Теорія відносності

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Реферат

На тему:

"Теорія відносності"

Введення

У цьому році відзначається 130 років з дня народження видатного вченого XX століття А. Ейнштейна. Його ім'я нерозривно пов'язане з великою революцією у фізиці, доконаний на початку століття, - зі створенням квантової теорії і теорії відносності, причому внесок Ейнштейна у становлення сучасної фізичної картини світу виявився визначальним. Він стояв біля колиски квантової механіки. Йому належать першокласні роботи зі статистики. Саме за роботи в цих областях в 1921 р. йому була присуджена Нобелівська премія. Ейнштейну ми віддаємо славу як людині, який сказав рішуче слово у формуванні спеціальної теорії відносності, яка взяла відповідальність за її фізичний зміст і послідовно відстоює створену теорію, а також як творцеві загальної теорії відносності. Теорія відносності Ейнштейна перестала бути академічним вченням - зараз нею цікавляться дуже широкі кола. Адже без ейнштейнівської формули про взаємозв'язок енергії і маси не можна зрозуміти ядерні процеси, а уповільнене старіння організмів в умовах швидкого руху хвилює уми багатьох у зв'язку з проблемами польоту до далеких зірок. Велико і світоглядне значення теорії відносності, так як вона зачіпає корінні властивості часу і простору.

Перш за все, що таке теорія відносності? Вона підрозділяється на дві частини, найбільш важлива з яких - спеціальна теорія відносності. Це, в загальних рисах, теорія, з якої можна дізнатися, як виглядає світ для людей, які мчать по світу з надзвичайно високою швидкістю. Причому його рух має бути рівномірним і прямолінійним - не допускається ніякого збільшення або зменшення швидкості і ніякого відхилення від прямолінійного шляху. В основі спеціальної теорії відносності лежить дуже проста ідея: ніяким способом неможливо дізнатися, чи дійсно ви рухаєтеся чи ні. «І це все?» - Подумали ви. Але якщо розвинути цю ідею, то з'ясується, що наслідки такого, здавалося б, безневинного початку приголомшливі. Виявляється, світ докорінно відрізняється від того, яким ви його до цих пір собі. уявляли. Розглянемо один з найбільш вражаючих тверджень. Припустимо, що розлучилися два брати-близнюки: один залишився на Землі, а інший відправився на субсвітлових космічному кораблі у тривале міжзоряний подорож і потім повернувся назад. Так ось, теорія відносності стверджує, що при зустрічі астронавт виявиться молодше свого брата, що залишився на Землі. Але навіть у тих випадках, коли спеціальна теорія відносності не вражає нашу уяву, вона завжди модифікує, а іноді справляє корінний переворот старих теорій. Деякі її наслідки мають велике практичне значення для електроніки, для ядерної енергетики. У цілому вона необхідна для реального розуміння простору і часу, в яких ми живемо. Інша частина - загальна теорія відносності - починається з того, що в ній відкидаються обмеження, пов'язані з рівномірним і прямолінійним рухом, і вивчається досвід спостерігачів, що рухаються в деякому сенсі довільно. З цих обговорень врешті-решт виникає нова теорія тяжіння, яка кілька точніше ньютонівської в звичайних умовах і, ймовірно, значно перевершує її в екстремальних умовах. Вона поки що не має великого практичного застосування і, може статися, ніколи не буде його мати. Тим не менш, вивчення загальної теорії відносності - це одне з найбільш захоплюючих занять, що випадають на долю допитливої ​​людини. Вона дає нам відчуття справжнього розуміння властивостей простору і часу, в яких ми живемо.

Обидві теорії зосереджуються на нових підходах до простору і часу, підходах, які відрізняються глибоко від тих, які використовуються в щоденному житті; але релятивістські поняття простору і часу нерозривно вплітаються в будь-яку сучасну інтерпретацію фізичних явищ у межах від атома до всесвіту в цілому.

1. Витоки теорії відносності. Принцип відносності Галілея

Розглянемо дві космічні ракети. Щодо головної системи відліку одна з них - назвемо її «Альфа» - спочиває, інша ж - «Бета» - рухається зі швидкістю V рівномірно і прямолінійно. Для стислості домовимося називати фізика, який веде спостереження і міркування в системі «Альфа», альфацентрістом, а користується системою «Бета» - бетацентрістом (найзручніше уявити, що кожен із них перебуває у відповідній ракеті, а проте це зовсім не обов'язково: пасажир ракети « Альфа »іноді може чому-небудь віддати перевагу відносити всі рухи до ракети« Бета »).

По відношенню до системи «Бета» кулю У спочиває, а по відношенню до системи «Альфа» - рухається прямолінійно з постійною швидкістю V. Яке ж з цих двох тверджень - спочиває або рухається - знаходиться в кращому згоді з законами Ньютона?

Перший закон Ньютона в однаковій мірі передбачає як збереження спокою, так і збереження рівномірно-прямолінійного руху; отже, він однаково добре виконується в обох системах.

Другий закон Ньютона виражається формулою



– масса. де F - сила, а - прискорення, m - маса. Наприклад, якщо подіяти на кулю У силою, направленої ліворуч, він придбає прискорення спрямоване в ту ж сторону.



Спостерігачу в ракеті «Альфа» здасться, що куля поступово сповільнює свій рух, а спостерігачеві в ракеті «Бета» - що нерухомий спочатку куля починає рухатися вліво. Проте обидва вони знайдуть, що це відбувається в повній згоді з формулою другого закону Ньютона. до нуля, то бетацентрист – что от нуля до – V , т.е. Адже їх думки розходяться тільки щодо швидкостей, а не прискорень кулі: скажімо, якщо альфацентріст знайде, що швидкість кулі змінилася від V до нуля, то бетацентріст - що від нуля до - V, тобто на ту ж саму величину - V. А однакове зміна швидкості за одиницю часу означає однакове прискорення. Що ж стосується сили F, то, дивлячись на її природі, вона може залежати від самих різноманітних факторів.

Наприклад, сила розтягнутої пружини визначається її матеріалом, геометричними розмірами і відносним подовженням; тиск стисненого газу - його молекулярним об'ємом і температурою; опір руху в даному середовищі - формою і геометричними розмірами тіла, що рухається, а також його відносною швидкістю по відношенню до рідини чи газу. Спільним для всіх цих факторів є повна незалежність їх від вибору системи відліку. У класичній механіці не доводилося мати справу з силами, величина або напрямок яких залежали б від швидкості по відношенню до системи відліку (єдине виключення - магнітна взаємодія рухомих електричних зарядів, але ці сили відносяться вже до області електродинаміки, так що ми будемо ще мати випадок говорити про них більш детально). Вимірювання сили динамометром також дає в системах «Альфа» і «Бета» абсолютно однакові результати (адже рівновагу сил може бути з рівною підставою констатовано як у стані спокою, так і в стані рівномірно-прямолінійного руху). Як бачимо, завдяки однаковості (або, як говорять фізики, інваріантності) прискорень і сил в обох аналізованих системах відліку в них однаково добре виконується другий закон Ньютона, тобто має місце пряма пропорційність між діючою силою F і викликуваним нею прискоренням а. , т.е. Коефіцієнт пропорційності m, тобто маса тіла, що є мірою його інерційності, також виявляється в обох випадках одним і тим же. Ще простіше зрозуміти, що і третій закон Ньютона («Якщо тіло А діє на тіло В з силою F, то і тіло В діє на тіло А з такою ж за величиною і протилежною за напрямом силою - F») виконується не тільки в системі « Альфа », але і в системі« Бета ». Як бачимо, всі три закони Ньютона - а значить і вся класична механіка взагалі - вірні не тільки в головній системі відліку (для якої вони були спочатку встановлені), але також і у всіх тих системах, які рухаються відносно головної рівномірно і прямолінійно. Такі системи відліку ми будемо називати інерційних (по-перше, тому, що кожна з них пов'язана з яким-небудь тілом, що рухається за інерцією, а по-друге, тому, що саме в таких системах неухильно виконується закон інерції). Як ми вже переконалися на раніше наведених прикладах, у всіх інших системах відліку, які не можуть бути віднесені до категорії інерційних, закони Ньютона в тій формі, в якій вони були сформульовані, вже непридатні. Там діють інші, набагато більш заплутані і химерні механічні закони.

Основний висновок з усього сказаного найкраще може бути виражений у вигляді так званого принципу відносності Галілея (Галілей був геніальним попередником Ньютона; багато принципово важливі положення механіки містилися вже в його дослідженнях).

Принцип відносності Галілея свідчить: у всіх інерціальних системах відліку закони механіки формулюються абсолютно однаково. Це означає, що ніякими механічними дослідами всередині лабораторії не можна установити, спочиває чи вона відносно головної системи або ж рухається щодо неї рівномірно-прямолінійно.

Відомо, наприклад, що рівномірний (без жодних поштовхів і качки) рух корабля не може ніяк вплинути на ведеться в його каютах гру в мільярд або настільний теніс. Сам Галілей, виступаючи на захист вчення Коперника проти релігійного геоцентричного світогляду, часто посилався на уявні досліди і спостереження в такій «плавучої лабораторії».

Формулюючи принцип відносності Галілея, фізики часто говорять, що закони механіки інваріантні (тобто незмінні) при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої інерціальної же системі. Це означає, що при вивченні загальних законів механічного руху все інерціальні системи відліку рівноправні: жодна з них не має ніякої переваги перед іншими. Зате в наявності істотну перевагу будь-якій з рівноправних між собою інерціальних систем у порівнянні з неінерційній: адже закони механіки в інерціальних системах формулюються набагато простіше, простору і часу не доводиться приписувати фізично необгрунтованої неоднорідності і асиметрії, і т.д. Словом, кожна інерціальна система володіє всіма тими перевагами, які були знайдені біля головної системи відліку механіки Ньютона. Тому немає ніяких підстав визнавати якусь одну з таких систем «абсолютно покоїться в просторі».

Назва «принцип відносності» засноване саме на цьому. Адже якби фізичним змістом мало не тільки відносний рух, але також і «рух взагалі», «рух щодо простору», різні інерціальні системи хоч чим-небудь та розрізнялися б між собою. Визнавши, що всі інерціальні системи дійсно рівноправні, не можна вже говорити про рух і спокій інакше, як щодо якої-небудь інерціальної системи, яка щоразу може бути обрана в сваволі.

Встановлений Галілеєм принцип відносності стосувався тільки механіки - єдиного розділу фізики, який досяг до того часу достатнього розвитку.

Але зберігає він силу також і для інших фізичних явищ? І якщо не можна виділити «абсолютно покояться» систему за допомогою механічних експериментів, то чи не допоможуть в цьому явища оптичні, електричні або які-небудь ще? Відповідь на це питання повинно було дати подальший розвиток науки.



2. Перетворення Галілея



Нехай одне і те ж явище описується у двох інерційних системах відліку. Виникає питання про перерахунок від опису явища в одній системі відліку до опису того самого явища в іншій системі. В якості грубої ілюстрації можна уявити собі дві радіолокаційні установки: одну - розташовану на землі, а іншу - на літаку; питання полягає тоді в перерахунку від показань однієї установки до свідченнями іншого.

Для такого перерахунку потрібно, перш за все, знати зв'язок між координатами і часом х, у, z, t в одній системі відліку і координатами і часом х ', у', z ', t' в іншій системі. Стара фізика приймала як щось самоочевидне існування єдиного світового часу t, однакового у всіх системах відліку. Тому з точки зору старої фізики необхідно було покласти t '= t або, найбільше, допустити зміна початку відліку часу.

Якщо розглядати дві події, що відбулися в моменти часу t і π, то проміжок часу між ними повинен був (з точки зору старої фізики) вийти однаковим в усіх системах відліку. Звідси,



t - π = t'-π '(1.01)



Далі, стара фізика вважала очевидним, що довжина твердого стрижня, що вимірюється у двох системах відліку, повинна виходити однаковою. ) и ( ξ, η, ζ ) и в другой системе через ( x ', у', z ') и ( ξ ' , η ', ζ '). (Замість довжини твердого стрижня можна розглядати відстань між «одночасними» положеннями двох точок, які необов'язково пов'язані жорсткої зв'язком.) Якщо позначити координати початку і кінця стрижня (або даних двох точок) в одній системі відліку через (x, у, z) і ( ξ, η, ζ) і в іншій системі через (x ', у', z ') і (ξ', η ', ζ'). то. згідно зі старою фізики, повинно бути



ξ ) 2 + ( y – η ) 2 + ( z – ζ ) 2 = ( x ' – ξ ') 2 + (у' – η ') 2 + ( z ' – ζ ') 2 (1.02) (X - ξ) 2 + (y - η) 2 + (z - ζ) 2 = (x '- ξ') 2 + (у '- η') 2 + (z '- ζ') 2 (1.02)



З (1.01) і (1.02) однозначно випливає загальний вигляд перетворення, що зв'язує координати і час х, у, z, t з координатами і часом х ', у', z '. Це перетворення складається з перенесення початку відліку координат і часу, з повороту просторових координатних осей і з перетворення виду



x '= x - V x t

y '= yV y t,

' = z – V z t , z '= z - V z t,

, (1.03) t '= t, (1.03)

, V y t , V z t – постоянные, физический смысл которых легко найти: это есть скорость движения штрихованной координатной системы относительно нештрихованной (точнее – составляющие этой скорости в нештрихованной системе). де V x t, V y t, V z t - постійні, фізичний зміст яких легко знайти: це є швидкість руху штрихованої координатної системи щодо нештріхованной (точніше - складові цієї швидкості в нештріхованной системі). Перетворення (1.03) носить назву перетворення Галілея.

Таким чином, стара фізика стверджувала, що якщо дана інерціальна система відліку, то координати і час у всякій іншій системі відліку рухається відносно неї прямолінійно і рівномірно, пов'язані з (х, у, z, t) перетвореннями Галілея (з точністю до перенесення початку і повороту осей). Перетворення Галілея задовольняє принципу відносності щодо законів механіки, але не задовольняє йому відносно законів поширення світла.

Дійсно, рівняння поширення фронту світлової хвилі змінює в результаті перетворення Галілея свій вигляд. Якби перетворення Галілея було правильним (а принцип відносності в загальній формі - неправильним), то існувала б тільки одна інерціальна система в сенсі нашого визначення, і за зміненим вигляду рівняння поширення фронту хвилі було б можливо визначити швидкість руху (навіть рівномірного і прямолінійного) усякої іншої системи відліку відносно цієї єдиної інерційної системи («нерухомого ефіру»). Негативний результат численних найточніших дослідів, поставлених з метою виявлення такого відносного руху, не залишає сумнівів у тому, що форма закону розповсюдження фронту хвилі одна і та ж у всіх неускоренних системах відліку і що, отже, принцип відносності у всякому випадку застосуємо і до електромагнітних явищ .

Звідси випливає, що перетворення Галілея в загальному випадку неправильно і повинно бути замінено іншим.

3. Перетворення Лоренца

Перетворення Лоренца показує, як змінюються розширені координати події при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої інерціальної же системі. , причем ось х β скользит по оси х, а оси y β , z β Нехай інерціальна система «Бета» рухається щодо інерціальної системи «Альфа» з постійною швидкістю v, причому вісь х β ковзає по осі х, а осі y β, z β α , z α . завжди залишаються відповідно паралельними осям y α, z α. Для конкретності будемо припускати, що система «Альфа» пов'язана з ракетою «Альфа», а система «Бета» - з ракетою «Бета». Рахунок часу в обох системах домовимося вести від того моменту, коли їх початку координат збіглися (іншими словами, обидві системи відліку мають одне і те ж «початкова подія» Про - проходження ракети «Альфа», повз ракети «Бета»).

Для спрощення формул одиниці часу і довжини вибираються таким чином, щоб швидкість світла була дорівнює одиниці і була величиною безрозмірною. Для цього достатньо, наприклад, виражати проміжки часу в секундах, а відстані - в «світлових секундах» (розуміючи під «світловий секундою» відрізок, прохідний світлом протягом однієї секунди).

характеризуется в системе «Альфа» расширенными координатами x α , y α , z α , t α . Деякий подія S характеризується в системі «Альфа» розширеними координатами x α, y α, z α, t α. β , y β , z β , t β в системе «Бета»? Які його розширені координати x β, y β, z β, t β в системі «Бета»? Щоб відповісти на це питання, звернемося до просторово-часовим графіком, побудованому в системі «Альфа» (рис.   α = z α = y β = z β =0. 2), припускаючи, що аналізованих подія відбулася на осі x α (а значить, і на осі х β), так що y α = z α = y β = z β = 0.

AS - це відстань події S (точніше, того місця, де воно відбулося) від ракети «Альфа», тобто його просторова координата х α.

АВ - це відстань між ракетами в момент t α. , а в момент t α =0 они были рядом, расстояние AB = v t α . Так як ракета «Альфа» віддаляється від «Бети» зі швидкістю v, а в момент t α = 0 вони були поруч, відстань AB = v t α.

= AS – AB = х α – vt α это расстояние события S от ракеты «Бета», как оценил бы его альфацентрист, которому могло бы даже казаться, что именно данная величина должна служить бетацентристу координатой х β , события S в системе «Бета». BS = AS - AB = х α - vt α це відстань події S від ракети «Бета», як оцінив би його альфацентріст, яким могло б навіть здаватися, що саме ця величина повинна служити бетацентрісту координатою х β, події S в системі «Бета ». = х α – vt α Однак, як ми зараз побачимо, сам бетацентріст з такою оцінкою не погодиться, тому «спірну» величину BS = х α - vt α '. позначимо поки через x '. Відмова бетацентріста визнати величину х 'координатою х β події S в системі «Бета» має два вагомих підстави.
По-перше, на думку бетацентріста точка В просторово-часового графіка зображує становище ракети «Бета» аж ніяк не в момент події 5, а пізніше (разу мова йде про х β координаті, а не х α, одночасність слід розуміти в сенсі системи «Бета »!). β ). З точки зору бетацентріста, одночасне із подією S положення ракети «Бета» відповідає точці С (пряма CS паралельна осі нульового t β).

По-друге, на цьому просторово-часовому графіку альфацентріста всі відстані виміряні масштабом, почилих в системі «Альфа», тоді як при визначенні координати х β треба у всьому чинити за правилами системи «Бета». З точки зору бетацентріста, масштаб альфацентріста не перебуває у спокої, а рухається зі швидкістю v і тому може мати неправильну довжину.

Таким чином, поправки, які внесе бетацентріст в оцінку альфацентріста, зведуться до наступного:

  1. 1 , зависящий от угла φ= arc до заміни відрізка BS відрізком CS, паралельним осі х β, що рівносильно множенню величини х 'на певний коефіцієнт k 1, залежить від кута φ = arc tg , но одинаковый для всех событий. v, але однаковий для всіх подій.

  2. 2 , тоже зависящий только от v. до зміни одиниці довжини, що також рівносильно множенню величини х 'ще на один коефіцієнт k 2, теж залежить тільки від v.

Враховуючи обидві поправки, ми можемо написати:

1 х β = k 1 2 х'= k 1 k 2 х '= k 1 2α – vt α ), k 2 α - vt α),

1 або, розглядаючи твір k 1 2 как новый коэффициент К (зависящий от v ), k 2 як новий коефіцієнт К (залежить від v),

α – vt α ). х β = K (х α - vt α).

. Отримана формула перетворення координати х при переході до іншої інерціальної системи відліку відрізняється від галилеевской тільки наявністю коефіцієнта K.

На рис.   произошло в момент t α , а в системе «Бета» – в момент t β . 2 видно, що при переході до нової системи відліку міняється також і тимчасова дата події: у системі «Альфа» подію S сталося в момент t α, а в системі «Бета» - у момент t β.

α (временная дата события S в системе «Альфа») выражается отрезком MS, т.е. Графічно t α (тимчасова дата події S в системі «Альфа») виражається відрізком MS, тобто α . відстанню точки S від осі нульового t α.

β определяется по часам, покоящимся в системе «Бета». Тимчасова дата того ж події t β визначається по годинах, почилих в системі «Бета». Просторово - тимчасова траса цього годинника зображається прямою RS, причому точка R відповідає проходженню стрілки цих годин через нуль (у системі «Бета» подія В вважається одночасним з початковим подією О). β события S в системе «Бета» соответствует отрезку RS, однако не в том масштабе, в каком t α соответствует расстоянию MS. Таким чином, тимчасова дата t β події S в системі «Бета» відповідає відрізку RS, однак не в тому масштабі, в якому t α відповідає відстані MS. Адже секунда по годинах, почилих в системі «Бета», може суттєво відрізнятися від секунди по годинах, почилих в системі «Альфа», а кожен фізик при вимірюваннях повинен покладатися тільки на годинник, нерухомі щодо обраної ним системи.

Оскільки одиниці довжини і часу вибираються не незалежно, а з таким розрахунком, щоб швидкість світла чисельно дорівнювала одиниці (наприклад, одиниця часу - секунда, а одиниця довжини - світлова секунда), вони повинні змінюватися завдяки руху в однакове число разів (інакше був би порушений принцип сталості швидкості світла). 2 , введенный ранее для длин, справедлив также и для отрезков времени. Отже, поправочний коефіцієнт k 2, введений раніше для довжин, справедливий також і для відрізків часу.

S, то он, в силу подобия треугольников NRS и BCS, тоже сводится к умножению на введенный уже коэффициент k 1 . Що ж стосується переходу від відрізка NS до відрізка R S, то він, у зв'язку з подібністю трикутників NRS і BCS, теж зводиться до множення на введений вже коефіцієнт k 1. Відрізок ж MN дорівнює vx α (як катет трикутника OMN, в якому tg φ = v). Тому

β = k 2 ∙ RS = k 2 ∙ k 1 NS = k 1 t β = k 2 ∙ RS = k 2 ∙ k 1 NS = k 1 2 ( MS – MN )= k 1 k 2 (MS - MN) = k 1 2 ( t α - vx α ), k 2 (t α - vx α),

або остаточно

β = K ( t α - vx α ), t β = K (t α - vx α),

= k 1 де K = k 1 2 – знакомый уже нам коэффициент, зависящий только от v (в принятой нами системе единиц t и х выражаются в секундах, a k 2 - знайомий вже нам коефіцієнт, що залежить тільки від v (в ухваленій нами системі одиниць t і х виражаються в секундах, a – безразмерная величина). v - безрозмірна величина).

Отримана формула перетворення тимчасової дати події при заміні однієї інерціальної системи відліку іншої інерціальної ж системою протиставляється Галілеї-ньютонівському поданням про єдину для всіх систем універсальної шкалою часу. Ця формула відображає як залежність ходу годинника від їхнього руху, так і відмінність в розумінні одночасності.

До отриманих нами двом формулами перетворення розширених координат події

α – vt α ), х β = K (х α - vt α),

β = K ( t α - vx α ) t β = K (t α - vx α)

можуть бути ще додані очевидні співвідношення

β = y α , z β =z α , y β = y α, z β = z α,

які показують, що при переході до іншої системи, що рухається уздовж осі х, «поперечні» координати у і z не змінюються.

5. Теорія відносності А. Ейнштейна

Альберт Ейнштейн (1879-1955) - фізик-теоретик, один із засновників сучасної фізики, лауреат Нобелівської премії, іноземний член-кореспондент РАН (1922) і іноземний почесний член АН СРСР (1926). Народився в Німеччині, з 1893 жив у Швейцарії, з 1914 у Німеччині, в 1933 емігрував до США. Створив приватну (1905) і загальну (1907-16) теорії відносності.

У 1905 р. Ейнштейну було 26 років, але його ім'я вже придбало широку популярність. У 1909 р. він обраний професором Цюріхського університету, а через два роки - Німецького університету в Празі. У 1912 р. Ейнштейн повернувся до Цюріха, де зайняв кафедру в політехнікумі, але вже в 1914 р. прийняв запрошення переїхати на роботу до Берліна як професор Берлінського університету і одночасно директора Інституту фізики. Німецьке підданство Ейнштейна було відновлено. До цього часу вже повним ходом йшла робота над загальною теорією відносності. У результаті спільних зусиль Ейнштейна та його колишнього студентського товариша М. Гроссмана в 1912 р. з'явилася стаття «Начерк узагальненої теорії відносності», а остаточне формулювання теорії датується 1915 Ця теорія, на думку багатьох вчених, стала самим значним і найкрасивішим теоретичним побудовою за всю історію фізики. Спираючись на всім відомий факт, що «важка» і «інертна» маси рівні, вдалося знайти принципово новий підхід до вирішення проблеми, поставленої ще І. Ньютоном: який механізм передачі гравітаційної взаємодії між тілами і що є переносником цієї взаємодії.

Відповідь, запропонований Ейнштейном, був приголомшливо несподіваним: у ролі такого посередника виступала сама «геометрія» простору - часу. Будь-яке масивне тіло, з Ейнштейну, викликає навколо себе «викривлення» простору, тобто робить його геометричні властивості іншими, ніж в геометрії Евкліда, і будь-яке інше тіло, що рухається в такому «викривленому» просторі, відчуває вплив першого тіла.

Створена А. Ейнштейном загальна теорією відносності є узагальненням ньютонівської теорії тяжіння на основі спеціальної теорії відносності. В основі загальної теорії відносності лежить принцип еквівалентності - локальної нерозрізненості сил тяжіння і сил інерції, що виникають при прискоренні системи відліку. Цей принцип проявляється в тому, що в заданому полі тяжіння тіла будь-якої маси і фізичної природи рухаються однаково при однакових початкових умовах. Теорія Ейнштейна описує тяжіння як вплив фізичної матерії на геометричні властивості простору-часу, у свою чергу, ці властивості впливають на рух матерії та інші фізичні процеси. У такому викривленому просторі-часі рух тіл «за інерцією» (тобто за відсутності зовнішніх сил, крім гравітаційних) відбувається по геодезичним лініях, аналогічним прямим у неіскрівленном просторі, але ці лінії вже викривлені. У сильному полі тяжіння геометрія звичайного тривимірного простору виявляється неевклідової, а час тече повільніше, ніж поза полем.

Загальна теорія відносності призвела до передбачення ефектів (кінцевої швидкості зміни поля тяжіння, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі - це зміна переноситься у вигляді гравітаційних хвиль; можливості виникнення чорних дір і ін), які незабаром отримали експериментальне підтвердження. Вона дозволила також сформулювати принципово нові моделі, що відносяться до всього Всесвіту, в тому числі і моделі нестаціонарної (розширення) Всесвіту.

З рівнянь релятивістської механіки (як і механіки Ньютона) випливає закон збереження енергії, для якого виходить новий вираз: E = mc 2. Це - знамените співвідношення Ейнштейна, що зв'язує масу тіла і його енергію. Іноді це співвідношення помилково тлумачать як вказівку на можливість взаємних перетворень маси і енергії. Насправді ж воно означає лише те, що маса завжди пропорційна енергії. Зокрема, наявність у спочиває частинки маси говорить і про наявність у неї енергії (енергії спокою), що не грає ролі в класичній механіці, але набуває принципового значення при розгляді процесів, в яких число і сорт частинок може змінюватися і тому енергія спокою може переходити в інші форми. У атомних ядрах енергія тяжіння частинок призводить до того, що загальна маса ядра виявляється менше суми мас окремих частинок (дефект маси). Встановлення цього факту стало одним з найважливіших кроків до виникнення ядерної енергетики, оскільки дозволило оцінити ту значну енергію, яка повинна вивільнятися при розподілі важких і злиття легких ядер.

Найбільшу популярність Ейнштейну принесла теорія відносності, викладена ним вперше в 1905 р. у статті «До електродинаміки рухомих тіл». Вже в юності Ейнштейн намагався зрозуміти, що побачив би спостерігач, якщо б кинувся зі швидкістю світла навздогін за пучком світла. Будучи студентом, Ейнштейн вивчав праці Максвелла, був переконаний в існуванні всепроникного ефіру і міркував про те, як на нього діють різні поля (зокрема, магнітне) і як можна експериментально виявити рух щодо ефіру. Тепер Ейнштейн рішуче відкинув концепцію ефіру, що дозволило розглядати принцип рівноправності усіх інерційних систем відліку як універсальний, а не тільки обмежений рамками механіки. Виходячи з неможливості виявити абсолютний рух, Ейнштейн зробив висновок про рівноправність усіх інерційних систем відліку. Він сформулював два найважливіших постулату, що робили зайвої гіпотезу про існування ефіру, які склали основу узагальненого принципу відносності:

Постулат I. Всі тотожні фізичні явища в інерціальних системах відліку при однакових початкових умовах протікають однаково. Іншими словами, серед ISO не існує «привілейованою» системи і неможливо виявити стан абсолютного руху.

Цей постулат поширює принцип відносності Галілея на всі явища природи. Він раз назавжди кінчає з абсолютним простором: якщо всі інерціальні системи відліку рівноправні, то серед них немає привілейованої системи відліку.

Абсолютна ж простір як раз і було привілейованої системою. Точно так далі відпадає і питання про «абсолютне» русі (у вакуумі), яке малося на увазі як рух щодо абсолютної системи відліку

Постулат II. Швидкість світла у вакуумі однакова в усіх напрямках і в будь-якій області даної інерціальної системи відліку і однакова у всіх інерціальних системах відліку. Часто до цього постулату додають ще, що швидкість світла у вакуумі не залежить від швидкості джерела. Це, однак, відразу випливає з постулату II в тій формі, в якій він виписаний вище.

Дійсно, з джерелом завжди можна зв'язати інерційну систему відліку (якщо він рухається нерівномірно і по кривій, то миттєво супутню інерційну систему). У цій системі джерело спочиває, а всі інші інерціальні системи рухаються відносно пего (а він щодо них). Згідно постулату II швидкість світла у всіх цих системах однакова, за це і означає, що вона не залежить від швидкості джерела.

Слід чітко розуміти, що має на увазі постулат II. Для цього представимо собі, що в системі К вимірюється швидкість світла в такий спосіб. З точки х 1 у момент часу t 2 надсилається вздовж осі х світловий сигнал, який приходить в точку х 2 у момент часу t 2. 1 ) – Эти же два события – посылка и прием сигнала – рассматриваются из системы К'. Тоді з = (x 2 - x 1) / (t 2 - t 1) - Ці ж дві події - посилка і прийом сигналу - розглядаються з системи К '. Здійснення сигналу для спостерігача із системи К 'відбувається в точці х 1' в момент t 1, а прийом - у точці х 2 'в момент t 2'. 1 ) равно с. І незважаючи на те, що системи К і К 'знаходяться у відносному русі, направленому якраз по загальній осі х, х', ми повинні отримати, що ставлення теж (x 2 - x 1) / (t 2 - t 1) одно с. З точки зору «здорового глузду» такого бути не повинно. Але саме цього вимагає другий постулат.

Після того як сформульовані перші принципи теорії відносності - два постулати Ейнштейна, - можна сформулювати загальну задачу спеціальної теорії відносності. Її основа - це принцип відносності: рівноправність всіх спеціальних систем відліку по відношенню до всіх фізичних явищ. Теорія відносності зобов'язана дати такий опис фізичних явищ, яке було б однаковим у всіх інерціальних системах відліку. Але якщо в нашому розпорядженні є рівняння, що описують ту або іншу групу явищ, то ці рівняння повинні мати однаковий вигляд у всіх інерціальних системах відліку (у кожній системі відліку в своїх змінних). Згадаймо, що в рівняння механіки та електродинаміки істотним чином входять координати і час настання події. При переході від однієї інерціальної системи до іншої координати і час настання події перетворюються. Перетворення Галілея змінюють вигляд рівнянь Максвелла, але, оскільки ми хочемо зберегти рівняння Максвелла, як правильні рівняння електромагнітного поля, у всіх інерціальних системах, нам слід знайти такі перетворення координат і часу, які зберігають вигляд максвеллівським рівнянь. Такими перетвореннями виявляться перетворення Лоренца.

Однак перетворення Лоренца безпосередньо випливають і з постулатів Ейнштейна. Справа в тому, що теорія Максвелла була побудована з самого початку як релятивістська. Внутрішня причина цього полягає в тому, що вона містила в собі правильне опис властивостей самого релятивістського об'єкта - світла. Таким чином, знайшовши перетворення координат і часу події, що задовольняють постулатам Ейнштейна, ми повинні подбати про те, щоб основні рівняння фізики були однаковими в усіх інерційних системах, тобто були б коваріантний по відношенню до цих перетворень.

Основними законами в механіці ми називаємо рівняння Ньютона, в електродинаміці - рівняння Максвелла, в термодинаміці - рівняння, що виражають перше і друге початку.

Відносні величини були і в класичній фізиці - наприклад, швидкості, координати, напрямки швидкостей, - але спеціальна теорія відносності додає до них - дещо несподівано для нашої інтуїції - відносність проміжків часу між подіями і відносність довжин масштабів (відстаней). Однак це і є та «ціна», яку доводиться платити за те, щоб реалізувати принцип відносності по відношенню до всіх фізичних явищ.

І все ж найголовніше в теорії відносності, всупереч її назві, - це зовсім не відносність різних величин, тобто їх залежність від вибору системи відліку. Суть теорії відносності якраз у протилежному. Теорія відносності показує, що закони природи в інерційних системах відліку не залежать від вибору системи відліку, не залежать від положення і руху спостерігача, а результати вимірювань в різних системах відліку можуть бути зіставлені. Говорячи філософською мовою, теорія відносності підкреслює об'єктивний характер законів природи, а зовсім не відносність знання.

Звичайно, намагатися змінити історично сформована назва - до речі, воно належить не Ейнштейну, а було запропоновано Планком у 1906 р. - справа безнадійна. Однак є одна деталь, на яку можна звернути увагу. Сперечаються, як правильно говорити: «спеціальна» чи «приватна» теорія. Навряд чи ця суперечка має істотне значення. За змістом мова йде про обмеження теорії рамками інерціальних систем відліку. По суті це обмеження зводиться до того, що теорія справедлива у відсутність полів тяжіння або - практично - в слабких полях тяжіння. Тому самим правильною назвою було б назва «обмежена теорія відносності», прийняте у французькій літературі.

Висновок

Теорія відносності А. Ейнштейна - фізична теорія, що розглядає просторово-часові властивості фізичних процесів. Так як закономірності, що встановлюються теорією відносності, - загальні для всіх фізичних процесів, то зазвичай про них говорять просто як про властивості простору-часу. Ці властивості залежать від полів тяжіння в даній області простору-часу. Теорія, що описує властивості простору-часу в наближенні, коли полями тяжіння можна знехтувати, називається спеціальної або приватної теорією відносності, або просто теорією відносності. Властивості простору-часу при наявності полів тяжіння досліджуються в загальній теорії відносності, званої також теорією тяжіння Ейнштейна. Фізичні явища, описувані теорією відносності, називаються релятивістськими і виявляються при швидкостях v руху тіл, близьких до швидкості світла у вакуумі.

В основі теорії відносності лежать два положення: принцип відносності, що означає рівноправність усіх інерційних систем відліку, і сталість швидкості світла у вакуумі, її незалежність від швидкості руху джерела світла. Ці два постулати визначають формули переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої - перетворення Лоренца, для яких характерно, що при таких переходах змінюються не тільки просторові координати, але і моменти часу (відносність часу). З перетворень Лоренца виходять основні ефекти спеціальної теорії відносності: існування граничної швидкості передачі будь-яких взаємодій - максимальної швидкості, до якої можна прискорити тіло, що збігається зі швидкістю світла у вакуумі; відносність одночасності (події, одночасні в одній інерційній системі відліку, в загальному випадку не одночасні в іншій); уповільнення перебігу часу в швидко рухається тілі і скорочення поздовжніх - у напрямку руху - розмірів тіл і ін Всі ці закономірності теорії відносності надійно підтверджені на досвіді.

Теорія відносності виявила обмеженість уявлень класичної фізики про «абсолютних» просторі і часі, неправомірність їх відокремлення від рухомої матерії: вона дає більш точне, в порівнянні з класичною механікою, відображення об'єктивних процесів реальної дійсності.

Ряд висновків загальної теорії відносності якісно відрізняються від висновків ньютонівської теорії гравітації. Найважливіші серед них пов'язані з виникненням чорних дір, сингулярностей простору-часу, існуванням гравітаційних хвиль (гравітаційного випромінювання).

Уявлення про простір і час складають основу фізичного світорозуміння, що вже саме по собі визначає значення теорії відносності. Особливо велика її роль у фізиці ядра і елементарних частинок, у тому числі і для розрахунків гігантських установок, які призначені для потоків дуже швидких частинок, необхідних для експериментів, що дозволяють просунутися у вивченні будови матерії.

Список використаної літератури

  1. Є. Куранскій. Альберт Ейнштейн і теорія гравітації. - М., 1979

  2. Ю. Соколовський. Теорія відносності в елементарному викладі. - М., 1964

  3. В. Фок. Теорія простору, часу й тяжіння. - М., 1961

  4. В. Угаров. Спеціальна теорія відносності. - М., 1977.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
121.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Принцип відносності і спеціальна теорія відносності Ейнштейна
Принцип відносності і спеціальна теорія відносності Ейншт
Теорія відносності Ейнштейна А
Загальна теорія відносності
Загальна теорія відносності Ейнштейна
Історія фізики теорія відносності
Класична фізика й теорія відносності
Теорія відносності і помилки А Ейнштейна
Спеціальна теорія відносності як псевдонаукових теорій
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru