Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Общие представления о пространстве, времени, энергии, массе и гравитации

Общие положения теории относительности

Многие результаты данного подраздела приводятся нами без подробного обоснования, так как являются предметом изложения в «профессиональных» курсах теоретической и экспериментальной физики и заимствованы нами оттуда для соответствующего адаптирования (так же и из оригинальных статей).

Существуют различные теории, описывающие одни и те же физические законы в различных системах отсчета, в том числе и движущихся друг относительно друга. Эти теории называются теориями относительности. Прежде чем рассматривать, как видоизменяются представления о массе, импульсе и энергии в различных системах отсчета, необходимо выяснить, как различные наблюдатели видят в различных движущихся системах один и тот же покоящийся или движущийся предмет, иными словами, как преобразуются координаты и скорости (и время!) при переходе от одной системы отсчета к другой. Классическая теория относительности (см. подразделы 1.2.1, 1.2.2), оперирующая понятием «инерциальная система», предполагает разделение пространства и времени (считает их независимыми друг от друга субстанциями) и постулирует, что время течет во всех инерциальных системах отсчета одинаково. Например, секунда по часам в Москве равна секунде по часам в Нью-Йорке (США) или Сиднее (Австралия), или на Луне. Ее положения основываются на постулатах Галилея и Ньютона, согласно которым, при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой к скорости движения объекта в одной системе просто прибавляется скорость относительного движения систем друг относительно друга. Причем это сложение осуществляется по правилу сложения векторов. В случае неинерциальных систем, также справедлив принцип относительности, и преобразование координат и скоростей материальных тел при переходе от одной системы отсчета к другой также осуществляется по правилам векторного сложения. Это отвечает нашим повседневным представлениям о пространстве, времени и скоростях движения материальных тел.

Однако в 80-х гг. XIX в. выяснилось, что эти постулаты, считавшиеся ранее само собой разумеющимися и общими для любых объектов и скоростей их движения, вызывают сомнения. Например, из опытов А. Майкельсона и Е.В. Морлй следовало, что скорость распространения света в вакууме, в различных движущихся системах отсчета одинакова. Это противоречило постулату о сложении скоростей. Сразу же было отмечено, что существует также и принципиальное противоречие между классической теорией относительности и уравнениями Дж. К. Максвелла, сформулированными им в 1865 г. и описывающими распространение электромагнитных волн. Назрела необходимость в новой теории относительности, которая, с одной стороны, не должна была противоречить классической теории, а с другой — описывать новые экспериментальные данные. Чтобы устранить противоречия классической теории, А. Эйнштейн для построения новой теории относительности предложил исходить не только из теоретических постулатов, а использовать экспериментальные данные по постоянству скорости света в качестве исходного пункта теории. Так, в начале XX в. (в 1905 г.) была создана специальная (или частная) теория относительности Эйнштейна (СТО), применимая к описанию движений объектов с любыми скоростями, вплоть до скорости света в вакууме — релятивистская механика. В этой теории пространство и время неразрывно связаны. Общая теория относительности (ОТО), созданная позже также Эйнштейном (1911 г.) ставила своей целью объяснение гравитационных явлений и была основана на постулате эквивалентности гравитационной (полученной из закона всемирного тяготения Ньютона) и инертной (полученной из первого и второго закона Ньютона) массы.

Прямыми измерениями показано, что гравитационная и инертная массы для данного материального тела одинаковы с точностью, лучшей чем 10~12 от их величины. Тем самым постулат Эйнштейна количественно подтверждается на опыте.

Классическая теория относительности прекрасно описывала механику движений тел со скоростями много меньшими скорости света в вакууме.

Иногда возникает вопрос, стоит ли уделять такое большое внимание релятивистской механике, если большинство движений в повседневной жизни происходят при скоростях много меньших скорости света. Здесь имеется несколько причин.

  • 1. Одной из основных задач физики природных явлений является изучение свойств электромагнитных волн (свет, радиоволны, тепловое излучение, рентгеновские и у-лучи), для которых скорость распространения равна скорости света.
  • 2. Теория электромагнетизма, которая лежит в основе также и химических взаимодействий и на которой построены многочисленные технические достижения современной жизни (приборы и оборудование, использующее магнитные поля; электромагнитная индукция, лежащая в основе действия электрических машин и преобразователей электрической энергии), существенно связана со скоростью распространения света.
  • 3. В ядерной и квантовой физике, в физике элементарных частиц часто рассматриваются движения частиц со скоростью близкой к скорости света (например, движение заряженных частиц в ускорителях или внутренних электронов в тяжелых атомах) и со скоростью света (у-кванты, световые фотоны и др.).
  • 4. В современной астрономии также приходится сталкиваться с релятивизмом. Например, удаленные галактики, движутся со скоростями, близкими к скорости света. Природа нейтронных звезд, пульсаров, черных дыр также связана с проявлением релятивистских эффектов.
  • 5. Интерпретация эффектов взаимодействий микрочастиц — основа квантовой механики, тесно связана с релятивистскими соотношениями между массой, энергией и импульсом, а не соотношениями, следующими из классической механики.
  • 6. Большинство образованных людей в общих чертах должны быть знакомы с такими понятиями, как соотношение между энергией и массой тела (соотношение Эйнштейна), замедление времени, сокращение длины, и знать, что ни одна частица или сигнал не могут распространяться быстрее, чем свет распространяется в вакууме. В эпоху научно-технической революции это знание является частью нашей общей культуры.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы