Эйнштейн и создание теории относительности реферат по философии

Обновлено: 30.06.2024

Пространство и время являются основными формами существования материи. Все существующие объекты, которые не могут существовать иначе как в пространстве и времени, существуют в этих формах.

Многие науки занимаются проблемой пространства и времени. Как философские категории, пространство и время рассматриваются, с одной стороны, как объективные свойства реального мира, отраженные в нашем сознании, и, с другой стороны, как атрибуты материи.

Проблема взаимосвязи категорий материи, пространства и времени рассматривается в двух основных терминах — субстанциональном (от лат. substantia — то, что лежит в основе; сущность; Демокрит, Эпикур, Ньютон) и реляционном (от лат. relatio — отношение; Аристотель, Лейбниц, Эйнштейн).

В истории философии существуют две точки зрения на отношение пространства и времени к материи.

Первую из них условно можно назвать материальной концепцией. Она рассматривает пространство и время как отдельные сущности, существующие вместе с материей и независимо от нее. Соответственно, отношения между пространством, временем и материей были представлены как отношения между двумя видами независимых субстанций. Это привело к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера происходящих в них материальных процессов.

Вторая концепция называется реляционной. Его приверженцы понимали пространство и время не как самостоятельные сущности, а как систему отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами. Вне этой системы взаимодействий пространство и время считались несуществующими. В этой концепции пространство и время предстали как общие формы координации материальных объектов и их состояний. Соответственно, была признана и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

Различие рассмотренных подходов оказывается в нюансах исходных постулатов: в субстанциональном подходе материя постулируется в неидентифицируемых современными экспериментальными технологиями формах и ее упорядоченное движение, в реляционных подходах материя постулируется в известных формах и порядок движения не упоминается. То есть, мы можем сделать вывод, что содержательный и реляционный подходы не противоречат друг другу, а дополняют друг друга.

A. Теория относительности Эйнштейна — это физическая теория, которая рассматривает пространственно-временные свойства физических процессов. Поскольку законы, установленные относительностью, являются общими для всех физических процессов, их обычно называют просто свойствами пространства-времени. Эти свойства зависят от гравитационных полей в конкретной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени в приближении, в котором гравитационными полями можно пренебречь, называется специальной или частичной относительностью, или просто относительностью. Свойства пространства-времени в присутствии гравитационных полей изучаются в общей теории относительности, также называемой теорией гравитации Эйнштейна. Физические явления, описываемые относительностью, называются релятивистскими и происходят при скоростях v тел, близких к скорости света в вакууме.

В основе относительности лежат два постулата: принцип относительности, означающий равенство всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости источника света. Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой — преобразования Лоренца, для которых характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени).

Истоки относительности. Принцип относительности Галилея

Первый закон Ньютона одинаково хорошо применим к сохранению покоя и сохранению равномерного прямолинейного движения; таким образом, он одинаково хорошо применим в обеих системах.

Второй закон движения Ньютона задается формулой

Где F — сила, a — ускорение, а m — масса. Например, если к мячу приложить силу B, направленную влево, то он получит ускорение, направленное в ту же сторону.

Наблюдатель в альфа-ракете заметит, что мяч постепенно замедляется, а наблюдатель в бета-ракете заметит, что изначально неподвижный мяч начинает двигаться влево. Однако и те, и другие обнаружат, что это происходит в полном соответствии с формулой второго закона Ньютона. Наконец, их мнения расходятся только в отношении скоростей, но не ускорения шарика: например, если альфа-центрист считает, что скорость шарика изменилась от V до нуля, то бета-центрист считает, что скорость изменилась от нуля до — V , то есть на ту же величину — V . А одинаковое изменение скорости в единицу времени означает одинаковое ускорение. Что касается силы F, то она может зависеть от различных факторов, в зависимости от ее природы.

Общая теория относительности

В 1915 году Эйнштейн завершил работу над новой теорией, объединившей теорию относительности и теорию тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО). После этого теория, предложенная Эйнштейном в 1905 году, которая не учитывала гравитацию, стала известна как специальная теория относительности.

В этой теории, которая является дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, расположенных в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, связанной, в частности, с наличием массы-энергии. Поэтому в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий гравитации тем, что она использует уравнения Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с материей, присутствующей в пространстве.

Общая относительность основана на двух постулатах специальной относительности и формулирует третий постулат — принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс. Основным выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных свойств в гравитационных полях (и не только при движении с большими скоростями). Этот вывод связывает ОТО с геометрией, т.е. геометризация гравитации наблюдается в ОТО. Классическая геометрия Евклида не подходила для этой цели. Новая геометрия появилась в XIX веке. В работах русского математика Н.И. Лобачевского, немца Б. Римана и венгра Я. Больяи.

Геометрия нашего пространства оказалась неевклидовой.

ГРТ — это физическая теория, основанная на ряде экспериментальных фактов. Давайте рассмотрим некоторые из них. Гравитационное поле влияет не только на движение массивных тел, но и на свет. Луч света отклоняется в поле солнца. Измерения, проведенные в 1922 году английским астрономом А. Эддингтоном во время солнечного затмения, подтвердили это предсказание Эйнштейна.

В ОТО орбиты планет не замкнуты. Небольшой эффект такого рода можно описать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Перигелий — это ближайшая к Солнцу точка на орбите небесного тела, которое движется по эллипсу, параболе или гиперболе вокруг Солнца. Астрономы знают, что перигелий орбиты Меркурия вращается примерно на 6000″ в столетие. Это объясняется гравитационными возмущениями со стороны других планет. Это оставило невосполнимое отставание примерно на 40 дюймов в столетие. В 1915 году Эйнштейн объяснил это несоответствие в контексте ОТО.

В 1918 году, основываясь на ОТО, Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн: массивные тела, движущиеся с ускорением, излучают гравитационные волны. Гравитационные волны должны распространяться с той же скоростью, что и электромагнитные волны, т.е. со скоростью света. По аналогии с квантами электромагнитного поля, принято говорить о гравитонах как о квантах гравитационного поля. Возникает новая отрасль науки — гравитационно-волновая астрономия. Есть надежда, что гравитационные эксперименты дадут новые результаты.

Свойства пространства-времени в ОТО зависят от распределения гравитационных масс, а движение тел определяется кривизной пространства-времени.

Однако влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, поскольку при прохождении между точками с разными гравитационными потенциалами меняется только частота. Иллюстрацией относительного хода времени по Эйнштейну может служить обнаружение процессов вблизи предсказанных им черных дыр.

Проблема пространства и времени в специальной теории относительности А. Эйнштейна

Он увидел, что за преобразованиями Галилея стоит определенная концепция пространственно-временных отношений, которая не соответствует физическому опыту и реальным пространственно-временным отношениям вещей. Таким слабым звеном в фундаментальных основах классической механики было понятие абсолютной одновременности событий. Это понятие, не осознавая его сложной природы и не объясняя его, использовала классическая механика.

Как можно совместить эти два принципа? Их одновременная работа кажется невозможной.

Однако Эйнштейн находит выход из этой парадоксальной ситуации, анализируя понятие одновременности. Этот анализ приводит его к выводу об относительном характере концепции. В осознании относительности одновременности лежит кульминация всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени — основных понятий всего естествознания.

В классической физике всегда предполагалось, что можно просто говорить об абсолютной одновременности событий во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал ошибочность этого представления.

Новое понимание одновременности, осознание ее относительности приводит к необходимости признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, необходимо одновременно отметить его границы на шкале. Но то, что является одновременным для наблюдателя в состоянии покоя, уже не является одновременным для наблюдателя в движении, поэтому длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть разной.

Из этого Эйнштейн делает вывод о необходимости изменения представлений о пространстве-времени, разработанных классической физикой.

Создание специальной теории относительности (СТО) стало качественно новым шагом в развитии физических знаний. СТО отличается от классической механики тем, что наблюдатель органично входит в физическое описание релятивистских явлений с помощью средств наблюдения.

Экспериментальные подтверждения относительности, приводящие к изменению свойств времени и пространства:

В 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца во время полного солнечного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное число предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока только косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждение одного из самых загадочных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования черных дыр.

Существует ряд других эффектов, которые можно проверить экспериментально. К ним относятся отклонение и замедление (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе-Тирринга (гироскопическая прецессия вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования черных дыр, доказательства излучения гравитационных волн близлежащими системами бинарных звезд, а также расширение Вселенной.

В связи с этими и другими проблемами ОТО (отсутствие тензора энергии-момента гравитационного поля, невозможность квантования ОТО) теоретики разработали не менее 30 альтернативных теорий гравитации, и некоторые из них позволяют получить результаты, близкие к ОТО при соответствующих значениях параметров, входящих в теорию.

Таким образом, все известные научные факты подтверждают справедливость общей теории относительности, которая является современной теорией гравитации.

Вселенная — это окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, времени и в разнообразии форм наполняющего его вещества и их превращений.

Мир един, гармоничен и в то же время имеет многоуровневую организацию. Вселенная — это мегамир. Не существует жесткой границы, четко разделяющей микро-, макро- и мегамиры. Хотя они, несомненно, качественно отличаются друг от друга, они взаимосвязаны. Итак, наша Земля — это макрокосм, но как одна из планет нашей Солнечной системы, она также является элементом мегамира. Вселенная представляет собой упорядоченную систему отдельных, взаимосвязанных элементов разного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетарные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды вместе со своими планетарными системами и межзвездной средой образуют галактики. Галактика — это гигантская звездная система, в центре которой вращается более 100 миллиардов звезд. Внутри галактик можно увидеть звездные скопления. Звездные скопления — это группы звезд, разделенных расстоянием, меньшим, чем обычное межзвездное расстояние. Звезды в такой группе связаны общим движением в пространстве и имеют общее происхождение. Галактики образуют метагалактику. Метагалактика — это большая совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.

Читайте дополнительные лекции:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Предпосылки создания теории относительности. Космологические выводы Эйнштейна из общей теории относительности. Время и пространство. Разработка теории квантового поля, изучение пространства и времени в философии, науке как форм существования материи.

Рубрика	Философия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	24.09.2018
Размер файла	27,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Философский смысл теории относительности

Выполнил: студент гр. Б01-011-1

Предпосылки создания теории относительности

Время и пространство

Космологические выводы Эйнштейна из общей теории относительности

Список использованной литературы

В 1905 году А. Эйнштейн опубликовал первую теорию - специальную теорию относительности. Частная, или специальная, теория относительности основывается на положении о том, что для всевозможных систем отсчета, скорость движения которых постоянна, законы природы остаются одними и теми же. Вторую - общую теорию относительности, более сложную в плане математического аппарата, ученый завершил к 1916 году. Общая теория относительности распространяет принцип инвариантности скорости света на любые системы отсчета, в том числе и те, которые движутся с ускорением. Создание учения о пространстве и времени, как специальной теории относительности, так и общей теории относительности, стало важным этапом в развитии физики, а его построение неразрывно связано с философской наукой. Чтобы проиллюстрировать это, обратимся к истории.

В формирование учения о пространстве и времени внесли вклад многие ученые: математики Эвклид, Лобачевский, Риман, физики Ньютон, Эйнштейн, философы Аристотель, Лейбниц, Энгельс, а также многие другие.

Создателем теории относительности считается Альберт Эйнштейн, однако он во многом опирался на математический аппарат, который сформировали Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре. И хотя они внесли огромный вклад в развитие теории, их труда не было достаточно для ее завершения. Эйнштейн же дополнил их работы философским и физическим аспектом, и, таким образом, учение о пространстве и времени имеет тройственную природу, так как является результатом усилий трёх наук: математики, физики и философии.

При построении теории относительности ученый шел вслепую. Несмотря на все это реальность жестко диктовала ему верное диалектико-материалистическое понимание действительности, а накопление объективных фактов не давало сбиться с курса.

Предпосылки создания теории относительности

Материя и диалектический материализм

В соответствии с классической физикой вещество представлялось как дискретное материальное образование, а поле - как непрерывная среда, и их свойства считались несовместимыми. М. Планк первым пришел к выводу, что процессы испускания и поглощения поля каким-либо веществом происходят дискретно, то есть квантами с энергией E=h?. В результате изменилось представления о поле и веществе, были разрушены препятствия на пути к признанию поля формой материи. Но Эйнштейн пошел дальше, высказав гипотезу о том, что электромагнитное излучение не только испускается и поглощается порциями, но распространяется дискретно. Он сказал, что свободное излучение есть поток квантов, и поставил в соответствие кванту света (по аналогии с веществом) импульс р=E/c=h?/c. Здесь ученый показал, что свойства вещества и поля совместимы, левая часть приведенной выше формулы отражает корпускулярные свойства, а правая - волновые.

Позднее была разработана теория квантового поля. Элементарная частица в данной теории считается возбужденным состоянием квантового поля. Эксперимент показал, что если энергия кванта электромагнитного поля превысит собственную энергию электрона и позитрона и такой квант столкнется с ядром, то в результате взаимодействия электромагнитного кванта и ядра возникнет пара электрон - позитрон. При обратном процессе - столкновении электрона и позитрона - происходит аннигиляция, то есть вместо двух частиц появляются два фотона (гамма-кванта). Такие взаимопревращения поля в вещество и наоборот указывают на существование тесной связи между вещественной и полевой формами материи. Это и было взято Эйнштейном в основу при создании теории относительности.

Данный процесс аннигиляции истолковываются идеалистами как исчезновение материи, то есть превращение ее в энергию. На самом деле диалектический материализм считает материей вещество (частицы), различного рода поля и всякую другую объективную реальность, отличную от вещественной и полевой материи, в случае, если таковая реальность будет открыта.

Движущееся тело и электромагнитное поле (вещественные и полевые материальные образования) были центральным вопросом в процессе построения теории относительности. Эйнштейну было необходимо изучить пространственно-временные свойства материального объекта, которые возникают в результате его соотношения с материей поля в зависимости от скорости передвижения. Кроме знаний физики и математики, ученому понадобились философское знание, адекватно отражающее физическую действительность. Также нужно было рассмотреть ряд гносеологических проблем с точки зрения диалектико-материализма.

Диалектический материализм вносит вклад в разрешение парадокса близнецов и заключается в том, что один из близнецов, который остался на Земле, будет старше, чем тот, кто путешествовал в космосе с околосветной скоростью. Диалектический материализм разделяет все известные виды движения на пять форм: химическую, физическую, механическую, биологическую и социальную. Каждая из них имеет своего вещественного носителя, так как движение без материи немыслимо. Вещественным носителем механического движения являются макротела, которые движутся по законам классической физики. Поля различной природы и элементарные частицы есть материальные носители физической формы движения. Химическая и биологическая формы имеют своими носителями соответственно химические элементы, животный и растительный мир. Связь данных понятий можно пояснить так: бытие биологических объектов определяется главным образом биологическими законами, а законы химии, физики являются им подчиненными, и не всегда изменение подчиненной формы влияет на главную.

Оперируя этими сведениями, можно с легкостью разрешить так называемый парадокс близнецов, который якобы следует из теории относительности. Данная теория является физической, она не относится к биологическим и химическим процессам, не описывает их. А значит то обстоятельство, что человек движется с околосветной скоростью, вовсе не обязательно будет ускорять или замедлять его биоритмы человека. С помощью физической науки нельзя объяснить биологические и химические процессы внутри человека, летящего в корабле со скоростью, близкой к скорости света.

Диалектико-материалисты вовсе не подразумевают, что материальность есть некая конкретная форма бытия, будь то некое вещество либо же некий отдельно взятый атрибут реальности как, например, пространство или время. Когда диалектические материалисты говорят о материальности, они имеют в виду именно некую систему взаимозависимых атрибутов, которые обуславливают, создают один другой, переходят один в другой и так далее (то есть являются взаимозависимыми).

Самая малая система таких взаимозависимых атрибутов есть тело, поскольку только тело отделяет одну систему атрибутов от другой, следовательно, материя, материальность есть не что иное, как телесность вообще. Любой атрибут, взятый обособленно, вне системы взаимосвязанных атрибутов, вне тела есть лишь абстракция и не более того. Поэтому возведение чего-либо объективно существующего вне телесности, вне взаимосвязи между телами есть заблуждение.

Только в мышлении атрибуты реальности могут существовать обособлено (сами по себе) или играть главенствующую роль относительно других связанных атрибутов, что ведет к идеализму.

После опубликования в 1905г. специальной теории относительности было сделано много открытий, которые оказались связаны с частными исследованиями материи, но все эти открытия основывались на том общем представлении о материи, которое было впервые представил в своих работах Эйнштейн в виде целостной и непротиворечивой картины.

эйнштейн квантовый материя пространство

Время и пространство

В диалектическом материализме категории пространства и времени признаются отражающими внешний мир, они отражают общие свойства и отношения материальных объектов и поэтому имеют общий характер - ни одно материальное образование немыслимо вне времени и пространства.

Согласно Эйнштейну, длина тела и длительность происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разноименными для другого, движущегося относительно него.

В эксперименте неподвижный наблюдатель воспринимает проносящееся мимо него шарообразное тело в виде сплюснутого эллипса. С точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с телом, оно, как и прежде, сохраняет форму шара, однако все предметы, не движущиеся вместе с этим наблюдателем, точно таким же образом представляются ему укороченными в направлении движения. Такой результат оказывается не таким уж странным, если учесть, что это высказывание о размерах движущегося тела имеет сложный смысл, так как теперь размеры тела можно определить только с помощью измерения времени. Теперь пространство и время рассматриваются во взаимосвязи.

Космологические выводы Эйнштейна из общей теории относительности

Данные открытия породили множество гипотез о судьбе Вселенной, точнее, о видимой ее части - метагалактике. Наиболее поддерживаемые - гипотеза вечного расширения и гипотеза пульсирующей Вселенной, заключающаяся в том, что под влиянием гравитационных сил галактики замедлят движение, остановятся, и начнется обратное движение - процесс сжатия. Он снова приведет к локализованному, сверхплотному состоянию, а после - к взрыву и повторению цикла вновь. Определяющим в споре гипотез будет установление средней плотности материи во Вселенной. Если она равна или больше критической величины, то есть 10 -20 г/см 3 , то метагалактика является пульсирующей, если меньше, то вечно расширяющейся.

Проблема причинности имеет огромное мировоззренческое и методологическое значение для всех ученых мира. Они будут по-разному подходить к изучению одного и того же явления в зависимости от того, обусловлено оно чем-то или происходит само по себе, не имея причины возникновения. Концепция причинности является одним из самых важных вопросов философии.

Эйнштейн вел непримиримую борьбу за утверждение концепции детерминизма. Он считал, что учение о причинности не является раз навсегда данным, а постоянно трансформируется по мере изменения содержания науки.

Демокрит и Эпикур полагали, что все физические явления без исключения взаимосвязаны. Ньютон, объединив законы движения и закон тяготения, смог указать положение тела, на которое действуют только силы тяготения, в любой момент времени и в последовательные моменты времени. Иными словами, он описал движение всех видимых небесных тел, доказав, что все материальные явления закономерны, а теория относительности, как общий случай классической механики, только подтвердила это.

Таким образом, теория относительности объяснила законы природы, общие для всех тел во Вселенной во всех системах отсчета, определила, что является материальным, ответила на вопрос о том, каков мир и как он развивается, утвердила следственно-причинную связь между событиями.

Теория относительности, как и любая физическая теория, правильно отражает объективные закономерности природы и глубоко материалистической. Теория относительности исходит из того, что физика изучает конкретные свойства материи, которая объективно существует вне нашего сознания и независимо от нас. Основные положения теории относительности ярко отражают диалектический характер закономерностей реального мира, диалектику природы.

Работы Эйнштейна наряду с громадным значением в физике имеют, также, большое философское значение. Теория относительности связана с такими понятиями как материя, пространство, время и движение, а они являются одними из фундаментальных философских понятий. Диалектический материализм нашел аргументацию своим представлениям о пространстве и времени в теории Эйнштейна.

Список использованной литературы

1. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в 4-х т.: М.; Наука, 1965-1967, т.2

2. Борн М. Физика в жизни моего поколения. М., Издательство иностранной литературы, 1963

3. Грибанов Д.П. Философские основания теории относительности. М. 1982г.

4. Орлов В.В. Основы философии, часть первая

6. Бор Н. Избранные труды, Т.Н.М., Наука, 1971

Лист оценивания реферата

Соответствие содержания реферата заявленной тематике

Соответствие общим требованиям написания реферата

Соблюдение технических требований оформления реферата

Чёткая композиция и структура, наличие содержания

Логичность представления материала

Представленный в полном объёме список использованной литературы

Корректно оформленный список использованной литературы

Наличие ссылок на использованную литературу в тексте реферата

Отсутствие ошибок в оформлении ссылок на использованную литературу

Самостоятельность изучения материала и анализа

Отсутствие фактов плагиата

Итоговый балл

Подобные документы

Методологическая и мировоззренческая основы субстанциональной и реляционной концепций пространства и времени. Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна. Специфика пространственно-временных свойств в природе и социальных процессах.

контрольная работа [33,5 K], добавлен 06.02.2014

Возникновение философии в Древней Индии. Зарождение религиозного учения буддизма и его этика. Будда реальный и Будда из легенд. Пространство и время как формы существования материи. Основные идеи и философское значение специальной теории относительности.

контрольная работа [61,3 K], добавлен 26.09.2011

Пространство и время как основные формы существования материи, их современное понимание и проблема относительности. Сравнительная характеристика, принципиальные отличия субстанциального и реляционного подхода к отношению пространства и времени к материи.

реферат [24,8 K], добавлен 12.01.2011

Основные субстанции бытия и взгляды философов разных времен. Сущность концепции о формах движения материи Ф. Энгельса. Основное философское значение теории относительности. Изменение физической картины мира. Движение как сущность времени и пространства.

контрольная работа [32,7 K], добавлен 20.09.2015

Диалектическое понимание движения материи. Основы концепций пространства и времени. Философское значение специальной теории относительности. Изменчивость и устойчивость как одна из пар противоположностей, определяющих движение. Формы движения материи.

Файлы: 1 файл

Реферат Теория относительности А. Эйнштейна.doc

Реферат на тему: "Теория относительности Альберта Эйнштейна"

Список использованной литературы 18

Впервые принцип относительности был установлен Галилеем,
но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом.

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. Возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждений, Альберт Эйнштейн указывает на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относительности:

этот принцип с большой точностью выполняется в механике,
и поэтому можно надеяться, что он окажется правильным
и в электродинамике.
если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе.

Например, рассматривается движение Земли вокруг Солнца
со скоростью 30 километров в секунду. 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: отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным; не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.
В действительности, как показал Эйнштейн:

Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

В узком смысле теория относительности включает в себя специальную и общую теорию относительности. Специальная теория относительности (далее - СТО) относится к процессам, при исследовании которых полями тяготения можно пренебречь; общая теория относительности (далее - ОТО) — это теория тяготения, обобщающая ньютоновскую.

В истории физики термин теория относительности иногда используется для отграничения взглядов Эйнштейна, Минковского и их последователей, отвергающих концепцию светоносного эфира, от взглядов некоторых
их предшественников, таких как Лоренц и Пуанкаре.

Новые понятия и принципы теории относительности существенно изменили физические и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые господствовали в науке более двухсот лет.

1. Область применения

Теория относительности применяется в физике и астрономии начиная
с XX века. Впервые новая теория потеснила 200-летнюю механику Ньютона. Это в корне изменило восприятие мира. Классическая механика Ньютона оказалась верной лишь в земных и близких к ним условиях: при скоростях много меньше скорости света и размерах, значительно превышающих размеры атомов и молекул и при расстояниях или условиях, когда скорость распространения гравитации можно считать бесконечной.

Ньютоновские понятия о движении были кардинально скорректированы посредством нового достаточно глубокого применения принципа относительности движения. Время уже не было абсолютным
(а начиная с ОТО — и равномерным).

Более того, Эйнштейн изменил фундаментальные взгляды на время
и пространство. Согласно теории относительности, время необходимо воспринимать как почти равноправную составляющую (координату) пространства-времени, которая может участвовать в преобразованиях координат при изменении системы отсчета вместе с обычными пространственными координатами, подобно тому, как преобразуются все три пространственные координаты при повороте осей обычной трехмерной системы координат.

Теория относительности значительно расширила понимание физики
в целом, а также существенно углубила знания в области физики элементарных частиц, дав мощнейший импульс и серьёзные новые теоретические инструменты для развития физики, значение которых трудно переоценить.

С помощью данной теории космология и астрофизика сумела предсказать такие необычные явления, как нейтронные звезды, черные дыры и гравитационные волны.

2. Принятие научным сообществом

В настоящее время теория относительности общепринята в научном сообществе и составляет базис современной физики. Процесс её распространения и признания в научном сообществе, тем не менее, протекал непросто. Например, критическое отношение к положениям теории относительности выражали Нобелевские лауреаты Филипп Ленард,
Й. Штарк, Дж. Дж. Томсон, а также философы и учёные (например, Циолковский, Жуковский, Тесла и др.).

3. Специальная теория относительности

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных.

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная.

Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.

СТО объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, ваш друг, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно
и равномерно.

Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Альберт Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу новой теории пространства и времени, получившей название Специальной Теории Относительности (СТО):

1. Принцип относительности Эйнштейна - этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях
в инерциальных систем отсчета (ИСО) протекают одинаково.
Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму
во всех инерциальных системах отсчета).

2. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме - предельная скорость в природе - это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант.

Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона
и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики
и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе
от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет,
т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что уравнения Ньютона нуждаются в уточнении,
в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна – релятивистская механика.

Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Министерство образования РФ

Северо-Кавказский гуманитарный технический институт РЕФЕРАТ

Содержание Введение 3 1. Предпосылки создания теории относительности А.Эйнштейна 5 1.1. Относительность движения по Галилею 5 1.2. Принцип относительности и законы Ньютона 6 1.3. Преобразования Галилея 6 1.4. Принцип относительности в электродинамике 7 1.5. Преобразования Лоренца 8 1.6. Преобразование физических величин в релятивистской теории 8 2.1. Частная (специальная) теория относительности 9 2.2. Общая теория относительности 10 Литература 15

Принцип относительности – фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояния движения или покоя определяются по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчета. Принцип относительности лежит в основе специальной теории относительности Эйнштейна.

Инерциальная система – понятие классической механики, первой фундаментальной физической теории, которая имеет высокий статус и в современной физике. Основы этой теории заложил И.Ньютон.

Система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, – называется инерциальной. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная.

Существует фактически две различных теории относительности, известных в физике, одна из них называется специальной (частной) теорией относительности, другая – общей теорией относительности. Альберт Эйнштейн предложил первую из них в 1905 г., вторую – в 1916 г. Принимая во внимание, что специальная теория относительности связана, в первую очередь, с электрическими и магнитными явлениями и с их распространением в пространстве и времени, общая теория относительности была разработана, прежде всего, чтобы иметь дело с тяготением. Обе теории сосредотачиваются на новых подходах к пространству и времени, подходах, которые отличаются глубоко от тех, которые используются в каждодневной жизни; но релятивистские понятия пространства и времени неразрывно вплетаются в любую современную интерпретацию физических явлений в пределах от атома до вселенной в целом.

Читайте также: