Понятие о теории относительности эйнштейна. Теория относительности Эйнштейна — что это такое простыми словами. Закон взаимосвязи массы и энергии

В статье описана теория относительности Эйнштейна без всяких формул и заумных слов

Многие из нас слышали про теорию относительности Альберта Эйнштейна, но некоторые не могут понять смысл этой теории. К слову, это первая теория за всю историю, которая уводит нас от привычного мировоззрения. Давайте поговорим о ней простыми словами. Все мы привыкли к трёхмерному восприятию: вертикальная плоскость, горизонтальная и глубина. Если же сюда добавить время и считать его четвёртой величиной, то мы получим четырёхмерное пространство. Это связано с тем, что время тоже относительная величина. Итак, всё в нашем мире относительно. Что это значит? Например, возьмём двух братьев близнецов, одного из них отправим в космос со скоростью света лет на 20, а второго оставим на Земле. Когда первый близнец вернётся из космоса, он будет моложе того, кто остался на Земле, на 20 лет. Это связано с тем, что даже время относительно в нашем мире, как и всё остальное. Когда объект приближается к скорости света, время замедляется. При достижении скорости, равной скорости света, время останавливается совсем. Отсюда можно сделать вывод - если превысить скорость света, то время пойдёт назад, то есть в прошлое.

Это всё в теории, а что же на практике? Нельзя приблизится к скорости света, а уж тем более превысить её. Относительно скорости света - она всегда остаётся постоянной. Например, один человек стоит на платформе вокзала, а второй едет на поезде в его сторону. Если тот, который стоит на платформе, будет светить фонариком, то свет от него будет идти со скоростью 300000 километров в секунду. Если же тот человек, который едет в поезде, тоже будет светить фонариком, то скорость его света не увеличится из-за скорости поезда, она всегда равна 300000 километров в секунду.

Почему же всё-таки нельзя превысить скорость света? Дело в том, что при приближении к скорости, равной скорости света, масса объекта увеличивается, соответственно увеличивается и энергия, необходимая для движения объекта. Если достигнуть скорости света, то масса объекта будет бесконечной, как, в принципе, и энергия, а это невозможно. Со скоростью света могут двигаться только объекты, не имеющие своей массы, а этим объектом как раз и является свет.

Помимо этого, в это дело включается гравитация, она может изменять время. Согласно теории, чем выше гравитация - тем медленнее течёт время. Но это всё в теории, а как же на практике? Современные системы навигации, соединённые со спутниками, являются такими точными именно из-за этого. Если бы они не учитывали теорию относительности, то разница в измерениях могла быть порядка нескольких километров.

«Что такое теория относительности?» — короткометражный научно-популярный фильм, снятый режиссёром Семёном Райтбуртом на Втором творческом объединении киностудии «Моснаучфильм» в 1964 году.

Долгое время ни один ученый в мире не мог сравниться с Исааком Ньютоном по тому влиянию, которое тот оказал на представления человечества о природе. Такой человек появился на свет в 1879 г. в немецком городе Ульм, и звали его Альберт Эйнштейн.

Эйнштейн родился в семье торговца электротехническими товарами, учился в обычной гимназии в Мюнхене, не отличался особым прилежанием, затем не смог сдать вступительные экзамены в цюрихский Политехникум и заканчивал кантональную школу в городе Аарау. Только со второй попытки он поступил в Политехникум. Молодому человеку с трудом давались языки и история, зато он рано проявил большие способности к математике, физике и музыке, став неплохим скрипачом.

Летом 1900 г. Эйнштейн получил диплом преподавателя физики. Только через два года по рекомендации друзей он устроился на постоянную работу экспертом федерального патентного бюро в Берне. Эйнштейн проработал там с 1902 по 1909 г. Служебные обязанности оставляли ему достаточно времени для размышлений над научными проблемами. Наиболее удачным оказался для Эйнштейна 1905 г. – 26‑летний физик опубликовал пять статей, которые впоследствии были признаны шедеврами научной мысли. Работа «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света» содержала гипотезу о световых квантах – элементарных частицах электромагнитного излучения. Гипотеза Эйнштейна позволила объяснить фотоэлектрический эффект: появление тока при освещении вещества коротковолновым излучением. Эффект был открыт в 1886 г. Герцем и не укладывался в рамки волновой теории света. За эту работу позднее Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Открытие Эйнштейна создало идейную основу для модели атома Резерфорда – Бора, согласно которой свет излучается и поглощается порциями (квантами), и концепции «волн материи» Луи де Бройля. Незадолго до того Макс Планк установил, что тепло также излучается квантами. Был осуществлен синтез двух, казалось, несовместимых точек зрения на природу света, высказанных в свое время Гюйгенсом и Ньютоном.

Опубликованную в том же 1905 г. статью Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» можно рассматривать как введение в специальную теорию относительности, которая произвела переворот в представлениях о пространстве и времени.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь развития. Долгое время основными были обыденные представления о пространстве и времени, как о каких‑то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе Ньютона «Математические начала натуральной философии».

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая оказывается ее частным случаем. Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности, из которого следует, что между покоем и движением – если оно равномерно и прямолинейно – нет никакой принципиальной разницы. Понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно‑временной континуум, пространственно‑временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 тысяч км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т. е. двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Теория Эйнштейна использовала в качестве базового положение, что во Вселенной ничто не может двигаться быстрее света в вакууме и скорость света остается постоянной для всех наблюдателей, независимо от скорости их собственного перемещения в пространстве.

Статья «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» завершала создание релятивистской (от лат. relativus – «относительный») теории. Здесь впервые была доказана связь между массой и энергией, в современных обозначениях – E = mc2. Эйнштейн писал: «…если тело отдает энергию E в виде излучения, то его масса уменьшается на E/c2… Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии». Это открытие вышло за пределы физики, техники и философии и до сегодняшнего дня косвенно определяет судьбу человечества. Так, атомная энергия – это, собственно говоря, превратившаяся в энергию масса.

Появление столь эпохальных работ не принесло Эйнштейну немедленного признания, он все еще вынужден был продолжать работать в патентном бюро. Только весной 1909 г. Эйнштейна избрали профессором теоретической физики в цюрихском Политехникуме и он смог уйти из бюро. В 1913 г. ученый был избран членом Прусской академии наук. В Берлине Эйнштейн получил благоприятные условия для продолжения своей научной работы. В 1916 г. он опубликовал «Основы общей теории относительности». Идеи Эйнштейна имели в глазах ученых‑теоретиков, а еще больше в его собственных глазах, не столько узкопрактический, сколько философский смысл. Он создал гармоничную картину Вселенной.

В 1921 г. Эйнштейн получил Нобелевскую премию за «заслуги в области теоретической физики и в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Присуждение этой премии еврею привело к резкому росту антисемитских настроений в Германии. Нападки на Эйнштейна усилились, однако он продолжал активную научную работу, читал много публичных лекций.

В 1932 г. физик отправился в очередную поездку в США и домой уже не вернулся – там к власти пришел Гитлер, и ничего хорошего всемирно признанный гений от него не ожидал. С этих пор Эйнштейн работал в Америке. В 1939 г. он направил письмо президенту Рузвельту с призывом как можно быстрее создать атомную бомбу, чтобы исключить монополию со стороны Германии. Последняя так и не получила это страшное оружие, зато проект, поддержанный правительством США, как известно, завершился «успешно», и в этом есть немалая заслуга и Эйнштейна. Впрочем, он решительно осудил бомбардировку Хиросимы и Нагасаки. Скончался ученый в Принстоне в 1955 г. Он запомнился современникам не только теорией относительности, которую, по правде говоря, хотя бы приблизительно понимает ничтожный процент населения Земли, но и чудаковатостью и неподражаемым юмором.

Введение

2. Общая теория относительности Эйнштейна

Заключение

Список использованных источников

Введение

Еще в конце XIX века большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой - предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия ХХ века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы ХIХ столетия и первые десятилетия ХХ, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером может служить теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

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:

«Закон распространения света и принцип относительности совместимы».

Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась «на две ничем не оправданные гипотезы»: промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения тела отсчета и пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения тела отсчета. В ходе разработки своей теории ему пришлось отказаться: от галилеевских преобразований и принять преобразования Лоренца; от ньютоновского понятия абсолютного пространства и определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

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.

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

Все вышесказанное обосновывает актуальность выбранной темы.

Цель данной работы всестороннее изучение и анализ создания специальной и общей теорий относительности Альбертом Эйнштейном.

Работа состоит из введения, двух частей, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы 16 страниц.

1. Специальная теория относительности Эйнштейна

В 1905 году Альберт Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, 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.

Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. И в самом деле, скорость звука всего лишь 340 м/с. Это неподвижность по сравнению со скоростью света.

Из этих двух принципов - постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея - математически следуют все положения специальной теории относительности. Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся. По формуле:

где /" - длина тела в движущейся системе со скоростью V по отношению к неподвижной системе; / - длина тела в покоящейся системе.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса - наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, в которой этот процесс будет более быстрым. По формуле:

Напомним, что эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

Рис.1. Эксперимент «Поезд Эйнштейна»

Эйнштейн попытался наглядно показать, как происходит замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной. Представим себе железнодорожную платформу, мимо которой проходит поезд со скоростью, близкой к скорости света (рис.1).

Специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей. Сегодня мы попытаемся разобраться вместе, что это такое.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая 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, Герман, 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. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.

2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

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.

Однородность пространства и времени

В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует.

Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным.

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее.

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

Объединение массы и энергии

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Общая теория относительности наряду со специальной теорией относительности - гениальный труд Альберта Эйнштейна, который в начале 20 века перевернул взгляд физиков на мир. Спустя сто лет ОТО является основной и важнейшей теорией физики в мире, и вместе с квантовой механикой претендует на один из двух краеугольных камней «теории всего». Общая теория относительности описывает гравитацию как следствие искривления пространства-времени (объединенного в ОТО в одно целое) под действием массы. Благодаря ОТО ученые вывели множество констант, проверили кучу необъяснимых явлений и придумали такие вещи, как черные дыры, темная материя и темная энергия, расширение Вселенной, Большой Взрыв и многое другое. Также ОТО наложила вето на превышение скорости света, тем самым буквально заточив нас в наших окрестностях (Солнечной системы), но оставила лазейку в виде червоточин - коротких возможных путей через пространство-время.

Сотрудник РУДН и его бразильские коллеги поставили под сомнение концепцию использования стабильных червоточин в качестве порталов к различным точкам пространства-времени. Результаты их исследований были опубликованы в Physical Review D. - довольно избитое клише в научной фантастике. Червоточина, или «кротовая нора», это своего рода туннель, соединяющий отдаленные точки в пространстве или даже две вселенные, посредством искривления пространства-времени.

Революционный физик использовал свое воображение, а не сложную математику, чтобы придумать свое самое известное и элегантное уравнение. Эйнштейна известна тем, что предсказывает странные, но истинные явления, вроде замедления старения астронавтов в космосе по сравнению с людьми на Земле и изменения форм твердых объектов на высоких скоростях.