในภายหลัง พร้อมกับการกำเนิดของปัญญาของผู้ใหญ่ ค่อนข้างตรงกันข้าม - มันมีร่องรอยของเหตุการณ์ที่มนุษยชาติเพิ่งเริ่มเข้าใจเท่านั้น

นักปราชญ์ในพระคัมภีร์เตือนมานานแล้วว่าความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเหตุการณ์ในช่วงหกวันแรกของการทรงสร้างจะไม่สอดคล้องกับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับธรรมชาติในช่วงเวลาหลังจากการปรากฏของอาดัม พวกเขาเข้าใจสิ่งนี้จากคำอธิบายของการพักสะบาโตที่มีอยู่ในพระบัญญัติสิบประการ ถ้าเราเปรียบเทียบข้อความในอพยพ 20:11 กับข้อความในเศคาริยาห์ 5:11 และ 2 ซามูเอล 21:10 เราจะเห็นว่าทั้งสองข้อความใช้คำเดียวกันสำหรับการพักผ่อน แต่มีเฉดสีที่แตกต่างกัน จากวิธีใช้คำนี้ สรุปได้ว่าพระเจ้าไม่ได้ "หยุดพัก" จริงๆ ในวันสะบาโตแรก แต่พระผู้สร้างทรงหยุดงานของพระองค์ชั่วคราวเพื่อสำรวจจักรวาลที่สร้างขึ้นในหกวันแรก การรับรู้ของเราเกี่ยวกับการแตกหักนี้ตามความเห็นของไมโมนิเดสก็คือ ตลอดเวลาตั้งแต่วันสะบาโตแรกนี้ กฎแห่งธรรมชาติ รวมทั้งกาลเวลาที่ผ่านไป จะทำงานในลักษณะ "ปกติ" ในทางตรงกันข้าม เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในช่วงหกวันแรกอาจดูไร้เหตุผล ราวกับว่ามีการละเมิดกฎแห่งธรรมชาติและเวลา ดังที่เราเห็น คำทำนายของปราชญ์ที่ว่าเราจะรับรู้ถึงภาพในพระคัมภีร์และวิทยาศาสตร์ของจักรวาลยุคแรกนั้นขัดแย้งกันนั้นเป็นจริงขึ้นมา

วันเสาร์แรกเป็นจุดเริ่มต้นของปฏิทิน ซึ่งเริ่มต้นด้วยการสร้างอาดัม และนี่คือส่วนหนึ่งของปฏิทินที่สอดคล้องกับการรับรู้ความเป็นจริงตามตรรกะของเรา ต้องขอบคุณข้อเท็จจริงที่ไม่ธรรมดาเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพแห่งเวลา กฎสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ปฏิทินในพระคัมภีร์จึงถูกต้องในหกวันนี้ ไม่จำเป็นต้องอธิบายการค้นพบฟอสซิลที่พบโดยกล่าวว่าพระผู้สร้างทรงจงใจวางสิ่งเหล่านั้นไว้ในที่ซึ่งพบเพื่อทดสอบศรัทธาของเราในการสร้างสรรค์หรือเพื่อสนองความอยากรู้อยากเห็นของเรา อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีในหิน อุกกาบาต และฟอสซิลสะท้อนการผ่านของเวลาอย่างถูกต้อง แต่การผ่านของเวลานี้วัดและยังคงวัดโดยนาฬิกาที่อยู่ในกรอบอ้างอิงทางโลกของเรา เวลาที่นาฬิกาเหล่านี้บันทึกไว้เป็นและยังคงเป็นเพียงเวลาที่ถูกต้องเท่านั้น กล่าวคือ เฉพาะในท้องถิ่นเท่านั้น นาฬิกาอื่นๆ ที่อยู่ในระบบอ้างอิงอื่น ระบุเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นบนโลกในช่วงเวลาที่แตกต่างกันแต่ถูกต้องไม่น้อยไปกว่ากัน และมันจะเป็นเช่นนั้นเสมอไป ตราบใดที่จักรวาลยังปฏิบัติตามกฎแห่งธรรมชาติ

วรรณกรรม

• 1. ราชิ. "ความเห็นเกี่ยวกับพระธรรมปฐมกาล" 1:1.
• 2. นัชมานิเดส. "ข้อคิดเห็นเกี่ยวกับโตราห์". ปฐมกาล 5:4.
• 3. “โบราณคดีและการศึกษาพันธสัญญาเดิม” เอ็ด โทมัส (Thomas, ed., โบราณคดีและการศึกษาพันธสัญญาเดิม).
• 4. นิวตัน. "หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ" (นิวตัน หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ).
• 5. ไอน์สไตน์. "สัมพัทธภาพ: ทฤษฎีพิเศษและทฤษฎีทั่วไป" (ไอน์สไตน์ สัมพัทธภาพ: ทฤษฎีพิเศษและทฤษฎีทั่วไป)
• 6. โคเฮน. "กำเนิดฟิสิกส์ยุคใหม่" (โคเฮน การกำเนิดของฟิสิกส์ใหม่)
• 7. พาเจล "ความสมมาตรที่สมบูรณ์แบบ" (เพจ สมมาตรที่สมบูรณ์แบบ)
• 8. แชงค์แลนด์ "การทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์" (Shankland, “การทดลองของ Michelson-Morley,” American Journal of Physics, 32 (1964):16)
• 9. เฮอร์แมน. "ต้นกำเนิดของทฤษฎีควอนตัม" (พ.ศ. 2442-2456) (เฮอร์มันน์ การกำเนิดของทฤษฎีควอนตัม (พ.ศ. 2442-2456))
• 10. เทย์เลอร์และวีลเลอร์ "ฟิสิกส์ของอวกาศ-เวลา". (เทย์เลอร์และวีลเลอร์ ฟิสิกส์อวกาศ)
• 11. เฮเฟเล และคีทติ้ง “นาฬิกาอะตอมรอบโลก: การสังเกตการเปลี่ยนแปลงเวลาเชิงสัมพันธ์” (Hafele และ Keating, “นาฬิกาอะตอมรอบโลก: เวลาที่สัมพันธ์กันเพิ่มขึ้น” วิทยาศาสตร์, 117 (1972): 168)
• 12. วูสลีย์และฟิลลิปส์ “Supernova 1987A1” (วูสลีย์และฟิลลิปส์ “Supernova 1987A!” วิทยาศาสตร์ 240 (1988): 750)
• 13. ไมโมนิเดส. “ผู้ให้คำปรึกษาของผู้ลังเล” ตอนที่ 1 บทที่ 1 67.

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

โดยอธิบายการเคลื่อนที่ระหว่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ หรือการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันด้วยความเร็วคงที่ ในกรณีนี้ ไม่ควรใช้วัตถุใดเป็นระบบอ้างอิง แต่ควรพิจารณาว่าวัตถุเหล่านั้นสัมพันธ์กัน รฟท.จัดให้เพียง 1 กรณี เมื่อ 2 ศพไม่เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่และเคลื่อนที่สม่ำเสมอ

กฎของการ รฟท. จะหยุดใช้เมื่อวัตถุตัวใดตัวหนึ่งเปลี่ยนวิถีหรือเพิ่มความเร็ว ในที่นี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) เกิดขึ้น โดยให้การตีความทั่วไปเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ

สมมุติฐานสองประการที่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นพื้นฐาน:

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

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ใช้ข้อมูลเชิงทดลองมากกว่าข้อมูลเชิงทฤษฎีเป็นพื้นฐาน นี่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบของความสำเร็จของเขา ข้อมูลการทดลองใหม่ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างทฤษฎีใหม่

ตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ได้ค้นหาสื่อลึกลับชนิดใหม่ที่เรียกว่าอีเทอร์ เชื่อกันว่าอีเทอร์สามารถผ่านวัตถุทั้งหมดได้ แต่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการเคลื่อนไหวของพวกมัน ตามความเชื่อเกี่ยวกับอากาศธาตุ โดยการเปลี่ยนความเร็วของผู้ดูที่สัมพันธ์กับอากาศธาตุ ความเร็วของแสงก็เปลี่ยนไปเช่นกัน

ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นผู้ทดลองที่เชื่อถือได้ ปฏิเสธแนวคิดเรื่องตัวกลางอีเทอร์ชนิดใหม่ และสันนิษฐานว่าความเร็วแสงคงที่เสมอ และไม่ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ใดๆ เช่น ความเร็วของบุคคลเอง

ช่วงเวลา ระยะทาง และความสม่ำเสมอของช่วงเวลา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเชื่อมโยงเวลาและอวกาศ ในจักรวาลวัตถุมี 3 อย่างที่รู้จักในอวกาศ: ขวาและซ้าย, เดินหน้าและถอยหลัง, ขึ้นและลง หากเราเพิ่มมิติอื่นเข้าไป เรียกว่าเวลา สิ่งนี้จะสร้างพื้นฐานของความต่อเนื่องของกาล-อวกาศ

หากคุณเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ การสังเกตของคุณจะไม่ไปบรรจบกับผู้คนที่เคลื่อนที่เร็วกว่า

การทดลองในภายหลังยืนยันว่าอวกาศไม่สามารถรับรู้ได้ในลักษณะเดียวกันเช่นเดียวกับเวลา การรับรู้ของเราขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของวัตถุ

การเชื่อมโยงพลังงานกับมวล

ไอน์สไตน์คิดสูตรที่รวมพลังงานเข้ากับมวล สูตรนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาฟิสิกส์และนักเรียนทุกคนคุ้นเคย: E=m*c²ในที่นั้น พลังงานไฟฟ้า; ม. - มวลกาย, ค - ความเร็วการแพร่กระจายของแสง

มวลของร่างกายเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนความเร็วแสงที่เพิ่มขึ้น หากคุณเข้าถึงความเร็วแสง มวลและพลังงานของร่างกายจะกลายเป็นไร้มิติ

การเพิ่มมวลของวัตถุจะทำให้ความเร็วของมันเพิ่มขึ้นได้ยากขึ้น กล่าวคือ สำหรับวัตถุที่มีมวลวัตถุมหาศาลนั้น จำเป็นต้องใช้พลังงานอันไม่มีที่สิ้นสุด แต่ในความเป็นจริงแล้ว มันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุผลสำเร็จ

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ได้รวมข้อกำหนดสองข้อที่แยกจากกัน ได้แก่ ตำแหน่งของมวลและตำแหน่งของพลังงานให้เป็นกฎทั่วไปข้อเดียว ทำให้สามารถแปลงพลังงานเป็นมวลวัสดุและในทางกลับกัน

จะต้องดัดแปลงด้วยความเร็วของวัตถุใกล้กับความเร็วแสง นอกจากนี้ การแสดงออกของโมเมนตัมและพลังงานจลน์ของร่างกายมีการขึ้นอยู่กับความเร็วที่ซับซ้อนมากกว่าในกรณีที่ไม่สัมพันธ์กัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้รับการยืนยันจากการทดลองมากมายและเป็นทฤษฎีที่ถูกต้องในสาขาการนำไปประยุกต์ใช้ (ดูฐานการทดลองของ SRT) ตามคำพูดที่เหมาะสมของแอล. เพจ "ในยุคไฟฟ้าของเรา กระดองที่หมุนได้ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทุกเครื่องและมอเตอร์ไฟฟ้าทุกตัวประกาศความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพอย่างไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อย - คุณเพียงแค่ต้องสามารถฟังได้"

ลักษณะพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสำหรับทฤษฎีฟิสิกส์ที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของมัน ได้นำไปสู่ความจริงที่ว่าคำว่า "ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ" นั้นแทบจะไม่ได้ใช้ในบทความทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ พวกเขามักจะพูดถึงแต่ความคงที่ของสัมพัทธภาพเท่านั้น ทฤษฎีที่แยกจากกัน

แนวคิดและหลักพื้นฐานของการรฟท

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษก็เหมือนกับทฤษฎีฟิสิกส์อื่นๆ สามารถกำหนดขึ้นได้บนพื้นฐานของแนวคิดพื้นฐานและหลักสัจพจน์ (สัจพจน์) บวกกับกฎการสอดคล้องกับวัตถุทางกายภาพของมัน

แนวคิดพื้นฐาน

การซิงโครไนซ์เวลา

STR สันนิษฐานถึงความเป็นไปได้ในการกำหนดเวลาที่เป็นเอกภาพภายในระบบอ้างอิงเฉื่อยที่กำหนด เมื่อต้องการทำเช่นนี้ จะมีการแนะนำขั้นตอนเพื่อซิงโครไนซ์นาฬิกาสองตัวที่อยู่ในจุดต่างๆ ใน ​​ISO ปล่อยให้สัญญาณ (ไม่จำเป็นต้องสว่าง) ถูกส่งจากนาฬิกาเรือนแรกในช่วงเวลาหนึ่งไปยังนาฬิกาเรือนที่สองด้วยความเร็วคงที่ ทันทีที่ไปถึงนาฬิกาเรือนที่สอง (ตามค่าที่อ่านได้ ณ เวลา) สัญญาณจะถูกส่งกลับไปด้วยความเร็วคงที่เท่าเดิมและไปถึงนาฬิกาเรือนแรกในแต่ละครั้ง นาฬิกาจะถือว่าซิงโครไนซ์หากความสัมพันธ์เป็นที่พอใจ

สันนิษฐานว่าขั้นตอนดังกล่าวในกรอบอ้างอิงเฉื่อยที่กำหนดสามารถดำเนินการได้สำหรับนาฬิกาใดๆ ที่ไม่มีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กัน ดังนั้น สมบัติการส่งผ่านจึงใช้ได้: ถ้านาฬิกา กซิงโครไนซ์กับนาฬิกา บีและนาฬิกา บีซิงโครไนซ์กับนาฬิกา คจากนั้นนาฬิกา กและ คจะถูกซิงโครไนซ์ด้วย

การประสานงานของหน่วยวัด

ในการดำเนินการนี้ จำเป็นต้องพิจารณาระบบเฉื่อยสามระบบ S1, S2 และ S3 ให้ความเร็วของระบบ S2 สัมพันธ์กับระบบ S1 เท่ากับ ความเร็วของระบบ S3 สัมพันธ์กับ S2 เท่ากับ และสัมพันธ์กับ S1 ตามลำดับ โดยการเขียนลำดับของการแปลง (S2, S1), (S3, S2) และ (S3, S1) เราจะได้ความเท่าเทียมกันดังต่อไปนี้:

การพิสูจน์

การแปลง (S2, S1) (S3, S2) มีรูปแบบ:

ที่ไหน ฯลฯ การทดแทนจากระบบแรกไปเป็นระบบที่สองให้:

ความเท่าเทียมกันประการที่สองคือบันทึกการเปลี่ยนแปลงระหว่างระบบ S3 และ S1 หากเราเปรียบเทียบค่าสัมประสิทธิ์ในสมการแรกของระบบและสมการที่สองแล้ว:

การหารสมการหนึ่งด้วยอีกสมการหนึ่งจะทำให้ได้ความสัมพันธ์ที่ต้องการได้ง่าย

เนื่องจากความเร็วสัมพัทธ์ของระบบอ้างอิงเป็นปริมาณที่กำหนดได้เองและเป็นอิสระ ความเท่าเทียมกันนี้จะเกิดขึ้นเฉพาะในกรณีที่อัตราส่วนเท่ากับค่าคงที่บางค่า ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด และด้วยเหตุนี้

การมีอยู่ของการแปลงแบบผกผันระหว่าง ISO ซึ่งแตกต่างจากการแปลงโดยตรงโดยการเปลี่ยนเครื่องหมายของความเร็วสัมพัทธ์เท่านั้น ช่วยให้เราสามารถค้นหาฟังก์ชันได้

การพิสูจน์

สมมุติฐานของความคงตัวของความเร็วแสง

ในอดีต สมมุติฐานที่สองของไอน์สไตน์มีบทบาทสำคัญในการสร้าง SRT ซึ่งระบุว่าความเร็วแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของแหล่งกำเนิด และจะเหมือนกันในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด ด้วยความช่วยเหลือของสมมุติฐานนี้และหลักสัมพัทธภาพ ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้รับการเปลี่ยนแปลงแบบลอเรนซ์ในปี 1905 โดยมีค่าคงที่พื้นฐานซึ่งหมายถึงความเร็วแสง จากมุมมองของการสร้างสัจพจน์ของ STR ที่อธิบายไว้ข้างต้น สมมุติฐานที่สองของไอน์สไตน์กลายเป็นทฤษฎีบทของทฤษฎีและตามมาจากการแปลงแบบลอเรนซ์โดยตรง (ดูการบวกสัมพัทธภาพของความเร็ว) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีความสำคัญทางประวัติศาสตร์ ที่มาของการเปลี่ยนแปลงแบบลอเรนซ์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวรรณกรรมทางการศึกษา

ควรสังเกตว่าโดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็นต้องใช้สัญญาณไฟในการพิจารณา SRT แม้ว่าสมการของแมกซ์เวลล์ที่ไม่คงที่ในส่วนที่เกี่ยวกับการแปลงแบบกาลิเลโอจะนำไปสู่การสร้าง SRT แต่สมการหลังนี้มีลักษณะทั่วไปมากกว่าและสามารถใช้ได้กับปฏิสัมพันธ์และกระบวนการทางกายภาพทุกประเภท ค่าคงที่พื้นฐานที่ปรากฏในการแปลงแบบลอเรนซ์มีความหมายของความเร็วสูงสุดของการเคลื่อนที่ของวัตถุ ในเชิงตัวเลขมันเกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วแสง แต่ความจริงข้อนี้เกี่ยวข้องกับความไม่มีมวลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่าโฟตอนจะมีมวลไม่เป็นศูนย์ การแปลงแบบลอเรนซ์ก็จะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นจึงสมเหตุสมผลที่จะแยกแยะระหว่างความเร็วพื้นฐานและความเร็วแสง ค่าคงที่ค่าแรกสะท้อนถึงคุณสมบัติทั่วไปของอวกาศและเวลา ในขณะที่ค่าคงที่ค่าที่สองเชื่อมโยงกับคุณสมบัติของปฏิสัมพันธ์เฉพาะ ในการวัดความเร็วพื้นฐาน ไม่จำเป็นต้องทำการทดลองทางไฟฟ้าไดนามิกส์ ตัวอย่างเช่นการใช้กฎสัมพัทธภาพในการเพิ่มความเร็วตามค่าความเร็วของวัตถุบางอย่างที่สัมพันธ์กับ ISO สองตัวก็เพียงพอแล้วเพื่อให้ได้ค่าของความเร็วพื้นฐาน

ความสม่ำเสมอของทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นทฤษฎีที่สอดคล้องกันในเชิงตรรกะ ซึ่งหมายความว่าจากบทบัญญัติเริ่มต้นมันเป็นไปไม่ได้ที่จะอนุมานข้อความบางอย่างอย่างมีเหตุผลพร้อมกับการปฏิเสธของมัน ดังนั้นสิ่งที่เรียกว่าความขัดแย้ง (เช่น ความขัดแย้งคู่) หลายอย่างจึงปรากฏให้เห็นชัดเจน สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นจากการนำทฤษฎีไปใช้อย่างไม่ถูกต้องกับปัญหาบางอย่าง และไม่ได้เกิดจากความไม่สอดคล้องกันทางตรรกะของ STR

ความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพก็เหมือนกับทฤษฎีฟิสิกส์อื่นๆ ที่ได้รับการทดสอบเชิงประจักษ์ในท้ายที่สุด นอกจากนี้ ความสอดคล้องเชิงตรรกะของ STR สามารถพิสูจน์ได้ตามสัจพจน์ ตัวอย่างเช่น ภายในแนวทางแบบกลุ่ม แสดงให้เห็นว่าการแปลงแบบลอเรนซ์สามารถได้รับจากเซตย่อยของสัจพจน์ของกลศาสตร์คลาสสิก ข้อเท็จจริงนี้ช่วยลดการพิสูจน์ความสอดคล้องของ SRT ไปจนถึงการพิสูจน์ความสอดคล้องของกลศาสตร์คลาสสิก อันที่จริง ถ้าผลที่ตามมาของระบบสัจพจน์ที่กว้างขึ้นมีความสอดคล้องกัน ผลที่ตามมาก็จะสอดคล้องกันมากขึ้นเมื่อใช้เพียงส่วนหนึ่งของสัจพจน์เท่านั้น จากมุมมองเชิงตรรกะ ความขัดแย้งอาจเกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มสัจพจน์ใหม่เข้ากับสัจพจน์ที่มีอยู่ซึ่งไม่สอดคล้องกับสัจพจน์ดั้งเดิม ในการก่อสร้างตามสัจพจน์ของ STR ที่อธิบายไว้ข้างต้น สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น ดังนั้น SRT จึงเป็นทฤษฎีที่สอดคล้องกัน

วิธีการทางเรขาคณิต

วิธีอื่นๆ ในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษก็เป็นไปได้ หลังจากงานก่อนหน้าของ Minkowski และ Poincaré เราสามารถยืนยันการมีอยู่ของกาลอวกาศสี่มิติหน่วยเมตริกเดียวที่มีพิกัด 4 ตัวได้ ในกรณีที่ง่ายที่สุดของพื้นที่ราบ หน่วยเมตริกที่กำหนดระยะห่างระหว่างจุดปิดไม่สิ้นสุดสองจุดอาจเป็นแบบยุคลิดหรือแบบยุคลิดเทียม (ดูด้านล่าง) กรณีหลังนี้สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ในกรณีนี้ การแปลงแบบลอเรนซ์คือการหมุนในปริภูมิที่ทำให้ระยะห่างระหว่างจุดสองจุดไม่เปลี่ยนแปลง

เป็นไปได้อีกวิธีหนึ่ง โดยตั้งสมมติฐานโครงสร้างทางเรขาคณิตของปริภูมิความเร็ว แต่ละจุดของช่องว่างดังกล่าวสอดคล้องกับระบบอ้างอิงเฉื่อยบางระบบ และระยะห่างระหว่างจุดสองจุดสอดคล้องกับโมดูลความเร็วสัมพัทธ์ระหว่าง ISO โดยอาศัยหลักการสัมพัทธภาพ จุดทุกจุดของปริภูมิดังกล่าวจะต้องเท่ากัน ดังนั้นปริภูมิความเร็วจึงเป็นเนื้อเดียวกันและเป็นไอโซโทรปิก ถ้าคุณสมบัติของมันถูกกำหนดโดยเรขาคณิตแบบรีแมนเนียน ก็จะมีความเป็นไปได้สามประการเท่านั้น: พื้นที่เรียบ พื้นที่ที่มีความโค้งบวกและลบคงที่ กรณีแรกสอดคล้องกับกฎคลาสสิกของการบวกความเร็ว สเปซแห่งความโค้งลบคงที่ (สเปซโลบาเชฟสกี) สอดคล้องกับกฎสัมพัทธภาพในการบวกความเร็วและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

สัญกรณ์ต่างๆ สำหรับการแปลงแบบลอเรนซ์

ปล่อยให้แกนพิกัดของระบบอ้างอิงเฉื่อย S และ S" สองระบบขนานกัน (t, x,y, z) - เวลาและพิกัดของเหตุการณ์บางอย่างที่สังเกตได้สัมพันธ์กับระบบ S และ (t",x" ,y",z") - เวลาและพิกัด เหมือนเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบ S" หากระบบ S" เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงด้วยความเร็ว v สัมพันธ์กับ S แสดงว่าการแปลงแบบลอเรนซ์นั้นใช้ได้:

ความเร็วแสงอยู่ที่ไหน ด้วยความเร็วที่น้อยกว่าความเร็วแสง () มาก การแปลงแบบลอเรนซ์จะแปลงเป็นการแปลงแบบกาลิเลียน:

การผ่านไปยังขีดจำกัดดังกล่าวเป็นการสะท้อนของหลักการติดต่อสื่อสาร ซึ่งทฤษฎีทั่วไปมากกว่า (STR) มีกรณีที่จำกัดว่าเป็นทฤษฎีทั่วไปน้อยกว่า (ในกรณีนี้คือกลศาสตร์คลาสสิก)

การแปลงแบบลอเรนซ์สามารถเขียนได้ในรูปแบบเวกเตอร์ เมื่อความเร็วของหน้าต่างอ้างอิงถูกกำหนดทิศทางในทิศทางที่กำหนด (ไม่จำเป็นต้องเป็นไปตามแกน):

โดยที่ปัจจัยลอเรนซ์คือเวกเตอร์รัศมีของเหตุการณ์ที่สัมพันธ์กับระบบ S และ S"

ผลที่ตามมาของการแปลงลอเรนซ์

เพิ่มความเร็ว

ผลที่ตามมาทันทีของการแปลงแบบลอเรนซ์ก็คือกฎสัมพัทธภาพในการเพิ่มความเร็ว หากวัตถุบางชิ้นมีส่วนประกอบของความเร็วสัมพันธ์กับระบบ S และ - สัมพันธ์กับ S" แสดงว่าความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุเหล่านั้นมีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

ในความสัมพันธ์เหล่านี้ ความเร็วสัมพัทธ์ของการเคลื่อนที่ของกรอบอ้างอิง v ถูกกำหนดทิศทางไปตามแกน x การบวกสัมพัทธภาพของความเร็ว เช่น การแปลงแบบลอเรนซ์ ที่ความเร็วต่ำ () จะเปลี่ยนเป็นกฎคลาสสิกของการบวกความเร็ว

หากวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงตามแกน x สัมพันธ์กับระบบ S วัตถุนั้นจะมีความเร็วเท่ากันสัมพันธ์กับ S" ซึ่งหมายความว่าความเร็วไม่แปรเปลี่ยน (เท่ากัน) ใน ISO ทั้งหมด

การขยายเวลา

หากนาฬิกาหยุดนิ่งในระบบ ดังนั้นสำหรับเหตุการณ์สองเหตุการณ์ติดต่อกัน นาฬิกาดังกล่าวจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับระบบตามกฎหมาย ดังนั้นช่วงเวลาจึงสัมพันธ์กันดังนี้:

สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าในสูตรนี้จะมีการวัดช่วงเวลา ตามลำพังนาฬิกาเคลื่อนที่ นำมาเปรียบเทียบกับการอ่าน หลายนาฬิกาที่ทำงานแบบซิงโครนัสที่แตกต่างกันซึ่งอยู่ในระบบ ซึ่งผ่านไปแล้วที่นาฬิกาเคลื่อนที่ จากการเปรียบเทียบนี้ ปรากฎว่านาฬิกาที่เคลื่อนที่เดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่กับที่ สิ่งที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบนี้คือสิ่งที่เรียกว่าความขัดแย้งคู่

ถ้านาฬิกาเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแปรผันสัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงเฉื่อย เวลาที่วัดโดยนาฬิกานี้ (ที่เรียกว่าเวลาที่เหมาะสม) จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร่ง และสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

โดยที่การใช้การบูรณาการ ช่วงเวลาในระบบอ้างอิงเฉื่อยเฉพาะที่ (ที่เรียกว่า ISO ที่มาพร้อมกับทันที) จะถูกสรุป

สัมพัทธภาพของความพร้อมกัน

หากเหตุการณ์สองเหตุการณ์ที่แยกจากกันเชิงพื้นที่ (เช่น แสงวาบ) เกิดขึ้นพร้อมกันในหน้าต่างอ้างอิงที่กำลังเคลื่อนที่ เหตุการณ์เหล่านั้นจะไม่เกิดขึ้นพร้อมกันโดยสัมพันธ์กับกรอบ "นิ่ง" เมื่อจากการเปลี่ยนแปลงของ Lorentz มันจะตามมา

ถ้า แล้ว และ . ซึ่งหมายความว่าจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่ง เหตุการณ์ด้านซ้ายจะเกิดขึ้นก่อนเหตุการณ์ด้านขวา ทฤษฎีสัมพัทธภาพของความพร้อมกันทำให้ไม่สามารถซิงโครไนซ์นาฬิกาในกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ ทั่วทั้งอวกาศได้

จากมุมมองของระบบ S

จากมุมมองของระบบ S"

ให้มีนาฬิกาในระบบอ้างอิงสองระบบตามแกน x ซึ่งซิงโครไนซ์ในแต่ละระบบ และในขณะนี้ นาฬิกา "ศูนย์กลาง" ตรงกัน (ในรูปด้านล่าง) นาฬิกาจะแสดงในเวลาเดียวกัน

รูปด้านซ้ายแสดงให้เห็นว่าสถานการณ์นี้มีลักษณะอย่างไรจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ในเฟรม S นาฬิกาในเฟรมที่เคลื่อนไหวจะแสดงเวลาที่ต่างกัน นาฬิกาที่อยู่ในทิศทางการเคลื่อนที่จะอยู่ด้านหลัง และนาฬิกาที่อยู่ตรงข้ามทิศทางการเคลื่อนที่จะอยู่ข้างหน้านาฬิกา "ศูนย์กลาง" สถานการณ์จะคล้ายคลึงกับผู้สังเกตการณ์ใน S" (รูปขวา)

การลดขนาดเชิงเส้น

หากความยาว (รูปร่าง) ของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ถูกกำหนดโดยการกำหนดพิกัดของพื้นผิวของมันไปพร้อม ๆ กัน จากนั้นจากการแปลงลอเรนซ์จะตามมาว่าขนาดเชิงเส้นของวัตถุดังกล่าวสัมพันธ์กับระบบอ้างอิง "คงที่" จะลดลง:

,

โดยที่ คือ ความยาวตามทิศทางการเคลื่อนที่สัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงที่อยู่กับที่ และคือความยาวในกรอบอ้างอิงที่กำลังเคลื่อนที่ซึ่งสัมพันธ์กับลำตัว (ที่เรียกว่าความยาวที่เหมาะสมของร่างกาย) ในเวลาเดียวกันขนาดตามยาวของร่างกาย (นั่นคือวัดตามทิศทางการเคลื่อนไหว) จะลดลง ขนาดตามขวางไม่เปลี่ยนแปลง

การลดขนาดนี้เรียกอีกอย่างว่าการหดตัวแบบลอเรนซ์ เมื่อสังเกตวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหวด้วยสายตา นอกเหนือจากการหดตัวของลอเรนซ์แล้ว ยังจำเป็นต้องคำนึงถึงเวลาที่การแพร่กระจายของสัญญาณแสงจากพื้นผิวของร่างกายด้วย เป็นผลให้ร่างกายที่เคลื่อนไหวเร็วดูเหมือนถูกหมุน แต่ไม่ถูกบีบอัดในทิศทางของการเคลื่อนไหว

ผลกระทบดอปเปลอร์

ปล่อยให้แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ส่งสัญญาณคาบพร้อมความถี่ ความถี่นี้วัดโดยผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิด (หรือที่เรียกว่าความถี่ธรรมชาติ) หากผู้สังเกตการณ์ "นิ่ง" บันทึกสัญญาณเดียวกัน ความถี่ของสัญญาณจะแตกต่างจากความถี่ธรรมชาติ:

มุมระหว่างทิศทางไปยังแหล่งกำเนิดและความเร็วอยู่ที่ไหน

มีเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ตามยาวและตามขวาง ในกรณีแรก กล่าวคือ ต้นทางและตัวรับอยู่บนเส้นตรงเดียวกัน หากแหล่งกำเนิดเคลื่อนออกจากเครื่องรับ ความถี่ของมันจะลดลง (การเลื่อนสีแดง) และหากเข้าใกล้ ความถี่ของมันจะเพิ่มขึ้น (การเลื่อนสีน้ำเงิน):

ผลกระทบตามขวางเกิดขึ้นเมื่อ ซึ่งก็คือ ทิศทางไปยังแหล่งกำเนิดตั้งฉากกับความเร็วของมัน (เช่น แหล่งกำเนิด "ลอยอยู่เหนือเครื่องรับ") ในกรณีนี้ ผลของการขยายเวลาจะปรากฏโดยตรง:

ไม่มีความคล้ายคลึงกับเอฟเฟกต์ตามขวางในฟิสิกส์คลาสสิก และนี่คือเอฟเฟกต์เชิงสัมพัทธภาพล้วนๆ ในทางตรงกันข้าม เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ตามยาวนั้นเกิดจากทั้งองค์ประกอบดั้งเดิมและเอฟเฟกต์การขยายเวลาเชิงสัมพัทธภาพ

ความคลาดเคลื่อน

ยังคงใช้ได้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพด้วย อย่างไรก็ตาม อนุพันธ์ของเวลาได้มาจากแรงกระตุ้นเชิงสัมพัทธภาพ ไม่ใช่จากแรงกระตุ้นแบบคลาสสิก สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าความสัมพันธ์ระหว่างแรงและความเร่งแตกต่างอย่างมากจากแบบคลาสสิก:

เทอมแรกประกอบด้วย “มวลสัมพัทธภาพ” ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของแรงต่อความเร่ง ถ้าแรงนั้นตั้งฉากกับความเร็ว ในงานแรกเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพเรียกว่า "มวลตามขวาง" มันคือ "การเติบโต" ของมันที่พบในการทดลองเกี่ยวกับการโก่งตัวของอิเล็กตรอนด้วยสนามแม่เหล็ก พจน์ที่สองประกอบด้วย “มวลตามยาว” ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของแรงต่อความเร่ง ถ้าแรงกระทำขนานกับความเร็ว:

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น แนวคิดเหล่านี้ล้าสมัยและเกี่ยวข้องกับความพยายามที่จะรักษาสมการการเคลื่อนที่แบบคลาสสิกของนิวตันไว้

อัตราการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเท่ากับผลคูณสเกลาร์ของแรงและความเร็วของร่างกาย:

สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่า ส่วนประกอบของแรงที่ตั้งฉากกับความเร็วของอนุภาคจะไม่เปลี่ยนแปลงพลังงานของมัน เช่นเดียวกับในกลศาสตร์คลาสสิก (เช่น ส่วนประกอบแม่เหล็กในแรงลอเรนซ์)

การแปลงพลังงานและโมเมนตัม

เช่นเดียวกับการแปลงเวลาและพิกัดแบบลอเรนซ์ พลังงานและโมเมนตัมสัมพัทธภาพซึ่งวัดสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ ก็มีความสัมพันธ์กันด้วยความสัมพันธ์บางประการเช่นกัน

โดยที่องค์ประกอบของเวกเตอร์โมเมนตัมมีค่าเท่ากับ ความเร็วสัมพัทธ์และการวางแนวของระบบอ้างอิงเฉื่อย S, S" ถูกกำหนดในลักษณะเดียวกับในการแปลงแบบลอเรนซ์

สูตรโควาเรียน

อวกาศ-เวลาสี่มิติ

การแปลงแบบลอเรนซ์จะปล่อยให้ปริมาณคงที่ (ไม่เปลี่ยนแปลง) ต่อไปนี้เรียกว่าช่วง:

โดยที่ ฯลฯ คือความแตกต่างของเวลาและพิกัดของเหตุการณ์ทั้งสอง ถ้า พวกเขาบอกว่าเหตุการณ์ต่างๆ ถูกคั่นด้วยช่วงเวลาคล้ายเวลา ถ้า แล้วเหมือนอวกาศ สุดท้ายนี้ ถ้า แล้วช่วงเวลาดังกล่าวจะเรียกว่าเหมือนแสง ช่วงคล้ายแสงสอดคล้องกับเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณที่เดินทางด้วยความเร็วแสง ค่าคงที่ของช่วงเวลาหมายความว่ามีค่าเท่ากันสัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงเฉื่อยสองกรอบ:

ในรูปแบบนี้ ช่วงเวลาจะมีลักษณะคล้ายกับระยะทางในปริภูมิแบบยุคลิด อย่างไรก็ตาม มันมีสัญญาณที่แตกต่างกันสำหรับองค์ประกอบเชิงพื้นที่และเชิงเวลาของเหตุการณ์ ดังนั้นพวกเขาจึงกล่าวว่าช่วงเวลาระบุระยะทางในอวกาศ-เวลาสี่มิติหลอก-ยุคลิด เรียกอีกอย่างว่ากาลอวกาศ Minkowski การแปลงแบบลอเรนซ์มีบทบาทในการหมุนในพื้นที่ดังกล่าว การหมุนของพื้นฐานในอวกาศ-เวลาสี่มิติ การผสมเวลาและพิกัดเชิงพื้นที่ของเวกเตอร์ 4 ตัว ดูเหมือนการเปลี่ยนผ่านไปยังหน้าต่างอ้างอิงที่กำลังเคลื่อนที่ และคล้ายกับการหมุนในอวกาศสามมิติทั่วไป ในกรณีนี้ การฉายภาพช่วงเวลาสี่มิติระหว่างเหตุการณ์บางอย่างที่เกิดขึ้นกับเวลาและแกนเชิงพื้นที่ของระบบอ้างอิงจะเปลี่ยนแปลงไปตามธรรมชาติ ซึ่งก่อให้เกิดผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพจากการเปลี่ยนแปลงของเวลาและช่วงเชิงพื้นที่ เป็นโครงสร้างที่ไม่แปรเปลี่ยนของปริภูมินี้ ซึ่งระบุโดยสมมุติฐานของ STR ซึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อย้ายจากระบบอ้างอิงเฉื่อยระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง การใช้พิกัดเชิงพื้นที่เพียงสองพิกัด (x, y) จะทำให้พื้นที่สี่มิติสามารถแสดงเป็นพิกัด (t, x, y) เหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์กำเนิด (t=0, x=y=0) โดยสัญญาณแสง (ช่วงคล้ายแสง) จะอยู่บนสิ่งที่เรียกว่ากรวยแสง (ดูรูปด้านขวา)

เมตริกเทนเซอร์

ระยะห่างระหว่างเหตุการณ์ที่ปิดไม่สิ้นสุดสองเหตุการณ์สามารถเขียนได้โดยใช้เมตริกเทนเซอร์ในรูปแบบเมตริกซ์:

โดยที่ และดัชนีที่ซ้ำกันหมายถึงผลรวมจาก 0 ถึง 3 ในระบบอ้างอิงเฉื่อยที่มีพิกัดคาร์ทีเซียน เมตริกเทนเซอร์มีรูปแบบดังต่อไปนี้:

โดยสรุปเมทริกซ์แนวทแยงนี้แสดงดังนี้:

การเลือกระบบพิกัดที่ไม่ใช่คาร์ทีเซียน (เช่นการเปลี่ยนไปใช้พิกัดทรงกลม) หรือการพิจารณาระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงค่าของส่วนประกอบของเมตริกเทนเซอร์ แต่ลายเซ็นยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ มีการเปลี่ยนแปลงพิกัดและเวลาทั่วโลกอยู่เสมอ ซึ่งทำให้เมตริกเทนเซอร์ในแนวทแยงกับส่วนประกอบต่างๆ สถานการณ์ทางกายภาพนี้สอดคล้องกับการเปลี่ยนไปใช้ระบบอ้างอิงเฉื่อยด้วยพิกัดคาร์ทีเซียน กล่าวอีกนัยหนึ่ง กาลอวกาศสี่มิติของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนั้นแบนราบ (pseudo-Euclidean) ในทางตรงกันข้าม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) พิจารณาปริภูมิโค้งซึ่งเมตริกเทนเซอร์ไม่สามารถแปลงเป็นรูปแบบยูคลิดเทียมในปริภูมิทั้งหมดโดยการแปลงพิกัดใดๆ แต่ลายเซ็นของเทนเซอร์ยังคงเหมือนเดิม

4-เวกเตอร์

ความสัมพันธ์ SRT สามารถเขียนได้ในรูปแบบเทนเซอร์โดยการแนะนำเวกเตอร์ที่มีองค์ประกอบสี่ส่วน (ตัวเลขหรือดัชนีที่ด้านบนขององค์ประกอบคือตัวเลข ไม่ใช่ระดับของมัน!) องค์ประกอบที่เป็นศูนย์ของเวกเตอร์ 4 ตัวเรียกว่าชั่วคราว และองค์ประกอบที่มีดัชนี 1,2,3 เรียกว่าเชิงพื้นที่ พวกมันสอดคล้องกับองค์ประกอบของเวกเตอร์สามมิติธรรมดา ดังนั้น 4-เวกเตอร์จึงเขียนแทนได้ดังนี้: .

ส่วนประกอบของเวกเตอร์ 4 ตัว ซึ่งวัดสัมพันธ์กับเฟรมเฉื่อยสองเฟรมที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธ์ มีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันดังนี้:

ตัวอย่างของเวกเตอร์ 4 ตัว ได้แก่ จุดในอวกาศ-เวลาเทียมที่แสดงถึงเหตุการณ์ และพลังงาน-โมเมนตัม:

.

การใช้เมตริกเทนเซอร์คุณสามารถแนะนำสิ่งที่เรียกว่าได้ covectors ซึ่งแสดงด้วยตัวอักษรเดียวกัน แต่มีตัวห้อย:

สำหรับเทนเซอร์เมตริกในแนวทแยงที่มีลายเซ็นต์ โคเวคเตอร์จะแตกต่างจากเวกเตอร์ 4 ตัวตามเครื่องหมายที่อยู่ด้านหน้าส่วนประกอบเชิงพื้นที่ ดังนั้น ถ้า แล้ว . การบิดของเวกเตอร์และเวกเตอร์โคเวคเตอร์เป็นค่าคงที่และมีความหมายเหมือนกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด:

ตัวอย่างเช่น การบิด (กำลังสอง - เวกเตอร์ 4) ของพลังงาน-โมเมนตัมเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของมวลอนุภาค:

.

ฐานทดลองของ รฟท

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นรากฐานของฟิสิกส์สมัยใหม่ทั้งหมด ดังนั้นจึงไม่มีการทดลองแยกต่างหากที่ "พิสูจน์" SRT ข้อมูลการทดลองทั้งหมดในฟิสิกส์พลังงานสูง ฟิสิกส์นิวเคลียร์ สเปกโทรสโกปี ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ไฟฟ้าพลศาสตร์ และสาขาฟิสิกส์อื่นๆ สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพภายในขีดจำกัดของความแม่นยำในการทดลอง ตัวอย่างเช่น ในไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม (การรวมกันของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ทฤษฎีควอนตัม และสมการของแมกซ์เวลล์) ค่าของโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นพร้อมกันกับการทำนายทางทฤษฎีด้วยความแม่นยำสัมพัทธ์

อันที่จริง SRT เป็นวิทยาศาสตร์วิศวกรรมศาสตร์ สูตรของมันใช้ในการคำนวณเครื่องเร่งอนุภาค การประมวลผลข้อมูลจำนวนมหาศาลเกี่ยวกับการชนกันของอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธภาพในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับกฎของไดนามิกเชิงสัมพัทธภาพ ซึ่งตรวจไม่พบความเบี่ยงเบนจากนี้ การแก้ไขที่เกิดจาก SRT และ GTR จะถูกนำมาใช้ในระบบนำทางด้วยดาวเทียม (GPS) รฟท. รองรับพลังงานนิวเคลียร์ ฯลฯ

ทั้งหมดนี้ไม่ได้หมายความว่า SRT ไม่มีข้อจำกัดในการบังคับใช้ ในทางตรงกันข้าม พวกมันมีอยู่จริงเช่นเดียวกับทฤษฎีอื่น ๆ และการจำแนกพวกมันเป็นงานสำคัญของฟิสิกส์ทดลอง ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ (GTR) พิจารณาลักษณะทั่วไปของปริภูมิยูคลิดเทียมของ STR ในกรณีของกาล-อวกาศที่มีความโค้ง ซึ่งช่วยให้เราสามารถอธิบายข้อมูลที่สังเกตได้ส่วนใหญ่ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์และจักรวาลวิทยา มีความพยายามที่จะตรวจจับแอนไอโซโทรปีของอวกาศและผลกระทบอื่นๆ ที่สามารถเปลี่ยนความสัมพันธ์ STR ได้ อย่างไรก็ตาม มีความจำเป็นต้องเข้าใจว่าหากพวกเขาถูกค้นพบ พวกเขาจะนำไปสู่ทฤษฎีทั่วไปมากขึ้น ซึ่งในกรณีที่จำกัดก็คือ STR อีกครั้ง ในทำนองเดียวกัน ที่ความเร็วต่ำ กลศาสตร์คลาสสิกซึ่งเป็นกรณีพิเศษของทฤษฎีสัมพัทธภาพ ยังคงถูกต้อง โดยทั่วไป เนื่องจากหลักการโต้ตอบ ทฤษฎีที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองจำนวนมากจึงไม่สามารถสรุปได้ว่าไม่ถูกต้อง แม้ว่าแน่นอนว่าขอบเขตของการนำไปประยุกต์ใช้อาจถูกจำกัดก็ตาม

ด้านล่างนี้เป็นเพียงการทดลองบางส่วนที่แสดงให้เห็นถึงความถูกต้องของ STR และข้อกำหนดแต่ละข้อ

การขยายเวลาเชิงสัมพัทธภาพ

ความจริงที่ว่าเวลาไหลช้าลงสำหรับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ได้รับการยืนยันอย่างต่อเนื่องในการทดลองที่ดำเนินการในฟิสิกส์พลังงานสูง ตัวอย่างเช่น อายุขัยของมิวออนในตัวเร่งวงแหวนที่ CERN จะเพิ่มขึ้นอย่างแม่นยำตามสูตรสัมพัทธภาพ ในการทดลองนี้ ความเร็วของมิวออนเท่ากับ 0.9994 เท่าของความเร็วแสง ซึ่งส่งผลให้อายุการใช้งานของพวกมันเพิ่มขึ้น 29 เท่า การทดลองนี้ก็มีความสำคัญเช่นกันเนื่องจากด้วยรัศมี 7 เมตรของวงแหวน ความเร่งของมิวออนถึงค่าเท่ากับความเร่งของแรงโน้มถ่วง ในทางกลับกัน สิ่งนี้บ่งชี้ว่าผลกระทบของการขยายเวลานั้นเกิดจากความเร็วของวัตถุเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับความเร่งของมัน

นอกจากนี้ การวัดขนาดของการขยายเวลายังดำเนินการด้วยวัตถุขนาดมหึมาอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในการทดลองของ Hafele-Keating มีการเปรียบเทียบการอ่านค่านาฬิกาอะตอมที่อยู่กับที่และนาฬิกาอะตอมที่บินบนเครื่องบิน

ความเป็นอิสระของความเร็วแสงจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิด

ในช่วงเริ่มต้นของทฤษฎีสัมพัทธภาพ แนวคิดของวอลเตอร์ ริทซ์ที่ว่าผลลัพธ์เชิงลบของการทดลองของมิเชลสันสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีขีปนาวุธได้รับความนิยมพอสมควร ในทฤษฎีนี้ สันนิษฐานว่าแสงถูกปล่อยออกมาด้วยความเร็วสัมพันธ์กับแหล่งกำเนิด และความเร็วของแสงและความเร็วของแหล่งกำเนิดจะถูกบวกเข้าด้วยกันตามกฎคลาสสิกของการบวกความเร็ว โดยธรรมชาติแล้วทฤษฎีนี้ขัดแย้งกับรฟท.

การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ให้ข้อพิสูจน์ที่น่าเชื่อถือต่อแนวคิดดังกล่าว ตัวอย่างเช่น เมื่อสังเกตดาวคู่ที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วม ตามทฤษฎีริตซ์ จะเกิดผลกระทบที่ไม่มีใครสังเกตได้จริง (ข้อโต้แย้งของผู้ดูแล) แท้จริงแล้ว ความเร็วแสง ("ภาพ") จากดาวฤกษ์ที่เข้าใกล้โลกจะสูงกว่าความเร็วแสงจากดาวฤกษ์ที่เคลื่อนที่ออกไประหว่างการหมุนรอบตัวเอง ที่ระยะห่างจากระบบไบนารี่มากขึ้น "รูปภาพ" ที่เร็วกว่าจะมีประสิทธิภาพดีกว่าระบบที่ช้ากว่าอย่างมาก ส่งผลให้การเคลื่อนที่ปรากฏของดาวฤกษ์คู่ดูค่อนข้างแปลกซึ่งไม่มีใครสังเกตได้

บางครั้งมีการโต้แย้งว่าสมมติฐานของริตซ์นั้น "ตามความเป็นจริง" ถูกต้อง แต่เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านอวกาศระหว่างดาว แสงจะถูกปล่อยออกมาอีกครั้งโดยอะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งมีความเร็วเป็นศูนย์โดยเฉลี่ยเมื่อเทียบกับโลก และได้ความเร็วเท่ากับ .

อย่างไรก็ตาม หากเป็นเช่นนั้น จะมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในภาพของดาวฤกษ์คู่ในช่วงสเปกตรัมที่ต่างกัน เนื่องจากผลของ "การเคลื่อนตัว" กับตัวกลางแสงจะขึ้นอยู่กับความถี่ของมันอย่างมาก

ในการทดลองของ Tomaszek (1923) ได้มีการเปรียบเทียบรูปแบบการรบกวนจากแหล่งกำเนิดบนบกและนอกโลก (ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวพฤหัสบดี ดาวซิริอุส และอาร์คทูรัส) โดยใช้อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ วัตถุเหล่านี้ทั้งหมดมีความเร็วต่างกันเมื่อเทียบกับโลก แต่ตรวจไม่พบการเปลี่ยนแปลงของขอบสัญญาณรบกวนที่คาดหวังในแบบจำลองริทซ์ การทดลองเหล่านี้ถูกทำซ้ำหลายครั้งในเวลาต่อมา ตัวอย่างเช่น ในการทดลองของ Bonch-Bruevich A.M. และ Molchanov V.A. (1956) วัดความเร็วแสงจากขอบต่างๆ ของดวงอาทิตย์ที่หมุนรอบตัวเอง ผลลัพธ์ของการทดลองเหล่านี้ขัดแย้งกับสมมติฐานของริทซ์ด้วย

ภาพสเก็ตช์ประวัติศาสตร์

ความเชื่อมโยงกับทฤษฎีอื่นๆ

แรงโน้มถ่วง

กลศาสตร์คลาสสิก

ทฤษฎีสัมพัทธภาพขัดแย้งกับบางแง่มุมของกลศาสตร์คลาสสิกอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ความขัดแย้งของ Ehrenfest แสดงให้เห็นถึงความไม่ลงรอยกันของ STR กับแนวคิดเรื่องวัตถุที่แข็งแกร่งอย่างยิ่ง ควรสังเกตว่าแม้แต่ในฟิสิกส์คลาสสิกก็สันนิษฐานว่าผลกระทบทางกลต่อวัตถุที่เป็นของแข็งนั้นแพร่กระจายด้วยความเร็วของเสียงและไม่ใช่ด้วยความเร็วอนันต์เลย (อย่างที่ควรจะเป็นในสื่อที่เป็นของแข็งในจินตนาการ)

กลศาสตร์ควอนตัม

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ตรงข้ามกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) เข้ากันได้กับกลศาสตร์ควอนตัมอย่างสมบูรณ์ การสังเคราะห์ของพวกเขาคือทฤษฎีสนามควอนตัมเชิงสัมพันธ์ อย่างไรก็ตาม ทั้งสองทฤษฎีมีความเป็นอิสระจากกันโดยสิ้นเชิง เป็นไปได้ที่จะสร้างทั้งกลศาสตร์ควอนตัมโดยอิงตามหลักการสัมพัทธภาพที่ไม่สัมพันธ์กันของกาลิเลโอ (ดูสมการชโรดิงเงอร์) และทฤษฎีที่มีพื้นฐานจาก SRT ซึ่งเพิกเฉยต่อผลกระทบของควอนตัมโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีสนามควอนตัมสามารถกำหนดเป็นทฤษฎีที่ไม่สัมพันธ์กันได้ ในเวลาเดียวกัน ปรากฏการณ์ทางกลควอนตัม เช่น การหมุน ตามลำดับไม่สามารถอธิบายได้โดยไม่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (ดูสมการดิแรก)

การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมยังคงดำเนินต่อไป และนักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าทฤษฎีที่สมบูรณ์ในอนาคตจะตอบทุกคำถามที่มีความหมายทางกายภาพ และจะให้ STR ทั้งสองร่วมกับทฤษฎีสนามควอนตัมและ GRT ภายในขีดจำกัด เป็นไปได้มากว่า SRT จะเผชิญกับชะตากรรมเช่นเดียวกับกลศาสตร์ของนิวตัน - ขีดจำกัดของการบังคับใช้จะได้รับการสรุปอย่างแม่นยำ ในเวลาเดียวกัน ทฤษฎีทั่วไปขั้นสูงสุดเช่นนี้ยังคงเป็นโอกาสที่ห่างไกล

ดูสิ่งนี้ด้วย

หมายเหตุ

แหล่งที่มา

1. กินซ์เบิร์ก วี.แอล. ชุดสะสมของไอน์สไตน์ พ.ศ. 2509 - ม.: Nauka, 2509. - หน้า 363. - 375 น. - 16,000 เล่ม
2. กินซ์เบิร์ก วี.แอล.ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นอย่างไรและใครเป็นผู้สร้าง? วี ชุดสะสมของไอน์สไตน์ พ.ศ. 2509 - ม.: Nauka, 2509. - หน้า 366-378 - 375 หน้า - 16,000 เล่ม
3. Satsunkevich I.S.รากทดลองของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ - ฉบับที่ 2 - อ.: URSS, 2546. - 176 หน้า - ไอ 5-354-00497-7
4. มิสเนอร์ ซี., ธอร์น เค., วีลเลอร์ เจ.แรงโน้มถ่วง. - ม.: มีร์ 2520 - ต. 1. - หน้า 109. - 474 หน้า
5. Einstein A. “Zur Elektrodynamik bewegter Korper” Ann Phys.- 1905.- Bd 17.- S. 891. การแปล: Einstein A. “เกี่ยวกับไฟฟ้าพลศาสตร์ของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่” ไอน์สไตน์ เอ.รวบรวมผลงานทางวิทยาศาสตร์ - ม.: Nauka, 2508. - ต. 1. - หน้า 7-35. - 700 วิ - 32,000 เล่ม
6. Matveev A. N.กลศาสตร์และทฤษฎีสัมพัทธภาพ - ฉบับที่ 2 แก้ไขแล้ว - ม.: สูงกว่า. โรงเรียน พ.ศ. 2529 - หน้า 78-80. - 320 วิ - 28,000 เล่ม
7. เพาลี ดับเบิลยู.ทฤษฎีสัมพัทธภาพ - อ.: วิทยาศาสตร์ ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 3 แก้ไขใหม่ - 328 หน้า - 17,700 เล่ม. - ไอ 5-02-014346-4
8. ฟอน ฟิลิป แฟรงค์คาด แฮร์มันน์ รอธ“Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme” แอนน์ เดอร์ ฟิสิก, Ser. 4, เล่ม. 34, เลขที่. 5, 1911, หน้า. 825-855 (การแปลภาษารัสเซีย)
9. ฟ็อก วี.เอ.ทฤษฎีอวกาศ-เวลาและแรงโน้มถ่วง - ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2 ขยายความ - อ.: สำนักพิมพ์ของรัฐ. ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ สว่าง., 1961. - หน้า 510-518. - 568 หน้า - 10,000 เล่ม
10. "การเปลี่ยนแปลงของลอเรนซ์" ในหนังสือ "โลกสัมพัทธภาพ"
11. คิทเทล ซี., ไนต์ ยู., รูเดอร์แมน เอ็ม.หลักสูตรฟิสิกส์เบิร์กลีย์ - ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 3 แก้ไขแล้ว - ม.: Nauka, 1986. - T. I. กลศาสตร์. - หน้า 373,374. - 481 น.
12. ฟอน W.v. อิกนาตอฟสกี้“Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip” Verh. ง. เยอรมัน. ฟิสิกส์ เกส. 12/788-96/1910 (ฉบับแปลภาษารัสเซีย)
13. เทอร์เล็ตสกี้ พี.ความขัดแย้งของทฤษฎีสัมพัทธภาพ - อ.: เนากา, 2509. - หน้า 23-31. - 120 วิ - 16,500 เล่ม.

งานของนิวตันเป็นตัวอย่างของการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ครั้งใหญ่ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในแนวคิดทางวิทยาศาสตร์เกือบทั้งหมดในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ ตั้งแต่สมัยนิวตัน กระบวนทัศน์ของฟิสิกส์คลาสสิกเกิดขึ้นและกลายเป็นระบบหลักและกำหนดมุมมองทางวิทยาศาสตร์มาเป็นเวลาเกือบ 250 ปี

สาวกของนิวตันเริ่มปรับแต่งค่าคงที่ที่เขาค้นพบอย่างมีความหมาย โรงเรียนวิทยาศาสตร์เริ่มก่อตัวขึ้นทีละน้อย วิธีการสังเกตและการวิเคราะห์ และการจำแนกปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆ ได้ถูกก่อตั้งขึ้น เครื่องมือและอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์เริ่มมีการผลิตในลักษณะโรงงาน วารสารเริ่มตีพิมพ์ในสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติหลายสาขา วิทยาศาสตร์ได้กลายเป็นสาขาที่สำคัญที่สุดของกิจกรรมของมนุษย์

ดังนั้น กลศาสตร์และจักรวาลวิทยาของนิวตันจึงได้สถาปนาตัวเองเป็นพื้นฐานของโลกทัศน์ใหม่ แทนที่คำสอนของอริสโตเติลและโครงสร้างทางวิชาการในยุคกลางที่ครอบงำมานานกว่าพันปี

อย่างไรก็ตาม เมื่อถึงปลายศตวรรษที่ 19 ข้อเท็จจริงเริ่มปรากฏว่าขัดแย้งกับกระบวนทัศน์หลัก และความไม่สอดคล้องหลักๆ ก็ถูกพบเห็นอีกครั้งในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่มีการพัฒนาแบบไดนามิกมากที่สุดในขณะนั้น

ตัวอย่างคลาสสิกของสถานการณ์นี้คือคำกล่าวของลอร์ดเคลวิน (วิลเลียม ทอมสัน) ผู้ซึ่งในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ตั้งข้อสังเกตว่า "ในท้องฟ้าที่แจ่มใสและส่องแสงของฟิสิกส์คลาสสิกในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีเมฆขนาดเล็กเพียงสองก้อนเท่านั้น" หนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับผลลัพธ์เชิงลบของการทดลองของ Michelson เพื่อกำหนดความเร็วสัมบูรณ์ของโลก ส่วนอีกอันเกี่ยวข้องกับความขัดแย้งระหว่างข้อมูลทางทฤษฎีและการทดลองเกี่ยวกับการกระจายพลังงานในสเปกตรัมของวัตถุสีดำสนิท

เคลวินแสดงความเข้าใจอันลึกซึ้งที่ไม่ธรรมดา ปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขเหล่านี้นำไปสู่การเกิดขึ้นของทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพและทฤษฎีควอนตัมของไอน์สไตน์ ซึ่งก่อให้เกิดพื้นฐานของกระบวนทัศน์วิทยาศาสตร์ธรรมชาติแบบใหม่

นอกจากนี้ยังสังเกตได้ว่าการใช้ฟิสิกส์แบบนิวตันคลาสสิกไม่อนุญาตให้คำนวณวงโคจรของดาวพุธได้อย่างแม่นยำ และสมการไฟฟ้าพลศาสตร์ของแมกซ์เวลล์ไม่สอดคล้องกับกฎการเคลื่อนที่แบบคลาสสิก

ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพคือความขัดแย้งที่กล่าวไปแล้วอย่างแน่นอน การปณิธานของพวกเขาเป็นไปได้ด้วยการนำแนวทางสัมพัทธภาพใหม่มาสู่วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ

สิ่งที่มักจะไม่เข้าใจอย่างชัดเจนคือความจริงที่ว่าความปรารถนาโดยทั่วไปสำหรับแนวทางเชิงสัมพันธ์ (หรือเชิงสัมพันธ์) กับกฎฟิสิกส์เริ่มปรากฏให้เห็นตั้งแต่ระยะเริ่มแรกในการพัฒนาวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ เริ่มต้นจากอริสโตเติล นักวิทยาศาสตร์ถือว่าโลกเป็นจุดศูนย์กลางของอวกาศ และช่วงเวลาเริ่มแรกถูกใช้เป็นแรงผลักดันเริ่มแรกที่ทำให้สสารดึกดำบรรพ์เคลื่อนที่ แนวคิดของอริสโตเติลได้รับการยอมรับว่าเป็นสิ่งที่สมบูรณ์ในจิตสำนึกในยุคกลาง แต่เมื่อถึงปลายศตวรรษที่ 15 แนวคิดเหล่านั้นก็ได้ขัดแย้งกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่สังเกตได้อยู่แล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งความไม่สอดคล้องกันมากมายได้สะสมอยู่ในดาราศาสตร์

ความพยายามอย่างจริงจังครั้งแรกในการแก้ไขความขัดแย้งเกิดขึ้นโดยโคเปอร์นิคัส เพียงแค่ยอมรับว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ไม่ใช่รอบโลก นั่นคือเป็นครั้งแรกที่เขานำโลกออกจากใจกลางจักรวาลและลิดรอนพื้นที่ของจุดเริ่มต้น อันที่จริงนี่คือจุดเริ่มต้นของการปรับโครงสร้างความคิดของมนุษย์ทั้งหมดอย่างเด็ดขาด แม้ว่าโคเปอร์นิคัสจะวางดวงอาทิตย์ไว้ตรงกลางนี้ แต่เขาก็ยังคงก้าวไปอีกขั้นเพื่อให้แน่ใจว่าผู้คนในเวลาต่อมาตระหนักว่าแม้แต่ดวงอาทิตย์ก็สามารถเป็นเพียงหนึ่งในดาวฤกษ์หลายๆ ดวงได้ และไม่สามารถหาจุดศูนย์กลางได้เลย จากนั้น ความคิดที่คล้ายกันก็เกิดขึ้นตามธรรมชาติเกี่ยวกับเวลา และจักรวาลเริ่มถูกมองว่าไม่มีที่สิ้นสุดและเป็นนิรันดร์ โดยไม่มีช่วงเวลาแห่งการสร้างสรรค์ใดๆ และไม่มี "จุดสิ้นสุด" ใดๆ ที่มันเคลื่อนไป

การเปลี่ยนแปลงนี้เองที่นำไปสู่การกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพ เนื่องจากไม่มีตำแหน่งพิเศษในอวกาศและช่วงเวลาพิเศษในเวลา ดังนั้นกฎทางกายภาพจึงสามารถนำไปใช้กับจุดใดๆ ที่เป็นศูนย์กลางได้อย่างเท่าเทียมกัน และข้อสรุปเดียวกันจะตามมา ในแง่นี้ สถานการณ์โดยพื้นฐานแตกต่างไปจากที่เกิดขึ้นในทฤษฎีของอริสโตเติล ตัวอย่างเช่น จุดศูนย์กลางของโลกได้รับมอบหมายบทบาทพิเศษให้เป็นจุดที่สสารทั้งหมดมุ่งไป แนวโน้มไปสู่ความสัมพันธ์สัมพันธ์สะท้อนให้เห็นในเวลาต่อมาในกฎของกาลิเลโอและนิวตัน

กาลิเลโอแสดงความคิดเห็นว่าการเคลื่อนไหวนั้นมีลักษณะสัมพันธ์กัน นั่นคือการเคลื่อนที่ที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงของร่างกายสามารถกำหนดได้เฉพาะเมื่อเทียบกับวัตถุที่ไม่มีส่วนร่วมในการเคลื่อนไหวดังกล่าวเท่านั้น

ลองนึกภาพในใจว่ารถไฟขบวนหนึ่งแล่นผ่านไปด้วยความเร็วคงที่และไม่มีการกระแทก นอกจากนี้ม่านก็ปิดอยู่และไม่มีอะไรมองเห็นได้ ผู้โดยสารสามารถบอกได้ไหมว่ารถไฟขบวนไหนกำลังวิ่งและขบวนไหนหยุดนิ่ง? พวกเขาสามารถสังเกตการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์เท่านั้น นี่คือแนวคิดหลักของหลักการสัมพัทธภาพคลาสสิก

การค้นพบหลักสัมพัทธภาพแห่งการเคลื่อนที่ถือเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดประการหนึ่ง หากไม่มีเขา การพัฒนาฟิสิกส์คงเป็นไปไม่ได้ ตามสมมติฐานของกาลิเลโอ การเคลื่อนที่เฉื่อยและการพักนั้นแยกไม่ออกในผลกระทบที่มีต่อวัตถุ เพื่อที่จะไปยังคำอธิบายของเหตุการณ์ในหน้าต่างอ้างอิงที่กำลังเคลื่อนที่ จำเป็นต้องดำเนินการแปลงพิกัดที่เรียกว่า "การเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอ"ซึ่งตั้งชื่อตามผู้แต่ง

ยกตัวอย่างระบบพิกัดบางระบบ เอ็กซ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบอ้างอิงแบบตายตัว ให้เราจินตนาการถึงวัตถุที่เคลื่อนที่ไปตามแกน เอ็กซ์ด้วยความเร็วคงที่ โวลต์- พิกัด เอ็กซ์ " , ที" ซึ่งสัมพันธ์กับวัตถุนี้ แล้วถูกกำหนดโดยการแปลงแบบกาลิเลียน

x" = x - ut
ย" = ย
ซ" = ซ
เสื้อ" = เสื้อ

สิ่งที่น่าสังเกตเป็นพิเศษคือสมการที่สาม ( เสื้อ" = เสื้อ) โดยที่อัตรานาฬิกาไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ กฎหมายเดียวกันนี้ใช้ทั้งในกรอบอ้างอิงเก่าและกรอบอ้างอิงใหม่ นี่คือหลักการสัมพัทธภาพที่มีข้อจำกัด เราพูดเช่นนี้เพราะกฎของกลศาสตร์แสดงออกมาด้วยความสัมพันธ์เดียวกันในระบบอ้างอิงทั้งหมดที่เชื่อมโยงถึงกันด้วยการแปลงแบบกาลิเลียน

ตามที่นิวตันผู้พัฒนาแนวคิดของกาลิเลโอเกี่ยวกับสัมพัทธภาพของการเคลื่อนที่ การทดลองทางกายภาพทั้งหมดที่ดำเนินการในห้องปฏิบัติการที่เคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง (กรอบอ้างอิงเฉื่อย) จะให้ผลลัพธ์เหมือนกับว่ามันอยู่นิ่ง

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว แม้ว่าฟิสิกส์คลาสสิกจะประสบความสำเร็จในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่ข้อเท็จจริงบางอย่างก็ได้สะสมไว้ซึ่งขัดแย้งกัน

ข้อมูลใหม่เหล่านี้ซึ่งค้นพบในศตวรรษที่ 19 นำไปสู่แนวคิดเชิงสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์

การปฏิวัติทางฟิสิกส์เริ่มต้นจากการค้นพบของโรเมอร์ ปรากฏว่าความเร็วแสงมีจำกัดและมีค่าประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที จากนั้นแบรดรีก็ค้นพบปรากฏการณ์ความคลาดเคลื่อนของดวงดาว จากการค้นพบเหล่านี้ พบว่าความเร็วแสงในสุญญากาศคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและตัวรับ

ความเร็วแสงขนาดมหึมาแต่ยังไม่สิ้นสุดในความว่างเปล่าทำให้เกิดความขัดแย้งกับหลักการสัมพัทธภาพของการเคลื่อนที่ ลองจินตนาการถึงรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมหาศาล - 240,000 กิโลเมตรต่อวินาที ให้เราเป็นหัวรถไฟและมีหลอดไฟติดที่ส่วนท้ายรถไฟ ลองคิดถึงผลลัพธ์ของการวัดเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากปลายด้านหนึ่งของรถไฟไปยังอีกด้านหนึ่ง

ครั้งนี้ดูจะแตกต่างไปจากที่เรานั่งรถไฟไปพักเฉยๆ ในความเป็นจริง เมื่อเทียบกับรถไฟที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 240,000 กิโลเมตรต่อวินาที แสงจะมีความเร็ว (ไปข้างหน้าไปตามขบวนรถไฟ) เพียง 300,000 - 240,000 = 60,000 กิโลเมตรต่อวินาที ดูเหมือนว่าแสงจะส่องชนผนังด้านหน้าของรถหัวรถที่วิ่งหนีออกไป หากวางหลอดไฟไว้ที่หัวรถไฟและวัดเวลาที่แสงจะไปถึงรถคันสุดท้ายดูเหมือนว่าความเร็วแสงในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของรถไฟควรจะอยู่ที่ 240,000 + 300,000 = 540,000 กิโลเมตรต่อวินาที (ไฟกับรถท้ายวิ่งเข้าหากัน)

ดังนั้น ปรากฎว่าในรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่ แสงจะต้องกระจายไปในทิศทางที่ต่างกันด้วยความเร็วที่ต่างกัน ในขณะที่รถไฟที่อยู่กับที่ ความเร็วนี้จะเท่ากันในทั้งสองทิศทาง

ด้วยเหตุนี้ ภายใต้การแปลงแบบกาลิเลียน สมการของแมกซ์เวลล์สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจึงไม่มีรูปแบบที่ไม่แปรเปลี่ยน พวกเขาอธิบายการแพร่กระจายของแสงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทอื่นที่มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง C เพื่อแก้ไขความขัดแย้งภายในกรอบของฟิสิกส์คลาสสิก จำเป็นต้องค้นหากรอบอ้างอิงพิเศษซึ่งสมการของแมกซ์เวลล์จะเป็นอย่างแน่นอน พอใจและความเร็วแสงจะเท่ากับ C ในทุกทิศทาง ดังนั้นนักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 19 จึงตั้งสมมุติฐานการมีอยู่ของอีเทอร์ ซึ่งจริงๆ แล้วบทบาทลดลงเหลือเพียงการสร้างพื้นฐานทางกายภาพสำหรับกรอบอ้างอิงพิเศษดังกล่าว

มีการทดลองเพื่อหาความเร็วของการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเทอร์ (เช่น การทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์) เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ลำแสงจากแหล่งกำเนิดที่ผ่านปริซึมถูกแยกออกในทิศทางการเคลื่อนที่ของโลกและตั้งฉากกับมัน ตามแนวคิด ถ้าความเร็วเท่ากัน ลำแสงทั้งสองลำจะมาถึงปริซึมพร้อมๆ กัน และความเข้มของแสงจะเพิ่มขึ้น หากความเร็วต่างกัน ความเข้มของแสงจะลดลง ผลลัพธ์ของการทดลองเป็นศูนย์ ไม่สามารถระบุความเร็วของโลกเทียบกับอีเธอร์ได้

เมื่อการทดลองไม่ยืนยันการทำนายทฤษฎีง่ายๆ ของอีเทอร์เกี่ยวกับคุณสมบัติของระบบอ้างอิงนี้ H. Lorentz อีกครั้งโดยมีเป้าหมายเพื่อรักษาฟิสิกส์คลาสสิกได้เสนอทฤษฎีใหม่ที่อธิบายผลลัพธ์เชิงลบของการทดลองดังกล่าวเป็น ผลที่ตามมาจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในเครื่องมือวัดเมื่อมีการเคลื่อนที่สัมพันธ์กับอีเธอร์ เขาอธิบายความแตกต่างระหว่างผลการสังเกตกับกฎของนิวตันโดยการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับเครื่องมือเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้กับ C

ลอเรนซ์แนะนำว่าเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วแสง การแปลงแบบกาลิเลโอไม่สามารถนำมาใช้ได้ เนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงผลของความเร็วสูงด้วย การเปลี่ยนแปลงของเขาซึ่งมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงเรียกว่า "การแปลงแบบลอเรนซ์" การแปลงแบบกาลิเลโอเป็นกรณีพิเศษของการแปลงแบบลอเรนซ์สำหรับระบบที่มีความเร็วต่ำ

การแปลงแบบลอเรนซ์มีรูปแบบ:

ตามการแปลงแบบลอเรนซ์ ปริมาณทางกายภาพ - มวลของร่างกาย ความยาวในทิศทางของการเคลื่อนที่และเวลาขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของวัตถุตามความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

	ที่ไหน ม- มวลร่างกาย	ความหมายของการแปลงแบบลอเรนซ์เหล่านี้กล่าวว่า: น้ำหนักตัวเพิ่มขึ้นด้วยความเร็วใกล้แสง ความยาวลำตัวลดลงเมื่อเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่สอดคล้องกับเวกเตอร์ความเร็ว การเพิ่มเวลาระหว่างสองเหตุการณ์หรือทำให้เวลาช้าลง
	ที่ไหน ล- ความยาวลำตัว
	ที่ไหน ∆ที – ช่วงเวลาระหว่างสองเหตุการณ์

จากการพยายามค้นหาความหมายทางกายภาพของรูปแบบที่ลอเรนซ์ค้นพบ เราสามารถสรุปได้ว่าในทิศทาง x ซึ่งตรงกับเวกเตอร์ความเร็ว วัตถุทั้งหมดจะถูกบีบอัด และยิ่งแข็งแกร่งเท่าใด ความเร็วในการเคลื่อนที่ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น นั่นคือร่างกายจะหดตัวเนื่องจากการแบนของวงโคจรอิเล็กตรอน เมื่อถึงความเร็วแสง เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการขยายเวลาในระบบที่กำลังเคลื่อนที่ได้ ความขัดแย้งคู่แฝดที่รู้จักกันดีนั้นมีพื้นฐานมาจากหลักการนี้ หากฝาแฝดคนใดคนหนึ่งเดินทางในอวกาศเป็นเวลาห้าปีบนเรือด้วยความเร็วต่ำกว่าแสง เขาจะกลับสู่โลกเมื่อพี่ชายฝาแฝดของเขาแก่มากแล้ว ผลของการเพิ่มมวลต่อวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วแสงสามารถอธิบายได้ด้วยการเพิ่มพลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว ตามแนวคิดของไอน์สไตน์เกี่ยวกับอัตลักษณ์ของมวลและพลังงาน พลังงานจลน์ส่วนหนึ่งของร่างกายจะถูกแปลงเป็นมวลระหว่างการเคลื่อนไหว

หากเราใช้การแปลงแบบลอเรนซ์กับสมการไฟฟ้าพลศาสตร์ของแมกซ์เวลล์ ปรากฎว่ามันไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงดังกล่าว

ไอน์สไตน์ใช้การแปลงแบบลอเรนซ์เพื่อพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขา

พื้นที่และเวลา

ข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพคือแนวคิดใหม่เกี่ยวกับคุณสมบัติของอวกาศและเวลา

ในจิตสำนึกธรรมดา เวลาประกอบด้วยการประสานงานตามธรรมชาติที่มีอยู่อย่างเป็นกลางของปรากฏการณ์ที่ต่อเนื่องกัน ลักษณะเชิงพื้นที่คือตำแหน่งของวัตถุบางส่วนที่สัมพันธ์กับวัตถุอื่นและระยะห่างระหว่างวัตถุเหล่านั้น

ในระบบทฤษฎีของนิวตัน แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ประการแรกเกี่ยวกับเวลาในฐานะวัตถุประสงค์ เอนทิตีอิสระได้รับการกำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งเป็นแนวคิดที่สำคัญเกี่ยวกับเวลา แนวคิดนี้มีต้นกำเนิดมาจากนักอะตอมมิกในสมัยโบราณและเจริญรุ่งเรืองในหลักคำสอนเรื่องอวกาศและเวลาสัมบูรณ์ของนิวตัน รองจากนิวตัน แนวคิดนี้เป็นผู้นำในวิชาฟิสิกส์จนถึงต้นศตวรรษที่ 20 นิวตันใช้แนวทางสองประการในการกำหนดเวลาและพื้นที่ ตามแนวทางนี้ มีทั้งเวลาสัมบูรณ์และเวลาสัมพัทธ์

เวลาสัมบูรณ์ เวลาจริง และทางคณิตศาสตร์ในตัวเอง โดยไม่มีความเกี่ยวข้องกับสิ่งภายนอกใดๆ จะไหลสม่ำเสมอและเรียกว่าระยะเวลา

เวลาสัมพัทธ์ เวลาปรากฏ หรือปกติเป็นหน่วยวัดระยะเวลาที่ใช้ในชีวิตประจำวัน แทนที่จะเป็นเวลาทางคณิตศาสตร์ เช่น หนึ่งชั่วโมง เดือน ปี ฯลฯ

เวลาที่แน่นอนไม่สามารถเปลี่ยนแปลงไปตามกระแสของมันได้

ในระดับรายวันสามารถมีระบบการนับระยะเวลาที่ยาวนานได้ หากระบุลำดับการนับวันในหนึ่งปีและมีการระบุยุคสมัย แสดงว่าเป็นปฏิทิน

แนวคิดเชิงสัมพันธ์ของเวลามีความเก่าแก่พอๆ กับแนวคิดที่เป็นสาระสำคัญ ได้รับการพัฒนาในผลงานของเพลโตและอริสโตเติล อริสโตเติลเป็นคนแรกที่ให้แนวคิดโดยละเอียดเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องเวลาในวิชาฟิสิกส์ของเขา ในแนวคิดนี้ เวลาไม่ใช่สิ่งที่มีอยู่อย่างอิสระ แต่เป็นสิ่งที่ได้มาจากสิ่งพื้นฐานที่มากกว่า สำหรับเพลโต เวลาถูกสร้างขึ้นโดยพระเจ้า สำหรับอริสโตเติลนั้นเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวทางวัตถุอย่างเป็นกลาง ในปรัชญายุคปัจจุบัน เริ่มต้นด้วยเดส์การตส์และลงท้ายด้วยนักคิดเชิงบวกแห่งศตวรรษที่ 19 เวลาเป็นทรัพย์สินหรือความสัมพันธ์ที่แสดงออกถึงแง่มุมต่างๆ ของกิจกรรมของจิตสำนึกของมนุษย์

ปัญหาเรื่องอวกาศเมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดก็กลายเป็นเรื่องยากเช่นกัน อวกาศเป็นรูปแบบที่เป็นไปได้ในเชิงตรรกะซึ่งทำหน้าที่เป็นสื่อกลางซึ่งมีรูปแบบอื่นและโครงสร้างบางอย่างอยู่ ตัวอย่างเช่น ในเรขาคณิตเบื้องต้น ระนาบคือพื้นที่ที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการสร้างสรรค์รูปทรงต่างๆ ที่เป็นรูปทรงแบนๆ

ในกลศาสตร์คลาสสิกของนิวตัน พื้นที่สัมบูรณ์โดยแก่นแท้ของมัน โดยไม่คำนึงถึงสิ่งภายนอก จะยังคงเหมือนเดิมและไม่เคลื่อนไหวเสมอ มันทำหน้าที่เป็นอะนาล็อกของความว่างเปล่าของพรรคเดโมคริตุสและเป็นเวทีของพลวัตของวัตถุทางกายภาพ

แนวคิดของอริสโตเติลเกี่ยวกับอวกาศไอโซโทรปิกแยกออกจากความเป็นเนื้อเดียวกันและความไม่มีที่สิ้นสุดของอวกาศของพรรคเดโมคริตุส ตามที่อริสโตเติลและผู้ติดตามของเขากล่าวว่าอวกาศได้มีศูนย์กลาง - โลกโดยมีทรงกลมหมุนรอบมันโดยมีทรงกลมท้องฟ้าที่อยู่ไกลที่สุดทำหน้าที่เป็นขอบเขตของอวกาศโลกสุดท้าย อริสโตเติลปฏิเสธความไม่มีที่สิ้นสุดของอวกาศ แต่ยึดมั่นในแนวคิดเรื่องเวลาที่ไม่มีที่สิ้นสุด แนวคิดนี้แสดงออกมาในความคิดของเขาเกี่ยวกับพื้นที่ทรงกลมของจักรวาลซึ่งถึงแม้จะมีข้อ จำกัด แต่ก็ไม่มีขอบเขต

พื้นที่นิวตันคลาสสิกมีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดเรื่องความเป็นเนื้อเดียวกัน นี่คือแนวคิดพื้นฐานของฟิสิกส์คลาสสิกซึ่งพัฒนาอย่างต่อเนื่องในผลงานของโคเปอร์นิคัส, บรูโน, กาลิเลโอและเดส์การตส์ บรูโนละทิ้งแนวคิดเรื่องศูนย์กลางของจักรวาลแล้วและประกาศว่ามันไม่มีที่สิ้นสุดและเป็นเนื้อเดียวกัน แนวคิดนี้บรรลุผลสำเร็จด้วยนิวตัน ในพื้นที่ที่เป็นเนื้อเดียวกันแนวคิดเรื่องการเคลื่อนไหวแบบสัมบูรณ์จะเปลี่ยนไปนั่นคือร่างกายที่อยู่ในนั้นเคลื่อนไหวเนื่องจากความเฉื่อย แรงเฉื่อยจะไม่เกิดขึ้นหากไม่มีความเร่ง ความหมายของการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอนั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างวัตถุที่กำหนดกับวัตถุอ้างอิงที่เลือกโดยพลการ การเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอนั้นสัมพันธ์กัน

ในอดีต พื้นที่ทางคณิตศาสตร์แรกและสำคัญที่สุดคือปริภูมิยูคลิดแบบแบน ซึ่งแสดงถึงภาพนามธรรมของอวกาศจริง คุณสมบัติของปริภูมินี้อธิบายโดยใช้หลักสัจพจน์ 5 ข้อและสัจพจน์ 9 ข้อ มีจุดอ่อนในเรขาคณิตของยุคลิด ซึ่งเรียกว่าสมมุติฐานที่ห้าเกี่ยวกับเส้นขนานที่ไม่ตัดกัน นักคณิตศาสตร์ในสมัยโบราณและสมัยใหม่พยายามพิสูจน์ตำแหน่งนี้แต่ไม่ประสบผลสำเร็จ ในศตวรรษที่ 18 - 19 D. Saccheri, Lambert และ A. Legendre พยายามแก้ไขปัญหานี้ ความพยายามที่ไม่ประสบผลสำเร็จในการพิสูจน์สมมุติฐานที่ 5 นำมาซึ่งประโยชน์มากมาย นักคณิตศาสตร์ใช้เส้นทางในการปรับเปลี่ยนแนวคิดเกี่ยวกับเรขาคณิตของปริภูมิยุคลิด การปรับเปลี่ยนที่ร้ายแรงที่สุดถูกนำมาใช้ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 โดย N. I. Lobachevsky (1792 - 1856)

เขาสรุปว่าแทนที่จะใช้สัจพจน์ของเส้นคู่ขนานสองเส้น เราสามารถเสนอสมมติฐานที่ตรงกันข้ามโดยตรง และสร้างเรขาคณิตที่สอดคล้องกันบนพื้นฐานของมันได้ ในเรขาคณิตใหม่นี้ ข้อความบางข้อความดูแปลกและขัดแย้งกันด้วยซ้ำ ตัวอย่างเช่น สัจพจน์แบบยุคลิดกล่าวว่า: ในระนาบ เมื่อผ่านจุดที่ไม่อยู่บนเส้นที่กำหนด สามารถลากเส้นขนานกับเส้นแรกได้เพียงเส้นเดียวเท่านั้น ในเรขาคณิตของโลบาเชฟสกี สัจพจน์นี้ถูกแทนที่ด้วยสิ่งต่อไปนี้: ในระนาบหนึ่ง โดยผ่านจุดที่ไม่อยู่บนเส้นที่กำหนด สามารถลากเส้นตรงได้มากกว่าหนึ่งเส้นโดยไม่ตัดกับเส้นที่กำหนด-

ในเรขาคณิตนี้ ผลรวมของมุมของสามเหลี่ยมจะน้อยกว่าเส้นตรงสองเส้น เป็นต้น แต่ถึงแม้จะมีความขัดแย้งภายนอก แต่ตามหลักตรรกะแล้ว ข้อความเหล่านี้ก็เท่ากับข้อความแบบยุคลิดโดยสิ้นเชิง พวกเขาเปลี่ยนความคิดอย่างรุนแรงเกี่ยวกับธรรมชาติของอวกาศ เกือบจะพร้อมกันกับ Lobachevsky นักคณิตศาสตร์ชาวฮังการี J. Bolyai และนักคณิตศาสตร์ชื่อดัง K. Gauss ได้ข้อสรุปที่คล้ายกัน นักวิทยาศาสตร์รุ่นเดียวกันไม่เชื่อเกี่ยวกับเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด เมื่อพิจารณาว่าเป็นจินตนาการล้วนๆ อย่างไรก็ตาม อี. เบลทรามี นักคณิตศาสตร์ชาวโรมันได้ค้นพบแบบจำลองสำหรับเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด ซึ่งก็คือทรงกลมเทียม:

รูปที่ 1 หลอกทรงกลม

ขั้นตอนสำคัญต่อไปในการทำความเข้าใจธรรมชาติของอวกาศคือ B. Riemann (1826 - 1866) หลังจากสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัย Göttingen ในปี 1851 เขาในปี 1854 (อายุ 28 ปี) ได้รายงาน "เกี่ยวกับสมมติฐานพื้นฐานของเรขาคณิต" ซึ่งเขาให้แนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับปริภูมิทางคณิตศาสตร์ซึ่งเรขาคณิตของ Euclid และ Lobachevsky เป็นกรณีพิเศษ ในปริภูมิรีมันน์แบบ n มิติ เส้นทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนเบื้องต้น ซึ่งสถานะจะถูกกำหนดโดยสัมประสิทธิ์ g ถ้าสัมประสิทธิ์เป็น 0 เส้นทั้งหมดในส่วนนี้จะตรง - สมมุติฐานของ Euclid ทำงาน ในกรณีอื่น พื้นที่จะโค้ง หากความโค้งเป็นบวก พื้นที่นั้นเรียกว่าทรงกลมรีมานเนียน หากเป็นลบ จะเป็นอวกาศ Lobachevsky ที่เป็นทรงกลมเทียม ดังนั้น ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 พื้นที่ยูคลิดสามมิติแบบแบนจึงถูกครอบครองโดยพื้นที่โค้งหลายมิติ แนวคิดเกี่ยวกับอวกาศรีแมนเนียนถือเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นประการหนึ่งสำหรับการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในที่สุด

รูปที่ 2 ปริภูมิทรงกลมรีแมนเนียน การเตรียมขั้นสุดท้ายสำหรับพื้นหลังเชิงพื้นที่-เรขาคณิตของทฤษฎีสัมพัทธภาพจัดทำโดยอาจารย์ประจำของไอน์สไตน์ จี. มินโคว์สกี้ (พ.ศ. 2407 - 2452) ซึ่งเป็นผู้กำหนดแนวคิดเรื่องการรวมพื้นที่และเวลาสามมิติทางกายภาพเข้าด้วยกัน เขามีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในพลศาสตร์ไฟฟ้าของสื่อเคลื่อนที่ตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์และหลักการสัมพัทธภาพ สมการที่เขาได้รับ ซึ่งต่อมาเรียกว่าสมการมินโควสกี ค่อนข้างแตกต่างจากสมการลอเรนซ์ แต่สอดคล้องกับข้อเท็จจริงเชิงทดลอง พวกมันประกอบด้วยทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการทางกายภาพในปริภูมิสี่มิติ พื้นที่ Minkowski ทำให้สามารถตีความผลทางจลนศาสตร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้ด้วยสายตา และอยู่ภายใต้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์สมัยใหม่ของทฤษฎีสัมพัทธภาพ

แนวคิดเรื่องอวกาศและเวลาเดียวนี้จึงเรียกว่า กาลอวกาศและความแตกต่างพื้นฐานจากอวกาศและเวลาอิสระของนิวตัน เห็นได้ชัดว่าจับไอน์สไตน์มานานก่อนปี 1905 และไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการทดลองของมิเชลสันหรือทฤษฎีลอเรนซ์-ปัวน์กาเร

ในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ตีพิมพ์บทความเรื่อง "On the electrodynamics of moving bodies" ในวารสาร "Annals of Physics" และบทความเล็กๆ อีกบทความหนึ่งที่แสดงสูตรเป็นครั้งแรก อี=เอ็มซี2- ดังที่พวกเขาเริ่มกล่าวในภายหลังว่านี่คือสูตรหลักของศตวรรษของเรา

บทความเกี่ยวกับพลศาสตร์ไฟฟ้านำเสนอทฤษฎีที่ไม่รวมการมีอยู่ของระบบพิกัดพิเศษสำหรับการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ ทฤษฎีของไอน์สไตน์ไม่รวมเวลาที่เป็นอิสระจากระบบอ้างอิงเชิงพื้นที่ และละทิ้งกฎคลาสสิกในการบวกความเร็ว ไอน์สไตน์สันนิษฐานว่าความเร็วแสงคงที่และแสดงถึงขีดจำกัดความเร็วในธรรมชาติ เขาเรียกทฤษฎีนี้ว่า “ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ”.

ไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีของเขาบนพื้นฐานของสมมุติฐานพื้นฐานต่อไปนี้:

• กฎหมายตามที่สถานะของระบบทางกายภาพเปลี่ยนแปลงไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าระบบพิกัดใดของระบบพิกัดทั้งสองซึ่งมีการเคลื่อนที่สัมพันธ์กันอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกี่ยวข้องกับ ด้วยเหตุนี้ จึงไม่มีกรอบอ้างอิงที่ต้องการสำหรับการเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง - หลักสัมพัทธภาพ
• รังสีแต่ละดวงเคลื่อนที่ในระบบพิกัดที่อยู่กับที่ด้วยความเร็วที่แน่นอน โดยไม่คำนึงว่ารังสีนี้จะถูกปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดที่อยู่กับที่หรือที่เคลื่อนที่ ความเร็วนี้คือความเร็วสูงสุดของการโต้ตอบในธรรมชาติ - สมมุติฐานเกี่ยวกับความคงตัวของความเร็วแสง

ผลที่ตามมาสองประการเกิดขึ้นจากสมมุติฐานเหล่านี้:

• ถ้าเหตุการณ์ในเฟรมที่ 1 เกิดขึ้นที่จุดหนึ่งและเกิดขึ้นพร้อมกัน เหตุการณ์เหล่านั้นจะไม่เกิดขึ้นพร้อมกันในเฟรมเฉื่อยอื่น นี่คือหลักการของสัมพัทธภาพแห่งความพร้อมกัน
• สำหรับความเร็ว 1 และ 2 ใดๆ ผลรวมของมันต้องไม่มากกว่าความเร็วแสง นี่คือกฎสัมพัทธภาพของการบวกความเร็ว

สมมุติฐานเหล่านี้ - หลักการสัมพัทธภาพและหลักการของความคงตัวของความเร็วแสง - เป็นพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ จากสิ่งเหล่านี้เขาได้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของความยาวและทฤษฎีสัมพัทธภาพของเวลา

สาระสำคัญของแนวทางของไอน์สไตน์คือการปฏิเสธแนวคิดเกี่ยวกับอวกาศและเวลาสัมบูรณ์ซึ่งเป็นพื้นฐานของสมมติฐานอีเทอร์ แต่กลับใช้แนวทางเชิงสัมพันธ์กับปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าและการแพร่กระจายของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแทน กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแสดงออกมาด้วยความสัมพันธ์ที่เหมือนกันในระบบที่มีการเคลื่อนที่สม่ำเสมอทุกระบบที่เชื่อมโยงถึงกันด้วยการแปลงแบบกาลิเลโอ และกฎแห่งความไม่แปรเปลี่ยนของค่าที่สังเกตได้ของความเร็วแสงก็แสดงออกมาด้วยความสัมพันธ์เดียวกันในระบบที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอทั้งหมดที่เชื่อมโยงถึงกันด้วยการแปลงแบบลอเรนซ์

อย่างไรก็ตาม กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันไม่คงที่ภายใต้การแปลงแบบลอเรนซ์ ตามกฎของนิวตันไม่สามารถเป็นกฎที่แท้จริงของกลศาสตร์ได้ (เป็นเพียงการประมาณเท่านั้น ใช้ได้ในกรณีที่จำกัดเมื่ออัตราส่วน วี/ซีมีแนวโน้มเป็นศูนย์)

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษยังใช้ได้กับเงื่อนไขที่จำกัด เช่น ระบบที่มีการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ

ไอน์สไตน์ยังคงพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในงานของเขาเรื่อง "กฎการอนุรักษ์การเคลื่อนที่ของจุดศูนย์ถ่วงและความเฉื่อยของร่างกาย" เขาใช้ข้อสรุปของ Maxwell เป็นพื้นฐานว่าลำแสงมีมวลนั่นคือเมื่อเคลื่อนที่มันจะออกแรงกดดันต่อสิ่งกีดขวาง สมมติฐานนี้ได้รับการพิสูจน์โดย P.N. ในงานของเขา ไอน์สไตน์ได้ยืนยันความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน เขาสรุปได้ว่าเมื่อร่างกายปล่อยพลังงาน L มวลของมันจะลดลงตามปริมาณเท่ากับ L / V2 จากนี้จึงได้ข้อสรุปทั่วไป - มวลของร่างกายเป็นหน่วยวัดพลังงานที่มีอยู่ในนั้น ถ้าพลังงานเปลี่ยนแปลงตามปริมาณเท่ากับ L มวลจะเปลี่ยนตามปริมาณ L หารด้วยกำลังสองของความเร็วแสง นี่คือลักษณะความสัมพันธ์อันโด่งดังของไอน์สไตน์ E = MC2 ปรากฏขึ้นเป็นครั้งแรก

ในปี พ.ศ. 2454-2459 ไอน์สไตน์สามารถสรุปทฤษฎีสัมพัทธภาพได้ ทฤษฎีที่สร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2448 ดังที่ได้กล่าวไปแล้วนั้นเรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเพราะว่า ใช้ได้กับการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอเท่านั้น

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป มีการเปิดเผยแง่มุมใหม่ๆ ของการพึ่งพาความสัมพันธ์ระหว่างกาล-อวกาศและกระบวนการทางวัตถุ ทฤษฎีนี้ให้พื้นฐานทางกายภาพสำหรับเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด และเชื่อมโยงความโค้งของอวกาศและความเบี่ยงเบนของหน่วยเมตริกจากแบบยุคลิดกับการกระทำของสนามโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยมวลของวัตถุ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีพื้นฐานอยู่บนหลักการสมดุลของมวลเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นความเท่าเทียมกันเชิงปริมาณซึ่งมีการกำหนดไว้นานแล้วในฟิสิกส์คลาสสิก ผลกระทบทางจลนศาสตร์ที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจะเทียบเท่ากับผลกระทบที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของความเร่ง ดังนั้น หากจรวดทะยานขึ้นด้วยความเร่ง 3 กรัม ลูกเรือจรวดจะรู้สึกราวกับว่าพวกเขาอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงของโลกเป็นสามเท่า

กลศาสตร์แบบคลาสสิกไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมความเฉื่อยและความหนักจึงวัดด้วยปริมาณที่เท่ากัน - มวล ทำไมมวลหนักจึงเป็นสัดส่วนกับมวลเฉื่อย หรืออีกนัยหนึ่ง วัตถุจึงตกลงด้วยความเร่งเท่ากัน ในทางกลับกัน กลศาสตร์คลาสสิกที่อธิบายแรงเฉื่อยโดยการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในอวกาศสัมบูรณ์ เชื่อว่าอวกาศสัมบูรณ์นี้กระทำต่อวัตถุ แต่ไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งเหล่านี้ สิ่งนี้นำไปสู่การระบุระบบเฉื่อยว่าเป็นระบบพิเศษที่ปฏิบัติตามกฎของกลศาสตร์เท่านั้น ไอน์สไตน์ประกาศว่าการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของระบบนอกสนามโน้มถ่วงและการเคลื่อนที่เฉื่อยในสนามโน้มถ่วงนั้นแยกไม่ออกโดยพื้นฐาน ความเร่งและแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดผลกระทบที่แยกไม่ออกทางกายภาพ

ข้อเท็จจริงนี้ก่อตั้งขึ้นโดยกาลิเลโอ: วัตถุทั้งหมดเคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วง (ในกรณีที่ไม่มีการต้านทานต่อสิ่งแวดล้อม) ด้วยความเร่งเท่ากัน วิถีของวัตถุทั้งหมดด้วยความเร็วที่กำหนดจะโค้งเท่ากันในสนามโน้มถ่วง ด้วยเหตุนี้ จึงไม่มีการทดลองใดที่สามารถตรวจจับสนามโน้มถ่วงในลิฟต์ที่ตกลงมาอย่างอิสระได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่อย่างอิสระในสนามโน้มถ่วงในพื้นที่เล็กๆ ของอวกาศ-เวลา จะไม่มีแรงโน้มถ่วง ข้อความสุดท้ายเป็นหนึ่งในการกำหนดหลักการแห่งความเท่าเทียมกัน หลักการนี้อธิบายปรากฏการณ์ไร้น้ำหนักในยานอวกาศ

หากเราขยายหลักการความเท่าเทียมไปสู่ปรากฏการณ์เชิงแสง ก็จะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่สำคัญหลายประการ นี่คือปรากฏการณ์ของการเลื่อนและการโก่งตัวของลำแสงสีแดงภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วง- เอฟเฟกต์การเปลี่ยนสีแดงเกิดขึ้นเมื่อแสงถูกส่องจากจุดที่มีความโน้มถ่วงมากกว่าไปยังจุดที่มีความโน้มถ่วงน้อยกว่า นั่นคือในกรณีนี้ความถี่ของมันจะลดลงและความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน ตัวอย่างเช่น แสงแดดที่ตกบนโลกจะมาถึงที่นี่ด้วยความถี่ที่เปลี่ยนไป ซึ่งเส้นสเปกตรัมจะเคลื่อนไปทางส่วนสีแดงของสเปกตรัม

ข้อสรุปเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของแสงในสนามโน้มถ่วงมีความสัมพันธ์กับผลของการขยายเวลาใกล้กับมวลความโน้มถ่วงขนาดใหญ่ เมื่อช่องเงามีขนาดใหญ่ขึ้น นาฬิกาก็จะเดินช้าลง

ดังนั้นจึงได้รับผลลัพธ์พื้นฐานใหม่ - ความเร็วแสงไม่เป็นค่าคงที่อีกต่อไป แต่จะเพิ่มขึ้นหรือลดลงในสนามโน้มถ่วง ขึ้นอยู่กับว่าทิศทางของลำแสงเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของสนามโน้มถ่วงหรือไม่.

ทฤษฎีใหม่ได้เปลี่ยนแปลงทฤษฎีของนิวตันในเชิงปริมาณเพียงเล็กน้อย แต่ได้ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพอย่างลึกซึ้ง ความเฉื่อย แรงโน้มถ่วง และพฤติกรรมการวัดของวัตถุและนาฬิกาลดลงเหลือเพียงคุณสมบัติเดียวของสนาม และกฎความเฉื่อยทั่วไปเข้ามามีบทบาทในกฎการเคลื่อนที่ ในเวลาเดียวกัน ก็แสดงให้เห็นว่าอวกาศและเวลาไม่ใช่หมวดหมู่ที่แน่นอน - วัตถุและมวลของพวกมันมีอิทธิพลต่อพวกมันและเปลี่ยนหน่วยเมตริก

เราจะจินตนาการถึงความโค้งของอวกาศและการขยายเวลาซึ่งกล่าวถึงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้อย่างไร

ลองจินตนาการถึงแบบจำลองของอวกาศในรูปของแผ่นยาง (แม้ว่าจะไม่ใช่พื้นที่ทั้งหมด แต่เป็นชิ้นระนาบ) ถ้าเรายืดแผ่นนี้ในแนวนอนแล้ววางลูกบอลขนาดใหญ่ลงไป ยางก็จะงอ ยิ่งมีมวลของลูกบอลมากขึ้นเท่านั้น สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการพึ่งพาความโค้งของอวกาศกับมวลของร่างกาย และยังแสดงให้เห็นว่าสามารถพรรณนารูปทรงเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิดของ Lobachevsky และ Riemann ได้อย่างไร

ทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่เพียงกำหนดความโค้งของอวกาศภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการชะลอตัวของเวลาในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงอีกด้วย แสงที่เดินทางไปตามคลื่นในอวกาศจะใช้เวลานานกว่าการเคลื่อนที่ไปตามพื้นที่เรียบๆ การทำนายที่น่าอัศจรรย์ที่สุดประการหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือการหยุดเวลาโดยสมบูรณ์ในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงมาก การขยายเวลาแสดงให้เห็นในการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงของแสง: ยิ่งแรงโน้มถ่วงมากเท่าไร ความยาวคลื่นก็จะยิ่งนานขึ้นและความถี่ก็จะยิ่งลดลง ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ความยาวคลื่นอาจมีแนวโน้มเป็นอนันต์ และความถี่เป็นศูนย์ เหล่านั้น. แสงจะหายไป

เมื่อแสงที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมา สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้หากดาวของเราหดตัวและกลายเป็นลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 กม. (เส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์คือ » 1.5 ล้านกม.) ดวงอาทิตย์จะกลายเป็น "หลุมดำ" ในตอนแรก มีการทำนาย "หลุมดำ" ตามหลักทฤษฎี อย่างไรก็ตาม ในปี พ.ศ. 2536 นักดาราศาสตร์สองคนคือฮัลส์และเทย์เลอร์ ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบวัตถุดังกล่าวในระบบหลุมดำ-พัลซาร์ การค้นพบวัตถุนี้เป็นการยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อีกประการหนึ่ง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถอธิบายความแตกต่างระหว่างวงโคจรที่คำนวณได้กับวงโคจรจริงของดาวพุธได้ ในนั้นวงโคจรของดาวเคราะห์ไม่ได้ปิด กล่าวคือ หลังจากการปฏิวัติแต่ละครั้ง ดาวเคราะห์จะกลับไปยังจุดอื่นในอวกาศ วงโคจรที่คำนวณได้ของดาวพุธให้ข้อผิดพลาด 43?? นั่นคือสังเกตการหมุนของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด (จุดใกล้ดวงอาทิตย์คือจุดของวงโคจรของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุด)

มีเพียงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเท่านั้นที่สามารถอธิบายผลกระทบนี้ได้ด้วยความโค้งของอวกาศภายใต้อิทธิพลของมวลความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์

แนวคิดเกี่ยวกับอวกาศและเวลาที่กำหนดขึ้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพมีความสอดคล้องและสอดคล้องกันมากที่สุด แต่พวกเขาต้องอาศัยมหภาค ประสบการณ์ในการศึกษาวัตถุขนาดใหญ่ ระยะทางที่กว้างใหญ่ และระยะเวลาอันยาวนาน ในการสร้างทฤษฎีที่อธิบายปรากฏการณ์ของโลกใบเล็ก ทฤษฎีของไอน์สไตน์อาจใช้ไม่ได้ แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ขัดแย้งกับการใช้งานในโลกใบเล็กก็ตาม แต่เป็นไปได้ว่าการพัฒนาแนวคิดควอนตัมจะต้องมีการแก้ไขความเข้าใจในฟิสิกส์ของอวกาศและเวลา

ในปัจจุบัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในโลกวิทยาศาสตร์ ซึ่งอธิบายกระบวนการที่เกิดขึ้นในเวลาและอวกาศ แต่เช่นเดียวกับทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์อื่นๆ มันสอดคล้องกับระดับความรู้ในช่วงเวลาหนึ่งๆ ด้วยการสะสมข้อมูลใหม่และการได้มาซึ่งข้อมูลการทดลองใหม่ ทฤษฎีใดๆ ก็สามารถถูกหักล้างได้

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทฤษฎีพิเศษ (ทฤษฎีอวกาศและเวลาใหม่) นำไปสู่ความจริงที่ว่าระบบอ้างอิงทั้งหมดเท่าเทียมกัน ดังนั้น แนวคิดทั้งหมดของเราจึงสมเหตุสมผลในระบบอ้างอิงบางระบบเท่านั้น รูปภาพของโลกได้รับลักษณะที่สัมพันธ์กันและสัมพันธ์กัน แนวคิดหลักเกี่ยวกับอวกาศ เวลา สาเหตุ ความต่อเนื่องได้รับการแก้ไข การต่อต้านที่ชัดเจนของวัตถุและวัตถุถูกปฏิเสธ การรับรู้กลายเป็นขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงซึ่งรวมถึงทั้งสอง เรื่องและวัตถุ วิธีการสังเกต เป็นต้น)

จากแนวทางสัมพัทธภาพใหม่ต่อการรับรู้ของธรรมชาติ กระบวนทัศน์วิทยาศาสตร์ธรรมชาติชุดที่สามในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์จึงได้รับการกำหนดขึ้น มันขึ้นอยู่กับแนวคิดดังต่อไปนี้:

• Ø สัมพัทธภาพ– กระบวนทัศน์ทางวิทยาศาสตร์ใหม่ละทิ้งความคิดเรื่องความรู้ที่สมบูรณ์ กฎทางกายภาพทั้งหมดที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบนั้นมีวัตถุประสงค์ในเวลาที่กำหนด วิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับแนวความคิดที่จำกัดและประมาณการณ์ และมุ่งมั่นที่จะเข้าใจความจริงเท่านั้น
• Ø นีโอดีเทอร์มินิสต์- ระดับไม่เชิงเส้น สิ่งที่สำคัญที่สุดในการทำความเข้าใจระดับความไม่เชิงเส้นคือการปฏิเสธแนวคิดเรื่องสาเหตุที่บังคับซึ่งสันนิษฐานว่ามีสาเหตุภายนอกที่เรียกว่าสำหรับกระบวนการทางธรรมชาติที่กำลังดำเนินอยู่ ทั้งความจำเป็นและโอกาสได้รับสิทธิเท่าเทียมกันเมื่อวิเคราะห์กระบวนการทางธรรมชาติ
• Ø วิวัฒนาการระดับโลก– แนวคิดเรื่องธรรมชาติในฐานะระบบที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและมีพลวัต วิทยาศาสตร์เริ่มศึกษาธรรมชาติไม่เพียงแต่จากมุมมองของโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในนั้นด้วย ในขณะเดียวกัน การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการในธรรมชาติก็ให้ความสำคัญเป็นอันดับแรก
• Ø ความศักดิ์สิทธิ์- วิสัยทัศน์ของโลกโดยรวม ลักษณะสากลของการเชื่อมโยงระหว่างองค์ประกอบของทั้งหมดนี้ (การเชื่อมต่อบังคับ)
• Ø การทำงานร่วมกัน– เป็นวิธีการวิจัยซึ่งเป็นหลักการสากลของการจัดระเบียบตนเองและการพัฒนาระบบเปิด
• Ø สร้างความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างการวิเคราะห์และการสังเคราะห์เมื่อศึกษาธรรมชาติ- คำสอนเข้าใจว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะบดขยี้ธรรมชาติให้กลายเป็นอิฐที่เล็กที่สุดอย่างไม่มีที่สิ้นสุด คุณสมบัติของมันสามารถเข้าใจได้จากพลวัตของธรรมชาติโดยรวมเท่านั้น
• Ø คำกล่าวที่ว่าวิวัฒนาการของธรรมชาติเกิดขึ้นในความต่อเนื่องของกาล-อวกาศสี่มิติ.