РЕФЕРАТ
ПО КОНЦЕПЦІЇ
СУЧАСНОГО природознавства
На тему: «Принцип відносності і спеціальна теорія відносності Ейнштейна»
План
1. Принцип відносності Ейнштейна 3
2. Теорія відносності 4
2.1 Поняття одночасності 5
2.2 Відносність відстаней 6
2.3 Відносність маси 7
3. ОТО 9
Список використаної літератури 12
1. Принцип відносності Ейнштейна
Ейнштейн узагальнив принцип відносності Галілея, сформульований для механічних явищ, на всі явища природи. Принцип відносності Ейнштейна говорить: «Ніякими фізичними дослідами (механічними, електричними, оптичними), виробленими в якій-небудь інерціальній системі відліку, неможливо визначити, чи рухається ця система рівномірно і прямолінійно, або перебуває в спокої». Не тільки механічні, але і всі фізичні закони однакові у всіх інерціальних системах відліку.
Таким чином, принцип відносності Ейнштейна встановлює повну рівноправність усіх інерційних систем відліку і відкидає ідею абсолютного простору Ньютона. Теорію, створену Ейнштейном для опису явищ в інерційних системах відліку, називають спеціальною теорією відносності.
2. Теорія відносності
Теорія відносності складається з двох частин. Перша частина називається спеціальної (або приватної) теорією (скорочено - СТО). Вона досліджує швидкі рівномірні прямолінійні руху поза гравітаційних полів. Друга частина - загальна теорія відносності (скорочено - ЗТВ) охоплює нерівномірні руху і гравітаційні поля.
Почнемо зі спеціальної теорії. Постараємося коротко простежити логіку її побудови та висновків.
Головне своєрідність фізики Ейнштейна полягає в тому, що рух речовини вона зіставляє з поведінкою світла.
Фундаментом СТО служать два постулати, що поєднують основні властивості руху речовини і світла.
Перший постулат: рівномірні прямолінійні руху неможливо відрізнити від спокою. Те й інше фізично рівноцінно.
Другий постулат: швидкість світла не залежить від руху світлового джерела.
Окремо постулати нітрохи не дивні. У закритій каюті неможливо дізнатися, рухається корабель (плавно, без поштовхів і тряски) або стоїть біля пристані. Разом з тим легко повірити, що світлові хвилі поширюються однаково швидко від рухомого і нерухомого ліхтаря. Адже саме так поводяться звукові хвилі, хвилі на воді і т.д.
Кожен постулат сам по собі зрозумілий і логічний.
Однак з'єднані разом, вони виглядають несумісними. Другим, здавалося б, спростовується перший. Справді: резонно думати, що рівномірний прямолінійний рух можливий виявити відносно світлових хвиль і, значить, відрізнити його від спокою, що суперечить першому постулату.
Коли пілот швидкохідного літака перестає чути ревіння власних двигунів, він знає, що обігнав звук і мчить швидше звукових хвиль.
Зі світлом таке неможливе (в 1881 р. американський фізик Майкельсон довів це експериментом). Як би швидко не мчала ракета, світ її прожектора завжди б'є вперед з незмінною швидкістю - 300000 км / сек. Змінити свою швидкість відносно світлових хвиль неможливо. Тому, скориставшись світлом, неможливо відрізнити рівномірний прямолінійний рух ракети від спокою, незважаючи на те, що швидкість світла не залежить від руху джерела.
З постулатів Ейнштейна випливають дуже важливі слідства.
2.1 Поняття одночасності
Розглянемо тепер питання про звірці годин і про одночасність подій у різних системах відліку з урахуванням постулатів Ейнштейна.
У механіці Ньютона «істинний, або стандартний, процес перебігу абсолютного часу не схильний ніяким змінам» і не залежить "від того, швидкі руху або повільні або їх немає взагалі». Вважалося, що такі поняття, як «момент часу», «раніше», «пізніше», «одночасність», мають самі по собі сенс, правомірне для всього Всесвіту, і два якихось події, одночасні для однієї системи, одночасні і під всіх інших системах. З точки зору ж теорії відносності Ейнштейна немає такого поняття, як абсолютна одночасність, як немає абсолютного часу.
Щоб вирішити, одночасно чи сталися в різних точках дві події, необхідно мати в кожній з цих точок точний годинник, щодо яких можна бути впевненим, що вони йдуть синхронно. Для цього можна перенести ці години в одну точку, відрегулювати їх так, щоб вони йшли синхронно, і потім знову рознести їх по різних приміщеннях. Можна також використовувати сигнали часу. Дозволяють порівнювати показання годин у різних точках. На практиці використовують обидва способи. На кораблі, наприклад, є хронометр, який йде дуже точно і відрегульоване по контрольних годинах в порту відправлення. Крім того, для його перевірки під час плавання використовуються сигнали точного часу по радіо.
Так загальна абсолютна одночасність, можливість якої мовити в класичній фізиці, пропадає. Замість неї виходить на сцену відносна одночасність подій, що існує лише для якогось конкретного, певним чином рухомого спостерігача.
Різні спостерігачі можуть встановлювати навіть неоднакову черговість одних і тих же подій. Але все це надзвичайно тонко і можливо відзначити лише при русі з гігантськими відносними швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла. Важливо, щоб спостерігачі встигали помітно зміститися за те крихітне час, поки світлові спалахи пробігають відстань між подіями.
Таким чином, відповідно до теорії відносності в кожній з інерціальних систем, що знаходяться у відносному русі, існує власний час системи, яке показують годинник, що спочивають у цій системі. Отже, при визначенні часу подій в різних інерціальних системах події, одночасні в одній системі, можуть виявитися неодночасно в іншій системі відліку. Іншими словами, не існує абсолютної одночасності.
2.2 Відносність відстаней
Розглянемо приклад: надшвидкий пароплав рухається повз стрічки, яку розклав на березі бакенщик.
За вимірами бакенщика, довжина стрічки, допусти, 100 м. Але капітан з цим не згоден. Для капітана стрічка коротше.
Щоб виміряти довжину стрічки з мчить корабля, капітан одночасно (для себе) засікає на палубі точки, що збігаються з її кінцями, і потім спокійно відміряє відстань між зарубками. Але для бакенщика зарубки зроблені неодночасно. Спочатку, на його думку, засічено початок стрічки (десь проти корми котився пароплава), потім - кінець. Між моментами зарубок корабель встиг зміститися вперед - от і вийшло, що на пароплаві зарубки ближче один до одного, ніж варто було б по відліках бакенщика.
Однак помилки у вимірюванні капітана не було. Його відлік виконаний точно. Різниця ж підсумків вимірювань - результат відносності одночасності.
У свою чергу бакенщик, вимірюючи таким же способом довжину пароплава, знайде його більш коротким, ніж капітан.
За відліках будь-яких спостерігачів, довжини предметів, що проносяться повз, скорочуються. Для кожного мандрівника скорочується довжина всього прохідного їм відстані. І тим помітніше, чим ближче його швидкість до швидкості світла.
2.3 Відносність маси
Відповідно до теорії Ейнштейна, маса одного і того ж тіла є величина відносна. Вона має різні значення в залежності від вибору системи відліку, в якій проводиться її вимір. Або при вимірюванні в одній і тій же системі відліку - залежно від швидкості рухомого тіла. При цьому маса залежить тільки від величини швидкості відносно цієї системи і не залежить від напрямку швидкості. Поки швидкості руху малі в порівнянні зі швидкістю світла, масу тіла можна вважати сталою і незалежною від швидкості руху, як це і робиться в класичній механіці. У міру того. Як швидкість руху тіла наближається до швидкості світла, величина маси стає все більше і для одного і того ж збільшення швидкості потрібна все більша і більша сила. Чим ближче швидкість тіла до швидкості світла, тим важче її збільшити. Коли швидкість тіла досягає швидкості світла, його маса стає нескінченно великою. Звідси випливає, що неможливо змусити тіло рухатися зі швидкістю світла. Ніщо речовий не може навіть наздогнати світло.
Звідси можна зробити висновок, що при повідомленні тілу кінетичної енергії його маса збільшується. Виходить, що кінетичної енергії відповідає певна маса. Розглянемо, чи справедливо це твердження щодо інших видів енергії?
Із зростанням швидкості зростає і енергія тіла, його здатність зробити роботу. Значить, маса і енергія ростуть разом. Поблизу швидкості світла те й інше стрімко збільшується. Інерція стає непереборно величезною, енергія - як завгодно великою.
Звідси робиться висновок про еквівалентність маси і енергії. Маса і енергія - дві еквівалентні характеристики рухомого тіла. Так, при нагріванні тіла його маса дещо збільшується. Випромінювання, що випускається Сонцем, містить енергію і тому має масу; Сонце і зірки при випромінюванні втрачають масу. Камінь, що лежить на долоні, лише зовні спокійний. Він нерухомий лише як ціле тіло. Всередині, у своєму мікросвіті, він насичений непомітними для ока рухами. Це внутрішній рух обумовлює існування внутрішньої енергії каменю, яка теж підпорядкована закономірностям СТО. Значить, і внутрішня енергія еквівалентна деякій масі. Це і є маса спокою.
Знаючи масу спокою тіла, легко вирахувати запас його внутрішньої енергії. Підрахунок робиться за знаменитою формулою Ейнштейна: Е = mc. З цього співвідношення випливає, що повна енергія тіла пропорційна його масі. У всіх тіл з втратою енергії зменшується маса і, навпаки, зі збільшенням енергії збільшується маса.
3. ОТО
Прямолінійне і рівномірний рух систем відліку поза полів тяжіння лише окремий випадок. Зазвичай світові руху відбуваються в гравітаційних полях і прискорених системах відліку.
Класична фізика вважала тяжіння рядовий силою серед безлічі природних сил (електричних, магнітних і т.д.). Тяжінню було наказано «дальнодійність» (проникнення «крізь порожнечу») і дивовижна здатність надавати рівне прискорення тіл різних мас. Обидва ці властивості виглядали в класиці дуже штучними.
На думку Ейнштейна, гравітаційне поле - не силове. Насправді тяжкість - наслідок особливостей світового простору-часу. І гравітаційне поле правильніше називати метричним. Логіка, яка веде до цього незвичного висновку, така.
Спочатку обговорюється рівність прискорень вільного падіння для тіл різних мас (те, що масивний ключ і легенька сірник однаково швидко падають зі столу на підлогу). Як помітив Ейнштейн, це унікальна властивість робить тяжкість дуже схожою на інерцію. У самому справі, ключ і сірник ведуть себе так, як якщо б вони рухалися в невагомості за інерцією, а підлогу кімнати з прискоренням присувався до них. Досягнувши ключа і сірники, стать випробував би їх удар, а потім тиск, тому що інерція ключа і сірники позначилася б при подальшому прискоренні статі. Це тиск (космонавти кажуть - «перевантаження») називається силою інерції. Подібна сила завжди прикладена до тіл в прискорених системах відліку.
Якщо ракета летить із прискоренням, що дорівнює прискоренню вільного падіння на земній поверхні (9,81 м / сек), то сила інерції буде грати роль ваги ключа і сірники. Їх «штучна» тяжкість буде точно такий же, як природна на поверхні Землі. Значить, прискорення системи відліку - це явище, цілком подібне гравітації.
Навпаки, у вільно падаючому ліфті природна тяжкість усувається прискореним рухом системи відліку кабіни «навздогін» за ключем і сірником.
Зрозуміло, класична фізика не бачить у цих прикладах істинного виникнення і зникнення тяжкості. Тяжіння лише імітується або компенсується прискоренням. Але у ВІД схожість інерції і тяжкості визнається набагато глибшим.
Ейнштейн висунув локальний принцип еквівалентності інерції і тяжіння, заявивши, що в досить малих масштабах відстаней і тривалостей одне явище неможливо відрізнити від іншого ніяким експериментом.
Таким чином, ОТО ще глибше змінила наукові уявлення про світ. Втратив універсальність перший закон ньютонівської динаміки - виявилося, що рух за інерцією може бути криволінійним і прискореним. Відпала потреба у понятті важкої маси. Змінилася геометрія Всесвіту: замість прямого евклідовского простору і рівномірного часу з'явилося викривлене простір-час, викривлений світ. Настільки різкої перебудови поглядів на фізичні першооснови світу не знала історія науки.
Тим не менш, класична механіка понині широко і плідно служить фізиці, техніці, астрономії і ніколи не втратить свого величезного значення. Пояснюється це порівняльної простотою, зручністю класичних моделей і формул, їх надзвичайно високою точністю, близькістю до реальної природи.
Тільки там, де доводиться мати справу з дуже великими відносними швидкостями тіл (наприклад, в сучасних прискорювачах), або з дуже високими концентраціями енергії і маси (ядерні процеси), або з гігантськими гравітаційними полями (явища, що розгортаються в безпосередній близькості від зірок або в масштабах всієї Метагалактика), виходять на сцену ефекти СТО і ОТО.
Є астрономічні події, пояснити які вдається лише з позицій ЗТВ. Ці-то явища і довели справедливість нової теорії тяжіння.
Один із прикладів - промінь світла, що проходить біля Сонця. І ньютонівська механіка, і ОТО визнають, що він повинен відхилитися до Сонця (падати). Однак ОТО пророкує вдвічі більший зсув променя. Спостереження під час сонячних затемнень довели правоту передбачення Ейнштейна.
Інший приклад. Найближча до Сонця планета Меркурій обертається навколо світила не по точному еліпсу, як наказано ньютонівської небесної механікою. Цей еліпс сам обертається - дуже повільно, на 43 кутові секунди за століття. Саме таку орбіту дає обчислення за формулами ЗТВ.
Уповільненням часу в сильному гравітаційному полі пояснюють зменшення частоти світлових коливань у випромінюванні білих карликів - зірок дуже великої щільності. А в останні роки цей ефект вдалося зареєструвати і в лабораторних умовах.
Нарешті, дуже велика роль ОТО в сучасній космології - науці про будову й історію всього Всесвіту. У цій області знання також знайдено багато доказів ейнштейнівської теорії тяжіння.
Список використаної літератури
С.Г. Хорошавін «Концепції сучасного природознавства»
Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс загальної фізики»
Б.М. Іванов «Закони фізики»
Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов «Фізика»
вид. «Просвещение» 1970 р. «Пізнання триває»