Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
теория относительности

Теория относительности

План

1. Общие замечания

2. Абсолютно или относительно?

3. Опыт Майкельсона

Общие замечания

В этом разделе речь идет о первой революции в научном мышлении, вызванного открытия двадцатого века. На жаргоне физика содержание всех предыдущих разделов объединяет понятия классической физики, чтобы отличить эту старую физику от новейших, современных теорий, к которым мы и переходим.

Идеи относительности встретили сначала сильное сопротивление как со стороны физиков, так и со стороны философов. Физики встретили новую гипотезу критично, как всегда они встречают новую идею, пока она не прошла их требований тройного экзамена. Во-первых, она должна оставлять нетронутыми успехи предыдущей работы и не обесценивать тех объяснений результатов наблюдений, которые использовались для обоснования более ранних идей. Во-вторых, она должна удовлетворительно объяснять новые данные, которые поставили под сомнение предыдущие идеи и повлекли возникновение новых гипотез. И, в-третьих, она должна прогнозировать новые явления или новые соотношения между различными явлениями, которые до сих пор были еще неизвестными или не до конца понятными.

Этот процесс требовал некоторого времени, так как учет относительности является важным только для объектов, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света. Поскольку подобные объекты не всегда доступны для наблюдения, то не было достаточных возможностей для проверки, к тому же во многих случаях опыты требовали очень сложных наблюдений высокой точности. С тех пор частицы, движущиеся с высокими скоростями, стали обычными в любой физической лаборатории. Теперь мы не можем воспринимать незначительные изменения в поведении частиц, для выявления которых требуются измерения высокой точности, как несущественные; релятивистские особенности их движения связаны с большими эффектами, которыми невозможно пренебречь. Проще говоря, проектируя оборудования для физических исследований, инженеры заставлюни конструировать устройства стоимостью во много миллионов долларов, что связано исключительно с релятивистским характером движения частиц. Вряд ли склонны они считать это результатом бесполезного или ложного измышления. Сегодня ни один физик, практически знаком с опытами над быстрыми частицами, не будет возражать принципы теории относительности.

Отрицание философов возникали том, что теория относительности начала пересмотр положений, которые считались сферой философии. Подвергалось сомнению право физиков отрицать идеи, которые философы считали очевидными и неоспоримыми истинами.

Но теперь, кажется, есть уже общепризнанным фактом, что наши представления о пространстве и времени связаны непосредственно с познанием внешнего мира и многие положения, которые мы считаем очевидными, справедливы лишь в пределах нашего повседневного опыта. Они могут оказаться необоснованными предубеждениями, если распространить их на ситуации, необычные для нас.

В истории физики такие случаи обычное дело. Открытие факта, что Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, противоречило механической интуиции, основанной на повседневном опыте. Когда мы узнаем в школе о противодействии, которое оказывали сначала этой идее, то средневековые ученые, не могли воспринять ее, кажутся нам людьми с ограниченным кругозором. Но мы легко восприняли эту мысль только потому, что привыкли к ней с самых первых своих шагов и восприняли ее до того, как наш критицизм стал достаточно развитым, чтобы серьезно ее обсуждать.

Идея закона Галилея о том, что тело, которое движется, стремится продолжить свое движение, противоречит повседневному опыту и сначала вполне законно подвергалась критике тогдашних физиков. С большим трудом воспринимали эту идею мыслители, пытаясь обобщить абстрактные идеи о движении.

Тот факт, что свет распространяется с конечной скоростью, также противоречит нашей интуиции. Трудно привыкнуть даже к тому, что скорость звука тоже конечна, и когда мы наблюдаем за человеком, рубит далеко отнас лес, и звук удара доходит к нам после того, как мы увидим падение топора, то для осмысления этой необычной ситуации нужно сознательно напрячь голову. Еще больше мы привыкли полагаться на свои глаза, считая, что информация, которую они дают нам о внешнем мире, это ложное сообщение о событиях, которые происходят в тот момент, когда мы смотрим, В повседневном опыте на поверхности Земли нет ничего, что могло бы разрушить эту иллюзию, но трехсотлетний опыт астрономии и более поздние методы чрезвычайно точного измерения времени заставили нас признать, что скорость света конечна.

Волновая природа света создает для нашей интуиции подобные трудности. Только благодаря сознательному усилию ума мы способны признать, что из-за дифракции волн света на резкой грани свет действительно огибает препятствие.

Таким образом, каждое новое достижение науки заставляет нас покончить со своим каким-то глубоко укоренившимся предубеждением, но, наверное, все предыдущие достижения, за исключением закона Галилея, усваивались легче, потому что мы могли объяснить их языке знакомых механических моделей. Например, конечности скорости звука подготовила нас к признанию конечности скорости света. Поведение световых волн можно наглядно представить себе, наблюдая рябь на поверхности пруда, различия только в масштабе, но эти аналогии не пригодны для усвоения идей теории относительности.

Вероятно, утверждение теории относительности немного задержалось также из-за названия, потому что она наводит на мысль о связи с философской концепцией относительности, согласно которой любая истина рассматривается как относительная. Как мы увидим, нет ничего более далекого от содержания новых достижений теории. В теории относительности законы физики имеют точную и абсолютную форму, только некоторые положения, которые наша интуиция воспринимала как абсолютные, оказываются предубеждением.

Абсолютно или относительно?

Два моряка, Джо и Мо, после кораблекрушения оказались на необитаемом острове. Прошло несколько лет. Однажды Джо нашел пЛяшко, которую волны выбросили на берег. Это была одна из новых огромных бутылок из-под "Кока-колы". Джо побледнел.

"Эй, Мои" крикнул он. "Мы с тобой уменьшились!»

С этой шутки можно получить серьезный урок: говорить о размерах любого объекта нельзя иначе, как сравнивая их с размерами чего-нибудь другого. Лилипуты считали Гулливера великаном. Жителям Бробдингнеге Гулливер казался маленьким. Пуля для бильярда большая или малая? Разумеется, она очень велика по сравнению с атомом, но крайне мала по сравнению с Землей.

Жюль Анри Пуанкаре, известный французский математик девятнадцатого века, предсказал многие положения теории относительности, подошел к решению этого вопроса следующим образом (ученые называют его образ подхода "мысленным экспериментом»: это эксперимент, который можно представить, но на самом деле нельзя выполнить). Представьте себе, говорит он, что ночью, когда вы крепко спите, все во Вселенной стало в тысячу раз больше, чем прежде. Говоря все, Пуанкаре подразумевает действительно все: электроны, атомы, длины волн света, вас самих, вашу кровать, ваш дом, Землю, Солнце, звезды. Сможете ли вы сказать, когда проснетесь, что произошли какие-то изменения? Можно провести такой эксперимент, который охоты бы, что вы изменились в размерах?

Нет, говорит Пуанкаре, такого эксперимента провести нельзя. Действительно, Вселенная оказался бы таким, каким и был раньше. Было бы бессмысленно даже говорить, что он стал больше. "Больше" это значит больше относительно чего-то другого. В этом случае чего-то другого нет. Столь же бессмысленно было бы говорить, что вся Вселенная уменьшился в своих размерах.

Размеры, таким образом, являются относительными. Не существует абсолютного способа определения размеров какого-либо объекта и нельзя сказать, что он имеет такие-то и такие-то абсолютные размеры. Определить размер можно, используя другие мерки, такие как линейка или метровый стержень. Но какая длина метрового стержня? К 1 января 1962 метр определяли как длину конкретногоплатинового бруска, который хранился при постоянной температуре в подвалах Севра, во Франции. С и январе 1962 новым стандартом метра стала длина, составляет 1650763,73 длины волн оранжевых лучей, которые излучает в вакууме атом криптона-86. Конечно, если все во Вселенной, включая и длину волны этого излучения, увеличится или уменьшится в одной и той же пропорции, то никаким экспериментальным способом не удастся заметить это изменение.

То же самое верно и в отношении интервалов времени. "Многие" или "мало" времени нужно Земли для того, чтобы один раз обернуться вокруг Солнца? Маленькому ребенку промежуток времени от одного Нового года до другого кажется вечностью. Геологу, привыкший мыслить периодами, продолжавшихся миллионы лет, один год кажется всего лишь одним мгновением. Интервал времени, как и расстояния в пространстве, невозможно измерить иначе, как сравнивая его с каким-либо другим отрезком времени. Год определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца; день - временем, необходимым для одного оборота Земли вокруг своей оси; час время, в течение которого большая стрелка часов делает один оборот. Всегда один интервал времени измеряется путем сравнения его с другим.

В Г. Уэллса есть известное научно-фантастический рассказ под названием "Новый ускоритель". Из него можно усвоить такой же урок, как и с шутки о двух моряков, но только урок этот касается не пространства, а времени. Один ученый открывает способ ускорения всех процессов в своем организме. Его сердце бьется чаще, его мозг работает быстрее и так далее. Вы догадываетесь, что произойдет. Все в мире будет казаться ему замедленным почти до полной остановки. Ученый выходит погулять и движется медленно, чтобы из-за трения о воздух не загорелись его штаны. Улица заполнена людьми-статуями. Мужчина застыл в покое в тот момент, когда, обгоняя двух девушек, подмигнул им. В парке играет оркестр, выдавая низкое, хриплое дребезжание. Пчела жужжит в воздухе, двигаясь со скоростью улитки.

Давайте прОдедова еще один мысленный эксперимент. Предположим, что в определенный момент все в космосе начинает двигаться медленнее или быстрее или полностью останавливается на несколько миллионов лет, начиная потом двигаться снова. Удастся ли заметить это изменение? Осуществить такой эксперимент, конечно, невозможно. Время, как и расстояния в пространстве, относительно.

Многие другие понятий, которые известны нам из повседневной жизни, тоже относительны. Рассмотрим понятие "вверх" и "вниз". В прошлые века людям было нелегко понять, почему человек с противоположной стороны Земли висит вниз головой, а вся кровь не приливает ей к голове. Дети и теперь сталкиваются с такими трудностями, узнав впервые, что Земля круглая.

Если бы Земля была из прозрачного стекла и вы смогли взглянуть в телескоп прямо сквозь нее, то вы действительно увидели бы людей, которые стоят вниз головой ногами на стекле. То есть вам казалось бы, что они стоят вниз головой по отношению к вам. Разумеется, им казалось бы, что вы стоите вниз головой по отношению к ним. На Земле направление "вверх" это направление от центра Земли. Направление «вниз» к центру Земли. В межзвездном пространстве нет абсолютного верха и низа, поскольку там нет планеты, которая могла бы быть "системой отсчета".

Представим себе космический корабль в форме огромного бублика, движущийся в Солнечной системе. Он обращается, так что центробежная сила создает искусственное гравитационное поле. Находясь внутри корабля, космонавты могут ходить по наружной стенке этого бублика, как по полу. Для них "вниз" это от центра корабля, "вверх" к центру, то есть прямо противоположно тому, что имеет место на планете, которая вращается.

Таким образом, вы видите, что во Вселенной нет абсолютной "верха" и "низа". Вверх и вниз это направления по отношению к направлению действия гравитационного поля. Было бы глупо говорить, что, пока вы спали, вся Вселенная перевернулся вверх ногами, так как нет ничего такого, что могло бы быть системой отсчета при решении вопроса о том, какое положение занял Вселенной.

Другой тып смены, которая также является относительной, это изменение объекта при его зеркального отражения. Если заглавную букву R напечатать наоборот, как Я, то вы сразу же увидите, что это зеркальное отражение буквы R. Но если вся Вселенная (включая вас) внезапно станет зеркально отраженным, то у вас не будет способа обнаружить подобные изменения. Конечно, если бы только один человек превратилась в свое зеркальное отражение (об этом Г. Уеллстакож написал рассказ под названием "Рассказ Плеттнера"), а Вселенная остался бы прежним, то ей показалось бы, что все стало наоборот. Чтобы прочитать книгу, она должна была бы подносить ее к зеркалу, подобно Алисе в Зазеркалье, которой удавалось читать напечатанную зеркально отраженными буквами поэму, держа ее перед зеркалом. Но если бы все стало наоборот, то никакой эксперимент не обнаружил бы этих изменений.

Можно ли абсолютное движение? Существует ли какой-нибудь класс экспериментов, который бы наверняка установил, движется объект находится в состоянии покоя? Есть движение еще одной относительной категорией, познать которую можно, только сопоставляя местоположение одного предмета с местоположением другого? Или же движения присуще нечто своеобразное, что делает его отличным от относительных категорий, рассмотренных выше?

Опыт Майкельсона

Можно ли относительное движение? После некоторых размышлений вы могли бы склониться к ответу: "Да, конечно!" Представьте себе поезд, движущийся на север со скоростью 60 км / ч. Человек в поезде идет на юг со скоростью 3 км / ч. В каком направлении она движется и какова ее скорость? Совсем очевидно, что на этот вопрос нельзя ответить, не указав системы отсчета. Относительно поезда человек движется на юг со скоростью 3 км / ч. По отношению к Земле она движется на север со скоростью 60 минус 3, то есть 57 км / ч.

Можно сказать, что скорость человека относительно Земли (57 км / ч.) Является ее настоящей, абсолютной скоростью? Нет, потому что существуют и другие, еще более крупномасштабные системы отсчета. Движется сама Земля. Она вращается навколо своей оси и в то же время движется вокруг Солнца. Солнце вместе со всеми своими планетами движется внутри Галактики. Галактика вращается и движется относительно других галактик. Галактики, в свою очередь, образуют скопления галактик, движущихся друг относительно друга. Никто не знает, насколько далеко можно продолжить этот перечень движений. Нет очевидных способа определить абсолютное движение какого-либо предмета; иначе говоря, нет такой постоянной, окончательной системы отсчета, относительно которой можно было бы измерять все движения. Движение и покой, подобно большом и малом, быстрому и медленному, верха и низа, левом и правом, очевидно, вполне относительны. Нет другого способа измерить движение какого-то предмета, кроме как сравнить его движение с движением другого предмета.

К сожалению, это не так просто! Если бы можно было ограничиться тем, что уже сказано об относительности движения, то Эйнштейну не пришлось бы создавать теорию относительности.

Причина трудностей в том, что существует два очень простых способа выявления абсолютного движения. В одном из методов используются свойства света, в другом различные явления инерции, возникающие при изменении траектории или скорости движения предмета, движется. Специальная теория относительности Эйнштейна имеет дело с первым методом, а общая теория относительности со вторым. В этом и в двух следующих разделах будет рассматриваться первый метод, который использует свойства света и может стать ключом к пониманию абсолютного движения.

В девятнадцатом веке, еще до Эйнштейна, физики считали, что пространство наполнено особой неподвижной и невидимым веществом эфиром. Часто его называли "светоносным" эфиром, имея в виду, что он является носителем световых волн. Эфир заполнял всю Вселенную.

Он проникал во все материальные тела. Если бы удалось откачать из-под стеклянного колокола весь воздух, то он наполнился бы эфиром. А как иначе свет мог 6 пройти через вакуум? Свет это волновое движение. Итак, должно существовать нечто, в чем отбылаються колебания. Сам эфир, хотя в нем и происходят колебания, не двигается относительно материальных предметов, скорее, все предметы движутся сквозь него, подобно движения сита в воде. Абсолютное движение звезды, планеты или какого-либо другого предмета станет более понятным (в этом физики той эпохи были уверены), если это движение рассматривать относительно такого недвижимого, невидимого эфирного моря.

Но, спросите вы, если эфир нематериальная субстанция, которую нельзя увидеть, услышать, почувствовать на ощупь, запах или попробовать на вкус, то как можно рассматривать движение, например, Земли относительно него? Ответ прост. Измерения можно выполнить, сравнив движение Земли с движением светового пучка.

Чтобы понять это, рассмотрим сначала природу света. На самом деле свет это лишь небольшая видимая часть спектра электромагнитного излучения, в состав которого входят радиоволны, ультракороткие волны, инфракрасный свет, видимый свет, ультрафиолетовый свет и гамма-лучи. Мы используем слово "свет" для обозначения любого типа электромагнитного излучения, так

Загрузка...

Страницы: 1 2