Принцип относительности А. Эйнштейна

                                                             Содержание

Введение………………………………………………………………………3

Биография Альберта Эйнштейна……………………………………………..4

Рождение теории относительности…………………………………………………7 

Принцип относительности  Эйнштейна………………………………………………………...8

Теория относительности…………………………………………………………………………….…8

Эйнштейновское понятие  одновременности…………………………...9

Преобразования Лоренца…………………………………………………………….11

Зависимость массы  тела от скорости…………………………………………….12

Закон взаимосвязи  массы и энергии……………………………………………..14

  Заключение……………………………………………………………………………………….16

 Список использованной  литературы ……………………………………………………………….17 

                          Биография Альберта Эйнштейна (1879-1955)

Альберт Эйнштейн - один из величайших мыслителей всех времён.

  Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в баварском  городе Ульме. Его отец Герман Эйнштейн был владельцем магазина электротехнических товаров. Вскоре после рождения Альберта семья переехала в столицу  Баварии - Мюнхен. В этом городе он поступил в гимназию. В то время в немецких учебных заведениях царили зубрёжка и принудительное натаскивание.

    Однако из Эйнштейна сделать послушное «стадное животное» было невозможно. Он с жадностью читал научно-популярную литературу, по-своему осмысливая явления общественной жизни: «Следствием этого было моё прямо-таки фанатическое свободомыслие, соединённое с выводами, что государство умышленно обманывает молодёжь; это был потрясающий вывод». Не меньше, чем теория относительности, известен афоризм Эйнштейна: «Лишь немногие в состоянии спокойно высказывать мнения, расходящиеся с предрассудками окружающей среды; большинство же людей вообще неспособно прийти к такому рода мнениям».

Как-то в  гимназии к Альберту подошёл классный наставник и сказал:

«Мне хотелось бы, чтобы Вы покинули нашу школу!». Изумлённый Альберт ответил: «Но  ведь я ни в чём не провинился!». «Да, это верно, - перебил его учитель, - но одного Вашего присутствия в  классе достаточно, чтобы полностью  подорвать уважение к учителям».

    Неудивительно, что, как только представилась возможность, ранней весной 1895 г. 16-летний Альберт покинул гимназию и направился в Милан, где к тому времени обосновались его родители. Они не были очень обрадованы, когда сын прибыл к ним без аттестата о среднем образовании и даже без паспорта.

    Альберт попытался поступить в Политехникум, федеральное высшее политехническое училище в Цюрихе, известное своим высоким уровнем преподавания в области естественных наук. Однако он не сдал вступительные экзамены. Несмотря на обширные познания в области математики и физики, Эйнштейн провалился на экзаменах по иностранным языкам и истории.

    По совету ректора Политехникума Альберт поступил в выпускной класс кантональной школы в Аарау. Какой разительный контраст почувствовал он по сравнению с немецкой гимназией! «Эта школа произвела на меня неизгладимое впечатление своим либеральным духом, а также скромностью и серьёзностью педагогов, которым помогал в работе подлинный, а не дутый авторитет. Сравнение с шестилетним пребыванием в немецкой гимназии, где царила авторитарность, отчётливо показало мне, насколько воспитание, основанное на свободе действий и чувства ответственности перед самим собой, совершеннее воспитания, строящегося на муштре, дутом авторитете и честолюбии. Демократия - не пустой звук».

      Эйнштейн твердо решил стать преподавателем физики и, сдав в школе выпускные экзамены, в октябре 1896 г. был принят в Политехникум. Здесь Альберт Эйнштейн учился у таких выдающихся математиков, как Адольф Гурвиц и Герман Минковский

Летом 1900 г. Эйнштейн сдал экзамены на получение  диплома преподавателя физики. Оценки были не слишком высокими, так что  ему не удалось получить место  ассистента и вместе с ним —  возможность заниматься столь заманчивой для него научной работой. Только через два года по рекомендации друзей он получил постоянную работу экспертом  федерального патентного бюро в Берне. Эйнштейн проработал там с 1902 по 1909 г. Он считал это время самым счастливым и плодотворным периодом своей жизни: служебные обязанности оставляли  ему достаточно времени для размышлений  над научными проблемами.

      Наиболее удачным оказался для Эйнштейна 1905 год. В течение него 26-летний физик опубликовал в журнале пять статей, которые представляли собой подлинные шедевры научной мысли. Работа «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света» содержала смелую гипотезу о световых квантах — элементарных частицах электромагнитного излучения, летящих в мировом пространстве наподобие пуль. Гипотеза Эйнштейна позволила объяснить фотоэлектрический эффект: появление тока при освещении вещества коротковолновым излучением. Эффект был открыт в 1886 г. Генрихом Герцем и не укладывался в рамки волновой теории света. За эту работу позднее Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Ею была открыта новая — квантовая — эпоха в развитии физики. Она создала идейную основу для знаменитой модели атома Резерфорда — Бора, по которой свет излучается и поглощается порциями (квантами), и гениальной концепции «волн материи» Луи де Бройля. Незадолго до того Макс Планк установил, что тепло тоже излучается квантами. Теперь стало ясно, что причина этого — не в излучающих атомах, а в самом свете. Свет обладает как волновыми, так и корпускулярными (от лат. corpusculum — «мельчайшая частица») свойствами. Таким образом, был осуществлён гениальный синтез двух, казалось бы, несовместимых точек зрения на природу света, высказанных в своё время Гюйгенсом и Ньютоном.

     Статью «К электродинамике движущихся тел» можно рассматривать как введение в специальную теорию относительности — СТО, которая произвела переворот в представлениях о пространстве и времени.

    Статья «Зависит ли инерция тела от содержания в нём энергии?» завершает создание релятивистской (от лат. relativus — «относительный») теории. Здесь впервые бьша доказана связь между массой и энергией, в современных обозначениях — Е = mc2. Эйнштейн писал: «...если тело отдаёт энергию Е в виде излучения, то его масса уменьшается на Е/с2... Масса тела есть мера содержащейся в нём энергии».

  Это открытие вышло за пределы физики, техники и философии и до сегодняшнего дня косвенно определяет судьбу человечества. Ведь атомная энергия — это  не что иное, как превратившаяся в энергию масса.

     Вся жизнь Эйнштейна была посвящена научным исследованиям. В 1921 г. он получил Нобелевскую премию за «заслуги в области теоретической физики и в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Присуждение этой премии еврею резко подогрело профашистские антисемитские настроения в Германии. Нападки на Эйнштейна усилились, дело дошло даже до угроз убийства. Однако он продолжал активную научную работу, читал много публичных лекций. Он часто путешествовал, способствуя восстановлению международных научных связей, нарушенных мировой войной. Но когда осенью 1932 г. он выехал в США, это оказалось окончательным прощанием с родиной.     Альберт Эйнштейн скончался в Принстоне 18 апреля 1955 г. Пожалуй, будет не вполне правильным сказать, что он жил и работал в XX веке. Скорее, наоборот, XX век останется в истории как век, в котором жил Эйнштейна. 
 

               Рождение теории относительности

     В 1907-1916 гг. создана общая теория относительности, которая объединяет современное  учение о пространстве и времени  с теорией тяготения. По масштабу переворота, совершенного Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном.

     В большинстве задач динамики, имеющих  приложение к техническим проблемам, основную систему координат можно  связывать с Землей, считая ее неподвижной. Однако для астрономических задач  и задач космических полетов  принятие такой инерциальной системы  отсчета будет уже неверным, так  как Земля вращается вокруг своей  оси и движется вокруг Солнца. Для  наблюдений за движением планет и  космических кораблей в качестве основной системы можно принять  систему, связанную с неподвижными звездами. С усовершенствованием  методов теоретических и экспериментальных  исследований система координат, связанная  с неподвижными звездами, также оказалась  недостаточной для согласования опытных фактов с результатами вычислений. Это было выяснено Эйнштейном. Созданная  им специальная теория относительности  показала, что законы Ньютона не вполне точны и при больших  скоростях движения, сравнимых со скоростью света, являются только первым приближением для описания наблюдаемых  движений. При скоростях же, значительно  меньших скорости света, все расчеты, вытекающие из законов Ньютона, в  предположении, что основная система  координат связана с неподвижными звездами, достаточно просты и удовлетворяют  самым строгим требованиям точности. 
 
 
 

                 Принцип относительности Эйнштейна

       Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея, сформулированный для механических явлений, на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами(механическими, электрическими, оптическими), произведенными в какой-либо инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

     Таким образом, принцип относительности  Эйнштейна устанавливает полную равноправность всех инерциальных систем отсчета и отвергает идею абсолютного  пространства Ньютона. Теорию, созданную  Эйнштейном для описания явлений  в инерциальных системах отсчета, называют специальной теорией относительности. 

                                 Теория относительности

        Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть называется специальной (или частной) теорией (сокращенно – СТО). Она исследует быстрые равномерные прямолинейные движения вне гравитационных полей. Вторая часть – общая теория относительности (сокращенно – ОТО) охватывает неравномерные движения и гравитационные поля.

     Начнем  со специальной теории. Постараемся  вкратце проследить логику ее построения и выводов. Главное своеобразие физики Эйнштейна заключается в том, что движение вещества она сопоставляет с поведением света. Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие основные свойства движения вещества и света.

      Первый постулат: равномерные прямолинейные движения невозможно отличить от покоя. То и другое физически равноценно.

     Второй постулат: скорость света не зависит от движения светового источника.

     По  отдельности постулаты ничуть не странны. В закрытой каюте невозможно узнать, движется корабль (плавно, без  толчков и тряски) или стоит  возле пристани. Вместе с тем легко  поверить, что световые волны распространяются одинаково быстро от движущегося  и неподвижного фонаря. Ведь именно так ведут себя звуковые волны, волны  на воде и т.д. Каждый постулат сам по себе понятен и логичен.

     Однако  соединенные вместе, они выглядят несовместимыми. Вторым, казалось бы, опровергается  первый. В самом деле: резонно  думать, что равномерное прямолинейное  движение возможно обнаружить относительно световых волн и, значит, отличить его  от покоя, что противоречит первому  постулату.

     Когда пилот быстроходного самолета перестает  слышать рев собственных двигателей, он знает, что обогнал звук и мчится быстрее звуковых волн.

     Со  светом подобное невозможно (в 1881 г. американский физик Майкельсон доказал это  экспериментом). Как бы быстро ни мчалась  ракета, свет ее прожектора всегда бьет вперед с неизменной скоростью – 300000 км/сек. Изменить свою скорость относительно световых волн невозможно. Поэтому, воспользовавшись светом, невозможно отличить равномерное  прямолинейное движение ракеты от покоя, несмотря на то, что скорость света  не зависит от движения источника. Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия. 

       Эйнштейновское понятие одновременности

      В свете новых представлений меняются соотношения, связывающие две равномерно движущиеся системы отсчета. Будут ли, например, два события одновременными, если их наблюдать из различных систем отсчета?

   Рассмотрим  случай, изображенный на рис. 1. Точно  посредине, определенной с помощью  геометрии Евклида, между двумя  часами, расстояние между которыми равно  , стоит человек. В момент , зафиксированный левыми часами, эти часы испускают световой сигнал. Такое же событие происходит с правыми часами в момент по их показаниям. Если оба сигнала достигают человека одновременно, то он заключает, что время . Этот вывод делается из предположения, что промежуток времени равен расстоянию, пройденному сигналом ( ), деленному на скорость света c, одинаковую во всех системах отсчета.

    Второй наблюдатель, движущийся вместе с часами относительного первого  наблюдателя, видит совсем иную картину (рис. 2). Если первый наблюдатель кажется  второму движущимся вправо, то он будет  видеть, что первый наблюдатель движется навстречу световому сигналу, испущенному  правыми часами, и удаляется от сигнала, испущенного левыми часами. Таким образом, сигналы проходят различные расстояния, а их скорость (скорость света) остается постоянной. Поскольку сигналы достигают  «центра» одновременно, промежуток времени  с точки зрения второго наблюдателя  между моментом испусканием сигнала  левыми часами и моментом его приема отличается от временного промежутка между моментами испускания сигнала  правыми часами и его приема. Поэтому  с точки зрения движущегося наблюдателя  не равно .

   Таким образом, Эйнштейн делает вывод, что  два события, происходящие в разных точках пространства и одновременные  в одной системе отсчета, уже  не являются одновременными в другой:

    «Мы видим, что не следует придавать  абсолютного значения понятию одновременности. Два события, одновременные при  наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные  из системы, движущейся относительно данной системы».

   Удивительно здесь следующее. Эйнштейн выдвинул понятие кривизны пространства, а  для определения понятия одновременности  использует геометрию Евклида.

    Рассмотрим случай, изображенный на рис. 3. Точно посредине, определенной с помощью сферической геометрии  Римана, между двумя часами, расстояние между которыми равно радиусу  видимости Вселенной в статической  модели ( ), стоит человек. В момент , зафиксированный левыми часами, эти часы испускают световой сигнал. Такое же событие происходит с правыми часами в момент по их показаниям. Если оба сигнала достигают человека одновременно, то он заключает, что время . 

   Второй  наблюдатель, движущийся вместе с часами относительного первого наблюдателя, видит точно такую же  картину (рис. 4). Таким образом, с точки  зрения движущегося наблюдателя  .

   Следовательно, два события, происходящие в разных точках пространства и одновременные  в одной системе отсчета, являются одновременными в другой. Поэтому  понятию одновременности мы придаем  абсолютный характер. Плотность вещества и плотность вакуума на расстоянии гравитационного радиуса Вселенной  постоянна, поскольку два события, происходящие в разных точках пространства и одновременные в одной системе  отсчета, являются одновременными в  другой. В противном случае любой  наблюдатель мог бы удаляться  от одного «края» Вселенной и приближаться к ее другому «краю».

                    Преобразования Лоренца

      В соответствии с двумя постулатами специальной теории относительности между координатами и временем в двух инерциальных системах К и К' существуют отношения, которые называются преобразованиями Лоренца.

В простейшем  случае, когда система К’ движется относительно системы К со скоростью v так, как показано на рисунке (см ниже), преобразования Лоренца для координат и времени имеют следующий вид:

,        ,     ,         , 
             ,         ,    ,         .

    Из преобразований Лоренца вытекает тесная связь между пространственными и временными координатами в теории относительности; не только пространственные координаты зависят от времени (как в кинематике), но и время в обеих системах отсчёта зависит от пространственных координат, а также от скорости   движения системы отсчёта K’.

Формулы преобразований  Лоренца переходят в формулы кинематики при v/c<<1. В этом случае

,            ,     ,      ,

,             ,    ,      .

Переход формул теории относительности в формулы  кинематики при условии v/c <<1  является проверкой справедливости этих формул.

        Зависимость массы тела от скорости

Зависимость свойств пространства  и времени от движения системы отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях  тел является величина

,называемая релятивистским импульсом,  а не классический импульс.

Классический  закон сложения скоростей и классический закон сохранения импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости света в вакууме.

      Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы т тела на скорость его движения. Релятивистская масса т тела возрастает с увеличением скорости по закону

,где   — масса покоя тела,   — скорость его движения.

Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может  достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме, или превысить  эту скорость. Скорость  , большая  , приводит для обычных частиц к мнимой массе и мнимому импульсу, что физически бессмысленно. Зависимость массы от скорости начинает сказываться лишь при скоростях, весьма близких к  (См рисунок №2). Приведённые в этом пункте формулы неприменимы к фотону, так как у него отсутствует масса покоя ( ). Фотон всегда движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, и является ультрарелятивистской частицей. Тем не менее, отсюда не следует постоянство скорости света во всех веществах.

При  выражение для импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона  , где под   понимается масса покоя ( ), ибо при   различие  и  несущественно.

Рисунок №2

               Закон взаимосвязи массы и энергии

Полная энергия Е тела (или частицы) пропорциональна релятивистской массе  (закон взаимосвязи массы и энергии):

,

где с - скорость света в вакууме. Релятивистская масса зависит от скорости  , с которой тело (частица) движется в данной системе отсчета. Поэтому полная энергия различна в разных системах отсчета[2].

Наименьшей  энергией  тело (частица) обладает в системе отсчета, относительно которой оно покоится ( ). Энергия   называется собственной энергией или энергией покоя тела(частицы):

.

Энергия покоя  тела является его внутренней энергией. Она состоит из суммы энергий покоя всех частиц тела  , кинетической энергии всех частиц относительно общего центра масс и потенциальной энергии их взаимодействия. Поэтому

 
         и          

где  — масса покоя  - й частицы.

В релятивистской механике несправедлив закон сохранения массы покоя. Например, масса покоя   атомного ядра меньше, чем сумма собственных масс частиц, входящих в ядро. Наоборот масса  покоя частицы, способной к самопроизвольному распаду, больше суммы собственных масс продуктов распада   и  :   .

    Не сохранение массы покоя не означает нарушения закона сохранения массы вообще. В теории относительности справедлив закон сохранения релятивистской массы. Он вытекает из формулы закона взаимосвязи массы и энергии  . В изолированной системе тел сохраняется полная энергия. Следовательно, сохраняется и релятивистская масса. В теории относительности законы сохранения энергии и релятивистской массы взаимосвязаны и представляют собой единый закон сохранения массы и энергии. Однако из этого закона отнюдь не следует возможность преобразования массы в энергию и обратно. Масса и энергия представляют собой два качественно различных свойства материи, отнюдь не «эквивалентных» друг другу. Ни один из известных опытных фактов не дает оснований для вывода о «переходе массы в энергию». Превращение энергии системы из одной формы в другую сопровождается превращением массы. Например, в явлении рождения и уничтожения пары электрон — позитрон, в полном соответствии с законом сохранения релятивистской массы и энергии, масса не переходит в энергию. Масса покоя частиц (электрона и позитрона) преобразуется в массу фотонов, то есть в массу электромагнитного поля.

       Гипотеза Эйнштейна о существовании собственной энергии тела подтверждается многочисленными экспериментами. На основе использования закона взаимосвязи массы и энергии ведутся расчеты выхода энергии в различных ядерных энергетических установках. 
 
 
 
 
 
 
 

                   Заключение 

     Сорок - пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к теории относительности со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда в книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от повседневного опыта и очень абстрактных вещах. Широкие круги проявили удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким производственно - техническим и культурным последствиям. Это предчувствие не обмануло людей. Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а следовательно, и всей теории относительности в целом является атомная эра, которая расширяет власть человека над природой больше, чем это сделали

предшествующие  научные и технические революции.

    Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической картины мира. Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся представления о пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их взаимодействиях. Можно указать только на некоторые проблемы современной физики, которые, видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической картине мира.

Теория  относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности. Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и

обобщение этой теории. Теория относительности ждет дальнейшего развития и обобщения и в другом направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмутаций элементарных частиц в областях порядка 10^-13 см, Она все в большей степени становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению с которыми исчезающее малы расстояния между звездами и даже

расстояния  между галактиками. 
 
 
 
 

                    Список использованной литературы 

1. С.Г. Хорошавина «Концепции современного естествознания»
2. Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс общей физики»
3. Б.Н. Иванов «Законы физики»
4. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов «Физика»
5. изд. «Просвещение» 1970 г. «Познание продолжается»
6. Б.Г. Кузнецов  «Беседы о теории относительности»
7. О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы»
8. Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнёв «Справочное руководство по физике»
9. Б.Г. Кузнецов  «Беседы о теории относительности»
10. Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника. Издательство “Аванта+”