Файл: Концепции современного естествознания: рабочая тетрадь для студентов. Поташкин.docx

Задание 6. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ. Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А.Эйнштейном, частная – в 1905, общая – в 1915. В современной физике частная теория относительности (СТО) вместе с квантовой механикой (которая в окончательном виде была сформулирована к 1925) играет такую же роль, какую раньше играла механика Ньютона. Ньютоновская механика хорошо описывала поведение объектов средних размеров, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света, но не могла описать движение очень малых объектов, таких, как атомы и входящие в состав атомов частицы, или же частицы, из которых состоят космические лучи. Эти несоответствия стали проявляться в начале 20 в.

Специальная теория относительности – это динамическая теория, построенная по той же логике, что и теория динамики тел И.Ньютона. Основа теории относительности та же _ принцип относительности Г.Галилея. Далее приведена его вольная формулировка. Все уравнения механики запишутся одинаково в любой инерциальной системе отсчета - иначе говоря, законы механики не зависят от того, в какой из инерциальных систем отсчета мы их исследуем, не зависят от выбора в качестве рабочей какой-то конкретной из инерциальных систем отсчета. Также - поэтому - не зависит от такого выбора системы отсчета наблюдаемое движение тел (учитывая, конечно, начальные скорости). Это утверждение известно как принцип относительности Галилея.

Иным образом этот принцип формулируется (следуя Галилею) так: если в двух замкнутых лабораториях, одна из которых равномерно прямолинейно (и поступательно) движется относительно другой, провести одинаковый механический эксперимент, результат будет одинаковым.

Рисунок Эшера показывает возможности графики для создания закономерного, но реально несуществующего искажения пространства. Такой же эффект в сознании производят постулаты и содержание теорий относительности А. Эйнштейна

Уравнения теории относительности.

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А. Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистским эффектом (эффект замедления времени).

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1. принцип (постулат) относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2. принцип (постулат) инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и др. во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы.

1. Главный смысл специальной теории относительности состоит в том, чтобы подтвердить справедливость теорий физиков-предшественников (например, И.Ньютона или Д. Максвелла). Докажите это, воспользовавшись текстами для справки, приведёнными выше или собственными источниками доказательств и кратко изложите свои выводы.

2. Все параметры реальности переменны и только скорость света – константа. Приведите определения некоторых эффектов специальной теории относительности

Задание 7. А. Эйнштейн предложил отказаться от представлений об абсолютном времени и пространстве. У Исаака Ньютона пространство и время были основными формами существования материи, а в теории относительности они сменили статус и стали атрибутами материи.

В классической механике понятия пространства и времени предстают обособленными, а в специальной теории относительности они образуют четырёхмерный мир – континуум, где трёхмерное пространство дополняется координатой времени. Такое понятие неклассической физики получило название постранственно-временного континуума

1. Пространство и время начинают деформироваться только в определённых условиях. Найдите в учебной литературе примеры тех внешних условий, которые способны изменить течение времени, остановить время, деформировать пространство или свернуть его в точку. Приведите один-два примера условий, при которых выводы специальной теории относительности становятся заметными:

2. Специальная теория относительности вполне совместима с динамикой И. Ньютона. Однако это происходит в соответствующих условиях и обстоятельствах. Приведите пример сред и параметров, которые делают теорию относительности и механику Ньютона совместимыми:

Задание 8. О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. ОТО в настоящее время — самая успешная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности.

Используйте этот пояснительный текст для выполнения задания

Задание:

1. В учебной литературе найдите объяснение взаимосвязи массы и энергии, выраженное в приведённой рядом формуле.

Е =m c²

2.Общая теория относительности распространяет принцип относительности на неинерциальные системы. Приведите определение неинерциальных систем.

3. Общая теория относительности построена на основе принципа эквивалентности. Приведите формулировку этого принципа в изначальном виде или в контексте общей теории относительности.

Задание 9. Для современного естествознания характерно представление о близкодействии при описании взаимодействий. Гравитация – исключение. Это констатирует пояснительный текст. Используйте его при выполнении задания.

Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат.gravitas — «тяжесть») — дальнодействующеефундаментальное взаимодействие, которому подвержены все материальные тела. По современным представлениям является универсальным взаимодействиемматерииспространственно-временным континуумом, и, в отличие от других фундаментальных взаимодействий, всем без исключения телам, независимо от ихмассыи внутренней структуры, в одной и той же точке пространства и времени придаёт одинаковоеускорениеотносительнолокально-инерциальной системы отсчёта—принцип эквивалентности Эйнштейна. Главным образом, определяющее влияние гравитация оказывает на материю вкосмическихмасштабах. Термингравитация используется также как название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией вклассической физике, описывающей гравитацию, являетсяобщая теория относительности;квантовая теория гравитационного взаимодействияпока не построена.

Принцип равенства гравитационной и инертной масс

В нерелятивистской механике(классической) существует два понятиямассы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — кзакону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношениенегравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными

1. Какие объекты подвержены воздействию гравитации?

2. Как оценивается гравитационный тип взаимодействия в современной физике по своей силе по сравнению с другими типами взаимодействия? Какая частица является переносчиком этого взаимодействия?

3. Главной целью своей общей теории относительности А. Эйнштейн видел использование идеи гравитации для обобщения требования инвариантности к любым типам движения, в том числе и ускоренным. В чём содержание универсальной инвариантности в общей теории относительности и какова роль гравитации в реализации этой идеи?

Задание 10. Одним из главных достижений общей теории относительности является доказательство тождественности инертной массы и гравитационной. Это позволило считать гравитацию последствием воздействия массы на пространство и время (чем больше масса, тем сильнее деформируется вокруг него пространство и время). Иными словами, тело определяет геометрию пространства и темп времени, а не наоборот (как считали в классической физике).

Кривизна пространства вблизи массивных тел (геодезические линии показаны чёрным цветом, траектории движущихся по периферии объектов – красным)

Расхождение (девиация) геодезических линий вблизи массивного тела показана на рисунке.

Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий. Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.

1. Из предложенного списка научных картин мира выберите те, которые считают, что пространство и время являются не самостоятельными сущностями, а атрибутами материи (подчеркните выбранные картины мира):

   1. 1.1. Античная

   2. 1.2. Ньютоновская

   3. 1.3.Электромагнитная

   4. 1.4. Релятивистская

2. Общая теория относительности утверждает, что пространственно-временные свойства окружающего мира зависят от расположения и движения тяготеющих масс. Воспользуйтесь доступными источниками информации, чтобы привести примеры, когда время и пространство перестают существовать или максимально деформируются.

3. Общая теория относительности потребовала необходимости обращать внимание на симметрию законов (точнее: на необходимость преобразования этих законов, сохраняя их форму), которая проявляется в любых условиях реальности. На этом основан вывод о равноценности любых систем отсчёта для описания природных процессов. Воспользуйтесь рекомендованной литературой и приведите соответствующие этому утверждению цитаты (цитату) с комментариями.