От ньютона к эйнштейну в астрономии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Войти через uID

Приверженцем учения Коперника был великий ученый Галилео Галилей. В 1609 году он построил первую подзорную трубу для астрономической обсерватории. Он же открыл существование гор на Луне, спутников у Юпитера, пятен на Солнце, а также вращение Солнца вокруг собственной оси. Важным событием для астрономии стало открытие Исааком Ньютоном в 1685 году закона всемирного тяготения. Именно этому закону подчинены движение планет и взаимодействия между ними. Этот закон в начале XX века был дополнен выдающимся физиком Альбертом Эйнштейном. Гелиоцентрическая модель Вселенной оказала значительное влияние на разработку его теории относительности.

Как известно, в основе современной теоретической физики лежит классическая механика Ньютона. Ньютоном было введено понятие системы материальных точек, обладающих координатами и импульсами, что позволяет определить свойства этой системы в целом. Зная координаты и импульсы, мы можем вычислить все остальные величины в системе. В дальнейшем, на основе механики Ньютона появились механика сплошных сред, термодинамика, статистическая физика и электродинамика. Все они обладали преемственностью, оперировали модельными представлениями, предполагали наличие причинно-следственных связей между телами и явлениями, рассматривали процессы как следствия внутренних движений материи, подразумевали евклидовость пространства, равномерность течения времени, несоздаваемость и неуничтожимость материи и энергии, причём энергия рассматривалась как мера движения материи. Эти теории являются результатом обобщения накопленного естествознанием эмпирического материала. Математика в классической теории подчинена физике.

Созданная в ХХ в. теоретическая физика, имеющая в своей основе специальную теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику, пошла по совершенно другому пути. Эти теории основаны не на обобщении опытных данных, а на постулатах, следствия из которых соответствуют лишь отдельным опытным данным. Эти теории не обладают преемственностью с теориями классической физики, отказываются от модельных представлений и от причинно-следственных связей, процессы микромира рассматривают не как следствия скрытых форм движения материи, а как некие вероятностные процессы, не имеющие физических причин. Эти теории предполагают неевклидовость пространства и непостоянство течения времени. Энергия в современной физической теории эквивалентна материи, математика превалирует над физикой, физика оказывается подчинена абстрактной математике. Так что же со всем этим делать?

Для начала, конечно, нужно разобраться в сути проблемы. Что такое классическая механика Ньютона, наверно, никому объяснять не надо. Такие её следствия, как физика сплошных сред, термодинамика и другие, тоже достаточно наглядны и в разъяснениях не нуждаются. Но мало кто понимает, что такое теория относительности и квантовая механика, а так же, в чём их недостатки. Давайте с этим разберёмся.

Специальная теория относительности А. Эйнштейна базируется на нескольких постулатах. Но что же такое постулат? В логике это такое утверждение, которое временно, как допущение, может считаться верным. А вся теория относительности, как уже было сказано, основывается исключительно на постулатах. Эти постулаты следующие:

В любых инерциальных системах отсчёта все физические явления (механические, оптические, тепловые и т. п.) протекают одинаково.
Скорость распространения света в вакууме не зависит от движения источника света и одинакова во всех направлениях.
Из первого постулата вытекает невозможность обнаружить равномерное и прямолинейное движение никакими физическими экспериментами внутри движущейся лаборатории. Из второго постулата вытекает невозможность получения скоростей, превосходящих скорость света, и независимость скорости света от способов наблюдения и измерения.

Оба этих постулата возможны только в одном случае - если эфира не существует в природе. Ведь существование эфира сразу же методологически обосновывает возможность обнаружения движения лаборатории сквозь эту среду. К таким идеям Эйнштейна привели результаты опыта Физо по увлечению света движущейся средой и результаты опытов Майкельсона по обнаружению эфирного ветра. Опыт Физо ставит много проблем, связанных с точностью полученных данных. Поэтому, нужно рассмотреть другой опыт, по результатам которого Эйнштейн выдвинул свои постулаты.

Эксперимент Майкельсона имел своей целью проверку теории Лоренца о неподвижном эфире, который не увлекается Землёй. И опыт действительно дал отрицательный результат, но только в рамках подтверждения гипотезы Лоренца. Реально, эфирный ветер обнаружен был, но его небольшая скорость 3 км/с и странное направление не подходили ни под одну из имевшихся на тот день теорий эфира. И Эйнштейн, не став особо разбираться в этом эксперименте, выдвинул свои постулаты. Тут необходимо кое-что сказать о логике специальной теории относительности. Рассуждения начинаются с факта увлечения эфира материей, правда тогда было непонятно полностью или частично он увлекается. И далее Эйнштейн говорит, что невозможно создать удовлетворительную физическую теорию, не отказавшись от эфира. И оказывается от него. Далее выдвигаются два основных постулата и к ним добавляется идея о том, что события считаются одновременными, когда световой сигнал сообщает об этом из места одного события к другому. Далее физическим инвариантом становится четырёхмерный интервал, включающий кроме трёх физических координат ещё и время, умноженное на скорость света. Отсюда вытекает предельность скорости света в природе как скорости любых взаимодействий и особая роль этой величины. Логика теории делает круг и возвращается к исходным предпосылкам.

После специальной теории относительности следует общая теория относительности, которая была создана для описания тяготения. Логика там более сложная, но в кратце выглядит так: сначала имеется гравитация, в гравитационном поле можно осуществить переход в неинерциальную систему отсчёта с введением новых координат, и возникает кривизна пространства, как следствие неинерциальности системы, а гравитация оказывается следствием кривизны пространства. И самое интересное то, что в этой теории Эйнштейн признаёт эфир. Здесь логика тоже представляет собой замкнутый круг, а принятие эфира противоречит отказу от эфира в специальной теории относительности, на которой базируется общая.

Примечание. Если Вам эти рассуждения кажутся в какой-то степени бредовыми, прошу прощения, это не мои идеи, и я их лишь пересказываю в несколько упрощённом виде.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

3. От Ньютона до Энштейна Смирнов А.В., кандидат психологических наук

Исаак Ньютон (1643-1727)

Система двойных звезд Инфракрасное излучение

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Дистанционные курсы для педагогов

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 613 272 материала в базе

Материал подходит для УМК

§ 1. Предмет астрономии

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

20.02.2019 454
PPTX 2.9 мбайт
2 скачивания
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Смирнов Александр Васильевич. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

ГИА для школьников, находящихся за рубежом, может стать дистанционным

Время чтения: 1 минута

Новые курсы: преподавание блогинга и архитектуры, подготовка аспирантов и другие

Время чтения: 16 минут

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

В Госдуме предложили ввести сертификаты на отдых детей от 8 до 17 лет

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Трюк состоит в том, чтобы найти уравнения, расширяющие предыдущие, чтобы можно было доказать, что во всех уже проведённых экспериментах и испытанных технологиях новые уравнения равняются старым с точностью до крохотных отклонений, слишком малых для того, чтобы их можно было заметить при помощи существующих технологий и почти во всех научных экспериментах. Если подумать, то этот трюк – единственный из возможных трюков, позволяющих изобретать новые физические теории (и по моему опыту, этот трюк большинство начинающих физиков недооценивает).

И я сейчас продемонстрирую вам, как этот трюк работает для некоторых из уравнений Эйнштейна.

Рис. 1: треугольник, демонстрирующий идею Эйнштейна о пифагоровом взаимоотношении между энергией E, импульсом p и массой покоя m, где c – скорость света в пустом пространстве. Скорость объекта v связана с p и E соотношением, обведённым рамочкой. Энергия движения K (зелёный) равняется его общей энергии E (синий) минус масса-энергия m на c 2 (чёрный).

Возьмём объект, свободно движущийся сквозь пустое пространство со скоростью v с точки наблюдателя. Эйнштейн предложил описать его движение при помощи взаимоотношения между энергией E, импульсом p, массой m и скоростью v, представленного в виде треугольника. Подробно я описывал эту идею в другой статье про массу и энергию, а кратко этот треугольник представлен на рис. 1. Энергия E равняется сумме энергии массы mc 2 и энергии движения (в данной статье я буду называть её К, поскольку технически это кинетическая энергия). Уравнение Эйнштейна, связывающее энергию, импульс и массу в пифагоровом взаимоотношении:

E 2 = ( p c ) 2 + ( m c 2 ) 2

А скорость v задаётся тригонометрическим отношением

v / c = p c / E = sin α

Рис. 2: взаимоотношение между массой m, импульсом p и энергией движения К по законам Ньютона. Скорость света с здесь не появляется – Ньютону и его первым последователям она не была знакома. Взаимоотношение скорости и тангенса угла альфа только через пропорцию, а не равенство. Энергия массы тоже неизвестна. Сравните с рис. 1.

В уравнениях Ньютона (и их развитии, сделанном его научными потомками), содержится другой набор взаимоотношений, обусловленный тремя отрезками, показанными на рис. 2. Ньютон с последователями не знали об энергии массы – её предложил Эйнштейн (как и, по меньшей мере, ещё один его коллега – но Эйнштейн точнее описал все детали). Поэтому разговор, касающийся свободно движущегося объекта, шёл только об энергии его движения (К, кинетической). Также Ньютону с друзьями была незнакома скорость света. Поэтому до Эйнштейна соотношение между энергией движения К и импульсом с массой было таким:

А касательно скорости:

Комбинируя два эти уравнения, вы получаете более знакомую вам по школе формулу K = 1/2 m v 2 . Этот набор уравнений задаётся уже не треугольником, а тремя изображёнными на рис. 2. отрезками.

Как Эйнштейну удалось составить набор формул, совместимый со всеми предыдущими экспериментами (со всеми!)? В чём состояла его хитрость?

Рис. 3: если скорость объекта мала (и, соответственно, угол альфа), определение Ньютона для К и определение Эйнштейна для К = E – mc 2 оказываются почти идентичными.

Соотношения Эйнштейна почти идентичны ньютоновским в том случае, когда скорость объекта мала по сравнению со световой! Это видно на рис. 3. Допустим, угол α у треугольника мал, что соответствует скорости, гораздо меньшей по сравнению со скоростью света. Для Эйнштейна у самой по себе движущейся частицы энергия движения К равна общей энергии Е минус энергия массы mc 2 , как показано на рис. Заметьте, что К гораздо меньше Е. Из рисунка видно, что предсказание Ньютона и предсказание Эйнштейна для К имеют почти одинаковый размер – чем меньше импульс p, тем они оказываются ближе. Тем временем формулы, связывающая скорость, импульс и массу, тоже почти одинаковые, потому что Ньютон говорит:

v/c = p/mc = pc / mc 2

(в последней формуле я добавил по c в числитель и знаменатель), а Эйнштейн говорит:

Но при малом v эти уравнения становятся почти одинаковыми, поскольку mc 2 и E становятся почти одинаковыми. Через треугольник это тоже видно – поскольку tan α и sin α почти равны для малых углов. Поэтому пифагорово соотношение Эйнштейна и три отрезка Ньютона в экспериментах невозможно отличить друг от друга – пока скорость объекта крайне мала по сравнению с c.

Короче говоря, уравнения Эйнштейна очень, очень хитроумно сконструированы – когда скорости малы, уравнения Эйнштейна почти не отличаются от уравнений Ньютона. Именно поэтому – а Эйнштейн проверил это лично перед тем, как представить уравнения коллегам (прошу отметить этот факт начинающих физиков) – все существовавшие научные эксперименты и все технологии XVIII – XIX веков не противоречили этим уравнениям. Предсказания, полученные на основе теоретической платформы Ньютона были и остаются верными для всех практических применений тогда, когда скорости массивных объектов небольшие по сравнению со световой.

С медленными объектами закончили – а что насчёт быстрых?

Рис. 4: у треугольника Эйнштейна для безмассовых частиц нет горизонтальной стороны. Его вертикальный катет и диагональ (гипотенуза) схлопываются друг с другом, давая E = p c и v = c.

Никто до Эйнштейна не смог бы сделать такого предположения. Потому что в предположении, что свет состоит из безмассовых частиц, не было никакого смысла. Посмотрите на уравнения Ньютона. Если у объекта p не равен нулю, а вы подставите m = 0, то получите, что К = бесконечность, и v = бесконечность! А из экспериментов люди уже знали, что это не так. А если подставить p=0 и m=0, то в уравнениях Ньютона получится, что К и v равняются нулю, делённому на ноль, что вообще не даёт никаких предсказаний.

Подытоживая, можно сказать, что Эйнштейн протолкнул своё предположение между двумя вещами, которые уже были известны на заре его века. Люди знали, что массивные объекты подчиняются уравнениям Ньютона с большой точностью, вплоть до скоростей пуль и пушечных ядер. Хотя эти скорости всё равно оказывались крохотными по сравнению с c. Они знали, что свет состоит из электромагнитных волн, движущихся со скоростью порядка c. Эйнштейн стал великим объединителем, предположив, что свет состоит из безмассовых фотонов, и что законы Ньютона для массивных объектов нужно расширить до набора уравнений, способных описывать поведение как массивных, так и безмассовых частиц. Через это объединение он сделал предсказание: что массивные объекты, движущиеся со скоростью, близкой к световой, будут подчиняться не законам Ньютона, а его собственным уравнениям.

Поскольку в то время не существовало технологий для проверки таких радикальных предположений Эйнштейна, в первое время они получили серьёзное сопротивление со стороны людей, считавших, что в них нет никакого смысла. Однако с 1908 по 1920 года некоторые части его уравнений удалось проверить. И наука на этом не остановилась. С тех пор технологии и научные знания продвинулись очень далеко. Во многих экспериментах XX и XXI веков технологии позволяют достигать гораздо больших скоростей, чем это было возможно в 1905-м. Эксперименты физики частиц и их медицинское применение чрезвычайно сильно зависят от частиц, чья скорость v сравнима с c – как и наше понимание структуры атомов. И для таких частиц уравнения Ньютона и Эйнштейна очень сильно расходятся. Это показано на рис. 5. Все измерения быстрых частиц совпадают с формулами Эйнштейна, но не Ньютона. Дебаты по этому вопросу давно уже закончены (кроме неизбежных краевых случаев). Даже системы глобального позиционирования, GPS и ГЛОНАСС, полагаются на уравнения Эйнштейна, а не Ньютона.

Рис. 5: для объектов со скоростями, сравнимыми с c, уравнения Эйнштейна и Ньютона дают очень разные результаты для скорости v и энергии движения К. С экспериментами совпадают только предсказания Эйнштейна.

Когда-нибудь мы, возможно, столкнёмся с ситуацией, в которой уравнения Эйнштейна работать не будут, и их самих придётся расширять. Возможно, первые намёки на это появятся в экспериментах. Или через осознание теоретических несостыковок. Но пока что уравнения СТО, предложенные Эйнштейном для описания E, p, m и v, для объектов, движущихся без воздействия внешних сил (а также предел скорости, заключённый в этих уравнениях – никакой объект не может с точки зрения стороннего наблюдателя двигаться со скоростью быстрее c) работают безо всяких конфликтов.

Читайте также: