Принцип относительности А.Эйнштейна

Принцип  относительности А.Эйнштейна

Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879-1955) - физик-теоретик, один из основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907-16) теории относительности.

1. Частная (специальная)  теория относительности

Наибольшую известность  Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики  одинаково применимы в любой  инерциальной системе отчета  и не должны меняться при  преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется  в свободном пространстве с  одной и той же скоростью,  независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для  всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при  выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее  Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета  в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти  преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного  отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще  Галилеем, был распространен на электродинамику  и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного  универсального соотношения между  массой М, энергией Е и импульсом  Р: E2 = М2c4 + P2с2 (где с - скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

2. Общая теория относительности

В 1905 г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую  известность. В 1909 г. он избран профессором  Цюрихского университета, а через два года - Немецкого университета в Праге. В 1912 г. Эйнштейн возвратился в Цюрих, где занял кафедру в Политехникуме, но уже в 1914 г. принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М. Гроссмана в 1912 г. появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 г. Эта теория, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы, поставленной еще И. Ньютоном: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия.

Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в  роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства - времени. Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление»  пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в геометрии  Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном» пространстве, испытывает воздействие первого  тела.

Созданная А. Эйнштейном общая  теорией относительности является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории относительности. В основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности - локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени; в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном пространстве-времени движение тел «по инерции» (т.е. при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве, но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля.

Общая теория относительности  привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в  вакууме - это изменение переносится  в виде гравитационных волн; возможности  возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное  подтверждение. Она позволила также  сформулировать принципиально новые  модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E = mc2. Это - знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его  энергию. Иногда это соотношение  ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений  массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса  всегда пропорциональна энергии. В  частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о  наличии у нее энергии (энергии  покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия  покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия  притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается  меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого  факта явилось одним из важнейших  шагов к возникновению ядерной  энергетики, так как позволило  оценить ту значительную энергию, которая  должна высвобождаться при делении  тяжелых и слиянии легких ядер.

Заключение

Теория относительности  А.Эйнштейна - физическая теория, рассматривающая  пространственно-временные свойства физических процессов. Так как закономерности, устанавливаемые теорией относительности, - общие для всех физических процессов, то обычно о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Эти свойства зависят от полей  тяготения в данной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени  в приближении, когда полями тяготения  можно пренебречь, называется специальной  или частной теорией относительности, или просто теорией относительности. Свойства пространства-времени при  наличии полей тяготения исследуются  в общей теории относительности, называемой также теорией тяготения  Эйнштейна. Физические явления, описываемые  теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются  при скоростях v движения тел, близких к скорости света в вакууме с.

В основе теории относительности  лежат два положения: принцип  относительности, означающий равноправие  всех инерциальных систем отсчета, и  постоянство скорости света в  вакууме, ее независимость от скорости движения источника света. Эти два  постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета  к другой - преобразования Лоренца, для которых характерно, что при  таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и  моменты времени (относительность  времени). Из преобразований Лоренца  получаются основные эффекты специальной  теории относительности: существование  предельной скорости передачи любых  взаимодействий - максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света  в вакууме; относительность одновременности (события, одновременные в одной  инерциальной системе отсчета, в  общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени в  быстро движущемся теле и сокращение продольных - в направлении движения - размеров тел и др. Все эти  закономерности теории относительности  надежно подтверждены на опыте.

Теория относительности  выявила ограниченность представлений  классической физики об «абсолютных» пространстве и времени, неправомерность  их обособления от движущейся материи; она дает более точное, по сравнению  с классической механикой, отображение  объективных процессов реальной действительности.

Ряд выводов общей теории относительности качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

Представления о пространстве и времени составляют основу физического  миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных частиц, в том числе  и для расчетов гигантских установок, которые предназначены для потоков  очень быстрых частиц, необходимых  для экспериментов, позволяющих  продвинуться в изучении строения материи.

Литература

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.: Владос, 2000. - 512 с.
2. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. - М.: Аспект Пресс, 2000. - 256 с.
3. Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ, 2000. - 203 с.
4. Концепции современного естествознания / Самыгин С.И. и др. - Ростов н/Д.: Феникс, 1997. - 448 с.