Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Теории относительности’’ на современном этапе

Содержание:

Введение

А. Эйнштейна. Его имя неразрывно связано с величавой революцией в физике, свершившейся в начале века, – с созданием квантовой доктрине и доктринеотносительности, при этом лепта Эйнштейна в развитие прогрессивной физиологической картины мира оказался определяющим. Он стоял у колыбели квантовой механики.

Ему принадлежат высококлассные работы по статистике. Как раз за работы в данных областях в 1921 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Эйнштейну мы воздаем популярность как человеку, сказавшему решительное текст в формировании особой доктрине относительности, взявшему обязанность за ее телесное оглавление и поочередно отстаивавшему сделанную концепцию,а еще как разработчику совместной доктрине относительности. Доктрина относительности Эйнштейна прекратила быть академическим учением – в данный момент ею интересуются довольно широкие круги. Так как без эйнштейновской формулы о связиэнергии и массы невозможно взять в толк ядерные процессы, а замедленное старение организмов в критериях скорого перемещения беспокоит разумы множества в связи с задачами полета к дальним звездным небесам.

Велико и мировоззренческое смысл доктрине относительности, например как она затрагивает коренные качествавремени и места.
До этого всего, собственно что это доктрина относительности? Она разделяется на 2 части, более значимая из коих – особая доктрина относительности. Это, в совокупных чертах, доктрина, из которой возможно признать, как смотрится вселенная для людей, мчащихся по свету с очень высочайшей скоростью. При этом его перемещение надлежит быть равномерным и прямолинейным – не допускается ни малейшего наращивания или же сокращения скорости и ни малейшего отличия от прямолинейного пути. В базе особой доктрине относительности лежит довольно обычная мысль: практически никаким методикой нельзя признать, вправду ли вы движетесь или же нет. «И это все?» – поразмыслили вы. Но в случае если взростить данную идею, то выяснится, собственно что следствия такового, казалось бы, безопасного начала ошеломляющи. Как оказалось, вселенная коренным образом выделяется от такого, каким вы его до сих времен для себя. давали. Разглядим одно из самых удивительных утверждений.
Допустим, собственно что расстались 2 брата-близнеца: раз сохранился на Земле, а иной отправился на субсветовом галактическом корабле в долговременное поездка и вслед за тем возвратился назад.

Например вот, доктрина относительности заявляет, собственно что при встрече космонавт окажется молодее собственного брата, остального на Земле. Но в том числе и в тех случаях, когда особая доктрина относительности не поражает наше фантазия, она всякий раз видоизменит, а временамиизготавливает исконный переворот давних доктрин. Кое-какие ее следствия имеют большущее практическое смысл для электроники, для ядерной энергетики. В целом она важна для реального осознания места и времени, в коих мы живем.
Иная доля – общая доктрина относительности – наступает с такого, собственно что в ней отбрасываются лимитирования, связанные с равномерным и прямолинейным перемещением, и исследуется навык наблюдателей, передвигающихся в кое-каком значении произвольно. Из данных дискуссий в конце концов появляется свежаядоктрина тяготения, которая некоторое количество вернее ньютоновской в нормальных критериях и, наверное, важно превосходит ее в экстремальных критериях. Она пока же ещё не содержит большущего практического использования и, имеет возможность случиться, ни разу не станет его владеть. Что не наименее, исследованиесовместной доктрине относительности – это одно из самых захватывающих занятий, выпадающих на долю пытливого человека. Она выделяет нам чувство настоящегоосознания качеств места и времени, в коих мы живем.
Обе доктрине концентрируются на свежих раскладах к пространству и времени, раскладах, которые выделяются углубленно от тех, которые применяются в ежедневнойжизни; но релятивистские мнения места и времени неразрывно вплетаются в всякую передовую интерпретацию телесных явлений в границах от атома до вселенной в целом.

Принцип относительности – базовый материальный закон, сообразно которому всякий процесс проходит идентично в изолированной вещественной системе, окружающейв состоянии спокойствия, и в подобный же системе в состоянии равномерного прямолинейного перемещения. Состояния перемещения или же спокойствияориентируются по отношению к произвольно избранной инерциальной системе отсчета. Принцип относительности лежит в базе особой доктрине относительности Эйнштейна.
Инерциальная система – понятие традиционной механики, 1 базовой физиологической доктрине, которая содержит возвышенный статус и в прогрессивной физике. Почвы данной доктрине заложил И.Ньютон.
«Всякое труп продолжает сдерживаться в собственном состоянии спокойствия или же равномерного и прямолинейного перемещения, пока же и потому что оно не понуждается приложенными силами поменять это состояние» – например Ньютон определил закон, который в данный момент именуется первым законодательствоммеханики Ньютона, или же законодательством инерции.
Система отсчета, в которой справедлив закон инерции: вещественная баста, когда на нее не срабатывают практически никакие силы (или срабатывают силы взаимно уравновешенные), располагается в состоянии спокойствия или же равномерного прямолинейного перемещения, – именуется инерциальной. Всякая система

Рассмотрим последовательное развитие этих теорий.

1. Предпосылки создания теории относительности А.Эйнштейна

1.1. Относительность движения по Галилею

Рассмотрим 2 галактические ракеты. Сравнительно ключевой системы отсчета 1 из их – именуем ее «Альфа» – лежит , иная же – «Бета» – движется со скоростью V размеренно и прямолинейно. Для краткости условимся именовать физика, который ведет исследования и размышления в системе «Альфа», альфацентристом, а пользующегося системой «Бета» – бетацентристом (удобнее всего вообразить, собственно что любой из их располагается в соответственной ракете; впрочем это абсолютно не в обязательном порядке : пассажир ракеты «Альфа» временами имеет возможность почему-то предпочесть относить все перемещения к ракете «Бета»).
По отношению к системе «Бета» шар В лежит , а по отношению к системе «Альфа» – движется прямолинейно с неизменной скоростью V. Какое же из данных 2-ух утверждений – лежит или же движется – располагается в наилучшем гармонии с законами Ньютона?
1-ый закон Ньютона в схожей мере учитывает как сбережение спокойствия , например и сбережение равномерно-прямолинейного движения; значит , он идентично отлично производится в обеих системах.

2 закон Ньютона выражается формулой

где F – мощь , а – ускорение, m – множество . К примеру , в случае если повлиять на шар В мощью , направленной налево , он получит ускорение нацеленное в ту же сторону.

Наблюдающему в ракете «Альфа» привидится , собственно что шар помаленьку замедляет свое перемещение , а наблюдающему в ракете «Бета» – собственно что недвижимый вначале шар начинает ехать налево . Впрочем оба они отыщут , собственно что это случается в полном гармонии с формулой 2 закона Ньютона. Так как их понятия расползаются лишь только в отношении скоростей, а не ускорений шара: , в случае если альфацентрист отыщет , собственно что скорость шара поменялась от V до нулевой отметки , то бетацентрист – собственно что от нулевой отметки до – V , т.е. на ту же самую значение – V . А однообразное перемена скорости за единицу времени значит однообразное ускорение. Собственно что же касается силы F , то, глядя по ее природе, она имеет возможность находиться в зависимости от самых всевозможных моментов .

Важную роль в создании научной картины мира сыграл принцип относительности одного из основоположников современного естествознания Галилея – принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета в классической механике, который утверждает, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-то инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

Математически принцип относительности Галилея выражает инвариантность уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразований Галилея.

Впервые положение об относительности механического движения было высказано Галилео Галилеем в 1638 г. в его труде «Диалог о двух основных системах мира – птоломеевой и коперниковой». Там же сформулирован один из фундаментальных принципов физики – принцип относительности. Галилей использовал наглядный и образный метод изложения. Он писал, что находясь «в помещении под палубой корабля» и проводя опыты и наблюдения над всем, что там происходит, нельзя определить, покоится ли корабль, или же он движется «без толчков», то есть равномерно и прямолинейно. При этом подчеркивались два положения, составляющие суть принципа относительности:

1) движение относительно: по отношению к наблюдателю «в помещении под палубой» и к тому, кто смотрит с берега, движение выглядит по-разному;

2) физические законы, управляющие движением тел в этом помещении, не зависят от того, как движется корабль (если только это движение равномерно). Иначе говоря, никакие опыты в «закрытой кабине» не позволяют определить, покоится кабина или движется равномерно и прямолинейно.

Таким образом, Галилей сделал вывод, что механическое движение относительно, а законы, которые его определяют, абсолютны, то есть безотносительны. Эти положения коренным образом отличались от общепринятых в то время представлений Аристотеля о существовании «абсолютного покоя» и «абсолютного движения».

1.2. Принцип относительности и законы Ньютона

Принцип относительности Галилея органически вошел в созданную И. Ньютоном классическую механику. Ее основу составляют три «аксиомы» – три знаменитых закона Ньютона. Уже первый из них, гласящий: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние», говорит об относительности движения и одновременно указывает на существование систем отсчета (они были названы инерциальными), в которых тела, не испытывающие внешних воздействий, движутся «по инерции», не ускоряясь и не замедляясь. Именно такие инерциальные системы имеются в виду и при формулировке двух остальных законов Ньютона. При переходе из одной инерциальной системы в другую меняются многие величины, характеризующие движение тел, например, их скорости или формы траектории движения, но законы движения, то есть соотношения, связывающие эти величины, остаются постоянными.

1.3. Преобразования Галилея

Пусть одно и то же явление описывается в двух инерциальных системах отсчета. Возникает вопрос о пересчете от описания явления в одной системе отсчета к описанию того же явления в другой системе. В качестве грубой иллюстрации можно представить себе две радиолокационные установки: одну – расположенную на земле, а другую – на самолете; вопрос состоит тогда в пересчете от показаний одной установки к показаниям другой.

Для такого пересчета нужно, прежде всего, знать связь между координатами и временем х, у, z, t в одной системе отсчета и координатами и временем х', у', z', t' в другой системе. Старая физика принимала как нечто самоочевидное существование единого мирового времени t, одинакового во всех системах отсчета. Поэтому с точки зрения старой физики необходимо было положить t' = t или, самое большее, допустить изменение начала отсчета времени.

Если рассматривать два события, происшедших в моменты времени t и π, то промежуток времени между ними должен был (с точки зрения старой физики) получиться одинаковым во всех системах отсчета. Отсюда,

t – π= t'-π' (1.01)

Далее, старая физика считала очевидным, что длина твердого стержня, измеряемая в двух системах отсчета, должна получаться одинаковой. (Вместо длины твердого стержня можно рассматривать расстояние между «одновременными» положениями двух точек, которые необязательно связаны жесткой связью.) Если обозначить координаты начала и конца стержня (или данных двух точек) в одной системе отсчета через (x, у, z) и (ξ, η, ζ) и в другой системе через (x', у', z') и (ξ', η', ζ '). то. согласно старой физике, должно быть

(x – ξ)² + (y – η)² + (z – ζ)² = (x' – ξ')² + (у' – η')²+ (z' – ζ ')² (1.02)

Из (1.01) и (1.02) однозначно вытекает общий вид преобразования, связывающего координаты и время х, у, z, t с координатами и временем х', у', z'. Это преобразование состоит из переноса начала отсчета координат и времени, из поворота пространственных координатных осей и из преобразования вида

x' = x – V_x t

y'=y-V_y t,

z' =z– V_z t,

t' = t, (1.03)

где V_x t, V_y t, V_z t– постоянные, физический смысл которых легко найти: это есть скорость движения штрихованной координатной системы относительно нештрихованной (точнее – составляющие этой скорости в нештрихованной системе).Преобразование (1.03) носит название преобразования Галилея.

Таким образом, старая физика утверждала, что если дана инерциальная система отсчета, то координаты и время во всякой другой системе отсчета движущейся относительно нее прямолинейно и равномерно, связаны с (х, у, z, t) преобразованиями Галилея (с точностью до переноса начала и поворота осей). Преобразование Галилея удовлетворяет принципу относительности в отношении законов механики, но не удовлетворяет ему в отношении законов распространения света.

Действительно, уравнение распространения фронта световой волны меняет в результате преобразования Галилея свой вид. Если бы преобразование Галилея было правильным (а принцип относительности в общей форме – неправильным), то существовала бы только одна инерциальная система в смысле нашего определения, и по измененному виду уравнения распространения фронта волны было бы возможно определить скорость движения (даже равномерного и прямолинейного) всякой другой системы отсчета относительно этой единственной инерциальной системы («неподвижного эфира»). Отрицательный результат многочисленных точнейших опытов, поставленных с целью обнаружения такого относительного движения, не оставляет сомнений в том, что форма закона распространения фронта волны одна и та же во всех неускоренных системах отсчета и что, следовательно, принцип относительности во всяком случае применим и к электромагнитным явлениям.

Отсюда следует, что преобразование Галилея в общем случае неправильно и должно быть заменено другим.

1.4. Принцип относительности в электродинамике

Принцип относительности Галилея более трехсот лет относили только к механике, хотя в первой четверти 19 в., прежде всего благодаря трудам М.Фарадея, возникла теория электромагнитного поля, получившая затем дальнейшее развитие и математическую формулировку в работах Дж.К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику представлялся невозможным, так как считалось, что все пространство заполнено особой средой – эфиром, натяжения в котором и истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, так что в механике он «не чувствовался», но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В результате находящийся в закрытой кабине экспериментатор при помощи наблюдения над такими процессами мог, казалось, определить, находится ли его кабина в движении (абсолютном!), или же она покоится. В частности, ученые полагали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки обнаружить «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и концепция механического эфира была отвергнута, благодаря чему принцип относительности как бы родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике, и других областях физики.

1.5. Преобразования Лоренца

Подобно тому, как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными: x'= g(x-vt); y'= y; z'=z; t'=g(t-vx/c²), где g = (1-v²/ c²)-1/2, а с – скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При v≤c они переходят в преобразования Галилея, но если v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства – времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.

1.6. Преобразование физических величин в релятивистской теории

В релятивистской теории пространственные расстояния и промежутки времени не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v. Длины сокращаются (в направлении движения) в 1/g раз, и в такое же число раз «растягиваются» промежутки времени. Относительность одновременности – основная принципиально новая черта современной частной теории относительности.

2. Теория относительности А.Эйнштейна

Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879-1955) – физик-теоретик, раз из основоположников прогрессивной физики, лауреат Нобелевской премии, зарубежный член-корреспондент РАН (1922) и зарубежный знатный член АН СССР (1926). Появился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Сделал приватную (1905) и совместную (1907-16) доктрине относительности.
В 1905 г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже получило широкую популярность. В 1909 г. он избран доктором Цюрихского института, а сквозь 2 года – Германскогоинститута в Праге. В 1912 г. Эйнштейн возвратился в Цюрих, где одолжил кафедру в Политехникуме, но уже в 1914 г. принял приглашение переселиться на работу в Берлин в качестве доктора Берлинского института и в одно и тоже время директора ВУЗа физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К данномувремени уже абсолютным ходом шла работа над совместной доктриной относительности. В итоге общих усилий Эйнштейна и его прежнего студенческого приятеля М. Гроссмана в 1912 г. была замечена заметка «Набросок обобщенной доктрине относительности», а бесповоротная формулировка доктрине датируется 1915 г. Даннаядоктрина, по воззрению множества научных работников, явилась наиболее важным и наиболее изящным теоретическим построением за всю ситуацию физики. Делая упор на всем знакомый прецедент, собственно что «тяжелая» и «инертная» массы равны, получилось отыскать принципно свежий расклад к заключению трудности, установленной ещё И. Ньютоном: каковой устройство передачи гравитационного взаимодействия меж телами и собственно что считается переносчиком сеговзаимодействия.
Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще внезапным: в роли такового посредника выступала сама «геометрия» места – времени.

Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление» пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в геометрии Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном» пространстве, испытывает воздействие первого тела.

Созданная А. Эйнштейном общая теорией относительности является обобщением Ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории относительности. В основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности – локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени; в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном пространстве-времени движение тел «по инерции» (т.е. при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в не искривлённом пространстве, но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля.

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в вакууме – это изменение переносится в виде гравитационных волн; возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E=mc² . Это – знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.

Наибольшую известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

Постулат I. Все тождественные физические явления в инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях протекают одинаково. Другими словами, среди ИСО не существует «привилегированной» системы и невозможно обнаружить состояние абсолютного движения.

Этот постулат распространяет принцип относительности Галилея на все явления природы. Он раз навсегда кончает с абсолютным пространством: если все инерциальные системы отсчета равноправны, то среди них нет привилегированной системы отсчета.

Абсолютное же пространство как раз и было привилегированной системой. Точно так лее отпадает и вопрос об «абсолютном» движении (в вакууме), которое подразумевалось как движение относительно абсолютной системы отсчета

Постулат II. Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям и в любой области данной инерциальной системы отсчета и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Часто к этому постулату добавляют еще, что скорость света в вакууме не зависит от скорости источника. Это, однако, сразу следует из постулата II в той форме, в которой он выписан выше.

Действительно, с источником всегда можно связать инерциальную систему отсчета (если он движется неравномерно и по кривой, то мгновенно сопутствующую инерциальную систему). В этой системе источник покоится, а все остальные инерциальные системы движутся относительно пего (а он относительно них). Согласно постулату II скорость света во всех этих системах одинакова, по это и означает, что она не зависит от скорости источника.

Следует четко понимать, что подразумевает постулат II. Для этого представим себе, что в системе К измеряется скорость света следующим образом. Из точки х₁ в момент времени t₂ посылается вдоль оси х световой сигнал, который приходит в точку х₂ в момент времени t₂ . Тогда с = (х₂ – x₁ )/(t₂ – t₁ ) – Эти же два события –посылка и прием сигнала – рассматриваются из системы К'. Посылка сигнала для наблюдателя из системы К' происходит в точке х₁ ' в момент t₁ , а прием – в точке х₂ ' в момент t₂ '. И несмотря на то, что системы К и К' находятся в относительном движении, направленном как раз по общей оси х, х', мы должны получить, что отношение тоже (х₂ – x₁ )/(t₂ – t₁ ) равно с. С точки зрения «здравого смысла» такого быть не должно. Но именно этого требует второй постулат.

После того как сформулированы первые принципы теории относительности – два постулата Эйнштейна, – можно сформулировать общую задачу специальной теории относительности. Ее основа – это принцип относительности: равноправие всех специальных систем отсчета по отношению ко всем физическим явлениям. Теория относительности обязана дать такое описание физических явлений, которое было бы одинаковым во всех инерциальных системах отсчета. Но если в нашем распоряжении есть уравнения, описывающие ту или иную группу явлений, то эти уравнения должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета (в каждой системе отсчета в своих переменных). Вспомним, что в уравнения механики и электродинамики существенным образом входят координаты и время наступления события. При переходе от одной инерциальной системы к другой координаты и время наступления события преобразуются. Преобразования Галилея изменяют вид уравнений Максвелла, но, поскольку мы хотим сохранить уравнения Максвелла, как правильные уравнения электромагнитного поля, во всех инерциальных системах, нам следует найти такие преобразования координат и времени, которые сохраняют вид максвелловских уравнений. Такими преобразованиями окажутся преобразования Лоренца.

Однако преобразования Лоренца непосредственно вытекают и из постулатов Эйнштейна. Дело в том, что теория Максвелла была построена с самого начала как релятивистская. Внутренняя причина этого состоит в том, что она содержала в себе правильное описание свойств самого релятивистского объекта – света. Таким образом, найдя преобразования координат и времени события, удовлетворяющие постулатам Эйнштейна, мы должны позаботиться о том, чтобы основные уравнения физики были одинаковыми во всех инерциальных системах, т.е. были бы ковариантными по отношению к этим преобразованиям.

Основными законами в механике мы называем уравнения Ньютона, в электродинамике – уравнения Максвелла, в термодинамике – уравнения, выражающие первое и второе начала.

Относительные величины были и в классической физике – например, скорости, координаты, направления скоростей, – но специальная теория относительности добавляет к ним – несколько неожиданно для нашей интуиции – относительность промежутков времени между событиями и относительность длин масштабов (расстояний). Однако это и есть та «цена», которую приходится платить за то, чтобы реализовать принцип относительности по отношению ко всем физическим явлениям.

И все же самое главное в теории относительности, вопреки ее названию, – это совсем не относительность различных величин, т.е. их зависимость от выбора системы отсчета. Сущность доктрине относительности как один в оборотном. Доктрина относительности демонстрирует, собственно что законы природы в инерциальных системах отсчета не находятся в зависимости от выбора системы отсчета, не находятся в зависимости от положения и перемещения наблюдающего, а итоги измерений в всевозможныхсистемах отсчета имеют все шансы быть сопоставлены. Говоря философским языком, доктрина относительности акцентирует внимание беспристрастный нрав законов природы, а решительно не относительность познания.
Естественно, пробовать поменять исторически сложившееся заглавие – кстати, оно принадлежит не Эйнштейну, а было предложено Планком в 1906 г. – дело безысходное. Впрочем есть 1 мелочь, на которую возможно направить забота. Спорят, как верно болтать: «специальная» или же «частная» доктрина. Чуть ли данныйбезладица содержит значительное смысл. По смыслу речь идет об лимитировании доктрине рамками инерциальных систем отсчета. По существу это лимитированиеобъединяется к что, собственно что доктрина справедлива в недоступность полей тяготения или же – буквально – в некрепких полях тяготения. В следствие этогонаиболее верным заглавием было бы заглавие «ограниченная доктрина относительности», принятое во французской литературе.

2.1. Частная (специальная) теория относительности

Наибольшую известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E²= М²⋅c⁴ + P²⋅с² (где с – скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

2.2. Общая теория относительности

В 1905 г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1909 г. он избран профессором Цюрихского университета, а через два года – Немецкого университета в Праге. В 1912 г. Эйнштейн возвратился в Цюрих, где занял кафедру в Политехникуме, но уже в 1914 г. принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М. Гроссмана в 1912 г. появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 г. Эта теория, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы, поставленной еще И. Ньютоном: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия.

Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства – времени. Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление» пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в геометрии Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном» пространстве, испытывает воздействие первого тела.

Созданная А. Эйнштейном общая теорией относительности является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории относительности. В основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности – локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени; в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном пространстве-времени движение тел «по инерции» (т.е. при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве, но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E = mc². Это – знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.

Заключение

Теория относительности А.Эйнштейна – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Так как закономерности, устанавливаемые теорией относительности, – общие для всех физических процессов, то обычно о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Эти свойства зависят от полей тяготения в данной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени в приближении, когда полями тяготения можно пренебречь, называется специальной или частной теорией относительности, или просто теорией относительности. Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности, называемой также теорией тяготения Эйнштейна. Физические явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются при скоростях v движения тел, близких к скорости света в вакууме с.

В основе теории относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света. Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразования Лоренца, для которых характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности: существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме; относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тел и др. Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.

Теория относительности выявила ограниченность представлений классической физики об «абсолютных» пространстве и времени, неправомерность их обособления от движущейся материи; она дает более точное, по сравнению с классической механикой, отображение объективных процессов реальной действительности.

Ряд выводов общей теории относительности качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

Представления о пространстве и времени составляют основу физического миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных частиц, в том числе и для расчетов гигантских установок, которые предназначены для потоков очень быстрых частиц, необходимых для экспериментов, позволяющих продвинуться в изучении строения материи.

Список используемой литературы

Е. Куранский. Альберт Эйнштейн и теория гравитации. – М., 1979
Ю. Соколовский. Теория относительности в элементарном изложении. – М., 1964
В. Фок. Теория пространства, времени и тяготения. – М., 1961
В. Угаров. Специальная теория относительности. – М., 1977.
Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 2000. – 512 с.
Григорьев В.Н. Альберт Эйнштейн // Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. – М., 2001.
Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с.
Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ, 2000. – 203 с.
Концепции современного естествознания / Самыгин С.И. и др. – Ростов н/Д.: Феникс, 1997. – 448 с.
Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Проект, 2002. – 336 с.
Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1999. – 232 с.
Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – Ростов н/Д.: Феникс, 2002. – 480