Реферат: Теория относительности А.Эйнштейна
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.
Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879-1955) – физик-теоретик, один из
основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный
член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился
в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в
США. Создал частную (1905) и общую (1907-16) теории 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.
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.
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.
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.
Страницы: 1, 2, 3 |