Готовый реферат

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ



Какие же следствия для пространства и времени вытекают из общей теории относительности? Для этого нужно обратиться вначале к геометрии, которая возникла прежде всего как учение о физическом пространстве, измерении земельных площадей и строительных сооружений. Но уже в древности появилась теоре¬тическая, аксиоматическая геометрия Евклида, которая остава¬лась единственной до XIX в. Правда, до конца XIX в. не дела¬лось какого-либо различия между теоретической и физической геометрией.

С геометрией Евклида связывался тот взгляд, что пространст¬во везде одно и то же. Она исходила из пяти аксиом, или постула¬тов. Многих математиков не удовлетворял пятый постулат, кото¬рый гласил, что из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, которая не будет пересекаться с данной, сколько бы ее ни продолжали. Этот постулат не был очевиден, так как никто не мог бы его экспериментально подтвердить даже в воображении — нельзя же линию продолжить в бесконечность.

Ряд известных математиков пытались доказать, что этот посту¬лат на самом деле является теоремой, т.е. его можно вывести из че¬тырех других. Но все их попытки оказались неудачными. Они так или иначе неявно предполагали тот же самый пятый постулат. На¬пример, в той форме, что сумма углов треугольника равна двум прямым. Великий математик К. Гаусс первый поставил под со¬мнение возможность такого доказательства, т.е. признал, что по¬стулат является аксиомой и, следовательно, его можно заменить другими аксиомами, построив новую геометрию. Но он на это не осмелился.

И лишь Н.И. Лобачевский в России, Б. Риман в Германии и Я. Больяй в Венгрии построили новые геометрии, отбросив пятый постулат и заменив его на другие. Б. Риман заменил его на аксиому, что через точку, лежащую вне данной прямой на плоско¬сти, нельзя провести ни одной параллельной, все они будут пере¬секаться с данной прямой. Н.И. Лобачевский и Я. Больяй допус¬тили, что существует множество прямых, которые не пересекутся с данной прямой.

Для пояснения отличия этих геометрий возьмем пространство двух измерений, поверхность. Евклидова геометрия реализуется на плоскости, Римана — на поверхности сферы, на которой пря¬мая линия выглядит как отрезок дуги большого круга и его центр совпадает с центром сферы. Геометрия Лобачевского осуществля¬ется на так называемой псевдосфере. Поскольку пространство имеет три измерения, то для каждой геометрии вводится понятие кривизны пространства. В евклидовой геометрии кривизна нуле¬вая, у Римана — положительная, у Лобачевского—Больяя — от¬рицательная.(рис.3)

Поскольку постулат параллельности эквивалентен положе¬нию о сумме углов треугольника, то различие этих геометрий наглядно изображается на рисунке. В геометрии Евклида сумма углов треугольника равна 180°, у Римана — она больше, у Лоба¬чевского — меньше.



Рис.3

Под кривизной пространства не нужно понимать искривление плоскости наподобие того, как искривлена поверхность евклидовой сферы, где внешняя поверхность отлична от внутренней.

Изнутри ее поверхность вы¬глядит вогнутой, извне — выпуклой. Если же брать плоскость в пространстве Лобачевского или Римана, обе ее стороны являются совершенно одинаковыми. Просто внутренняя структура плоско¬сти такова, что мы измеряем ее с помощью некоторого коэффи¬циента «кривизны». Кривизна пространства понимается в науке как отступление его метрики от евклидовой, что точно описыва¬ется на языке математики, но не проявляется каким-то нагляд¬ным образом.

Риман впоследствии показал единство и непротиворечивость всех неевклидовых геометрий, частным случаем которых являет¬ся геометрия Евклида.

Создатели геометрий Лобачевский и Риман считали, что только физические эксперименты могут показать, какова геометрия нашего мира. Эйнштейн в общей теории относительности сделал геомет¬рию физической экспериментальной наукой, которая подтверди¬ла характер пространства Римана. Здесь опять призовем на по¬мощь мысленный эксперимент. Представим себе, что лифт поко¬ится в отсутствие гравитационного поля (см. рис. 4, а). В стене лифта сделано отверстие А, через которое луч света падает на его противоположную сторону. Линия АВ — прямая. Пусть теперь лифт начинает движение вверх с ускорением g, т.е. 9,8 м/с2. За время, пока свет проходит расстояние между стенками, лифт смещается вверх, и луч света попадает уже не в точку В, а в точку С (см. рис. 4, б).



Рис.4

Линия АС сохраняет свойство быть кратчайшим расстоянием между двумя точками, но это будет уже не прямая, а прямейшая, или геодезическая. На Земле, поверхность которой представляет собой сферу, такие линии и называются геодезическими. Общая теория относительности заменяет закон тяготения Ньютона но¬вым уравнением тяготения. Закон Ньютона получается как пре¬дельный случай эйнштейновских уравнений. Рассчитанное теоре¬тически Эйнштейном отклонение луча света было впоследствии экспериментально подтверждено наблюдениями во время сол¬нечного затмения, когда луч света от звезды проходит вблизи поля тяготения Солнца.

В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства—времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Тайме» спросил Эйнштейна в апреле 1921 г., в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и про¬странство, и время».

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА 4

1.1. Специальная теория относительности 4

1.2. Общая теория относительности 8

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ 10

2.1.Свойства пространства и времени 13

3. МАССА И ЭНЕРГИЯ 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20

ЛИТЕРАТУРА 21



ВВЕДЕНИЕ



Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физи¬ке и других науках. Физические, химические и другие величины непо¬средственно или опосредованно связаны с измерением длин и длитель¬ностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэто¬му расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и ка¬жущаяся ясность) привели к тому, что многие критические сооб¬ражения в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская кон¬цепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, господствовала вплоть до конца XIX в.

В начале ХХ в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория – специальная теория относительности. Созданная усилиями ряда ученых, прежде всего А. Эйнштейна, она позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамках классических представлений.

В своей работе я более подробно остановлюсь на принципе относительности, а также таких понятиях как пространство, время, масса и энергия.



1. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА



Специальная теория относительности



Специальная теория относительности созданная в 1905 г. А. Эйн¬штейном, стала результатом обобщения и синтеза классической ме¬ханики 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, таким образом, оказывается ее ча¬стным случаем».

Если бы были найдены абсолют¬ные пространство и время, а, следова¬тельно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с ко¬торым инерциальные системы равно¬правны. Создатель теории относитель¬ности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электро¬магнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри дан¬ной системы отсчета, нельзя установить различие между состоя¬ниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Класси¬ческое 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 не¬возможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быст¬рее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света».

Скорость света является предельной скоростью распростра¬нения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказыва¬ется постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

Скорость звука всего лишь 340 м/с. Это не¬подвижность по сравнению со скоростью света.

Из этих двух принципов — постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математи¬чески следуют все положения специальной теории относительно¬сти (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем от¬счета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся. По формуле:



где i — длина тела в движущейся системе со скоростью V по отно¬шению к неподвижной системе; l — длина тела в покоящейся системе.

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



Еще раз подчеркнем, что эффекты специальной теории от¬носительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

1. В.М. Найдыш, Концепции современного естествознания, - М.: Гардарики, - 2000. – 476 с.

2. А.Ю. Скопин, Концепции современного естествознания, - М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, - 2003. – 392 с.

3. С.Г. Хорошавина, Концепции современного естествознания: курс лекций, - Ростов н/Д: Феникс, - 2005. – 480 с.

4. Г.И. Рузавин, Концепции современного естествознания, - М.: Проект, - 2002. – 336с.

5. Концепции современного естествознания/ Под ред. В.Н. Лавриненко. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 317с.

6. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания. – М.: Альфа-М, 2003. – 464с.