Пространство и время в теории относительности эйнштейна реферат

Обновлено: 02.05.2024

Содержание работы

Вариант №14. Пространство и время в свете теорий относительности А. Эйнштейна.
1.Объясните понимание пространства и времени в специальной теории относительности.
2.Вскройте сущность понимания пространства и времени в общей теории относительности.
3. Подчеркните физический смысл (новизну) идей А. Эйнштейна.

Содержимое работы - 1 файл

вариант по ксе.doc

Вначале следует уяснить и затем изложить сущность идей А. Эйнштейна о зависимости свойств пространства и времени при движении близком к скорости света, т.е. объяснить сущность специальной теории относительности. Затем следует перейти к уяснению сущности общей теории относительности и объяснить, как зависят пространство и время от таких факторов как гравитация или от плотности вещества. Завершить следует объяснением новизны и физического смысла идей А. Эйнштейна для современной физики.
Литература:
1. Концепции современного естествознания. Под ред. Лавриненко В.Н. и Ратникова В.П. М., 2004. См. гл. 5.
2. Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. М., 1969.
3. Паркер Б. Мечта Эйнштейна. М., 1991.
4. Сиама Д. Физические принципы общей теории относительности. М., 1971.
5. Эйнштейн А. и др. Эволюция физики. М., 1966.

1 Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) (англ. special theory of relativity;) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей образует общую теорию относительности .

СТО полностью выводится на физическом уровне строгости из трёх постулатов (предположений):

Справедлив принцип относительности Эйнштейна — расширение принципа относительности Галилея.
Скорость света не зависит от скорости движения источника во всех инерциальных системах отсчёта.
Пространство и время однородны, пространство является изотропным.

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела уже имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости.

Четырёхмерный континуум — пространство-время

С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно интерпретировать как результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Именно инвариантная структура этого пространства, задаваемая постулатами СТО, не меняется при переходах от одного условия синхронизации часов к другому, и гарантирует независимость результатов экспериментов от принятого условия.

Аналог расстояния между событиями в пространстве Минковского, называемый интервалом, при введении наиболее простых координат, аналогичных декартовым координатам трёхмерного пространства, даётся выражением

Отклонения в протекании физических процессов, описываемые теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой, называют релятивистскими эффектами, скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями.

Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

2 О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейно в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

ОТО в настоящее время — самая успешная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности

Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля, который может быть сформулирован так:

Достаточно малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время специальной теории относительности

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме теории он, на самом деле, не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Важно отметить, что основным отличием пространства-времени общей теории относительности от пространства-времени специальной теории относительности является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени специальной теории относительности этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

Уравнения Эйнштейна

Уравнения Эйнштейна связывают между собой свойства материи, присутствующей в искривлённом пространстве-времени, с его кривизной. Они являются простейшими (наиболее линейными) среди всех мыслимых уравнений такого рода. Выглядят они следующим образом:

где — тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени посредством свёртки его по паре индексов

— скалярная кривизна, свёрнутый с дважды контравариантным метрическим тензором тензор Риччи

представляет собой тензор энергии-импульса материи, ( — число пи, — скорость света в вакууме, — гравитационная постоянная Ньютона). Тензор называют тензором Эйнштейна.

Здесь греческие индексы пробегают значения от 0 до 3. Дважды контравариантный метрический тензор задаётся соотношением

Тензор кривизны пространства-времени равен

где используются символы Кристоффеля, определяемые через производные от компонент дважды ковариантного метрического тензора

Символ Кристоффеля с одним верхним индексом по определению равен

Решая уравнения Эйнштейна, можно найти 10 независимых компонент симметричного метрического тензора. Этот метрический тензор (метрика) описывает свойства пространства-времени в данной точке и используется для описания результатов физических экспериментов. Он позволяет задать квадрат интервала в искривлённом пространстве

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.

Рассмотрим последовательное развитие этих теорий.

1. Предпосылки создания теории относительности А.Эйнштейна

1.1. Относительность движения по Галилею

Важную роль в создании научной картины мира сыграл принцип относительности одного из основоположников современного естествознания Галилея – принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета в классической механике, который утверждает, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-то инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

Математически принцип относительности Галилея выражает инвариантность уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразований Галилея.

1.2. Принцип относительности и законы Ньютона

1.3. Преобразования Галилея

1.4. Принцип относительности в электродинамике

1.5. Преобразования Лоренца

Подобно тому, как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными: x'= g(x-vt); y'= y; z'=z; t'=g(t-vx/c 2 ), где g = (1-v 2 / c 2 )-1/2, а с – скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При v£c они переходят в преобразования Галилея, но если v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства – времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.

1.6. Преобразование физических величин в релятивистской теории

2. Теория относительности А.Эйнштейна

Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879-1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907-16) теории относительности.

2.1. Частная (специальная) теория относительности

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E 2 = М 2 ×c 4 + P 2 ×с 2 (где с – скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

2.2. Общая теория относительности

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в вакууме – это изменение переносится в виде гравитационных волн; возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E = mc 2 . Это – знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.

Заключение

Теория относительности А.Эйнштейна – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Так как закономерности, устанавливаемые теорией относительности, – общие для всех физических процессов, то обычно о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Эти свойства зависят от полей тяготения в данной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени в приближении, когда полями тяготения можно пренебречь, называется специальной или частной теорией относительности, или просто теорией относительности. Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности, называемой также теорией тяготения Эйнштейна. Физические явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются при скоростях v движения тел, близких к скорости света в вакууме с.

В основе теории относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения 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). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности: существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме; относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тел и др. Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.

Ряд выводов общей теории относительности качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

Представления о пространстве и времени составляют основу физического миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных частиц, в том числе и для расчетов гигантских установок, которые предназначены для потоков очень быстрых частиц, необходимых для экспериментов, позволяющих продвинуться в изучении строения материи.

Литература

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 2000. – 512 с.

2. Григорьев В.Н. Альберт Эйнштейн // Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. – М., 2001.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с.

4. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ, 2000. – 203 с.

5. Концепции современного естествознания / Самыгин С.И. и др. – Ростов н/Д.: Феникс, 1997. – 448 с.

6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Проект, 2002. – 336 с.

7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1999. – 232 с.

8. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – Ростов н/Д.: Феникс, 2002. – 480 с.

Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Выделение и фиксация во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний объекта составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени.

Содержание

Введение
1 Развитие представлений о пространстве и времени
2 История создания общей теории относительности
3 Технология продвижения и стимулирования сбыта турпродукта
4. Общие свойства пространства и времени
Заключение

Работа содержит 1 файл

пространство и время в ТО реферат КСЕ.doc

1 Развитие представлений о пространстве и времени

2 История создания общей теории относительности

3 Технология продвижения и стимулирования сбыта турпродукта

4. Общие свойства пространства и времени

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

Другой недостаток механистической картины мира состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления.

Развитие представлений о прост ранстве и времени

Пространство и время являются основными категориями в физике, т.к. большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В то же время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как в учениях Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции.

В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и пространственных фигур греками было подчинено главной цели — исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.

В эпоху Возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении возникновения физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки.

До теории относительности в физике было две прекрасно работающих по отдельности области: механика Ньютона, миллионы раз проверенная экспериментом, и электродинамика, сравнительно молодая, но уже крепко стоящая на ногах наука, описывающая в том числе распространение электромагнитных волн. Распространение волн описывалось уравнениями Максвелла, которые тоже были многократно проверены экспериментом и сомнений не вызывали. Тогда уже было известно, что свет — это тоже электромагнитная волна, и, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Но каждый раз, попытки измерить скорость в динамичной системе заканчивались провалом. Исходя из постулатов теории Ньютона - скорость света и скорость источника света необходимо было суммировать, но уравнения Максвелла не позволяли создать такую математическую модель, а попытки их доработать, чтобы подстроить под такую ситуацию, заканчивались крахом. Например: если лететь за светом со скоростью равной скорости света — то этот свет по уравнениям Максвелла исчезал.

XIX век был веком механики, вследствие чего все явления стремились описать при помощи механических моделей.

Введение же абсолютного времени, то есть времени, не зависящего от движения, основывается на постулате о мгновенном распространении взаимодействий в пустоте, что явилось основой построения Ньютоном теории тяготения.

Механика Ньютона, развитая в работах Д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Гамильтона, Якоби и др., получает стройную завершенную форму, построенную на принципах, определяющих научную картину мира того времени, называемую механистической научной картиной мира.

Представления об иерархическом строении вещества и о себетождественности физического объекта сформировали механистическую концепцию части и целого в ньютоновской физике, в основе которой лежат принцип редукционизма и элементаризма.

Заложенная Ньютоном в основания его физики идеология адекватно служила целям науки на протяжении длительного периода вплоть до начала двадцатого столетия. Пространство и время в его теории играют роль строительного каркаса, поддерживающего все стройное здание классической физики. Принятие Ньютоном пустоты формирует концептуальные основания физической науки.

Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

Пространство и время в теории относительности А.Эйнштейна

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно абсолютного пространства.

Ньютон предполагал, что взаимодействие между телами осущесвляется мгновенно. Позже было выяснено, что это не так. А значит, если речь идёт о событиях, происходящих в разных местах пространства, сложно что-либо сказать об их одновремённости, ведь сигнал от удалённых друг от друга точек, ровно как и взаимодействие между ними, тратят на распространение некоторое время, которое не всегда можно точно измерить. В разные точки сигнал об одном и том же событии приходит в разные моменты времени.

Эйнштейн предложил устанавливать синхронизацию пространственно-разделённых часов с помощью световых сигналов в вакууме. Пока синхронизация часов не установлена, не имеет смысла говорить о скорости в любом определённом направлении. Имеет смысл говорить лишь о средней скорости света в двух прямо противоположных направлениях, так как эту величину можно измерить с помощью только одних часов и зеркал.

Для этого, из неподвижной точки A посылается сигнал к неподвижному зеркалу, расположенному на некотором известном расстоянии L. По одним и тем же часам, расположенным в точке А замеряется временной промежуток между моментом отправления светового сигнала и моментом приёма отражённого сигнала. Поскольку время отсчитывается по одним и тем же часам, никакой синхронизации не требуется, и можно найти скорость света. Из второго постулата теории относительности следует, что скорость света в прямом и обратном направлениях одинакова, так что:

Где Δ t - временной интервал между отправкой сигнала к зеркалу и приёмом отражённого сигнала.

Итак, правило Эйнштейна синхронизации часов :

Пусть в неподвижных точках A и B установлены одинаковые часы. Ровно посередине между точками A и B произведём вспышку света и в момент прихода светового сигнала, поставим в этих точках часы одинаково (какое время на них выставить - оговаривается заранее).

Теперь, когда часы синхронизированы, если мы посылаем из точки A в момент времени t 1 A посылаем сигнал, который отражается от зеркала и приходит обратно в A в момент времени t 2 A , то можно найти момент времени t B , в который наш сигнал достигнет точки B :

Научившись синхронизировать часы, мы можем получить систему отсчёта с единым временем, в которой часы во всех точках синхронизированы между собой по правилу Эйнштейна. И теперь, даже если события происходят в разных точках пространства, можно установить, одновремённы эти события или нет.

Два пространственно-разделённых события в этой системе отсчёта называются одновремёнными, если синхронизированные часы, находящиеся в тех точках, где происходят эти события, показывают одно и то же время.

В каждой ИСО имеется точка наблюдения либо некоторый объект, на который осуществляется воздействие. И когда происходят какие-либо события где бы то ни было, мы можем утверждать что они имели место быть только в том случае, если мы получили сигнал о событиях, или на нас было оказано воздействие со стороны этих событий.

Одновремённость есть понятие относительное, то есть два события, одновремённые в одной инерциальной системе отсчёта, могут оказаться не одновремёнными в другой.

Если в какой-либо ИСО два события происходят в одной точке пространства в одно и то же время, то они будут одновременными во всех остальных ИСО.

Говорить, что два объекта встретились можно только если они сошлись в одной точке (области) пространства в одно и то же время. В противном случае, например, если Иванов придёт на место встречи в 12 часов, а потом уйдёт, а Петров - часом позже, то они друг друга не увидят.

Поэтому, если мы говорим, что два объекта встречаются, например, корабль прибывает на космодром, то как в ИСО корабля, так и в ИСО космодрома, оба объекта находятся в одно и то же время, в одной и той же точке пространства. При этом, часы в ИСО корабля и часы в ИСО космодрома могут показывать разное время, и точка, в которой они встретились - иметь разные координаты. Но это одна и та же точка пространства-времени.

Пространство и время - категории(3), обозначающие основные формы материи [1].

Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время - порядок смены явлений.

(3) Категория - это наиболее общее понятие.

Длина - величина, характеризующая протяжённость, удалённость и перемещение тел или их частей вдоль заданной линии.

Время - величина, характеризующая последовательную смену явлений и состояний материи, длительность их бытия.

Для того, чтобы мы могли воспользоваться понятием времени, его нужно измерить - выразить количественно. Для этого надо подобрать какой-либо процесс, периодически повторяющийся, и отсчитывать циклы. Их можно отсчитывать непосредственно в количестве прошедших периодов, либо сопоставить какому-либо количеству периодов (не обязательно целому) специальную единицу измерения.

Например, единица измерения времени - секунда, первоначально была принята за интервал времени, равный 1/86400 средних солнечных суток (смена времени суток - процесс периодический). Однако, ввиду трудностей наблюдения суточного вращения Земли, такое определение секунды оказалось неудобным. Сначада секунду решили выражать через тропический год (1с = 1/31556925,9747 тропического года), но потом, XII Генеральная конференция по мерам и весам и Международный комитет мер и весов в 1965 году приняли определение секунды, основанное на атомном эталоне частоты (4) .

(4) В декларации Международного комитета сказано, что эталон ". представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0 и F = 3 M = 0 основного состояния 2S 1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 герц." Из этогоопределения эталона следует, что секунда - это время, в течение которого совершается 9 192 631 770 переходов между указанными уровнями [1].

Переходы происходят циклично и периодично, остаётся их только считать. Важное обстоятельство - что на атом цезия не должны действовать внешние поля, поскольку они могут изменить частоту переходов.

Итак, переходы во всех атомах цезия осуществляются с одинаковой скоростью, синхронно. Время, за которое происходит один такой переход не зависит от того, в какой из инерциальных ИСО находится атом цезия (неподвижный в данной ИСО). Этим можно воспользоваться для того, чтобы в каждой ИСО создать одинаковые часы.

Пространство и время. Принципы относительности. Необратимость времени

. субстанции" должно обладать и время, ведь теория относительности говорит, что пространство и время словно две проекции единого .

Время и пространство

Теория относительности А.Эйнштейна

. инерциальная. Теория относительности – физическая теория пространства и времени. В частной (специальной) теории относительности рассматриваются только . пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля. Общая теория относительности .

Пространство и время в физике. Системы отсчета. Принципы относительности. Преобразования Галилея

. ускорением. В такой с.о. пространство и время неоднородно. Принцип относительности – принцип симметрии или . . (2) Первое равенство выражает теорему об импульсе механической системы: . . дискр. знач.; 3)в квант теор. им. масто принцип тождественности ( .

Пространство и время в современной научной картине мира

. только всякое движение, но и пространство и время. 2. Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А Эйнштейном .

1.Понимание пространства и времени в специальной теории относительности.

2. Понимание пространства и времени в общей теории относительности.

3. Физический смысл идей Альберта Эйнштейна.

Введение.

Вопрос о познавательном статусе категорий пространства и времени решался по-разному. Одни философы считали пространство и время объективными характеристиками бытия, другие — чисто субъективными понятиями, характеризующими наш способ восприятия мира. Были и философы, которые, признавая объективность пространства, приписывали чисто субъективный статус категории времени, и наоборот.

В истории философии существовали две точки зрения об отношении пространства и времени к материи. Первую из них можно условно назвать субстанциальной концепцией. В ней пространство и время трактовали как самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Соответственно отношение между пространством, временем и материей представлялось как отношение между двумя видами самостоятельных субстанций. Это вело к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера протекающих в них материальных процессов.

Вторую концепцию можно именовать реляционной (от слова relatio — отношение). Ее сторонники понимали пространство и время не как самостоятельные сущности, а как системы отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами. Вне этой системы взаимодействий пространство и время считались несуществующими. В этой концепции пространство и время выступали как общие формы координации материальных объектов и их состояний. Соответственно допускалась и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

1. Понимание пространства и времени в специальной теории относительности.

Специальная теория относительности (СТО) (частная теория относительности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света.

Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Аналогичный анализ свойств времени (внимательный читатель без особого труда может убедиться в этом сам) приведет нас к выводу, что время мы обычно представляем себе непрерывным, одномерным, однородным, бесконечным и анизотропным. Последнее свойство отражает явное различие направлений в прошлое и будущее с нашей точки зрения: в будущее мы все движемся, хотя и не по своей воле, а в прошлое мы двигаться не можем.

2. Понимание пространства и времени в общей теории относительности.

Общая теория относительности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie)— геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям.

Масса Солнца так искривляет пространство-время, что, хотя Земля движется по прямой в четырехмерном пространстве, мы видим, что в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите. Орбиты планет, предсказываемые общей теорией относительности, почти совпадают с предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Однако в случае Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации и имеет довольно вытянутую орбиту, общая теория относительности предсказывает, что большая ось эллипса должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Несмотря на его малость, этот эффект был замечен еще до 1915 г. и рассматривался как одно из подтверждений теории Эйнштейна. В последние годы радиолокационным методом были измерены еще меньшие отклонения орбит других планет от предсказаний Ньютона, и они согласуются с предсказаниями общей теории относительности.

Рис.1

Лучи света тоже должны следовать геодезическим в пространстве-времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Таким образом, согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях, и, например, световые конусы точек, находящихся вблизи Солнца, должны быть немного деформированы под действием массы Солнца. Это значит, что луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду в другой точке (рис. 1). Конечно, если бы свет от данной звезды всегда проходил рядом с Солнцем, мы не могли бы сказать, отклоняется ли луч света или же звезда действительно находится там, где мы ее видим. Но вследствие обращения Земли все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В результате их видимое положение относительно остальных звезд меняется.

3. Физический смысл идей Альберта Эйнштейна.

Революция в физике XXI в. ознаменовалась разработкой таких неклассических теорий (и соответствующих физических исследовательских программ), как частная (специальная) и общая теории относительности, квантовая механика, квантовая теория поля, релятивистская космология и другие, для которых характерно существенное развитие представлений о пространстве и времени.

Была выяснена необоснованность двух фундаментальных положений о пространстве и времени в классической механике: промежуток времени между двумя событиями и расстояние между двумя точками твёрдого тела не зависят от состояния движения системы отсчёта. Поскольку скорость света одинакова во всех системах отсчёта, то от этих положений приходится отказаться и сформировать новые представления о пространстве и времени.

Общая теория относительности получила блестящее эмпирическое подтверждение и послужила основой последующего развития физики и космологии на базе дальнейшего обобщения представлений о пространстве и времени, выяснения их сложной структуры. Во-первых, сама операция геометризации тяготения породила целое направление в физике, связанное с геометризованными едиными теориями поля. Основная идея: если искривление пространства-времени описывает гравитацию, то введение более обобщённого риманова пространства с повышенной размерностью, с кручением, с многосвязностью и т. д. даст возможность для описания иных полей. В 20-30-е гг. обобщения пространства Римана затрагивали в основном метрические свойства пространства-времени, однако в дальнейшем речь пошла уже о пересмотре топологии, а в 70-80-е гг. физики пришли к выводу, что калибровочные поля глубоко связаны с геометрической концепцией связности на расслоённых пространствах на этом пути достигнуты впечатляющие успехи, направленные в единой теории электромагнитного и слабого взаимодействий - теории электрослабых взаимодействий Вайнберга - Глэшоу - Салама, которая построена в русле обобщения квантовой теории поля.

Общая теория относительности является основой современной релятивистской космологии. Непосредственное применение общей теории относительности ко Вселенной даёт неимоверно сложную картину космического пространства-времени: материя во Вселенной сосредоточена в основном в звёздах и их скоплениях, которые распределены неравномерно и соответствующим образом искривляют пространство-время, оказывающееся неоднородным и неизотропным. Это исключает возможность практического и математического рассмотрения Вселенной как целого.

Заключение.

В отношении микромира благодаря Эйнштейну совершился, прежде всего, переход определенных представлений из области научных экстраполяции — картины мира — в область достоверного знания — науку. Его теория броуновского движения (беспорядочного движения микрочастиц вещества, взвешенных в жидкости) открыла путь к доказательству атомной структуры вещества, остававшейся гипотезой в течение тысячелетий.

Список литературы.

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания – М, 1997 г.

2.Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. – М.; 1969 г.

3. Сиама Д. Физические принципы общей теории относительности. – М.; 1971 г.

4. Эйнштейн А. Теория относительности. –М. 2000 г.

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы

Читайте также: