Теория отностительности

Санкт Петербургский Государственный Технологический Институт Технический университет Факультет Факультет тонкого органического и микробиологического синтеза Кафедра Кафедра химии и технологии органических соединений азота Курс 1 Курсовая Работа по Прикладной Механике Теория Относительности Студент Максимов Е.О. Научный руководитель д.и.н доцент

Волков М. Е. 2006 Для обыденно-житейских представлений пространство и время нечто привычное, известное и даже в какой-то мере очевидное. Но если задуматься над тем, что же все-таки пространство и время, то возникают сложные вопросы, напряженно обсуждавшиеся в истории философии и естествознания. В настоящее время нельзя решить их без опоры на достижения современной науки. Каждый объект характеризуется своеобразной упаковкой входящих в него элементов, их расположенностью

относительно друг друга, и это делает любые объекты протяженными. Кроме того, каждый объект занимает какое-то место среди других объектов, граничит с ними. Все эти предельно общие свойства, выражающие структурную организацию материального мира свойства объектов быть протяженными, занимать место среди других, граничить с другими объектами выступает как наиболее общие характеристики пространства. Если их абстрагировать из действительности, отделить от самих материальных

объектов, то мы получим представление о пространстве как таковом. К универсальным свойствам пространства можно отнести протяженность, единство пре- рывности и непрерывности. Понятие пространства имеет смысл лишь постольку, поскольку сама материя дифференцирована, структурирована. Если бы мир не имел сложной структуры, если бы он не расчленялся на предметы, а эти предметы в свою очередь не членились на эле- менты, связанные между собой, то понятие пространства не имело бы смысла.

Материальный мир состоит не только из структурно расчле- ненных объектов. Эти объекты находятся в движении и развитии, они представляют собой процессы, которые развертываются по определенным этапам, стадиям. Одна стадия по сравнению с другой может поступать быстрее или позже. Такие особенности процессов характеризуются понятием длительности. Сравнение различных длительностей может стать основой для количественных мер, выражающих скорость развертывания

процессов, их ритм, темп. Если эти характеристики абстрагировать от самих процессов и рассмотреть отношение длительностей как некоторые са-мостоятельные признаки процессов, то мы получаем представление о времени как таковом. Всеобщие свойства времени - длительность, неповторимость необратимость. Представление о времени и понятие времени имеет смысл лишь постольку, поскольку мир находится в состоянии движения и развития если бы материя была вне движения, понятие времени не имело бы смысла.

Категории пространства и времени выступают как предельно общие абстракции, в которых схватывается структурная организованность и изменчивость бытия. Пространство и время - это формы бытия материи, и только в абстракции мы можем отделить их от материального мира. В истории философии существовали различные концепции пространства и времени. Их можно разбить на два больших класса субстанциальные и реляционные. Субстанциальная концепция рассматривает пространство и время как особые сущности, которые существуют

сами по себе, независимо от материальных объектов. Они как бы арена, на которой находятся объекты и проходят различные процессы. Подобную точку зрения отстаивал, например, И. Ньютон. Встречалась она также в древней филосо- фии, например, представление древнегреческих философов-анатомистов Демокрит, Эпикура о пустоте неявно предполагало концепцию субстанциальности.

Точка зрения на субстанциальный характер пространства может разделяться как материалистами, так и идеалистами. Это зависит от того, как решается вопрос об объективности пространства. Если оно понимается как объективно существующая ре-альность, то это точка зрения материализма. Например, метафизические материалисты XVII - XVIII столетий понимали пространство как объективно существующую независимо от человека, его сознания субстанцию, которая не зависит от материи.

Идеалисты тоже могут представлять пространство как особую субстанцию, но порожденную сознанием, как своеобразное состояние субстанции духа, его модификацию. В противовес субстанциальному подходу в истории философии развивалась реляционная концепция пространства и времени. Одним из наиболее ярких представителей ее был Г.В.Лейбниц, полемизировавший с Ньютоном по вопросам о сущности пространства и времени.

Лейбниц настаивал на том, что пространство и время - это особые отношения между объектами и процессами и вне их не существуют. Реляционная концепция тоже может быть как материалистической, так и идеалистической. Лейбниц эту концепцию развивал с позиции идеализма. С позиций материалистической реляционной концепции подходит к рассмотрению пространства и времени диалектический материализм. Он считает их объективными, независящими от человека и человечества формами бытия материи,

но при этом подчеркивает их неразрывную связь с самой материей и ее движением. Решающую роль в коренном изменении представлений людей о пространстве и времени сыграл опыт Майкельсона-Морли. Они с помощью интерферометра измеряли не саму скорость света, а отношение значений скоростей света в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Эти опыты многократно повторялись, но оказалось, что скорость света в системе отсчета, связанной с

землей, по всем направлениям одинакова. Результаты опыта противоречили гипотезе о том, что свет распространяется посредством эфира. Другие опыты, которые должны были обнаружить движение Земли относительно эфира с помощью уже не оптических, а электромагнитных явлений опыты Траутона и Нобля. Давали результаты, согласующиеся с опытами Майкельсона и Морли. Следовательно, движение Земли никак не сказывается на скорости распространения

света, и классический закон сложения в данном случае не выполняется. И достижения современной науки свидетельствуют о предпочтительности реляционного материалистического подхода к пониманию пространства и времени. В этом плане в первую очередь надо выделить достижения физики ХХ века. Специальная теория относительности, построение которой было завершено А.Эйнштейном в 1905 году, доказала, что в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы

меняются при переходе одной системы отсчета к другой. Великий ученый-физик Альберт Эйнштейн1879-1955 до 1933г. Жил в Германии, затем в США. Член многих академий наук, почетный член Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии 1921г. Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории относительности.

В 1905г. им была опубликована в почти законченном виде специальная, или частичная, теория относительности. В 1907-1916 гг. создана общая теория относительности, которая объединяет современное учение о пространстве и времени с теорией тяготения. По масштабу переворота, совершенного Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном. Противоречия между теорией и практикой, возникшие в результате опыта

Майкельсона-Морли, были разрешены ученым в работе К электродинамике движущихся тел. Он показал, что законы классической механики и преобразования Галилея верны только тогда, когда мы имеем дело с небольшими скоростями движения тел и считаем, что скорость распространения сигналов бесконечна. Однако в случае движения тел со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, законы классической механики должны быть заменены другими, более общими, учитывающими

особенности такого движения, т.е. законами релятивистской механики. В основе этих законов лежат новые представления о пространстве и времени. Старая физика считала, что если системы отсчета движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга инерциальное движение , то пространственные интервалы расстояние между двумя близлежащими точками , и временные интервалы длительность между двумя событиями не меняются.

Теория относительности эти представления опровергла, вернее, показала их ограниченную применяемость. Оказалось, что когда речь идет о движениях со скоростями, близким к скоростям света, то изменение пространственных и временных интервалов становится заметным. При увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются. Теория относительности обнаружила еще одну существенную сторону пространственно- временных отношений

материального мира. Она выявила глубокую связь между пространством и временем, показав, что в природе существует единое пространство-время, а отдельно пространство и отдельно время выступают как его своеобразные проекции. Для описания и понимания мира необходима их совместность, что легко установить, анализирую даже ситуации повседневной жизни. В самом деле, чтобы описать какое-либо событие, недостаточно определить только место, где оно происходило, важно еще указать время, когда оно происходило.

Пересмотр представлений о пространстве и времени привел к созданию в начале XX в. специальной теории относительности. Термин специальная подчеркивает то обстоятельство, что эта теория рассматривает явления, происходящие только в инерциальных системах отсчета. С точки зрения философии, специальная теория относительности раскрыла внутреннюю связь между собой пространства и времени как форм бытия материи. В основу теории легло положение, согласно которому никакая

энергия, никакой сигнал не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, а скорость света в вакууме постоянна и не зависит от направления распространения. Это положения принято формулировать в виде двух постулатов принципа относительности и принципа постоянства скорости света. Первый постулат является распространением механического принципа относительности Галилея на любые физические явления и формулируется так в любой инерциальной системе любые физические

явления при их тождественной постановке происходят одинаково все законы природы и уравнения, их описывающие, инвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Из первого постулата следует, что никакими опытами нельзя определить, покоится ли данная инерциальная система или движется прямолинейно и равномерно, т.е. все инерциальные системы отсчета по своим физическим свойствам эквивалентны друг другу. Второй постулат утверждает скорость света в вакууме является величиной

постоянной и одинаковой во всех инерциальных системах отсчета, она не зависит от движения источника света и наблюдателя. Этот постулат труден для понимания. Он требует, чтобы в одном и том же эксперименте два наблюдателя, находящиеся в двух разных инерциальных системах движущихся относительно друг друга, получали одно и то же значение скорости света в вакууме. Скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи сигнала.

Значит, если все инерциальные системы равноправны, то и максимальная скорость передачи сигнала в них должна быть одинакова. Философские выводы из специальной теории относительности свидетельствуют в пользу материалистического реляционного рассмотрения пространства и времени хотя пространство и время объективны, их свойства зависят от характера движения ма-терии, связаны с движущейся материей. Идеи специальной теории относительности получили дальнейшее развитие и конкретизацию в общей теории

относительности, которая была создана Эйнштейном в 1916, году. В этой теории было показано, что геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое, в свою очередь, определено взаимным расположением тяготеющих масс. Вблизи больших тяготеющих масс происходит искривление пространства его отклонение от евклидовой метрики и замедление хода времени. Здесь пространство, время, материя и движение оказываются органично сплавленными.

Следует отметить, что изменение скорости в релятивистской механике влечет за собой изменение массы, а, следовательно, и полной энергии, т.е. между массой и энергией существует взаимосвязь. Это связь была установлена Эйнштейном Еmc . Физический смысл этого соотношения заключается в следующем существует принципиальная возможность перехода материальных объектов, имеющих массу покоя, в электромагнитное излучение, не имеющее массы покоя, при этом выполняется закон сохранения энергии.

Классическим примером этого является аннигиляция электрон-позитронной пары и, наоборот, образование электрон-позитрон из квантов электромагнитного излучения. Это соотношение является важнейшим для ядерной физики и физики элементарных частиц. Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской

космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект. Новая теория - общая теория относительности строилась путм построения обобщнного пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, о теории с последующей е эмпирической интерпретацией. Одной из причин создания общей теории относительности было желание

Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым. Речь идет о следующем положении специальной теории относительности двум выбранным материальным точкам

покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определнной длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определнной величины, независимо от места и времени. Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи.

Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени. Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности физически невозможно

отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порожднного равноускоренным движением. Т. е. данный принцип приводит нас к признанию единства природы инерции и тяготения. Принцип эквивалентности носит локальный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности. Он помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.

В работе Относительность и проблема пространства Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности. Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное тому, что заполняет пространство и что зависит от координат. Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля.

Литература 1 Ахулдов М. Д. Концепции пространства и времени история, эволюция, перспективы. М 1982г. 2 Дмитриева В.Ф. Физика. М 1993г. 3 Павленко Ю. Г. Физика. Учебное пособие. М 1998г. 4 www.5ballov.ru, реферат Рождение теории относительности.