Основные идеи, понятия и принципы специальной теории относительности

На тему: Основные идеи, понятия и принципы специальной теории относительности

Содержание

Ведение                                                                                                             3

Переход от электромагнитной теории Максвелла к специальной

 теории относительности Эйнштейна                                                            4

Принцип относительности  А. Эйнштейна                                                    9

Заключение                                                                                                    15

Список используемой литературы                                                               16

Введение

Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как  реальной

среде, являющейся носителем определенных сил. Но с возникновением  волновой  теории  света  формировалась  совершенно  новая парадигма физического исследования  —  полевая  концепция  в  физике.  Здесь особая заслуга принадлежит великому английскому физику М. Фарадею.  Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный  авторитет  и  славу.  Однако  к  его  теоретическим взглядам современники  в  лучшем  случае  оставались  безразличными. 

Первым обратил  на  них  серьезное  внимание  Дж.К.Максвелл. Работы  Максвелла привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнитного  поля, которое  не  совместимо  с  материальными  точками  и  вещественной   массой классической  физики.  Вместо  принципа дальнодействия она выдвинула  и  обосновала  прямо  противоположный  принцип близкодействия, согласно которому силовое действие  передается  от  точки  к точке.

С конца XIX - начала XX века ученые приступили к изучению качественно новых объектов в сравнении с классической физикой,  и  на  этой  основе  был получен целый ряд принципиально новых результатов,  позволивших  дать  новое истолкование некоторым базисным  понятиям.       Первое и  самое мощное  влияние  на  перестройку научной картины мира оказала теория  относительности  выдающегося  физика-теоретика  XX  столетия Альберта Эйнштейна (1879-1955).

Переход от электромагнитной теории Максвелла к специальной теории относительности Эйнштейна

В теории  относительности Эйнштейна большую роль  играет принцип относительности движения в формулировке Ньютона. Впервые этот принцип ввел Галилей, с учетом идей Декарта  Ньютон  уточнил  и  расширил  формулировку  Галилея.  В частности, в качестве систем отсчета он брал не тела,  а  декартову  систему координат. [8]

Принцип относительности  Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки  зрения механики совершенно равноправны  (эквивалентны). Переход от одной  ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея (см. рис.1).

Рисунок 1

Пусть имеется ИСО XYZ, относительно ее вдоль оси движется равномерно со скоростью V₀ система X’Y’Z’. Пусть в момент t = 0 начала координат О и О’ совпадают. Тогда координаты т. М в этих двух системах в некоторый момент времени t будут связаны соотношениями:

Время везде  течет одинаково, т.е. t = t', масса тел  остается неизменной, т.е. m =  m'.  Для  скоростей: 

Если время  и скорости одинаковы и V₀  - величина поcтоянная (из условия), то a_x = a'_x, и, следовательно, силы в обеих системах одинаковы (ma_x = ma_x), значит, что все механические явления в ИСО протекают одинаково. Принцип относительности движения означает, что во  всех  инерциальных системах  отсчета  механические  процессы  инвариантны.  Иначе  говоря,  два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что  в  их системах физические процессы протекают одинаково. Это  означает  также,  что переход от одной инерциальной системы отсчета  к  другой  осуществляется  по правилам галилеевых преобразований, рассмотренных  выше.  И  наоборот,  если при  переходе  от  одной  системы отсчета к другой   правила  галилеевых преобразований не выполняются, то  и  принцип  относительности  движения  не выполняется, поэтому такие системы отсчета  не  будут  инерциальными.  Таким смыслом наполнен принцип относительности движения в классической механике. [5]

Физики-теоретики  того времени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и логически  упорядочить электродинамику Максвелла.  В  итоге  таких  усилий  возникли  новые  теории специальная и общая теория относительности Эйнштейна.

Теории электромагнитного  поля Максвелла были присущи два  недостатка:

1.Она  не  совмещалась  с   принципом   относительности   движения классической  физики,  поскольку  ее  уравнения  оказались   неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это был существенный  изъян,  поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая  теория  не опровергает его.

2.Полевая картина  физической  реальности   Максвелла  оказалась теоретически  неполной  и  логически  противоречивой,  так   как   трактовка электрического поля и электрически заряженных  частиц  (носителей  поля)  не была увязана  концептуально.  Эйнштейн  отмечал:  теория  Максвелла  хотя  и правильно описывает поведение электрически заряженных  частиц,  но  не  дает теории этих частиц. Следовательно, они должны  рассматриваться  на  основе классической механики как материальные точки, расположенные  в  пространстве дискретно, что противоречит понятию поля.  Последовательная  полевая  теория требует непрерывности всех элементов теории. [5]

Объектом изучения в классической механике были или  материальные  точки,  или точки  пространства,   или   моменты   времени.   Он   отвергает   все   эти разделительные «или».Объектом теории относительности выступают  «физические  события»  как целостные  объекты,  в  которых  объединены   понятия   материи,   движения, пространства, времени. Физической реальностью,  отмечал Эйнштейн,  обладают не  точки  пространства  и  не  моменты  времени,  а  только  сами  события, определенные четырьмя числами х, у, z, t. «Законы  природы  примут  наиболее удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как  законы  в четырехмерном пространственно-временном континууме» [9].

Остановимся  теперь  на  рассмотрении  первого   недостатка.   Анализ показал,  что  уравнения  Максвелла  неинвариантны  относительно  галилеевых преобразований. Это значит, что при переходе от одной инерциальной  системы отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это  равносильно  тому, что  в  разных  системах  отсчета  один  и   тот   же   физический   процесс осуществлялся по разным законам, что  противоречит  науке.  Как  же  уберечь теорию Максвелла от этого недостатка?

В  1890  году  Г.  Герц  искусственно  подобрал  систему   уравнений, инвариантных  относительно  галилеевых  преобразований,  которые  в  частном случае покоящегося тела обращаются в уравнения Максвелла.  Однако  уравнения Герца противоречили опытно установленному постоянству  скорости  света  (300 000 км/с).

Еще  один   вариант   переработки   уравнений   Максвола   предпринял голландский  физик-теоретик  Г.Лоренц,  но   и   его   уравнения  оказались неинвариантными относительно галилеевых преобразований.

И тогда поскольку  не  удалось  переформулировать уравнения  Максвелла  так,  чтобы  они  стали   инвариантными   относительно галилеевых преобразований, то Лоренц предпринял  обратный  ход:  решил  сами правила галилеевых преобразований  видоизменить. Он  предложил преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, носящие его имя и являющиеся основой специальной (частной) теории относительности:

где v - скорость объекта. При v << с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, но если скорость v сопоставима со скоростью света с, то:

а) события, которые происходят  одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой; причем физические процессы в теел, движущимся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы, протекают в раз медленнее, чем в данной инерциальной системе отсчета; также происходит сокращение продольных — в направлении движения размеров тел ( во столькоже раз);

б) при переходе из одной  системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v, длинны сокращаются ( в направлении движения в  раз и в такоеже число раз « растягиваются» промежутки времени.

Позднее А. Эйнштейн показал, что в преобразованиях Лоренца  отражаются не реальные изменения размеров тел при движении, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время.

Таким образом, Лоренц искусственно получил новые правила перехода  от  одной инерциальной системы к другой.  При этом  уравнения Максвелла  оказываются  инвариантными в любых  инерциальных  системах  отсчета.  Поскольку эти правила получены искусственно,  то  сам  Лоренц  отказывался придавать им физический смысл.  Над  ним  довлели  представления классической физики о неизменности пространства и времени. [1]

Иначе  подошел  к  этому  вопросу  А.  Эйнштейн.  За  фактом  хорошей согласованности лоренцевых преобразований  с  теорией  Максвелла  он  угадал реальный физический смысл самих  преобразований.  Для  этого  он  предпринял попытку дедуктивного построения теории, которая бы наполнила  преобразования Лоренца  физическим  смыслом.  Иначе  говоря,  он  задался целью   углубить понимание  принципа  относительности  путем  его  развертывания   в   теорию относительности.

 Принцип относительности А. Эйнштейна

В 1905 г. Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника. Принцип относительности Эйнштейна является расширением принципа относительности Г. Галилея на любые физические явления (механические, оптические, тепловые и др.), которые, согласно этому принципу, протекают одинаково (при одинаковых условиях) во всех инерциальных системах отсчета. Любая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной системы отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, также является инерциальной системой отсчета.

При этом все  инерциальные системы отсчета равноправны, т.е. во всех таких системах законы физики одинаковы. Заметим, что французский  ученый А. Пуанкаре в 1905 г. (опубликовано в 1906 г.) независимо от Эйнштейна также развил математические следствия «постулата относительности». Эйнштейн так иллюстрировал замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной. Пусть мимо железнодорожной платформы движется поезд со скоростью, близкой к скорости света (рис. 2).

Рисунок 2

В точке А₁ на платформе находится наблюдатель N₁. На полу вагона в точке А размещен фонарик. Когда происходит совмещение точки А в вагоне с точкой А₁ на платформе, фонарик включается и появляется луч света. Так как скорость его конечная, хотя и большая, то луч достигнет потолка вагона, где расположено зеркало, и отразится за определенное время, за которое поезд уйдет вперед. Для наблюдателя в вагоне луч света пройдет путь 2АВ, а для наблюдателя на платформе -2АС. Ясно, что чем больше скорость поезда, тем длиннее линия АС. Очевидно, что 2АС > 2AB. Это как раз и говорит о замедлении течения времени внутри движущейся системы по отношению к неподвижной. Необходимо подчеркнуть, что отрезки длин и промежутки времени изменяются в отношении определенных пространственных координат. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как при отлете.

В механике Ньютона  «истинный, или стандартный, процесс  течения абсолютного времени не подвержен никаким изменениям» и не зависит « от того, быстры движения или медленны или их нет вообще». Считалось, что такие понятия, как «момент времени», «раньше», «позже», «одновременность», имеют сами по себе смысл, правомерный для всей Вселенной, и два каких-нибудь события, одновременные для одной системы, одновременны и во всех других системах. С точки зрения же теории относительности Эйнштейна нет такого понятия, как абсолютная одновременность, как нет абсолютного времени. Вместо нее выходит на сцену относительная одновременность событий, существующая лишь для какого-то конкретного, определенным образом движущегося наблюдателя.

Время в теории относительности необратимо. Отсюда следует широко известный парадокс близнецов: после путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он увидит, что его брат стал старше его. Приведем еще один парадокс. Представим, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Согласно теории относительности, по часам корабля этот полет продолжался бы один год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын повстречается с 26-летним отцом. Следует заметить, что физиологические процессы здесь абсолютно ни при чем. Нельзя сказать, что за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Дело в том, что в соответствии с теорией относительности не существует абсолютного времени и пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, а в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

В пользу релятивистского  замедления говорит следующий экспериментальный факт. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами или пионами. Время жизни пионов 10-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше 300 см. Но приборы их регистрируют, т.е. они проходят путь, равный 30 км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт так: 10^-8 с является естественным временем жизни пиона, измеренным по часам, движущимся вместе с пионом, т.е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше, и за это время он в состоянии пройти земную атмосферу. Требование неизменности вида основных уравнений физики во всех инерциальных системах отсчета применительно к уравнениям классической механики приводит к необходимости их модификации, сводящейся к замене массы тела т₀ (так называемой массы покоя) на  , причем т неограниченно возрастает по мере приближения скорости объекта v к скорости света с. Поскольку масса является мерой инерции, последнее утверждение означает, что, даже непрерывно подталкивая тело (частицу), невозможно сообщить ему (ей) скорость, большую или равную скорости света с. При таких скоростях, которые называют релятивистскими, зависимость энергии E тела от его скорости v описывается не формулой классической механики E_кин=mv²/2, а релятивистской формулой , где т — масса покоя. Из формулы следует, что энергия тела стремится к бесконечности при скоростях, стремящихся к скоростям света, поэтому, если масса покоя не равна нулю, скорость тела всегда меньше с, хотя она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, например, в опытах на ускорителях заряженных частиц, где они движутся со скоростью, практически равной скорости света. Со скоростью света движутся частицы с нулевой массой покоя (фотоны и, возможно, нейтрино). Скорость света является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки в другую.

Из уравнений  релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: Е=тс² - соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие массы у покоящейся частицы говорит о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых количество и сорт частиц могут изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. Так, в атомных ядрах благодаря энергии притяжения частиц общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы).

Для описания физических явлений в мегамире широко используют специальную (частную) и общую теории относительности. Эти теории позволяют говорить о физических процессах как о свойствах пространства-времени. Согласно общей теории относительности, которая получила завершенную форму в 1915 г. в работах А. Эйнштейна, свойства пространства-времени определяются действующими в ней полями тяготения. Для общей теории относительности, именуемой также общей теорией тяготения, важен принцип эквивалентности, в соответствии с которым локально неразличимы силы тяготения и силы инерции, возникающие при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория тяготения (общая теория относительности) описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени, а эти свойства влияют на движение материи и на другие свойства вещества. По общей теории относительности, истинное гравитационное поле есть проявление искривления четырехмерного пространства-времени. Основной идеей теории является утверждение о том, что все тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени, которое искривлено, и, следовательно, геодезические линии не прямые. Из этого вытекает, что тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного поля и всех других полей.  
       В специальной теории относительности, основы которой были разработаны Эйнштейном в 1905 г., изучаются свойства пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения. Таким образом, специальная теория относительности представляет собой частный случай общей теории относительности. Теория относительности опирается на геометрию четырехмерного пространства-времени Г. Минковского, который ввел в 1907-1908 гг. понятие о том, что событие задается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Геометрия пространства-времени Минковского позволяет наглядно интерпретировать кинематические эффекты специальной теории относительности. Явления, описываемые теорией относительности, называют релятивистскими (от лат. relativus - относительный), так как они проявляют себя при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме с.[1]

Заключение

Теория относительности явилась 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, т.е. считалось движением абсолютным, то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено, что:

• всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат;
• 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;
• специальная теория относительности показала, что ковариантность, или 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;
• при обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

В специальной теории относительности абстрагируются от действия гравитационных полей, и поэтому ее выводы оказываются применимыми лишь для невеликих участков пространства-времени.

Список используемой литературы

  1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов / В.П.Бондарев. — М.: Альфа-М, 2003. —464 с.

  2.Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2001.  – 208с.

3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Структурный курс основ естествознания / Д.И.Грядовой. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 239 с.

4. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с.

5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.– Новосибирск: Изд–во ЮКЭА, 1997.–832с

6. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов/под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008. – 319 с.

7. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. – М.: ТК Велби, Издательство Проспект, 2006. – 264 с.

8. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М.  Концепции современного естествознания. – СПб.: Союз, 2000. – 320с.

9. Пахомов Б. Я. Становление современной физической картины мира. – М.: Мысль, 1985. – 270с.

10.Эйнштейн А. Эволюция физики / А.Эйнштейн. — Изд. 2-е, исп. — М.: Тайдекс Ко, 2003. – 423с.