LA în sens larg Teoria relativității include relativitatea generală și specială. Teoria specială a relativității (SRT) se referă la procese în studiul cărora câmpurile gravitaționale pot fi neglijate; teoria generală a relativității (GR) este o teorie a gravitației care o generalizează pe cea a lui Newton. Într-un sens restrâns, teoria relativității se numește teoria specială a relativității.

Diferențele SRT față de mecanica newtoniană

Pentru prima dată, o nouă teorie a înlocuit mecanica veche de 200 de ani a lui Newton. A schimbat radical percepția asupra lumii. mecanica clasica Newton s-a dovedit a fi adevărat doar în condiții terestre și apropiate de acestea: la viteze mult mai mici decât viteza luminii și dimensiuni care depășesc semnificativ dimensiunile atomilor și moleculelor și la distanțe sau condiții în care viteza de propagare a gravitației poate fi considerată infinită. .

Conceptele newtoniene de mișcare au fost corectate radical printr-o nouă aplicare destul de profundă a principiului relativității mișcării. Timpul nu mai era absolut (și, începând de la GR, chiar uniform).

Mai mult, Einstein a schimbat viziunile fundamentale asupra timpului și spațiului. Conform teoriei relativității, timpul trebuie perceput ca o componentă (coordonată) aproape egală a spațiului-timp, care poate participa la transformările de coordonate atunci când sistemul de referință se schimbă împreună cu coordonatele spațiale obișnuite, la fel cum toate cele trei coordonate spațiale sunt transformate atunci când axele unui sistem de coordonate tridimensional convențional sunt rotite.

Domeniul de aplicabilitate

Domeniul de aplicare al SRT

Teoria specială a relativității este aplicabilă pentru a studia mișcarea corpurilor cu orice viteză (inclusiv cele apropiate sau egale cu viteza luminii) în absența câmpurilor gravitaționale foarte puternice.

Domeniul de aplicare al GR

Teoria generală a relativității este aplicabilă studiului mișcării corpurilor cu orice viteză în câmpuri gravitaționale de orice intensitate, dacă efectele cuantice pot fi neglijate.

Aplicație

Aplicația STO

Teoria specială a relativității a fost folosită în fizică și astronomie încă din secolul al XX-lea. Teoria relativității a extins în mod semnificativ înțelegerea fizicii în ansamblu și, de asemenea, a aprofundat semnificativ cunoștințele în domeniul fizicii particulelor elementare, dând un impuls puternic și noi instrumente teoretice serioase pentru dezvoltarea fizicii, a căror importanță poate fi cu greu. supraestimat.

Aplicarea GR

Cu ajutorul acestei teorii, cosmologia și astrofizica au putut să prezică astfel de lucruri fenomene neobișnuite precum stelele neutronice, găurile negre și undele gravitaționale.

Acceptarea de către comunitatea științifică

Acceptarea SRT

În prezent, teoria specială a relativității este general acceptată în comunitatea științifică și formează baza fizicii moderne. Unii dintre principalii fizicieni au acceptat imediat noua teorie, inclusiv Max Planck, Hendrik Lorentz, Hermann Minkowski, Richard Tolman, Erwin Schrödinger și alții. În Rusia, sub conducerea lui Orest Danilovici Khvolson, a fost publicat faimosul curs de fizică generală, care a prezentat în detaliu teoria relativității speciale și o descriere a fundamentelor experimentale ale teoriei. În același timp, laureații Nobel Philip Lenard, J. Stark, J. J. Thomson și-au exprimat o atitudine critică față de prevederile teoriei relativității, o discuție cu Max Abraham și alți oameni de știință s-a dovedit a fi utilă.

Adoptarea GR

Deosebit de productivă a fost discuția constructivă a problemelor fundamentale teorie generală relativitatea (Schrödinger et al.), de fapt, această discuție continuă și astăzi.

Teoria generală a relativității (GR), într-o măsură mai mică decât SRT, este verificată experimental, conține mai multe probleme fundamentale și se știe că până acum unele dintre teoriile alternative ale gravitației sunt admisibile în principiu, dintre care majoritatea însă, poate fi considerat într-o oarecare măsură doar o modificare GR. Cu toate acestea, spre deosebire de multe dintre teoriile alternative, conform comunității științifice, relativitatea generală în domeniul său de aplicabilitate corespunde până acum tuturor faptelor experimentale cunoscute, inclusiv celor descoperite relativ recent (de exemplu, o altă posibilă confirmare a existenței undelor gravitaționale a fost găsit recent). În general, relativitatea generală este în domeniul său de aplicabilitate o „teorie standard”, adică recunoscută de comunitatea științifică drept principală.

Teoria specială a relativității

Relativitatea specială (SRT) este o teorie a structurii locale a spațiu-timpului. A fost introdus pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein în lucrarea sa „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Teoria descrie mișcarea, legile mecanicii, precum și relațiile spațiu-timp care le determină, cu orice viteză de mișcare, inclusiv pe cele apropiate de viteza luminii. Mecanica newtoniană clasică în interior teorie specială relativitatea este o aproximare pentru viteze mici. SRT poate fi aplicat acolo unde este posibil să se introducă cadre de referință inerțiale (cel puțin local); este inaplicabil pentru cazurile de câmpuri gravitaționale puternice, în esență cadre de referință non-inerțiale și pentru descrierea geometriei globale a Universului (cu excepția cazului particular al unui Univers staționar plat gol).

Relativitatea specială a apărut ca o rezoluție a unei contradicții între electrodinamica clasică (inclusiv optică) și principiul clasic galileian al relativității. Acesta din urmă susține că toate procesele din cadrele de referință inerțiale decurg în același mod, indiferent dacă sistemul este staționar sau este într-o stare uniformă și uniformă. mișcare rectilinie. Aceasta înseamnă, în special, că orice mecanic experimentele într-un sistem închis nu vor face posibilă determinarea, fără a observa corpurile exterioare acestuia, cum se mișcă, dacă mișcarea sa este uniformă și rectilinie. in orice caz optic experimentele (de exemplu, măsurarea vitezei luminii în diferite direcții) în interiorul sistemului, în principiu, ar fi trebuit să detecteze o astfel de mișcare. Einstein a extins principiul relativității la fenomenele electrodinamice, ceea ce, în primul rând, a făcut posibilă descrierea aproape întregului cerc. fenomene fizice dintr-o poziție unificată și, în al doilea rând, a făcut posibilă explicarea rezultatelor experimentului Michelson-Morley (în care nu s-a găsit nicio influență a mișcării cvasi-inerțiale a Pământului asupra vitezei de propagare a luminii). Principiul relativității a fost primul postulat noua teorie. Cu toate acestea, o descriere consistentă a fenomenelor fizice în cadrul principiului extins al relativității a devenit posibilă doar cu prețul abandonării spațiului euclidian absolut newtonian și al timpului absolut și combinării lor într-un nou construct geometric - spațiu-timp pseudo-euclidian, în care distante si intervale de timp dintre evenimente sunt transformate intr-un anumit mod (prin transformari Lorentz) in functie de cadrul de referinta din care sunt observate. Acest lucru a necesitat introducerea unui principiu suplimentar - postulatul invarianței vitezei luminii. Astfel, teoria relativității speciale se bazează pe două postulate:

1. Toate procesele fizice din cadrele de referință inerțiale decurg în același mod, indiferent dacă sistemul este staționar sau este într-o stare de mișcare uniformă și rectilinie.

Formal, în limita vitezei infinite a luminii, formulele teoriei speciale a relativității se transformă în formulele mecanicii clasice.

Figura 1. Mecanica relativistă a unui punct material. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

La astfel de viteze ultra-înalte, procese complet neașteptate și magice încep să apară cu lucruri fizice, cum ar fi dilatarea timpului și contracția relativistică a lungimii.

În cadrul studiului mecanicii relativiste se modifică formulările unor mărimi fizice care sunt bine stabilite în fizică.

Această formulă, care este cunoscută de aproape fiecare persoană, arată că masa este o măsură absolută a energiei corpului și, de asemenea, demonstrează probabilitatea fundamentală a tranziției potențialului energetic al unei substanțe în energia radiației.

Legea de bază a mecanicii relativiste sub forma unui punct material este scrisă în același mod ca a doua lege a lui Newton: $F=\frac(dp)(dT)$.

Principiul relativității în mecanica relativistă

Figura 2. Postulatele teoriei relativității a lui Einstein. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Principiul relativității lui Einstein implică invarianța tuturor legilor naturii existente în ceea ce privește trecerea treptată de la un concept inerțial de referință la altul. Aceasta înseamnă că toate formulele care descriu legile naturale trebuie să fie complet invariante sub transformările Lorentz. În momentul în care a apărut SRT, o teorie care satisface această condiție fusese deja prezentată de electrodinamica clasică a lui Maxwell. Cu toate acestea, toate ecuațiile mecanicii newtoniene s-au dovedit a fi absolut non-invariante în raport cu alte postulate științifice și, prin urmare, SRT a necesitat o revizuire și o rafinare a legilor mecanice.

Ca bază pentru o revizuire atât de importantă, Einstein a exprimat cerințele pentru fezabilitatea legii conservării impulsului și a energiei interne, care se găsesc în sistemele închise. Pentru ca principiile noii învățături să fie îndeplinite în toate conceptele inerțiale de referință, sa dovedit a fi importantă și primordială schimbarea definiției impulsului corpului fizic însuși.

Dacă acceptăm și folosim o astfel de definiție, atunci legea conservării impulsului finit al particulelor active care interacționează (de exemplu, în timpul coliziunilor bruște) va începe să fie îndeplinită în toate sistemele inerțiale conectate direct prin transformări Lorentz. Ca $β → 0$, impulsul intern relativist se transformă automat în cel clasic. Masa $m$, care este inclusă în expresia principală pentru impuls, este caracteristica fundamentală a celei mai mici particule, care nu depinde de alegerea ulterioară a conceptului de referință și, în consecință, de coeficientul mișcării sale.

Elan relativist

Figura 3. Elan relativist. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Impulsul relativist nu este proporțional cu viteza inițială a particulei, iar modificările acesteia nu depind de posibila accelerație a elementelor care interacționează în cadrul de referință inerțial. Prin urmare, o forță constantă în direcție și modul nu provoacă un rectiliniu mișcare uniform accelerată. De exemplu, în cazul mișcării unidimensionale și netede de-a lungul axa centrală x accelerația tuturor particulelor sub influența unei forțe constante se dovedește a fi egală cu:

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

Dacă viteza unei anumite particule clasice crește la nesfârșit sub acțiunea unei forțe stabile, atunci viteza materiei relativiste nu poate depăși în cele din urmă viteza luminii în vid absolut. În mecanica relativistă, la fel ca în legile lui Newton, legea conservării energiei este îndeplinită și realizată. Energie kinetică corp material$Ek$ se determină în ceea ce privește munca externă a forței necesare pentru a comunica viteza dată în viitor. Pentru a accelera o particulă elementară de masă m dintr-o stare de repaus la o viteză sub influența unui parametru constant $F$, această forță trebuie să lucreze.

O concluzie extrem de importantă și utilă a mecanicii relativiste este că masa $m$ în repaus constant conține o cantitate incredibilă de energie. Această afirmație are diverse aplicații practice, inclusiv domeniul energiei nucleare. Dacă masa oricărei particule sau a unui sistem de elemente a scăzut de mai multe ori, atunci ar trebui eliberată energia egală cu $\Delta E = \Delta m c^2. $

Numeroase studii directe oferă dovezi convingătoare pentru existența energiei de repaus. Prima dovadă experimentală a corectitudinii relației lui Einstein, care leagă volumul și masa, a fost obținută prin compararea energiei interne eliberate în timpul dezintegrare radioactivă, cu diferența de coeficienți produse finaleși nucleul original.

Masa și energia în mecanica relativistă

Figura 4. Momentul și energia în mecanica relativistă. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

În mecanica clasică, masa unui corp nu depinde de viteza de mișcare. Iar în cea relativistă, crește cu viteză tot mai mare. Acest lucru poate fi văzut din formula: $m=\frac(m_0)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

• $m_0$ este masa unui corp material în stare calmă;
• $m$ este masa corpului fizic în acel concept de referință inerțială, în raport cu care se mișcă cu viteza $v$;
• $c$ este viteza luminii în vid.

Diferența de mase devine vizibilă doar la viteze mari care se apropie de viteza luminii.

Energia cinetică la viteze specifice care se apropie de viteza luminii este calculată ca o anumită diferență între energia cinetică a unui corp în mișcare și energia cinetică a unui corp în repaus:

$T=\frac(mc^2)(√1-\frac(v^2)(c^2))$.

La viteze mult mai mici decât viteza luminii, această expresie se transformă în formula mecanică clasică pentru energia cinetică: $T=\frac(1)(2mv^2)$.

Viteza luminii este întotdeauna o valoare limită. mai rapid decat luminaîn principiu, niciun corp fizic nu se poate mișca.

Multe sarcini și probleme ar putea fi rezolvate de omenire dacă oamenii de știință ar reuși să dezvolte dispozitive universale capabile să se miște cu o viteză apropiată de viteza luminii. Până acum, oamenii nu pot decât să viseze la un astfel de miracol. Dar, într-o zi, zborul în spațiu sau către alte planete cu o viteză relativistă nu va deveni o fantezie, ci o realitate.

Fizica și reducționismul. Fizica si vizibilitate. Teoria relativitatii.

Fizica și reducționismul

În acest subiect, vom oferi, parcă, un instantaneu al structurii moderne a lumii. Una dintre cele mai vechi și stiinte fundamentale- fizică. Fizica este principala științe naturale, deoarece este tradus literal din cuvânt grecesc„fusis” înseamnă „natura”. Deci fizica este știința naturii. Fizica a fost întotdeauna considerată standardul cunoștințelor științifice. In ce sens? Nu că oferă cele mai importante și adevărate cunoștințe, ci că dezvăluie adevăruri valabile pentru întregul Univers, despre relația mai multor variabile de bază. Versatilitatea ei este invers proporțională cu numărul de variabile pe care le introduce în formulele sale.

După cum atomii și quarcii sunt „cărămizile” universului, tot așa legile fizicii sunt „cărămizile” cunoașterii. „Cărămizile” cunoașterii sunt legile fizicii nu numai pentru că folosesc niște variabile și constante de bază și universale care operează în tot Universul, ci și pentru că în știință funcționează principiul reducționismului, care spune că legi din ce în ce mai complexe ale dezvoltării. sunt mai complexe.nivelurile de realitate trebuie reduse la legile nivelurilor mai simple.

De exemplu, legile reproducerii vieții în genetică sunt dezvăluite pe nivel molecular ca legile interacțiunii dintre moleculele de ADN și ARN. Științe speciale de frontieră, cum ar fi biologia moleculară, biofizica, biochimia, geofizica, geochimia etc., sunt angajate în coordonarea legilor diferitelor zone ale lumii materiale.Foarte adesea, științe noi se formează tocmai la joncțiunile disciplinelor mai vechi.

În ceea ce privește sfera de aplicabilitate a principiului reducționismului în metodologia științei, există dispute acerbe, dar explicația însăși ca atare presupune întotdeauna reducerea explicatului la un nivel conceptual inferior. În acest sens, știința pur și simplu își confirmă raționalitatea.

Fizicienii spun că niciun corp din Univers nu se poate supune legii gravitației universale, iar dacă comportamentul său contrazice această lege, atunci alte legi intervin. Avionul nu cade la sol datorită designului și motorului său. Nava spațială învinge gravitația Pământului datorită combustibilului pentru avioane etc. Nici aeronava, nici nava spatiala nu negați legea gravitației universale, ci folosiți factori care îi neutralizează acțiunea.

Puteți nega legile filozofiei, religiei, miracolele mistice, iar acest lucru este recunoscut ca fiind normal. Dar se uită cu suspiciune la o persoană care neagă legile științei, să zicem legea gravitației universale. În acest sens, putem spune că legile fizicii stau la baza înțelegerii științifice a realității.

Fizica si vizibilitate

Două circumstanțe împiedică înțelegerea fizicii moderne. În primul rând, utilizarea celui mai complex aparat matematic, care trebuie mai întâi studiat. A. Einstein a făcut o încercare reușită de a depăși această dificultate scriind un manual în care nu există o singură formulă. Dar există o altă împrejurare care se dovedește a fi insurmontabilă - imposibilitatea de a crea model vizual concepte fizice moderne: spațiu curbat; o particulă care este simultan o undă etc. Ieșirea din situație este simplă - nu este nevoie nici măcar să încerci să o faci.

Progresul fizicii (și al științei în general) este asociat cu respingerea treptată a vizibilității directe. De parcă o asemenea concluzie ar trebui să contrazică faptul că stiinta moderna iar fizica se bazează în primul rând pe experiment, adică pe experiență empirică care are loc în condiții controlate de om și poate fi reprodusă în orice moment de orice număr de ori. Dar lucrul este că unele aspecte ale realității sunt invizibile pentru observația superficială, iar vizibilitatea poate induce în eroare. Mecanica lui Aristotel s-a bazat pe principiul: „Un corp în mișcare se oprește dacă forța care îl împinge încetează să acționeze”. S-a dovedit a corespunde realității pur și simplu pentru că nu s-a observat că motivul pentru care corpul se oprește este frecarea. A face concluzie corectă, a fost nevoie de un experiment care nu a fost un experiment real, imposibil în acest caz, dar un experiment ideal.

Un astfel de experiment a fost realizat de marele om de știință italian Galileo Galilei, autorul Dialogului pe doi sisteme majore lume, ptolemaic și copernican” (1632). Pentru aceasta experiment de gândire a devenit posibil, a necesitat ideea unui corp perfect neted și a unei suprafețe perfect netede care elimină frecarea. Experimentul lui Galileo, care a condus la concluzia că, dacă nimic nu afectează mișcarea unui corp, acesta poate continua la infinit, a devenit baza mecanicii clasice a lui Newton (amintiți-vă cele trei legi ale mișcării din curiculumul scolar fizică). În 1686, Isaac Newton și-a prezentat „Principiile matematice ale filosofiei naturale” Societății Regale din Londra, în care a formulat legile de bază ale mișcării, legea gravitației universale, conceptele de masă, inerție și accelerație. Astfel, datorită experimentelor de gândire, a devenit posibilă o nouă imagine mecanicistă a lumii.

Poate că celebrele experimente de gândire ale lui Galileo au fost inspirate de crearea sistemului heliocentric al lumii de către remarcabilul om de știință polonez Nicolaus Copernic (1473-1543), care a devenit un alt exemplu de respingere a vizibilității directe. Lucrarea principală a lui Copernic „Despre revoluția lumilor cerești” a rezumat observațiile și reflecțiile sale asupra acestor probleme de mai bine de 30 de ani. Astronomul danez Tycho Brahe (1546-1601), pentru a salva claritatea, a înaintat în 1588 o ipoteză conform căreia toate planetele se învârt în jurul Soarelui cu excepția Pământului, acesta din urmă este nemișcat și Soarele cu planete și Luna se învârte în jurul ei. Și numai Johannes Kepler (1571-1630), după ce a stabilit trei legi ale mișcărilor planetare care îi poartă numele (primele două - în 1609, a treia - în 1618), a confirmat în cele din urmă valabilitatea învățăturilor lui Copernic.

Așadar, progresul științei moderne a fost determinat de idei idealizate care rup de realitatea imediată. Cu toate acestea, fizica secolului al XX-lea ne obligă să renunțăm nu numai la vizualizarea directă, ci și la vizualizarea ca atare. Acest lucru împiedică reprezentarea realității fizice, dar permite să ne dăm seama mai bine de validitatea cuvintelor lui Einstein care „ concepte fizice sunt creații libere ale minții umane și nu sunt determinate fără ambiguitate de lumea exterioară ”(Einstein A., Infeld L. Evoluția fizicii. - P. 30). „În încercarea noastră de a înțelege realitatea, suntem oarecum ca o persoană care vrea să înțeleagă mecanismul unui ceas închis. Vede cadranul și mâinile în mișcare, chiar aude ticăitul, dar nu are niciun mijloc de a le deschide carcasa. Dacă este plin de duh, el poate face pentru sine o anumită imagine a mecanismului care ar corespunde cu tot ceea ce observă, dar nu poate fi niciodată destul de sigur că imaginea lui este singura care ar putea explica observațiile sale ”(Ibid. - C .treizeci).

Respingerea vizibilității ideilor științifice este un preț inevitabil de plătit pentru trecerea la studiul unor niveluri mai profunde ale realității care nu corespund mecanismelor dezvoltate evolutiv ale percepției umane.

Teoria relativitatii

Chiar și în mecanica clasică, principiul relativității lui Galileo era cunoscut: „Dacă legile mecanicii sunt valabile într-un sistem de coordonate, atunci ele sunt valabile în orice alt sistem care se mișcă rectiliniu și uniform în raport cu primul” (Einstein A., Infeld L. Evoluţia fizicii.- S. 130). Astfel de sisteme se numesc inerțiale, deoarece mișcarea în ele respectă legea inerției, care spune: „Fiecare corp își păstrează o stare de repaus sau o mișcare rectilinie uniformă, cu excepția cazului în care este forțat să o schimbe sub influența forţe motrice„(Ibid. - S. 126).

La începutul secolului al XX-lea, a devenit clar că principiul relativității este valabil și în optică și electrodinamică, adică în alte ramuri ale fizicii. Principiul relativității și-a extins sensul și acum suna așa: orice proces se desfășoară în același mod într-un sistem material izolat și în același sistem, care se află într-o stare de mișcare rectilinie uniformă. Sau: legile fizicii au aceeași formă în toate cadrele de referință inerțiale.

După ce fizicienii au abandonat ideea existenței eterului ca mediu general, s-a prăbușit și ideea unui cadru de referință standard. Toate cadrele de referință au fost recunoscute ca echivalente, iar principiul relativității a devenit universal. Relativitatea în teoria relativității înseamnă că toate cadrele de referință sunt aceleași și nu există niciunul care să aibă avantaje față de ceilalți (față de care eterul ar fi nemișcat).

Trecerea de la un cadru inerțial la altul a fost efectuată în conformitate cu transformările Lorentz. Cu toate acestea, datele experimentale privind constanța vitezei luminii au condus la un paradox, a cărui rezolvare a necesitat introducerea unor idei fundamental noi.

Următorul exemplu va ajuta la clarificarea acestui lucru. Să presupunem că navigăm pe o navă care se deplasează în linie dreaptă și uniform față de țărm. Toate legile mișcării rămân aceleași aici ca pe țărm. Viteza totală de mișcare va fi determinată de suma mișcării pe navă și a mișcării navei în sine. La viteze departe de viteza luminii, acest lucru nu duce la abateri de la legile mecanicii clasice. Dar dacă nava noastră atinge o viteză apropiată de viteza luminii, atunci suma vitezei navei și a navei poate depăși viteza luminii, ceea ce de fapt nu poate fi, deoarece, în conformitate cu experimentul Michelson-Morley , „viteza luminii este întotdeauna aceeași în toate coordonatele sistemelor, indiferent dacă sursa radiantă se mișcă sau nu și indiferent de modul în care se mișcă” (Einstein A., Infeld L. Cit. cit. - P. 140).

Încercând să depășească dificultățile apărute, în 1904 X. Lorentz a sugerat că corpurile în mișcare se contractă în direcția mișcării lor (iar coeficientul de contracție depinde de viteza corpului) și că intervalele de timp aparente sunt măsurate în diferite cadre de referință. . Dar anul viitor, A. Einstein a interpretat ca adevărat timpul aparent din transformările Lorentz.

La fel ca Galileo, Einstein a folosit un experiment de gândire numit „trenul lui Einstein”. „Să ne imaginăm un observator care se deplasează într-un tren și măsoară viteza luminii emise de lămpile de pe marginea drumului, adică se deplasează cu viteza C într-un cadru de referință în raport cu care trenul se deplasează cu viteza V. Potrivit clasicului teorema adiției vitezei, un observator care călătorește într-un tren, ar fi trebuit să atribuie luminii care se propagă în direcția trenului, viteza C - V. (Prigozhiy I., Stengers I. Ordinea din haos. - P. 87). Cu toate acestea, viteza luminii acționează ca o constantă universală a naturii.

Având în vedere această contradicție, Einstein și-a propus să abandoneze ideea de absolutitate și imuabilitate a proprietăților spațiului și timpului. Această concluzie este contrară bunului simț și a ceea ce Kant a numit condițiile contemplației, deoarece nu ne putem imagina niciun spațiu în afară de tridimensional și nici un alt timp decât unidimensional. Dar știința nu trebuie neapărat să urmeze bunul simț și forme neschimbate de sensibilitate. Principalul criteriu pentru aceasta este corespondența dintre teorie și experiment. Teoria lui Einstein a îndeplinit acest criteriu și a fost acceptată. La un moment dat, ideea că Pământul este rotund și se mișcă în jurul Soarelui părea să fie, de asemenea, contrară bunului simț și observației, dar s-au dovedit a fi adevărate.

Spațiul și timpul au fost considerate în mod tradițional în filosofie și știință ca principalele forme ale existenței materiei, responsabile de aranjarea elementelor individuale ale materiei unele față de altele și de coordonarea regulată a fenomenelor succesive. Au fost luate în considerare caracteristicile spațiului omogenitate- aceleași proprietăți în toate direcțiile și izotropie- independența proprietăților față de direcție. De asemenea, timpul a fost considerat omogen, adică orice proces este, în principiu, repetabil după o anumită perioadă de timp. Aceste proprietăți sunt asociate cu simetria lumii, care are mare importanță pentru cunoștințele lui. Spațiul a fost considerat ca fiind tridimensional, iar timpul ca unidimensional și merge într-o singură direcție - din trecut în viitor. Timpul este ireversibil, dar în toate legile fizice, nimic nu se schimbă de la schimbarea semnului timpului la invers și, prin urmare, din punct de vedere fizic, viitorul nu se poate distinge de trecut.

În istoria științei, sunt cunoscute două concepte de spațiu: spațiul este neschimbător ca recipient al materiei (vederea lui Newton) și spațiul, ale cărui proprietăți sunt asociate cu proprietățile corpurilor din el (viziunea lui Leibniz). În conformitate cu teoria relativității, orice corp determină geometria spațiului.

Din teoria relativității speciale rezultă că lungimea unui corp (în general, distanța dintre doi puncte materiale) și durata (precum și ritmul) proceselor care au loc în ea nu sunt valori absolute, ci relative. Când se apropie de viteza luminii, toate procesele din sistem încetinesc, dimensiunile longitudinale (de-a lungul mișcării) ale corpului sunt reduse, iar evenimentele care sunt simultane pentru un observator se dovedesc a fi în momente diferite pentru o altă mișcare în raport cu acesta. . „Tija se va micșora la zero dacă viteza sa atinge viteza luminii... ceasul s-ar opri complet dacă s-ar putea mișca cu viteza luminii” (Einstein A., Infeld L. Op. citat - P. 158).

S-a confirmat experimental că o particulă (de exemplu, un nucleon) se poate manifesta ca o particulă sferică în raport cu o particulă care se mișcă lent în raport cu aceasta și ca un disc aplatizat în direcția mișcării în raport cu o particulă incidentă pe acesta la o viteză foarte mare. În mod corespunzător, durata de viață a unui pi-mezon încărcat cu mișcare lentă este de aproximativ 10 ~ 8 secunde, în timp ce cea a unuia care se mișcă rapid (la viteza aproape de lumină) este de multe ori mai lungă. Deci, spațiul și timpul sunt forme generale de coordonare a fenomenelor materiale și nu există independent independent de materia începutului ființei.

Unificarea lui Einstein a principiului relativității lui Galileo cu relativitatea simultaneității se numește principiul relativității lui Einstein. Conceptul de relativitate a devenit unul dintre conceptele principale în știința naturală modernă.

În teoria relativității speciale, proprietățile spațiului și timpului sunt luate în considerare fără a ține cont de câmpurile gravitaționale, care nu sunt inerțiale. Relativitatea generală extinde legile naturii la orice, inclusiv la sistemele non-inerțiale. Teoria generală a relativității a legat gravitația cu electromagnetismul și mecanica. Ea a înlocuit legea mecanicistă a gravitației universale a lui Newton cu legea câmpului gravitației. „Schematic, putem spune: trecerea de la legea gravitației lui Newton în relativitatea generală este într-o oarecare măsură similară cu trecerea de la teoria fluidelor electrice și legea lui Coulomb la teoria lui Maxwell” (Einstein A., Infeld L. Citat op. - p. 196). Și aici fizica a trecut de la teoria reală la teoria câmpului.

Timp de trei secole, fizica a fost mecanicistă și s-a ocupat doar de materie. Dar „ecuațiile lui Maxwell descriu structura câmp electromagnetic. Arena acestor legi este tot spațiul, și nu doar punctele în care se află materia sau sarcinile, așa cum este cazul legilor mecanice ”(Ibid. - P. 120). Ideea de câmp a câștigat mecanismul.

Ecuațiile lui Maxwell „nu leagă, așa cum fac legile lui Newton, două evenimente larg separate; ele nu leagă evenimentele de aici cu condițiile de acolo. Câmpul aici și acum depinde de câmpul din imediata vecinătate în momentul care tocmai a trecut” (Ibid. - P. 120). Acesta este un moment esențial nou în imaginea de teren a lumii. Undele electromagnetice se propagă cu viteza luminii în spațiu și câmpul gravitațional acționează în mod similar.

Masele care creează câmpul gravitațional, conform teoriei generale a relativității, îndoaie spațiul și schimbă cursul timpului. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât timpul curge mai lent în comparație cu timpul din afara câmpului. Gravitația depinde nu numai de distribuția maselor în spațiu, ci și de mișcarea acestora, de presiunea și tensiunile prezente în corpuri, de câmpurile electromagnetice și de toate celelalte câmpuri fizice. Schimbări câmp gravitațional distribuite în vid cu viteza luminii. În teoria lui Einstein, materia influențează proprietățile spațiului și timpului.

La trecerea la scara cosmică, geometria spațiului încetează să mai fie euclidiană și se schimbă de la o regiune la alta în funcție de densitatea maselor din aceste regiuni și de mișcarea lor. La scara metagalaxiei, geometria spațiului se modifică cu timpul datorită expansiunii metagalaxiei. La viteze care se apropie de viteza luminii, cu un câmp puternic, spațiul intră într-o stare singulară, adică se contractă într-un punct. Prin această compresie, mega-lumea intră în interacțiune cu micro-lumea și, în multe privințe, se dovedește a fi similară cu aceasta. Mecanica clasică rămâne valabilă ca caz limitativ la viteze mult mai mici decât viteza luminii și mase mult mai mici decât masele din megalume.

Teoria relativității a arătat unitatea spațiului și timpului, exprimată printr-o modificare comună a caracteristicilor acestora în funcție de concentrația maselor și de mișcarea acestora. Timpul și spațiul nu mai erau considerate independent unul de celălalt și a apărut ideea unui continuum spațial-timp cu patru dimensiuni.

Teoria relativității a legat, de asemenea, masa și energia prin relația E=MC 2 , unde C este viteza luminii. În teoria relativității, „două legi – legea conservării masei și a conservării energiei – și-au pierdut valabilitatea independentă și au fost combinate într-o singură lege, care poate fi numită legea conservării energiei sau a masei” (Heisenberg). V. Fizica si filosofie.Parte si intreg.- M., 1989.- S. 69). Fenomenul anihilării, în care o particulă și o antiparticulă se anihilează reciproc, și alte fenomene ale fizicii microcosmosului confirmă această concluzie.

Așadar, teoria relativității se bazează pe postulatele constanței vitezei luminii și asemănării legilor naturii în toate sistemele fizice, iar principalele rezultate la care ajunge sunt următoarele: relativitatea proprietăților spațiu timp; relativitatea masei si energiei; echivalența grele și masa inertă(o consecință a celor observate de Galileo, că toate corpurile, indiferent de compoziția și masa lor, cad în câmpul gravitațional cu aceeași accelerație).

Până în secolul al XX-lea s-au descoperit legile de funcționare a materiei (Newton) și a câmpului (Maxwell). În secolul al XX-lea, s-au făcut în mod repetat încercări de a crea o teorie unificată a câmpului care să combine reprezentările reale și cele de câmp, care, totuși, nu au avut succes.

În 1967, a fost înaintată o ipoteză despre prezența particulelor tahionice care se mișcă cu o viteză mai mare decât viteza luminii. Dacă această ipoteză este vreodată confirmată, atunci este posibil ca din lumea relativității, care este foarte incomodă pentru o persoană obișnuită, în care doar viteza luminii este constantă, să ne întoarcem din nou într-o lume mai familiară, în care absolut spațiul seamănă cu o casă de încredere, cu pereți și acoperiș. Dar până acum acestea sunt doar vise, a căror fezabilitate reală va fi probabil discutată abia în mileniul III.

În încheierea acestei secțiuni, vom cita cuvintele din cartea lui Heisenberg „Parte și întreg” despre ce înseamnă înțelegerea ca atare. A „înțelege” - aceasta, aparent, înseamnă a stăpâni ideile, conceptele, cu ajutorul cărora putem considera o mare varietate de fenomene diferite în legătura lor integrală, cu alte cuvinte, să le „acoperim”. Gândul nostru se liniștește când aflăm că ceva concret, aparent situație confuză este doar o consecință particulară a ceva mai general și, prin urmare, susceptibilă la o formulare mai simplă. Reducerea varietății pestrițe de fenomene la un prim principiu comun și simplu sau, așa cum ar spune grecii, „mulți” la „singuri”, este exact ceea ce numim „înțelegere”. Abilitatea de a prezice un eveniment numeric este adesea o consecință a înțelegerii, având conceptele potrivite, dar nu este direct identică cu înțelegerea ”(Heisenberg V. Physics and Philosophy. Part and Whole. - M., 1989. - P. 165. ).

În teoria relativității, alegerea unui sistem depinde de prezența corpurilor și de mișcarea acestora, care trebuie descrise în cadrul de referință ales. În general, nu există un cadru inerțial de referință în fizica și astronomia moderne. Se poate vorbi doar despre cât de aproape este acest sistem de cel inerțial.

Cât de diferit este cursul uniform al timpului în diferite cadre de referință ale celor în mișcare asociate cu cele obișnuite pentru omul modern viteze? Se poate observa? Acum cincizeci de ani, răspunsurile la aceste întrebări erau negative. Ceasurile pe care omenirea le folosea atât în ​​viața de zi cu zi, cât și în laboratoarele fizice pentru a măsura timpul erau dispozitive mecanice primitive cu o eroare care depășește adesea o secundă pe zi. Precizia lor a fost prea scăzută pentru a detecta efecte relativiste în timp.

Există două efecte relativiste principale care afectează viteza timpului. Prima este viteza. Dacă ceasul îi aparține sisteme diferite referință, dintre care una se mișcă în raport cu al doilea, apoi ceasul din primul sistem va merge mai încet. Dacă stabilim simultaneitatea a două ceasuri la un moment dat, atunci deoarece rata de timp în sistemul de mișcare va fi mai lentă, ceasurile din acesta vor rămâne în urmă. Cu cât intervalul de timp dintre observațiile ceasului este mai lung, cu atât ceasul rămâne mai în urmă în cadrul de referință în mișcare. Să presupunem că pentru o aeronavă modernă care zboară cu viteza sunetului (300 m/sec), diferența de frecvență a ceasului pentru o oră de zbor va fi de nanosecunde.

Al doilea efect care afectează viteza este diferența de potențiale gravitaționale. Două ceasuri aflate în repaus unul față de celălalt, situate în puncte diferite din spațiu, vor merge cu viteze diferite. În locul în care forța gravitației este mai slabă, ceasul va merge mai repede.

Un ceas să fie plasat la nivelul mării, iar al doilea pe un munte de 10 km înălțime. Apoi, al doilea ceas va merge mai repede și diferența de timp pe oră va fi de 3,6 nanosecunde.

Înregistrarea frecvenței ceasului cu o asemenea precizie a devenit posibilă atunci când ceasurile atomice și cu hidrogen au fost create cu o precizie de nu mai puțin de o oră.

Ceasurile moderne sunt mult mai precise. Cu ajutorul lor, fizicienii au reușit să măsoare denivelările cursului timpului în doi diverse puncte spaţiu.

Într-un caz, a fost un experiment realizat de oameni de știință italieni. Au sincronizat două ceasuri. Au lăsat un ceas la Facultatea de Fizică, iar al doilea a fost dus la munte cu un camion și instalat la o altitudine de 3250 de metri deasupra nivelului mării. După ce au așteptat 66 de zile, au coborât al doilea ceas și au comparat citirile. Experimentul a arătat deplin acord cu teoria lui Einstein! Orele care erau pe munte au trecut înainte, orele care au rămas la nivelul mării au rămas în urmă.

Apoi patru ceasuri identice au fost încărcate în avioane convenționale și au pornit în călătoria lor. Două ceasuri la est, două la vest (deoarece viteza totală era suma vitezei aeronavei și viteza de rotație a Pământului, vitezele ceasurilor în raport cu cadrul inerțial erau diferite). După zbor globul Ceasul a fost descărcat și citirile lor au fost comparate. Deși erorile de măsurare au fost destul de mari (evenimentul a avut loc în 1971), nu putea exista nicio îndoială - experimentul a confirmat predicțiile teoriei relativității, a confirmat corectitudinea lui A. Einstein și a stabilit o bază experimentală pentru efectul neuniform. ceasuri.

În 1975, a fost înființat un experiment special de înaltă precizie pentru a măsura denivelările ceasului de pe un avion care a zburat deasupra Golfului Chesapeake (lângă gura de vărsare a râului Potomac, SUA). Precizia ceasului a ajuns la acel moment. Avionul a zburat timp de 15 ore, ore în care la bord in fata ceasuri de pe Pământ din cauza efectelor denivelării potențialului gravitațional în schimbare (aeronava a urcat și a coborât), precum și a neuniformității trecerii timpului din cauza mișcării cadrului de referință în raport cu ceasul staționar. Ceasurile rămase pe Pământ numărau timpul aflându-se într-un câmp gravitațional cu o valoare mare a potențialului, ceasurile de la bordul aeronavei numărau timpul într-un câmp gravitațional cu o valoare mai mică a potențialului gravitațional. Această diferență de timp a ajuns la 53 de nanosecunde în timpul celor 15 ore de zbor. În același timp, ceasurile de la bord se mișcau în raport cu ceasurile de pe suprafața Pământului în repaus, rămânând în urma lor. Acest efect a fost mult mai mic. Pentru 15 ore de zbor, decalajul a fost de doar 6 nanosecunde. Ambele efecte au dus la un avans al ceasului de 47 de nanosecunde. Precizia de măsurare a călătoriilor neuniforme a fost mai bună decât unu la sută! Deci, ca rezultat al măsurătorilor directe, a fost demonstrată neomogenitatea cursului timpului în diferite puncte din spațiu și diferite sisteme de coordonate.

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

Teoria specială sau privată a relativității este o teorie a structurii spațiu-timpului. A fost introdus pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein în lucrarea sa „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Teoria descrie mișcarea, legile mecanicii, precum și relațiile spațiu-timp care le determină, la viteze de mișcare apropiate de viteza luminii. Mecanica newtoniană clasică în cadrul teoriei speciale a relativității este o aproximare pentru viteze mici.

Teoria generală a relativității

Relativitatea generală este o teorie a gravitației dezvoltată de Einstein în 1905-1917. Este dezvoltare ulterioară teoria specială a relativității. În teoria generală a relativității, se postulează că efectele gravitaționale se datorează nu interacțiunii de forță a corpurilor și câmpurilor, ci deformării spațiului-timp însuși în care sunt situate. Această deformare este asociată, în special, cu prezența masei-energie.

Legături

• Teoria generală a relativității - Continuum spațiu-timp (rusă) - Cam despre complex.
• Teoria specială a relativității (rusă) - Pur și simplu despre complex.

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți ce este „fizica relativistă” în alte dicționare:

Fizica si realitate- „FIZICA ȘI REALITATEA” o colecție de articole de A. Einstein, scrisă în perioade diferite a lui viata creativa. Rus. ediţia M., 1965. Cartea reflectă principalele concepţii epistemologice şi metodologice ale marelui fizician. Printre ei… … Enciclopedia Epistemologiei și Filosofia Științei

- (RTG) teoria gravitației bazată pe reprezentarea câmpului gravitațional ca un câmp fizic tensor simetric de valență 2 în spațiul Minkowski. Dezvoltat de academicianul Academiei Ruse de Științe A. A. Logunov cu un grup ... ... Wikipedia

- (greacă τὰ φυσικά - știința naturii, de la φύσις - natură) - un complex de științifice. disciplinele studiate proprietăți generale structuri, interacțiuni și mișcări ale materiei. În conformitate cu aceste sarcini, modern F. poate fi împărțit foarte condiționat în trei mari ...... Enciclopedie filosofică

Fizica hipernucleară este o ramură a fizicii aflată la intersecția dintre fizica nucleară și fizica particulelor elementare, în care subiectul cercetării îl reprezintă sistemele asemănătoare nucleelor ​​care conțin, pe lângă protoni și neutroni, și alte particule elementare hiperonii. De asemenea ...... Wikipedia

Ramură a fizicii care studiază dinamica particulelor din acceleratoare, precum și numeroase probleme tehnice asociate cu construcția și funcționarea acceleratoarelor de particule. Fizica acceleratoarelor include probleme legate de producerea și acumularea de particule... Wikipedia

FIZICĂ. 1. Subiectul si structura fizicii F. stiinta care studiaza cel mai simplu si in acelasi timp cel mai mult. proprietăţile generale şi legile de mişcare ale obiectelor lumii materiale care ne înconjoară. Ca urmare a acestei generalități, nu există fenomene naturale care să nu aibă fizic. proprietati... Enciclopedie fizică

Mecanica relativistă este o ramură a fizicii care ia în considerare legile mecanicii (legile mișcării corpurilor și particulelor) la viteze comparabile cu viteza luminii. La viteze mult mai mici decât viteza luminii, intră în clasică (newtoniană) ... ... Wikipedia

O ramură a fizicii dedicată studiului proceselor nucleare, în care particulele care alcătuiesc materia nucleară se mișcă cu viteze apropiate de viteza luminii c. R. i. f. format în 1970 72 în legătură cu experimente pe grinzi de nuclee relativiste, ... ... Enciclopedie fizică

I. Subiectul și structura fizicii Fizica este o știință care studiază cele mai simple și, în același timp, cele mai generale modele ale fenomenelor naturale, proprietățile și structura materiei și legile mișcării ei. Prin urmare, conceptele lui F. și legile sale stau la baza tuturor ... ... Marea Enciclopedie Sovietică

Exemple de diferite fenomene fizice Fizica (din altă greacă φύσις ... Wikipedia

Cărți

• Fizica fasciculelor de electroni relativiste de curent înalt, A. A. Rukhadze, L. S. Bogdankevich, S. E. Rosinsky, V. G. Rukhlin. Fundamentele fizicii fasciculelor de electroni de curent înalt pulsați și interacțiunea lor cu plasma sunt prezentate sistematic. Diverse configurații de echilibru, formare și...