Теория относительности

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ «МГГУ»)

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

ТЕОРИЯ  ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнено студентом

Сурядовой Л.М.

специальности 050720

«Физическая культура»

очной формы  обучения

Научный руководитель

Шиян Н.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мурманск

2013 

Содержание

 

Введение           

1. Специальная теория относительности (СТО).    

2. Общая теория относительности  (ОТО)      

Заключение          

Список используемой литературы       

 

Введение

     Альберт Эйнштейн — физик-теоретик и крупный общественный деятель. О нем часто говорят, как об ученом, «обвенчанном» с Вселенной, пытавшемся разгадать информацию «тайных послов» Вселенной. К «тайным послам» Вселенной относятся так называемые мировые константы, значения которых определяет физическое состояние мира, в котором мы живем. К этим константам относятся: постоянная Планка (квант-энергии), скорость света, заряд электрона, масса протона, гравитационная постоянная и некоторые другие. А. Эйнштейн признан выдающимся ученым ХХ столетия. Всемирную известность Эйнштейну принесла его теория относительности. По существу, теория относительности была необходимым этапом развитии теории единого физического поля, над которой он работал в последние годы своей жизни.

      В теории относительности выделяют специальную теорию относительности (СТО) и общую теорию относительности (ОТО). Специальная теория относительности была опубликована в 1905 году, а более сложная с точки зрения математического аппарата общая теория относительности была завершена Эйнштейном к 1916 году.

Принципиальная новизна СТО  состоит в том, что эта теория позволила найти новые физические решения ряда проблем классической науки, а именно связь вещества, массы, физического поля с энергией, пространством  и временем. Поиск устранения изъянов в СТО привел к созданию ОТО.

 

1. Специальная теория относительности

      Большинство парадоксальных и противоречащих интуитивным представлениям о мире эффектов, возникающих при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывается именно специальной теорией относительности. Самый известный из них — эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него в руках.

     Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения — напротив, сжимается. Этот эффект, известный как сокращение Лоренца—Фицджеральда, был описан в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом и дополнен в 1892 году нидерландцем Хендриком Лоренцем. Сокращение Лоренца—Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона—Морли по определению скорости движения Земли в космическом пространстве посредством замеров «эфирного ветра» дал отрицательный результат. Позже Эйнштейн включил эти уравнения в специальную теорию относительности и дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела также увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света.

      Со времени Эйнштейна все эти предсказания, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались, находят полное и прямое экспериментальное подтверждение. В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами. Выяснилось, что часы на самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так можно выразиться, когда речь идет о долях секунды). Последние полвека ученые исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц — иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона.

      Специальная теория относительности, хотя внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если ее применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, специальная теория относительности не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет.

     Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом. В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчета. Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в общей теории относительности.

 

2. Общая теория относительности

     Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации.

     Общая теория относительности делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга — как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже во мнении о том, произошли ли два события одновременно — или одно предшествовало другому.

       Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. Общая теория относительности, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе. Согласно этой теории, гравитация — это следствие деформации («искривления») упругой ткани пространства-времени под воздействием массы (при этом, чем тяжелее тело, например Солнце, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле). Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром — Солнцем. А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле является, по сути чисто внешнем проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании. На сегодняшний день лучшего объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не найдено.

     Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее, несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

     На самом деле результаты, которые предсказывает общая теория относительности, заметно отличаются от результатов, предсказанных законами Ньютона, только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это значит, что для полноценной проверки общей теории относительности нужны либо сверхточные измерения очень массивных объектов, либо черные дыры, к которым никакие наши привычные интуитивные представления неприменимы. Так что разработка новых экспериментальных методов проверки теории относительности остается одной из важнейших задач экспериментальной физики. 

Заключение

В основе специальной теории относительности лежат два принципа или постулата:

1. Все физические  законы должны выглядеть одинаковыми  во всех инерциальных системах  отсчета. 

2. Скорость  света в вакууме не изменяется  при изменении состояния движения  источника света. 

Но они не объясняют, почему должно происходить именно таким образом, а не иначе. Однако построенная на их принятии теория позволяет точно описывать события, происходящие в мире.

Следствия, вытекающие совместно из двух принципов  СТО:

1. В мире  нет одновременных событий. 

2. Нельзя  рассматривать пространство и  время как независимые друг  от друга свойства физического  мира.

3. Преобразования  Лоренца имеют физический смысл. 

Пространство и время, по СТО, взаимосвязаны между собою и являются не абсолютными, а относительными: скорость хода часов зависит от места их положения в пространстве, место положения в пространстве влияет на скорость хода часов.

Недостатки  СТО:

1. В ней  речь идет только об инерциальных  системах отсчета. Но большинство  систем отсчета являются в  реальной жизни неинерциальными  (изменяется ускорение и скорость  со временем).

2. В ней  не учитывается действие силы  гравитации на свет.

Общая теория относительности также основывается на двух принципах или постулатах:

1. Принцип  относительности. 

2. Принцип  эквивалентности тяжелой и инертной  масс тела.

Следствия ОТО:

1. Свет в  искривленном пространстве-времени  не может распространяться с  одной и той же скоростью,  как требовала СТО. Вблизи источника  силы тяготения он распространяется  медленнее, чем вдали от него.

2. Ход часов  замедляется при приближении  к источнику гравитации.

3. В структуре  пространство — время — энергия  (вещество, поле, излучение) возможны  образования, структуры, где сила  гравитации, представленная соответствующей  величиной тензора кривизны, настолько  сильна, что из этой структуры,  как своеобразной «черной дыры»,  не может вырваться энергия  в виде света, поля и вещества.

Создав  ОТО, А. Эйнштейн указал на три явления, объяснения которых его теорией  и теорией Ньютона давали разные результаты: это поворот плоскости  орбиты Меркурия, отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца, и  красное смещение спектральных линий  света, излучаемого с поверхности  массивных тел. Эффект поворота плоскости  орбиты Меркурия был открыт еще астрономом Леверрье (1811 — 1877). Теория Ньютона не давала объяснения этому явлению. Речь идет о повороте плоскости орбиты Меркурия вокруг большой оси эллипса, по которому Меркурий движется вокруг Солнца.

Согласно  ОТО А. Эйнштейна планеты, завершая полный оборот вокруг Солнца, не могут  возвращаться в то же самое место, а сдвигаются несколько вперед и  их орбиты поворачиваются медленно в  своей плоскости. Этот эффект был  предсказан А. Эйнштейном. Проверка вычислений точно совпала с предсказаниями ОТО.

 

Литература

 

1.  Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. - М.: ЮКЭЯ, 2008.

2.  Канке В. А. Концепции современного естествознания. М: Логос, 2004.

3.  Концепции современного естествознания: учеб. / под ред. профессоров В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. М, 2008.