Основні наукові та світоглядні ідеї А Ейнштейна

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

скачати

План:

Введення

1. Спеціальна теорія відносності

2. Загальна теорія відносності

3. Квантова теорія

4. Релятивістська космологія

Висновок

Список використаної літератури

Введення

Альберт Ейнштейн народився в Швейцарії, в небагатій єврейській родині, яка жила спочатку у Швейцарії, потім у Німеччині. У 1933 р. (в Німеччині прийшли до влади нацисти) А. Ейнштейн емігрував до США, де і прожив до кінця свого життя. У 1921 р. йому була присуджена Нобелівська премія за роботи в галузі теоретичної фізики і пояснення фізичної природи фотоелектричного ефекту. З 1926 р. він був почесним членом Академії наук CCC Р.

Альберт Ейнштейн - видатний фізик-теоретик, один з творців сучасної фізики. Автор спеціальної і загальної теорій відносності, що докорінно змінили уявлення про простір, час і матерію.

У теорії відносності виділяють спеціальну теорію відносності (СТО) і загальну теорію відносності (ЗТВ). СТО була створена в 1905 р. Над створенням ОТО Ейнштейн працював понад десять років 1905 по 1916 р. До двадцятим років минулого століття він був загальновизнаним лідером в теоретичній фізиці. З появою в 1926 р квантової механіки Ейнштейн вступив у гостру дискусію з проблеми отримання об'єктивної інформації про об'єкти мікросвіту. А. Ейнштейну не вдалося довести неповноту і суперечливість квантової механіки, але його фізичні; ідеї мали великий вплив на розвиток цієї теорії. Наприклад, теорія лазерів (термін «лазер» утворений з перших літер англійської назви «посилення світла в результаті вимушеного випромінювання») грунтується на принципах індукованого фотонного випромінювання, сформульованих у вигляді гіпотези А Ейнштейном у 1915 р. У розквіті своїх творчих сил А. Ейнштейн добровільно відмовився від ролі лідера в галузі теоретичної фізики. Друга половина його наукової творчості була пов'язана зі створенням теорії, що розкриває єдність фізичної природи всіх сил фізичної взаємодії в природі (гравітація, електромагнітні, сильні і слабкі). Ця теорія отримала назву теорії єдиного фізичного поля. По суті, теорія відносності була необхідним етапом розвитку теорії єдиного фізичного поля, над якою він працював в останні роки свого життя.

На початку XX ст. А. Ейнштейн обгрунтував необхідність відмови від поняття ефіру як науково неспроможного. Він посилався на негативний результат дослідів по виявленню швидкості руху Землі відносно ефіру, проведених в 1880-1887 рр.. М Майкельсона. Розглянувши всі пропозиції щодо ефіру з часів Ньютона і до початку XX ст., А. Ейнштейн у праці «Еволюція фізики» підбив підсумки: «Усі наші спроби зробити ефір реальним провалилися. Він не виявив ні свого механічного будови, ні абсолютного руху. Від усіх властивостей ефіру не залишилося нічого ... всі спроби відкрити властивості ефіру призвели до труднощів і суперечностей. Після стількох невдач настає момент, коли слід абсолютно забути від ефірі і постаратися ніколи більше не згадувати про нього ».

1. Спеціальна теорія відносності (СТО)

В основі СТО лежать два принципи або постулату, які не пояснюють, чому повинно відбуватися саме таким чином, а не інакше. Однак побудована на їх прийнятті теорія дозволяє точно описувати події, що відбуваються у світі.

  1. Всі фізичні закони повинні виглядати однаковими в усіх інерційних системах відліку.

  2. Швидкість світла у вакуумі не змінюється при зміні стану руху джерела світла.

Наслідки, що випливають з першого принципу:

  1. Не лише закони механічного руху, як було в класичній механіці, але і закони інших фізичних явищ повинні виглядати або проявляти себе однаково в усіх інерційних системах відліку.

  2. Всі інерціальні системи відліку рівноправні. Отже, немає привілейованої системи відліку, будь то Земля чи ефір.

  3. Поняття ефіру як абсолютної системи відліку позбавлене фізичного сенсу.

Наслідки, що випливають з другого принципу:

  1. Не існує нескінченно великій швидкості поширення фізичного взаємодії у світі.

  2. У фізичному світі взаємодія не здійснюється миттєво зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Наслідки, що випливають спільно з двох принципів СТО:

  1. У світі немає одночасних подій.

  2. Не можна розглядати простір і час як незалежні один від одного властивості фізичного світу.

3.Преобразованія Лоренца мають фізичний зміст.
Доказ зв'язку простору і часу можна пояснити на наступному прикладі, в якому слід мати на увазі, що згідно з СТО в усіх інерційних системах відліку світло поширюється з однієї і тієї ж швидкістю. Припустимо, що є дві інерціальні системи відліку, які рівноправні в описі фізичних подій, тобто кожна дає об'єктивні опису: людина, що стоїть на залізничній платформі (доглядач), і пасажир що рухається з однаковою швидкістю поїзда щодо платформи і стаціонарного доглядача. Над головою пасажира знаходиться освітлювальна електрична лампочка, яка спалахує в момент, коли пасажир, який сидів біля вікна вагона, і доглядач, що стоїть на платформі, виявляться одна проти одної по ходу руху поїзда. Класична механіка дає наступний опис цієї події.

Час має абсолютний сенс, тому воно не залежить від просторового переміщення подій. Доглядач варто, пасажир рухається, але ритм часу для них один і той же. СТО дає інше рішення:

  1. Для пасажира у вагоні світло досягне обох стінок вагону одночасно, оскільки у всіх інерціальних системах відліку світло поширяться в усіх напрямках з однаковою швидкістю.

  2. У доглядача буде інша точка зору. Він скаже, що задню стінку (вона рухається до світла по ходу поїзда) світло досягне раніше, ніж передню стінку вагона, оскільки він її наздоганяє по ходу поїзда.

Далі, якщо заздалегідь встановити один і той же час на годиннику доглядача і пасажира поїзда, то для станційного наглядача годинник біля задньої стінки вагона будуть показувати час, відмінний від часу на циферблаті годинника у передньої стінки. Вони будуть показувати, що світло досягає задню стінку раніше, ніж передню стінку. Отже, один годинник йдуть швидше, інші - повільніше. Таким чином, простір і час, по СТО, взаємопов'язані між собою і є не абсолютними, як було у Галілея - Ньютона, а відносними: швидкість ходу годинника залежить від місця їх положення в просторі, місце положення в просторі впливає на швидкість ходу годинника.

Недоліки СТО:

  1. У ній мова йде тільки про інерціальних системах відліку. Але більшість систем відліку є в реальному житті неінерційній (змінюється прискорення і швидкість з часом).

  2. У ній не враховується дія сили гравітації на світ Пошук усунення цих вад СТО привів до створення ЗТВ.

2. Загальна теорія відносності (ЗТВ)

ОТО грунтується на двох принципах або постулатах

  1. Принцип відносності.

  2. Принцип еквівалентності важкої та інертної мас тіла.

Перший принцип стверджує, що закони фізики повинні мати один і той же вид не тільки в інерційних системах, але і в неінерційній системах відліку, тобто інерціальні системи відліку не повинні розглядатися як привілейовані системи відліку, як це робила класична механіка. Аналізуючи неінерційній системи відліку, що рухаються з однаковим прискоренням, Ейнштейн прийшов до несподіваного висновку про те, що в цих системах виникає явище, схоже на явищем тяжіння в однорідному полі гравітації. Однорідне гравітаційне поле - це якась абстракція або ідеалізація. У цьому полі сила гравітації має однакову величину за всіма його напрямками і в кожній його точці. З огляду на це схожість, А. Ейнштейн прийшов до висновку, що силу тяжкості можна створити або знищити переходом в систему відліку, що рухається з прискоренням. Наприклад, якщо людина знаходиться в ліфті без вікон поза дією сили тяжіння, то він буде перебувати в стані невагомості. Усі навколишні його предмети і він сам не будуть притягатися до підлоги ліфта. Якщо подумки тягнути ліфт вгору за допомогою каната зі швидкістю, що дорівнює прискоренню вільного падіння на Землі, то ця людина відчує дії сили гравітації, яка буде аналогічна силі гравітації в однорідному гравітаційному полі, де в кожній його точці прискорення вільного падіння тіл має одну і ту ж величину. Насправді із зовнішньої системи відліку правильно говорити про те, що ліфт, її стать, рухається до що знаходиться в ньому людині і предметів.

Принцип еквівалентності важкої та інертної мас. У цьому принципі міститься відповідь на запитання, яке ставив собі Ейнштейн: від чого залежить дію сили тяжіння, ніж вона визначається? У фізиці Ньютона тяжіння залежить виключно від маси тіл. Із закону вільного падіння тіл, відкритого Галілеєм, випливало, що між важкою та інертною масами тіла існує пропорційна залежність, яка дозволяє припустити, що між цими масами тіла немає суттєвої різниці, коли ми говоримо про дію сили гравітації.

Оскільки всі тепа падають з одним і тим же-прискоренням незалежно від їх ваги, то це говорить про те, що інертна маса тіл пропорційна їх гравітаційної масі. Ставлення M i / M i (Де m i - інертна маса будь-якого тіла, M i - Гравітаційна маса цього ж тіла) при вільному падінні тіл залишається постійним для всіх теп незалежно від їх реальної фізичної природи (зроблені з дерева або металу і т.п.). У 1890 р. угорський фізик Етвеш експериментально довів справедливість припущення фізики Галілея-Ньютона про пропорційну інертної і гравітаційної мас тіла. У Ньютона це відношення було менше 10 -8 (M 1, / m 1 <10 -8). Надалі ця величина виявилася ще менше, що дозволяє говорити про рівність, еквівалентності цих мас тіла.

Аналізуючи фізичний зміст пропорційного відповідності між інертної і важкої масами тіла, а також природу подібності дії сили тяжіння з явищем, що виникають в неінерційній системі відліку, що рухається з постійним прискоренням, Ейнштейн прийшов до висновку, що сила тяжіння не залежить від маси тіл. Природно, виникало питання: від чого вона залежить? На це питання Ейнштейн дав таку відповідь: з теоретичної точки зору є підстави стверджувати, що сила тяжіння еквівалентна викривлення простору і викривлення простору еквівалентно дії сили тяжіння. У цьому рішенні силі інерції, яка у фізиці Ньютона розглядалася як нереальна сила, надається реальний статус. Наприклад, при русі поїзда пасажири спостерігають здається рух предметів поза поїзда в протилежну сторону. У теорії Ейнштейна цій силі надається реальний сенс. Припустимо, що є ліфт, який закріплений на канаті таким чином, що на розташовані в ньому предмети не діє сила тяжіння. Тоді предмети будуть розташовуватися на одній лінії щодо статі ліфта. У момент обрізання каната виникне сила інерції, яка буде прагнути зберегти початкове положення кожного предмета в ліфті. Оскільки сила тяжіння спрямована до центру Землі, то напрямок сили інерції для кожного предмета ліфта не буде однаковим, а буде залежати від його відстані до центру ліфта. Для одних предметів вона буде спрямована вгору, де сила тяжіння буде перпендикулярно спрямована до центру Землі. В інших місцях ліфта напрямок сили інерції буде під певним кутом до напрямку сили гравітації. У результаті простір усередині падаючого ліфта буде викривленим. Для спостерігача поза ліфта предмети будуть розташовуватися не на прямій горизонтальній лінії, паралельній підлозі, а на викривленій лінії. Світло в такому просторі буде поширюватися не по прямій лінії, як цього вимагала СТО, а по кривій лінії.

Наслідки ОТО

  1. Світло у викривленому просторі-часу не може розповсюджуватися з однієї і тієї ж швидкістю, як вимагала СТО. Поблизу джерела сили тяжіння він поширюється повільніше, ніж удалині від нього.

  2. Хід годин сповільнюється при наближенні до джерела гравітації.

  3. У структурі простір - час - енергія (речовина, поле, випромінювання) можливі освіти, структури, де сила гравітації, представлена ​​відповідною величиною тензора кривизни, настільки сильна, що з цієї структури, як своєрідної «чорної діри», не може вирватися енергія у вигляді світла, поля і речовини. У рівняння тяжіння Ейнштейна входить тензор «енергії-імпульсу» з 10 компонентів для опису прискорення тіла в рухомому середовищі. Додавання до цього тензора інформації (компонентів) про сили, що діють в самій рухомому середовищі, де знаходиться тіло, дає систему рівнянь для опису еволюційних процесів у Всесвіті.

Створивши ОТО, А. Ейнштейн вказав на три явища, пояснення яких його теорією і теорією Ньютона давали різні результати: це поворот площини орбіти Меркурія, відхилення світлових променів, що проходять поблизу Сонця, і червоне зміщення спектральних ліній світла, випромінюваного з поверхні масивних тіл. Ефект повороту площини орбіти Меркурія було відкрито ще астрономом Леверрье (1811-1877). Теорія Ньютона не давала пояснення цьому явищу. Мова йде про поворот площини орбіти Меркурія навколо великої осі еліпса, по якому Меркурій рухається навколо Сонця.

Згідно ЗТВ А. Ейнштейна планети, завершуючи повний оборот навколо Сонця, не можуть повертатися до те ж саме місце, а зсуваються трохи вперед і їхні орбіти повертаються повільно в своїй площині. Цей ефект був передбачений А. Ейнштейном. Перевірка обчислень точно збіглася з прогнозами ВМО.

З розвитком теорії ОТО тісно пов'язана ідея створення теорії калібрувальних полів. Німецький математик Г. Вейль (1862-1943) в роботі «Простір, час і речовина» (1918) сформулював принцип, згідно з якою фізичні закони повинні бути інваріантними (мати однаковий вигляд) щодо зміни масштабів вимірювання в системах простір - час - речовина. Перетворення або зміна масштабів вимірювання може бути як однорідним, так і неоднорідним від однієї точки до іншої в просторово-часових структурах.

Неоднорідні перетворення називаються калібрувальними. У ЗТВ масштаби довжин і часу не залежать від місця, часу і стану руху спостерігача. Теорія Г. Вейля допускає якраз зміни масштабів часу в просторово-часових структурах.

Викривлене простір можна уявити наступним чином. Якщо розтягнути тонкий клапоть гуми і помістити в центр його важкий предмет, то гума під ним провисне. Якщо тепер покотити маленьку кульку з цього клаптя, то його буде тягнути до западини. Якщо западина глибока, то кулька буде обертатися навколо предмета, що утворив цю западину.

3. Квантова теорія

Першим фізиком, який захоплено прийняв відкриття елементарного кванта дії і творчо розвинув його, був А. Ейнштейн. У 1905 р. він переніс геніальну ідею квантованного поглинання і віддачі енергії при тепловому випромінюванні на випромінювання взагалі і таким чином обгрунтував нове вчення про світло. Якщо М. Планк (1900) квантована лише енергію матеріального осцилятора, то Ейнштейн ввів уявлення про дискретну, квантової структурі самого світлового випромінювання, розглядаючи останнє як потік квантів світла, чи фотонів (фотонна теорія світла). Таким чином, Ейнштейну належить теоретичне відкриття фотона, експериментально виявленого в 1922 А. Комптоном.

Подання про світло як про потік швидко рухаються квантів було надзвичайно сміливим, майже зухвалим, у правильність якого спочатку повірили не всі. Перш за все, з розширенням квантової гіпотези до квантової теорії світла був не згоден сам М. Планк, относивший свою квантову формули лише до досліджуваних ним законам теплового випромінювання чорного тіла.

А. Ейнштейн припустив, що мова йде про природну закономірності загального характеру. Не оглядаючись на пануючі в оптиці погляди, він застосував гіпотезу Планка до світла і прийшов до висновку, що слід визнати корпускулярну структуру світла.

Квантова теорія світла, або фотонна теорія, А. Ейнштейна стверджувала, що світло є постійно поширюється в світовому просторі хвильове явище. І разом з тим світлова енергія, щоб бути фізично дієвою, концентрується лише в певних місцях, тому світло має переривчасту структуру. Світло може розглядатися як потік неподільних енергетичних зерен, світлових квантів, або фотонів. Їх енергія визначається елементарним квантом дії Планка і відповідним числом коливань. Світло різного забарвлення складається з світлових квантів різної енергії.

Ейнштейнівське уявлення про світлові кванти допомогло зрозуміти і наочно уявити явище фотоелектричного ефекту, суть якого полягає у вибиванні електронів з речовини під дією електромагнітних хвиль. Експерименти показали, що наявність або відсутність фотоефекту визначається не інтенсивністю падаючої хвилі, а її частотою. Якщо припустити, що кожен електрон вибивається одним фотоном, то стає ясно наступне: ефект виникає лише в тому випадку, якщо енергія фотона, а отже, і його частота, досить велика для подолання сил зв'язку електрона з речовиною.

Правильність такого тлумачення фотоелектричного ефекту (за цю роботу Ейнштейн у 1922 р. отримав Нобелівську премію з фізики) через 10 років отримала підтвердження в експериментах американського фізика Р.Е. Міллікена (1868-1953). Відкрите в 1923 р. американським фізиком А.Х. Комптоном (1892-1962) явище (ефект Комптона), яке відзначається при дії дуже жорсткими рентгенівськими променями на атоми з вільними електронами, знову і вже остаточно підтвердило квантову теорію світла. Ця теорія відноситься до найбільш експериментально підтвердженою фізичною теоріям. Але хвильова природа світла була вже твердо встановлена ​​дослідами з інтерференції і дифракції.

Виникла парадоксальна ситуація: виявилося, що світло веде себе не тільки як хвиля, але і як потік корпускул. У дослідах по дифракції та інтерференції виявляються його хвильові властивості, а при фотоефекті - корпускулярні. При цьому фотон виявився корпускул зовсім особливого роду. Основна характеристика його дискретності - притаманна йому порція енергії - обчислювалася через чисто хвильову характеристику - частоту.

Як і всі великі природничі відкриття, нове вчення про світло мало фундаментальне теоретико-пізнавальне значення. Старе положення про безперервність природних процесів, яке було грунтовно похитнуто М. Планком, Ейнштейн виключив з набагато більш великої області фізичних явищ.

4. Релятивістська космологія

Сучасна релятивістська космологія будує моделі Всесвіту, відштовхуючись від основного рівняння тяжіння, введеного А. Ейнштейном у загальній теорії відносності (ЗТВ).

Основне рівняння ЗТВ пов'язує геометрію простору (точніше, метричний тензор) з щільністю та розподілом матерії в просторі. Вперше в науці Всесвіт постала як фізичний об'єкт. У теорії фігурують її параметри: маса, щільність, розмір, температура.

Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і зумовлена ​​наявність багатьох космологічних моделей Всесвіту. Перша модель була розроблена А. Ейнштейном у 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченності простору. Відповідно до космологічної моделлю Всесвіту А. Ейнштейна світовий простір однорідний і изотропно, матерія в середньому розподілена в ній рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універсальним космологічним відштовхуванням. Модель А. Ейнштейна носить стаціонарний характер, оскільки метрика простору розглядається незалежною від часу. Час існування Всесвіту нескінченно, тобто не має ні початку, ні кінця, а простір безмежно, але звичайно.

Всесвіт у космологічної моделі А. Ейнштейна стаціонарне, нескінченна в часі і безмежна у просторі.

Ця модель здавалася в той час цілком задовільною, оскільки вона узгоджувалася з усіма відомими фактами. Але нові ідеї, висунуті А. Ейнштейном, стимулювали подальші дослідження, і незабаром підхід до проблеми рішуче змінився.

У тому ж 1917 р. голландський астроном У. де Сіттер (1872-1934) запропонував іншу модель, яка була також рішення рівнянь тяжіння. Це рішення мало те властивість, що воно існувало б навіть за наявності «порожній» Всесвіту, вільної від матерії. Якщо ж у такому Всесвіті з'являлися маси, то рішення переставало бути стаціонарним: виникало деякого роду космічне відштовхування між масами, що прагне видалити їх один від одного. Тенденція до розширення, за В. де Ситтера, ставала помітною лише на дуже великих відстанях.

У 1922 р. російський математик і геофізик А.А. Фрідман (1888 - 1925) відкинув постулат класичної космології про стаціонарності Всесвіту і отримав рішення рівнянь А. Ейнштейна, що описує Всесвіт з «розширюється» простором.

Висновок

Альберт Ейнштейн - фізик-теоретик і великий громадський діяч. Про нього часто говорять, як про вченого, «Повінчані» з Всесвіту, що намагається розгадати інформацію «таємних послів» Всесвіту. До «таємним послам» Всесвіту відносяться так звані світові константи, значення яких визначає фізичний стан світу, в якому ми живемо. До цих констант відносяться: постійна Планка (квант-енергії), швидкість світла, заряд електрона, маса протона, гравітаційна стала та деякі інші. А. Ейнштейн визнаний видатним вченим XX століття.

А. Ейнштейн належав до числа видатних особистостей, які цікаві не тільки своїми результатами, але і тим, як вони мислили і над якими проблемами працювали. Проблеми, які він досліджував, цікавили багатьох учених, наприклад французького математика А. Пуанкаре (1854-1912) та австрійського фізика Е. Маха (1833-1916). Науковому співтовариству А. Ейнштейн став відомий своїми першими опублікованими трьома, роботами. У першій мова йшла про розвиток статистичних методів, при вивченні руху броунівським частинок, в другій - про необхідність введення поняття системи відліку для уточнення змісту понять часу і простору, в третій - про аналіз гіпотези М. Планка про кванти енергії, тобто випущенні і поглинання енергії порціями, квантами. Аналізуючи цю гіпотезу, А. Ейнштейн прийшов до висновку про необхідність радикальної зміни існуючих в той час уявлень про енергію «формах її перетворення. Наслідком цього аналізу стало твердження А. Ейнштейна про те, що світло випромінюється і поглинається як якась локалізована частка, яка переміщується від однієї точки до іншої як єдине ціле. Подібну ідею висловлював ще І. Ньютон у своїй корпускулярної теорії світла. Багато вчених дотримувались концепції світла як коливання ефіру, який заповнює всі космічний простір. Всесвітню популярність Ейнштейну принесла його теорія відносності. Одного разу великий Чарльз Чаплін сказав Ейнштейну: «Мені аплодують, бо всі розуміють, що я граю. Вам - за те, що Вас не розуміють ».

Список використаної літератури.

1. Концепції сучасного природознавства: підручник для студентів вузів / під ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - 4-е вид., Перераб. і доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008. - 319 с.

2. Ліхіна А.Ф. Концепції сучасного природознавства: навч. - М.: ТК Велбі, Видавництво Проспект, 2006. - 264 с.

3. Храмов Ю.А. Фізики: Бібліографічний довідник. - 2-е вид., Испр. і додатк. - М.: Наука, Головна редакція фізико-математичної літератури, 1983.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
54.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Політична думка та світоглядні ідеї Стародавнього Риму
Основні наукові підходи до визначення поняття компетентності
Основні наукові теорії відносини керівника до персоналу
Сутність та наукові основи інтенсифікації сільського господарства Основні напрями та шляхи подальшої
Основні ідеї синергетики
Основні ідеї неофрейдизму
Основні ідеї марксистської філософії
Основні ідеї квантової механіки
Основні ідеї Римського клубу
© Усі права захищені
написати до нас