Концепции релятивизма в современном естествознании

Федеральное агентство по образованию РФ 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования  «Санкт-Петербургский Государственный  университет экономики и финансов» 

Кафедра систем технологий и товароведения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа 

Тема: «Концепции релятивизма в современном естествознании» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

               Выполнила: 

                                                                       

                     Преподаватель:  
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург 
 
 
 
 

Введение

    Название  “теория относительности” возникло из наименования основного принципа (постулата), положенного Пуанкаре и  Эйнштейном в основу из всех теоретических  построений новой теории пространства и времени.

    Содержанием теории относительности является физическая теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического характера.

    Название  же “принцип относительности” или  “постулат относительности”, возникло как отрицание представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром, вводившимся для объяснения оптических и электродинамических явлений.

    Дело  в том, что к началу двадцатого века у физиков, строивших теорию оптических и электромагнитных явлений по аналогии с теорией упругости, сложилось ложное представление о необходимости существования абсолютной неподвижной системы отсчета, связанной с электромагнитным эфиром. Зародилось, таким образом, представление об абсолютном движении относительно системы, связанной с эфиром, представление, противоречащее более ранним воззрениям классической механики (принцип относительности Галилея). Опыты Майкельсона и других физиков опровергли эту теорию “неподвижного эфира” и дали основание для формулировки противоположного утверждения, которое и получило название “принципа относительности”. Так это название вводится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и Эйнштейна.

Эйнштейн пишет: “.. неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды”  ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, и даже более того,- к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, имеют место те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Мы намерены это положение (содержание которого в дальнейшем будет называться “принципом относительности”) превратить в предпосылку... “.¹  

Часть 1. Основные положения и следствия специальной теории относительности А.Эйнштейна. 

1. Биография Эйнштейна и история опубликования  теории относительности

 

    Альберт Эйнштейн родился в 1879 году в Баварии. Отец – Герман Эйнштейн – занимался  торговлей. Мать – Полина Кох –  была дочерью богатого штутгартского хлеботорговца.

    Как пишут биографы великого физика, в  детские годы «будущая гениальность Эйнштейна внешне никак не проявлялась». Он долго учился говорить, и в  семилетнем возрасте «мог лишь повторять  короткие фразы». С шести лет обучался игре на скрипке. Правда, тоже без особого успеха.

    Десяти  лет поступил в гимназию. Был равнодушен к учёбе. Хотел взять полугодовой  отпуск по справке от психиатра. Но начальство гимназии предложило ему  за год до окончания покинуть гимназию. Оканчивал обучение Эйнштейн в другой гимназии.

Со второй попытки  Эйнштейн поступил в Цюрихский политехнический  институт. Там же он познакомился со своей будущей женой Милевой  Марич.

    В 1900 году Эйнштейн окончил Цюрихский  институт со средним баллом 4,09 и  оценкой за диплом 3,75 в переводе на пятибалльную систему. В Германии то время использовалась шестибальная шкала.

    Мать  Эйнштейна была против его брака  с Милевой Марич из-за её сербского  происхождения. Однако с Милевой  Эйнштейн прожил более 10 лет. И у  них родились дочь и двое сыновей.

    Вскоре  после окончания Цюрихского института, т.е. в 1902 году, Эйнштейн поступил на работу в патентное бюро в Берне.

    А в 1905 году в сентябрьском номере немецкого  журнала «Анналы физики» появилась  статья «К электродинамике движущихся тел», написанная 26-летним экспертом швейцарского патентного бюро Альбертом Эйнштейном. В ней излагалась теория относительности.

    Статья  не содержала ни одной литературной ссылки.

    Прежде  этот независимый исследователь  ничего не публиковал по обсуждавшемуся вопросу.

    При чтении статьи создавалось впечатление  о полной оригинальности как постановки, так и решения задачи, о первооткрытии  всех изложенных там результатов.

    Не  сохранилось никаких черновиков первых работ Эйнштейна.

Рукопись этой статьи, поступившей в редакцию тремя месяцами раньше, была подписана Эйнштейном и его женой Милевой Марич. О Милеве Марич Эйнштейн говорил друзьям: «Математическую часть работы за меня делает жена».

    Рукопись  статьи не сохранилась.

    В опубликованной статье Эйнштейна можно  найти то, о чём в течение десяти лет французский математик Анри Пуанкаре дискутировал с нидерландским физиком Хендриком Лоренцем: это ненужность эфира, ненужность абсолютности пространства и времени, условности понятия одновременности, принцип относительности, инвариантность уравнений Максвелла, постоянство скорости света, преобразования Лоренца, и т.д.

    К известному Эйнштейн добавил в своей  статье формулы релятивистского  эффекта Допплера и аберрации, которые  немедленно вытекают из преобразований Лоренца.

    Статья  Эйнштейна в момент появления была практически не замечена в научном мире. Его теория относительности была признана научным сообществом, начиная с 1915 года, когда он опубликовал её развитие на явления тяготения: общую теорию относительности. ² На вопрос корреспондента газеты «Нью-Йорк таймс», какова суть теории относительности, Эйнштейн ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время – остались бы. Согласно же теории относительности, вмести с вещами, исчезли бы пространство и время». ³

    Ранее опубликованная часть теории стала  называться специальной теорией  относительности.

    Анри  Пуанкаре умер в 1912 году. В этом же году и в последующие годы Эйнштейн безуспешно выдвигался на Нобелевскую премию за теорию относительности.

Эта премия ему, в конце концов, была присуждена в 1922 году. Но не за теорию относительности, как считает большинство людей, а за исследование внешнего фотоэффекта.

2. Основные положения специальной теории относительности Эйнштейна

    Основу  специальной теории относительности, предложенной в 1905 году, составляют два  постулата. Постулат – это недоказываемое утверждение, принимаемое на веру. Подобие  аксиомы в математике или догмы  в религии.  
 

    Постулат  первый:

    Движение  системы отсчёта по инерции не может быть обнаружено никакими физическими опытами внутри закрытой лаборатории, связанной с этой системой отсчёта.

    Постулат  второй:

    «…свет  в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с, не зависящей от движения излучающего тела».

    Свою  теорию относительности Эйнштейн основывал  на постулатах и развивал с помощью  рассуждений и мысленных экспериментов.

3. Основные выводы из специальной теории относительности Эйнштейна

    Сокращение  длин, замедление времени, увеличение массы и так далее.

    В итоге получаются выводы, которые  не укладываются в обыденном сознании:

1. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, происходит сокращение длины вдоль направления движения (есть две системы координат: одна – XYZ, с которой связан наблюдатель, и вторая – X’Y’Z’, движущаяся относительно первой со скоростью v).
2. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, время движется медленнее.
3. Движение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно.

Что это значит?

Например, две  ракеты движутся навстречу друг другу. Скорость каждой относительно неподвижного наблюдателя равна половине скорости света.

При этом скорость их сближения с точки зрения наблюдателя  не будет равна скорости света, а будет меньше.

Если на каждой ракете произойдёт вспышка света, то световые волны будут сближаться не с удвоенной скоростью света, а с одинарной.

Пересчёт отрезков длины и времени из одной системы  координат в другую устанавливается  преобразованиями Лоренца.

После создания Эйнштейном общей теории относительности  в 1915 году добавились ещё несколько  столь же «ошеломляющих» выводов:

4. Пространство вблизи тяготеющих масс искривляется.
5. Время вблизи тяготеющих масс замедляется.² 

 

Часть 2. Общая  теория относительности и ее значение в современной космологии. 

    Специальная теория относительности - фундаментальная  физическая теория пространственно-временных  свойств всех физических процессов.

    Основой специальной теории относительности  явились представления о свойствах пространства, времени и движения, разработанные в классической механике Галилеем и Ньютоном, но углублённые и в ряде положений существенно изменённые и дополненные Эйнштейном в связи с теми экспериментальными фактами, которые были обнаружены в физике к концу XIX столетия при изучении электромагнитных явлений.

    Рассмотрим  же основные  представления об общей  теории относительности, существующей в современной физике: 

2.1 Принцип эквивалентности  и геометризация тяготения 

    Факт  этот по существу был установлен еще Галилеем: все тела движутся в поле тяжести (в отсутствие сопротивления среды) с одним и тем же ускорением, траектории всех тел с заданной скоростью искривлены в гравитационном поле одинаково. Благодаря этому, в свободно падающем лифте никакой эксперимент не может обнаружить гравитационное поле. Иными словами, в системе отсчёта, свободно движущейся в гравитационном поле, в малой области пространства-времени гравитации нет. Последнее утверждение — это одна из формулировок принципа эквивалентности. ⁴

     

     Данное свойство поля тяготения  отнюдь не тривиально. Достаточно вспомнить, что в случае электромагнитного  поля ситуация совершенно иная. Существуют, например, подзаряженные, нейтральные  тела, которые электромагнитного  поля вообще не чувствуют. Так вот, гравитационно - нейтральных тел нет, не существует ни линеек, ни часов, которые не чувствовали бы гравитационного поля. Эталоны привычного евклидова пространства меняются в поле тяготения.              
 

    Геометрия нашего пространства оказывается неевклидовой.

Некоторое представление о свойствах  такого пространства можно получить на простейшем примере сферы, поверхности  обычного глобуса. Рассмотрим на ней  сферический треугольник — фигуру, ограниченную дугами большого радиуса (дуга большого радиуса, соединяющая две точки на сфере, — это кратчайшее расстояние между ними: она естественный аналог прямой на плоскости.). Выберем в качестве этих дуг участки меридианов, отличающихся на 90^o долготы, и экватора (рис. 1). Сумма углов этого сферического треугольника отнюдь не равна сумме углов π, треугольника на плоскости: