Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Реферат на тему: Философские проблемы теории относительности А.Эйнштейна

Содержание:

Введение

Даже в конце 19 века большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется незыблемой в будущем - нужно лишь уточнять детали. Но в первые десятилетия двадцатого века физические взгляды радикально изменились. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы 19 века и первые десятилетия 20 века, многие из которых совершенно не укладывались в понятие повседневной жизни. человеческий опыт. Ярким примером является теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

Принцип относительности был впервые установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил только в механике Ньютона.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаково.

Когда в естествознании преобладала механистическая картина мира, принцип относительности никоим образом не подвергался сомнению. Ситуация резко изменилась, когда физики начали изучать электрические, магнитные и оптические явления. Для физиков неадекватность классической механики для описания природных явлений стала очевидной. Возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждений, Альберт Эйнштейн приводит два аргумента, свидетельствовавших в пользу универсальности принципа относительности:

этот принцип выполняется с большой точностью в механике, а потому можно надеяться, что он окажется верным и в электродинамике.
если инерционные системы неравны для описания природных явлений, то разумно предположить, что законы природы проще всего описать только в одной инерциальной системе.

Например, рассматривается движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы в этом случае не выполнялся принцип относительности, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентации Земли. Ничего подобного, т.е. физического неравенства разных направлений не обнаружено. Однако здесь проявляется очевидная несовместимость принципа относительности с устоявшимся принципом постоянства скорости света в вакууме (300 000 км / с).

Возникает дилемма: отказ от принципа постоянства скорости света или принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и недвусмысленно, что отказываться от него было бы явно неоправданно; Не меньшие трудности возникают при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов. Фактически, как показал Эйнштейн:

«Закон распространения света и принцип относительности совместимы».

Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает из-за того, что классическая механика, согласно Эйнштейну, опиралась на «две неоправданные гипотезы»: временной интервал между двумя событиями не зависит от состояния движения эталонное тело и пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения эталонного тела. В ходе развития своей теории ему пришлось отказаться: от преобразований Галилея и принять преобразования Лоренца ; из ньютоновской концепции абсолютного пространства и определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определенного эталонного тела, и поэтому все физические процессы и законы должны быть сформулированы относительно точно указанной системы отсчета или координат. Следовательно, не существует абсолютного расстояния, длины или протяженности, как не может быть абсолютного времени.

Новые концепции и принципы теории относительности существенно изменили физические и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые доминировали в науке более двухсот лет.

Специальная теория относительности Эйнштейна

В 1905 году Альберт Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружения абсолютного движения, пришел к выводу, что все инерциальные системы отсчета равны. Он сформулировал два наиболее важных постулата, которые легли в основу новой теории пространства и времени, получившей название Специальная теория относительности (СТО):

Принцип относительности Эйнштейна - этот принцип был обобщением принципа относительности Галилея на любое физическое явление. В нем говорится: все физические процессы при одинаковых условиях в инерциальных системах отсчета (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакие физические эксперименты, проведенные внутри замкнутой ИСО, не могут установить, находится ли она в покое или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО полностью равны, и физические законы инвариантны относительно выбора ИСО (т. е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).
Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме - максимальная скорость в природе - это одна из важнейших физических констант, так называемых мировых констант.

Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1, все законы природы, включая законы механики и электродинамики, должны быть инвариантными относительно одних и тех же преобразований координат и времени, выполняемых при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона удовлетворяют этому требованию, а уравнения электродинамики Максвелла нет, т.е. оказываются неинвариантными. Этот факт привел Эйнштейна к выводу, что уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате чего как уравнения механики, так и уравнения электродинамики были бы инвариантными относительно одних и тех же преобразований. Необходимая модификация законов механики была произведена Эйнштейном. В результате появилась механика, соответствующая принципу относительности Эйнштейна - релятивистская механика.

Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь применим к электромагнитным явлениям, включая движение света. Этот принцип гласит, что никакие физические эксперименты (механические, электромагнитные и т. д.), Проводимые в данной системе отсчета, не могут различить состояния покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. Для всех физических процессов скорость света имеет свойство бесконечной скорости. Для того, чтобы передать телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и поэтому физически невозможно ни одно тело достичь этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, проведенными на электронах. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, чем квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света.

Скорость света - это предельная скорость распространения материальных влияний. Он не может суммироваться ни при какой скорости и для всех инерциальных систем оказывается постоянным. Все движущиеся тела на Земле имеют скорость, равную нулю по отношению к скорости света. Действительно, скорость звука всего 340 м / с. Это неподвижность по сравнению со скоростью света.

Из этих двух принципов - постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея - математически вытекают все положения специальной теории относительности. Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, и все они равны, то физические значения длины тела, временного интервала, масс для разных систем отсчета будут разными. Таким образом, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся.

Для определенного периода времени, продолжительности процесса, верно обратное. Время как бы растягивается, течет медленнее в движущейся системе по сравнению с неподвижной, в которой этот процесс будет происходить быстрее.

Эйнштейн попытался наглядно показать, как замедление течения времени происходит в движущейся системе отсчета по сравнению с неподвижной. Представим себе железнодорожную платформу, мимо которой проезжает поезд со скоростью, близкой к скорости света.

Следует подчеркнуть, что длины и временные интервалы изменяются по отношению к определенным пространственным координатам. Наблюдатель, находящийся в вагоне, по часам ждет, скажем, полчаса. А по часам наблюдателя на платформе проходит гораздо больше времени. Если, например, длина космического корабля в полете с точки зрения наблюдателя на Земле уменьшается вдвое, то после возвращения на Землю космический корабль замедляется, и его длина становится такой же, как и во время вылета.

Время необратимо. Отсюда знаменитый парадокс близнецов. После того, как один из близнецов летит на ракете, летящей со скоростью, близкой к скорости света, он с удивлением обнаруживает, что его брат старше его. Вы даже можете рассчитать такой полет.

Представьте себе, что космический корабль был запущен с Земли со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет на Земле. Но согласно теории относительности, по судовым часам, этот полет длился бы всего год. Если космонавт, отправившись в полет в 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече его 50-летний сын встретит своего 26-летнего отца.

Физиологические процессы тут совершенно ни при чем. Вы не можете спросить, почему за один год сыну космонавта исполнилось 50 лет. Теория относительности доказала, что не существует абсолютного времени или абсолютного пространства. Сыну исполнилось 50 лет за те годы, что он жил на Земле, в корабельной системе отсчета время относительно Земли другое.

Релятивистское замедление - экспериментальный факт. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами или пионами. Надлежащий жизни пиона 10 " 8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью , почти равной скорости света, они не могут ездить не более 300 см. Но приборы регистрируют их. Они покрывают расстояние в 30 км , или в 10 000 раз больше, чем это возможно для них. Теория относительности объясняет этот факт следующим образом: 10 ~ 8 с - это естественное время жизни мезона, измеряемое часами, движущимися вместе с мезоном, т. е. отдых по отношению к нему. время жизни мезона намного больше, и за это время пионы могут пересекать атмосферу Земли.

Говоря об относительности пространственных и временных величин в разных системах отсчета, следует помнить, что в теории относительности мы наблюдаем неразрывную связь между относительным и абсолютным как одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то связь между пространством и временем раскрывается как некоторая абсолютная величина. Это выражается в так называемом пространственно-временном интервале формулой

В каждой системе отсчета длина тела и временной интервал будут разными, но это значение останется неизменным. Увеличение длины будет соответствовать уменьшению промежутка времени в данной системе, и наоборот.

Важнейшим следствием СТО стала знаменитая формула Эйнштейна о соотношении массы и энергии E = mc 2 (где C - скорость света), которая показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения и подтверждены данными современной физики ... Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникла идея пространственно-временного четырехмерного континуума. В теории относительности «два закона - закон сохранения массы и сохранения энергии - утратили самостоятельную силу и оказались объединенными в один закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы.

Создание СТО стало качественно новым шагом в развитии физических знаний. СТО отличается от классической механики тем, что физическое описание релятивистских явлений органически включает наблюдателя со средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не сам физический процесс, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования.

Общая теория относительности Эйнштейна

Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности (ОТО) в 1916 году, над которой он работал 10 лет. ОТО обобщило СТО на ускоренные, то есть неинерциальные системы. Основные принципы общей теории относительности заключаются в следующем:

ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, в которых гравитационными силами можно пренебречь; (где гравитация велика, скорость света замедляется);
распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерционные).

В общей теории относительности (ОТО) или теории гравитации он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерциального и гравитационного полей или эквивалентности инерционного и гравитационного полей.

Правда, принцип эквивалентности справедлив только для строго локальных наблюдений. Итак, представим лифт, стоящий на Земле. Наблюдатель в лифте бросает два мяча. Они будут двигаться к центру Земли и, следовательно, навстречу друг другу. Если тянуть лифт с ускорением g в пустоте, то такие же шары будут двигаться параллельно друг другу.

Но, несмотря на это ограничение, принцип эквивалентности играет важную роль в науке. Мы всегда можем напрямую рассчитать действие сил инерции на любую физическую систему, и это дает нам возможность узнать действие гравитационного поля, абстрагируясь от его неоднородности, которая зачастую очень незначительна.

Кажется, что распространение принципа относительности на неинерциальные системы противоречит нашему повседневному опыту. Находясь внутри инерциальной системы, ни один эксперимент не может определить, движется она или покоится. Те, кто летал на самолете, знают, что в нем, как и на Земле, можно все: пить чай, играть в мяч и т. д. Даже если вы посмотрите в окно, вы увидите, что самолет как бы неподвижно висит над облаками. ... Однако, когда самолет начинает замедляться и приземляться, пассажиры сразу замечают это.

Эйнштейн предлагает провести мысленный эксперимент с лифтом, подвешенным над Землей. Наблюдатели внутри него в некоторых ситуациях не смогут определить, находятся ли они в состоянии покоя или в движении. Представьте себе, что в какой-то момент веревка, на которой подвешен лифт, обрывается, и наблюдатели в ней оказываются в состоянии свободного падения. В этом случае они не смогут определить, какое из двух противоположных утверждений будет верным:

лифт движется в гравитационном поле Земли;
лифт находится в состоянии покоя при отсутствии гравитационного поля.

Если в отсутствие гравитационного поля Земли лифт будет тянуть вверх с ускорением g, то наблюдатели также не смогут выбрать истинное утверждение из двух противоположных:

лифт покоится в гравитационном поле Земли;
лифт движется с ускорением в отсутствие гравитационного поля.

Какие последствия для пространства и времени вытекают из общей теории относительности? Для этого нужно обратиться к геометрии, которая возникла, прежде всего, как учение о физическом пространстве, измерении площадей земель и строительных конструкций, но уже в древности появилась теоретическая, аксиоматическая геометрия Евклида, с которой ассоциировалось мнение, что пространство везде одинаковое ... Она исходила из пяти аксиом или постулатов. Многих математиков не удовлетворил пятый постулат, который гласил, что из одной точки на плоскости может быть проведена только одна прямая линия, которая не будет пересекаться с другой, как бы долго она ни продолжалась. Этот постулат не был очевиден, поскольку никто не мог экспериментально подтвердить его даже в воображении - линия не может продолжаться бесконечно.

Ряд известных математиков пытались доказать, что этот постулат на самом деле является теоремой, т.е. его можно вывести из четырех других. Но все их попытки оказались безуспешными. Они так или иначе неявно исходили из одного и того же пятого постулата. И только Н. И. Лобачевский в России, Б. Риман в Германии и Я. Бойяи в Венгрии построили новые геометрии, отбросив пятый постулат и заменив его другими. Б. Риман заменил его аксиомой, что через точку, лежащую вне данной прямой на плоскости, нельзя провести ни одной параллели, все они будут пересекаться с данной, а Н. И. Лобачевский и Я. Бойяи признали, что существует много прямых линий, которые не пересекаются с заданной.

Чтобы прояснить разницу между этими геометриями, давайте возьмем пространство двух измерений, поверхность. Евклидова геометрия реализуется на плоскости, риманова - на поверхности сферы, на которой прямая линия выглядит как отрезок дуги большого круга, центр которого совпадает с центром сферы. Геометрия Лобачевского осуществляется на так называемой псевдосфере. Поскольку пространство имеет три измерения, понятие кривизны пространства вводится для каждой геометрии. В евклидовой геометрии кривизна нулевая, у Римана положительная, у Лобачевского-Бойя - отрицательная. Поскольку постулат параллельности эквивалентен положению суммы углов треугольника, разница между этими геометрическими формами ясно показана на рисунке. В геометрии Евклида сумма углов треугольника равна 180 °, у Римана больше, у Лобачевского меньше.

Кривизну пространства не нужно понимать как кривизну плоскости, как кривизну поверхности евклидовой сферы, где внешняя поверхность отличается от внутренней. Изнутри его поверхность выглядит вогнутой, снаружи - выпуклой. Если мы возьмем плоскость в пространстве Лобачевского или Римана, обе стороны будут в точности одинаковыми. Просто внутренняя структура самолета такова, что мы измеряем ее с помощью некоторого коэффициента «кривизны». Искривление пространства понимается в науке как отклонение его метрики от евклидовой, что точно описывается языком математики, но не проявляется каким-то очевидным образом.

Создатели геометрии Лобачевский и Риман считали, что только физические эксперименты могут показать нам, что такое геометрия нашего мира. Эйнштейн в общей теории относительности сделал геометрию экспериментальной физической наукой, подтвердившей природу риманова пространства. Здесь мы снова призываем мысленный эксперимент. Представим себе, что лифт покоится в отсутствие гравитационного поля. В стене лифта проделывается отверстие А, через которое луч света падает на его противоположную сторону. Линия AB прямая. Теперь позвольте лифту двигаться вверх с ускорением. За время, пока свет проходит расстояние между стенами, лифт движется вверх, и луч света больше не попадает в точку B, а в точку C.

Линия переменного тока сохраняет свойство быть кратчайшим расстоянием между двумя точками, но она больше не будет прямой линией, а будет прямой или геодезической. На Земле, поверхность которой представляет собой шар, такие линии называют геодезическими. Общая теория относительности заменяет закон всемирного тяготения Ньютона новым уравнением гравитации. Закон Ньютона получен как предельный случай уравнений Эйнштейна.

Из общей теории относительности был сделан ряд важных выводов:

Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
Луч света, имеющий инертную и, следовательно, гравитационную массу, должен быть искривлен в гравитационном поле.

В частности, такую кривизну должен испытывать луч, проходящий вблизи Солнца. Этот эффект, как писал Эйнштейн, можно обнаружить, наблюдая за положением звезд во время солнечного затмения. Теоретически рассчитанное Эйнштейном отклонение светового луча было впоследствии экспериментально подтверждено наблюдениями научных экспедиций Лондонского королевского общества, направленных на изучение солнечного затмения 29 мая 1919 года: одна отправилась в Бразилию (Собрал), а другая на один из островов, расположенных недалеко от африканского континента (Принсипи). Как отмечается в отчете, результаты экспедиций не оставляют сомнений в том, что луч света отклоняется вблизи Солнца и что отклонение, если его отнести к действию гравитационного поля Солнца, соответствует по величине требованиям общей теории Эйнштейна. относительность. Новые измерения, проведенные в 1922 г., также подтвердили существование эффекта. Позже Эйнштейн писал Планку: «Судьба помиловала меня, позволив дожить до наших дней».

Частота света под действием гравитационного поля должна сместиться в сторону меньших значений.

В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны быть смещены в красную сторону по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-26 годах. при изучении Солнца и в 1925 г. при изучении спутника Сириуса. Все это было убедительным подтверждением общей теории относительности.

Долгое время экспериментальных доказательств общей теории относительности было мало. Согласие между теорией и экспериментом достаточно хорошее, но чистота экспериментов нарушается различными сложными побочными эффектами. Однако влияние кривизны пространства-времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Например, очень чувствительные часы могут определять замедление времени на поверхности Земли. С целью расширения экспериментальной базы ОТО во второй половине ХХ века были поставлены новые эксперименты: проверялась эквивалентность инертной и гравитационной масс (в том числе методом лазерной локации Луны); с помощью радара уточнялось движение перигелия Меркурия; измерено гравитационное отклонение радиоволн Солнцем, проведена радиолокация планет солнечной системы; оценено влияние гравитационного поля Солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые отправлялись на далекие планеты Солнечной системы и т. д. Все они так или иначе подтвердили предсказания, полученные на основе общих относительность.

Заключение

В заключение отметим, что создание Эйнштейном теории относительности было первым шагом в построении современной концепции естествознания. Его роль заключалась не только в уточнении и обобщении классических формул: было показано, что знания об окружающем мире не абсолютны и могут претерпевать значительные уточнения и изменения в ходе развития науки. Теория, описывающая реально наблюдаемые природные явления, может быть основана на утверждениях и идеях, которые не всегда согласуются с общепринятой мудростью и «здравым смыслом», который является обобщением повседневного опыта.

Итак, специальная теория относительности основана на постулатах о постоянстве скорости света и одних и тех же законах природы во всех физических системах, и основные результаты, к которым она приходит, следующие: относительность свойств пространства -время; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелых и инертных масс.

Наиболее значимым результатом общей теории относительности с философской точки зрения является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от местоположения и движения гравитирующих масс. Именно из-за действия тел с большими массами пути движения световых лучей искривлены. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое такими телами, в конечном итоге определяет пространственно-временные свойства мира. В специальной теории относительности абстрагируется от действия гравитационных полей, и поэтому ее выводы применимы только для небольших областей пространства-времени. Принципиальное различие между общей теорией относительности и предшествовавшими ей фундаментальными физическими теориями состоит в отказе от ряда старых концепций и формулировании новых. Стоит сказать, что общая теория относительности произвела настоящую революцию в космологии. На его основе появились различные модели Вселенной.

Трудно переоценить величие того, что сделал Эйнштейн. Сейчас практически нет раздела современной физики, где бы так или иначе не присутствовали бы фундаментальные концепции квантовой механики или теории относительности. Выражение E = mc 2 - это крылатая фраза, знакомая широкой публике, как и строки Шекспира.

Список литературы

Бондарев В. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / В. П. Бондарев. - М .: Альфа-М, 2002. - 464 с.
Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Структурный курс основ естествознания / Д.И. Грядова. - М .: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 239 с.
Концепции современного естествознания. Лекции для заочников Отв. изд. В.Н.Быкова. - Уфа: УГАТУ, 2004. - 200 с.
Концепции современного естествознания / Под ред. С.С. Самыгина. - Р-н / Д: Феникс, 2004. - 448 с.
Ларина О.В. Лауреаты Нобелевской премии / О.В. Ларина, Т.В. Гутин - М .: Славянский Дом книги, 2005. - 863 с.
Эйнштейн А. Эволюция физики / А. Эйнштейн. - Ред. 2-й, исп. - М .: Тайдекс Ко, 2004. - 423с.