Теория относительности Энштейна

Очевидно, что  по отношению к неинерциальной системе отсчета движение тела описывается иначе, в чем мы можем убедиться, если сидим в вагоне поезда, который начинает тормозить. В этом случае мы почувствуем толчок вперед, означающий, что в движении возникает торможение, или ускорение с отрицательным знаком. Там же, где появляется ускорение, возникает и соответствующее ему поле тяготения. В отличие от других полей, например электромагнитных, поле тяготения обладает одним замечательным свойством: все находящиеся в нем тела испытывают ускорение, не зависящее ни от материала, ни от их физического состояния. Поэтому кусок свинца и равный ему по массе кусок дерева ведут себя в таком поле совершенно одинаково: они падают на Землю вблизи ее поверхности с тем же самым ускорением, равным 9,81 м/с².

«Итак,  с точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой) кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. Можно сказать больше: поле  тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального евклидова пространства. Величина поля тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. Таким образом, движение материальной точки в поле тяготения можно рассматривать как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искривленного пространства» [1].

 

Поскольку по отношению к разным системам отсчета  механические движения происходят по-разному, возникает естественный вопрос: как будет двигаться световой луч в разных системах? Мы уже знаем, что в инерциальной, или галилеевой, системе отсчета свет распространяется по прямой линии, с постоянной скоростью с = 300 000 км/сек. Относительно системы отсчета, имеющей ускоренное движение, световой луч не будет двигаться прямолинейно, ибо в этом случае он будет находиться в поле тяготения. Следовательно, в поле тяготения световые лучи распространяются криволинейно. Точнее говоря, в таком поле они распространяются по кратчайшим расстояниям между двумя точками. Этот результат имеет важнейшее значение для проверки и обоснования общей теории относительности. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить ее экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, обладающего огромной массой в сравнении с массой Земли, то его искривление можно измерить. Впервые такие измерения были сделаны во время полного солнечного затмения в 1919 г., и они полностью подтвердили предсказание общей теории относительности.

Искривление светового луча в поле тяготения  свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной, а изменяется от одного места к другому.

Отсюда некоторые  ученые сделали вывод, что общая  теория относительности отвергает специальную теорию, где скорость света считается постоянной величиной. Автор обеих теорий — Альберт Эйнштейн считает такой вывод совершенно необоснованным. На самом деле из этого сопоставления можно только заключить, что специальная теория относительности не может претендовать на безграничную область применения: результаты ее имеют силу до тех пор, пока можно пренебрегать влиянием полей тяготения на явления (например, световые).

Кроме такого решающего эксперимента выводы общей  теории относительности подтверждаются другими фактами, которые были известны до появления этой теории. Было известно, например, что эллипс, по которому обращается ближайшая к Солнцу планета Меркурий, медленно вращается относительно системы координат, связанной с Солнцем. Полный оборот, как предсказывает общая теория относительности, происходит в течение трех миллионов лет. Этот эффект, как бы он не был незначителен, объясняется действием поля тяготения Солнца. Чем дальше находится планета от Солнца, тем меньше сказывается его действие на планету и тем труднее обнаружить этот эффект.

Наконец, отметим  еще действие сильных полей тяготения  на ритм часов, вследствие чего, например, ритм часов, помещенных вблизи поля тяготения Солнца, сильно отличался бы от ритма часов, находящихся в поле тяготения Земли. Все эти факты служат косвенным подтверждением правильности общей теории относительности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время, как формы существования материи, изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними следует начать с теории пространства-времени в том виде, как она представлена в современной физике. Предварительно, однако, необходимо напомнить некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея.

Теория относительности  была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше пространство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение — независимо от систем отсчета (то есть считалось движением абсолютным), то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено:

1. Всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат.

2. Пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат.

3. Специальная теория относительности показала, что одинаковость формы законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но 
   только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.
4. При обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется 
   постоянство скорости света, которое никак не учитывается 
   в механике.

Общая теория относительности отказывается от такого ограничения, так же как и от требования рассматривать лишь инерциальные системы отсчета, как это делает специальная теория. Благодаря такому глубокому обобщению она приходит к выводу: все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.

Наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Именно благодаря воздействию тел с большими массами происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое такими телами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира.

В специальной  теории относительности абстрагируются от действия гравитационных полей, и поэтому ее выводы оказываются применимыми лишь для небольших участков пространства-времени. Важнейший вывод теории относительности о физической эквивалентности массы и энергии Е = тс² может навести на мысль, что вещество представляет собой огромную концентрацию энергии. Понятие же энергии служит характеристикой поля.

Концепцию относительности, лежащую в основе общей и специальной физической теории, не следует смешивать с принципом относительности наших знаний, в том числе и в физике. Первая концепция касается движения физических тел по отношению к разным системам отсчета, то есть характеризует процессы, происходящие в объективном, материальном мире. Вторая — относится к росту и развитию нашего знания, то есть касается мира субъективного, характеризуя процессы изменения наших представлений об объективном мире.

В классической механике был сформулирован принцип физической относительности, который заключался в том, что все механические процессы во всех инерциальных системах происходят одинаково. Эйнштейн же сформулировал обобщенный физический принцип относительности: все физические явления происходят одинаково относительно любых инерциальных систем.

До XX в считалось, что одновременность является абсолютным событием, которое не зависит от наблюдателя. В своей теории относительности Эйнштейн доказал, что время в движущейся системе отсчета протекает медленнее относительно течения времени в неподвижной системе отсчета.

Такие физические величины, как протяженность, время и масса, в теории относительности утратили свой статус абсолютности. Эйнштейн в  качестве величины, которая имеет  статус постоянной, оставил лишь силу (например, сила тяготения). Общая теория относительности содержит геометрическое толкование явления тяготения. Эйнштейн утверждал, что сила тяжести эквивалента равна искривлению неевклидова пространства. То есть объект, движущийся в пространстве и попавший в поле тяжести, изменяет траекторию своего движения. В теории относительности Альберта Эйнштейна пространство и время имеют физические характеристики, следовательно, они являются частью мира физических процессов.

В реферате было рассмотрено  представление о пространственно-временных характеристиках различных ученых, возникновение противоречий между представлениями классической механики и накопленного опыта в конце XIX в, в связи с чем и была разработана теория относительности Эйнштейна. Раскрыт смысл СТО и ОТО, описаны основные положения, приведены примеры и доказательства теорий.

 

Список  использованной литературы

1.  Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. - М.: Гардарики, 2001. С. 138 – 144.

2. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Курс лекций. - М.: Проект, 2004, 254 с.

3. Скопин А. Ю. Концепции современного естествознания: учеб. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2004. С. 56 – 62.

4. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965. С. 176.

5. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. М., 1967. Т. IV. С. 350—351, 354.