«Пространство и время в свете теорий относительности А. Эйнштейна»

«Пространство и время в свете теорий относительности А. Эйнштейна»

Контрольная работа

по Концепции современного

естествознания

на тему

«Пространство и время в свете теорий относительности А. Эйнштейна»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Принцип относительности Эйнштейна

2. Теория относительности

2.1. Специальная теория относительности

2.2. Общая теория относительности

2.3. Свойства пространства и времени

3. Физический смысл идей ученого для современной физики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В конце XIX начале XX веков  был  сделан  ряд крупнейших  открытий, с которых началась революция в физике. Она привела к пересмотру практически всех классических теорий в физике. Возможно, одной  из  самых  крупных  по значимости и  сыгравших  наиболее  важную роль  в становлении  современной физики наряду с квантовой теорией была теория относительности А.Эйнштейна.

Целью данной работы является необходимый вклад в достижения физики, особенно теории относительности Альберта Эйнштейна.

Задача состоит в раскрытии принципа относительности, а именно специальной и общей теорий. А также пользы идей ученого для науки.

Создание теории  относительности  позволило  пересмотреть  традиционные взгляды и представления о материальном мире. Такой пересмотр  существовавших взглядов был необходим, так как в физике накопилось много  проблем,  которые не могли быть решены с помощью существовавших теорий.               

 

1. Принцип относительности Эйнштейна

Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея, сформулированный для механических явлений, на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами (механическими, электрическими, оптическими), произведенными в какой-либо инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Таким образом, принцип относительности Эйнштейна устанавливает полную равноправность всех инерциальных систем отсчета и отвергает идею абсолютного пространства Ньютона. Теорию, созданную Эйнштейном для описания явлений в инерциальных системах отсчета, называют специальной теорией относительности.

 

2. Теория относительности

Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть - это специальная (или частная) теория относительности, исследующая быстрые равномерные прямолинейные движения вне гравитационных полей. Вторая часть – общая теория относительности, охватывающая неравномерные движения и гравитационные поля.

2.1. Специальная теория относительности

Специальная теория относительности (СТО), частная теория относительности  – теория, заменившая механику Ньютона при описании движения тел со скоростями, близкими к скорости света. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся незначительными.

Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные положения и полный математический аппарат теории, включая групповые свойства преобразований Лоренца, в абстрактной форме были впервые сформулированы А. Пуанкаре в работе «О динамике электрона» на основе предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории — преобразований Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе «К электродинамике движущихся сред».

В качестве исходных позиций новой теории Эйнштейн принял два постулата или принципа:

1. Принцип относительности.

2. Независимость скорости света от скорости источника.

Первый постулат (принцип) указывает на инвариантность законов природы и уравнений их, описывающих при переходе из одной инерциальной системы отчета в другую. То есть все ИСО не различимы по своим свойствам, ни какими опытами нельзя выделить ни одну из них как предпочтительную.

Второй постулат (принцип) утверждает, что скорость света в вакууме одинакова во всех направлениях и не зависит от скорости движения источника света. Отсюда следует, что она должна быть предельной и одинаковой во всех инерциальных системах отчета.

Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта.

Именно они описывают такие знаменитые эффекты, как замедление хода времени и сокращение длины быстродвижущихся тел, существование предельной скорости движения тела (коей является скорость света), относительность понятия одновременности (два события происходят одновременно по часам в одной системе отсчета, но в разные моменты времени по часам в другой системе отсчета).

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела уже имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных полей тяготения, где её заменяет более общая теория – общая теория относительности. Специальная теория относительности применима и в микромире, её синтезом с квантовой механикой является квантовая теория поля.

С математической точки зрения, непривычные свойства СТО есть результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют единый четырёхмерный континуум – пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Именно инвариантная структура этого пространства, задаваемая постулатами СТО, не меняется при переходах от одного условия синхронизации часов к другому, и гарантирует независимость результатов экспериментов от принятого условия.

2.2. Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО) – физическая теория пространства-времени и тяготения, основана на экспериментальном принципе эквивалентности гравитационной и инерционной масс и предположении о линейности связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами.

Классическая физика считала тяготение рядовой силой среди множества природных сил (электрических, магнитных и т.д.). Тяготению было предписано «дальнодействие» (проникновение «сквозь пустоту») и удивительная способность придавать равное ускорение телам разных масс. Оба этих свойства выглядели в классике очень искусственными.

По мнению Эйнштейна, гравитационное поле – не силовое. На самом деле тяжесть – следствие особенностей мирового пространства-времени. И гравитационное поле правильнее называть метрическим. Логика, приводящая к этому непривычному выводу, такова.

Вначале обсуждается равенство ускорений свободного падения для тел разных масс (то, что массивный ключ и легонькая спичка одинаково быстро падают со стола на пол). Как подметил Эйнштейн, это уникальное свойство делает тяжесть очень похожей на инерцию. В самом деле, ключ и спичка ведут себя так, как если бы они двигались в невесомости по инерции, а пол комнаты с ускорением придвигался к ним. Достигнув ключа и спички, пол испытал бы их удар, а затем давление, т.к. инерция ключа и спички сказалась бы при дальнейшем ускорении пола. Это давление (космонавты говорят – «перегрузка») называется силой инерции. Подобная сила всегда приложена к телам в ускоренных системах отсчета.

Если ракета летит с ускорением, равным ускорению свободного падения на земной поверхности (9,81 м/сек), то сила инерции будет играть роль веса ключа и спички. Их «искусственная» тяжесть будет точно такой же, как естественная на поверхности Земли. Значит, ускорение системы отсчета – это явление, вполне подобное гравитации.

Наоборот, в свободно падающем лифте естественная тяжесть устраняется ускоренным движением системы отсчета кабины «вдогонку» за ключом и спичкой.

Разумеется, классическая физика не видит в этих примерах истинного возникновения и исчезновения тяжести. Тяготение лишь имитируется или компенсируется ускорением. Но в ОТО сходство инерции и тяжести признается гораздо более глубоким.

Эйнштейн выдвинул локальный принцип эквивалентности инерции и тяготения, заявив, что в достаточно малых масштабах расстояний и длительностей одно явление невозможно отличить от другого никаким экспериментом.

Таким образом, ОТО еще глубже изменила научные представления о мире. Потерял универсальность первый закон ньютоновской динамики – оказалось, что движение по инерции может быть криволинейным и ускоренным. Отпала надобность в понятии тяжелой массы. Изменилась геометрия Вселенной: вместо прямого евклидовского пространства и равномерного времени появилось искривленное пространство-время, искривленный мир. Столь резкой перестройки воззрений на физические первоосновы мироздания не знала история науки.

Только там, где приходится иметь дело с очень большими относительными скоростями тел (например, в современных ускорителях), либо с очень высокими концентрациями энергии и массы (ядерные процессы), либо с гигантскими гравитационными полями (явления, разворачивающиеся в непосредственной близости от звезд или в масштабах всей Метагалактики), выходят на сцену эффекты СТО и ОТО.

Есть астрономические события, объяснить которые удается только с позиций ОТО. Эти-то явления и доказали справедливость новой теории тяготения.

Один из примеров – луч света, проходящий около Солнца. И ньютоновская механика, и ОТО признают, что он должен отклониться к Солнцу (падать). Однако ОТО предсказывает вдвое большее смещение луча. Наблюдения во время солнечных затмений доказали правоту предсказания Эйнштейна.

Другой пример. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий обращается вокруг светила не по точному эллипсу, как предписано ньютоновской небесной механикой. Этот эллипс сам вращается – очень медленно, на 43 угловые секунды за столетие. Именно такую орбиту дает вычисление по формулам ОТО.

Замедлением времени в сильном гравитационном поле объясняют уменьшение частоты световых колебаний в излучении белых карликов – звезд очень большой плотности. А в последние годы этот эффект удалось зарегистрировать и в лабораторных условиях.

Наконец, очень велика роль ОТО в современной космологии – науке о строении и истории всей Вселенной. В этой области знания также найдено много доказательств эйнштейновской теории тяготения.

2.3. Свойства пространства и времени

 Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время - порядок смены явлений. Пространство и время - основные понятия всех разделов физики.

Свойства пространства и времени делят на метрические (протяженность и длительность) и топологические (размерность, непрерывность и связность пространства и времени, порядок и направление времени). Современной теорией метрических свойств пространства и времени является теория относительности.

Рассмотрим пространственно-временные свойства материальных систем.

К пространственным свойствам относят:

1. Конкретные пространственные формы и размеры тел, их положение по отношению друг к другу, скорость перемещения.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны макромиру и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает уже молекула живого вещества.

3. Изотропность и однородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность, свойственная лишь абстрактному евклидовому пространству, является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается
метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

Специфическими свойствами времени являются:

1. Конкретная длительность существования материальных систем от их
возникновения до распада, ритмы процессов в них, соотношение между циклами изменений.

2. Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между ними на разных этапах эволюции. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит относительное замедление всех процессов в телах, их собственное время как бы сокращается по отношению ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий обусловливает относительность одновременности в различных системах. События, одновременные в одной системе, могут быть неодновременными по отношению к другой системе, движущейся относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует единое время, как и одно единое пространство. Каждая относительно меньшая материальная
система существует и движется в пространстве и во времени большей системы, и между ними существует двусторонняя взаимосвязь.

3. Физический смысл идей ученого для современной физики

С именем Эйнштейна до последнего времени связывают все успехи современной физики, даже в тех областях, которыми он практически не занимался. Но особенно революционизирующим считается влияние специальной и общей теорий относительности (СТО и ОТО). Более того, принято считать остальные его труды почти второстепенными по сравнению с последними. Об этом говорил, например, в 1967 г. де Бройль: "Когда говорят об Альберте Эйнштейне, часто ограничиваются тем, что он был гениальным автором теории относительности, сначала специальной, а затем общей. Однако, выражаясь так, не всегда отдают себе отчет в игнорировании очень важной части его творчества. Действительно, хотя теория относительности есть и остается одним из основных достижений физики XX века, нельзя забывать, что Эйнштейн также тот, кто в своей теории световых квантов первый увидел в свете сосуществование волн и корпускул, и тот, кто, вводя в статистическую термодинамику новые и порой дерзкие методы, извлек из них общую теорию флуктуации и броуновского движения".

В чем же особенность СТО и ОТО, придающая им такой высокий статус?

Математика СТО многократно подтверждена экспериментами, чтобы считаться вполне достоверной. ОТО в этом смысле находится в более неопределенном положении, поскольку предсказанных эффектов не много, а некоторые из них (как, например, гравитационные волны) до сих пор не обнаружены. Теоретически ОТО содержит ряд несуразностей, обнаруженных еще в начале 20 века Шредингером, Гильбертом, Фоком и др. Тем не менее, есть основания надеяться, что математические основы этой теории содержат важное рациональное зерно. Но, пожалуй, славу СТО и ОТО создали не столько их математические основы и результаты, сколько идеология СТО и ОТО и выводы, или, лучше сказать, интерпретация результатов, сделанные на ее основе, которые до сих пор подвергаются критике. Развитие физики привело в последние годы к возрождению некоторых концепций до эйнштейновских теорий, хотя об этом стараются прямо не говорить. Именно поэтому по вопросу оценки влияния этих теорий на развитие физики существуют различные мнения.

          Создание   теории   относительности   было   закономерным   результатом переработки   накопленных   человечеством    физических    знаний.    Теория относительности стала следующей ступенью развития физической науки,  включив в себя позитивные моменты предшествующих ей теорий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В  данной работе была поднята тема «Пространство и время в свете теорий относительности А.Эйнштейна», из которой следует сделать несколько выводов:

1) Равномерные прямолинейные движения вне гравитационных полей исследует СТО.

2) Неравномерные движения и гравитационные поля – ОТО.

3) СТО перестает работать в масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных полей тяготения, где ее заменяет более общая теория – ОТО.

Теория относительности пользуется понятием единого пространственно-временного континуума, или, как иногда говорят, четырехмерного пространства, в котором к трем привычным пространственным параметрам добавляется еще и время. Это делается для того, чтобы более четко, чем это удается осуществить в обычном трехмерном пространстве, зафиксировать какой-либо материальный объект.

Тем не менее, классическая механика поныне широко и плодотворно служит физике, технике, астрономии и никогда не потеряет своего огромного значения. Объясняется это сравнительной простотой, удобством классических моделей и формул, их чрезвычайно высокой точностью, близостью к реальной природе.