Принцип относительности и специальная теория относительности Эйнштейна

План 1. Принцип относительности Эйнштейна 3 2. Теория относительности 4 2.1 Понятие одновременности 5 2.2 Относительность расстояний 6 2.3 Относительность массы 7 3. 9 Список использованной литературы 12 1. Принцип относительности Эйнштейна Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея, сформулированный дл я механических явлений, на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами(механическими, электр ическими, оптическими), произведенными в какой-либо инерциальной систем е отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и п рямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физи ческие законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Таким образом, принцип относительности Эйнштейна устанавливает полную равноправность всех инерциальных систем отсчета и отвергает идею абсо лютного пространства Ньютона. Теорию, созданную Эйнштейном для описани я явлений в инерциальных системах отсчета, называют специальной теорие й относительности. 2. Теория о тносительности Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть называется специальной (или частной) теорией (сокращенно – СТО ) . Она исследует быстрые равномерные прямолинейные дви жения вне гравитационных полей. Вторая часть – общая теория относитель ности (сокращенно – ОТО) охватывает неравномерные движ ения и гравитационные поля. Начнем со специальной теории. Постараемся вкратце проследить логику ее построения и выводов. Главное своеобразие физики Эйнштейна заключается в том, что движение ве щества она сопоставляет с поведением света. Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие основные свойства д вижения вещества и света. Первый постулат: равномерные прямолинейные движения невозможно отличи ть от покоя. То и другое физически равноценно. Второй постулат: скорость света не зависит от движения светового источн ика. По отдельности постулаты ничуть не странны. В закрытой каюте невозможно узнать, движется корабль (плавно, без толчков и тряски) или стоит возле при стани. Вместе с тем легко поверить, что световые волны распространяются одинаково быстро от движущегося и неподвижного фонаря. Ведь именно так в едут себя звуковые волны, волны на воде и т.д. Каждый постулат сам по себе понятен и логичен. Однако соединенные вместе, они выглядят несовместимыми. Вторым, казалос ь бы, опровергается первый. В самом деле: резонно думать, что равномерное п рямолинейное движение возможно обнаружить относительно световых волн и, значит, отличить его от покоя, что противоречит первому постулату. Когда пилот быстроходного самолета перестает слышать рев собственных двигателей, он знает, что обогнал звук и мчится быстрее звуковых волн. Со светом подобное невозможно (в 1881 г. американский физик Майкельсон дока зал это экспериментом). Как бы быстро ни мчалась ракета, свет ее прожектор а всегда бьет вперед с неизменной скоростью – 300000 км/сек. Изменить свою ск орость относительно световых волн невозможно. Поэтому, воспользовавши сь светом, невозможно отличить равномерное прямолинейное движение рак еты от покоя, несмотря на то, что скорость света не зависит от движения ист очника. Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия. 2.1 Понятие одновременности Рассмотрим теперь вопрос о сверке часов и об одновременности событий в разных систе мах отсчета с учетом постулатов Эйнштейна. В механике Ньютона «истинный, или стандартный, процесс течения абсолютн ого времени не подвержен никаким изменениям» и не зависит « от того, быст ры движения или медленны или их нет вообще». Считалось, что такие понятия, как «момент времени», «раньше», «позже», «одновременность», имеют сами п о себе смысл, правомерный для всей Вселенной, и два каких-нибудь события, о дновременные для одной системы, одновременны и во всех других системах. С точки зрения же теории относительности Эйнштейна нет такого понятия, к ак абсолютная одновременность, как нет абсолютного времени. Чтобы решить, одновременно ли произошли в различных точках два события, необходимо иметь в каждой из этих точек точные часы, относительно которы х можно быть уверенным, что они идут синхронно. Для этого можно перенести эти часы в одну точку, отрегулировать их так, чтобы они шли синхронно, и за тем снова разнести их по разным помещениям. Можно также использовать сиг налы времени. Позволяющие сравнивать показания часов в различных точка х. На практике используют оба способа. На корабле, например, есть хрономет р, который идет очень точно и отрегулирован по контрольным часам в порту отправления. Кроме того, для его проверки во время плавания используются сигналы точного времени по радио. Так всеобщая абсолютная одновременность, возможность которой подразум евалась в классической физике, пропадает. Вместо нее выходит на сцену от носительная одновременность событий, существующая лишь для какого -то конкретного, определенным образом движущегося наблюдателя. Разные наблюдатели могут устанавливать даже неодинаковую очередность одних и тех же событий. Но все это чрезвычайно тонко и возможно отметить л ишь при движении с гигантскими относительными скоростями, сравнимыми с о скоростью света. Важно, чтобы наблюдатели успевали заметно сместиться за то крохотное время, пока световые вспышки пробегают расстояние между событиями. Таким образом, согласно теории относительности в каждой из инерциальны х систем, находящихся в относительном движении, существует собственное время системы, которое показывают часы, покоящиеся в этой системе. Следо вательно, при определении времени событий в различных инерциальных сис темах события, одновременные в одной системе, могут оказаться неодновре менными в другой системе отсчета. Другими словами, не существует абсолют ной одновременности. 2.2 Относительность расстояний Рассмотрим пример: сверхбыстрый пароход движется мимо ленты, которую ра зложил на берегу бакенщик. По измерениям бакенщика, длина ленты, допусти, 100 м. Но капитан с этим не сог ласен. Для капитана лента короче. Чтобы измерить длину ленты с мчащегося корабля, капитан одновременно (дл я себя) засекает на палубе точки, совпадающие с ее концами, и потом спокойн о отмеряет расстояние между засечками. Но для бакенщика засечки сделаны неодновременно. Сначала, по его мнению, засечено начало ленты (где-то прот ив кормы проносящегося парохода), потом – конец. Между моментами засече к корабль успел сместиться вперед – вот и вышло, что на пароходе засечки ближе друг к другу, чем следовало бы по отсчетам бакенщика. Однако ошибки в измерении капитана не было. Его отсчет исполнен точно. Ра зница же итогов измерений - результат относительности одновременности. В свою очередь бакенщик, измеряя таким же способом длину парохода, найде т его более коротким, чем капитан. По отсчетам любых наблюдателей, дл ины предметов, проносящихся мимо, сокращаются. Для каждого путешественн ика сокращается длина всего проходимого им расстояния. И тем заметнее, ч ем ближе его скорость к скорости света. 2.3 Относительность массы Согласно теории Эйнштейна, масса одного и того же тела есть величина отн осительная. Она имеет различные значения в зависимости от выбора систем ы отсчета, в которой проводится ее измерение. Или при измерении в одной и т ой же системе отсчета – в зависимости от скорости движущегося тела. При этом масса зависит только от величины скорости относительно этой систе мы и не зависит от направления скорости. Пока скорости движения малы по с равнению со скоростью света, массу тела можно считать постоянной и незав исящей от скорости движения, как это и делается в классической механике. По мере того. Как скорость движения тела приближается к скорости света, в еличина массы становится все больше и для одного и того же приращения ск орости нужна все большая и большая сила. Чем ближе скорость тела к скорос ти света, тем труднее ее увеличить. Когда скорость тела достигает скорос ти света, его масса становится бесконечно большой. Отсюда следует, что не возможно заставить тело двигаться со скоростью света. Ничто вещественн ое не может даже догнать свет. Отсюда можно сделать вывод, что при сообщении телу кинетической энергии его масса увеличивается. Получается, что кинетической энергии соответс твует определенная масса. Рассмотрим, справедливо ли это утверждение в отношении др угих видов энергии? С возрастанием скорости растет и энергия тела, его способность совершит ь работу. Значит, масса и энергия растут вместе. Вблизи скорости света то и другое стремительно увеличивается. Инерция становится непреодолимо о громной, энергия – сколь угодно большой. Отсюда делается вывод об эквивале нтности массы и энергии. Масса и энергия – две эквивалентные характерис тики движущегося тела. Так, при нагревании тела его масса несколько увел ичивается. Излучение, испускаемое Солнцем, содержит энергию и поэтому им еет массу; Солнце и звезды при излу чении теряют массу. Камень, лежащий на ладони, лишь внешне спокоен. Он непо движен лишь как целое тело. Внутри, в своем микромире, он насыщен незаметн ыми для глаза движениями. Это внутреннее движение обусловливает сущест вование внутренней энергии камня, которая тоже подчинена закономернос тям СТО. Значит, и внутренняя энергия эквивалентна некоторой массе. Это и есть масса покоя. Зная массу покоя тела, легко вычислить запас его внутренней энергии. Под счет делается по знаменитой формуле Эйнштейна: Е= mc . Из этого соотношения следует, что полная энергия тела пропорциональна его массе. У всех тел с потерей э нергии уменьшается масса и, наоборот, с увеличением энергии увеличивает ся масса. 3. ОТО Прямолинейное и равномерное движение систем отсчета вне полей тяготен ия лишь частный случай. Обычно мировые движения происходят в гравитацио нных полях и ускоренных системах отсчета. Классическая физика считала тяготение рядовой силой среди множества п риродных сил (электрических, магнитных и т.д.). Тяготению было предписано « дальнодействие» (проникновение «сквозь пустоту») и удивительная спосо бность придавать равное ускорение телам разных масс. Оба этих свойства в ыглядели в классике очень искусственными. По мнению Эйнштейна, гравитационное поле – не силовое. На самом деле тяж есть – следствие особенностей мирового пространства-времени. И гравит ационное поле правильнее называть метрическим. Логика, приводящая к это му непривычному выводу, такова. Вначале обсуждается равенство ускорений свободного падения для тел ра зных масс (то, что массивный ключ и легонькая спичка одинаково быстро пад ают со стола на пол). Как подметил Эйнштейн, это уникальное свойство делае т 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 ус корением придвигался к ним. Достигнув ключа и спички, пол испытал бы их уд ар, а затем давление, т.к. инерция ключа и спички сказалась бы при дальнейш ем ускорении пола. Это давление (космонавты говорят – «перегрузка») наз ывается силой инерции. Подобная сила всегда приложена к телам в ускоренн ых системах отсчета. Если ракета летит с ускорением, равным ускорению свободного падения на з емной поверхности (9,81 м/сек ) , то сила инерции будет играть роль веса ключа и спички. Их «искусственная» тяжест ь будет точно такой же, как естественная на поверхности Земли. Значит, уск орение системы отсчета – это явление, вполне подобное гравитации. Наоборот, в свободно падающем лифте естественная тяжесть устраняется у скоренным движением системы отсчета кабины «вдогонку» за ключом и спич кой. Разумеется, классическая физика не видит в этих примерах истинного возн икновения и исчезновения тяжести. Тяготение лишь имитируется или компе нсируется ускорением. Но в ОТО сходство инерции и тяжести признается гор аздо более глубоким. Эйнштейн выдвинул локальный принцип эквивалентности инерции и тяготен ия, заявив, что в достаточно малых масштабах расстояний и длительностей одно явление невозможно отличить от другого никаким экспериментом. Таким образом , ОТО еще глубже изме нила научные представления о мире. Потерял универсальность первый зако н ньютоновской динамики – оказалось, что движение по инерции может быть криволинейным и ускоренным. Отпала надобность в понятии тяжелой массы. Изменилась геометрия Вселенной: вместо прямого евклидовского простран ства и равномерного времени появилось искривленное пространство-время , искривленный мир. Столь резкой перестройки воззрений на физические пер воосновы мироздания не знала история науки. Тем не менее , классическая механик а поныне широко и плодотворно служит физике, технике, астрономии и никог да не потеряет своего огромного значения. Объясняется это сравнительно й простотой, удобством классических моделей и формул, их чрезвычайно выс окой точностью, близостью к реальной природе. Только там, где приходится иметь дело с очень большими относительными ск оростями тел (например, в современных ускорителях), либо с очень высокими концентрациями энергии и массы (ядерные процессы), либо с гигантскими гр авитационными полями (явления, разворачивающиеся в непосредственной б лизости от звезд или в масштабах всей Метагалактики), выходят на сцену эф фекты СТО и ОТО. Есть астрономические события, объяснить которые удается только с позиц ий ОТО. Эти-то явления и доказали справедливость новой теории тяготения. Один из примеров – луч света, проходящий около Солнца. И ньютоновская ме ханика, и ОТО признают, что он должен отклониться к Солнцу (падать). Однако ОТО предсказывает вдвое большее смещение луча. Наблюдения во время солн ечных затмений доказали правоту предсказания Эйнштейна. Другой пример. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий обращается вокруг св етила не по точному эллипсу, как предписано ньютоновской небесной механ икой. 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 уменьшени е частоты световых колебаний в излучении белых карликов – звезд очень б ольшой плотности. А в последние годы этот эффект удалось зарегистрирова ть и в лабораторных условиях. Наконец, очень велика роль ОТО в современной космологии – науке о строе нии и истории всей Вселенной. В этой области знания также найдено много д оказательств эйнштейновской теории тяготения. Список использованной литературы 1. С.Г. Хорошавина «Концепции современного естествознания» 2. Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс общей физики» 3. Б.Н. Иванов «Законы физики» 4. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов «Физика» 5. изд. «Просвещение» 1970 г. «Познание продолжается»