ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В конце 19 века Майкельсон Морли

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В конце 19 века (Майкельсон, Морли, 1886) исследовались особенности распространения света. Оказалось, что поведение света противоречит законам классической механики.

Альберт Эйнштейн Albert Einstein Эйнштейн во время чтения лекции (Вена, 1921) Дата рождения: 14 марта 1879[1] Место рождения: Ульм, Королевство Вюртемберг, Германская империя Дата смерти: 18 апреля 1955[1] (76 лет) Место Принстон, Нью-Джерси, США смерти: Страна: Германия (1879— 1896, 1914— 1933) апатрид (1896— 1901) Швейцария (с 1901) США (1940— 1955) Научная сфера: Теоретическая физика Место работы: Патентное бюро в Берне/ Цюрихский университет/ Карлов университет/ Институт Кайзера Вильгельма/ Лейденский университет/ Институт фундаментальных исследований Высшая техническая школа Цюриха Альфред Кляйнер Альмаматер: Научный руководите ль: Известен Создатель общей испециальной т как: еорий относительности Награды и премии Нобелевская премия по физике (1921) медаль Копли медаль Планка медаль Маттеуччи Премия Жюля Жансена Подпись:

Однако было установлено, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от скорости движения излучающего источника (С ≈ 300 000 км/с), и является пределом скорости в природе – т. е. не может быть скорости, превышающей скорость света. С такой скоростью всегда движутся частицы, не имеющие массы покоя (фотоны). Для объяснения световых явлений необходимо было пересмотреть обычные пространственно-временные представления, основанные на повседневном опыте.

• Объяснить несоответствие смог А. Эйнштейн в своей теории относительности. В основе теории был положен принцип относительности Галилея: • Во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам, т. е. между покоем и движением, если оно равномерно и прямолинейно, нет никакой разницы. Разница только в точке зрения. • Инерциальная система – это система отсчета относительно которой тело при отсутствии внешних воздействий движется равномерно и прямолинейно. • ТО состоит из двух частей – СТО и ОТО.

Специальная теория относительности (создана в 1905 г. ) «Специальная» - т. к. рассматриваются только инерциальные системы, без учета полей тяготения. Постулаты СТО: 1. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета, это универсальная физическая константа. 2. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета – расширенный принцип относительности. 3. Из этих постулатов следуют все основные положения СТО:

Основные положения СТО (без формул) • 1. Единого потока времени, равноценного всегда и везде, не существует → следовательно, абсолютной одновременности событий в разных системах отсчета (т. е. в разных условиях движения) не может быть → одновременность относительна. • Т. е. события, одновременные в одной системе отсчета, не будут одновременными в другой.

• 2. Пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения: приближении скорости движения тела к скорости света его пространственные размеры сокращаются, масса увеличивается, а время замедляется – это так называемые релятивистские (от лат. relativus - относительный) явления или эффекты. • Относительные эффекты нельзя заметить, если наблюдатель движется в сопутствующей системе отсчета (т. е. движется параллельно с измеряемой системой), т. к. действует принцип относительности (в инерциальных системах все процессы протекают одинаково). • Если же система движется относительно наблюдателя со скоростью, близкой к скорости света - относительные эффекты можно заметить и измерить.

Изменение пространства обратимо: Если длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле (он отрывается от Земли со скоростью 11, 2 км/с – это II космическая скорость), то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость, и его длина становится такой, какой была на Земле. Изменение времени необратимо: Парадокс близнецов: один из близнецов провел на Земле 50 лет после запуска ракеты, в которой улетел его брат (υракеты ≈ С = 300 000 км/с), за это время брат постарел на 1 год. Если космонавт в возрасте 25 лет улетел на такой же ракете, оставив на Земле новорожденного сына, то по возвращении отцу будет 26 лет, а сыну – 50 (причина – физиологические процессы идут в соответствии со временем). Т. о. ракета выпадает из хода времени на Земле. Для людей относительные эффекты кажутся чем-то невозможным, однако они подтверждаются экспериментально: С учетом относительных эффектов построены ускорители элементарных частиц – синхрофазотроны. Если же скорости тел << C, то для них справедливы законы механики (частный случай Спец. ТО!).

• Таким образом, пространство и время взаимосвязаны и представляют собой единый 4 -х мерный пространственно-временной континуум. • Положение точки в пространстве можно задать тремя числами – координатами (x, y, z). Нечто произошедшее с ней можно охарактеризовать временем, когда это случилось, т. е. четвертой координатой. Все 4 координаты взаимосвязаны, поэтому изменения пространства вызывают изменение времени (длина < → время замедляется). • Связь пространства и времени становится заметной только при скоростях, близких к скорости света.

Общая теория относительности (ОТО, создана в 1916 г. ) Эйнштейн хотел найти универсальный закон природы, справедливый не только для инерциальных, но и для неинерциальных систем. Так возникла ОТО. Постулаты ОТО: Эквивалентность инерционной и гравитационной масс: физические процессы в гравитационном поле неотличимы от аналогичных явлений при соответствующем ускорении. Например: а) если ракета взлетает с ускорением 2 g (g – ускорение свободного падения), то ее экипаж будет чувствовать себя так, будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли; б) если обрывается канат лифта, и пассажиры находятся в нем в состоянии свободного падения, то они не смогут определить, находится ли лифт в поле тяготения, или же он движется в отсутствие сил тяготения. Принцип общей относительности: все физические законы одинаковы в любых системах отсчета – и в инерциальных, и в неинерциальных.

Основные положения ОТО (следствия постулатов): Тяготение – это искривленность пространственновременного континуума. В присутствии массивных тел искривляется все пространство-время.

(1) евклидова геометрия; (2) геометрия Римана; (3) геометрия Лобачевского

Бернхард Риманова поверхность (комплексный логарифм)

Замощение плоскости Лобачевского правильными треугольниками

В искривленном пространстве-времени лучи света и частицы движутся самым коротким путем – по геодезическим линиям (траектории движения планет вокруг Солнца). В земных условиях мы этого не наблюдаем, т. к. в макромире справедлива геометрия Евклида. Если пространство не прямолинейно, то и свет должен распространяться не прямолинейно.

• Примером изменения пространства и времени может служить «черная дыра» . • • Черная дыра – это тело, сжавшееся в комочек под действием собственного тяготения (если Солнце, а его R = 700 000 км, сожмется в шар радиусом 3 км, то получится черная дыра) → черная дыра характеризуется огромной плотностью в-ва. • Вблизи черной дыры необычайно велики силы тяготения, но это еще не все. В сильном поле тяготения меняются геометрические свойства пространства и замедляется течение времени. • Если один наблюдатель падает в поле тяготения черной дыры, то он преодолеет расстояние, например, 1 млн. км, всего за 1 час. Если же это падение будет наблюдать издали другой наблюдатель с часами (космонавт), то оно будет казаться ему очень медленным, и чем ближе к черной дыре будет первый наблюдатель, тем медленнее будет его скорость с точки зрения второго наблюдателя. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры.

• Наблюдатель, упавший в черную дыру, никогда не сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двигатели его корабля. Он не сможет послать оттуда и никаких сигналов, никаких сообщений. Ведь даже свет - самый быстрый вестник в природе - оттуда не выходит. Для внешнего наблюдателя само падение корабля растягивается по его часам до бесконечности. Значит, то, что будет происходить с падающим наблюдателем и его кораблем внутри черной дыры, протекает уже вне времени внешнего наблюдателя (после его бесконечности по времени). В этом смысле черные дыры представляют собой "дыры во времени Вселенной".

• Общий вывод ТО: • Пространство и время не только взаимосвязаны (согласно Спец. ТО), но еще и искривлены (неевклидовы). • ТО подтверждена многочисленными фактами и лежит в основе всех теорий, рассматривающих явления при скоростях, близких к С. • • Значение ТО: • Показала единство пространства, времени и материи (т. е. пространственно-временной континуум). • Позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамки классических представлений (особенно это касается электромагнитных явлений в движущихся телах). •