Альберт Эйнштейн и теория относительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

содержание

Введение

1. История жизни Альберта Эйнштейна

2. Специальная теория относительности и ее роль в науке

3. Общая теория относительности А. Эйнштейна

Заключение

Список использованных источников

Введение

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время, как формы существования материи, изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними следует начать с теории пространства-времени в том виде, как она представлена в современной физике. Предварительно, однако, необходимо напомнить некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея.

Общая теория относительности (ОТО) -- современная теория тяготения, связывающая его с кривизной четырехмерного пространства-времени.

В своем, так сказать, классическом варианте теория тяготения была создана Ньютоном еще в XVII веке и до сих пор верно служит человечеству. Она вполне достаточна для многих, если не для большинства, задач современной астрономии, астрофизики, космонавтики.

Фундаментальные открытия Альберта Эйнштейна явились основой для возникновения теории относительности, которая до сих пор представляет собой научный интерес и является актуальной темой для исследования.

1. История жизни Альберта Эйнштейна

Альберт Эйнштейн родился в Ульме, средневековом городе королевства Вюртемберг (ныне земля Баден-Вюртенберг в Германии), в семье Германа Эйнштейна и Паулины Эйнштейн, урожденной Кох (рис. 1). Вырос он в Мюнхене, где у его отца и дяди был небольшой электрохимический завод. После того как дела отца в 1895 г. пришли в упадок, семья переселилась в Милан. Э. остался в Мюнхене, но вскоре оставил гимназию, так и не получив аттестата, и присоединился к своим родным.

Летом 1896 г., Эйнштейн успешно выдержал вступительные экзамены в Федеральный технологический институт. В Аарау он расцвел, наслаждаясь тесным контактом с учителями и либеральным духом, царившим в гимназии. Все прежнее вызывало у него настолько глубокое неприятие, что он подал официальное прошение о выходе из германского подданства, на что его отец согласился весьма неохотно.

В Цюрихе Эйнштейн изучал физику, больше полагаясь на самостоятельное чтение, чем на обязательные курсы. Сначала он намеревался преподавать физику, но после окончания Федерального института в 1901 г. и получения швейцарского гражданства не смог найти постоянной работы. В 1902 г. Эйнштейн стал экспертом Швейцарского патентного бюро в Берне, в котором прослужил семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Он опубликовал одну работу о капиллярности (о том, что может произойти с поверхностью жидкости, если ее заключить в узкую трубку). Хотя жалованья едва хватало, работа в патентном бюро не была особенно обременительной и оставляла Э. достаточно сил и времени для теоретических исследований. Его первые работы были посвящены силам взаимодействия между молекулами и приложениям статистической термодинамики. Одна из них - «Новое определение размеров молекул» ("A new Determination of Molecular Dimensions") - была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом, и в 1905 г. Эйнштейн стал доктором наук. В том же году он опубликовал небольшую серию работ, которые не только показали его силу как физика-теоретика, но и изменили лицо всей физики.

Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения - хаотического зигзагообразного движения частиц, взвешенных в жидкости. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с невидимыми молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объеме. Через несколько лет это было подтверждено Жаном Перреном. Эта работа Эйнштейна имела особое значение потому, что существование молекул, считавшихся не более чем удобной абстракцией, в то время еще ставилось под сомнение.

После публикации статей в 1905 г. к Эйнштейну пришло академическое признание. В 1909 г. он стал адъюнкт-профессором Цюрихского университета, в следующем году профессором Немецкого университета в Праге, а в 1912 г. - цюрихского Федерального технологического института. В 1914 г. Эйнштейн был приглашен в Германию на должность профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка).

После напряженных усилий Эйнштейну удалось в 1915 г. создать общую теорию относительности, выходившую далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными. Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т.е. происходящие с переменной скоростью). Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона (XVII в.), становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введенных Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения.

Но в тот период Эйнштейн работал не только над теорией относительности. Например, в 1916 г. он ввел в квантовую теорию понятие индуцированного излучения. В 1913 г. Нильс Бор разработал модель атома, в которой электроны вращаются вокруг центрального ядра (открытого несколькими годами ранее Эрнестом Резерфордом) по орбитам, удовлетворяющим определенным квантовым условиям.

Хотя и специальная, и общая теории относительности были слишком революционны, чтобы снискать немедленное признание, они вскоре получили ряд подтверждений. Одним из первых было объяснение прецессии орбиты Меркурия, которую не удавалось полностью понять в рамках ньютоновской механики. Во время полного солнечного затмения в 1919 г. астрономам удалось наблюдать звезду, скрытую за кромкой Солнца. Это свидетельствовало о том, что лучи света искривляются под действием гравитационного поля Солнца. Всемирная слава пришла к Эйнштейну, когда сообщения о наблюдении солнечного затмения 1919 г. облетели весь мир. Относительность стала привычным словом. В 1920 г. Эйнштейн стал приглашенным профессором Лейденского университета. Однако в самой Германии он подвергался нападкам из-за своих антимилитаристских взглядов и революционных физических теорий, которые пришлись не ко двору определенной части его коллег, среди которых было несколько антисемитов.

В 1922 г. Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 г. «за заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Самый знаменитый из ученых XX в. и один из величайших ученых всех времен, Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. С детских лет он воспринимал мир как гармоническое познаваемое целое, «стоящее перед нами наподобие великой и вечной загадки».

2. Специальная теория относительности и ее роль в науке

теория относительность эйнштейн тяготение

Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполняется принцип относительности.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы описываются одинаковым образом.

Точнее говоря, в таких системах законы движения тел описываются теми же самыми математическими уравнениями или формулами. Иллюстрируя этот принцип, Галилей приводил пример равномерного прямолинейного движения корабля, внутри которого все явления происходят также как на берегу.

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждений, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывал на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относительности.

Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, и поэтому можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.

Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе.

Например, в системе отсчета, связанной с движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в системе, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более показателен пример, когда рассматривается движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентировки Земли. Ничего подобного, то есть физической неравноценности различных направлений, не обнаружено. Однако здесь возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: либо отказаться от принципа постоянства скорости света, либо -- от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно, что отказ от него был бы явно неоправданным. К тому же это привело бы к чрезмерному усложнению описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

В действительности, как показал А. Эйнштейн:

Закон распространения света и принцип относительности совместимы. И это положение составляет одну из основ специальной теории относительности.

Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась «на две ничем не оправданные гипотезы»:

промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения тела отсчета;

пространственное расстояние между двумя точками твердого тела также не зависит от состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез, классическая механика молчаливо предполагала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т. е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми.

Понятие пространства и времени в специальной теории относительности.

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета, и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

Отсюда становится также ясным, что для Эйнштейна основные физические понятия, такие, как пространство и время, приобретают ясный смысл только после указания тех экспериментальных процедур, с помощью которых можно их проверить.

Другой важный результат теории относительности:

Связь обособленных в классической механике понятий пространства и времени в единое понятие пространственно-временной непрерывности (континуума).

Необычные результаты, которые дает теория относительности, сразу же поставили вопрос об их опытной проверке. Наиболее выдающимся подтверждением этой теории был отрицательный результат опыта американского физика Альберта Майкельсона (1852--1931), предпринятый для проверки гипотезы о световом эфире. Согласно господствовавшим в то время воззрениям, все мировое пространство заполнено эфиром -- гипотетическим веществом, являющимся источником световых волн. Вначале эфир уподоблялся упругой механической среде, а световые волны рассматривались как результат колебаний этой среды, то есть, как волны, сходные с появляющимися на поверхности жидкости, вызванные колебаниями частиц жидкости. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встретилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой упругой средой, эфир должен был оказывать сопротивление движению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В связи с этим пришлось отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроницающей среды по-прежнему признавалось.

Для того чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному направлению движения Земли и направлению, перпендикулярному к этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым; но никакой разницы Майкельсон не обнаружил. Тогда для спасения гипотезы об эфире Лоренц предположил, что в горизонтальном направлении происходит сокращение тела в направлении движения.

Полностью отрицательный результат опыта Майкельсона стал для Эйнштейна 18 лет позже решающим экспериментом для доказательства того, что никакого эфира как абсолютной системы отсчета не существует.

3. Общая теория относительности а. Эйнштейна

В специальной теории относительности все системы отсчета предполагаются инерциальными, то есть покоящимися или движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что в равномерно движущемся вагоне нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу же исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если принять теперь за систему отсчета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной.

Создание современной теории тяготения было немыслимым без специальной теории относительности, без глубокого понимания структуры классической электродинамики, без осознания единства пространства-времени. Как уже отмечалось, ОТО была создана в основном усилиями одного человека. Путь Эйнштейна к построению этой теории был долгим и мучительным. Если его работа 1905 года «К электродинамике движущихся сред» появилась как бы сразу в законченном виде, оставляя вне поля зрения читателя длительные размышления, тяжелый труд автора, то с ОТО дело обстояло совершенно иначе. Эйнштейн начал работать над ней с 1907 года. Его путь к ОТО продолжался несколько лет. Это был путь проб и ошибок, который хотя бы отчасти можно проследить по публикациям Эйнштейна в эти годы.

В последнем этапе создания ОТО принял участие Гильберт. Вообще значение математики (и математиков) для ОТО очень велико. Ее аппарат, тензорный анализ, или абсолютное дифференциальное исчисление, был развит Риччи и Леви-Чивита. Друг Эйнштейна, математик Гроссман познакомил его с этой техникой.

И все же ОТО -- это физическая теория, в основе которой лежит ясный физический принцип, твердо установленный экспериментальный факт. Факт этот по существу был установлен еще Галилеем. В системе отсчёта, свободно движущейся в гравитационном поле, в малой области пространства-времени гравитации нет. Последнее утверждение -- это одна из формулировок принципа эквивалентности.

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. 2).

Рис. 2. Сферический треугольник

Сумма углов этого сферического треугольника отнюдь не равна сумме углов р,треугольника на плоскости:

Заметим, что превышение суммы углов данного треугольника над может быть выражено через его площадь S и радиус сферы R:

Можно доказать, что это соотношение справедливо для любого сферического треугольника. Заметим также, что обычный случай треугольника на плоскости тоже вытекает из этого равенства: плоскость может рассматриваться как сфера с R>?

Перепишем формулу (2) иначе:

Отсюда видно, что радиус сферы можно определить, оставаясь на ней, не обращаясь к трехмерному пространству, в которое она погружена. Для этого достаточно измерить площадь сферического треугольника и сумму его углов.

Слабые поля тяготения не оказывают существенного влияния на свойства окружающего пространства. Поэтому в них можно пользоваться евклидовой геометрией и специальной теорией относительности. В сильных полях тяготения, как, например, в попе тяготения Солнца, приходится учитывать искривление световых лучей его полем, и поэтому применять новую, неевклидову геометрию и общую теорию относительности. Поскольку в этой теории решающую роль играет именно тяготение, ее называют новой теорией тяготения, чтобы подчеркнуть отличие от старой теории тяготения Ньютона.

Эйнштейн так формулирует суть своей общей теории относительности:

Все тела отсчета равноценны для описания природы (формулировки общих законов природы), в каком бы состоянии движения они не находились.

Теперь мы в состоянии по-иному взглянуть на инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Различие между ними выражается, прежде всего, в том, что если в инерциальных системах все процессы и описывающие их законы являются одинаковыми по своей форме, то в неинерциальных системах они происходят по-другому.

Эйнштейн, опираясь на результаты электродинамики, в которой вводятся представления о полях действия электромагнитных сил, стал рассматривать тяжесть как силу, действующую в определенном поле тяготения. С этой точки зрения, камень падает на Землю потому, что на него действует поле тяготения Земли.

Равенство инертной массы тяжелой массе -- один из важных результатов общей теории относительности. Она считает равноценными все системы отсчетов, или координат, а не только инерциальные системы.

Очевидно, что по отношению к неинерциальной системе отсчета движение тела описывается иначе, в чем мы можем убедиться, если сидим в вагоне поезда, который начинает тормозить. В этом случае мы почувствуем толчок вперед, означающий, что в движении возникает торможение, или ускорение с отрицательным знаком. Там же, где появляется ускорение, возникает и соответствующее ему поле тяготения. В отличие от других полей, например электромагнитных, поле тяготения обладает одним замечательным свойством: все находящиеся в нем тела испытывают ускорение, не зависящее ни от материала, ни от их физического состояния. Поэтому кусок свинца и равный ему по массе кусок дерева ведут себя в таком поле совершенно одинаково: они падают на Землю вблизи ее поверхности с тем же самым ускорением, равным 9,81 м/с².

теория относительность эйнштейн

Заключение

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что теория относительности, разработанная А. Эйнштейном является неотъемлемой частью исследований, проводимых современными учеными. Результаты исследования можно свести к следующим выводам.

1. Теория относительности была 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 (то есть считалось движением абсолютным), то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено.

2. Всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат.

3. С философской точки зрения наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Именно благодаря воздействию тел с большими массами происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно гравитационное поле, создаваемое такими телами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира.

В настоящее время общая теория относительности -- бурно развивающаяся область современной физики. Это результат огромного прогресса наблюдательной астрономии, развития экспериментальной техники, впечатляющего продвижения в теории.

Список использованных источников

1. Аплекаев С.В. Теория относительности Энштейна. - М.: Лемар-пресс, 2005. - 330 с.

2. Левин. К.А. История рождения теории относительности // Возрождение естественных наук. - 2007. - №9. - С. 41-48

3. Пашков А.Г. Выдающиеся личности. - М.: МарТ, 2001. - 557 с.

4. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания.- М.: Проект, 2004. - 278 с.

5. Тарасов Л.В. Основы физики. - М.: СтарТ, 2005. - 436 с.

6. Уваров К.Н. Общая теория относительности. - СПб.: Питер, 2006. - 583 с.

7. Чижов Г.А. Справочных естественных наук. - М.: Владос, 2007. - 485 с.

Размещено на Allbest.ru