Теорія відносності Ейнштейна А

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

скачати

Міністерство освіти РФ
Північно-Кавказький гуманітарний технічний інститут
РЕФЕРАТ
з фізики
на тему: «Теорія відносності Ейнштейна»
Автор роботи: Чапліна Г.В.
Ставрополь 2002
Зміст
Введення. 3
1. Передумови створення теорії відносності А. Ейнштейна. 5
1.1. Відносність руху по Галілею .. 5
1.2. Принцип відносності і закони Ньютона. 6
1.3. Перетворення Галілея. 6
1.4. Принцип відносності в електродинаміці. 7
1.5. Перетворення Лоренца. 8
1.6. Перетворення фізичних величин в релятивістській теорії. 8
2. Теорія відносності А. Ейнштейна. 9
2.1. Приватна (спеціальна) теорія відносності. 9
2.2. Загальна теорія відносності. 10
Висновок. 13
Література. 15

Введення

Принцип відносності - фундаментальний фізичний закон, згідно з яким будь-який процес протікає однаково в ізольованій матеріальній системі, що знаходиться в стані спокою, і в такій же системі в стані рівномірного прямолінійного руху. Стани руху або спокою визначаються по відношенню до довільно вибраної інерціальній системі відліку. Принцип відносності лежить в основі спеціальної теорії відносності Ейнштейна.
Інерційна система - поняття класичної механіки, першої фундаментальної фізичної теорії, яка має високий статус і в сучасній фізиці. Основи цієї теорії заклав І. Ньютон.
«Усяке тіло продовжує утримуватися в своєму стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан» - так Ньютон сформулював закон, який зараз називається першим законом механіки Ньютона, або законом інерції.
Система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють ніякі сили (або діють сили взаємно урівноважені), знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху, - називається інерціальної. Будь-яка система відліку, що рухається по відношенню до неї поступально, рівномірно і прямолінійно, є також інерціальна.
Теорія відносності - фізична теорія простору і часу. У приватній (спеціальної) теорії відносності розглядаються тільки інерціальні системи відліку. Явища, що описуються теорією відносності, називаються релятивістськими (від лат. "Відносний») і проявляються при швидкостях, близьких до швидкості світла у вакуумі (ці швидкості теж прийнято називати релятивістськими).
Існує фактично дві різних теорії відносності, відомих у фізиці, одна з них називається спеціальної (приватної) теорією відносності, інша - загальною теорією відносності. Альберт Ейнштейн запропонував першу з них в 1905 р., другу - в 1916 р. Беручи до уваги, що спеціальна теорія відносності пов'язана, в першу чергу, з електричними і магнітними явищами і з їх розповсюдженням в просторі і часі, загальна теорія відносності була розроблена , перш за все, щоб мати справу з тяжінням. 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.
Розглянемо послідовний розвиток цих теорій.

1. Передумови створення теорії відносності А. Ейнштейна

1.1. Відносність руху по Галілею

Важливу роль у створенні наукової картини світу зіграв принцип відносності одного з основоположників сучасного природознавства Галілея - принцип рівноправності усіх інерційних систем відліку в класичній механіці, який стверджує, що ніякими механічними дослідами, що вживаються в якійсь інерційній системі відліку, не можна визначити, покоїться дана система або рухається рівномірно і прямолінійно.
Математично принцип відносності Галілея висловлює інваріантність рівнянь механіки відносно перетворень координат рухомих точок (і часу) при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої - перетворень Галілея.
Вперше положення про відносність механічного руху було висловлено Галілео Галілеєм в 1638 р. в його праці «Діалог про дві основні системи світу - Птоломеєвої і коперниковой». Там ж сформульовано один з фундаментальних принципів фізики - принцип відносності. Галілей використовував наочний і образний метод викладу. Він писав, що перебуваючи «в приміщенні під палубою корабля» і проводячи досліди і спостереження над усім, що там відбувається, не можна визначити, спочиває чи корабель, або ж він рухається «без поштовхів», тобто рівномірно і прямолінійно. При цьому наголошувалося на два положення, що становлять суть принципу відносності:
1) рух щодо: по відношенню до спостерігача «в приміщенні під палубою» і до того, хто дивиться з берега, рух виглядає по-різному;
2) фізичні закони, що керують рухом тіл у цьому приміщенні, не залежать від того, як рухається корабель (якщо тільки цей рух рівномірно). Інакше кажучи, ніякі досліди в «закритій кабіні» не дозволяють визначити, покоїться кабіна або рухається рівномірно і прямолінійно.
Таким чином, Галілей зробив висновок, що механічне рух відносно, а закони, які його визначають, абсолютні, тобто безвідносно. Ці положення корінним чином відрізнялися від загальноприйнятих у той час уявлень Арістотеля про існування «абсолютного спокою» і «абсолютного руху».

1.2. Принцип відносності і закони Ньютона

Принцип відносності Галілея органічно увійшов до створеної І. Ньютоном класичну механіку. Її основу складають три «аксіоми» - три знаменитих закону Ньютона. Вже перший з них, який гласить: «Усяке тіло продовжує утримуватися в своєму стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан», говорить про відносність руху і одночасно вказує на існування систем відліку (вони були названі інерційних), в яких тіла, які не відчувають зовнішніх впливів, рухаються «за інерцією», не прискорюючи і не вповільнюючись. Саме такі інерціальні системи маються на увазі і при формулюванні двох інших законів Ньютона. При переході з однієї інерціальної системи до іншої змінюються багато величини, що характеризують рух тіл, наприклад, їх швидкості або форми траєкторії руху, але закони руху, тобто співвідношення, що зв'язують ці величини, залишаються постійними.

1.3. Перетворення Галілея

Щоб описувати механічні рухи, тобто зміна положення тіл у просторі, Ньютон чітко сформулював уявлення про простір і час. Простір мислилося як якийсь «фон», на якому розгортається рух матеріальних точок. Їх положення можна визначати, наприклад, за допомогою декартових координат x, у, z, що залежать від часу t. При переході з однієї інерціальної системи відліку К в іншу К ', що рухається по відношенню до першої вздовж осі x зі швидкістю v, координати перетворюються: x' = x - v × t, y '= у, z' = z, а час залишається незмінним: t '= t. Таким чином приймається, що час абсолютно. Ці формули отримали назву перетворень Галілея.
За Ньютону, простір виступає як якась координатна сітка, на яку не впливає матерія та її рух. Час в такій «геометричній» картині світу як би відраховується якимись абсолютними годинами, хід яких ніщо не може ні прискорити, ані сповільнити.

1.4. Принцип відносності в електродинаміці

Принцип відносності Галілея більше трьохсот років відносили тільки до механіки, хоча в першій чверті 19 ст., Перш за все завдяки працям М. Фарадея, виникла теорія електромагнітного поля, що отримала потім подальший розвиток і математичну формулювання в роботах Дж.К. Максвелла. Але перенесення принципу відносності на електродинаміку представлявся неможливим, оскільки вважалося, що весь простір заповнений особливої ​​середовищем - ефіром, натягу в якому і тлумачилися як напруженості електричного і магнітного полів. При цьому ефір не впливав на механічні рухи тіл, так що в механіці він «не відчувався», але на електромагнітних процесах рух щодо ефіру («ефірний вітер») повинно було позначатися. У результаті що знаходиться в закритій кабіні експериментатор за допомогою спостереження над такими процесами міг, здавалося, визначити, чи знаходиться його кабіна в русі (абсолютном!), або ж вона спочиває. Зокрема, вчені вважали, що «ефірний вітер» повинен впливати на поширення світла. Спроби виявити «ефірний вітер», проте, не увінчалися успіхом, і концепція механічного ефіру була відкинута, завдяки чому принцип відносності як би народився заново, але вже як універсальний, справедливий не тільки в механіці, але і в електродинаміці, та інших галузях фізики.

1.5. Перетворення Лоренца

Подібно до того, як математичної формулюванням законів механіки є рівняння Ньютона, рівняння Максвелла є кількісним поданням законів електродинаміки. Вигляд цих рівнянь також повинен залишатися незмінним при переході з однієї інерціальної системи відліку в іншу. Щоб задовольнити цю умову, необхідно замінити перетворення Галілея іншими: x '= g (x-vt); y' = y; z '= z; t' = g (t-vx / c 2), де g = (1 - v 2 / c 2) -1 / 2, а с - швидкість світла у вакуумі. Останні перетворення, встановлені Х. Лоренцем в 1895 і носять його ім'я, є основою спеціальної (або приватної) теорії відносності. При v £ c вони переходять в перетворення Галілея, але якщо v близько до c, то виявляються істотні відмінності від картини простору - часу, яку прийнято називати нерелятивістської. Перш за все, виявляється неспроможність звичних інтуїтивних уявлень про час, з'ясовується, що події, які відбуваються одночасно в одній системі відліку, перестають бути одночасними в іншій. Змінюється і закон перетворення швидкостей.

1.6. Перетворення фізичних величин в релятивістській теорії

У релятивістській теорії просторові відстані та проміжки часу не залишаються незмінними при переході з однієї системи відліку до іншої, що рухається відносно першої зі швидкістю v. Довжини скорочуються (у напрямку руху) в 1 / g раз, і в таке ж число раз «розтягуються» проміжки часу. Відносність одночасності - основна принципово нова риса сучасної приватної теорії відносності.

2. Теорія відносності А. Ейнштейна

Альберт Ейнштейн (Einstein) (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.

2.1. Приватна (спеціальна) теорія відносності

Найбільшу популярність Ейнштейну принесла теорія відносності, викладена ним вперше в 1905 р. у статті «До електро-динаміці 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:
1) всі закони фізики однаково застосовні в будь-інерціальній системі звіту і не повинні мінятися при перетвореннях Лоренца;
2) світло завжди поширюється у вільному просторі з однією і тією ж швидкістю, незалежно від руху джерела.
Ейнштейн висунув дивовижний і на перший погляд парадоксальний постулат, що швидкість світла для всіх спостерігачів, як би вони не рухалися, однакова. Цей постулат (при виконанні деяких додаткових умов) приводить до отриманих раніше Х. Лоренцем формулами для перетворень координат і часу при переході з однієї інерціальної системи відліку до іншої, що рухається щодо першої. Але Лоренц розглядав ці перетворення як допоміжні, або фіктивні, що не мають безпосереднього відношення до реального простору і часу. Ейнштейн зрозумів реальність цих перетворень, зокрема, реальність відносності одночасності.
Таким чином, принцип відносності, встановлений для механіки ще Галілеєм, був поширений на електродинаміку і інші області фізики. Це призвело, зокрема, до встановлення важливого універсального співвідношення між масою М, енергією Е і імпульсом Р: E 2 = М 2 × c 4 + P 2 × с 2 (де с - швидкість світла), яке можна назвати однією з теоретичних передумов використання внутрішньоядерної енергії.

2.2. Загальна теорія 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.

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 с.
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.

Література

1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства. - М.: Владос, 2000. - 512 с.
2. Григор'єв В.М. Альберт Ейнштейн / / Велика енциклопедія Кирила і Мефодія. - М., 2001.
3. Данилова В.С., Кожевников М.М. Основні концепції природознавства. - М.: Аспект Пресс, 2000. - 256 с.
4. Концепції сучасного природознавства / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ, 2000. - 203 с.
5. Концепції сучасного природознавства / Самигін С.І. та ін - Ростов н / Д.: Фенікс, 1997. - 448 с.
6. Рузавін Г.І. Концепції сучасного природознавства: Курс лекцій. - М.: Проект, 2002. - 336 с.
7. Солопов Є.Ф. Концепції сучасного природознавства. - М.: Владос, 1999. - 232 с.
8. Хорошавін С.Г. Концепції сучасного природознавства: Курс лекцій. - Ростов н / Д.: Фенікс, 2002. - 480 с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
42кб. | скачати


Схожі роботи:
Принцип відносності і спеціальна теорія відносності Ейнштейна
Загальна теорія відносності Ейнштейна
Теорія відносності і помилки А Ейнштейна
Принцип відносності Ейнштейна
Принцип відносності і спеціальна теорія відносності Ейншт
Теорія відносності
Загальна теорія відносності
Класична фізика й теорія відносності
Історія фізики теорія відносності
© Усі права захищені
написати до нас