трусики женские украина

На головну

Загальна теорія відносності - Наука і техніка

Маріо Льоцци: ВАЖКА МАСА І ІНЕРТНА МАСА

Подібно класичній механіці, спеціальна теорія відносності також приписувала привілейоване положення «галилеевым» спостерігачам, т. е. спостерігачам, що знаходяться в системах, рухомих рівномірно і прямолінійно. Але що є основою цієї переваги галилеевых систем відліку? Відповісти на таке питання було дуже нелегко.

У 1907 р. Эйнштейн приступив до дослідження цього питання, почавши з критичного перегляду одного факту, добре відомого класичній фізиці. У класичній фізиці інертна маса тіла визначається як постійне відношення прикладеної до неї сили до прискорення, що придбавається, а важка маса визначається як відношення ваги тіла до прискорення сили тягаря. Очевидно, немає ніяких підстав апріорі вважати, що обидві певна так маса рівні між собою, оскільки тяжіння не має ніякого відношення до визначення інертної маси. Рівність обох маси (при належному виборі одиниць) є досвідченим фактом, який був встановлений Ньютоном в дослідах з маятниками, а ще раніше Галілеєм в дослідах з падаючими тілами. При падінні тіл прискорення пропорціонально важкій масі і зворотно пропорціонально інертній масі, і оскільки всі тіла падають з однаковим прискоренням, то обидві маси рівні. Подібне міркування є ще у Бальяні, який, ототожнюючи важку і інертну масу, приходив до висновку про постійність прискорення сили тягаря.

У більш пізній час Р. Етвеш в серії вельми точних дослідів, проведених з 1890 по 1910 р. і продовжених в 1922 р., показав, що ця еквівалентність важкої і інертної маси дотримується з точністю вище за одну двадцатимиллионной. Досліди Етвеша засновані на тому, що рівновага схилу визначається тяжінням Землі, що залежить від важкої маси, і відцентовий силою, викликаною обертанням Землі і що залежить від інертної маси. Якби ця маса не була однакова, то напрям схилу залежав би від матеріалу (свинець, залізо, скло і т. д.), з якого зроблена куля схилу. Однак Етвеш за допомогою найчутливішої крутильної ваги встановив, що схил не міняє свого напряму незалежно від матеріалу, з якого він виготовлений. Таким чином, в рівності важкої і інертної маси сумніватися неможливо. Класична механіка в цьому і не сумнівалася, але вона приймала цей факт як випадковий, навіть не намагаючись як-небудь його пояснити.

У згаданій роботі 1907 р. Эйнштейн показав за допомогою наочних міркувань, що рівність важкої і інертної маси зовсім не випадковий факт, що воно носить особливий характер, виявляючись як внутрішня властивість гравітаційного поля. Эйнштейн прийшов до цьому висновку за допомогою уявного досвіду, що став тепер класичним, досвіду з вільно падаючим ліфтом. Уявимо собі гігантський хмарочос висотою 1000 км і фізика, що знаходиться всередині вільно падаючого ліфта в цьому хмарочосі. Фізик випускає з рук хустку або години і переконується, що вони не падають на підлогу ліфта. Якщо він повідомляє цим речам поштовх, то вони рухаються рівномірно і прямолінійно, поки не зіткнуться зі стінками ліфта. Фізик приходить до висновку: я знаходжуся в обмеженій галилеевой системі. Умова обмеженості необхідна для того, щоб можна було вважати, що всі тіла випробовують однакове прискорення. Але фізик, що спостерігає ззовні за падінням ліфта, буде судити про речі абсолютно інакше. Він бачить, що ліфт і тіла, що все знаходяться в йому рухаються прискорено згідно із законом тяжіння Ньютона.

Цей приклад показує, що можна перейти від галилеевой системи до прискореної, якщо врахувати гравітаційне поле. Інакшими словами, гравітаційне поле (в якому виявляється важка маса) еквівалентно прискореному руху (в якому виявляється інертна маса). Важка маса і інертна маса характеризують одну і ту ж властивість матерії, що розглядається по-різному. Таким чином, Ейнштейн прийшов до принципу еквівалентності, який він так сформулював в своїй автобіографії: «У 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 можна сформулювати і інакше: спостерігач ніякими дослідами в своїй системі відліку не може розрізнити, чи знаходиться він в гравітаційному полі або ж прискорено рухається. Для випадку уявного експерименту з вільно падаючим ліфтом принцип еквівалентності справедливий в невеликій частині простору, т. е. має локальний характер.

ЗАГАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Принцип еквівалентності послужив відправною точкою для переробки теорії відносності в нову теорію, яку Ейнштейн назвав загальною теорією відносності (на відміну від неї колишня теорія була названа спеціальною). Нова теорія була викладена Ейнштейном після підготовчих робіт 1914-1915 рр. в фундаментальному труді «Die Grundlage der allgemeinen Relativitatstheorie» («Основи загальної теорії відносності»). Друга частина цієї роботи присвячена опису математичного апарату, необхідного для розвитку цієї теорії. На щастя, такий апарат вже існував - це було так зване «абсолютне диференціальне числення», приведене в систему ще в 1899 р. Грегорио Риччи-Курбастро (1853-1925) і Тулліо Леви-Чивита (1873-1941).

Основний постулат загальної теорії відносності полягає в тому, що не існує привілейованих систем координат. «Закони фізики, - говорить Ейнштейн, - повинні бути такі за природою, що вони повинні бути застосовні до довільно рухомих систем відліку».

Закони фізичних явищ зберігають свою форму для довільного спостерігача, так що рівняння фізики повинні залишатися інваріантними не тільки при лоренцевых, але і при довільних перетвореннях.

Виведені звідси Ейнштейном математичні слідства не менш важливі, ніж слідства з спеціальної теорії відносності. Вони ведуть до подальшого узагальнення понять простору і часу. Якщо кінематична зміна видозмінює або знищує гравітацію в якій-небудь системі відліку, то ясна, що між гравітацією і кінематикою існує тісний зв'язок. А оскільки кінематика - це геометрія, до якої додана ще одна, четверта змінна - час, то Ейнштейн інтерпретує явища гравітації як геометрію простору-часу. Звідси витікає що, згідно із загальною теорією відносності, наш мир не є евклидовым; його геометричні властивості визначаються розподілом маси і їх швидкостями.

За допомогою славнозвісного уявного експерименту, про який було багато суперечок, Ейнштейн з всією очевидністю показав тісний зв'язок між кінематикою і геометрією. Передбачимо, що спостерігач знаходиться на круглій платформі, що швидко обертається по відношенню до зовнішнього спостерігача. Зовнішній спостерігач вычерчивает в своїй, галилеевой системі відліку коло, рівне зовнішньому колу платформи, вимірює її довжину і її діаметр, складає їх відношення і знаходить число π евклидовой геометрії. Спостерігач, що знаходиться на платформі, виконує ті ж вимірювання за допомогою тієї ж лінійки, якою користувався зовнішній спостерігач. Лінійка, вміщена вдовж радіуса платформи, хоч і знаходиться в русі відносно зовнішнього спостерігача, не зазнає зміни довжини, тому що платформа рухається перпендикулярно радіусу. Але коли спостерігач починає вимірювати периметр платформи, то лінійка по відношенню до зовнішнього спостерігача представляється укороченою, тому що в цьому положенні вона рухається в напрямі своєї довжини (лоренцево скорочення), платформа здається більш довгої і для числа π виходить значення, більше, ніж в попередньому випадку.

Аналогічне явище має місце і згодом. Якщо взяти двоє ідентичних годин і одні вмістити в центрі платформи, а інші - на периферії, то зовнішній спостерігач побачить, що години, що знаходяться на периферії і рухомі по відношенню до інших годин, йдуть повільніше, ніж години, що знаходяться в центрі, і прийде до висновку, що години на периферії дійсно відстають.

Але, згідно з принципом еквівалентності, явища руху аналогічні явищам гравітації. Отже, в гравітаційному полі евклидова геометрія вже не справедлива, а години відстають. Приклад з платформою має передусім дидактичне значення; математично гравітаційне поле відрізняється від відцентовий поля платформи, що обертається. У гравітаційному полі, що створюється центральною масою, скорочуються радіальні розміри і залишаються незмінними поперечні. Тому відношення кола до діаметра стає менше π. Эддингтон розрахував порядок величини цієї зміни числа∏: якщо масу в одну тонну вмістити в центрі кола радіусом п'ять метрів, то число ∏ зміниться в 24-м знаку.

У загальній теорії відносності рівняння гравітації мають той же вигляд, що і рівняння Максвелла (в тому значенні, що вони описують зміни гравітаційного поля); з них витікають геометричні властивості нашого неевклидова світу.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ПІДТВЕРДЖЕННЯ

Нові закони тяжіння приводять до деяких слідств, що піддаються експериментальній перевірці. Оскільки енергія володіє масою, а інертна маса є також і важкою масою, то звідси слідує, що тяжіння діє і на енергію. Тому промінь світла, що проходить в гравітаційному полі, повинен відхилятися. Фактично таке відхилення витікає також з ньютоновской корпускулярной теорії світла; розрахунок відхилення променя світла зірки, що проходить поблизу Сонця, був проведений ще в 1804 р. Зольднером, який набув значення вдвоє менше розрахованого по теорії відносності. Досліди, проведені під час повних сонячних затьмарень 29 травня 1919 р. і 21 вересня 1922 р., підтвердили виведення загальної відносності і в кількісному відношенні (хоч серед астрономів повної згоди не було). Підтвердження впливу тяжіння, що не передбачається спеціальною теорією відносності на проходження променя показує, що теорія справедлива лише у відсутність гравітаційних полів. По відношенню до загальної теорії відносності вона виявляється лише наближеною теорією, точно так само як класична механіка є наближеною теорією по відношенню до спеціальної теорії відносності.

Друге підтвердження загальної теорії відносності було отримане при дослідженні руху планет. Одним з слідств загальної теорії відносності є те, що еліптична траєкторія руху планети повинна повільно повертатися навколо Сонця. Цей ефект, що не передбачається ньютоновской теорією, повинен бути найбільшим для найближчих до Сонця планет, для яких сила тяжіння максимальна. Найближчою до Сонця планетою є Меркурій, тому саме на русі цієї планети можна спостерігати вказаний ефект, який так слабий, що, згідно з розрахунками, було б потрібні три мільйони років, щоб орбіта Меркурія здійснила повний оборот.

Повільне обертання орбіти Меркурія, або, точніше, зміщення його перигелия, було помічено астрономами, які намагалися пояснити це обуреннями руху Меркурія, іншими планетами, що викликаються. Але розрахунки, проведені виходячи з цього припущення, приводять до значення зміщення того, що менше спостерігається. Розходження між розрахунковим що і спостерігається значеннями ніяк не вдавалося пояснити в рамках ньютоновской механіки. З точки зору загальної теорії відносності питання було розглянуте уперше в 1915 р. Эйнштейном і остаточно вирішений в 1916 р. Шварцшильдом. Збіг результатів розрахунку по загальній теорії відносності з даними астрономічних спостережень справляв особливе враження тому, що воно було досягнуте без всяких додаткових гіпотез, як пряме слідство загальної теорії відносності.

Третім підтвердженням загальної теорії відносності, яке після періоду взаємно перечачих результатів тепер представляється надійним, є так званий «ефект Ейнштейна», т. е. зміщення спектральних ліній випромінювання зірок у бік червоного кольору. Як ми вже згадували, години, розташовані в полі тяжіння, йдуть повільніше, а оскільки коливальний рух можна уподібнити годинам, то теорія передбачає зменшення частоти світлового випромінювання в присутності поля сили тягаря. Звідси слідує, що спектральні лінії світла, випромінюваного зіркою, повинні бути зміщені в червону сторону в порівнянні з відповідними лініями, в спектрах земних джерел. Цей факт, мабуть, підтверджується дослідженням спектра світла від зірок-карликів, середня густина яких в десятки тисяч разів більше густини води. У 1925 р. Адамові, фотографуючи спектри Сіріуса і його супутника Сіріуса В, спостерігав червоне зміщення. У кількісному відношенні це явище також неначе добре узгодиться з прогнозами теорії.

ПРО ДОЛЮ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

Число досліджень з питань теорії відносності, проведених математиками, фізиками і філософами, незмірно велике; навряд чи можна указати в історії фізики інший аналогічний приклад бурхливого розквіту теорії. Зібрана Лека в 1924 р. бібліографія нараховувала вже біля 4000 найменувань книг, брошур і статей. Природно, що так оригінальні ідеї не могли увійти в науку, не натрапивши на найсильнішу протидію, а коли в перші роки після світової війни елементи теорії відносності розповсюдилися серед широкої публіки, то до наукової критики фахівців приєдналася гаряча реакція різних по характеру людей, недостатньо компетентних, щоб судити про теорію по суті. Противники теорії, як компетентні, так і некомпетентні, заперечуючи теорію відносності, зрештою апелювали до «здорового глузду». У часи Галілея «здоровий глузд» також закликався як вище судді в спорі між птолемеевой і коперниковой системами. Але в обох випадках здоровий глузд, який сам змінюється разом з часом, зрештою ставав на бік нового.

Зараз всі ці гарячі дискусії затихли. Теорія відносності вже не викликає заперечень з боку вчених. Навпаки, як влучно помітили Макс Планк і Луї де Бройль, тепер вже її потрібно розглядати як складову частину класичної фізики, основним законам якої вона не суперечить, зачіпаючи лише деякі буденні уявлення, як, наприклад, уявлення про абсолютний простір і час. Згуртувавши воєдино поняття простору і часу, маси і енергії, тяжіння і інерції, ця теорія нарівні з іншими теоріями класичної фізики підкорилася тій уніфікуючій тенденції, яка, як ми відмічали раніше, надихала фізику XIX віку.

Укладач Савельева Ф.Н.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайта http://www.portal-slovo.ru

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