Основные положения общей и специальной теории относительности

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –

МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА»

(ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)

 

Факультет гуманитарно - педагогический

Кафедра философии

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

«Основные положения общей и специальной теории относительности»

 

по учебной дисциплине

 «Концепция современного естествознания»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                             Выполнила:

                                                                             студентка 204 учебной группы 2

                                                                             курса гуманитарно -

                                                                             педагогического факультета

                                                                              Яворская Екатерина                       

                                                                              Проверил:

                                                                              доцент кафедры философии,

                                                                              кандидат философских наук

                                                                              Мамедов Азер Агабалаевич

                                                                             

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА 2014

 

Содержание:

 

Введение

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

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

 

1. Принцип относительности в классической механике

Впервые этот принцип был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для его понимания нам потребуется ввести понятие тела отсчета, или системы координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например знакомая нам декартова система координат. На плоскости движение тела или материальной точки определяется двумя координатами: абсциссой х, показывающей расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси, и ординатой у, измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси. В пространстве к этим координатам добавляется третья координата z.

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

Принцип относительности утверждает, что во всех инерциальных системах все механические процессы описываются одинаковым образом, т.е. посредством законов, имеющих ту же самую математическую форму.

Иначе говоря, в таких системах законы движения тел описываются теми же самыми математическими уравнениями или формулами. Как принято говорить в науке, они являются ковариантными, т.е. выражаются той же самой математической формой. Действительно, два разных наблюдателя, находящиеся в инерциальных системах, не заметят в них никаких изменений.

Иллюстрируя этот принцип, Галилей приводил пример равномерного прямолинейного движения корабля. Внутри него все явления происходят так же, как на берегу: мухи продолжают летать, тела падают отвесно, никаких резких толчков не происходит и т.д. Поэтому путь свободного падения тела на инерциально движущемся корабле и на берегу описывается одним и тем же законом или формулой.

1.1 Специальная теория относительности и ее роль в науке

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

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

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

2. Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе. Например, в системе отсчета, связанной с движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в системе, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более показателен пример, когда рассматривается движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентировки Земли. Ничего подобного, т.е. физической неравноценности различных направлений, не обнаружено. Однако здесь возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

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

Обратимся к мысленному эксперименту. Предположим, что по рельсам движется железнодорожный вагон со скоростью v, в направлении движения которого посылается световой луч со скоростью с. Процесс распространения света, как и любой физический процесс, определяется по отношению к некоторой системе отсчета. В нашем примере такой системой будет полотно дороги. Спрашивается, какова будет скорость света относительно движущегося вагона? Легко подсчитать, что она равна w = с - v, т. е. разности скорости света по отношению к полотну дороги и к вагону. Выходит, что она меньше постоянного ее значения, а это противоречит принципу относительности, согласно которому физические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета, какими являются железнодорожное полотно и равномерно прямолинейно движущийся вагон. Однако это противоречие является кажущимся, потому что на самом деле скорость света не зависит от того, движется ли источник света или покоится.

В действительности, как показал А. Эйнштейн:

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

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

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

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

Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными гипотез, классическая механика молчаливо предполагала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т. е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходит, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в один метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и так называемого здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее они не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования будут иметь следующий вид: X1 = X-Vt; Y=Y; Z=Z; t=t.

Эти уравнения часто называют преобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять также требованию постоянства скорости света, то они описываются преобразованием Лоренца, названного по имени нидерландского физика X. Лоренца (1853-1928).

Когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно прямолинейно вдоль оси абсцисс х, тогда координаты и время в движущейся системе выражаются уравнениями:

 Опираясь на преобразования  Лоренца, легко проверить, что движущаяся  твердая линейка будет короче  покоящейся, и тем короче, чем  быстрее она движется. В самом  деле, пусть начало линейки находится  в начале координат и ее абсцисса х = 0, а конец х = 1.

Чтобы найти длину линейки относительно неподвижной системы отсчета К, воспользуемся первым уравнением преобразования Лоренца:

Таким образом, если в системе отсчета К длина линейки равна 1,1 м, то в системе K* она сократится в отношении   поскольку линейка движется со скоростью v в направлении ее длины.

Нетрудно также установить связь между преобразованиями Лоренца и Галилея. Если принять скорость света бесконечно большой, то при подстановке ее в уравнения Лоренца последние переходят в уравнения Галилея. Но специальная теория относительности постулирует постоянство скорости света и, следовательно, не допускает движений со сверхсветовой скоростью, так как скорость света считается предельной для всех движений. Этот постулат, как отмечалось выше, следует из уравнений Максвелла. Для того чтобы гарантировать, что принцип относительности имеет общий характер, т.е. законы электромагнитных процессов имеют одинаковую форму для инерциальных систем, Эйнштейну пришлось отказаться от галилеевских преобразований и принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительности возникла из электродинамики и мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т.е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе. Однако, чтобы стать согласованной с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных, земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно 8 км/с, поправка к изменению его массы составит около одной двухмиллиардной ее части.

Во втором законе Ньютона   масса считалась постоянной, но в теории относительности она зависит от скорости движения.

Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере движения электронов, а затем и других элементарных частиц в их ускорителях. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания теории об увеличении их массы с возрастанием скорости.