трусики женские украина

На головну

Принципи відносності - Біологія

РЕФЕРАТ

по курсу "Концепції сучасного природознавства"

по темі: "Принципи відносності"

1. Принцип відносності Галілея

Принцип інерції Галілея виділяє певний клас систем відліку, які називають инерциальными. Инерциальными є системи відліку, в яких виконується принцип інерції (перший закон Ньютона). Загальноприйняте формулювання першого закону Ньютона таке: "Існують системи відліку, відносно яких всяке тіло зберігає стан свого руху (стан спокою або рівномірного прямолінійного руху), поки дія всіх тіл і полів на нього компенсована". Якщо ми маємо хоч би одну таку инерциальную систему відліку, то всяка інша система відліку, яка рухається відносно першої рівномірно і прямолінійно, також є инерциальной. Всі інші системи відліку називаються неинерциальными. Обмовимося передусім, що під системою відліку розуміється тіло відліку, відносно якого розглядається рух, пов'язана з тілом відліку система координат (наприклад, декартова система координат, що складається з трьох взаимоперпендикулярных просторових координатних осей), і заданий спосіб визначення часу.

Той факт, що прискорення тіл відносно обох инерциальных систем відліку однакові, дозволяє зробити висновок про те, що закони механіки, що визначають причинно-слідчі зв'язки руху тіл, однакові у всіх инерциальных системах відліку. І це складає суть принципу відносності Галілея: "У всіх инерциальных системах відліку всі фізичні явища відбуваються однаково".

Ми навмисно в формулюванні вжили більш широке визначення, говорячи про всі фізичні явища, хоч спочатку принцип відносності Галілея відносився лише до механічних явищ. Однак не треба забувати, що існуюча аж до XX віку механистическая картина світу ставила своєю задачею зведення всіх фізичних явищ до механічних. А розвиток фізики нашого сторіччя розповсюдив принцип відносності Галілея на всі фізичні явища.

Спробуємо критично поглянути на пророблені нами процедури при отриманні перетворень Галілея. Беручи похідні за часом від кінематичних параметрів, ми розглядали зміни цих величин за нескінченно маленькі проміжки часу. При цьому нам представлялося само собою що розуміється, що ці нескінченно маленькі проміжки часу, одинаково як і будь-які проміжки часу, однакові в обох системах відліку. Бажаючи описати рух якого-небудь тіла, тобто отримати рівнянь залежності координат тіла від часу, ми некритично оперуємо поняттям часу. І так було аж до створення теорії відносності Ейнштейна. Всі наші думки, в яких час грає яку-небудь роль, завжди є думками про одночасні події. А звідси - два слідства, неявно присутні в наших міркуваннях: по-перше, що "правильно ідучі години" йдуть синхронно в будь-якій системі відліку; по-друге, що тимчасові інтервали, тривалість подій однакова у всіх системах відліку.

Інакшими словами, ми користуємося ньютоновским істинним математичним часом, що протікає незалежно від чого-небудь, незалежно від руху.

Розглянемо тепер неинерциальные системи відліку. Система відліку, яка рухається відносно инерциальной системи відліку з прискоренням, є неинерциальной. Як випливає з принципу відносності Галілея, ніякими дослідами, проведеними в инерциальной системі відліку, неможливо встановити, чи покоїться вона або рухається рівномірно або прямолінійно, тобто рух инерциальной системи відліку не впливає на хід протікаючих в ній фізичних процесів. У неинерциальных системах відліку це не так: всяке прискорення системи позначається на явищах, що відбуваються в ній. Таким чином, на неинерциальные системи відліку принцип відносності Галілея не розповсюджується, і закони Ньютона в них не виконуються. Можна спробувати використати закони Ньютона для опису руху тіл і в неинерциальных системах відліку. Для цього вводять додаткові сили - сили інерції, рівні твору маси тіла на прискорення системи відліку, але при цьому направлені протилежно прискоренню системи відліку.

2. Принцип найменшої дії

В XVIII віці відбувається подальше накопичення і систематизація наукових результатів, відмічені тенденцією об'єднання окремих наукових досягнень в суворо впорядковану, зв'язну картину світу за допомогою систематичного застосування методів математичного аналізу до дослідження фізичних явищ. Робота багатьох блискучих розумів в цьому напрямі привела до створення базисної теорії механистической дослідницької програми - аналітичної механіки, на основі положень якої були створені різні фундаментальні теорії, що описують конкретний клас конкретних явищ: гідродинаміка, теорія пружності, аеродинаміка і т. д. Одним з найважливіших результатів аналітичної механіки є принцип найменшої дії (варіаційний принцип), що має важливе значення для розуміння процесів, що відбуваються в фізиці кінця XX віку.

Коріння виникнення варіаційних принципів в науці йде в Древню Грецію і пов'язане з ім'ям Герона з Александрії. Ідея будь-якого варіаційного принципу складається в тому, щоб варіювати (змінювати) деяку величину, що характеризує даний процес, і відбирати з всіх можливих процесів той, для якого дана величина приймає екстремальне (максимальне або мінімальне) значення. Герон спробував пояснити закони відображення світла, варіюючи величину, що характеризує довжину шляху, прохідним променем світла від джерела до спостерігача при відображенні його від дзеркала. Він прийшов до висновку, що з всіх можливих шляхів промінь світла вибирає найкоротший (з всіх геометрично можливих).

У XVII віці, через дві тисячі років, французький математик Ферма звернув увагу на принцип Герона, розповсюдив його для серед з різними показниками заломлення, переформулировав його в зв'язку з цим в термінах часу. Принцип Ферма свідчить: в заломлюючому середовищі, властивості якої не залежать від часу, світловий промінь, проходячи через дві точки, вибирає собі такий шлях, щоб час, необхідний йому для проходження від першої точки до другої, був мінімальним. Принцип Герона виявляється окремим випадком принципу Ферма для серед з постійним коефіцієнтом заломлення.

Принцип Ферма привернув пильну увагу сучасників. З одного боку, він як не можна краще свідчив про "принцип економії" в природі, про раціональний божественний задум, реалізований в пристрої світу, з іншою - він суперечив ньютоновской корпускулярной теорії світла. Згідно з Ньютону виходило, що в більш щільних середовищах швидкість світла повинна бути більше, в той час як з принципу Ферма витікало, що в таких середовищах швидкість світла стає меншою.

У 1740 році математик Пьер Луї Моро де Мопертюї, критично аналізуючи принцип Ферма і слідуючи теологическим мотивам про досконалість і найбільш економний пристрій Всесвіті, проголосив в роботі "Про різні закони природи, що здавалися несумісними" принцип найменшої дії. Мопертюи відмовився від найменшого часу Ферма і ввів нове поняття - дія. Дія дорівнює твору імпульсу тіла (кількості руху Р = mV) на пройдений тілом шлях. Час не має якої-небудь переваги перед простором, одинаково як і навпаки. Тому світло вибирає не найкоротший шлях і не найменший час для його проходження, а згідно Мопертюї, "вибирає шлях, що дає більш реальну економію: шлях, по якому він слідує, - це шлях, на якому величина дії мінімальна". Принцип найменшої дії надалі був розвинений в роботах Ейлера і Лагранжа; він з'явився основою, на якої Лагранж розвинув нову область математичного аналізу - варіаційне числення. Подальше узагальнення і завершену форму цей принцип отримав в роботах Гамільтона. У узагальненому вигляді принцип найменшої дії використовує поняття дії, вираженої не через імпульс, а через функцію Лагранжа. Для випадку однієї частинки, рухомої в деякому потенційному полі, функція Лагранжа може бути представлена як різниця кінетичної і потенційної енергії:

L = Eкин.- Епот.

Рівняння руху частинки можуть бути отримані за допомогою принципу найменшої дії, згідно з яким реальний рух відбувається так, що дія виявляється екстремальною, тобто його варіація звертається в 0.

Варіаційний принцип Лагранжа - Гамільтона легко допускає поширення на системи, що складаються з декількох (множини) частинок. Рух таких систем звичайно розглядають в абстрактному просторі (зручний математичний прийом) великого числа вимірювань. Скажемо, для N точок вводять деякий абстрактний простір 3N координат N частинок, створюючих систему, звану конфігураційним простором. Послідовність різних станів системи зображається кривою в цьому конфігураційному просторі - траєкторією. Розглядаючи всі можливі шляхи, що з'єднують дві задані точки цього трьохмірного простору, можна пересвідчитися, що реальний рух системи відбувається відповідно до принципу найменшої дії: серед всіх можливих траєкторій реалізовується та, для якої дія екстремальна по всьому інтервалу часу руху.

При мінімізації дії в класичній механіці отримують рівняння Ейлера - Лагранжа, зв'язок яких із законами Ньютона добре відомий. Рівняння Ейлера - Лагранжа для лагранжиана класичного електромагнітного поля виявляються рівняннями Максвелла. Таким чином, ми бачимо, що використання лагранжиана і принципу найменшої дії дозволяє задавати динаміку частинок. Однак лагранжиан володіє ще однією важливою особливістю, що і зробило лагранжев формалізм основним в рішенні практично всіх задач сучасної фізики. Справа в тому, що нарівні з ньютоновской механікою в фізиці вже в XIX віці були сформульовані закони збереження для деяких фізичних величин: закон збереження енергії, закон збереження імпульсу, закон збереження моменту імпульсу, закон збереження електричного заряду. Число законів збереження в зв'язку з розвитком квантової фізики і фізики елементарних частинок в нашому сторіччі стало ще більше. Виникає питання, як знайти загальну основу для запису як рівнянь руху (скажемо, законів Ньютона або рівнянь Максвелла), що так і зберігається під часі величин. Виявилося, що такою основою є використання лагранжева формалізму, бо лагранжиан конкретної теорії виявляється інваріантним (незмінним) відносно перетворень, відповідних конкретному абстрактному простору, що розглядається в даній теорії, слідством чого і є закони збереження. Ці особливості лагранжиана привели до доцільності формулювання фізичних теорій на мові лагранжианов. Усвідомлення цієї обставини прийшло в фізику завдяки виникненню теорії відносності Ейнштейна.

3. Спеціальна теорія відносності А. Ейнштейна

Розвиток фізики XIX віку, здавалося б, не провіщало яких-небудь різких поворотів, хоч з багатьох питань вчені не були так уже одностайні. Це торкається і тієї критики, якою були піддані поняття і принципи ньютоновской механіки з боку багатьох вчених, особливо з боку Ернеста Маху і Анрі Пуанкаре; і спори між прихильниками атомістичної теорії будови речовини і їх опонентами; тривогу викликала суперечність між результатами дослідів Майкельсона і Фізо і явищем аберації світла; до кінця не була зрозуміла природа теплового випромінювання. Тут мало місце різке розходження експериментальних даних з теоретичними, результати яких базувалися на представленнях класичної електродинаміки Максвелла і класичної термодинаміки. Але загалом положення справ здавалося дуже хорошим. Цей настрій вчених-фізиків на рубежі XIX-XX віків як не можна краще виразив Дж. Томсон, що висловив думку про те, що будівля фізики практично побудована, не вистачає лише трохи деталей: на ясному небосхилі є тільки дві хмарки. Після віку ми з упевненістю можемо констатувати, що з цих, на перший погляд, досить-таки нешкідливих облачков не тільки виросла вся сучасна фізика: перша хмарка дала згодом життя теорії відносності, а друга хмарка - квантовій механіці, але і поставлені цими теоріями проблеми ще далекі від завершення. Так що роботи хватити і на наступні сторіччя.

Першу затьмарюючу загальну утихомирюючу картину хмарку Томсон зв'язував з негативним результатом досвіду Майкельсона. Крім цього, однак, існувало ще одне надзвичайно бентежача фізиків обставина: виявилося, що рівняння Максвелла, що описують електромагнітне поле, виявляються неінваріантними при переході з однієї инерциальной системи в іншу відносно перетворень Галілея. Потрібно сказати, що саме ця неінваріантність і спонукала новий сплеск концепцій з прийняттям ефіру, і зрештою - досвід Майкельсона. Незважаючи на те, що сам Максвелл визнавав існування ефіру, електромагнітна теорія Максвелла не вимагає існування ефіру як такого. Електромагнітні коливання повністю описуються за допомогою силових характеристик електричного і магнітного полів. Тим самим, теорія Максвелла вводить в розгляд поняття поля як початкового поняття в фізиці, нарівні з речовиною, і ослабляє значення ефіру в теорії. Однак той факт, що рівняння Максвелла не задовольняли принципу відносності, знову викликав до життя концепцію ефіру як деякої середи такої, що рівняння Максвелла справедливі тільки в одній, пов'язаній з цією середою системі відліку. Різний спектр думок і пропозицій, виниклих в зв'язку з вищепоказаною колізією "непокори рівнянь Максвелла механічному принципу відносності", можна виразити трьома основними точками зору. Згідно з першою точкою зору, потрібно відмовитися від рівнянь Максвелла або внести в них необхідні поправки, лише б зробити їх інваріантними відносно галилеевых перетворень. Однак рівняння Максвелла демонстрували найвищу міру збігу теорії з експериментом, а всі поправки, що вносяться виявлялися такими, що непідтверджуються. Друга точка зору відстоювалася А. Пуанкаре і Г. Герцем, що вважали принцип відносності обов'язковим для опису не тільки механічних явищ, але і електромагнітних. У 1890 році Герц приймає гіпотезу, висловлену раніше Стоксом, про існування ефіру, повністю захопливого рухомими тілами. Виходячи з цих принципів, він знаходить рівняння, інваріантні по відношенню до галилеевым перетворень координат і часу при переході від однієї инерциальной системи відліку в іншу. У приватному разі тіла, що покоїться ці рівняння переходять в рівняння Максвелла. Герц отримав "найбільш очевидне узагальнення теорії Максвелла на випадок рухомих тіл, але воно виявилося несумісним з результатом експерименту", бо суперечило експерименту Фізо по поширенню світла в рухомій рідині.

І, нарешті, третя точка зору, що відстоюється Лоренцем. Відомо, що Лоренц був прихильником атомної теорії будови речовини, а після відкриття в 1897 році Томсоном негативно зарядженої частинки - електрона, він створив теорію, в якій рівняння Максвелла включають в себе ідею про дискретну структуру електрики. При цьому Лоренц використовує гіпотезу ефіру, розглядаючи електромагнітне поле як властивість ефіру, протиставляючи його речовині, що складається з електрично заряджених частинок. Лоренцу вдалося всю електродинаміку і рухомих тіл, що покояться звести до рівнянь Максвелла, дати на цій основі пояснення великому числу експериментальних фактів. Але при цьому він вводить виділену серед інших систему відліку, що абсолютно покоїться, пов'язану з нерухомим ефіром, в якій тільки і виконуються рівняння Максвелла. Таким чином, точка зору, що відстоюється Лоренцем, говорила про неспроможність самого принципу відносності. На місце абсолютного пустого нерухомого ньютоновского простору він ставить абсолютне тіло відліку - нерухомий ефір, тобто вводить привілейовану систему відліку. Однак досвідчені дані, що все є говорили на користь принципу відносності, в тому числі і досвід Майкельсона свідчив на користь еквівалентності всіх инерциальных систем відліку, крім цього він встановлював факт постійності швидкості світла в будь-якій системі відліку. А. Ейнштейн писав, що "спеціальна теорія відносності зобов'язана своїм походженням цієї трудності, яка, в зв'язку з її фундаментальним характером, здавалася нетерпимої". Потрібно сказати, що Лоренц (і ряд інших фізиків, серед яких Лармор, Фіцджеральд і інш.) робив численні спроби, намагаючись погодити негативний результат досвіду Майкельсона з ідеєю абсолютної системи відліку. У тому числі була висунена гіпотеза про скорочення лінійних розмірів тіл в напрямі їх руху відносно ефіру. При цьому Лоренц і Фіцджеральд вважали, що тіла дійсно скорочують свої розміри в напрямі руху. Це скорочення повинне було повністю компенсувати вплив відносного руху на швидкість поширення світла, чому і здавалося, що швидкість світла залишається постійною у всіх инерциальных системах відліку. Незважаючи на те, що висловлена гіпотеза виглядала дуже штучною і виявилася невірною, як це з'ясувалося згодом, вона привела до знаходження рівнянь перетворень кінематичних параметрів, відмінних від перетворень Галілея, які називають рівняннями Лоренца.

Отже, з перетворень Лоренца слідувало, що просторові і тимчасові інтервали виявляються неінваріантними при переході з однієї системи відліку в іншу. Виникла ситуація, в якій були потрібен глибокий аналіз і критика уявлень, що є про простір і час, на основі яких вдалося б з'ясувати причини, по яких перетворення Галілея замінюються перетвореннями Лоренца. Це і було зроблено А. Ейнштейном в його роботі, що вийшла в світло в 1905 році "До електродинаміки рухомих серед". Свою статтю Ейнштейн починає з двох припущень, які в сучасній науці іменуються постулатами теорії відносності, які він розглядає як передумови для того, щоб, "поклавши в основу теорію Максвелла для тіл, що покояться, побудувати просту, вільну від протиріч електродинаміку рухомих серед".

Постулати теорії відносності

1. Принцип відносності: всі закони природи однакові у всіх инерциальных системах відліку.

Лоренц відмічав з цього приводу; "Заслуга Ейнштейна складається в тому, що він перший висловив принцип відносності у вигляді загального, суворо і точно чинного закону". Потрібно відмітити, що точки зору про універсальність принципу відносності дотримувався також А. Пуанкаре.

2. Принцип постійності швидкості світла: швидкість світла в пустоті однакова у всіх инерциальных системах відліку і не залежить від руху джерел і приймачів світла.

У будь-якому випадку, захоплювався б ефір рухомими тілами або не захоплювався б, швидкість світла відносно різних инерциальных систем відліку повинна була виявитися різною. Якби ефір захоплювався рухомими тілами, то швидкість світла відносно зовнішньої нерухомої системи відліку повинна бути іншою, чим відоме значення С. Еслі ж ефір не захоплюється рухомими тілами, то повинна мінятися швидкість світла відносно системи відліку, рухомої разом з джерелом світла. Негативний результат досвіду Майкельсона якраз і складається в тому, що швидкість світла виявлялася однаковою по відношенню до обох систем відліку. Поклавши за основу теорії цей експериментальний факт, Ейнштейн говорить про те, що введення "світлоносного ефіру" виявиться при цьому зайвим, "оскільки в теорію, що пропонується не вводиться простір", що "абсолютно покоїться, наділений особливими властивостями. Швидкість же світла в пустоті не залежить від системи відліку і є максимальною (верхньою межею) для швидкості поширення сигналів.

Виходячи з постійності швидкості світла, Ейнштейн піддає критичному аналізу традиційне поняття часу. Ньютоновское поняття абсолютного, універсального, рівномірно поточного часу твердо укорінитися в представленнях фізиків і здавалося непорушним. Слідством цього з'явилося некритично уявлення про одночасність подій, що використовується в ньютоновской механікові. Критику абсолютного часу Ньютона Ейнштейн починає з розгляду поняття одночасності двох подій, звертаючи особливу увагу на той факт, "що всі наші думки, в яких час грає яку-небудь роль, завжди є думками про одночасні події". Нехай в деякій точці простору А вміщені години, і спостерігач, що знаходиться в точці А, може встановлювати час подій в безпосередній близькості від А шляхом спостереження одночасних з цими подіями положень стрілок годин. Нехай в іншій точці простору В вміщені такі ж точно години, як в точці А, тоді в безпосередній близькості від В також можлива тимчасова оцінка подій що знаходиться в В спостерігачем. Але при цьому визначається тільки "А-час" і "В-час", але не загальне для А і В "час". У класичній механіці приймається, що одночасність двох подій може бути встановлена шляхом перенесення годин з точки А в точку В, при цьому вважається, що рух годин ніяким образом не повинен позначатися на їх ході. Эйнштейн указав на неочевидність останнього твердження, на неправомірність прийняття його апріорі. Оскільки не існує фізичних явищ, що розповсюджуються вмить, то без певних припущень неможливо порівнювати у часі яку-небудь подію, що відбувається в А, з подією, що відбувається в В. Часи в А і В будуть йти синхронно, якщо прийняти, що час для проходження світла з точки А в точку В одинаково часу для проходження сигналу з точки В в точку А:

Якщо при цьому передбачити, що швидкість світла однакова у всіх напрямах, то сума цих часів, помножена на швидкість світла, повинна дорівнювати подвоєній відстані від точки А до точки В. Установів, що потрібно розуміти під тими, що синхронно йдуть в різних точках простору годинами, що покояться, Ейнштейн дає визначення понять одночасності і часу. Але встановленим таким чином одночасність подій в одній системі відліку не буде вірна в іншій, рухомій по відношенню до першої. Якщо один спостерігач вважає одночасним дві події, які просторово роз'єднані, в тій системі відліку, відносно якою він нерухомий, то інший спостерігач, що бере участь в рівномірному прямолінійному русі відносно першої системи відліку, не вважає їх одночасним. Так що одночасність стає поняттям відносним, що залежить від спостерігача. Таким чином, потрібно говорити про власний час кожної системи відліку. Універсальний абсолютний ньютоновское час повинно поступитися місцем незліченним власним часам різних систем відліку. Цей, на перший погляд, парадоксальний висновок є слідством того, що неможливо синхронізувати години за допомогою сигналів, що розповсюджуються з швидкістю, що перевищує швидкість світла. Наше ж буденне уявлення про час, співпадаюче з уявленням про універсальний ньютоновском час, - слідство того, що ми живемо в світі малих швидкостей, неусвідомлено користуючись при цьому інформаційними хвилями, що розповсюджуються з швидкостями, порівнянними з швидкістю світла. Якби швидкість електромагнітних хвиль була б порядку звичайних для нашої свідомості швидкостей, то набагато раніше встало б питання про одночасність подій в різних точках простору. Эйнштейн показав, що в основі перетворень Галілея якраз і лежить довільне допущення про те, що поняття одночасності має значення незалежно від стану руху системи координат, що використовується.

Міркуючи таким чином і використовуючи два вказаних вище за принцип (постулати теорії відносності), Ейнштейн математично вивів лоренцево скорочення рухомих тіл при їх спостереженні з системи, що покоїться, при умові, що швидкість рухомого тіла VПеретворення Галілея засновувалися на гіпотезі про повну незалежність часу і простору. Це приводило до того, що просторові і тимчасові інтервали розглядалися окремо незмінними при переході з однієї системи відліку в іншу.

Незалежно від цього двом подіям ставився у відповідність тимчасовій інтервал dt, також що не залежить від системи відліку. Однак спеціальна теорія відносності докорінно змінює що склався погляд. З самого вигляду перетворень Лоренца виразно видно, що просторові і тимчасові координати більше не можуть бути розглянуті незалежно. Г. Мінковський, виходячи з положення, що простір і час - поняття, невіддільні один від одного, запропонував математичний формалізм, запис в якому фізичного закону приводить до його інваріантності відносно перетворень Лоренца. Формалізм Мінковського використовує уявлення про четырехмерном мир, четырехмерном просторово-часовому континуумі, в якому час по своєму місцю в фізичних рівняннях еквівалентно трьом просторовим координатам.

Спеціальна теорія відносності - теорія, яка вирішує дві основні задачі: по-перше, пристосовує просторово-часову метрику до рівнянь Максвелла. Це приводить до виробітку нової "метрики" простору-часу, де на зміну евклидовой метрики, в якій простори і час розглядаються незалежними один від одного і в якій просторові і тимчасові масштаби зберігають незмінність окремо один від одного в різних системах відліку, приходить видозмінена метрика, з просторово-часовим континуумом, званим псевдоевклидовым простором Мінковського, в якому час еквівалентно просторовим координатам, грає роль четвертого вимірювання в цьому континуумі і в якому інваріантним відносно перетворень Лоренца є чотиривимірний світовий інтервал. І, по-друге, застосування цієї нової "метрики" до всієї фізики.

Надалі всі відомі фізичні закони були записані в четырехмерном формалізмі Мінковського, що привело до створення нової релятивістської (relativ - відносний) фізичної дослідницької програми, що прийшла на зміну механистической дослідницькій програмі.

Всі згадані вище закони збереження згодом були розглянуті як слідства інваріантності лагранжиана при поворотах в четырехмерном континуумі.

4. Елементи загальної теорії відносності

Завдяки спеціальній теорії відносності в фізиці створюється новий погляд на характер фізичних законів, найбільш "якдосконалим вираженням яких вважається тепер їх інваріантне вираження". Незважаючи на революційність спеціальної теорії відносності, що привела до корінної зміни наших уявлень про простір і час, проте, виникає почуття деякої незавершеності теорії. І пов'язане це з тим, що спеціальна теорія відносності так само, як і класична механіка, зберігає привілейоване положення спостерігачів, що знаходяться в инерциальных системах відліку. А як бути з спостерігачами, що знаходяться в системах відліку, рухомих по відношенню до перших з прискоренням (в неинерциальных системах відліку)? Чим пояснюється неінваріантність законів фізики в неинерциальных системах відліку? Чи Правомірне це? Подібне положення справ здавалося незадовільним. Эйнштейн, повторюючи питання Е. Маха: "Чому инерциальные системи фізично виділені відносно інших систем відліку?, "першим звертає увагу на те, що спеціальна теорія відносності (СТО) не дає на нього відповіді. Наступна проблема виникла при спробі представити в рамках СТО тяжіння. Виявилося, що тяжіння укладається в рамки спеціальної теорії відносності тільки в тому випадку, якщо потенціал гравітаційного поля постійний. Якщо ж гравітаційне поле змінне, то глобальна лоренц-інваріантність, в основі якої лежить однорідність всіх точок простору, не працює. Эйнштейном була з'ясована причина цього: вона складається в тому, що не тільки інертна маса залежить від енергії, але і гравітаційна. Галилеем був встановлений закон, згідно з яким всі тіла падають, при відсутності опору середи, з однаковим прискоренням. Це є слідством рівності інертної і гравітаційної (вагомої) маси. Рівність інертної і гравітаційної маси дотримується з точністю вище за одну двадцатимиллионной, що було показано в серії вельми точних дослідів, пророблених Р. Етвешем. Проте, ця рівність не отримала пояснення в фізичній теорії. У 1908 році Ейнштейн доводить, що кожній кількості енергії в гравітаційному полі відповідає енергія, по величині рівна енергії інертної маси величиною Е/с2, і робить висновок про те, що закон цей виконується не тільки для інертної, але і для гравітаційної маси. Розглядаючи факт рівності інертної і гравітаційної маси, Ейнштейн приходить до висновку про той, що гравітаційне поле (в якому виявляється гравітаційна маса) еквівалентно прискореному руху (в якому виявляється маса інертна.) і формулює принцип еквівалентності, який і був встановлений в основу створення загальної теорії відносності: "Факт рівності інертної і вагомої маси або, інакше, той факт, що прискорення вільного падіння не залежить від природи падаючої речовини, допускає і інакше вираження. Його можна виразити так: в полі тяжіння (малої просторової протяжності) все відбувається так, як в просторі без тяжіння, якщо в ньому замість "инерциальной" системи відліку ввести систему, прискорену відносно неї".

Принцип еквівалентності Ейнштейн називав "найщасливішою думкою в моєму житті". Як вже відмічалося, спроби включення тяжіння в спеціальну теорію відносності наштовхувалися на серйозні труднощі, оскільки в цьому випадку не працює глобальна лоренц-інваріантність. Эйнштейн приходить до висновку про той, що головна задача складається не в тому, як включити тяжіння в СТО, а в тому, як використати тяжіння для узагальнення вимоги інваріантності до будь-яких типів руху, в тому числі і прискореним. Виявилося, що тяжіння не може бути повністю замінено прискоренням (гравітаційні сили - силами інерції) у великих областях з неоднорідним гравітаційним полем. Зведення гравітаційного поля до прискорених систем відліку вимагає обмеження принципу еквівалентності нескінченно малими масштабами. Інакшими словами, принцип еквівалентності має локальне значення. Локальний характер принципу еквівалентності приводить до уявлень про мир, відмінний від плоского евклидова простору, для якого сума кутів трикутника завжди дорівнює 180 градусів. Це мир - з кривизною просторово-часового континууму. Трапилося так, що в математиці вже були розвинені теорії неевклидовой диференціальної геометрії - теорія Лобачевського і теорія Рімана. У загальній теорії відносності інваріантність фізичних законів в системах відліку, в яких діють гравітаційні сили (або які є неинерциальными), досягається відносно локальних перетворень в римановом четырехмерном просторі-часі позитивної кривизни. Інакшими словами, гравітаційне поле може інтерпретуватися як наслідок викривлення простору.

Отже, внаслідок восьмирічних роздумів над природою тяжіння (з 1907 по 1915 рік) Ейнштейн в полеміці і при підтримці ряду великих фізиків і математиків прийшов до створення загальної теорії відносності - теорії, що розповсюджує принцип відносності на будь-які системи відліку і в той же час що представляє з себе більш загальну теорію тяжіння, вмісну в собі теорію тяжіння Ньютона як граничний випадок.

Спеціальна теорія відносності має глибоке експериментальне підтвердження і є могутнім апаратом в ядерній фізиці і фізиці елементарних частинок. Потрібно відмітити той, що існував серед фізиків скепсис з приводу можливої експериментальної проверяемости загальної теорії відносності, який, однак, проіснував недовго. Перше експериментальне підтвердження теорії перебувало в поясненні аномального руху планети Меркурій, чого не вдавалося зробити на основі теорії Ньютона. Меркурій - це найбільш близька Сонцю планета. Згідно із загальною теорією відносності, еліптична траєкторія руху планет повинна повільно повертатися навколо Сонця. Леверрье було відкрите вікове обертання орбіти Меркурія, що становить біля 45" в сторіччя (ясно, що для інших планет воно ще менше). Результат цей не узгоджувався з розрахунками, отриманими на основі ньютоновского закону всесвітнього тяжіння. Результати розрахунку по загальній теорії відносності продемонстрували повний збіг з даними астрономічних спостережень. Далі, слідством теорії є більш сильне (в два рази більше) викривлення світлового променя гравітаційним полем, ніж це було отримане з дослідів, проведених Зольденером в 1804 році. Експедиції, що спостерігали сонячні затьмарення 29 травня в 1919 році і 21 вересня 1921 року виявили, що викривлення світла близьке до значення, що передбачається загальній теорії відносності. І, нарешті, третій експериментальний результат не тільки відповідав теорії, але і дав могутній імпульс для розвитку на базі загальної теорії відносності науки про походження і еволюцію Вселену - космології. Мова йде про відкриття в 1929 році Хабблом зміщення спектральних ліній випромінювання зірок у бік червоного світла, так зване "червоне зміщення", що свідчить про те, що Всесвіт, в якому ми мешкаємо, не статичний, а розширяється, так що всілякі галактики розбігаються. Декілька раніше, в 1922-1924 роках, А. Фрідманом були отримані рішення загальної теорії відносності для нестаціонарного Всесвіту, що розширяється в справжню епоху, що і було експериментально підтверджено відкриттям Хаббла.

Сучасні космологічні моделі ще більш розвивають уявлення про простір-час нашого Всесвіту. Тут ставляться питання про те, чому простір світу, в якому ми живемо, трьохмірний? Чи Можливе життя нашого типу в просторі з великим числом вимірювань? Що являє собою простір в масштабах порядку 10~33 см? Які його метрика і топологія? Як пов'язані між собою відомі типи фізичних взаємодій і просторово-часова структура нашого Всесвіту? Ці і інші питання будуть розглянуті в наступних розділах цієї книги. Адже, по суті, питання про простір і час відомого світу - це питання всієї сучасної науки. Ось чому він не укладається в розмір одного розділу, а вимагає ознайомлення з іншими важливими розділами фізики.

У справжньому розділі часто згадується поняття "енергія". Тому ми дозволимо собі перегорнути сторіночки історії назад і розглянути, як це фундаментальне поняття увійшло в структуру фізичної науки, чому і присвячена наступний розділ книги.

Список літератури

1. Чанышев А.Н. Курс лекцій по древній філософії. М., 2008

2 Азерников В.З. Неслучайние випадковості. Розповіді про великі відкриття і видатних вчених. М., 2006

3. Юкава X. Лекциї по фізиці. М., 2006

4. Олександра Г.Ф. Концепциї сучасного природознавства. М., 2007

5. Кудрявцев П.С. Современноє природознавство. Курс лекцій. М., 2007

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка