AT plačiąja prasme Reliatyvumo teorija apima specialiąją ir bendrąją reliatyvumo teoriją. Specialioji reliatyvumo teorija (SRT) nurodo procesus, kuriuos tiriant galima nepaisyti gravitacinių laukų; bendroji reliatyvumo teorija (GR) yra gravitacijos teorija, kuri apibendrina Niutono teoriją. Siaurąja prasme reliatyvumo teorija vadinama specialiąja reliatyvumo teorija.

SRT skirtumai nuo Niutono mechanikos

Pirmą kartą nauja teorija išstūmė 200 metų senumo Niutono mechaniką. Tai radikaliai pakeitė pasaulio suvokimą. klasikinė mechanika Niutonas pasirodė teisingas tik antžeminėmis ir artimomis sąlygomis: greičiais, daug mažesniais už šviesos greitį ir dydžiais, žymiai viršijančiais atomų ir molekulių dydžius, ir atstumais ar sąlygomis, kai gravitacijos sklidimo greitį galima laikyti begaliniu.

Niutono judėjimo sampratos buvo radikaliai pataisytos naujai gana giliai taikant judėjimo reliatyvumo principą. Laikas nebebuvo absoliutus (ir, pradedant nuo GR, netgi vienodas).

Be to, Einšteinas pakeitė pagrindinį požiūrį į laiką ir erdvę. Remiantis reliatyvumo teorija, laikas turi būti suvokiamas kaip beveik lygi erdvėlaikio komponentė (koordinatė), kuri gali dalyvauti koordinačių transformacijose, kai atskaitos sistema keičiasi kartu su įprastomis erdvinėmis koordinatėmis, kaip ir visos trys erdvinės koordinatės transformuojamos, kai įprastos trimatės koordinačių sistemos ašys pasukamos .

Taikymo sritis

SRT taikymo sritis

Specialioji reliatyvumo teorija taikoma tiriant kūnų judėjimą bet kokiu greičiu (įskaitant artimą šviesos greičiui arba jam lygų), kai nėra labai stiprių gravitacinių laukų.

GR taikymo sritis

Bendroji reliatyvumo teorija taikoma tiriant kūnų judėjimą bet kokiu greičiu bet kokio intensyvumo gravitaciniuose laukuose, jei galima nepaisyti kvantinių efektų.

Taikymas

STO programa

Specialioji reliatyvumo teorija fizikoje ir astronomijoje naudojama nuo XX a. Reliatyvumo teorija žymiai išplėtė fizikos supratimą apskritai, taip pat žymiai pagilino žinias elementariųjų dalelių fizikos srityje, suteikdama galingą impulsą ir rimtų naujų teorinių priemonių fizikos raidai, kurių svarbą vargu ar galima pervertinti.

GR taikymas

Šios teorijos pagalba kosmologija ir astrofizika sugebėjo tokius nuspėti neįprasti reiškiniai kaip neutroninės žvaigždės, juodosios skylės ir gravitacinės bangos.

Mokslo bendruomenės pritarimas

SRT priėmimas

Šiuo metu specialioji reliatyvumo teorija yra visuotinai priimta mokslo bendruomenėje ir sudaro šiuolaikinės fizikos pagrindą. Kai kurie pirmaujantys fizikai iš karto priėmė naująją teoriją, įskaitant Maxą Plancką, Hendrikasą Lorentzą, Hermanną Minkowskią, Richardą Tolmaną, Erwiną Schrödingerį ir kitus. Rusijoje, redaguojant Orestui Danilovičiui Khvolsonui, buvo išleistas garsusis bendrosios fizikos kursas, kuriame išsamiai išdėstyta specialioji reliatyvumo teorija ir aprašyti eksperimentiniai teorijos pagrindai. Tuo pat metu Nobelio premijos laureatai Philipas Lenardas, J. Starkas, J. J. Thomsonas išreiškė kritišką požiūrį į reliatyvumo teorijos nuostatas, diskusija su Maxu Abrahamu ir kitais mokslininkais pasirodė naudinga.

GR priėmimas

Ypač produktyvus buvo konstruktyvus esminių klausimų aptarimas bendroji teorija reliatyvumo teorija (Schrödinger ir kt.), tiesą sakant, ši diskusija tęsiasi iki šiol.

Bendroji reliatyvumo teorija (GR), mažiau nei SRT, yra eksperimentiškai patikrinta, joje yra keletas esminių problemų, ir žinoma, kad iki šiol kai kurios alternatyvios gravitacijos teorijos yra iš principo leistinos, tačiau dauguma jų tam tikru mastu galima laikyti tik GR modifikaciją. Vis dėlto, skirtingai nei daugelis alternatyvių teorijų, mokslinės bendruomenės teigimu, bendrasis reliatyvumas savo taikymo srityje iki šiol atitinka visus žinomus eksperimentinius faktus, įskaitant palyginti neseniai atrastus (pavyzdžiui, dar vienas galimas gravitacinių bangų egzistavimo patvirtinimas buvo neseniai rastas). Apskritai bendroji reliatyvumo teorija savo taikymo srityje yra „standartinė teorija“, tai yra, mokslo bendruomenė pripažįstama pagrindine.

Specialioji reliatyvumo teorija

Specialusis reliatyvumas (SRT) yra lokalios erdvėlaikio struktūros teorija. Pirmą kartą jį 1905 m. pristatė Albertas Einšteinas savo darbe „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“. Teorija aprašo judėjimą, mechanikos dėsnius, taip pat juos lemiančius erdvės ir laiko ryšius, esant bet kokiam judėjimo greičiui, įskaitant ir artimą šviesos greičiui. Klasikinė Niutono mechanika viduje specialioji teorija reliatyvumo teorija yra mažų greičių apytikslis rodiklis. SRT gali būti taikomas ten, kur galima įvesti inercines atskaitos sistemas (bent jau lokaliai); jis netaikomas stiprių gravitacinių laukų, iš esmės neinercinių atskaitos sistemų atvejams, ir pasaulinei Visatos geometrijai apibūdinti (išskyrus ypatingą plokščios tuščios stacionarios Visatos atvejį).

Specialusis reliatyvumas atsirado kaip klasikinės elektrodinamikos (įskaitant optiką) ir klasikinio Galilėjaus reliatyvumo principo prieštaravimo sprendimas. Pastarasis teigia, kad visi procesai inercinėse atskaitos sistemose vyksta vienodai, nepaisant to, ar sistema yra stacionari, ar yra vienodos ir vienodos būsenos. tiesinis judėjimas. Tai visų pirma reiškia, kad bet kuri mechaninis eksperimentai uždaroje sistemoje neleis be stebėjimo išorinių kūnų nustatyti, kaip jis juda, ar jo judėjimas yra tolygus ir tiesus. Tačiau optinis eksperimentai (pavyzdžiui, matuojant šviesos sklidimo įvairiomis kryptimis greitį) sistemos viduje iš esmės turėtų aptikti tokį judėjimą. Einšteinas išplėtė reliatyvumo principą elektrodinaminiams reiškiniams, kurie, pirma, leido apibūdinti beveik visą apskritimą fiziniai reiškiniai iš vieningos pozicijos, antra, tai leido paaiškinti Michelsono-Morley eksperimento rezultatus (kurio metu nerasta kvazinercinio Žemės judėjimo įtakos šviesos sklidimo greičiui). Pirmasis postulatas buvo reliatyvumo principas nauja teorija. Tačiau nuoseklus fizikinių reiškinių aprašymas išplėstinio reliatyvumo principo rėmuose tapo įmanomas tik atsisakius Niutono absoliučios euklido erdvės ir absoliutaus laiko ir sujungiant juos į naują geometrinę konstrukciją – pseudoeuklido erdvėlaikį. kurie atstumai ir laiko intervalai tarp įvykių yra transformuojami tam tikru būdu (per Lorenco transformacijas) priklausomai nuo atskaitos sistemos, iš kurios jie stebimi. Tam reikėjo įvesti papildomą principą – šviesos greičio nekintamumo postulatą. Taigi specialioji reliatyvumo teorija remiasi dviem postulatais:

1. Visi fiziniai procesai inercinėse atskaitos sistemose vyksta vienodai, neatsižvelgiant į tai, ar sistema stovi, ar yra tolygaus ir tiesinio judėjimo būsenoje.

Formaliai begalinio šviesos greičio ribose specialiosios reliatyvumo teorijos formulės virsta klasikinės mechanikos formulėmis.

1 pav. Materialaus taško reliatyvistinė mechanika. Autorius24 – internetinis keitimasis studentų darbais

Esant tokiam itin dideliam greičiui, su fiziniais dalykais pradeda vykti visiškai netikėti ir magiški procesai, tokie kaip laiko išsiplėtimas ir reliatyvistinis ilgio susitraukimas.

Atliekant reliatyvistinės mechanikos tyrimą, keičiasi kai kurių fizikinių dydžių formuluotės, kurios yra nusistovėjusios fizikoje.

Ši formulė, kurią žino beveik kiekvienas žmogus, parodo, kad masė yra absoliutus kūno energijos matas, taip pat parodo esminę medžiagos energetinio potencialo perėjimo į spinduliuotės energiją tikimybę.

Pagrindinis reliatyvistinės mechanikos dėsnis materialaus taško pavidalu parašytas taip pat, kaip ir antrasis Niutono dėsnis: $F=\frac(dp)(dT)$.

Reliatyvumo principas reliatyvistinėje mechanikoje

2 pav. Einšteino reliatyvumo teorijos postulatai. Autorius24 – internetinis keitimasis studentų darbais

Einšteino reliatyvumo principas reiškia visų egzistuojančių gamtos dėsnių nekintamumą laipsniško perėjimo nuo vienos inercinės nuorodos sampratos prie kitos atžvilgiu. Tai reiškia, kad visos formulės, apibūdinančios gamtos dėsnius, Lorenco transformacijose turi būti visiškai nekintamos. Iki to laiko, kai atsirado SRT, šią sąlygą tenkinanti teorija jau buvo pateikta Maxwello klasikinės elektrodinamikos. Tačiau visos Niutono mechanikos lygtys pasirodė absoliučiai nekintamos kitų mokslinių postulatų atžvilgiu, todėl SRT reikėjo peržiūrėti ir patobulinti mechaninius dėsnius.

Kaip pagrindą tokiai svarbiai peržiūrai, Einšteinas išreiškė reikalavimus dėl impulso ir vidinės energijos išsaugojimo dėsnio, kuris yra uždarose sistemose, įgyvendinamumo. Kad naujosios doktrinos principai išsipildytų visose inercinėse atskaitos sampratose, pasirodė svarbu ir svarbiausia pakeisti paties fizinio kūno impulso apibrėžimą.

Jei priimsime ir naudosime tokį apibrėžimą, tuomet visose inercinėse sistemose, tiesiogiai sujungtose Lorenco transformacijomis, pradės pildytis sąveikaujančių aktyviųjų dalelių baigtinio impulso išsaugojimo dėsnis (pavyzdžiui, staigių susidūrimų metu). Kai $β → 0$, reliatyvistinis vidinis impulsas automatiškai virsta klasikiniu. Masė $m$, įtraukta į pagrindinę impulso išraišką, yra pagrindinė mažiausios dalelės charakteristika, kuri nepriklauso nuo tolesnio atskaitos sąvokos pasirinkimo, taigi ir nuo jos judėjimo koeficiento.

Reliatyvistinis impulsas

3 pav. Reliatyvistinis impulsas. Autorius24 – internetinis keitimasis studentų darbais

Reliatyvistinis impulsas nėra proporcingas pradiniam dalelės greičiui, o jo pokyčiai nepriklauso nuo galimo elementų, sąveikaujančių inercinėje atskaitos sistemoje, pagreičio. Todėl krypties ir modulio pastovi jėga nesukelia tiesinės tolygiai pagreitintas judėjimas. Pavyzdžiui, vienmačio ir sklandaus judėjimo išilgai atveju centrinė ašis x visų dalelių pagreitis, veikiamas pastovios jėgos, yra lygus:

$a= \frac(F)(m)(1-\frac(v^2)(c^2))\frac(3)(2)$

Jei tam tikros klasikinės dalelės greitis, veikiant stabiliai jėgai, didėja neribotai, tai reliatyvistinės materijos greitis galiausiai negali viršyti šviesos greičio absoliučiame vakuume. Reliatyvistinėje mechanikoje, kaip ir Niutono dėsniuose, įvykdomas ir realizuojamas energijos tvermės dėsnis. Kinetinė energija materialus kūnas$Ek$ nustatomas pagal išorinį jėgos, reikalingos tam, kad ateityje būtų perduodamas nurodytas greitis, darbas. Norint pagreitinti elementariąją dalelę, kurios masė yra m, iš ramybės būsenos į greitį, veikiant pastoviam parametrui $F$, ši jėga turi veikti.

Be galo svarbi ir naudinga reliatyvistinės mechanikos išvada yra ta, kad masė $m$ pastovaus ramybės būsenoje turi neįtikėtiną energijos kiekį. Šis teiginys turi įvairių praktiniai pritaikymai, įskaitant branduolinės energijos sritį. Jei kurios nors dalelės ar elementų sistemos masė sumažėjo kelis kartus, tada energija, lygi $\Delta E = \Delta m c^2, turėtų būti išleista. $

Daugybė tiesioginių tyrimų pateikia įtikinamų įrodymų, kad egzistuoja poilsio energija. Pirmasis eksperimentinis Einšteino ryšio, kuris sieja tūrį ir masę, teisingumo įrodymas buvo gautas palyginus vidinę energiją, išsiskiriančią akimirksniu. radioaktyvusis skilimas, su koeficientų skirtumu galutiniai produktai ir originalus branduolys.

Masė ir energija reliatyvistinėje mechanikoje

4 pav. Impulsas ir energija reliatyvistinėje mechanikoje. Autorius24 – internetinis keitimasis studentų darbais

Klasikinėje mechanikoje kūno masė nepriklauso nuo judėjimo greičio. O reliatyvistinėje jis auga vis didėjančiu greičiu. Tai matyti iš formulės: $m=\frac(m_0)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

• $m_0$ – ramios būsenos materialaus kūno masė;
• $m$ yra fizinio kūno masė toje inercinėje atskaitos sąvokoje, kurios atžvilgiu jis juda greičiu $v$;
• $c$ yra šviesos greitis vakuume.

Masių skirtumas tampa matomas tik dideliu greičiu, artėjančiu prie šviesos greičio.

Kinetinė energija esant tam tikram greičiui, artėjančiam prie šviesos greičio, apskaičiuojama kaip tam tikras skirtumas tarp judančio kūno kinetinės energijos ir kūno kinetinės energijos ramybės būsenoje:

$T=\frac(mc^2)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

Kai greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį, ši išraiška virsta klasikine mechanikos kinetinės energijos formule: $T=\frac(1)(2mv^2)$.

Šviesos greitis visada yra ribinė vertė. greičiau už šviesą iš esmės joks fizinis kūnas negali judėti.

Daugelį užduočių ir problemų žmonija galėtų išspręsti, jei mokslininkams pavyktų sukurti universalius prietaisus, galinčius judėti greičiu, artėjančiu prie šviesos greičio. Kol kas apie tokį stebuklą žmonės gali tik pasvajoti. Tačiau kada nors skristi į kosmosą ar į kitas planetas reliatyvistiniu greičiu taps ne fantazija, o realybe.

Fizika ir redukcionizmas. Fizika ir matomumas. Reliatyvumo teorija.

Fizika ir redukcionizmas

Šioje temoje mes tarsi pateiksime šiuolaikinės pasaulio sandaros momentinį vaizdą. Vienas iš seniausių ir fundamentalieji mokslai- fizika. Fizika yra pagrindinis gamtos mokslų dalykas, nes pažodžiui išvertus iš Graikiškas žodis„fusis“ reiškia „gamta“. Taigi fizika yra gamtos mokslas. Fizika visada buvo laikoma mokslo žinių etalonu. Kokia prasme? Ne tai, kad suteiktų svarbiausias ir tikriausias žinias, o kad atskleidžiamos visai Visatai galiojančios tiesos apie kelių pagrindinių kintamųjų ryšį. Jos universalumas yra atvirkščiai proporcingas kintamųjų, kuriuos ji įveda į savo formules, skaičiui.

Kaip atomai ir kvarkai yra visatos „plytos“, taip fizikos dėsniai yra žinių „plytos“. Žinių „plytos“ yra fizikos dėsniai ne tik todėl, kad jie naudoja kai kuriuos pagrindinius ir universalius kintamuosius bei konstantas, veikiančias visoje Visatoje, bet ir todėl, kad moksle veikia redukcionizmo principas, teigiantis, kad vis sudėtingesni raidos dėsniai. yra sudėtingesni.realybės lygiai turi būti redukuoti iki paprastesnių lygių dėsnių.

Pavyzdžiui, atskleidžiami gyvybės dauginimosi genetikos dėsniai molekulinis lygis kaip DNR ir RNR molekulių sąveikos dėsniai. Įvairių materialaus pasaulio sričių dėsnių derinimu užsiima specialūs pasienio mokslai, tokie kaip molekulinė biologija, biofizika, biochemija, geofizika, geochemija ir kt.. Labai dažnai nauji mokslai formuojasi kaip tik senesnių disciplinų sandūrose.

Dėl redukcionizmo principo taikymo mokslo metodologijoje sferos kyla aštrių ginčų, tačiau pats paaiškinimas kaip toks visada apima paaiškinimo sumažinimą į žemesnį konceptualų lygmenį. Šia prasme mokslas tiesiog patvirtina savo racionalumą.

Fizikai teigia, kad joks kūnas Visatoje negali paklusti visuotinės gravitacijos dėsniui, o jei jo elgesys prieštarauja šiam dėsniui, kiti dėsniai trukdo. Lėktuvas nenukrenta ant žemės dėl savo konstrukcijos ir variklio. Erdvėlaivis įveikia Žemės gravitaciją dėl reaktyvinio kuro ir pan.. Nei orlaivis, nei erdvėlaivis neneigti visuotinės gravitacijos dėsnio, o naudoti veiksnius, kurie neutralizuoja jo veikimą.

Galite neigti filosofijos, religijos dėsnius, mistinius stebuklus, ir tai pripažįstama kaip normalu. Tačiau jie įtariai žiūri į žmogų, kuris neigia mokslo dėsnius, tarkime, visuotinės gravitacijos dėsnį. Šia prasme galime pasakyti, kad fizikos dėsniai yra mokslinio tikrovės suvokimo pagrindas.

Fizika ir matomumas

Dvi aplinkybės trukdo suprasti šiuolaikinę fiziką. Pirma, sudėtingiausio matematinio aparato naudojimas, kurį pirmiausia reikia ištirti. A. Einšteinas sėkmingai bandė įveikti šį sunkumą parašydamas vadovėlį, kuriame nėra vienos formulės. Tačiau yra ir kita aplinkybė, kuri pasirodo neįveikiama – negalėjimas kurti vizualinis modelisšiuolaikinės fizinės sąvokos: išlenkta erdvė; dalelė, kuri kartu yra banga ir tt Išeitis iš situacijos paprasta – nereikia net bandyti to daryti.

Fizikos (ir apskritai mokslo) pažanga siejama su laipsnišku tiesioginio matomumo atmetimu. Tarsi tokia išvada turėtų prieštarauti faktui, kad šiuolaikinis mokslas o fizika pirmiausia remiasi eksperimentu, tai yra empirine patirtimi, kuri vyksta žmogaus kontroliuojamomis sąlygomis ir gali būti atkurta bet kuriuo metu bet kokį skaičių kartų. Tačiau kai kurie tikrovės aspektai yra nematomi paviršutiniškam stebėjimui, o matomumas gali būti klaidinantis. Aristotelio mechanika rėmėsi principu: „Judantis kūnas sustoja, jeigu jį stumianti jėga nustoja veikti“. Paaiškėjo, kad jis atitinka tikrovę vien todėl, kad nebuvo pastebėta, jog kūno sustojimo priežastis yra trintis. Gaminti teisinga išvada, prireikė eksperimento, kuris nebuvo tikras eksperimentas, neįmanomas Ši byla, bet idealus eksperimentas.

Tokį eksperimentą atliko didysis italų mokslininkas Galilėjus Galilėjus, knygos „Dialogas ant dviejų“ autorius pagrindinės sistemos pasaulis, Ptolemėjas ir Kopernikas“ (1632). Tam, kad minties eksperimentas tapo įmanoma, tam reikėjo idealiai lygaus korpuso ir tobulai lygaus paviršiaus, kuris pašalina trintį. Galilėjaus eksperimentas, priėjęs prie išvados, kad jei niekas neveikia kūno judėjimo, jis gali tęstis neribotą laiką, tapo klasikinės Niutono mechanikos pagrindu (prisiminkime tris judėjimo dėsnius nuo mokyklos mokymo programa fizika). 1686 metais Izaokas Niutonas Karališkajai Londono draugijai pristatė savo „Matematinius gamtos filosofijos principus“, kuriame suformulavo pagrindinius judėjimo dėsnius, visuotinės gravitacijos dėsnį, masės, inercijos ir pagreičio sąvokas. Taigi minties eksperimentų dėka tapo įmanomas naujas mechanistinis pasaulio vaizdas.

Galbūt garsieji Galilėjaus minties eksperimentai buvo įkvėpti iškilaus lenkų mokslininko Nikolajaus Koperniko (1473–1543) sukurtos heliocentrinės pasaulio sistemos, kuri tapo dar vienu tiesioginio matomumo atmetimo pavyzdžiu. Pagrindinis Koperniko veikalas „Apie dangaus pasaulių revoliuciją“ apibendrino daugiau nei 30 metų jo pastebėjimus ir apmąstymus šiais klausimais. Danų astronomas Tycho Brahe (1546-1601) 1588 m. aiškumo dėlei iškėlė hipotezę, pagal kurią visos planetos sukasi aplink Saulę, išskyrus Žemę, pastaroji nejuda, o Saulė su planetomis ir Mėnulis sukasi aplink jį. Ir tik Johanesas Kepleris (1571–1630), nustatęs tris savo vardu pavadintus planetų judėjimo dėsnius (pirmuosius du – 1609 m., trečiąjį – 1618 m.), galutinai patvirtino Koperniko mokymo pagrįstumą.

Taigi šiuolaikinio mokslo pažangą lėmė idealizuotos idėjos, kurios lūžta su tiesiogine tikrove. Tačiau XX amžiaus fizika verčia atsisakyti ne tik tiesioginės vizualizacijos, bet ir vizualizacijos kaip tokios. Tai neleidžia vaizduoti fizinės tikrovės, bet leidžia geriau suvokti Einšteino žodžių, kad " fizinės sąvokos yra laisvi žmogaus proto kūriniai ir nėra vienareikšmiškai nulemti išorinio pasaulio“ (Einstein A., Infeld L. Fizikos evoliucija. - P. 30). „Siekdami suprasti tikrovę, esame panašūs į žmogų, kuris nori suprasti uždaro laikrodžio mechanizmą. Jis mato ciferblatą ir judančias rodykles, net girdi tiksėjimą, bet neturi galimybių atidaryti jų dėklo. Jei jis yra šmaikštus, jis gali nupiešti tam tikrą mechanizmo paveikslą, kuris atitiktų viską, ką jis stebi, bet jis niekada negali būti visiškai tikras, kad jo paveikslas yra vienintelis, galintis paaiškinti jo pastebėjimus“ (Ten pat - C). . trisdešimt).

Mokslinių idėjų vizualizavimo atmetimas yra neišvengiama kaina, kurią reikia sumokėti už perėjimą prie gilesnių tikrovės lygmenų, neatitinkančių evoliuciškai susiformavusių žmogaus suvokimo mechanizmų, tyrimo.

Reliatyvumo teorija

Net klasikinėje mechanikoje buvo žinomas Galilėjaus reliatyvumo principas: „Jei mechanikos dėsniai galioja vienoje koordinačių sistemoje, tai jie galioja bet kurioje kitoje sistemoje, judančioje tiesia linija ir tolygiai pirmosios atžvilgiu“ (Einstein A., Infeld L. . Fizikos evoliucija.- S. 130). Tokios sistemos vadinamos inercinėmis, nes judėjimas jose paklūsta inercijos dėsniui, kuris sako: „Kiekvienas kūnas išlaiko ramybės būseną arba vienodą tiesinį judėjimą, nebent jis būtų priverstas ją pakeisti veikiamas varomosios jėgos“ (Ten pat – S. 126).

XX amžiaus pradžioje paaiškėjo, kad reliatyvumo principas galioja ir optikoje bei elektrodinamikoje, t.y., kitose fizikos šakose. Reliatyvumo principas išplėtė savo prasmę ir dabar skambėjo taip: bet koks procesas vyksta vienodai izoliuotoje materialioje sistemoje ir toje pačioje sistemoje, kuri yra vienodo tiesinio judėjimo būsenoje. Arba: fizikos dėsniai turi tą pačią formą visose inercinėse atskaitos sistemose.

Po to, kai fizikai atsisakė minties apie eterio, kaip bendros terpės, egzistavimą, standartinio atskaitos rėmo idėja taip pat žlugo. Visos atskaitos sistemos buvo pripažintos lygiavertėmis, o reliatyvumo principas tapo universalus. Reliatyvumas reliatyvumo teorijoje reiškia, kad visos atskaitos sistemos yra vienodos ir nėra nė vieno, kuris turėtų pranašumų prieš kitus (kurio atžvilgiu eteris būtų nejudantis).

Perėjimas iš vieno inercinio rėmo į kitą buvo atliktas pagal Lorenco transformacijas. Tačiau eksperimentiniai duomenys apie šviesos greičio pastovumą lėmė paradoksą, kuriam išspręsti reikėjo įdiegti iš esmės naujas idėjas.

Toliau pateiktas pavyzdys padės tai išsiaiškinti. Tarkime, kad plaukiame laivu, judančiu tiesia linija ir tolygiai kranto atžvilgiu. Visi judėjimo dėsniai čia išlieka tokie patys kaip ir krante. Bendras judėjimo greitis bus nustatomas pagal judėjimo laive ir paties laivo judėjimo sumą. Esant greičiui, nutolusiam nuo šviesos greičio, tai nesukelia nukrypimų nuo klasikinės mechanikos dėsnių. Bet jei mūsų laivas pasiekia greitį, artimą šviesos greičiui, tada laivo ir laivo greičio suma gali viršyti šviesos greitį, kuris iš tikrųjų negali būti, nes pagal Michelson-Morley eksperimentą , „šviesos greitis visose sistemų koordinatėse visada yra vienodas, nepriklausomai nuo to, ar spinduliuojantis šaltinis juda, ar ne, ir nepriklausomai nuo to, kaip jis juda“ (Einstein A., Infeld L. Cit. - P. 140).

Bandydamas įveikti iškilusius sunkumus, 1904 m. X. Lorentzas pasiūlė, kad judantys kūnai trauktųsi jų judėjimo kryptimi (o susitraukimo koeficientas priklauso nuo kūno greičio), o tariami laiko intervalai matuojami skirtingose ​​atskaitos sistemose. Tačiau kitais metais A. Einšteinas tariamą laiką Lorenco transformacijose interpretavo kaip teisingą.

Kaip ir Galilėjus, Einšteinas panaudojo minties eksperimentą, pavadintą „Einšteino traukiniu“. „Įsivaizduokime stebėtoją, važiuojantį traukiniu ir matuojantį šviesos greitį, kurį skleidžia lempos kelio pusėje, t.y. judantį greičiu C atskaitos sistemoje, kurios atžvilgiu traukinys juda V greičiu. greičio sudėjimo teorema, stebėtojas, keliaujantis traukiniu, turėjo priskirti šviesai, sklindančią traukinio kryptimi, greitį C - V. (Prigožijus I., Stengers I. Tvarka iš chaoso. - P. 87). Tačiau šviesos greitis veikia kaip universali gamtos konstanta.

Atsižvelgdamas į šį prieštaravimą, Einšteinas pasiūlė atsisakyti erdvės ir laiko savybių absoliutumo ir nekintamumo idėjos. Ši išvada prieštarauja sveikam protui ir tam, ką Kantas pavadino kontempliacijos sąlygomis, nes neįsivaizduojame jokios kitos erdvės, išskyrus trimatę, ir jokio kito laiko, išskyrus vienmatę. Tačiau mokslas nebūtinai turi vadovautis sveiku protu ir nekintančiomis jautrumo formomis. Pagrindinis jos kriterijus yra teorijos ir eksperimento atitikimas. Einšteino teorija atitiko šį kriterijų ir buvo priimta. Vienu metu mintis, kad Žemė yra apvali ir juda aplink Saulę, taip pat atrodė prieštaraujanti sveikam protui ir stebėjimui, tačiau pasirodė, kad tai tiesa.

Erdvė ir laikas filosofijoje ir moksle tradiciškai laikomi pagrindinėmis materijos egzistavimo formomis, atsakingomis už atskirų materijos elementų išdėstymą vienas kito atžvilgiu ir už reguliarų vienas po kito einančių reiškinių koordinavimą. Buvo atsižvelgta į erdvės ypatybes homogeniškumas- tos pačios savybės visomis kryptimis ir izotropija- savybių nepriklausomumas nuo krypties. Laikas taip pat buvo laikomas vienalyčiu, t. y. bet koks procesas iš principo yra kartojamas po tam tikro laiko. Šios savybės yra susijusios su pasaulio simetrija, kuri turi didelę reikšmę už savo žinias. Erdvė buvo vertinama kaip trimatė, o laikas – kaip vienmatė ir einanti viena kryptimi – iš praeities į ateitį. Laikas yra negrįžtamas, tačiau visuose fiziniuose dėsniuose niekas nesikeičia nuo laiko ženklo pakeitimo į priešingą, todėl fiziškai ateitis nesiskiria nuo praeities.

Mokslo istorijoje žinomos dvi erdvės sampratos: erdvė yra nekintanti kaip materijos talpykla (Newtono požiūriu) ir erdvė, kurios savybės siejamos su joje esančių kūnų savybėmis (Leibnizo požiūris). Remiantis reliatyvumo teorija, bet kuris kūnas nustato erdvės geometriją.

Iš specialiosios reliatyvumo teorijos išplaukia, kad kūno ilgis (paprastai atstumas tarp dviejų materialūs taškai) ir jame vykstančių procesų trukmė (taip pat ir ritmas) yra ne absoliučios, o santykinės reikšmės. Artėjant šviesos greičiui, sulėtėja visi sistemoje vykstantys procesai, sumažėja kūno išilginiai (išilgai judėjimo) matmenys, o vienam stebėtojui tuo pačiu metu vykstantys įvykiai kitam, judančiam jo atžvilgiu, pasirodo skirtingu laiku. . „Strypas susitrauks iki nulio, jei jo greitis pasieks šviesos greitį... laikrodis visiškai sustotų, jei galėtų judėti šviesos greičiu“ (Einstein A., Infeld L. Cit. op. - P. 158).

Eksperimentiškai buvo patvirtinta, kad dalelė (pavyzdžiui, nukleonas) gali pasireikšti kaip sferinė dalelė jos atžvilgiu lėtai judančios dalelės atžvilgiu ir kaip diskas, suplokštas judėjimo kryptimi krintančios dalelės atžvilgiu. tai labai dideliu greičiu. Atitinkamai, lėtai judančio įkrauto pi-mezono tarnavimo laikas yra maždaug 10–8 sek., o greitai judančio (beveik šviesos greičiu) yra daug kartų ilgesnis. Taigi erdvė ir laikas yra bendrosios materialių reiškinių koordinavimo formos, o ne savarankiškai egzistuojančios nepriklausomai nuo būties pradžios materijos.

Einšteino sukurtas Galilėjaus reliatyvumo principo suvienodinimas su vienalaikiškumo reliatyvumu vadinamas Einšteino reliatyvumo principu. Reliatyvumo samprata tapo viena pagrindinių šiuolaikinio gamtos mokslo sąvokų.

Specialiojoje reliatyvumo teorijoje erdvės ir laiko savybės nagrinėjamos neatsižvelgiant į gravitacinius laukus, kurie nėra inerciniai. Bendroji reliatyvumo teorija išplečia gamtos dėsnius į viską, įskaitant neinercines sistemas. Bendroji reliatyvumo teorija gravitaciją susiejo su elektromagnetizmu ir mechanika. Ji pakeitė Niutono mechaninį visuotinės gravitacijos dėsnį lauko gravitacijos dėsniu. „Schemiškai galime pasakyti: perėjimas nuo Niutono gravitacijos dėsnio bendrojoje reliatyvumo teorijoje tam tikru mastu yra panašus į perėjimą nuo elektrinių skysčių teorijos ir Kulono dėsnio prie Maksvelo teorijos“ (Einstein A., Infeld L. Cit. op. - P. 196). O štai fizika nuo realybės perėjo prie lauko teorijos.

Tris šimtmečius fizika buvo mechanistinė ir buvo susijusi tik su medžiaga. Tačiau „Maksvelo lygtys apibūdina struktūrą elektromagnetinis laukas. Šių dėsnių arena yra visa erdvė, o ne tik taškai, kuriuose yra medžiaga ar krūviai, kaip yra mechaninių dėsnių atveju“ (Ten pat – p. 120). Lauko idėja nugalėjo mechanizmą.

Maksvelo lygtys „nesusieja, kaip Niutono dėsniai, su dviem plačiai atskirtais įvykiais; jos nesusieja įvykių čia su ten esančiomis sąlygomis. Laukas čia ir dabar priklauso nuo ką tik praėjusio momento artimiausioje kaimynystėje esančio lauko“ (Ten pat – p. 120). Tai iš esmės naujas momentas lauko pasaulio paveiksle. Elektromagnetinės bangos sklinda šviesos greičiu erdvėje ir gravitacinis laukas veikia panašiai.

Gravitacinį lauką sukuriančios masės pagal bendrąją reliatyvumo teoriją išlenkia erdvę ir keičia laiko eigą. Kuo stipresnis laukas, tuo laikas teka lėčiau, palyginti su laiku už lauko ribų. Gravitacija priklauso ne tik nuo masių pasiskirstymo erdvėje, bet ir nuo jų judėjimo, nuo kūnuose esančio slėgio ir įtampų, nuo elektromagnetinių ir visų kitų fizikinių laukų. Pakeitimai gravitacinis laukas pasiskirsto vakuume šviesos greičiu. Einšteino teorijoje materija turi įtakos erdvės ir laiko savybėms.

Pereinant prie kosminių mastelių, erdvės geometrija nustoja būti euklidiška ir keičiasi iš vienos srities į kitą priklausomai nuo masių tankio šiuose regionuose ir jų judėjimo. Metagalaktikos mastu erdvės geometrija keičiasi laikui bėgant dėl ​​metagalaktikos plėtimosi. Kai greitis artėja prie šviesos greičio, esant stipriam laukui, erdvė patenka į vienaskaitos būseną, ty susitraukia į tašką. Per šį suspaudimą mega pasaulis sąveikauja su mikro pasauliu ir daugeliu atžvilgių pasirodo panašus į jį. Klasikinė mechanika išlieka galiojanti kaip ribinis atvejis, kai greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį ir masė yra daug mažesnė nei masė mega pasaulyje.

Reliatyvumo teorija parodė erdvės ir laiko vienybę, išreikštą bendru jų charakteristikų pasikeitimu, priklausomai nuo masių koncentracijos ir jų judėjimo. Laikas ir erdvė nebebuvo laikomi nepriklausomai vienas nuo kito ir kilo erdvės ir laiko keturmačio kontinuumo idėja.

Reliatyvumo teorija taip pat susiejo masę ir energiją ryšiu E=MC 2 , kur C yra šviesos greitis. Reliatyvumo teorijoje „du dėsniai – masės tvermės dėsnis ir energijos tvermės dėsnis – prarado vienas nuo kito nepriklausomą galiojimą ir pasirodė esąs sujungti į vieną dėsnį, kurį galima pavadinti energijos tvermės dėsniu. arba masė" (Heisenbergas V. Fizika ir filosofija. Dalis ir visuma.- M., 1989.- S. 69). Anihiliacijos fenomenas, kai dalelė ir antidalelė vienas kitą naikina, ir kiti mikrokosmoso fizikos reiškiniai patvirtina šią išvadą.

Taigi, reliatyvumo teorija remiasi šviesos greičio pastovumo postulatais ir gamtos dėsnių vienodumu visose fizinėse sistemose, o pagrindiniai jos rezultatai yra šie: kosmoso laikas; masės ir energijos reliatyvumas; lygiavertiškumas sunkiųjų ir inertinė masė(pasekmė to, ką pastebėjo Galilėjus, kad visi kūnai, nepaisant jų sudėties ir masės, patenka į gravitacinį lauką tokiu pačiu pagreičiu).

Iki XX amžiaus buvo atrasti materijos (Niutonas) ir lauko (Maksvelas) funkcionavimo dėsniai. XX amžiuje ne kartą buvo bandoma sukurti vieningą lauko teoriją, kuri apjungtų realų ir lauko reprezentacijas, tačiau nesėkmingai.

1967 m. buvo iškelta hipotezė apie tachionų dalelių, kurios juda didesniu nei šviesos greitis, buvimą. Jei ši hipotezė kada nors pasitvirtins, gali būti, kad iš paprastam žmogui labai nepatokaus reliatyvumo pasaulio, kuriame pastovus tik šviesos greitis, vėl grįšime į labiau pažįstamą pasaulį, kuriame yra absoliuti erdvė. primena patikimą namą su sienomis ir stogu. Tačiau kol kas tai tik svajonės, apie kurių realumą greičiausiai bus kalbama tik III tūkst.

Šios dalies pabaigoje pacituosime žodžius iš Heisenbergo knygos „Dalis ir visuma“ apie tai, ką reiškia supratimas kaip toks. „Suprasti“ – tai, matyt, reiškia įvaldyti idėjas, sąvokas, kurių pagalba galime svarstyti didžiulę įvairovę skirtingų reiškinių vientisu ryšiu, kitaip tariant, „uždengti“ juos. Mūsų mintis nurimsta, kai sužinome, kad kažkas konkretaus, akivaizdaus paini situacija yra tik kažkokia bendresnė pasekmė, todėl ją galima suformuluoti paprasčiau. Reiškinių margos įvairovės redukavimas į bendrą ir paprastą pirmąjį principą arba, kaip graikai pasakytų, „daugelis“ į „vieną“, yra būtent tai, ką mes vadiname „supratimu“. Gebėjimas nuspėti įvykį skaitiniu būdu dažnai yra supratimo, teisingų sąvokų turėjimo pasekmė, tačiau jis nėra tiesiogiai tapatus supratimui“ (Heisenbergas V. Fizika ir filosofija. Dalis ir visuma. - M., 1989. - P. 165 ).

Reliatyvumo teorijoje sistemos pasirinkimas priklauso nuo kūnų buvimo ir jų judėjimo, kuris turi būti aprašytas pasirinktoje atskaitos sistemoje. Paprastai tariant, šiuolaikinėje fizikoje ir astronomijoje nėra inercinės atskaitos sistemos. Galima kalbėti tik apie tai, kiek ši sistema yra artima inercinei.

Kiek skiriasi vienoda laiko eiga skirtingose ​​susietų judančių atskaitos sistemose nuo įprastų šiuolaikinis žmogus greičiai? Ar įmanoma tai pastebėti? Prieš penkiasdešimt metų atsakymai į šiuos klausimus buvo neigiami. Laikrodžiai, kuriuos žmonija naudojo tiek kasdieniame gyvenime, tiek fizinėse laboratorijose laikui matuoti, buvo primityvūs mechaniniai prietaisai, kurių dažnio paklaida dažnai viršija sekundę per dieną. Jų tikslumas buvo per mažas, kad laikui bėgant būtų galima nustatyti reliatyvistinius efektus.

Yra du pagrindiniai reliatyvistiniai efektai, turintys įtakos laiko greičiui. Pirmasis yra greitis. Jei laikrodis priklauso skirtingos sistemos nuoroda, iš kurių vienas juda antrojo atžvilgiu, tada pirmosios sistemos laikrodis eis lėčiau. Jei nustatysime dviejų laikrodžių vienalaikiškumą tam tikru laiko momentu, tai kadangi judančioje sistemoje laiko greitis bus lėtesnis, laikrodžiai joje atsiliks. Kuo ilgesnis laiko intervalas tarp laikrodžio stebėjimų, tuo labiau laikrodis atsilieka nuo judančios atskaitos sistemos. Tarkime, šiuolaikiniam orlaiviui, skrendančiam garso greičiu (300 m/sek), vienos valandos skrydžio laikrodžio dažnio skirtumas bus nanosekundės.

Antrasis greitį veikiantis efektas yra gravitacinių potencialų skirtumas. Du vienas kito atžvilgiu ramybės būsenos laikrodžiai, esantys skirtinguose erdvės taškuose, eis skirtingu greičiu. Vietoje, kur gravitacijos jėga silpnesnė, laikrodis eis greičiau.

Tegu vienas laikrodis pastatomas jūros lygyje, o antrasis ant 10 km aukščio kalno. Tada antrasis laikrodis veiks greičiau, o laiko skirtumas per valandą bus 3,6 nanosekundės.

Tokiu tikslumu laikrodžio dažnį registruoti tapo įmanoma, kai atominiai ir vandenilio laikrodžiai buvo sukurti ne prastesniu nei maždaug vienos valandos tikslumu.

Šiuolaikiniai laikrodžiai yra daug tikslesni. Jų pagalba fizikai sugebėjo išmatuoti laiko tėkmės netolygumus dviese įvairių taškų erdvė.

Vienu atveju tai buvo italų mokslininkų atliktas eksperimentas. Jie sinchronizavo du laikrodžius. Vieną laikrodį jie paliko Fizikos fakultete, o antrąjį sunkvežimiu išvežė į kalnus ir sumontavo 3250 metrų aukštyje virš jūros lygio. Po 66 dienų laukimo jie nuleido antrąjį laikrodį ir palygino rodmenis. Eksperimentas visiškai sutiko su Einšteino teorija! Valandos, kurios buvo ant kalno, ėjo į priekį, valandos, kurios liko jūros lygyje, atsiliko.

Tada keturi vienodi laikrodžiai buvo įkelti į įprastus lėktuvus ir leidosi į kelionę. Du laikrodžiai į rytus, du į vakarus (kadangi bendras greitis buvo lėktuvo greičio ir Žemės sukimosi greičio suma, laikrodžių greičiai inercinio rėmo atžvilgiu buvo skirtingi). Po skrydžio pasaulis Laikrodis buvo iškrautas ir lyginami jų rodmenys. Nors matavimų paklaidos buvo gana didelės (įvykis įvyko 1971 m.), abejonių nekilo – eksperimentas patvirtino reliatyvumo teorijos prognozes, patvirtino A. Einšteino teisingumą ir nustatė eksperimentinį nelygumo poveikio pagrindą. laikrodžiai.

1975 metais buvo atliktas specialus didelio tikslumo eksperimentas, skirtas išmatuoti virš Česapiko įlankos (netoli Potomako upės žiočių, JAV) skridusio lėktuvo laikrodžio netaisyklingumą. Laikrodžio tikslumas iki to laiko pasiektas. Lėktuvas skrido 15 valandų, per kurias valandas buvo lėktuve priešaky laikrodžiai Žemėje dėl kintančio gravitacinio potencialo netolygumo (orlaivis pakilo ir leidosi), taip pat dėl ​​laiko slinkimo netolygumo dėl atskaitos rėmo judėjimo nejudančio laikrodžio atžvilgiu. Žemėje likę laikrodžiai skaičiavo laiką buvimą gravitaciniame lauke su didele potencialo verte, orlaivyje esantys laikrodžiai skaičiavo laiką gravitaciniame lauke, kurio gravitacinio potencialo vertė buvo mažesnė. Šis laikrodžio dažnių skirtumas 15 valandų skrydžio pasiekė 53 nanosekundes. Tuo pačiu metu laive esantys laikrodžiai judėjo ramybės būsenos Žemės paviršiaus laikrodžių atžvilgiu, atsilikdami nuo jų. Šis poveikis buvo daug mažesnis. 15 valandų skrydžio atsilikimas buvo tik 6 nanosekundės. Abu efektai lėmė 47 nanosekundžių laikrodį. Netolygios kelionės matavimo tikslumas buvo geresnis nei vienas procentas! Taigi, atlikus tiesioginius matavimus, buvo parodytas laiko tėkmės nehomogeniškumas skirtinguose erdvės taškuose ir skirtingose ​​koordinačių sistemose.

www.pereplet.ru/pops/sazhin/node3.html

Specialioji, arba privati ​​reliatyvumo teorija, yra erdvės-laiko struktūros teorija. Pirmą kartą jį 1905 m. pristatė Albertas Einšteinas savo darbe „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“. Teorija aprašo judėjimą, mechanikos dėsnius, taip pat juos lemiančius erdvės ir laiko ryšius, esant judėjimo greičiui, artimam šviesos greičiui. Klasikinė Niutono mechanika specialiosios reliatyvumo teorijos rėmuose yra mažų greičių aproksimacija.

Bendroji reliatyvumo teorija

Bendroji reliatyvumo teorija yra gravitacijos teorija, kurią Einšteinas sukūrė 1905–1917 m. Is tolimesnis vystymas specialioji reliatyvumo teorija. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje postuluojama, kad gravitaciniai efektai atsiranda ne dėl kūnų ir laukų jėgų sąveikos, o dėl paties erdvėlaikio, kuriame jie yra, deformacijos. Ši deformacija visų pirma susijusi su masės energijos buvimu.

Nuorodos

• Bendroji reliatyvumo teorija – Erdvės ir laiko kontinuumas (rusų k.) – Tiesiog apie kompleksą.
• Specialioji reliatyvumo teorija (rusų kalba) – tiesiog apie kompleksą.

Wikimedia fondas. 2010 m.

Pažiūrėkite, kas yra „reliatyvistinė fizika“ kituose žodynuose:

Fizika ir realybė– A. Einšteino straipsnių rinkinys „FIZIKA IR REALYBĖ“, parašytas m skirtingi laikotarpiai jo kūrybinis gyvenimas. Rus. leidimas M., 1965. Knygoje atsispindi pagrindinės didžiojo fiziko epistemologinės ir metodologinės pažiūros. Tarp jų… … Epistemologijos ir mokslo filosofijos enciklopedija

- (RTG) gravitacijos teorija, pagrįsta gravitacinio lauko kaip simetrinio tensorinio fizinio valentingumo 2 lauko vaizdavimu Minkovskio erdvėje. Sukūrė Rusijos mokslų akademijos akademikas A. A. Logunovas su grupe ... ... Vikipedija

– (gr. τὰ φυσικά – gamtos mokslas, iš φύσις – gamta) – mokslo kompleksas. studijuojančias disciplinas bendrosios savybės struktūros, sąveikos ir materijos judesiai. Pagal šias užduotis modernus F. labai sąlyginai galima suskirstyti į tris dideles ... ... Filosofinė enciklopedija

Hiperbranduolinė fizika – fizikos šaka, esanti branduolinės fizikos ir elementariųjų dalelių fizikos sankirtoje, kurioje tiriama į branduolį panašios sistemos, kuriose, be protonų ir neutronų, yra ir kitų elementariosios dalelės hiperonai. Taip pat ... ... Vikipedija

Fizikos šaka, tirianti dalelių dinamiką greitintuvuose, taip pat daugybę techninių problemų, susijusių su dalelių greitintuvų konstrukcija ir veikimu. Greitintuvų fizika apima klausimus, susijusius su dalelių gamyba ir kaupimu ... Wikipedia

FIZIKA. 1. Fizikos dalykas ir struktūra F. paprasčiausiai ir kartu daugiausiai tiriantis mokslas. mus supančio materialaus pasaulio objektų bendrosios savybės ir judėjimo dėsniai. Dėl šio bendrumo nėra gamtos reiškinių, kurie neturėtų fizinių savybių. savybės... Fizinė enciklopedija

Reliatyvistinė mechanika yra fizikos šaka, kuri laiko mechanikos dėsnius (kūnų ir dalelių judėjimo dėsnius) greičiu, panašiu į šviesos greitį. Esant daug mažesniam nei šviesos greitis, jis patenka į klasikinę (niutono) ... ... Vikipediją

Fizikos šaka, skirta branduoliniams procesams tirti, kai dalelės, sudarančios branduolinę medžiagą, juda greičiu, artimu šviesos greičiui c. R. I. f. susiformavo 1970 72 dėl eksperimentų su reliatyvistinių branduolių pluoštais, ... ... Fizinė enciklopedija

I. Fizikos dalykas ir sandara Fizika yra mokslas, tiriantis paprasčiausius ir kartu bendriausius gamtos reiškinių modelius, materijos savybes ir sandarą bei jos judėjimo dėsnius. Todėl F sąvokos ir jo dėsniai yra visko pagrindas ... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

Įvairių fizinių reiškinių pavyzdžiai Fizika (iš kitų graikų φύσις ... Vikipedija

Knygos

• Didelės srovės reliatyvistinių elektronų pluoštų fizika, A. A. Rukhadze, L. S. Bogdankevičius, S. E. Rosinskis, V. G. Rukhlinas. Sistemingai pristatomi impulsinių didelės srovės elektronų pluoštų fizikos pagrindai ir jų sąveika su plazma. Įvairios pusiausvyros konfigūracijos, formavimas ir…