| |||
|
| Введение |
| Здесь я хотел бы рассмотреть очень интересную физическую теорию - теорию относительности. |
| СТАТЬЯ |
|
Специальная теория относительности
Специальная теория относительности (СТО), частная теория относительности — теория, описывающая поведение тел при их движении с околосветовыми скоростями. Главными законами кинематики при движении с околосветовыми скоростями являются преобразования Лоренца (заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского движения). Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же «событий», наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта. Именно они приводят к таким знаменитым эффектам, как замедление хода времени и сокращение длины быстродвижущихся тел, существование предельной скорости движения тела, относительность понятия одновременности (два события происходят одновременно по часам в одной системе отсчета, но в разные моменты времени по часам в другой системе отсчета). При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, перестает быть справедливым при скоростях, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела уже имеют более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. С точки зрения математической структуры теории, непривычные свойства СТО есть результат необычной структуры пространства-времени Минковского, а конкретно, того факта, что метрика пространства-времени (1,-1,-1,-1), а не (-1,-1,-1,-1). Вращения в этом четырёхмерном пространстве-времени, «смешивающие» временную и одну из пространственных координат, «выглядят» для нас как переход в движущуюся систему отсчета и сильно непохожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. Комментарии * Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат повседневной интуиции, повседневному «здравому смыслу». Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. Жизнеспособность теории определяется ее самонепротиворечивостью и способностью описывать и предсказывать экспериментально наблюдаемые факты. С этим СТО успешно справляется. Так, в частности, эффекты теории относительности не только были найдены в Природе, но и вовсю используются человеком. * Очень распространено ошибочное мнение, что с увеличением скорости растёт масса тела (откуда часто делается вывод, что при достаточно большой скорости любое тело превратится в чёрную дыру из-за своей слишком большой массы). Это — заблуждение. Причина его известна: если, игнорируя требования физики, пытаться навязать телу второй закон Ньютона и при релятивистских скоростях, то единственный выход будет ввести растущую со скоростью «массу». Однако поскольку при больших скоростях правильные законы движения отличаются для сил, действующих вдоль и поперек движения, потребуется вводить две различные «массы»: продольную и поперечную, что совершенно запутывает картину. Ну и наконец, даже если ввести эти новые «массы» (математически это не запрещено), то гравитация всё равно будет порождаться той «старой» массой, которая от скорости никак не зависит. Такова настоящая цена желания насильно упростить законы релятивистской динамики. Для того, чтобы избежать путаницы, принято называть массой тела ту величину, которая стоит в частных уравнениях теории относительности. Эта масса — константа. ---------------------- Вот формулировка СТО Скорость НИКАКОГО тела не может быть произвольно большой,никакое тело не может двигатся со скоростью света(с),равной с=299 792 кмсек ----------------------------------- 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. Но крупнейший советский теоретик Л. И. Мандельштам в своих лекциях по теории относительности разъяснял: «Название «принцип относительности» — одно из самых неудачных. Утверждается независимость явлений от неускоренного движения замкнутой системы. Это вводит в заблуждение многие умы». На неудачность названия указывал и один из творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной геометрической форме, — Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: «… термин «постулат относительности» для требования инвариантности по отношению к группе , кажется мне слишком бедным. Так как смысл постулата сводится к тому, что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат абсолютного мира». Таким образом, мы видим, что названия «принцип относительности» и «теория относительности» не отражают истинного содержания теории. 1 ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 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. Между тем ее принципиальный внутренний недостаток был ясен еще самому Ньютону. Это теория с дальнодействием: в ней гравитационное действие одного тела на другое передается мгновенно, без запаздывания. Ньютоновская гравитация так же соотносится с общей теорией относительности, как закон Кулона с максвелловской электродинамикой. Максвеллу удалось изгнать дальнодействие из электродинамики. В гравитации это сделал Эйнштейн. Начать рассказ следует с замечательной работы Эйнштейна 1905 года, в которой была сформулирована специальная теория относительности и которая завершила в идейном отношении развитие классической электродинамики. У этой работы несомненно были предшественники, среди которых нельзя не упомянуть работы Лоренца и Пуанкаре. В их статьях уже содержались многие элементы специальной теории относительности. Однако ясное понимание, цельная картина физики больших скоростей появились лишь в упомянутой работе Эйнштейна. Не случайно, несмотря на наличие прекрасных современных учебников, ее до сих нор можно рекомендовать для первого знакомства с предметом не только студентам, но и старшеклассникам. Что же касается ОТО, то все ее основополагающие элементы были созданы Эйнштейном. Впрочем, предчувствие того, что физика может быть связана с кривизной пространства, можно найти в трудах замечательных ученых прошлого века Гаусса, Римана, Гельмгольца, Клиффорда. Гаусс, который пришел к идеям неевклидовой геометрии несколько ранее Лобачевского и Бойаи, но так и не опубликовал своих исследований в этой области, не только считал, что «геометрию приходится ставить в один ряд не с арифметикой, существующей чисто a priori, а скорее с механикой». Он пытался проверить экспериментально, путем точных (для того времени) измерений геометрию нашего пространства. Его идея вдохновила Римана, полагавшего, что наше пространство действительно искривлено (а на малых расстояниях даже дискретно). Жесткие ограничения на кривизну пространства были получены из астрономических данных Гельмгольцем. Клиффорд считал материю рябью на искривленном пространстве. Однако все эти блестящие догадки и прозрения были явно преждевременны. 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. Окончательно задача была решена им в двух работах, доложенных на заседаниях Прусской Академии наук в Берлине 18 и 25 ноября 1915 года. В них были сформулированы уравнения гравитационного поля в пустоте и при наличии источников. 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. Специальная теория относительности (СТО) — фундаментальная физическая теория пространственно-временных свойств всех физических процессов. Основой СТО 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. 1.1 Принцип эквивалентности и геометризация тяготения Факт этот по существу был установлен еще Галилеем. Он хорошо известен каждому успевающему старшекласснику: 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. 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 90o долготы, и экватора (рис. 1). Сумма углов этого сферического треугольника отнюдь не равна сумме углов π, 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. Иными словами, K (или R) является внутренней характеристикой сферы. Величину K принято называть гауссовой кривизной, она естественным образом обобщается на произвольную гладкую поверхность: Здесь углы и площадь относятся к малому треугольнику на поверхности, ограниченному линиями кратчайших расстояний на ней, а кривизна, вообще говоря, меняется от точки к точке, является величиной локальной. И в общем случае, так же как и для сферы, K служит внутренней характеристикой поверхности, не зависящей от ее погружения в трехмерное пространство. Гауссова кривизна не меняется при изгибании поверхности без ее разрыва и растяжения. Так, например, конус или цилиндр можно разогнуть в плоскость, и поэтому для них, так же как для плоскости, K = 0. На соотношения (3), (4) полезно взглянуть несколько иначе. Вернемся к рисунку 1. Возьмем на полюсе вектор, направленный вдоль одного из меридианов, и перенесем его вдоль этого меридиана, не меняя угла между ними (в данном случае нулевого), на экватор. Далее, перенесем его вдоль экватора, снова не меняя угла между ними (на сей раз π/2), на второй меридиан. И наконец, таким же образом вернемся вдоль второго меридиана на полюс. Легко видеть, что, в отличие от такого же переноса по замкнутому контуру на плоскости, вектор окажется в конечном счете повернутым относительно своего исходного направления на π/2, или на Этот результат, поворот вектора при его переносе вдоль замкнутого контура на угол, пропорциональный охваченной площади, естественным образом обобщается не только на произвольную двумерную поверхность, но и на многомерные неевклидовы пространства. Однако в общем случае n-мерного пространства кривизна не сводится к одной скалярной величине K (x). Это более сложный геометрический объект, имеющий n2(n2 — 1)/12 компонентов. Его называют тензором кривизны, или тензором Римана, а сами эти пространства — римановыми. В четырехмерном римановом пространстве-времени общей теории относительности тензор кривизны имеет 20 компонентов. |
| Выводы |
|
Вкратце СТО можно охарактеризовать так: Скорость никакого тела не может быть равна скорости света, т.к. доказано,что при увеличении скорости увеличивается и масса тела.При скорости тела равной скорости света,масса тела теоретически становится БЕСКОНЕЧНОЙ.Поэтому,со скоростью света может двигатся лишь частица,чья масса равна 0,то есть фотон.Фотон двигается со скоростю света, а не двигатся не может по определению.Остановить же фотон НЕЛЬЗЯ.
Надеюсь,вас заинтересовала физика и вы прочтёте что-нибудь ещё на эту тему в Интернете.Статью я составил сам с помщью различных сайтов,дописал кое-что от себя... |
| Рефераты |
| Открытая Энциклопедия |
