Учебная работа. Частная теория относительности Эйнштейна

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

частная теория относительности Эйнштейна

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

тема: «Частная теория относительности Эйнштейна»

Введение

Теория относительности
сыграла решающую роль в физике, раскрыв качественно новую взаимосвязь
материальных объектов – тел, частиц, полей – и пространства-времени как формы
их существования. сначала (в частной теории относительности) эта взаимосвязь
была лишь кинематической, затем (в общей теории относительности) закономерно
включила в себя и динамику.

говорят,
что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал
на трамвае по Бёрну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал,
что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии
эти часы остановились бы – и времени бы вокруг не стало [5]. Это и привело его
к формулировке одного из центральных постулатов относительности – что
различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь
фундаментальные величины, как расстояние и время.

Говоря
научным языком, в тот день Эйнштейн осознал, что описание любого физического
события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится
наблюдатель. Если пассажир трамвая, например, уронит очки, то для него они
упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать
по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого
своя система отсчета.

И
хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются,
есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения
очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на
него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и
для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения
в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как
описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то
есть являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Как любую гипотезу,
принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными
природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные
(хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности
исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся
с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот
принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Основы
частной (или специальной) теории относительности были даны А. Эйнштейном в
1905 г., но свое название она получила лишь в 1916 г. – после того,
как было завершено построение общей теории относительности [3; 507].

1.
возникновение частной теории относительности

Осознание универсальной
справедливости принципа относительности для любых физических явлений –
результат сложного исторического развития. В XIX веке считалось, что
принцип относительности справедлив только в механике, но несправедлив в оптике и
в электродинамике. Представлялось, что электромагнитные волны (в том числе
свет) – это волны в особой среде – эфире, заполняющем все пространство и
определяющем привилегированную систему отсчета, покоящуюся относительно эфира,
в которой только и справедливы законы оптики и уравнения электродинамики.
казалось очевидным, что в системе тел, движущихся относительно эфира,
оптические и электромагнитные явления будут происходить иначе, чем в
неподвижной. Но все попытки обнаружить явление такого рода, предпринимавшиеся в
XIX – начале XX вв, потерпели
неудачу.          Объяснение неудач искали в динамике: используя конкретные
динамические законы, сформулированные в системе покоя эфира, показывали, что в
данной системе тел эффекты, связанные с движением относительно эфира,
компенсируются. Эта программа нашла известное отражение в работах голландского
физика Х. Лоренца и французского математика А. Пуанкаре, где было
показано, что если принять лоренцовский вариант электродинамики электронов и
предложенную Пуанкаре модель электрона, сжимаемого постоянным давлением эфира,
то компенсация будет точной и принцип относительности, понимаемый как
невозможность обнаружения движения относительно эфира, выполняется[3].

В 1905 году в работе
Пуанкаре были исследованы групповые свойства преобразований движения и
преобразований вращения с точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно эфира.
Результаты этой работы поспособствовали открытиям Альберта Эйнштейна. Он создал
последовательную теорию измерений времени и координат в инерциальной системе
отсчета и обнаружил относительный характер релятивистского замедления времени и
сокращения масштабов. Математический аппарат теории в полной форме был развит
немецким ученым Г. Минковским в 1908 году.

2.
основные положения теории относительности

Частная теория
относительности – это основа физического учения о пространстве, времени и
движении. В её рамках пространство и время удается объединить. Таким образом, частная
теория относительности позволяет в самом общем виде и весьма простыми
средствами представить физическое учение о движении как проявление геометрии
пространства-времени (в теоретической физике математика является разговорным
языком).

частная теория относительности
изучает свойства пространства-времени, «справедливые с той точностью, с какой
можно пренебрегать действием тяготения» [3; 507]. То есть специальная теория
рассматривает инерциальные системы отсчета.

Инерциальной называется система отсчета,
в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не
действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в
состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система
отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и
прямолинейно, есть также инерциальная [8].

В основе теории
относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий
равноправие всех инерциальных систем отсчета («все системы отсчета одинаковы и
нет какой-либо одной, имеющей преимущество перед другими» [1; 82]), и законЭти два постулата
определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – это
преобразования Лоренца (преобразования описывают связь между координатами и
временем конкретного события в двух различных инерциальных системах отсчета):

   ,

где с-параметр
преобразования, имеющий смысл предельной скорости движения и, соответственно,
равный скорости света в вакууме.

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;

~
замедление
течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в
направлении движения – размеров тел («Время в системе координат, движущейся со
скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается,
а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления
движения – напротив, сжимается»[5]).

Все эти
закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.


3.
Основные понятия частной теории относительности

Теория Эйнштейна
показала, что пространство – это не неизменная абсолютная пустота, которую
представлял себе Ньютон. В определенном смысле это физический «объект» гораздо
более сложный, чем можно себе представить. Оно может не только растягиваться,
искривляться и изменяться от точки к точке, но из него внезапно могут рождаться
частицы. Уверена, мы до сих пор не знаем обо всех свойствах пространства и даже
не в состоянии их вообразить.

второе из фундаментальных
понятий – время – еще более загадочно, чем пространство. Мы ощущаем ход времени
и легко отличаем текущий момент от прошлого и будущего, и потому считаем, что
нам все понятно. Но физическое время, которое мы ощущаем, совсем не то, что
время математическое. Эйнштейн как-то с юмором сказал: «Когда у вас на коленях
сидит хорошенькая девушка, час пролетает, как минута, но даже минута на
раскаленной плите кажется часом» [4; 25]. Физики считают, что нельзя измерить
скорость течения времени, ведь часы измеряют только временные интервалы.

Ньютон был убежден в том,
что время, как и пространство, абсолютно – течение его неизменно и всегда
одинаково во всех уголках Вселенной. частная теория относительности утверждает,
что это не так. Одним из фундаментальных следствий частной теории
относительности является вывод о том, что вещество не может двигаться со
скоростью света. именно недостижимость скорости света и порождает еще одно
фундаментальное понятие – причинность (смысл его в том, что каждое событие
вызывается каким-то другим). Если бы сверхсветовая скорость существовала, мы
могли бы путешествовать в прошлое и будущее, вмешиваясь в ход истории. Не
исключено, что когда-нибудь появится возможность наблюдать за прошлым, не
вмешиваясь в него.


4.
Результаты теории в релятивистской динамике

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.

Все явления, относящиеся
к релятивистской кинематике, могут быть выведены из преобразований Лоренца. Но
чтобы завершить переход к теории относительности, нужно найти замену второму
закону Ньютона. Необходимо перейти к релятивистской динамике, рассматривающей
влияние сил на движение тел. Новый закон1. Его форма должна
сохраняться при преобразованиях Лоренца, иначе возможны такие особые инерциальные
системы отсчета, в которых законоснована вся
теория.

2. При скоростях, малых
по сравнению со скоростью света, новый закон движения должен переходить во
второй закон Ньютона, иначе возникло бы противоречие с опытными данными для
движения с малыми скоростями, когда второй закон Ньютона выполняется.

Этих двух требований
достаточно, чтобы более или менее однозначно установить новый закон движения.

Масса и энергия. Различия
между ньютоновскими и релятивистскими уравнениями движения проявляются и в
различиях следствий, из них вытекающих. Когда эти различия экспериментально
обнаруживаются, то оказывается, что они согласуются с релятивистскими уравнениями.

первое, что нуждалось в
подтверждении, – это зависимость массы от скорости. частица, движущаяся с
очень большой скоростью, согласно частной теории относительности, движется
приблизительно так же, как и в ньютоновской механике, но ее масса должна
следующим образом зависеть от скорости:

где m0 – масса
частицы, измеренная в системе, в которой частица (пусть даже временно)
покоится; масса m0 называется массой покоя или собственной
массой. С этой квазиньютоновской точки зрения масса возрастает с увеличением
скорости и стремится к бесконечности при приближении скорости частицы к
скорости света. Это не парадокс, а лишь результат «ньютоновской» интерпретации
релятивистского уравнения.

При малых скоростях,
разлагая квадратный корень в ряд, получаем приближенно

где многоточием
обозначены члены более высокого порядка малости, чем (v/c)2.

Изменение массы с
изменением скорости впервые наблюдалось В. Кауфманом, а затем было
подтверждено более точными опытами. Релятивистская зависимость массы от
скорости подтверждается и экспериментами на ускорителях, которые проектируются
с учетом этой зависимости и иначе не работали бы.


Это выражение можно
разложить так же, как и выражение для массы:

второй член совпадает с
обычной формулой для ньютоновской кинетической энергии (многоточием обозначены
члены, которые становятся существенными лишь при очень больших скоростях). Эти
два равенства интерпретируются следующим образом: масса тела изменяется точно
так же, как и энергия, заключенная в теле, причем выражение для энергии должно
содержать постоянное слагаемое – так называемую энергию покоя m0c2,
соответствующую массе покоя; при этом соотношение между массой и энергией имеет
вид прямой пропорциональности с коэффициентом c2.

Из эквивалентности массы
и энергии вытекает много следствий. Одно из наиболее впечатляющих – аннигиляция
пары частиц и полное превращение их суммарной массы в излучение с
соответствующей энергией. такая аннигиляция наблюдается для пары электрон –
позитрон (электрон заряжен отрицательно, а позитрон положительно) и для пары
протон – антипротон. Эквивалентностью массы и энергии объясняется
происхождение энергии звезд, она лежит в основе принципов получения атомной
энергии и создания ядерного оружия, использующего деление и синтез ядер.

Так, энергия, излучаемая
звездами, и энергия взрыва водородной бомбы имеют одинаковое происхождение.
Четыре ядра водорода могут объединиться и образовать одно ядро гелия, причем
масса ядра гелия будет меньше массы четырех ядер водорода, взятых порознь.
Избыточная масса высвобождается в виде излучения, энергия которого связана с
этой массой соотношением E = mc2.

Большой энергетический
выход таких источников энергии объясняется тем, что множитель c2 в
этом уравнении очень велик – 9*1016 (м/с)2.
превращение водорода в гелий различными путями является основным источником
звездной энергии, а также энергии, высвобождаемой при термоядерных взрывах.
Энергия атомной (не водородной) бомбы и реакторов атомных электростанций
обусловлена реакцией деления ядер: ядро урана или плутония расщепляется на две
или более части, суммарная масса которых меньше массы исходного ядра, а избыток
энергии выделяется частично в виде излучения, а частично в виде кинетической
энергии продуктов деления.

5.
Теория относительности и университета поместили
сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные
трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки
сверяли их показания с контрольными часами [6]. Выяснилось, что часы на
самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так
можно выразиться, когда речь идет о долях секунды).

Последние полвека ученые
исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые
называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как
протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем
ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях
приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц – иначе
результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И
в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда
гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где
используется наравне с законами механики Ньютона.



Заключение

частная теория
относительности не только сделала понятными множество закономерностей, не
только позволила предсказать и инженерно рассчитать многие эффекты и их
приложения, но и внесла во все это удивительную простоту.

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.

Частная теория
относительности необходима как тем, кто разрабатывает технические и
практические приложения её на данном этапе развития, так и тем, кто разведывает
дальнейшие пути в области реальности, где, возможно, появится новая теория.
Наконец, знание теории относительности – это просто вопрос элементарной
грамотности.

Существует много опытов,
проверяющих простейшие следствия кинематики частной теории относительности,
такие, как изменение массы и замедление времени (поперечный эффект Доплера,
спутниковые часы, масс-спектрографы, ускорители частиц). Все эти опыты еще ни разу
не вошли в противоречие с частной теорией относительности.

Качественные выводы из
теоретических построений, обусловленных частной теорией относительности, и
результаты наблюдений убеждают нас в правильности этой теории. Однако частная
теория относительности вовсе не является неограниченно применимой формой.
Рассмотрение гравитационного поля требует ее модификации. При этом частная
теория относительности не полностью заменяется, а становится стержнем этой
новой теории.


Библиографический список

1.
Горелов,
А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие для вузов/ А.А. Горелов.
– М.: Владос, 2000. – 512 с.:ил.

2.
Либшер,
Д.-Э. Теория относительности с циркулем и линейкой/ пер. с нем. В.Е. Маркевича.
– М.: мир, 1980. – 150 с.:ил.

3. Относительности теория.
Физический энциклопедический словарь/ под ред. А.М. Прохорова. – М.:
советская энциклопедия, 1983. – 890 с.:ил. – С. 507–511.

5. Хорошавина, С.Г. Концепции
современного естествознания: курс лекций/ С.Г. Хорошавина. – ростов н/Д.:
Феникс, 2002. – 480 с.

6.
Григорьев,
В.Н. Альберт Эйнштейн [Эл.ресурс]. – Энциклопедия, [2002]. – режим
доступа: свободный // #»#»>Большая
энциклопедия Кирилла и Мефодия-2004/ 26.11.2009

7.
Теория
относительности Эйнштейна [Эл.ресурс]. – «Элементы», [2005–2009]. – режим
доступа: свободный //http://elementy.ru/trefil/43? context=20442/
info@elementy.ru/ 12.11.2009

8.
Чаплина,
Г.В. Теория относительности Эйнштейна [Эл.ресурс]. – Эрудиция, [2003–2005].
– режим доступа: свободный/ http://www.erudition.ru/referаt/ref/ id.24594_1.html/ ref@erudition.ru/ 26.11.2009

Учебная работа. Частная теория относительности Эйнштейна