РЕФЕРАТ
ПО КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
На тему: «Принцип относительности и специальная теория относительности Эйнштейна»
План
1. Принцип относительности Эйнштейна....................................................... 3
2. Теория относительности............................................................................. 4
2.1 Понятие одновременности........................................................................ 5
2.2 Относительность расстояний.................................................................... 6
2.3 Относительность массы............................................................................. 7
3. ОТО.............................................................................................................. 9
Список использованной литературы........................................................... 12
Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея, сформулированный для механических явлений, на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами(механическими, электрическими, оптическими), произведенными в какой-либо инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
Таким образом, принцип относительности Эйнштейна устанавливает полную равноправность всех инерциальных систем отсчета и отвергает идею абсолютного пространства Ньютона. Теорию, созданную Эйнштейном для описания явлений в инерциальных системах отсчета, называют специальной теорией относительности.
Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть называется специальной (или частной) теорией (сокращенно – СТО). Она исследует быстрые равномерные прямолинейные движения вне гравитационных полей. Вторая часть – общая теория относительности (сокращенно – ОТО) охватывает неравномерные движения и гравитационные поля.
Начнем со специальной теории. Постараемся вкратце проследить логику ее построения и выводов.
Главное своеобразие физики Эйнштейна заключается в том, что движение вещества она сопоставляет с поведением света.
Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие основные свойства движения вещества и света.
Первый постулат: равномерные прямолинейные движения невозможно отличить от покоя. То и другое физически равноценно.
Второй постулат: скорость света не зависит от движения светового источника.
По отдельности постулаты ничуть не странны. В закрытой каюте невозможно узнать, движется корабль (плавно, без толчков и тряски) или стоит возле пристани. Вместе с тем легко поверить, что световые волны распространяются одинаково быстро от движущегося и неподвижного фонаря. Ведь именно так ведут себя звуковые волны, волны на воде и т.д.
Каждый постулат сам по себе понятен и логичен.
Однако соединенные вместе, они выглядят несовместимыми. Вторым, казалось бы, опровергается первый. В самом деле: резонно думать, что равномерное прямолинейное движение возможно обнаружить относительно световых волн и, значит, отличить его от покоя, что противоречит первому постулату.
Когда пилот быстроходного самолета перестает слышать рев собственных двигателей, он знает, что обогнал звук и мчится быстрее звуковых волн.
Со светом подобное невозможно (в 1881 г. американский физик Майкельсон доказал это экспериментом). Как бы быстро ни мчалась ракета, свет ее прожектора всегда бьет вперед с неизменной скоростью – 300000 км/сек. Изменить свою скорость относительно световых волн невозможно. Поэтому, воспользовавшись светом, невозможно отличить равномерное прямолинейное движение ракеты от покоя, несмотря на то, что скорость света не зависит от движения источника.
Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия.
Рассмотрим теперь вопрос о сверке часов и об одновременности событий в разных системах отсчета с учетом постулатов Эйнштейна.
В механике Ньютона «истинный, или стандартный, процесс течения абсолютного времени не подвержен никаким изменениям» и не зависит « от того, быстры движения или медленны или их нет вообще». Считалось, что такие понятия, как «момент времени», «раньше», «позже», «одновременность», имеют сами по себе смысл, правомерный для всей Вселенной, и два каких-нибудь события, одновременные для одной системы, одновременны и во всех других системах. С точки зрения же теории относительности Эйнштейна нет такого понятия, как абсолютная одновременность, как нет абсолютного времени.
Чтобы решить, одновременно ли произошли в различных точках два события, необходимо иметь в каждой из этих точек точные часы, относительно которых можно быть уверенным, что они идут синхронно. Для этого можно перенести эти часы в одну точку, отрегулировать их так, чтобы они шли синхронно, и затем снова разнести их по разным помещениям. Можно также использовать сигналы времени. Позволяющие сравнивать показания часов в различных точках. На практике используют оба способа. На корабле, например, есть хронометр, который идет очень точно и отрегулирован по контрольным часам в порту отправления. Кроме того, для его проверки во время плавания используются сигналы точного времени по радио.
Так всеобщая абсолютная одновременность, возможность которой подразумевалась в классической физике, пропадает. Вместо нее выходит на сцену относительная одновременность событий, существующая лишь для какого-то конкретного, определенным образом движущегося наблюдателя.
Разные наблюдатели могут устанавливать даже неодинаковую очередность одних и тех же событий. Но все это чрезвычайно тонко и возможно отметить лишь при движении с гигантскими относительными скоростями, сравнимыми со скоростью света. Важно, чтобы наблюдатели успевали заметно сместиться за то крохотное время, пока световые вспышки пробегают расстояние между событиями.
Таким образом, согласно теории относительности в каждой из инерциальных систем, находящихся в относительном движении, существует собственное время системы, которое показывают часы, покоящиеся в этой системе. Следовательно, при определении времени событий в различных инерциальных системах события, одновременные в одной системе, могут оказаться неодновременными в другой системе отсчета. Другими словами, не существует абсолютной одновременности.
Рассмотрим пример: сверхбыстрый пароход движется мимо ленты, которую разложил на берегу бакенщик.
По измерениям бакенщика, длина ленты, допусти, 100 м. Но капитан с этим не согласен. Для капитана лента короче.
Чтобы измерить длину ленты с мчащегося корабля, капитан одновременно (для себя) засекает на палубе точки, совпадающие с ее концами, и потом спокойно отмеряет расстояние между засечками. Но для бакенщика засечки сделаны неодновременно. Сначала, по его мнению, засечено начало ленты (где-то против кормы проносящегося парохода), потом – конец. Между моментами засечек корабль успел сместиться вперед – вот и вышло, что на пароходе засечки ближе друг к другу, чем следовало бы по отсчетам бакенщика.
Однако ошибки в измерении капитана не было. Его отсчет исполнен точно. Разница же итогов измерений - результат относительности одновременности.
В свою очередь бакенщик, измеряя таким же способом длину парохода, найдет его более коротким, чем капитан.
По отсчетам любых наблюдателей, длины предметов, проносящихся мимо, сокращаются. Для каждого путешественника сокращается длина всего проходимого им расстояния. И тем заметнее, чем ближе его скорость к скорости света.
Согласно теории Эйнштейна, масса одного и того же тела есть величина относительная. Она имеет различные значения в зависимости от выбора системы отсчета, в которой проводится ее измерение. Или при измерении в одной и той же системе отсчета – в зависимости от скорости движущегося тела. При этом масса зависит только от величины скорости относительно этой системы и не зависит от направления скорости. Пока скорости движения малы по сравнению со скоростью света, массу тела можно считать постоянной и независящей от скорости движения, как это и делается в классической механике. По мере того. Как скорость движения тела приближается к скорости света, величина массы становится все больше и для одного и того же приращения скорости нужна все большая и большая сила. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем труднее ее увеличить. Когда скорость тела достигает скорости света, его масса становится бесконечно большой. Отсюда следует, что невозможно заставить тело двигаться со скоростью света. Ничто вещественное не может даже догнать свет.
Отсюда можно сделать вывод, что при сообщении телу кинетической энергии его масса увеличивается. Получается, что кинетической энергии соответствует определенная масса. Рассмотрим, справедливо ли это утверждение в отношении других видов энергии?
С возрастанием скорости растет и энергия тела, его способность совершить работу. Значит, масса и энергия растут вместе. Вблизи скорости света то и другое стремительно увеличивается. Инерция становится непреодолимо огромной, энергия – сколь угодно большой.
Отсюда делается вывод об эквивалентности массы и энергии. Масса и энергия – две эквивалентные характеристики движущегося тела. Так, при нагревании тела его масса несколько увеличивается. Излучение, испускаемое Солнцем, содержит энергию и поэтому имеет массу; Солнце и звезды при излучении теряют массу. Камень, лежащий на ладони, лишь внешне спокоен. Он неподвижен лишь как целое тело. Внутри, в своем микромире, он насыщен незаметными для глаза движениями. Это внутреннее движение обусловливает существование внутренней энергии камня, которая тоже подчинена закономерностям СТО. Значит, и внутренняя энергия эквивалентна некоторой массе. Это и есть масса покоя.
Тема 4. Теория относительности. Принципы и концепции описания природы. Симметрия пространства и времени.
Лекция 4.
1.Принципы относительности.
2.Пространство, время.
1.Принципы относительности.
В общем, философском смысле относительность каких-либо явлений означает отсутствие абсолютных, непреодолимых границ между ними. Различие между относительными системами не абсолютно, включает момент тождества между ними, предполагает тождественность их в определенном отношении.
Галилей первым установил относительность механического движения в его отношении к механическому же покою, показав, что покой тождествен равномерному (без ускорения) и прямолинейному перемещению тел относительно друг друга. Тела, находящиеся в таком состоянии, называются инерциальными системами отсчета. Смысл принципа относительности Галилея состоит в следующем: законы механики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах, т.е. все механические процессы в инерциальных системах протекают одинаково. В таких системах пространственно-временные свойства тел (их размеры, расстояния, время их существования, временные промежутки между ними) не зависят от скорости их движения, от того, находятся они в движении или нет. Но скорость их движения для разных систем отсчета выражается по-разному: скорость движения внутри системы отсчета алгебраически складывается (складывается или вычитается) со скоростью перемещения систем отсчета относительно друг друга. Об этом обычно говорят так: в механике Галилея-Ньютона относительной величиной является только скорость. Здесь относительность означает уже не тождество, а различие сравниваемых величин. Это тоже надо иметь в виду.
Трудами X. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского создана в 1905-1908 гг.. специальная теория относительности (СТО).
В основе этой теории лежат преобразования Лоренца . По этой теории механический принцип относительности Галилея в применении его к описанию распространения электромагнитных волн преобразуется в общефизический. Это осуществлено путем дополнения принципа относительности принципом постоянства скорости света. Создание СТО - пример перехода к более общей теории не путем абстрагирования и упрощения, а методом конкретизации, обогащения содержания теории.
В механике Галилея-Ньютона скорости движения тел относительно друг друга складываются алгебраически. Точные опыты Майкельсона в 80-х годах XIX в. показали, что при распространении электромагнитных волн скорости не суммируются. Например, если вдоль направления движения поезда, скоростью которого у р послать световой сигнал со скоростью к 2 , близкой к скорости света в вакууме, то скорость перемещения сигнала по отношению к платформе оказывается меньше суммы v, + У 2 и вообще не может превышать скорость света в вакууме. Скорость распространения светового сигнала не зависит от скорости движения источника света. Этот факт вступил в противоречие с принципом относительности Галилея.
Но авторы СТО не отказались от принципа относительности, а, напротив, придали ему более общий вид. При этом потребовалось коренным образом преобразовать понимание самих пространства и времени, одним словом, создать принципиально новую теорию изменения пространственно-временных отношений между объектами.
В теории относительности применяются лоренцевы преобразования координат:
И
Пространственные и временные координаты в СТО зависят друг от друга. Длина отрезка в направлении движения сокращается:
,
а ход времени замедляется (т.е. длительность процессов в движущейся системе по сравнению с покоящейся системой возрастает:
Один из создателей СТО Г. Минковский углубил понимание неразрывности пространства и времени, показав, что в своем единстве они абсолютны, независимы от системы отсчета. Абсолютный интервал Минковского dS 2 = dx 2 + dy 2 + dz 2 – c 2 t 2 объединяющий три пространственные и одну временною координаты, не зависит от системы отсчета, и в любой из них имеет одно и то же значение.
Таким образом, если в механике Галилея-Ньютона относительной была только скорость, то в СТО относительными предстали также линейные размеры объектов, длительность и одновременность процессов. Если в классической механике пространство и время были независимы друг от друга, то в СТО они преобразовались в единое пространство-время. Причем интервал между двумя событиями в этом четырехмерном пространстве-времени остается неизменным при переходе от одной инерциальной системы к другой.
Общая теория относительности (ОТО) была создана через 10 лет после СТО. По существу это - новая теория тяготения, более общая и глубокая, чем ньютоновская. В ОТО установлено, что метрические свойства определяются распределением и взаимодействием тяготеющих масс, а силы тяготения зависят от свойств пространства. В ОТО поставлены фундаментальные проблемы: конечности-бесконечности пространства и времени, соотношения материи, движения, пространства и времени.
Специальная и общая теории относительности первыми ознаменовали переход от классической физики к неклассической, от веками установившихся представлений о веществе, движении, пространстве и времени к принципиально новым теоретико-методологическим положениям и новой структуре всей физики.
Искривление пространства-времени в общей теории относительности
В специальной теории относительности Эйнштейна принцип относительности формулируется в более общем виде: не только механические, но все физические процессы в инерциальных системах протекают одинаково. В данной теории принцип относительности неразрывно связан с другим: принципом постоянства скорости света в вакууме, независимости ее от движения источника света. Подчеркивая момент тождества инерциальных систем, теория Эйнштейна акцентирует внимание на зависимости от них фундаментальных свойств пространства и времени, а также их зависимости от скорости движения объектов. Относительными (в смысле изменяющимися, различающимися при переходе от одной системы отсчета к другой) здесь оказываются и размеры тел, и длительность их существования, и одновременность или разновременность событий.
Общая теория относительности утверждает одинаковость законов природы не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета. Но для соблюдения этого потребовалось учесть зависимость свойств пространства и времени не только от скорости их перемещения, но и от более глубоких материальных взаимодействий, от массы тел и создаваемых ими гравитационных полей. В общей теории относительности ис пользуется уже не привычная нам геометрия Евклида, а другие геометрии с понятиями искривления пространства под действи ем полей тяготения, замедления хода времени в сильных гравитационных полях. Развитие физики демонстрирует, что более глубокое понимание единства мира, тождественности его проявлений достигается одновременно с раскрытием их глубочайших, не только количественных, но и самых фундаментальных качественных различий.
2.Пространство, время.
Постулаты специальной теории относительности (СТО) разрушили представления классической физики. Созданная Ньютоном механика рассматривала пространство и время как две независимые абсолютные величины, в которых разыгрываются физические процессы. Постулаты СТО вынуждают связать воедино пространство и время. Именно такая взаимосвязь позволяет получить математическое описание перехода между разными движущимися системами координат. Так как в теории относительности рассматриваются явления, протекающие с околосветовыми скоростями, то связь пространства и времени становится заметной исключительно при этих скоростях.
В школьном курсе физики использовались преобразования Галилея, приводящие к сложению скоростей, в СТО такие преобразования несколько сложнее. Они называются преобразованиями Лоренца, по имени ученого, предложившего их. При скоростях много меньше световых преобразования Лоренца могут быть заменены преобразованиями Галилея (напомним, что это проявление принципа соответствия Бора).
Выше была рассмотрена относительность одновременности событий. Привычные для нас представления о расстояниях и временных промежутках также являются относительными относительно движущихся систем координат. Да простят меня читатели за «двойную» относительность. Дело в том, что в широких слоях слово «относительность» стало ординарным. «Все в мире относительно», - слышали, наверное? Так вот, относительность может быть только отно-
сительно чего-то, а не сама по себе. Выражение: «Я получаю зарплату больше» - бессмысленно, если не связать его с суммой или человеком.
Привычная «экономия слов» порождает путаницу в умах людей, далеких от физики. Вели покоящийся наблюдатель станет измерять размеры тела, двигающегося с околосветовой скоростью, то в направлении движения тело получится короче первоначального размера. Данный результат вытекает из математических формул преобразований Лоренца. Дело в том, что измерение будет проводиться с по-мощью света. Но свет распространяется с постоянной скоростью независимо от движущихся или покоящихся систем координат (наблюдателей). Если процессы не будут замедляться, а размеры уменьшаться, то скорость света для неподвижного наблюдателя будет складываться со скоростью движущейся системы и в целом превзойдет скорость света. Таким образом, будет нарушен второй постулат СТО. Для его сохранения необходимо, чтобы для неподвижного наблюдателя процессы, происходящие в движущейся системе, происходили медленнее, а сам движущийся объект сокращался в направлении
движения. Но наблюдатель, расположенный в самой движущейся системе, никакого сокращения или замедления не обнаружит. (Относительно неподвижного наблюдателя сокращение и замедление будут происходить, а относительно наблюдателя в этой движущейся системе все останется неизменным.) В противном случае будет нарушен первый постулат Эйнштейна, в соответствии с которым все процессы должны протекать одинаково. Таким образом, время и пространство оказываются взаимосвязанными.
При́нцип относи́тельности (принцип относительности Эйнштейна ) - фундаментальный физический принцип, один из принципов симметрии , согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения .
Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
Частным случаем принципа относительности Эйнштейна является принцип относительности Галилея , который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики подразумевая применимость преобразований Галилея и оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике .
В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчёта (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Из формулы для ускорений следует, что если движущаяся система отсчёта движется относительно первой без ускорения, то есть a o = o {\displaystyle \ a_{o}=o} , то ускорение a → {\displaystyle {\vec {a}}} тела относительно обеих систем отсчёта одинаково.
Поскольку в Ньютоновской динамике из кинематических величин именно ускорение играет роль (см. второй закон Ньютона), то, если довольно естественно предположить, что силы зависят лишь от относительного положения и скоростей физических тел (а не их положения относительно абстрактного начала отсчета), окажется, что все уравнения механики запишутся одинаково в любой инерциальной системе отсчёта - иначе говоря, законы механики не зависят от того, в какой из инерциальных систем отсчёта мы их исследуем, не зависят от выбора в качестве рабочей какой-либо конкретной из инерциальных систем отсчета. Также - поэтому - не зависит от такого выбора системы отсчёта наблюдаемое движение тел (учитывая, конечно, начальные скорости). Это утверждение известно как принцип относительности Галилея , в отличие от Принципа относительности Эйнштейна.
Иным образом этот принцип формулируется (следуя Галилею) так:
Если в двух замкнутых лабораториях, одна из которых равномерно прямолинейно (и поступательно) движется относительно другой, провести одинаковый механический эксперимент, результат будет одинаковым.
Требование (постулат) принципа относительности и преобразования Галилея (представляющиеся достаточно интуитивно очевидными) во многом определяют форму и структуру ньютоновской механики (и исторически также они оказали существенное влияние на её формулировку). Говоря же несколько более формально, они накладывают на структуру механики ограничения, достаточно существенно влияющие на её возможные формулировки, исторически весьма сильно способствовавшие её оформлению.
Принцип относительности Эйнштейна (1905 г.)
«Не только в механике (по Галилею), но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя и даже, более того, - к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы»
История
С исторической точки зрения, к открытию принципа относительности привела гипотеза о движении Земли, особенно о её вращении вокруг оси . Вопрос заключался в следующем: если Земля вращается, то почему мы этого не наблюдаем в экспериментах, совершённых на её поверхности? Обсуждение этой проблемы привело ещё средневековых учёных Николая Орема (XIV в.) и Ала ад-Дина Али ал-Кушчи (XV в.) к выводу, что вращение Земли не может оказать никакого влияния на какие-либо опыты на её поверхности. Эти идеи получили развитие в эпоху Возрождения . Так, в сочинении «Об учёном незнании» Николай Кузанский писал:
«Наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным... Каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а всё остальное движется»
Аналогичные мысли содержатся и в диалоге Джордано Бруно «О бесконечности, Вселенной и мирах»:
«Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы, и как это показывает тысячью способами чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течёт, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звёздах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается всё окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь»
Однако «отцом» принципа относительности заслуженно считается Галилео Галилей , который придал ему чёткую физическую формулировку, обратив внимание, что, находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. В своей книге «Диалог о двух системах мира » Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:
Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.
Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона . В своих «Математических началах натуральной философии» (том I, следствие V) Ньютон так сформулировал принцип относительности:
«Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключённых в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения»
Во времена Галилея и Ньютона люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (в частности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуются друг с другом, так как уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований к ним самим или к их решениям - меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания (например, изменённую скорость света). Эти противоречия привели к открытию преобразований Лоренца , которые делали применимым принцип относительности к электродинамике (сохраняя инвариантной скорость света), и к постулированию их применимости также к механике , что затем было использовано для исправления механики с их учётом, что выразилось, в частности, в созданной Эйнштейном Специальной теории относительности . После этого обобщённый принцип относительности (подразумевающий применимость и к механике, и к электродинамике, а также к возможным новым теориям, подразумевающий также преобразования Лоренца для перехода между инерциальными системами отсчёта) стал называться «принципом относительности Эйнштейна», а его механическая формулировка - «принципом относительности Галилея».
Принцип относительности, включающий явно все электромагнитные явления, был, по-видимому, впервые введён Анри Пуанкаре начиная с 1889 года (когда им впервые высказано предположение о принципиальной ненаблюдаемости движения относительно эфира) до работ , , , когда принцип относительности был сформулирован детально, практически в современном виде, в том числе введено его современное название и получены многие принципиальные результаты, повторенные позже другими авторами, такие, как, например, детальный анализ относительности одновременности, практически повторённый в работе Эйнштейна . Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного (а не приближённого) принципа в работе Лоренца , а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.
В этой принципиальной статье Х.А. Лоренца (1904 г.), содержавшей вывод преобразований Лоренца и другие революционные физические результаты, в достаточно завершённой форме (за исключением упомянутых технических ошибок, не следовавших из метода, исправленных Пуанкаре), он, в частности, писал: «Положение вещей было бы удовлетворительным, если бы можно было с помощью определённых основных допущений показать, что многие электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы. … На скорость налагается только то ограничение, что она должна быть меньше скорости света» . Затем, в работе 1904 года Пуанкаре дополнительно углубил результаты Лоренца, донеся значение принципа относительности до довольно широких кругов физиков и математиков. Дальнейшее развитие практического использования принципа относительности для построения новой физической теории было в 1905 г. в статье А. Пуанкаре «О динамике электрона» (), называвшего его в этой работе «постулатом относительности Лоренца», и в практически одновременной статье А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» .
В упомянутых и дальнейших работах перечисленных авторов, а также и других, среди которых следует выделить Планка и Минковского , применение принципа относительности позволило полностью переформулировать механику быстро движущихся тел и тел, обладающих большой энергией (релятивистская механика), и физика в целом получила сильнейший толчок к своему развитию, значение которого трудно переоценить. Впоследствии в целом к этому направлению в развитии физики (построенном на принципе относительности в отношении равномерно прямолинейно движущихся систем отсчёта) применяется название специальная теория относительности .
Очевидно, принцип относительности Эйнштейна и выросшая из него идея геометризации пространства-времени сыграли важную роль при распространении на неинерциальные системы отсчёта (учитывая принцип эквивалентности), то есть в создании новой теории гравитации - общей теории относительности Эйнштейна . Остальная теоретическая физика также ощутила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям .
Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружится, что принцип относительности не выполняется точно, его огромная конструктивная роль в науке своего времени (длящаяся по меньшей мере до сих пор) настолько велика, что её даже трудно с чем-нибудь сравнить. Опора на принцип относительности (а потом также ещё и на некоторые его расширения) позволила открыть, сформулировать и продуктивно разработать такое количество первостепенных теоретических результатов, практически не мыслимых без его применения, во всяком случае, если говорить о реальном пути развития физики, что его можно назвать основой, на которой построена физика.
См. также
- Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции
Примечания
Литература
- Шаблон:Книга:Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.: Теория поля
Оригинальные источники и исторические обзоры в русском переводе
- http://ivanik3.narod.ru/linksPrincipOtnositelnosty.html Принцип относительности. Сборник работ классиков релятивизма. Под редакцией В. К. Фредерикса и Д. Д. Иваненко . ОНТИ. Ленинград 1935 г. (pdf, русск.).
- http://ivanik3.narod.ru/linksPO73.html Принцип относительности. Сборник работ по специальной теории относительности. М., Атомиздат , 1973. 332 с. (djvu, русск.)
Оригинальные источники
Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Received June 30, published September 26, 1905. Reprinted with comments in , p. 276-306 English translation, with footnotes not present in the 1905 paper, available on the net Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Reprinted with comments in , Document 24 English translation available on the net Lorentz, H. A. (1899) «Simplified Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Systems», , I , 427-43. Lorentz, H. A. (1904) «Electromagnetic Phenomena in a System Moving with Any Velocity Less Than That of Light», Proc. Acad. Science Amsterdam , IV , 669-78. Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière , Carré & C. Naud, Paris. Partly reprinted in , Ch. 12. Poincaré, H. (1897) «The Relativity of Space» , article in English translation Poincaré, Henri (1900), "La théorie de Lorentz et le principe de réaction ", Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles Т. 5: 252–278,«Физика - 10 класс»
В любой ли системе отсчёта свободное тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения?
Что утверждает первый закон Ньютона?Галилей первым обратил внимание на то, что равномерное прямолинейное движение по отношению к Земле совершенно не сказывается на течении всех механических явлений.
Допустим, вы находитесь в каюте корабля или в вагоне поезда, движущегося плавно, без толчков.
Вы можете спокойно играть в бадминтон или пинг-понг, как и на земле.
Мяч или волан будет по отношению к стенам и полу перемещаться точно так же, как и по отношению к земле при игре в обычных условиях.Если не посмотреть в окно, то с уверенностью нельзя сказать, что же происходит с поездом: движется он или стоит.
Если в движущемся с постоянной скоростью вагоне изучать падение тел, колебания маятника и другие явления, то результаты будут точно такими же, как и при исследовании этих явлений на Земле.
Лишь при резком торможении поезда нужно прилагать дополнительные усилия, чтобы устоять на ногах.
При большой болтанке самолёта или качке парохода на большой волне об игре с мячом не может быть и речи.
Все предметы приходится закреплять, чтобы они оставались на своих местах.На основании подобных наблюдений можно сформулировать один из самых фундаментальных законов природы - принцип относительности .
Все механические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.
Это утверждение известно как принцип относительности в механике.
Его ещё называют принципом относительности Галилея.Не нужно думать, что выполнение принципа относительности означает полную тождественность движения одного и того же тела относительно различных инерциальных систем отсчёта.
Тождественны лишь законы динамики.Законы движения тел определяются не только законами динамики, но и начальными скоростями и начальными координатами тел.
А начальные величины для данного тела относительно разных систем отсчёта различны.Инвариантные и относительные величины.
Инвариантность означает неизменность физической величины или закона при определённых преобразованиях или изменениях условий.
Например, сила, с которой мяч ударяется о землю, не зависит от того, кто наблюдал этот удар: человек, стоящий рядом, или пассажир равномерно движущегося автобуса.
Или, например, масса космонавта одинакова на Земле и на Луне.Отметим, какие из рассмотренных величин остаются инвариантными при движении тела относительно разных систем отсчёта.
Инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой являются ускорение, масса и сила.
Также инвариантными будут законы Ньютона, о чём говорит принцип относительности Галилея.В то же время уравнения движения тел в разных инерциальных системах отсчёта будут выглядеть по-разному.
Величины, изменяющиеся при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, являются относительными (неинвариантными).
Кинематические величины, такие, как скорость, перемещение, траектория движения - примеры относительных величин.Например в равномерно движущемся поезде камень будет падать отвесно относительно стен вагона, если начальная скорость камня по отношению к поезду равна нулю (рис. 2.30).
Но, с точки зрения наблюдателя на Земле этот камень будет двигаться по параболе (рис. 2.31).
Дело в том, что начальная скорость камня по отношению к системе отсчёта, связанной с Землёй, отлична от нуля и равна скорости поезда.Открытие принципа относительности - одно из величайших достижений человеческого разума.
Оно оказалось возможным лишь после того, как люди поняли, что ни Земля, ни Солнце не является центром Вселенной.Источник: «Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Динамика - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика
Классическая механика имеет огромное значение в истории развития науки и естествознания. На ее фундаменте появились многие научные направления, поэтому в течение длительного времени это учение является основой технического прогресса. Особое влияние механика оказала на становление философии и формирование правильного мировоззрения. Причем именно в мировоззренческой области данный раздел физики остается незаменимым мостом для человеческого мышления, а также ассоциативного осмысления происходящих на Земле и ее пределами явлений.
Фундаментом классической механики является базовая теория Ньютона, которая характеризует физическую реальность определениями времени, пространства, точки и силы как комплексного взаимодействия материальных тел. Все физические явления в этой концепции определяются как движение физических элементов, управляемое постоянными неизменными законами Ньютона.
Замечание 1
Закон распространения света и принцип относительности в классической механике совместимы, поэтому данное положение составляет базу специальной гипотезе относительности.
При детальном описании физических процессов ученые всегда используют какую-либо систему отсчета. Например, движение материальных частиц чаще всего рассматривают относительно Земли, условно принимая земной шар за неподвижный элемент. Таким образом, принцип относительности, разработанный Галилеем, показал, что в условиях нашей планеты действует закон инерции. Согласно этому закону, влияние на тело сил проявляется в мгновенных изменениях скорости; для поддержания же взаимосвязи с неизменной по величине скоростью присутствия сил не требуется.
Концепция относительности пространства – времени
Рисунок 1. Концепция относительности пространства – времени. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
В механистической картине мира определения времени и пространства всегда рассматривались вне зависимости от свойств движущейся материи. Пространственный показатель в ней выступает в качестве универсального вместилища для движущихся материальных тел, а время - не учитывает никак реальные изменения, которые происходят с ними, и поэтому выступает обычным параметром. Другими словами, в механике исследуются только обратимые процессы, что существенно упрощает реальность.
Недостатком такой картины выступает то, что в концепции относительности пространство и время как формы существования материи характеризуются обособленно и отдельно, в результате чего их взаимосвязь остается неопределенной. Современная система физического пространства - времени кардинально изменила естественнонаучные представления, ставшие ближе к действительности. Поэтому первое знакомство с классической механикой необходимо начинать с гипотезы пространства - времени в том виде, как она выглядит в настоящее время.
Принцип относительности в классической механике
Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем, но окончательную версию это учение получило лишь в механике Ньютона. Для его понимания требуется ввести понятие концепции отсчета или координат. Как известно, нахождение движущегося тела в любой момент времени определяется только по отношению к другому физическому объекту, которое в физике называется системой отсчета.
С материальным телом напрямую связана соответствующая методология координат, например, известная всем декартова система. На определенной плоскости движение физической точки определяется такими основными координатами:
- абсциссой х – демонстрирующей точное расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси;
- координатой у - измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси.
- показатель z – добавляется в пространстве к двум предыдущим показателям.
Среди систем отсчета исследователи особо выделяют инерциальные системы, находящиеся друг относительно друга или в равномерном движении, или в покое. Значимая роль указанных концепций состоит в том, что для них всегда используется принцип относительности. Принцип относительности означает, что в инерциальных системах абсолютно все механические явления происходят аналогичным образом. В таких условиях закономерности движения материальных тел выражаются математической формой и являются ковариантными.
Теория относительности и ее роль в науке
Рисунок 2. Следствия из постулатов теории относительности. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Теория относительности – гипотеза пространства-времени, которая детально описывает все свойства физических процессов.
Когда в естествознании и науке в целом существовала тенденция сводить трактовку всех процессов природы к законам механики, принцип относительности был главным и не подвергался никакому сомнению. Положение внезапно изменилось, когда ученые вплотную начали исследовать электрические, магнитные и оптические явлений. Максвелл смог в результате объединить все эти процессы в пределах единой электромагнитной гипотезы. С появлением данной теории для исследователей стала очевидной несовершенство классической механики для точного описания природных явлений. В связи с этим автоматически возник вопрос: возможно ли использовать принцип относительности для электромагнитных систем?
Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два главных аргумента, которые свидетельствовали в пользу комплексности этого принципа:
- такой метод с большой точностью выполняется в механике, поэтому его возможно считать правильным и в электродинамике;
- если инерциальные системы отсчета неравноценны для детального описания явлений природы, то получается, что все законы проще всего описать с помощью одной концепции.
Еще более показателен пример, если рассматривается движение планеты вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду. Если бы теория относительности в таком случае не выполнялась, то законы движения физических тел непосредственно зависели бы от пространственной ориентировки Земли. Однако в физической неравноценности других направлений не было обнаружено. Здесь и появляется несовместимость принципа относительности с хорошо установленным методом определения постоянства и скорости света в пустоте
У ученых возникла дилемма: отказаться от гипотезы постоянства световой скорости, либо от принципа относительности. Первый метод был установлен настолько однозначно и точно, что отказ от него стал бы неоправданным. Не меньшие трудности возникают и при отрицании действия теории относительности в сфере постоянных электромагнитных процессов.
Такое противоречие принципа относительности к закону постоянства появилось в результате того, что классическая механика опиралась "на две ничем не подтвержденные идеи":
- промежуток временного пространства между двумя определенными событиями не зависит от состояния движения материального тела;
- пространственное расстояние между двумя физическими очками твердого вещества не зависит от состояния отсчета.
Исходя из этих гипотез, классическая механика полностью признавала, что показатели промежутка расстояния и времени имеют абсолютные значения и находятся вне зависимости от состояния движения тела отсчета. Аналогично этому утверждению считалось, что пространственные размеры материальных тел в спокойных и движущихся системах отсчета всегда остаются одинаковыми. И хотя эти теории с точки зрения привычного сознания и так называемого здравого разума кажутся вполне очевидными, тем не менее, они не могут согласоваться с результатами многочисленных экспериментов, подтверждающих выводы абсолютно новой теории относительности.
