Теория относительности

где c = 3 ^. 10¹⁰ см/с — скорость света. При g≈10³ см/с², h~10³ см относительное смещение ничтожно мало ~10^-15. Неудивительно, что экспериментально красное смещение удалось наблюдать лишь спустя полвека, с появлением техники, использующей эффект Мёссбауэра. Это сделали Паунд и Ребка.

          Еще один эффект, предсказанный Эйнштейном на заре ОТО, — отклонение луча света в поле Солнца. Его величину нетрудно оценить следующим образом. Если характерное, прицельное, расстояние луча от Солнца равно  ρ , то радиальное ускорение составляет  GM/ρ² где G — ньютоновская гравитационная постоянная, а M — масса Солнца. За характерное время пролета  ρ/cрадиальная компонента скорости фотона изменится на  GM/(ρc)  и угол отклонения составит соответственно

          Удобно ввести часто используемую в ОТО характеристику массивного тела, так называемый гравитационный радиус:

          Наивное использование полуклассических соображений действительно приводит к ответу

          Именно этот результат был получен Эйнштейном в одном из первоначальных вариантов ОТО. Первая мировая война воспрепятствовала проверке, неблагоприятной для теории. Окончательный, правильный результат ОТО вдвое больше:

           Гравитационный радиус Солнца r_g≈3 км, а прицельный параметр естественно сделать как можно ближе к обычному радиусу Солнца, который составляет 7 ^. 10⁵ км. Таким образом, для луча света, проходящего вблизи поверхности Солнца, угол отклонения равен 1,75". Измерения, проведенные группой Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года, подтвердили последнее предсказание. Это был подлинный триумф молодой общей теории относительности.

         И наконец, к числу классических тестов ОТО относится также вращение перигелия орбиты Меркурия. Замкнутые эллиптические орбиты — это специфика нерелятивистского движения в притягивающем потенциале 1/r. Неудивительно, что в ОТО орбиты планет незамкнуты. Малый эффект такого рода удобно описывать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Задолго до появления ОТО астрономы знали, что перигелий орбиты Меркурия поворачивается за столетие примерно на 6000" . Поворот этот в основном объяснялся гравитационными возмущениями движения Меркурия со стороны других планет Солнечной системы. Оставался, однако, неустранимый остаток — около 40" в столетие. В 1915 году Эйнштейн объяснил это расхождение в рамках ОТО.

Из простых соображений размерности  можно ожидать, что поворот перигелия  за один оборот составляет

где R — радиус орбиты. Аккуратный расчет в рамках ОТО для орбиты, близкой к круговой, дает

            При радиусе орбиты Меркурия R≈0.6^.10⁸ км это дает 43" в столетие, снимая таким образом существовавшее расхождение. Ясно, кстати, чем выделяется в этом отношении Меркурий: это планета, ближайшая к Солнцу, планета с наименьшим радиусом орбиты R. Поэтому вращение перигелия орбиты у нее максимально.

 

                                                    1.4. Черные дыры 

           Однако роль ОТО отнюдь не сводится к исследованию малых поправок к обычной ньютоновской гравитации. Существуют объекты, в которых эффекты ОТО играют ключевую роль, важны стопроцентно. Это так называемые черные дыры.

           Еще в XVIII веке Митчел и Лаплас независимо заметили, что могут существовать звезды, обладающие совершенно необычным свойством: свет не может покинуть их поверхность. Рассуждение выглядело примерно так. Тело, обладающее радиальной скоростью v, может покинуть поверхность звезды радиусом R и массой M при условии, что кинетическая энергия этого тела mv²/2 превышает энергию притяжения GMm/R,т.е. при v² > 2GM/R. Применение последнего неравенства к свету (как мы теперь понимаем, совершенно не обоснованное) приводит к выводу: если радиус звезды меньше чем

то свет не может покинуть ее поверхность, такая звезда не светит! Последовательное применение ОТО приводит к такому же выводу, причем, поразительно, правильный критерий количественно совпадает с наивным, необоснованным. Величина r_g, гравитационный радиус, уже встречалась раньше (см. формулу (7)).

             Черная дыра — вполне естественное название для такого объекта. Свойства его весьма необычны. Черная дыра возникает, когда звезда сжимается настолько сильно, что усиливающееся гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство ничего, даже свет. Поэтому из черной дыры не выходит никакая информация.

          Занятно выглядит падение пробного тела на черную дыру. По часам бесконечно удаленного наблюдателя это тело достигает гравитационного радиуса лишь за бесконечное время. С другой стороны, по часам, установленным на самом пробном теле, время этого путешествия вполне конечно.

Многочисленные  результаты астрономических наблюдений дают серьезные основания полагать, что черные дыры — это не просто игра ума физиков-теоретиков, а реальные объекты, существующие по крайней мере в ядрах галактик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

             Значение теории относительности состоит в том, что она разрушала учение классической физики об абсолютном характере пространства и времени. Она установила их относительный характер, открыла неразрывную связь между пространством и временем.

          Пространство и время образуют  единую форму существования материи.      Оценивая значение теории  относительности, не следует, однако, впадать в философский релятивизм (всё в мире относительно). Теория относительности не отрицает существование абсолютных величин и понятий. Она устанавливает лишь, что ряд понятий и величин считавшихся в классической физике абсолютными, в действительности являются относительными.

            ОТО — завершенная физическая теория. Она завершена в том же смысле, что и классическая механика, классическая электродинамика, квантовая механика. Подобно им, она дает однозначные ответы на физически осмысленные вопросы, дает четкие предсказания для реально осуществимых наблюдений и экспериментов. Однако, как и всякая иная физическая теория, ОТО имеет свою область применимости. Так, вне этой области лежат сверхсильные гравитационные поля, где важны квантовые эффекты. Законченной квантовой теории гравитации не существует.

           ОТО — удивительная физическая теория. Она удивительна тем, что в ее основе лежит, по существу, всего один экспериментальный факт, к тому же известный задолго до создания ОТО (все тела падают в поле тяжести с одним и тем же ускорением). Удивительна тем, что она создана в большой степени одним человеком. Но прежде всего ОТО удивительна своей необычайной внутренней стройностью, красотой. Не случайно Ландау говорил, что истинного физика-теоретика можно распознать по тому, испытал ли человек восхищение при первом же знакомстве с ОТО.

             Примерно до середины 60-х годов ОТО находилась в значительной мере вне основной линии развития физики. Да и развитие самой ОТО отнюдь не было весьма активным, оно сводилось в большой степени к выяснению определенных тонких мест, деталей теории, к решению пусть важных, но достаточно частных задач.

          Вероятно, одна из причин такой ситуации состоит в том, что ОТО возникла в некотором смысле слишком рано, Эйнштейн обогнал время. С другой стороны, уже в его работе 1915 года теория была сформулирована в достаточно завершенном виде. Не менее важно и то обстоятельство, что наблюдательная база ОТО оставалась очень узкой. Соответствующие эксперименты чрезвычайно трудны. Достаточно напомнить, что красное смещение удалось измерить лишь спустя почти 40 лет после того, как было обнаружено отклонение света в поле Солнца.

            Теория Эйнштейна демонстрирует свою необычайную стройность, экономность построения и красоту. На данный момент существует множество экспериментов и наблюдений, подтверждающих правильность общей теории относительности Эйнштейна и не наблюдается физических явлений, противоречащих ей. Следовательно, ОТО скорее верна чем нет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тестирование

  

Тест  №1.      Естествознание как предмет изучения. Феномен науки

1.1. Естествознание  — это:

а)  отрасль  научного познания;

б)  отрасль  народного хозяйства;

в)  сфера  социальных отношений;

г)  культура быта.

1.2. Наука  — это:

а)  компонент  духовной культуры;

б)  элемент  материально- предметного освоения мира;

в)  элемент  практического преобразования мира;

г)  результат  обыденного, житейского знания.

1.3. Главная  особенность науки — это ее:

а)  зависимость  от личности исследователя;

б)  объективность;

в)  регулирование  со стороны идеологического руководства;

г)  подчиненное  религиозным догмам положение.

1.4. На  фундаментальную и прикладную  подразделяется наука:

а)  металлургия;

б)  география;

в)  агрономия;

г)  физика.

1.5.  Проблемы нравственной ответственности  ученого сегодня относятся к области формирования:

а)  научной  культуры;

б)  методологии  научного исследования;

в)  связи  между наукой и производством;

г)  связи  между наукой и обществом.

1.6.  Научное познание опирается на  способ отражения мира:

а)  художественно-образный;

б)  рациональный;

в)  религиозный;

г)  интуитивно-мистический.

1.7.  Физика относится к наукам:

а) гуманитарным;

б)  точным;

в)  естественным;

г)  социальным.

1.8. Научная   революция— это:

а)  бунт научных  работников против условий и оплаты труда;

б)  глубинные преобразования способов познания;

в)  коренная перестройка промышленного производства;

г)  преобразование государственных и административных структур.

1.9. Астрология  относится к:

а)  естественным наукам;

б)  оккультным «наукам»;

в)  синтетическому направлению, соединяющему научное и околонаучное знание;

г)  духовно-художественному  творчеству.

1.10.  Современная естественнонаучная  картина мира основана, главным образом, на науке:

а)  биологии;

б)  агротехнике;

в)  химии;

г)  физике.

1.11.  Основоположником методологии естествознания XVII в. был:

а)  Р. Бэкон;

б)  М. Ломоносов;

в)  Ф. Бэкон;

г)  Р. Декарт.

1.12.  Современный курс «Концепции  современного естествознания» наиболее тесно соотносится с:

а)  науковедением;

б)  философией природы;

в)  материальным производством;

г)  непосредственно  научными исследованиями.

1.13. Научное  знание формируется в первую  очередь, на основе:

а)  знания-интуиции;

б)  знания- информации;

в)  знания-умения;

г)  знания-оценки.

1.14.  Бог не может быть предметом  научного знания, поскольку сведения о нем не обладают таким критерием научности, как:

а)  истинность;

б)  объективность;

в)  предметность;

г)  обоснованность.

1.15.  Критерий научности знаний, связанный  с наличием способов проверки полученных сведений, это:

а)  системность;

б)  обоснованность;

в)  верифицируемость;

г)  фальсифицируемость.

1.16.  Среди теоретических методов  исследования отсутствует:

а)  логический;

б)  исторический;

в)  экспериментальный;

г)  дедуктивный.

1.17.  Среди эмпирических методов исследования имеется:

а)  логический;

б)  наблюдение;

в)  индуктивный;

г)  аналитический.

1.18.  Философия относится к наукам:

а)  математическим;

б)  естественным;

в)  гуманитарным;

г)  техническим.

 

ТЕСТ   № 2.             Физика

 

2.1.Революция  в естествознании к началу XX в. была связана с открытием:

а)  закона всемирного тяготения;

б)  закона сохранения энергии;

в)  явления  фотоэффекта;

г)  явления  радиоактивности.

2.2. К  агрегатным состояниям вещества  не относится:

а)  твердое  тело;

б)  вакуум;

в)  плазма;

г)  газ.

2.3. Вспышки  молнии связаны с проявлением:

а)  гравитации;

б)  электромагнетизма;

в)  сильного взаимодействия;

г)  слабого  взаимодействия.

2.4.  Структура атомов определяется:

а)  гравитацией;

б)  электромагнетизмом;

в)  сильным  взаимодействием;

г)   слабым взаимодействием.

2.5.  Сильное взаимодействие испытывают:

а)  электроны;

б)  протоны;

в)  нейтрино;

г)   фотоны.

2.6.  Эдвард Уиттен— автор теории:

а)  кварков;

б)  Большого Взрыва;

в)  суперструн;

г)  квантов.

2.7. Пространство  в понимании современной физики — это:

а)  свойство человеческого сознания упорядочивать  предметы, определять место одного рядом с другим;

б)  вечная категория  сознания, врожденная как форма чувственного созерцания;

в)  атрибут  материи,  определенный связями и  взаимосвязями движения тел;

г)  пустота, в которой находятся различные  тела.

2.8. Время  в понимании теории относительности—  это:

а)  последовательность изменений, происходящих в материальных вещах;

б)  способность  человека переживать и упорядочивать  события одно за другим;

в)  доопытная  форма восприятия, получаемая человеком  при рождении;