Навигация
Частная (специальная) теория относительности
44342
знака
0
таблиц
0
изображений
3.3 Частная (специальная) теория относительности
Наибольшую известность Эйнштейну все же принесла теория относительности, изложенная им впервые в том же 1905 году, в статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. В то время большинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире – загадочном веществе, которое, как принято было думать, заполняет всю Вселенную. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось. Поставленный в 1887 году Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперек направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из нее, подобно тому как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на веслах по течению или против течения.
Нет оснований утверждать, что специальная теория относительности Энштейна была создана непосредственно под влиянием эксперимента Майкельсона-Морли, но в основу ее были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики.
Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает, чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру. Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого.
Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, с которой связана соотношением E = mc2, где c – скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.
Релятивистские эффекты, как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительными только при больших, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы, связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддается измерению даже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными. Почти через сорок лет после создания теории относительности физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при ее взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.
Восприятие работ Эйнштейна было неоднозначным. Многие ученые их попросту не понимали, и это происходило из-за специфических взглядов Эйнштейна на структуру правильных теорий и на связь между теорией и экспериментом. Хотя Эйнштейн и признавал, что единственным источником знаний является опыт, он был также убежден, что научные теории являются свободными творениями человеческой интуиции и что основания, на которых зиждется хорошая теория, не обязательно должны быть логически связаны с опытом. Идеальная теория, по Эйнштейну, должна базироваться на минимально возможном количестве постулатов и описывать максимально возможное количество явлений. Именно эта «скупость» на постулаты, свойственная всей научной деятельности Эйнштейна, делала его работы труднодоступными для коллег. Однако, ряд выдающихся физиков сразу поддержал молодого ученого, и среди них - Макс Планк. Именно он помог Эйнштейну перебраться из патентного бюро в Цюрихе сначала в Прагу, а затем в Берлин на должность директора Института физики кайзера Вильгельма.
3.4 Общая теория относительности
В 1905 году Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1914 году принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. Путь, приведший Эйнштейна к успеху, был трудным и извилистым. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М.Гроссмана в 1912 году появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 годом. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия? Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства — времени.
Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т.е. происходящие с переменной скоростью). Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона, становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введенных Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения. Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяется инерциальной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться под действием данной силы.
Он произвел так называемый «мысленный эксперимент». Если бы человек в свободно падающей коробке, например в лифте, уронил ключи, то они не упали бы на пол: лифт, человек и ключи падали бы с одной и той же скоростью и сохранили бы свои положения относительно друг друга. Так происходило бы в некой воображаемой точке пространства вдали от всех источников гравитации. Один из друзей Эйнштейна заметил по поводу такой ситуации, что человек в лифте не мог бы отличить, находится ли он в гравитационном поле или движется с постоянным ускорением. Эйнштейновский принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные и инерциальные эффекты неотличимы, объяснил совпадение гравитационной и инертной массы в механике Ньютона. Затем Эйнштейн расширил картину, распространив ее на свет. Если луч света пересекает кабину лифта «горизонтально», в то время как лифт падает, то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чем входное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки к стенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдатель в лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для Эйнштейна это означало, что в реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно малом расстоянии от массивного тела.
Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел. Как однажды заметил коллега Эйнштейна, американский физик Дж.А.Уилер, «пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться». Для проверки своей теории предложил три эффекта: искривление светового луча в поле тяготения Солнца, смещение перигелия Меркурия и гравитационное красное смещение. Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительно действуют и количественно правильно предсказывались общей теорией относительности.
В декабре 1915 года на заседании Академии наук в Берлине Эйнштейн доложил, наконец, окончательные уравнения общей теории относительности. Эта теория стала вершиной творчества Эйнштейна, и, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Однако понимание общей теории относительности пришло не сразу. Первые три года эта теория интересовала узкий круг специалистов и была понятна лишь десятку избранных.
Ситуация резко изменилась в 1919 году, так как в этом году удалось проверить прямыми наблюдениями одно из парадоксальных предсказаний общей теории относительности - искривление луча света от далекой звезды полем тяготения Солнца. Такое наблюдение возможно только во время полного солнечного затмения. Именно в 1919 г. такое затмение можно было наблюдать в районах земного шара с обычно хорошей погодой, что позволяло провести максимально точное фотографирование видимого положения звезд на небе в момент полного затмения. Экспедиция, снаряженная английским астрофизиком сэром Артуром Эддингтоном, сумела получить данные, подтвердившие предсказание Эйнштейна. Буквально в один день Эйнштейн стал знаменит на весь мир.
Обрушившаяся на него слава не поддается описанию. Теория относительности на долгое время стала предметом салонных бесед. Газеты всех стран были переполнены статьями о теории относительности, вышло множество популярных книг, в которых авторы пытались объяснить обывателям суть этой теории. Университеты упрашивали его работать у них в качестве преподавателя, ученые из различных стран мира обращались к нему за советом, а политические партии и всевозможные благотворительные организации и фонды сражались между собой за его поддержку и помощь, он был избран почетным членом множества академий.
Пришло, наконец, признание.
Слово и мнение Эйнштейна стало одним из самых авторитетных в мире. В 1920-е гг. Эйнштейн много ездит по свету, участвует в международных конференциях. Особенно важна была роль Эйнштейна в дискуссиях, развернувшихся в конце 1920-х гг. по концептуальным проблемам квантовой механики. Беседы и споры Эйнштейна с Бором на эти темы стали знаменитыми.
Портреты Эйнштейна появились на обложках иллюстрированных журналов, его имя мелькало в заголовках ежедневных газет. Аудитории, где Эйнштейн читал лекции в Берлинском университете, во время «релятивистской шумихи» были всегда переполнены, иногда число слушателей превышало тысячу человек. Среди многочисленных почестей, оказанных Эйнштейну, было предложение стать президентом Израиля, последовавшее в 1952 году, которое он не принял.
Свою мировую славу Эйнштейн начал воспринимать как тягостное бремя. Его научный триумф вышел далеко за рамки естественных наук. Он совершает многочисленные зарубежные поездки. Журнал «Scientific American» профинансировал конкурс на самое понятное объяснение теории относительности с призом в 5 тысяч долларов. Эйнштейн пошутил, что среди своих друзей он один не участвовал: «Я боялся, что не справлюсь». Любопытно (или символично), что победитель конкурса Болтон был сотрудником Британского патентного бюро.
Похожие работы
отца, а склонность к музыке - от матери. Со временем он научился неплохо играть на рояле и на скрипке. Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в баварском городе Ульме. Его отец Герман Эйнштейн был владельцем магазина электротехнических товаров. Вскоре после рождения Альберта семья переехала в столицу Баварии - Мюнхен. В этом городе он поступил в гимназию. В то время в немецких учебных ...
... ввел гипотезу световых квантов, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на ее основе объяснил, и сформулировал ряд закономерностей фотоэффекта, люминисценсии и фотохимических реакций. За проделанную по настоящему гениальную работу, Эйнштейн в 1921 году был удостоен нобелевской премии. Работы его были удостоены и многих других почетных наград. Первый закон ...
... гораздо более обширной области физических явлений. 4. Релятивистская космология Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО). Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве. ...
... без учета результатов, вытекающих из специальной теории относительности. В начале нашего века Эйнштейн начал разрабатывать очень сложную физическую теорию, которая получила название общей теории относительности. По расчетам Эйнштейна выходило, что притяжение света можно обнаружить только в очень сильных полях тяготения, например на малых расстояниях от поверхности Солнца. И вот в начале 1919г. ...
0 комментариев