Теория относительности Энштейна

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«Сибирская академия государственной службы»

Филиал ФГОУ ВПО СибАГС в г. Новокузнецке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

на тему: «Теория  относительности Эйнштейна»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                     Студент 

                                                                                    

             Группа

             Руководитель к.п.н., доцент

             Вячеслав Георгиевич Метелев

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новокузнецк 2010

Содержание:

 

Введение	3
1. Принцип относительности  и понятия пространства и времени в классическойё механике	5
2. Специальная теория  относительности и ее роль в науке	7
3. Понятие пространства  и времени в специальной теории относительности	10
4. Общая теория относительности  (ОТО)	13
Заключение	20
Список использованной литературы	23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теория  относительности теснейшим  образом связана с учением о пространстве и времени. С точки зрения современной науки, пространство и время – это всеобщие формы существования  материи, так как у каждого объекта мира имеются свои пространственно-временные характеристики. В истории науки шло постоянное изменение взглядов на эти понятия, этот вопрос рассматривали многие ученые: Демокрит в IV в до н. э. создал концепцию атомизма, согласно которой все тела состоят из атомов, которые различаются по форме и всегда находятся в движении; Эвклид в III в до н. э. высказал представление об однородном, плоском, бесконечном пространстве; Птолемей во II в н. э. описал геоцентрическую систему мира, согласно ей, центром мироздания является Земля, вокруг неё по особым орбитам вращаются планеты и Солнце; в XV в Коперник разработал гелиоцентрическую картину мира: центр системы – Солнце, вокруг неё вращаются планеты; в XVI в Бруно выдвинул идею бесконечности вселенной и множественности миров в ней; в XVII в Ан Кеплер создал небесную механику; в конце XVII в Г. Галилей и И. Ньютон создали классическую механику. К концу XIX в и к началу XX стали накапливаться факты, которые противоречили ранее принятой картине мира. Ньютон утверждал абсолютный характер пространства и времени, в начале XX в Эйнштейн доказал относительность всякого движения, а, следовательно, относительность пространства и времени.

В сентябре 1905 г. в немецком журнале  «Annalen der Physik» появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения специальной теории относительности (СТО), которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл преобразований Лоренца и, кроме того, содержала новый взгляд на пространство и время.

Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий в принципиальных основах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимо сохранить два первых утверждения (принцип постоянства скорости света и принцип относительности), но отказаться от преобразований Галилея. Эйнштейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроется определенное представление о пространственно-временных соотношениях, которое не соответствует реальным свойствам пространства и времени. До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел», в которой впервые были изложены основы теории относительности, Эйнштейн около 10 лет размышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, то есть к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Кроме того, Эйнштейн был убежден в инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще в 1896 г. у него «возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!» [5]. Таким образом, Эйнштейн пришел к принципу, согласно которому скорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальных системах. Одновременное действие этих двух принципов кажется невозможным. Налицо теоретический парадокс. Из данного парадокса Эйнштейн находит выход, анализируя понятие одновременности. Анализ подводит его к выводу об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключается суть всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени — основополагающих понятий всего естествознания.

Актуальность выбранной темы обусловлена  интересом ученых к понятиям пространства и времени и их характеристикам  во все времена. Цель реферата –  раскрыть представление А. Эйнштейна  о движении тел и пространственно-временных  характеристиках, описать суть специальной и общей теориях относительности (СТО и ОТО) и их роль в современной науке.

 

1. Принцип относительности и понятия пространства и времени в классической механике

Создание классической механики в конце XVII в присваивается Галилео Галилею и Исааку Ньютону. Классическая механика опирается на 3 закона динамики Ньютона (закон инерции, закон изменения количества движения пропорционально приложенной силе, закон равенства действия и противодействия) и закон Всемирного тяготения (универсальная сила действующая в мире – сила тяготения, она проявляется между любыми материальными телами и она прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними).

Впервые принцип относительности был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например, знакомая нам декартова система координат. На плоскости движение тела или материальной точки определяется двумя координатами: абсциссой х, показывающей расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси, и ординатой у, измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси. В пространстве к этим координатам добавляется третья координата z.

Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполняется принцип относительности.

Принцип относительности означает, что все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов. То есть, в таких системах законы движения тел описываются теми же самыми математическими уравнениями или формулами. Иллюстрируя этот принцип, Галилей приводил пример равномерного прямолинейного движения корабля, внутри которого все явления происходят также как на берегу.

Время и пространство Ньютон рассматривал как «вместилище  самих себя и всего существующего», время – порядок последовательности пространства, порядок положения.

Выдвинутая концепция  просуществовала до начала XX:

1. Пространство рассматривается бесконечным, плоским, в соответствие с геометрией Эвклида.
2. Время однородное и равномерно текущее, его можно остановить и даже повернуть вспять.
3. В качестве избранной системы координат выступают инерциальные системы (движущиеся прямолинейно и равномерно).
4. Создана теория дальнодействия, в качестве силы в которой выступает сила тяготения, распространяющаяся на бесконечное расстояние.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Специальная  теория относительности и ее роль в науке

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая  ход своих рассуждений, создатель  теории относительности Альберт Эйнштейн указывал на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относительности:

1. Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, 
   и, поэтому, можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.
2. Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы 
   проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе.

Например, в  системе отсчета, связанной с  движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в системе, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более показателен пример, когда рассматривается движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентировки Земли. Физической неравноценности различных направлений, не обнаружено. Однако здесь возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает выбор: либо отказаться от принципа постоянства скорости света, либо — от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно, что отказ от него был бы явно неоправданным. К тому же это привело бы к чрезмерному усложнению описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

В действительности, как показал А. Эйнштейн: закон распространения света и принцип относительности совместимы. И это положение составляет одну из основ специальной теории относительности.

Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась «на две ничем не оправданные гипотезы»:

1. Промежуток времени между двумя событиями не зависит от 
состояния движения тела отсчета.

2. Пространственное расстояние между двумя точками твердого 
   тела также не зависит от состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих гипотез, классическая механика предполагала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, то есть не зависят от состояния движения тела отсчета. Также считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. Но эти предположения не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности.

Чтобы лучше  разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования будут иметь вид преобразований Галилея. Если же преобразования должны удовлетворять также требованию постоянства скорости света, то они описываются преобразованием Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853—1928 гг.).

Опираясь  на преобразования Лоренца, легко проверить, что движущаяся твердая линейка будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется.

Для того чтобы  показать, что принцип относительности имеет общий характер, то есть законы электромагнитных процессов имеют одинаковую форму для инерциальных систем, Эйнштейну пришлось отказаться от галилеевских преобразований и принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительности возникла из электродинамики и значительно упростила вывод законов и уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе. Однако, чтобы стать согласованной с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину, и ими можно пренебречь.