Сущность теории относительности Эйнштейна: как она применяется в жизни

Хотя все это может быть относительным. А по теории относительности это написано в теории Альберта Эйнштейна, физика-теоретика, одного из основоположников современной физики, родившегося в Германии, живущего в Швейцарии с 1983 года, в Германии с 1914 года и эмигрировавшего в США в 1933 году теории относительности, со своей стороны, она стала самым фундаментальным открытием двадцатого века, оказавшим огромное влияние на всю картину мира.

По мнению современных исследователей, теория относительно устранила всемирное время и оставила только местное время, которое определяется силой гравитационных полей и скоростью движения материальных объектов.

Эйнштейн был наиболее известен своей теорией относительности, которую он впервые изложил в 1905 году в своей статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидит наблюдатель, если он бросится со скоростью света в поисках световой волны. Будучи студентом, Эйнштейн изучал работы Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфир. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, которая позволила нам рассматривать принцип равенства всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружения абсолютного движения, Эйнштейн пришел к выводу, что все инерциальные системы отсчета равны. Он сформулировал два важнейших постулата, сделавших излишней гипотезу о существовании эфира, легшую в основу принципа общей теории относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны изменяться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одинаковой скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат о том, что скорость света для всех наблюдателей, независимо от того, как они движутся, одинакова. Этот постулат (при определенных дополнительных условиях) приводит к ранее полученным Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, движущихся относительно первой. Но Лоренц считал эти преобразования вспомогательными или фиктивными, не имеющими прямого отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понимал реальность этих преобразований, в частности реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важной универсальной взаимосвязи между массой M, энергией E и импульсом P: E2 = M2Pc4 + P2Pc2 (где c — скорость света), которую можно определить как одно из теоретических предположений для использование внутриядерной энергии.

1. Предпосылки создания теории относительности А.Эйнштейна

1.1. Относительность движения по Галилею

Важную роль в создании научной картины мира сыграл принцип относительности одного из основоположников современного естествознания Галилея — принцип равенства всех инерциальных систем отсчета в классической механике, гласящий, что никаких механических экспериментов не проводилось в инерциальной системе отсчета не может определить, является ли данная система стационарной или плавно движущейся по прямой линии.

Математически принцип относительности Галилея выражает инвариантность уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) во время перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой — преобразований Галилея.

Впервые положение об относительности механического движения было высказано Галилео Галилеем в 1638 году в его работе «Диалог о двух основных системах мира — Птолемеева и Коперника». Он также формулирует один из фундаментальных принципов физики — принцип относительности. Галилей использовал визуальный и образный метод презентации. Он писал, что, находясь «в комнате под палубой корабля» и проводя эксперименты и наблюдения за всем, что там происходит, невозможно определить, стоит ли корабль неподвижно или движется «плавно», то есть плавно и прямо. При этом были подчеркнуты два положения, составляющие суть принципа относительности:

1) движение относительное: относительно наблюдателя «в помещении под палубой» и наблюдателя с берега движение кажется другим;

2) физические законы, регулирующие движение тел в этом помещении, не зависят от того, как движется корабль (если только это движение равномерное). Другими словами, никакие эксперименты в «закрытой кабине» не могут определить, является ли кабина неподвижной или движется плавно и прямо.

Таким образом, Галилей пришел к выводу, что механическое движение относительно, а законы, которые его определяют, абсолютны, то есть не имеют отношения к делу. Эти устройства в корне отличались от общепринятых в то время представлений Аристотеля о существовании «абсолютного покоя» и «абсолютного движения».

1.2. Принцип относительности и законы Ньютона

Принцип относительности Галилея органично вошел в классическую механику, созданную И. Ньютоном. Он основан на трех «аксиомах» — трех известных законах Ньютона. Уже первая из них, которая гласит: «Каждое тело продолжает оставаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, при условии, что и поскольку приложенные силы не заставляют его изменить это состояние», говорится об относительности движение и в то же время указывает на существование систем отсчета (они были названы инерционными), в которых тела, не подверженные внешним воздействиям, движутся «по инерции» без ускорения или замедления. Именно эти инерционные системы подразумеваются при формулировке двух других законов Ньютона. При переходе от одной инерциальной системы к другой меняются многие величины, характеризующие движение тел, например их скорость или форма траектории движения, но законы движения, то есть отношения, связывающие эти величины, остаются неизменными.

1.3. Преобразования Галилея

Для описания механических движений, то есть изменения положения тел в пространстве, Ньютон четко сформулировал понятие пространства и времени. Пространство мыслилось как своего рода «фон», на котором разворачивается движение материальных точек. Их положение можно определить, например, с помощью декартовых координат x, y, z в зависимости от времени t. Переходя от инерциальной системы отсчета K к другой K ‘, перемещаясь относительно первой по оси x со скоростью v, координаты преобразуются: x’ = x — v × t, y ‘= y, z’ = z время остается неизменным: t ‘= t. Следовательно, время считается абсолютным. Эти формулы называются преобразованиями Галилея.

Согласно Ньютону, пространство действует как своего рода координатная сетка, на которую не влияют материя и ее движение. Время в таком «геометрическом» изображении мира, так сказать, отсчитывается по абсолютным часам, ход которых ничто не может ускоряться или замедляться.

1.4. Принцип относительности в электродинамике

Более трехсот лет принцип относительности Галилея приписывался только механике, хотя в первой четверти XIX века, главным образом М. Фарадеем, возникла теория электромагнитного поля, которая затем получила дальнейшее развитие и математическую формулировку в работы Дж. К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику казался невозможным, поскольку считалось, что все пространство заполнено особой средой — эфиром, в котором напряжения интерпретировались как силы электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, поэтому в механике он «не ощущался», но движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было влиять на электромагнитные процессы. Следовательно, экспериментатор в закрытой кабине, наблюдая за такими процессами, может, по-видимому, определить, находилась ли его кабина в движении (абсолютно!) Или в состоянии покоя. В частности, ученые считали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки открыть «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и была отвергнута концепция механического эфира, для которой принцип относительности возродился, так сказать, но уже как универсальный, действующий не только в механике, но и в механике в электродинамике и других областях физики.

1.5. Преобразования Лоренца

Подобно тому, как уравнения Ньютона представляют собой математическую формулировку законов механики, уравнения Максвелла представляют собой количественное представление законов электродинамики. Форма этих уравнений также должна оставаться неизменной при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Для выполнения этого условия необходимо заменить преобразования Галилея другими: x ‘= g (x-vt); у ‘= у; z ‘= z; t ‘= g (t-vx / c2), где g = (1-v2 / c2) -1/2, а c — скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 г и носящие его имя, составляют основу специальной (или частной) теории относительности. При v £ c они превращаются в преобразования Галилея, но если v близко к c, то появляются значительные отличия от пространственно-временного образа, который обычно называют нерелятивистским. Прежде всего выявляется несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, оказывается, что события, происходящие одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.

1.6. Преобразование физических величин в релятивистской теории

В релятивистской теории пространственные расстояния и временные интервалы не остаются неизменными при переходе от одной системы отсчета к другой, перемещаясь относительно первой со скоростью v. Длины сокращаются (в направлении движения) в 1 / g раз, а временные интервалы «растягиваются» в такое же количество раз. Относительность одновременности — главная принципиально новая особенность современной специальной теории относительности.