Рождение теории относительности
Реферат по физике:
РОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Савиновой Анны 11Ю
Рождение теории относительности.
Великий
ученый-физик Альберт Эйнштейн(1879-1955) до 1933г. Жил в Германии, затем в США.
Член многих академий наук, почетный член Академии наук СССР, лауреат
Нобелевской премии 1921г. Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории
относительности. В 1905г. им была опубликована в почти законченном виде
специальная, или частичная, теория 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.
Специальная
теория относительности
В своей работе «К электродинамике движущихся тел», опубликованной в 1905г., Эйнштейн
сформулировал более точную теорию механики быстродвижущихся тел - специальную
теорию относительности.
В классической
механике считалось, что если мы знаем декартовы координаты x, y и время t события в некоторой неподвижной(приближенно)
системе координат, то можем легко вычислить координаты, и время в инерциальной системе(,), движущейся относительно неподвижной системы
поступательно, прямолинейно и равномерно. В самом деле, если начало системы (, ) в момент t = 0 имело координаты =0 , = 0 и система (, ) движется вдоль оси ОХ со скоростью, то в момент t координаты точки , будут относительно системы (x, y) следующими:
х = + t,
При этом число
интуитивно предполагалось: время t в системе(x, y) течет так же, как и в
системе (, ), т.е. t = ; таким образом, допускалось, что течение времени не зависит от состояния
движения тела. Длина масштабной линейки абсолютна, и если в покоящейся системе (x, y) некоторый отрезок имеет
длину , то будет
иметь ту же длину и в движущейся системе(, ), иначе говоря =. В классической механике течение времени и
пространственные интервалы считались независимыми друг от друга и не зависели
от состояния движения системы (тела) отсчета.
В конце XIX в. накопилось достаточно большое
число фактов (главным образом экспериментальных), относящихся к движению частиц
со скоростями, сравнимыми со скоростью света, которые не могли быть объяснены
исходя из законов классической механики.
Оказалось, что
при скоростях порядка скорости света пространственные соотношения(длины
отрезков) и течение времени зависят от скорости движения системы(, ).
В основе теории
относительности лежит факт, полученный опытным путем: независимость скорости света от скорости
источника. Одно из главных положений теории относительности заключено в том,
что в природе не существует скорости, большей скорости света в вакууме. Это
самая большая, или предельная, скорость.
Другое важнейшее
следствие теории относительности - связь между массой и энергией. Эйнштейн
установил, исходя из основных положений теории относительности, что энергия
содержится в скрытой форме в любом веществе, причем в массе m заключена энергия E, равная произведению массы на
квадрат скорости света: . Эта формула помогает понять многие
процессы.
Исходными для
построения теории относительности являются два закона природы, получившие
подтверждение в самых различных явлениях движения. Эти законы были
сформулированы Эйнштейном в следующем виде:
1. «Законы, по которым изменяются
состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных
систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном
движении, эти изменения состояния относятся».
2. «Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной
скоростью, независимо от того, испускается этот луч света покоящимся или
движущимся телом».
Первый закон
распространяет закон эквивалентности инерциальных систем(закон относительности
классической механики Галилея - Ньютон) на широкий класс физических явлений.
Второй закон устанавливает постоянство скорости света независимо от скорости
движения источника света.
Второй закон
кажется наиболее парадоксальным. В самом деле, при изучении движения тел со скоростями,
малыми по сравнению со скоростью света, мы убеждаемся и теоретически, и
экспериментально, что скорость тела относительно неподвижной системы координат
зависит от движения «платформы», с которой бросание тела
производится. Так мяч, брошенный в направлении движения поезда, будет иметь по
отношению к Земле большую скорость, нежели мяч, брошенный с неподвижного
поезда. Для случая прямолинейного движения результирующая скорость будет равна
алгебраической сумме слагаемых скоростей. При движении платформы и тела в одну
сторону результирующая скорость будет равна арифметической сумме скоростей и
будет подсчитываться по формуле:
рез. = ,
где v рез. Есть результирующая скорость тела по
отношению к Земле, -
скорость платформы, - скорость тела по отношению к платформе.
Закон сложения
скоростей в теории Эйнштейна записывается иначе:
Из этого
уравнения следует, что результирующая скорость всегда меньше скорости света.
Даже в предельном случае, когда = с, = с,
Существенные
изменения претерпевают и другие понятия механики. Масса тела в задачах
специальной теории относительности зависит от скорости движения тела:
В этой формуле - масса тела при v = 0 (масса «покоя»), m - масса тела, движущегося со
скоростью v, и масса тела неограниченно
возрастает, если его скорость приближается к скорости света.
Время в теории
относительности не является универсальным; для движущегося наблюдателя время течет медленнее, чем для неподвижного.
Связь времен, показываемых покоящимися и движущимися часами, определяется
формулой:
где - время, отсчитываемое
неподвижными часами, а t - время, показываемое
часами, движущимися со скоростью v относительно неподвижной системы. Для обычных задач механики
величина очень мала по сравнению с единицей, и механика Ньютона дает
весьма точные результаты.
При скоростях,
близких к скорости света, уточнения, даваемые теорией относительности,
приобретают принципиальный характер и в настоящее время, например,
конструирование ускорителей, определение времени жизни элементарных частиц и
экспериментальное определение массы быстродвижущихся тел не могут быть
произведены без учета результатов, вытекающих из специальной теории
относительности.
В начале нашего
века Эйнштейн начал разрабатывать очень сложную физическую теорию, которая
получила название общей теории относительности. По расчетам Эйнштейна выходило,
что притяжение света можно обнаружить только в очень сильных полях тяготения,
например на малых расстояниях от поверхности Солнца.
29 мая 1919г. Ученые
убедились - луч света отклоняется притяжением Солнца. Именно так, как
предсказывала общая теория относительности. Узнав об этом Эйнштейн написал: «Судьба оказала мне милость,
позволив дожить до этих дней...»
Литература: «Детская энциклопедия» том 3 - «Вещество и энергия» А.И.Маркушевич, А.М.Кузнецова, И.В.Петрянов.