Реферати українською » Наука и техника » Спеціальна теорія відносності - перший крок фізики до вивчення природи простору і часу


Реферат Спеціальна теорія відносності - перший крок фізики до вивчення природи простору і часу

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Парфьонов До. У.

У свідомості нашого народу, знайомство яких з теорією відносності обмежується відомостями з шкільних підручників, вона асоціюється насамперед із принципом відносності Ейнштейна. Недарма навіть В.Висоцький, розмірковуючи про відносності людських суджень, відразу згадав і згадувати цю теорію: «… навіть Ейнштейн, фізичний геній, дуже відносне все розумів…». Тим більше що для фізики основне значення теорії відносності полягала у цьому, що вона призвела до переосмислення фізиками змісту найважливіших їхнього концепцій понять – понять простору й часу. Важливість їх викликає жодних сумнівів: коли ми уважно проаналізуємо методи, використовувані як із експериментальному дослідженні фізичних явищ, і за її теоретичному описі, ми зауважимо, що їх основі лежать уявлення саме щодо простору і часу. Ми взагалі можемо побудувати у своїй свідомості образ реальних подій, не використовуючи характеристик «де» і «коли». І тепер, розпочинаючи розгляду змісту теорії відносності, ми мусимо насамперед простежити (дотримуючись або логічний, або історичної послідовності), як відбувалося розвиток поглядів на просторі і часу.

Передусім спробуємо з відповіддю: звідки взагалі ми знаємо про їхнє існування? Зрозуміло, з досвіду. Понад те, ці поняття виникли внаслідок осмислення найперших кроків нашого вивчення навколишнього світу. Ще появи власне людського мислення в нас формуєтьсяпоисково-ориентировочний рефлекс, заснований на відчутті протяжності і мінливості предметів навколишнього світу. Логічний обробка цих відчуттів наводить нас до поняттям відстані тимчасової інтервалу. Для їх виміру людству знадобилося визначити еталони (одиниця виміру), котрі відрекомендовуються незмінними. Перші еталони довжини пов'язувалися в різних народів з типовими розмірами частин людського тіла, а ролі еталонних тимчасових інтервалів розглядалися періоди астрономічних процесів (рік, добу тощо.). Тепер у ролі еталонних використовуються атомні процеси, що дозволило поліпшити точність вимірів, але сама суть виміру як перевірки еталоном не змінилася. Які ж самі основні властивості простору й часу, встановлених у нашому «звичайному», повсякденному досвіді?

Простір зазвичай представляється нам безперервним – ми можемо уявити предмети як завгодно малого розміру й дійти поняттю точки як елемента простору із нульовим розміром. За підсумками поглядів на напрямахформулируютсяпонятия «прямий» і «кута», а далі ми встановлюємо тривимірність простору – через задану точку можна навести трохи більше трьох взаємно перпендикулярних прямих. Якщо підходитимемо сприйняттю світу більш практично, можна побачити, що з отримання повного ставлення до розмірах довільного предмета слід визначити три відстані – довжину, ширину і висоту. З іншого боку, ми звичайно вважаємо, що різних точок простору різняться не власними силами, а лише з наявності чи відсутності поруч будь-яких тіл. Точніше кажучи, ми вважаємо, поведінка системи тіл не зміниться, коли ми перенесемо в іншому місці у просторі, з точністю відтворивши зовнішні впливи з цього систему. Це властивість простору називають однорідністю. Аналогічно ми вважаємо, що це напрями у просторі однакові як, тобто що йогоизотропно. Великі суперечки віддавна викликав питання безмежності та безмежжя простору. Зазначимо: це дві різні поняття.Безграничность представляється досить природним властивістю простору (як кажуть у Стародавній Греції, «у якому не встав воїн, може простягнути своє спис ще»), тоді як він нескінченність зовсім не від очевидна. Можна навести за приклад одномірне простір точок окружності кінцевого радіуса – воно явно звісно, але ніяких кордонів яка переміщається у ній точка не зустріне. Проте більшості мислителів древнього світу більш логічною здавалася картина нескінченного простору: «…і з природі своєї настільки нескінченно простір, що й блискавки проміньобежать нього був не на силах, у тривалому перебігу століть нескінченно свій шлях продовжуючи». Отже, наш досвід минулого і логіка наводять нас до висновку: наше простір – безупинне, тривимірне, однорідне,изотропное, безмежну і нескінченне. Більше детальне вивчення властивостей точок, прямих і кутів дозволилоЕвклиду зафіксувати ці якості як системи тверджень – аксіом, основі яких будується математичне опис геометрії простору. Її зазвичай називають евклідовій геометрією, і її вивчають у шкільництві.

Аналогічний аналіз властивостей часу (уважний читач без особливих зусиль може переконатись у цьому сам) призведе нас висновку, що час ми звичайно розуміємо безперервним, одномірною, однорідним, нескінченним і анізотропним. Останнє властивість відбиває явне відмінність напрямів до минулого і в майбутнє з нашого погляду зору: у майбутнє ми всі рухаємося, хоча й з власної волі, а минуле ми рухатися поспіль не можемо.

Закінчуючи розбір першооснов наших поглядів на просторі і часу, хочу звернути увагу до одну дуже характерну неузгодженість висновків емпіричного логічного аналізу.Формально-логическое опис властивостей простору й часу ми будуємо, вважаючи їх «>вместилищами» для тіл і подій, неможливоискажаемими ними. З іншого боку, всі три виміри ми завжди прив'язуємо до тілах і подій, адже можна проводити виміру, які мають еталона. Уявімо, наприклад, що у певний час дивним чином водночас і всі відстані збільшився у двічі. Чи зможемо ми це помітити з допомогою геометричних вимірів? Зрозуміло, не зможемо, оскільки довжина еталонних тіл також збільшиться й довжина будь-якого тіла в еталонних одиницях не зміниться (наприклад, довжина удава продовжуватиме дорівнює двомслоненкам, 5 мавпам чи 38 папугам). Читач, знайомий із законами фізики, може вказати мені, у наступні моменти часу синхронне зміна довжин можна буде потрапити помітити рухом тіл, оскільки зі зміною відстаней зміняться залежать від них сили взаємодії (>ньютоновское тяжіння, кулонівські сили та т.д.). Зауважу цього, що домогтися повної непомітності зміни, якщо зі зміною довжин провести спеціально підібране зміна констант взаємодії (>ньютоновской константи G, константи0 у законіКулона тощо.). Можна дійти невтішного висновку: простір та палестинці час можуть вивчатися тільки завдяки традиційному те, що вони «наповнені» тілами й небуденними подіями. Та цей висновок справді суперечить уявленню про «>пространстве-вместилище»! Які ж фізика дозволяє її?

Перш ніж відповідати це питання, зауважимо, що проблему ця набагато старших за кожній із використовуваних зараз фізичних теорій. Наведу один приклад. Ще ранні століття християнства одне із батьків церкви – св. Аврелій Августин – під час боротьби з поширилася у час маніхейської єрессю написав ряд праць, у яких обговорювалося поняття часу. Представникиманихейского вчення нерідко затівали суперечки тому, як Бог міг вибрати час для створення світу у «порожньому» і однорідному часу, про те, що Він робив «до твори». Св. Августин відповів цього, що питання виник тільки з неправильного розуміння суті знайомого нам часу: не вважається, що цей час існувало перед нашим світу. Насправді час, як й наша простір, було створене разом із нашим світом і помре разом із. Бог існує в цілком інакшому часу (у вічності), недоступному людському вивченню. Отже, Св. Августин явно стверджував, що час іреляционни, тобто належать матеріального світу і є її невід'ємною частиною – без матерії вони також зникнуть.

>Реляционная концепція простору й часу чудово узгоджується і завваженої вище роллю еталонів в просторово-часових вимірах. Понад те: після деяких роздумів можна побачити, що «своє» простір та палестинці час є в кожної системи: фізичної, хімічної, біологічної, соціальної – кожна з яких характеризується своїм набором типових розмірів («просторової шкалою») і набором періодів ритмічних процесів («спектром частот»). Тому будь-яка формалізована теорія, яка описувала деяку систему, містить опис простору й часу, відповідних цієї системі. Зрозуміло, наприклад, що час, вимірюваний пружинними годинами, може збігатися згодом, сприймаються як людиною в суб'єктивних відчуттях. Характерною рисою підходу, що практикується у фізиці, є спроба побудувати опис «простору й часу взагалі». І прагнення узагальнення спочатку перешкоджало впровадженню ідеїреляционности у фізиці.

Першої ретельно розробленоїматематизированной фізичної теорією стала механіка Ньютона. Її аксіоматичну основу становлять три відомі всім зі шкільної фізики закону. Зазначу особливо, що з її правильного сприйняття треба розуміти, що зміст кожного з законів не зводиться до тверджень, що становить їх «шкільну» формулювання – вони доповнюються розшифровуванням основних понять механіки (як-от матеріальна точка, взаємодія, система відліку) й творять формально замкнуту концепцію описання, світу з механічною погляду. Зрозуміло, вони містять та деяка визначення «>ньютоновских» простору й часу, які від «природних» уявлень, з обговорення котрих я раніш розпочав свій розповідь. У насправді, існування принципово виділеного класу систем відліку (інерціальних) власне передбачає існування у світі абсолютної системи відліку, яка «по-справжньому» спочиває.Инерциальними є системи відліку, рухомі рівномірно і прямолінійно щодо абсолютної. Їх рівноправність (універсальність законів механіки, які залежать від розташування початку відліку системи та стану її руху) таки означає, що простір та палестинці час розглядаються як «вмістилище» тіл і подій і навіть передбачаються однорідними і нескінченними, а простір – що йизотропним.Разбиение тіл на матеріальні точки, а часу – деякі моменти явно свідчить про безперервність простору й часу. Отже, «>ньютоновские» простір та палестинці час – самостійні абсолютні субстанції з евклідовій.

Які ж у межах такий концепції можна використовувати згадану раніше ідею взаємозв'язку простору, часу й матерії? Зрозуміло, що треба припустити існування окремішнього роду матерії, що є «носієм» і «творцем» просторово-часових масштабів. Саме такий розвиток отрималаньютоновская (згодом її почали називати "класична") картина світу після включення до неї законів електромагнетизму. У ХІХ столітті значного розповсюдження отримала теорія ефіру – спеціальної середовища, у якому занурений увесь світ, руху частинок якої створюють сили, які діють електричні заряди. Зокрема, електромагнітні хвилі (світло, теплове випромінювання, радіохвилі тощо.) тоді є простораспространяющимися коливаннями частинок ефіру. Природно вважати ефір просторово-часової субстанцією – тоді абсолютної системою відліку є, щодо якої ефір загалом спочиває. Теорія ефіру спостереження дуже вдало описувала багато явищ, але на початку двадцятого століття знайшли і проблеми. Річ у тім, що ототожнення в ефірісветоносной середовища проживання і носія геометричних властивостей відкриває можливість з допомогою контролю над світлом знайти абсолютне рух будь-якого тіла (тобто. його рух щодо абсолютної системи відліку). І тому досить точно виміряти швидкість поширення світла різних напрямках: Якщо ця швидкість має фіксований значення щодо ефіру, то тут для рушійної стосовно ефіру спостерігача і тому мінімум і максимум величини швидкості світла повинні прагнути бутиc-vн іc+vн відповідно. Проте експериментально ця різниця знайти зірвалася. Усі експерименти свідчили у тому, що швидкість світла щодо спостерігача має один і той ж значення! Незвичайність цього результату не так важко відчути: уявіть собі, що крок назустріч комусь, він, своєю чергою, зробив три кроку Вам назустріч, і цього Ви з нею наблизилися друг до друга … лише втричі кроку. Зрозуміло, що таке явище у згоді до наших уявлення про додаванні довжин переміщень: прийняття сталості швидкості світла ролі постулату потребує перегляду поглядів на просторі і часу. Саме такою перегляд Ейнштейн здійснив у спеціальній теорією відносності (СТО). Стартувавши на факту сталості швидкості світла будь-яку систему відліку, він простежив те, як треба чинити видозмінити рівняння фізичних теорій. Нові теорії склали нову – релятивістську – фізику. Та значно важливіше було те, що у історії науки в СТО треба було видозмінювати і геометрія. Спочатку довелося визнати, що перебіг часу і просторові масштаби змінюються під час переходу з однієїинерциальной системи відліку до іншої. Одне з перших експериментальних підтверджень такої зміни було знайдено щодо космічного проміння. Так називають потоки частинок, летять з космосу (здебільшого від поверхні Сонця). За умов їх взаємодії з верхніми верствами атмосфери Землі в розквіті 8-10 км народжуютьсямюони – елементарні частки, тривалість життя що у стані спокою дорівнює приблизно 2.2·10-6 з. На погляд, ці частки нічого не винні долітати до Землі – якщо вони рухаються повільніше, чом' світ (швидкість якого близько 3·108 м/с). Проте їх часто реєструють в земних лабораторіях. З погляду СТО що цього факту у тому, що з погляду земного спостерігача час длямюона тече повільніше, і уповільнення то помітніший, чим ближче швидкістьмюона до швидкості світла. У результаті виявляємо, що рухомий щодо насоколосветовой швидкістюмюон живе набагато довше, ніж спочиваючий. З іншого боку, під час запису релятивістських законів фізики виявилося, що просторові і тимчасова координати деякого події є незалежними: формули перерахунку координат при переходах між системами відліку «>перепутивают» їх. Тому дві події у різних точках простору, одночасні з погляду спостерігача зі деякоюинерциальной системи відліку, може статинеодновременними для спостерігача зі іншийинерциальной системи відліку. Це означає, що у релятивістської геометрії слід розглядати тривимірне простір і одномірне час за окремішності, бо як різні координати єдиногочетирехмерного простору-часу. Робота із вшанування польського математика, першим котрий звернув увагу до цьому аспекті теорії відносності, побудовану з урахуванням законів СТО геометрію тепер називають геометрієюМинковского. Щоб точніше представить собі пристрійчетирехмерного світу, розберемо простіший двомірний приклад. Розглянемодвумерную поверхню поточної рідини, через яку несе соломину, що лежить впоперек течії. Нехай в цій соломині живе гіпотетичне істота, здатне самостійно переміщатися лише з соломині й здатне бачити тільки об'єкти, що лежать на прямий, що проходить через соломину. Світ цього істотидвумерен, але це явно вважатиме доступне його

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація