Реферати українською » Наука и техника » Загальна теорія відносності


Реферат Загальна теорія відносності

МаріоЛьоцци: ВАЖКАМАССА ІИНЕРТНАЯМАССА

Подібно класичної механіці, спеціальна теорія відносності також приписувала привілейоване становище «>галилеевим» спостерігачам, т. е. спостерігачам, які у системах, рухомих рівномірно і прямолінійно. Але чому є необхідною підставою цієї перевагигалилеевих систем відліку? Відповісти за показ такої питання було досить нелегко.

У 1907 р. Ейнштейн приступив до дослідження цього питання, почавши з критичного перегляду самого факту, добре відомого класичній фізиці. У класичній фізиці інертна маса тіла окреслюється постійне ставлення доданої до неї сили доприобретаемому прискоренню, а важка маса окреслюється ставлення ваги тіла до прискоренняcили тяжкості. Вочевидь ні жодних підстав апріорі вважати, що обидві певні так маси рівні між собою, оскільки тяжіння немає жодного ставлення до визначенню інертної маси. Рівність обох мас (при належному виборі одиниць) є досвідченим фактом, який було встановлено Ньютоном в дослідах змаятниками, ще ранішеГалилеем в дослідах з падаючими тілами. При падінні тіл прискорення пропорційно важкої масі і навпаки пропорційно інертної масі, і те що все тіла падає з однаковим прискоренням, то обидві маси рівні. Таке міркування є ще вБальяни, який, ототожнюючи важку і інертну маси, доходив висновку про сталості прискорення сили тяжкості.

У пізня година Р.Этвеш у серії дуже точних дослідів, проведених 1890 по 1910 р. і продовжених в 1922 р., показав, що ця еквівалентність важку й інертної мас дотримується з точністю вище однієї двадцятимільйонного. Досліди Етвеша засновані у тому, що рівновагу виска визначається притяганням Землі, залежать від важкої маси, і відцентровій силою, викликаної обертанням Землі та яка від інертної маси. Коли б ці маси були однакові, то напрям виска залежало від матеріалу (свинець, залізо, скло тощо. буд.), з яких зроблено кулю виска. ПротеЭтвеш з допомогоючувствительнейших крутильних терезів встановив, що висок не змінює свого напрями незалежно від матеріалу, із якої він виготовлений. Отже, у рівності важку й інертної мас сумніватися неможливо. Класична механіка у цьому не сумнівалася, але він приймала цього факту як випадковий, навіть намагаючись як-небудь його пояснити.

У згаданій роботі 1907 р. Ейнштейн показав з допомогою наочних міркувань, що рівність важку й інертної мас не випадковий факт, що має особливий характер, проявляючись як внутрішнє властивість гравітаційного поля. Ейнштейн прийшов до цього висновку з допомогою уявної досвіду, що є тепер класичним, досвіду зі вільно падаючим ліфтом. Уявімо гігантський хмарочос заввишки 1000 км і фізика, який би всередині вільно падаючого ліфта у тому хмарочос. Фізик випускає особисто від хустку чи годинник, і переконується, що де вони падають на підлогу ліфта. Якщо він повідомляє цим речам поштовх, всі вони рухаються рівномірно і прямолінійно, доки зіштовхнуться зі стінками ліфта. Фізик дійшов висновку: я в обмеженоюгалилеевой системі. Умова обмеженості потрібно, щоб було вважати, що це тіла відчувають однакове прискорення. Але фізик, спостерігаючи ззовні за падінням ліфта, судитиме про речі цілком інакше. Він бачить, що ліфт і всі перебувають у ньому тіла рухаються прискорено відповідно до законом тяжіння Ньютона.

Цей приклад показує, які можна вийти згалилеевой системи до прискореної, з урахуванням гравітаційного поля. Інакше кажучи, гравітаційного поля (у якому проявляється важка маса) еквівалентно прискореному руху (у якому проявляється інертна маса). Важка маса кафе і інертна маса характеризують один і той ж властивість матерії, аналізованих по-різному. Отже, Ейнштейн дійшов принципу еквівалентності, що він так сформулював у своїй автобіографії: «У центрі тяжіння (малої просторової протяжності) усе відбувається позаяк у просторі без тяжіння, якщо у неї замість „>инерциальной" системи відліку запровадити систему, прискорену стосовно неї».

Принцип еквівалентності можна сформулювати тож інакше: спостерігач ніякими дослідами у системі відліку неспроможна розрізнити, перебуває він у гравітаційному полі бою або ж прискорено рухається. Для випадку уявної експерименту зі вільно падаючим ліфтом принцип еквівалентності справедливий у невеликий частини простору, т. е. має локальний характер.

СПІЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Принцип еквівалентності послужив відправною точкою на переробку теорії відносності на нову теорію, яку Ейнштейн назвав загальної теорією відносності (на відміну неї колишня теорія було названо спеціальної). Нова теорія було викладено Ейнштейном після підготовчих робіт 1914—1915 рр. у фундаментальній праці «>DieGrundlagederallgemeinenRelativitatstheorie» («Основи загальної теорії відносності»). Друга частину цієї роботи присвячена опису математичного апарату, який буде необхідний розвитку цієї теорії. На щастя, такий апарат вже існував — це були зване «абсолютне диференціальний літочислення», наведене до системи ще 1899 р.ГрегориоРиччи-Курбастро (1853—1925) і ТулліоЛеви-Чивита (1873-1941).

Основний постулат загальної теорії відносності у тому, що немає привілейованих систем координат. «Закони фізики, — каже Ейнштейн, — повинні прагнути бути такі за своєю природою, що повинно бути застосовні до довільно які йшли системам відліку».

Закони фізичних явищ зберігають свою форму для довільного спостерігача, отже рівняння фізики повинні залишатися інваріантними як прилоренцевих, а й за довільних перетвореннях.

>Виведенние звідси Ейнштейном математичні слідства щонайменше важливі, ніж слідства з спеціальної теорії відносності. Вони проводять до подальшого узагальнення понять простору й часу. Якщокинематическое зміна видозмінює чи знищує гравітацію у будь-якій системі відліку, то ясно, що гравітацією ікинематикой існує тісний зв'язок. Позаяк кінематика — це геометрія, до котрої я додана ще одне, четверта змінна — час, то Ейнштейн інтерпретує явища гравітації як геометрію простору-часу. Звідси випливає що, відповідно до загальної теорії відносності, перед людством перестав бутиевклидовим; його геометричні властивості визначаються розподілом мас та його швидкостями.

З допомогою знаменитого уявної експерименту, про якого багато суперечок, Ейнштейн вочевидь показав тісний зв'язок міжкинематикой і геометрією. Припустимо, що спостерігач перебуває в круглої платформі, швидко обертовою стосовно зовнішньому спостерігачеві. Зовнішній спостерігач вичерчує у своїй,галилеевой системі відліку окружність, рівну зовнішньої окружності платформи, вимірює її довжину, і її діаметр, становить їхнє ставлення і знаходить число евклідовій геометрії. Наглядач, які перебувають на платформі, виконує самі виміру з допомогою тієї ж лінійки, яку мав зовнішній спостерігач. Лінійка, вміщена вздовж радіуса платформи, хоч і перебуває у русі щодо зовнішнього спостерігача, не зазнає змін довжини, оскільки платформа рухається перпендикулярно радіусу. Але коли його спостерігач починає вимірювати периметр платформи, то лінійка стосовно зовнішньому спостерігачеві представляється вкороченій, оскільки у цьому становищі рухається у бік своєї довжини (>лоренцево скорочення), платформа здається більш довгому і для числа виходить значення, більше, аніж у попередньому разі.

Аналогічне явище має місце і з часом. Якщо взяти двоє ідентичних годині і одні розмістити у центрі платформи, інші — на периферії, то зовнішній спостерігач побачить, що годинник, що перебувають у периферії і рухомі стосовно іншим годинах, йдуть повільніше, ніж годинник, перебувають у центрі, прийде до висновку, що годинник на периферії справді відстають.

Але, відповідно до принципу еквівалентності, явища руху аналогічні явищам гравітації. Отже, в гравітаційному поліевклидова геометрія не справедлива, а годинник відстають. Приклад з платформою має передусім дидактичну значення; математично гравітаційного поля відрізняється від відцентрового поля обертовою платформи. У гравітаційному полі, утворюваному центральної масою, скорочуються радіальні розміри і є незмінними поперечні. Тому ставлення окружності до діаметру дедалі менше.Эддингтон розрахував порядок величини цього зміни числа: якщо масу до однієї тонну розмістити у центрі окружності радіусом п'ять метрів, то число зміниться на 24-му знаку.

У загальній теорії відносності рівняння гравітації мають той вигляд, як і рівняння Максвелла (тому, що вони описують зміни гравітаційного поля); їх випливають геометричні властивості нашого неевклідова світу.

>ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕПОДТВЕРЖДЕНИЯ

Нові закони тяжіння призводять до деяким слідством, здатною піддатися експериментальної перевірці. Оскільки енергія наділена безліччю, а інертна маса також і важкої масою, то це означає, що тяжіння діє і енергію. Тому промінь світла, який проходить гравітаційному полі, повинен відхилятися. Фактично таке відхилення випливає і зньютоновской корпускулярної теорії світла; розрахунок відхилення променя світла зірки, який струменіє біля Сонця, було проведено ще 1804 р.Зольднером, який одержав значення вдвічі нижча розрахованого з теорії відносності. Досліди, проведені під час повних сонячних затемнень 29 травня 1919 р. і 21 вересня 1922 р., підтвердили висновки загальної теорії відносності і кількісно відношенні (хоча серед астрономів повного згоди був). Підтвердження не пророкованого спеціальної теорією відносності впливу тяжіння пройти променя показує, що теорія справедлива лише відсутність гравітаційних полів. Стосовно загальної теорії відносності вона є лише наближеною теорією, точно як і класична механіка є наближеною теорією стосовно спеціальної теорії відносності.

Друге підтвердження загальної теорії відносності отримали для дослідження руху планет. Однією з наслідків загальної теорії відносності і те, що еліптична траєкторія руху планети повинна повільно повертатися навколо Сонця. Цей ефект, непредсказиваемийньютоновской теорією, може бути найбільшим для найближчих до Сонцю планет, котрим сила тяжіння максимальна. Найближчою до Сонцю планетою є Меркурій, тому саме у русі цієї планети можна спостерігати зазначений ефект, який так слабкий, що, за розрахунками, потрібно було мільйони років, щоб орбіта Меркурія зробила повний оборот.

Повільне обертання орбіти Меркурія, чи, точніше, усунення його перигелію, зазначалося астрономами, що намагалися пояснити це обуреннями руху Меркурія, викликуваними іншими планетами. Але розрахунки, проведені виходячи з того припущення, призводять до значенням усунення менше спостережуваного. Розбіжність між розрахунковим і піднаглядним значеннями неможливо вдавалося пояснити у межахньютоновской механіки. З погляду загальної теорії відносності питання було розглянутий вперше у 1915 р. Ейнштейна і остаточно вирішений у 1916 р.Шварцшильдом. Збіг результатів розрахунку із загальної теорії відносності з цими астрономічних спостережень справляла особливе враження оскільки вона було досягнуто без жодних додаткових гіпотез, безпосереднім наслідком загальної теорії відносності.

Третім підтвердженням загальної теорії відносності, яке після періоду взаємно суперечать результатів здається надійним, є так званий «ефект Ейнштейна», т. е. усунення спектральних ліній випромінювання зірок убік червоного кольору. Як ми вже згадували, годинник, які працюють у полі тяжіння, йдуть повільніше, а оскільки коливальне рух можна уподібнити годинах, то теорія пророкує зменшення частоти світлового випромінювання у присутності поля сили тяжкості. Звідси випливає, що спектральні лінії світла,излученного зіркою, мали бути зацікавленими зміщено в червону бік проти відповідними лініями, в спектрах земних джерел. Це, очевидно, підтверджується дослідженням спектра світла відзвезд-карликов, середня щільність що у десятки тисяч разів більше щільності води. 1925-го р. Адама, фотографуючи спектри Сиріуса та її супутника Сиріуса У, спостерігав червоне усунення. У кількісному плані це явище теж начебто добре цілком узгоджується з віщуваннями теорії.

ЗА ДОЛЮТЕОРИИОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Кількість досліджень із питань теорії відносності, проведених математиками, фізиками і філософами, незмірно велике; навряд чи можна вказати й у історії фізики інший аналогічний приклад бурхливого розвитку теорії. ЗібранаЛека в 1924 р. бібліографія налічувала вже близько 4000 назв книжок, брошур і статей. Природно, що таке оригінальні ідеї було неможливо ввійти у науку, не наштовхнувшись на сильне протидія, а як у перші роки після Першої світової елементи теорії відносності поширилися серед широкого загалу, чи до наукової критиці фахівців приєдналася гаряча реакція різних за характеру людей, недостатньо компетентних, щоб будувати висновки про теорії сутнісно. Противники теорії, як компетентні, і некомпетентні, заперечуючи теорію відносності, зрештою апелювали до «здоровому глузду». За часів Галілея «здоровий глузд» також призивався як вищого судді у суперечці міжптолемеевой ікоперниковой системами. Однак у обох випадках здоровий глузд, яка сама змінюється разом із часом, зрештою ставав набік нового.

Тепер усе ці палкі суперечки вщухли. Теорія відносності не викликає заперечень з боку вчених. Навпаки, як влучно помітили Макс Планк і Луї деБройль, сьогодні вже її слід бачити як складової частини класичної фізики, основним законам якої вона суперечить, чіпаючи лише ті повсякденні уявлення, як, наприклад, уявлення про абсолютному просторі і часу.Сплотив воєдино поняття простору й часу, є і енергії, тяжіння і інерції, ця теорія які з іншими теоріями класичної фізики підкорилася тієїунифицирующей тенденції, яка, як ми відзначали раніше, надихала фізику ХІХ століття.

Упорядник СавельєваФ.Н.

Список літератури

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайтуportal-slovo


Схожі реферати:

Навігація