Парадокс близнецов

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

 

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Реферат

по дисциплине «Концепции Современного Естествознания»

на тему: «Парадокс  близнецов»

 

 

 

Выполнил:

Ф.И.О: Абдыллаева А.Д

Факультет: Бизнеса

Курс: 2

Специальность: Менеджмент

Номер шифра:130620401

Группа: ЗФ-204

Проверил:

 

 

 

 

 

Новосибирск 2014 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Постулаты специальной теории относительности Энштейна………......4
2. Преобразования Лоренца в подвижной и неподвижных системах……..8
3. Следствия из преобразований теории относительности: изменение длины и времени………………………………………………………….11
4. Границы применимости законов классической механики……………15

Заключение………………………………………………………….....19

Список используемой литературы………………………………….21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

«Концепции современного естествознания» — новый предмет  в системе высшего образования. Насколько нужно знать современную науку человеку, который, скорее всего, никогда сам не будет работать в ней?» В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Обычное возражение, согласно которому интерес к изучению электричества или стратиграфии мало что дает для познания человеческих дел, только выдает полное непонимание человеческих дел.

Наука — это не только совокупность знаний. «... Науке можно  учить как увлекательнейшей части  человеческой истории — как быстро развивающемуся росту смелых гипотез, контролируемых экспериментом и критикой.

Итак, для чего же нужно  изучать современное естествознание?

Во-первых, для того, чтобы  стать культурным человеком, надо знать, что такое теория относительности, генетика, синергетика, социобиология, экология, этология и другие науки.

Во-вторых, это важно и  потому, что многое в нашей жизни  строится в соответствии с научной  методологией. Хотя человечеству далеко до научной организации труда, тем не менее, научные принципы функционируют во многих видах деятельности, и, чтобы их успешно применять, надо их знать.

В-третьих, потому, что знания, необходимые любому специалисту, так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. Этих причин достаточно для обоснования важности нового курса.

 

1.Специальная  теория относительности Энштейна.

Название “теория относительности” возникло из наименования основного  принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном в основу из всех теоретических  построений новой теории пространства и времени.

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея— Ньютона и электродинамики Максвелла—Лоренца. "Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем".

Специальная теория относительности  называется иначе релятивистской теорией . В основу ее положены два принципа, которые являются постулатами. Эти  постулаты надежно подтверждены экспериментально.

1. Принцип относительности. Все инерциальные системы отсчета равноправны, во всех инерциальных системах не только механические, но и все другие явления природы протекают одинаково.
2. Принцип постоянства скорости света. Во всех инерциальных системах скорость света в вакууме одинакова и равна с.

Из двух основных постулатов теории относительности вытекает, что  два события, одновременные в  одной системе отсчета, не одновременны в другой системе. Понятие одновременности  имеет относительный смысл, и  в разных инерциальных системах отсчета  время протекает по-разному.

Содержанием теории относительности  является физическая теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического  характера.

Название же “принцип относительности” или “постулат относительности”, возникло как отрицание представления  об абсолютной неподвижной системе  отсчета, связанной с неподвижным  эфиром, вводившимся для объяснения оптических и электродинамических  явлений.

Эйнштейн пишет: “.. неудавшиеся  попытки обнаружить движение Земли  относительно “светоносной среды” ведут  к предположению, что не только в  механике, но и в электродинамике  никакие свойства явлений не соответствуют  понятию абсолютного покоя, и  даже более того,- к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения  механики, имеют место те же самые  электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для  величин первого порядка. Мы намерены это положение (содержание которого в дальнейшем будет называться “принципом относительности”) превратить в предпосылку... “¹ А вот что пишет Пуанкаре: “Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет закон природы; мы приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и примем его без оговорок.”

Преобразования Лоренца, отражающие свойства пространства-времени, были выведены Эйнштейном, исходя из 2 постулатов: принципа относительности  и принципа постоянства скорости света.

1. Законы, по которым изменяются  состояния физических систем, не  зависят от того, к которой  из двух координатных систем, находящихся относительно друг  друга в равномерном поступательном  движении, эти изменения состояния  относятся.

2. Каждый луч света  движется в “покоящейся” системе  координат с определенной скоростью  , независимо от того, испускается  ли этот луч света покоящимся  или движущимся телом.

Значение этих постулатов для дальнейшего развития теории пространства-времени состояло в  том, что их принятие прежде всего  означало отказ от старых представлений  о пространстве и времени, как  о многообразиях, не связанных органически  друг с другом.

Принцип относительности  сам по себе не представлял чего-либо абсолютно нового, т.к. он содержался и в Ньютоновской физике, построенной  на базе классической механики. Принцип  постоянства скорости света также  не был чем-то абсолютно неприемлемым с точки зрения ньютоновских представлений  о пространстве и времени.

Однако эти два принципа, взятые вместе привели к противоречию с конкретными представлениями  о пространстве и времени, связанные  с механикой Ньютона. Это противоречие можно проиллюстрировать следующим  парадоксом.

Пусть в системе отсчета  в начальный момент в точке, совпадающей  с началом координат произошла  вспышка света. В последующий  момент времени фронт световой волны, в силу закона постоянства скорости света, распространился до сферы  радиуса с центром в начале координат системы . Однако в соответствии с постулатами Эйнштейна, это  же явление мы можем рассмотреть  и точки зрения системы отсчета , движущейся равномерно и прямолинейно вдоль оси , так, что ее начало координат  и направления всех осей совпадали  в момент времени с началом  координат и направлениями осей первоначальной системы. В этой движущейся системе, соответственно постулатам Эйнштейна, за время свет также распространится до сферы радиуса , однако, в отличие о предыдущей сферы должен лежать в начале координат системы , а не . Несовпадение этих сфер, т.е. одного и того же физического явления, представляется чем-то совершенно парадоксальным и неприемлемым с точки зрения существующих представлений. Кажется, что для разрешения парадокса надо отказаться от принципа относительности, либо от принципа постоянства скорости света. Теория относительности предлагает, однако, совершенно иное разрешение парадокса, состоящее в том, что события, одновременные в одной системе отсчета , неодновременные в другой, движущейся системе , и наоборот. Тогда одновременные события, состоящие в достижении световым фронтом сферы, определяемой уравнением , не являются одновременными с точки зрения системы , где одновременны другие события, состоящие в достижении тем же световым фронтом точек сферы, определяемой уравнением

Таким образом, одновременность  пространственно разобщенных событий  перестает быть чем-то абсолютным, как  это принято считать в повседневном макроскопическом опыте, а становится зависящей от выбора системы отсчета  и расстояния между точками, в  которых происходит события. Эта  относительность одновременности пространственно разобщенных событий свидетельствует о том, что пространство и время тесно связаны друг с другом, т.к. при переходе от одной системе отсчета к другой, физически эквивалентной, промежутки времени между событиями становятся зависящими от расстояний (нулевой промежуток становится конечным и наоборот).

Итак, постулаты Эйнштейна помогли нам прийти к новому фундаментальному положению в физической теории пространства и времени, положению о тесной взаимосвязи пространства и времени и об их нераздельности, в этом и состоит главное значение постулатов Эйнштейна.

Основное содержание теории относительности играет постулат о  постоянстве скорости света. Основным аргументов в пользу этого является та роль, которую отводил Эйнштейн световым сигналам, с помощью которых  устанавливается одновременность  пространственно разобщенных событий. Световой сигнал, распространяющийся всегда только со скоростью света, приравнивается, таким образом, к некоторому инструменту, устанавливающему связь между временными отношениями в различных системах отсчета, без которого якобы понятия одновременности разобщенных событий и времени теряют смысл.

Теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала  законченной теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности. Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и обобщение этой теории.

Теория относительности  ждет дальнейшего развития и обобщения  и в другом направлении, помимо картины  движений, взаимодействий и трансмутаций элементарных частиц в областях порядка 10^-13 см, Она все в большей степени становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению с которыми исчезающи малы расстояния между звездами и даже расстояния между галактиками.

2. Преобразования  Лоренца в подвижной и неподвижных  системах.

В соответствии с двумя  постулатами специальной теории относительности между координатами и временем в двух инерциальных системах К и К' существуют отношения, которые называются преобразованиями Лоренца.

Для вывода преобразований Лоренца будем опираться лишь на “естественные” допущения о  свойствах пространства и времени, содержавшиеся еще в классической физике, опиравшейся на общие представления, связанные с классической механикой:

1. Изотропность пространства, т.е. все пространственные направления  равноправны.

2. Однородность пространства  и времени, т.е. независимость  свойств пространства и времени  от выбора начальных точек  отсчета (начала координат и  начала отсчета времени).

3. Принцип относительности,  т.е. полная равноправность всех  инерциальных систем отсчета.

Различные системы отсчета  по-разному изображают одно и то же пространство и время как всеобщие формы существования материи. Каждое из этих изображений обладает одинаковыми  свойствами. Следовательно, формулы  преобразования, выражающие связь между  координатами и временем в одной - “неподвижной” системе с координатами и временем в другой - “движущейся” системе , не могут быть произвольными.

Наша задача в точной формулировке сводится к следующему. Каковы значения х', у', z',t' некоторого события относительно системы К', если заданы значения х, у, z, t того же события относительно системы К? Соотношения должны быть выбраны так, чтобы для одного и того же светового луча (причем для любого) относительно К и К' выполнялся закон распространения света в пустоте. Эта задача пространственного расположения систем координат решается следующими уравнениями:

z'=z

 
Эта система уравнений носит название «преобразования Лоренца». Но если бы вместо закона распространения света  мы молчаливо исходили из представлений старой механики об абсолютном характере времени и протяженности, то вместо этих уравнений преобразования мы получили бы уравнения

x'= x - vt,

y' = y,

z' = z,

t' = t.

Последнюю систему уравнений  часто называют «преобразованием Галилея». Преобразование Галилея выводится из преобразования Лоренца, если в последнем скорость света с положить равной бесконечно большому значению.

В классической механике пространство и время рассматриваются как  понятия независимые друг от друга. Из преобразований Лоренца вытекает тесная связь между пространственными  и временными координатами: не только пространственные координаты зависят  от времени, но и время зависит  от пространственных координат, а также  от скорости движения системы отсчета.

Преобразования Лоренца  и релятивистский закон сложения скоростей соответствуют принципу инерции. Действительно, если тело движется равномерно и прямолинейно относительно одной инерциальной системы отсчета , то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно относительно любой  другой инерциальной системы.

Таким образом, преобразования Лоренца выражают общие свойства пространства и времени для любых  физических процессов. Эти преобразования, как это выяснилось в процессе доказательства, составляют непрерывную  группу, называемую группой Лоренца. В этом факте, в наиболее общем  виде отображаются свойства пространства и времени, раскрытые теорией  относительности.