Концепции современного естествознания


ЛЕКЦИЯ 6. Принцип относительности. Теория относительности А.Эйнштейна



страница7/64
Дата30.07.2018
Размер2.74 Mb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   64
ЛЕКЦИЯ 6. Принцип относительности. Теория относительности А.Эйнштейна
Принцип относительности. Впервые идея относительности движения теоретически обсуждается в четвертой апории Зенона Элейского «Стадий», в которой один и тот же всадник за одно и то же время проходит относительно одного всадника половину пути, а относительно другого – целый путь. Поставив вопрос о том, каков же «истинный путь», Зенон пришел к выводу, что движение, с точки зрения разума, вообще не существует.

В XVII в. принцип относительности движения находит свое развитие в работах Декарта. Он писал, что если одна частица движется к другой, то с таким же правом можно считать, что вторая движется к первой. На этом основании Декарт заключил, что состояние движения ничем не отличается от состояния покоя. Говорить о «движении вообще» бессмысленно. Можно говорить лишь о движении относительно какого-то выбранного тела, точки отсчета. Это тело помещается в основание некоторой «системы отсчета», системы координат.

Следующим этапом развития принципа относительности движения было представление об инерциальной системе, выдвинутое Галилеем и Ньютоном. Процессы движения в классической механике происходят в особых, привилегированных системах отсчета. Инерциальная система – та, в которой тело, на которое не действуют внешние силы, покоится или движется равномерно и прямолинейно. Принцип относительности движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два наблюдателя, находящиеся в разных инерциальных системах, не заметят никаких изменений.



Принцип относительности Галилея гласит, что если законы движения справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Если же две системы координат движутся друг относительно друга неравномерно, то законы механики не могут быть справедливы в обеих системах одновременно. Системы координат, в которых законы механики справедливы, называются инерциальными системами. Вопрос о том существует ли вообще инерциальная система, стал важной и трудной физической проблемой. Но если есть хотя бы одна такая система, то их имеется бесконечное множество.

В первой четверти XX века произошла вторая в истории естествознания научная революция, приведшая к полному преобразованию классической механистической картины мира.

В науке конца XIX – начала XX вв. господствовали идеи электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о независимом существовании таких фундаментальных сущностей, как пространство, время, материя. Пространство рассматривалось как плоское, евклидово, бесконечное. Материя – как составленная из нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа взаимодействиягравитационное и электромагнитное. Абсолютной системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет рассматривался как колебания (волна) эфира. Законы, открытые для макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов – от космологических до атомных.

Однако уже в конце XIX века возникли сомнения в существовании мирового эфира. В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли предположили, что если мировой эфир существует, то при движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать «эфирный ветер», и если свет – волна в эфире, то скорость луча света должна зависеть от скорости движения Земли сквозь эфир и складываться из собственной скорости света в неподвижном эфире и скорости движения Земли в случае встречного движения Земли и луча света. Однако в опытах Майкельсона – Морли скорость света оставалась величиной постоянной, «эфирный ветер» обнаружен не был.

Из опыта Майкельсона-Морли можно было сделать следующие выводы:

1. Мирового эфира не существует.

2. Скорость света - предельно большая величина скорости любого движения, и к движению света не применим кажущийся очевидным принцип сложения скоростей, используемый в классической механике.

Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной теории. Эту проблему удалось решить Альберту Эйнштейну (1879 – 1955), создателю теории относительности, которая состоит из двух частей: специальной (частной) теории относительности (1905 г.) и общей теории относительности (1916 г.)

Специальная теория относительности начинается с двух постулатов:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2. Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Специальная теория относительности описывает законы движения при любых скоростях, но без учета силы тяготения. Обнаружить релятивистские эффекты экспериментально, однако, можно лишь при скоростях, близких к скорости света. При небольших скоростях специальная теория относительности сводится к классической механике Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.



Релятивистские эффекты, отличающие новое понимание движения от ньютоновского, заключаются в следующем.

Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из системы отсчета, движущейся относительно данной, размеры тел сокращаются в направлении движения системы отсчета, сравнительно с их размерами в данной системе, согласно формуле:


Дело не в том, что тело «на самом деле» сокращается, изменяет «свою величину». «Истинного размера» не существует. «Размер» тела, его пространственные характеристики – величина относительная.

В движущейся системе, относительно наблюдателя из неподвижной системы отсчета, время замедляет свой ход, течет медленнее, согласно формуле:

Точнее говоря, временные промежутки между событиями, одновременность и даже в известной мере последовательность событий во времени – относительны к системе отсчета (наблюдения). За один год, прошедший внутри космического корабля, движущегося относительно Земли со скоростью 0,99 от скорости света, пройдет 50 «земных» лет.

Относительной к системе отсчета величиной оказывается и масса тела, которая для Ньютона была величиной абсолютной. Масса тела зависит от его скорости, и с приближением скорости тела к скорости света масса тела стремится к бесконечности. Со скоростью света могут двигаться лишь тела с нулевой массой покоя. Для наблюдателя из другой системы отсчета масса тела в движущейся системе возрастает согласно формуле:

Таким образом, относительными к системе отсчета стали такие понятия как «длина», «промежуток времени», «одновременность», «масса».

Существуют, однако, величины, не зависящие от системы отсчета, так называемые инварианты:

- скорость света в вакууме (с);

- пространственно-временной интервал (S);

- само «событие».

Пространственно-временной интервал ∆S2=∆x2+∆y2+∆z2-∆(c2t2) был выведен не Эйнштейном, а Х.Лоренцом для обозначения метрики пространственно-временного континуума. Этот интервал выражает разницу между двумя событиями в пространстве-времени. x,y,z – пространственные координаты, а t – временная координата; с – скорость света = const. Специальная теория относительности устанавливает инвариантность (неизменность) значения самого этого интервала, т.к. релятивистское сокращение длины и релятивистское замедление времени компенсируют друг друга и поэтому значение самого интервала остается тем же.

Эйнштейн нашел также связь массы и энергии тела: Е =. mc2. В соответствии с этой формулой кусок раскаленного железа, например, весит больше, чем кусок холодного железа той же массы.

В 1916 году Эйнштейн завершил создание теории относительности, дополнив специальную теорию относительности общей теорией относительности. Она представляет собой дальнейшее развитие и обобщение ньютоновской теории тяготения. Общая теория относительности Эйнштейна вскрыла глубокую связь между пространством, временем, материей и тяготением. Геометрические свойства пространства-времени были поставлены в зависимость от распределения и движением материи. Поскольку пространство немыслимо без материи, оно оказывается не «плоским» (евклидовым), а «искривленным», и с повышением плотности материи «кривизна» пространства возрастает.

Такое пространство нельзя описать геометрией Евклида. В его описании нашла свое применение и обрела физический смысл неевклидова геометрия, возникшая еще в первой половине XIX века в трудах Карла Гаусса (1777-1855), Яноша Бойаи (1802-1860), Николая Ивановича Лобачевского (1793-1856), Бернхарда Римана (1826-1866). Геометрические свойства неевклидова пространства удовлетворяют всем аксиомам Евклида, за исключением аксиомы параллельности: если на евклидовой плоскости через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную (не пересекающую) данной, то в неевклидовой геометрии таких прямых можно провести бесконечное множество. В «плоском» пространстве Евклида кратчайшим расстоянием между двумя точками является прямая, сумма углов треугольника равна 180 градусам, кривизна пространства равна 0, используется декартова система координат. В сферическом пространстве Римана кривизна пространства больше нуля, кратчайшим расстоянием является «дуга» (геодезическая кривая), сумма углов треугольника больше 180 градусов, используется гауссова система координат. В псевдосферическом пространстве Лобачевского кратчайшим расстоянием является «вогнутая дуга», кривизна пространства меньше нуля, сумма углов треугольника меньше 180 градусов, используется гауссова система координат. В общей теории относительности используется геометрия Римана.

Общая теория относительности была шагом вперед в развитии теории всемирного тяготения. Тяготение стало рассматриваться как результат движения в искривленном вблизи другого тела пространстве-времени. Это искривление пространства-времени изменяет траектории движения всех тел, включая даже частицы света - фотоны, которые, как нам представляется, всегда движутся по прямой (луч света). Гравитационное поле стало, по сути, отождествляться с искривленным пространством-временем. Это позволило Эйнштейну отказаться от инерциальных систем отсчета и признать их не существующими в природе. Система не может двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго, т. к. она всегда находится в поле тяготения.

В поле гравитации имеют место релятивистские эффекты (сокращение длины тел, замедление течения времени и увеличение массы тел), рассмотренные в специальной теории относительности. Так, в конусе действия «черной дыры» масса тела относительно наблюдателя из другой системы отсчета возрастает до бесконечности, размер превратится в точку, а время остановится.

В основу общей теории относительности Эйнштейн положил известный еще со времен Галилея факт равенства инертной и гравитационной масс. Галилей не придавал большого значения этому факту. Эйнштейн же увидел в нем глубинный закон природы, на основании которого он сформулировал принцип эквивалентности. Этот принцип устанавливает физическую идентичность поля тяготения и сил инерции (ускоренного движения).

И, наконец, Эйнштейн сформулировал общий принцип относительности, согласно которому физические законы являются инвариантными не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах, то есть во всех системах отсчета.

Общая теория относительности нашла и экспериментальные подтверждения своей истинности. Так, 29 мая 1919 года Эддингтоном и Дайсоном было подтверждено предсказание общей теории относительности об отклонении луча света от прямолинейной траектории вблизи Солнца. Было подтверждено также рассчитанное Эйнштейном смещение перигелия Меркурия, которое невозможно объяснить другими теориями.



Каталог: doci -> kafedri -> phil
phil -> Примерная тематика докладов аспирантов по философии науки в 2015-2016 уч г. Общие проблемы философии науки «Венский кружок»
phil -> Примерная тематика рефератов аспирантов по истории науки в 2015-2016 уч г
phil -> Вопросы к экзамену по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Кандидатский экзамен по истории и философии науки
phil -> Чернов С. А. Начала философии. Ч. 2 – Учеб пособие – спбгут спб, 2005
phil -> Ш37 Рецензент
phil -> Вопросы к зачёту по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Русская философия о роли личности в истории государства


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   64


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница