Создание и развитее общей теории относительности

УРАЛЬСКИЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ОУП ВПО «АКАДЕМИЯ  ТРУДА И СОЦИАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ»

 

 

 

КАФЕДРА ОБЩЕСТВЕННЫХ ДИСЦИПЛИН

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине: концепции современного естествознания

На тему: Создание и развитее общей теории относительности

 

 

 

Выполнила: студентка  * курса

****группы, очного отделения

специальности ****

ФИО: ***

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск

2012

Содержание

Введение

1.Основные представления  об общей теории относительности

2. Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации (ОТО)

3. Экспериментальная проверка общей теории относительности.

4. Современное состояние теории гравитации и ее роль в физике.

5.Черные дыры

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Название “теория относительности” возникло из наименования основного  принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном в основу из всех теоретических  построений новой теории пространства и времени.

Содержанием теории относительности  является физическая теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического  характера.

Название же “принцип относительности” или “постулат относительности”, возникло как отрицание представления  об абсолютной неподвижной системе  отсчета, связанной с неподвижным  эфиром, вводившимся для объяснения оптических и электродинамических  явлений.

Дело в том, что к  началу двадцатого века у физиков, строивших  теорию оптических и электромагнитных явлений по аналогии с теорией  упругости, сложилось ложное представление  о необходимости существования  абсолютной неподвижной системы  отсчета, связанной с электромагнитным эфиром. Зародилось, таким образом, представление об абсолютном движении относительно системы, связанной с  эфиром, представление, противоречащее более ранним воззрениям классической механики (принцип относительности  Галилея). Опыты Майкельсона и  других физиков опровергли эту теорию “неподвижного эфира” и дали основание  для формулировки противоположного утверждения, которое и получило название “принципа относительности”. Так это название вводится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и Эйнштейна.

Но крупнейший советский  теоретик Л. И. Мандельштам в своих  лекциях по теории относительности  разъяснял: “Название “принцип относительности” - одно из самых неудачных. Утверждается независимость явлений от неускоренного  движения замкнутой системы. Это  вводит в заблуждение многие умы”. На неудачность названия указывал и  один из творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной  геометрической форме, - Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: “... термин “постулат относительности” для требования инвариантности по отношению к группе , кажется мне слишком бедным. Так как смысл постулата сводится к тому, что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат абсолютного мира”.

Таким образом, мы видим, что  названия “принцип относительности” и “теория относительности” не отражают истинного содержания теории.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные представления об общей теории относительности

 

Общая теория относительности (ОТО) — современная теория тяготения, связывающая его с кривизной четырехмерного пространства-времени.

В своем, так сказать, классическом варианте теория тяготения была создана  Ньютоном еще в XVII веке и до сих  пор верно служит человечеству. Она вполне достаточна для многих, если не для большинства, задач современной астрономии, астрофизики, космонавтики. Между тем ее принципиальный внутренний недостаток был ясен еще самому Ньютону. Это теория с дальнодействием: в ней гравитационное действие одного тела на другое передается мгновенно, без запаздывания. Ньютоновская гравитация так же соотносится с общей теорией относительности, как закон Кулона с максвелловской электродинамикой. Максвеллу удалось изгнать дальнодействие из электродинамики. В гравитации это сделал Эйнштейн.

Начать рассказ следует с  замечательной работы Эйнштейна 1905 года, в которой была сформулирована специальная теория относительности  и которая завершила в идейном  отношении развитие классической электродинамики. У этой работы несомненно были предшественники, среди которых нельзя не упомянуть работы Лоренца и Пуанкаре. В их статьях уже содержались многие элементы специальной теории относительности. Однако ясное понимание, цельная картина физики больших скоростей появились лишь в упомянутой работе Эйнштейна. Не случайно, несмотря на наличие прекрасных современных учебников, ее до сих нор можно рекомендовать для первого знакомства с предметом не только студентам, но и старшеклассникам.

Что же касается ОТО, то все ее основополагающие элементы были созданы Эйнштейном.

Впрочем, предчувствие того, что физика может быть связана с кривизной  пространства, можно найти в трудах замечательных ученых прошлого века Гаусса, Римана, Гельмгольца, Клиффорда. Гаусс, который пришел к идеям  неевклидовой геометрии несколько  ранее Лобачевского и Бойаи, но так и не опубликовал своих исследований в этой области, не только считал, что «геометрию приходится ставить в один ряд не с арифметикой, существующей чисто a priori, а скорее с механикой». Он пытался проверить экспериментально, путем точных (для того времени) измерений геометрию нашего пространства. Его идея вдохновила Римана, полагавшего, что наше пространство действительно искривлено (а на малых расстояниях даже дискретно). Жесткие ограничения на кривизну пространства были получены из астрономических данных Гельмгольцем. Клиффорд считал материю рябью на искривленном пространстве.

Однако все эти блестящие  догадки и прозрения были явно преждевременны. Создание современной  теории тяготения было немыслимым без  специальной теории относительности, без глубокого понимания структуры  классической электродинамики, без  осознания единства пространства-времени. Как уже отмечалось, ОТО была создана в основном усилиями одного человека. Путь Эйнштейна к построению этой теории был долгим и мучительным. Если его работа 1905 года «К электродинамике движущихся сред» появилась как бы сразу в законченном виде, оставляя вне поля зрения читателя длительные размышления, тяжелый труд автора, то с ОТО дело обстояло совершенно иначе. Эйнштейн начал работать над ней с 1907 года. Его путь к ОТО продолжался несколько лет. Это был путь проб и ошибок, который хотя бы отчасти можно проследить по публикациям Эйнштейна в эти годы. Окончательно задача была решена им в двух работах, доложенных на заседаниях Прусской Академии наук в Берлине 18 и 25 ноября 1915 года. В них были сформулированы уравнения гравитационного поля в пустоте и при наличии источников.

В последнем этапе создания ОТО принял участие Гильберт. Вообще значение математики (и математиков) для ОТО очень велико. Ее аппарат, тензорный анализ, или абсолютное дифференциальное исчисление, был развит Риччи и Леви-Чивита. Друг Эйнштейна, математик Гроссман познакомил его с этой техникой.

И все же ОТО — это физическая теория, в основе которой лежит ясный физический принцип, твердо установленный экспериментальный факт.

Специальная теория относительности (СТО) - фундаментальная физическая теория пространственно-временных  свойств всех физических процессов.

Основой СТО явились представления  о свойствах пространства, времени  и движения, разработанные в классической механике Галилеем и Ньютоном, но углублённые  и в ряде положений существенно  изменённые и дополненные Эйнштейном в связи с теми экспериментальными фактами, которые были обнаружены в  физике к концу XIX столетия при изучении электромагнитных явлений.

 

 

 

2. Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации (ОТО)

Создание любой фундаментальной  теории обычно порождает цикл новых  проблем, вызванных необходимостью ее согласования с накопленным ранее (эмпирическим и теоретическим) массивом научного знанияПодобная ситуация сложилась и после возникновения СТО. Оно привело к необходимости обобщения классической ньютоновской теории гравитации и потребовало нового расширения принципа относительности.

Дело в том, что СТО  не «стыковалась» с классической теорией тяготения: теория Ньютона  построена на принципе дальнодействия, т.е. предполагала мгновенное распространение тяготения, а СТО базируется на представлении, что никакое воздействие не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Согласование СТО и теории тяготения Ньютона пошло по пути ограничения сферы применения ньютоновской теории гравитации (гравитационное поле не должно быть очень сильным, т.е. таким, которое не разгоняет частицы до релятивистских скоростей), а также обобщения и углубления содержания основных понятий классической теории тяготения. Это привело к созданию А. Эйнштейном в 1915—1916 гг. новой (неклассической) теории гравитации — общей теории относительности (ОТО). Здесь в центре внимания оказалось понятие неинерциальных систем отсчета.

И классическая физика, и  СТО формулируют закономерности физических процессов и явлений  только для очень узкого класса так  называемых инерциальных систем, которые  либо покоятся, либо движутся прямолинейно и равномерно друг по отношению к  другу; именно в них соблюдается  принцип инерции, и по отношению  к ним выполняются принцип  относительности и законы механики. Понятие инерциальной системы —  это научная абстракция, которой  по существу никакая реальная система  абсолютно не соответствует, поскольку  реальные системы так или иначе  включены в различные ускоренные (обычно вращательные) движения. Все  реальные системы — неинерциальные. Неинерциальная система определяется как система отсчета, которая  движется с ускорением по отношению  к инерциальной системе. В неинерциальных системах отсчета не выполняются  ни принцип инерции, ни законы механики. Потому глубочайшая задача физики состоит  в том, чтобы распространить ее законы с инерциальных систем на неинерциальные. Но как осуществить такое распространение?

Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения  принципа относительности движения, т.е. распространения его не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер ускорению, то выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно формулировать физические законы таким образом, чтобы они относились к любой системе координат. В этом и заключается общий принцип относительности.

Из него следует, что точно  так же, как нельзя говорить о  скорости тела вообще безотносительно  к какому-нибудь телу, так, очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему  его. Что это за фактор?

До Эйнштейна существовали две точки зрения на причины, порождающие  инерциальные силы в ускоренных системах. Ньютон считал, что таким фактором является абсолютное пространство, а  Э. Мах — действие общей массы  Вселенной. Эйнштейн пошел по иному  пути. Он усмотрел такой фактор в  эквивалентности сил инерции  и сил тяготения (инертной и гравитационной масс). В чем состоит такая эквивалентность?

На заре классической механики было установлено, что существует два  независимых способа определения  массы тела. Первый способ: согласно второму закону динамики m = F / а, где F— сила, прилагаемая к телу (инертная масса); а — ускорение, которое вызывает эта сила. Здесь масса является сопротивлением тела приложенной к нему силе, мерой его инерции.

Второй способ: через закон  всемирного тяготения, силу тяготения (гравитационная масса). Здесь масса  – это источник поля тяготения. С  одной стороны, она создает такое  поле, а с другой – сама испытывает воздействие поля тяготения, создаваемого другими телами. При этом гравитационная масса не зависит от ускорения  тела в поле тяготения, а определяется только силой тяготения.

Дело в том, что поле тяготения совершенно одинаково  действует на различные тела, сообщая  им одинаковые ускорения независимо от их массы, химического состава  и других свойств, а в зависимости  лишь от напряженности поля. Так, еще  Галилей в своих опытах на «падающей  башне» в Пизе установил, что все  тела на Земле, если не учитывать сопротивления  воздуха, падают с одним и тем  же ускорением. А Ньютон обратил  внимание на то, что периоды колебаний  маятника зависят не от массы шара, а от длины нити, на которой он подвешен. Иначе говоря, сила тяготения  определяется массой тела, а ускорение  тела в поле тяготения массой тела не определяется. Тела с разной массой (если их начальные скорости одинаковы) в данном поле тяготения движутся одинаково.

Таким образом, ниоткуда не следует, что гравитационная масса, которая создает поле тяготения, должна одновременно определять и инерцию  тела, меру его сопротивления действию силы. Вместе с тем существует поразительная  закономерность – количественное тождество  гравитационной и инертной масс. Многочисленные опыты показали, что инертная и  гравитационная массы эквивалентны друг другу. В 1890 г. венгерский физик  Л. Этвёш подтвердил этот факт с высокой  точностью (до 10-9; в XX в. эта точность возросла до 10-12).