Теория относительности Эйнштейна

Работа прошла проверку. Принята. ...

Содержание

1) Физическая картина мира в конце ХIX века.
2) Альберт Эйнштейн. Принципы и значение СТО.
3) Общая теория относительности.
4) Заключение.
5) Использованная литература.

по тексту

Второй постулат утверждает, что скорость света постоянна и не зависит от скорости источника. Это противоречит механике, а именно закону сложения скоростей. Из второго постулата следует, что скорость света относительна, то есть неодинакова в разных инерциальных системах. Из этого следует, что и расстояния относительны, так как если скорость прохождения одинакова, а время прохождения в разных системах разное, то и расстояния не должны совпадать. Надо отметить, что сама СТО не привязана конкретно к свету. Просто она вводит понятие предельной, фундаментальной скорости и численно скорость света равна предельной скорости, то есть уравнения СТО можно распространять на все виды физических взаимодействий, известных поныне.
На основе постулатов СТО были сформулированы правила, по которым можно определить время движения тела и изменения его координат. Эти правила сводятся к применению преобразований Лоренца (сам физик Лоренц, надо сказать, до конца жизни не признавал СТО и всячески был против звания «отца теории относительности»). Они следующие
Отношение скорости к предельной скорости (v2/c2) получило название поправки Лоренца. Например, чтобы точно вычислить время, пройденное телом, надо подставить скорость тела в формулу. Поправка будет очень маленькой, но она позволит вычислить истинное время. Если же тело движется с околосветовой скоростью, то поправка будет уже значительной. Если тело покоится, то оно же и движется со скоростью света, а значит мы ничего и не почувствуем и не зафиксируем. При скоростях значительно меньших скорости света преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея.
Данный предельный переход отражает принцип соответствия, когда общая теория сводится к частной. В данном случае СТО сводится к классической механике Ньютона.
Закон сложения скоростей в СТО выглядит следующим образом: w = w1+v∕(1+ w1v/c2), где w1- скорость относительно движения.
Теория вводит и такое важное понятие, как интервал между событиями. Интервалом называют величину Δs2=c2Δt2-Δx2-Δy2-Δz2, где Δ- есть разница времен и координат событий. По своей форме выражение для интервала пространственно- временных событий напоминает формулу расстояния в Евклидовом пространстве. Однако имеет различный знак у пространственных и временных составляющих. Данная метрика получила название пространства-времени Минковского. Математик Минковский был одним из преподавателей Эйнштейна в технической школе. Таким образом, Альберт Эйнштейн объединил трехмерное пространство со временем в единое четырехмерное пространство, столь непривычное для обычного человека.
Геометрическую интерпретацию пространства-времени крайне сложно изобразить и ее обычно рассматривают аналитически, используя тензорный анализ (тензор есть расширенная форма обычного вектора).
Следствием преобразований Лоренца стало такое парадоксальное явление как замедление времени. Интервалы времени связаны в соответствии с формулой Δt1= Δt√(1- v2/c2). Надо отметить, что интервал измеряется одними движущимися часами. В связи с этим движущиеся часы идут медленнее неподвижных! И чем больше скорость, тем медленнее движутся часы! С этим связан широко известный парадокс близнецов.
Суть парадокса заключается в том, что если один из двух братьев-близнецов полетит в космос на длительное время, а затем вернется, то его часы покажут меньший временной интервал, нежели у брата, который остался на Земле. Очевидно, что брат на Земле может состариться заметно больше брата-космонавта. Противники СТО тут указывали на то, что их часы должны показывать одинаковое время, так как все инерциальные системы равноправны. Это, по мнению противников, опровергает саму СТО. Однако сам факт строго научно еще необходимо проверить, что пока технически невозможно, так как нужны скорости близкие к скорости света. Сам Эйнштейн в 1918 году опровергал парадокс близнецов исходя уже из общей теории относительности. В любом случае, до сих пор парадокс близнецов вызывает жаркие споры в научной и околонаучной среде. Писатели-фантасты написали немало произведений, в центре сюжета которых именно парадокс близнецов.
Важным выводом из теории стала относительность одновременности, когда два события происходят в одной движущейся системе в один момент, но в разных местах системы. Если наблюдать за событиями из неподвижной системы, то для наблюдателя события не будут одновременными и одно станет первым, а другое вторым. По этой причине невозможно синхронизировать часы во всем пространстве в различных инерциальных системах.
Еще одним следствием Лоренцевых преобразований является сокращение размеров тела при движении. Относительно неподвижной системы движущееся тело будет иметь следующие размеры L=L0√(1- v2/c2), то есть сокращаться в длине, то есть уменьшаются размеры вдоль, но не поперечные размеры. Такое сокращение размеров называют Лоренцевым сокращением. Необходимо учитывать время распространения сигнала от тела. В результате быстрого движения тело должно выглядеть повернутым, но не сжатым в направлении своего движения.
Перечисленные явления носят названия релятивистских. И наблюдаются при скоростях, близких к скорости света, так называемых релятивистских скоростях.
Эйнштейн также вывел формулу энергии покоя любого тела. По форме ее впервые вывел за пятьдесят лет до него русский физик Умнов, но он сделал это для своих узконаучных целей, подразумевая совершенно другие выводы. Эта формула стала легендарной: E=m0c2 при условии, что тело покоится. Таким образом, уже сам факт существования тела подразумевает наличие у него энергии. При движении тела формула меняется на E=mc2 /(√(1- v2/c2). Масса частицы не зависит от скорости. Более того, масса релятивистская не является суммой масс частей в нее входящей, в отличии от классической массы у Ньютона. Между релятивистской энергией и импульсом существуют следующие связи:
При движении со скоростью света все формулы остаются справедливыми, но масса покоя таких объектов равна нулю, как, например, у фотона или нейтрино.
Какого-то конкретного подтверждения СТО на уровне эксперимента нет. В этом и нет необходимости. Релятивистские расчеты лежат в основе многих разделов физики. В частности энергия ядерного взрыва хорошо описывается эффектом дефекта масс, когда релятивистская масса не тождественна суммарной массе частей, о чем написано выше. Вся ядерная физика основана на СТО. Релятивистское замедление времени постоянно наблюдается в ускорителях элементарных частиц и является привычным явлением. Независимость скорости света от скорости источника была многократно подтверждена в десятках экспериментов. Наблюдение двойных звезд также подтверждает СТО. Проблемы с организацией какого-то общего эксперимента заключаются в том, что инерциальную систему непросто найти или создать искусственно. Да, к таким системам относятся покоящиеся системы, но для опыта нужна также и движущаяся инерциальная система. Самое главное, что для нужд человечества большее значение имеют неинерциальные системы.