Теория относительности А.Эйнштейна

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российская таможенная академия» 

Ростовский  филиал

Кафедра гуманитарных дисциплин

Реферат

по дисциплине «Концепции современного естествознания»»

на тему «Теория относительности А.Эйнштейна» 

Выполнила: студентка 1-го курса очной формы  обучения  факультета таможенного  дела группа 1.1 Каменская Я.А. 

Проверил:__________________

______________________

Оценка_____________________

Подпись _______________________

«25» октября 2010г. 
 

Ростов-на-Дону

2010 

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Принцип относительности – фундаментальный  физический закон, согласно которому любой  процесс протекает одинаково  в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояния движения или покоя определяются по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчета. Принцип относительности лежит в основе специальной теории относительности Эйнштейна.

     Инерциальная  система – понятие классической механики, первой фундаментальной физической теории, которая имеет высокий статус и в современной физике. Основы этой теории заложил И.Ньютон.

     «Всякое тело продолжает удерживаться в своем  состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние» – так Ньютон сформулировал закон, который сейчас называется первым законом механики Ньютона, или законом инерции.

     Система отсчета, в которой справедлив закон  инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, – называется инерциальной. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная.

     Теория  относительности – физическая теория пространства и времени. В частной (специальной) теории относительности  рассматриваются только инерциальные системы отсчета. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от лат. «относительный») и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими).

     Существует  фактически две различных теории относительности, известных в физике, одна из них называется специальной (частной) теорией относительности, другая – общей теорией относительности. Альберт Эйнштейн предложил первую из них в 1905 г., вторую – в 1916 г. Принимая во внимание, что специальная теория относительности связана, в первую очередь, с электрическими и магнитными явлениями и с их распространением в пространстве и времени, общая теория относительности была разработана, прежде всего, чтобы иметь дело с тяготением. Обе теории сосредотачиваются на новых подходах к пространству и времени, подходах, которые отличаются глубоко от тех, которые используются в каждодневной жизни; но релятивистские понятия пространства и времени неразрывно вплетаются в любую современную интерпретацию физических явлений в пределах от атома до вселенной в целом.

     Рассмотрим  последовательное развитие этих теорий.

1. Предпосылки создания  теории относительности  А.Эйнштейна

1.1. Относительность  движения по Галилею

     Важную  роль в создании научной картины  мира сыграл принцип относительности одного из основоположников современного естествознания Галилея – принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета в классической механике, который утверждает, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-то инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

     Математически принцип относительности Галилея  выражает инвариантность уравнений  механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразований Галилея.

     Впервые положение об относительности механического  движения было высказано Галилео  Галилеем в 1638 г. в его труде «Диалог  о двух основных системах мира –  птоломеевой и коперниковой». Там же сформулирован один из фундаментальных принципов физики – принцип относительности. Галилей использовал наглядный и образный метод изложения. Он писал, что находясь «в помещении под палубой корабля» и проводя опыты и наблюдения над всем, что там происходит, нельзя определить, покоится ли корабль, или же он движется «без толчков», то есть равномерно и прямолинейно. При этом подчеркивались два положения, составляющие суть принципа относительности:

     1) движение относительно: по отношению  к наблюдателю «в помещении под палубой» и к тому, кто смотрит с берега, движение выглядит по-разному;

     2) физические законы, управляющие  движением тел в этом помещении,  не зависят от того, как движется  корабль (если только это движение  равномерно). Иначе говоря, никакие  опыты в «закрытой кабине» не позволяют определить, покоится кабина или движется равномерно и прямолинейно.

     Таким образом, Галилей сделал вывод, что  механическое движение относительно, а законы, которые его определяют, абсолютны, то есть безотносительны. Эти  положения коренным образом отличались от общепринятых в то время представлений Аристотеля о существовании «абсолютного покоя» и «абсолютного движения».

1.2. Принцип относительности  и законы Ньютона

     Принцип относительности Галилея органически  вошел в созданную И. Ньютоном классическую механику. Ее основу составляют три «аксиомы» – три знаменитых закона Ньютона. Уже первый из них, гласящий: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние», говорит об относительности движения и одновременно указывает на существование систем отсчета (они были названы инерциальными), в которых тела, не испытывающие внешних воздействий, движутся «по инерции», не ускоряясь и не замедляясь. Именно такие инерциальные системы имеются в виду и при формулировке двух остальных законов Ньютона. При переходе из одной инерциальной системы в другую меняются многие величины, характеризующие движение тел, например, их скорости или формы траектории движения, но законы движения, то есть соотношения, связывающие эти величины, остаются постоянными.

1.3. Преобразования Галилея

     Чтобы описывать механические движения, то есть изменение положения тел  в пространстве, Ньютон четко сформулировал представления о пространстве и времени. Пространство мыслилось как некий «фон», на котором развертывается движение материальных точек. Их положение можно определять, например, с помощью декартовых координат  x,  у,  z, зависящих от времени  t. При переходе из одной инерциальной системы отсчета  К в другую  К', движущуюся по отношению к первой вдоль оси  x со скоростью  v, координаты преобразуются:  x' = x - v×t, y' = у, z' = z, а время остается неизменным:  t' = t. Таким образом принимается, что время абсолютно. Эти формулы получили название преобразований Галилея.

     По  Ньютону, пространство выступает как  некая координатная сетка, на которую  не влияет материя и ее движение. Время в такой «геометрической» картине мира как бы отсчитывается некими абсолютными часами, ход которых ничто не может ни ускорить, ни замедлить.

1.4. Принцип относительности  в электродинамике

     Принцип относительности Галилея более  трехсот лет относили только к  механике, хотя в первой четверти 19 в., прежде всего благодаря трудам М.Фарадея, возникла теория электромагнитного поля, получившая затем дальнейшее развитие и математическую формулировку в работах Дж.К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику представлялся невозможным, так как считалось, что все пространство заполнено особой средой – эфиром, натяжения в котором и истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, так что в механике он «не чувствовался», но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В результате находящийся в закрытой кабине экспериментатор при помощи наблюдения над такими процессами мог, казалось, определить, находится ли его кабина в движении (абсолютном!), или же она покоится. В частности, ученые полагали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки обнаружить «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и концепция механического эфира была отвергнута, благодаря чему принцип относительности как бы родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике, и других областях физики.

1.5. Преобразования Лоренца

Подобно тому, как математической формулировкой  законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными:  x'= g(x-vt);  y'= y;  z'=z;  t'=g(t-vx/c²), где g = (1-v²/ c²)-1/2, а с – скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При  v£c они переходят в преобразования Галилея, но если  v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства – времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.

1.6. Преобразование физических  величин в релятивистской  теории

     В релятивистской теории пространственные расстояния и промежутки времени  не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в  другую, движущуюся относительно первой со скоростью v. Длины сокращаются (в направлении движения) в 1/g раз, и в такое же число раз «растягиваются» промежутки времени. Относительность одновременности – основная принципиально новая черта современной частной теории относительности.

 

2. Теория  относительности  А.Эйнштейна

     Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879-1955) – физик-теоретик, один из основателей современной  физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный член-корреспондент  РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907-16) теории относительности.

2.1. Частная (специальная)  теория относительности

     Наибольшую  известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

     1) все законы физики одинаково  применимы в любой инерциальной  системе отчета и не должны  меняться при преобразованиях Лоренца;

     2) свет всегда распространяется  в свободном пространстве с  одной и той же скоростью,  независимо от движения источника.

     Эйнштейн  выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что  скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.