Министерство народного образования
Московская Городская Педагогическая Гимназия-Лаборатория №1505
РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ
РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ
РЕФЕРАТ УЧЕНИКА 9 КЛАССА «Б»
СВИСТУНОВА МИХАИЛА
МОСКВА
2011
Оглавление:
| Введение………………………………………………… §1 – Представления о пространстве и времени в классической механике………………………………… §2 – Представления о пространстве и времени в СТО.. §3 – Представления о пространстве, времени и массе в ОТО…………………………………………………...... Заключение……………………………………………… Список использованной литературы………………….. |
3 4-5 6-8 9-11 12 13 |
Введение
Представление о пространстве со времён, когда жил И. Ньютон, сильно поменялось. В своей работе я хочу попытаться проследить за процессом изменения взглядов учёных на пространство и время, рассказать, как их себе представляли учёные XVI-XVII веков и как описывает пространство и время теория относительности - одна из самых красивых и гармоничных теорий, разработанных когда-либо человеком.
В наше время, мало кто задумывается над тем, какими удивительными и с первого взгляда парадоксальными свойствами обладает окружающая нас действительность. В своём реферате я постараюсь описать некоторые из этих свойств, расскажу про парадоксы обнаруженные в результате работы над специальной и общей теорией относительности.
Цель моей работы - изучить, как представляли себе пространство и время учённые эпохи Ньютона, и какое представление о пространстве и времени даёт теория относительности, провести сравнительную характеристику этих представлений: выявить различия и сходства разных теорий, написать реферат, используя как можно более популярный язык.
Для достижения моей цели мне необходимо ознакомиться с понятиями введёнными в классической механике и теории относительности, изучить терминологию, используя книги таких учёных, как П. Гайденко, А. Эйнштейн, Л. Инфельд, Б. Гоффман, М. Гарднер, Ю. Соколовский, Б. Кузнецов, а также используя в качестве дополнительных источников информации интернет энциклопедии.
Мой реферат состоит из введения, трёх параграфов (§1 – Представление о пространстве и времени в классической механике, §2 – Представление о пространстве и времени в СТО, §3 – Представление о пространстве, времени и массе в ОТО), заключения и списка литературы.
§1 – Представления о пространстве и времени в классической механике.
В данном параграфе будет рассказано о пространстве и времени в классической механике. Ньютон уделял большую долю внимания метафизическому аспекту в своей теории, далее будет рассказана только физическая теория, лишённая метафизики.
Абсолютное пространство, по Ньютону, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть. Абсолютное пространство является евклидовым, однородным и изотропным.
Однородность пространства означает, что все точки пространства равноправны, поэтому рассматриваемый эксперимент не зависит от выбора точки отсчета. Однородность — одно из ключевых свойств пространства в классической механике. Пространство называется однородным, если параллельный перенос системы отсчета не влияет на результат измерений. Из свойства однородности пространства следует фундаментальный физический закон сохранения импульса.
Изотропность пространства означает, что при повороте выбранной системы отсчёта на некоторый угол не произойдёт изменений в результате измерений. Из свойства изотропности пространства вытекает закон сохранения момента импульса. Изотропность пространства означает, что в пространстве нет какого-то выделенного направления, относительно которого существует «особая» симметрия, все направления равноправны.
Вместе с понятием абсолютного пространства Ньютон вводит понятие абсолютного времени, наделённого свойством однородности, из которого следует закон сохранения энергии. Время в классической физике существует само по себе, отдельно от пространства и любых материальных объектов в мире. Время, как поток длительности, одинаково определяет ход всех процессов в мире. Все процессы в мире, независимо от их сложности, не оказывают никакого влияния на ход времени.
В теории Ньютона пространство и время считаются независимыми друг от друга, в этом и заключается основное отличие классической механики от специальной теории относительности.
Преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой в классической механике осуществляются с помощью формулы преобразований Галилея.
§2 - Представления о пространстве и времени в Специальной Теории Относительности.
Следующим этапом в развитии представлений о пространстве и времени стала Специальная Теория Относительности, созданная в 1905 г А. Эйнштейном, которая возникла в результате обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца.
Специальная Теория Относительности описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света (при релятивистских скоростях), но без учета поля тяготения (законы физических процессов при релятивистских скоростях с учётом поля тяготения описывает Общая Теория Относительности). Классическая механика является частным случаем СТО для скоростей много меньших скорости света, при уменьшении скоростей движения погрешность расчётов сделаных с помощью формул классической механики несущественна.
В рамках СТО был сформулирован обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения.
Второй фундаментальный принцип СТО гласит, что скорость света c не зависит от скорости движения источника и одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.
Классические формулы сложения скоростей неприменимы для распространения электромагнитных волн, света. Скорость света обладает свойством бесконечной скорости для всех физических процессов. Чтобы сообщить телу, скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной.
Из принципа постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея (принципа относительности Эйнштейна) математически следуют все положения СТО. Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными.
Эффекты специальной теории относительности могут быть обнаружены только при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньших скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.
В ходе разработки СТО пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего Эйнштейн отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и определения движения тела относительно этого абсолютного пространства. Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.
Пространство в инерциальных системах отсчёта предполагается изотропным (в нём нет выделенных направлений). Так же, оно является однородным, как и время, в котором нельзя найти мгновение, которое отличалось бы от других. Однородность пространства выражается в сохранении импульса. Однородность времени приводит к тому, что при движении тела или системы тел сохраняется неизменной иная физическая величина – энергия.
В отличие от классической механики единое время можно ввести только в рамках данной системы отсчёта. В СТО не предполагается, что время является общим для различных систем. В этом состоит основное отличие аксиоматики СТО от классической механики, в которой постулируется существование единого (абсолютного) времени для всех систем отсчёта.
В СТО стала впервые рассматриваться единая система пространства-времени. До момента появления СТО пространство и время рассматривались как абсолютно независимые друг от друга реалии. Положение тела в пространстве определяется тремя координатами x, у, z но для описания его движения необходимо ввести еще четвертую координату - время t. Таким образом, вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского, немецкого математика и физика, впервые предложившего такую систему. В этом мире положение каждого события определяется четырьмя числами: тремя пространственными координатами движущегося тела x, у, z и четвертой временной коо
Понятия и принципы СТО координально поменяли не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые существовали в науке со времён Ньютона. Резкое сопротивление они встретили со стороны так называемого здравого смысла, который также ориентируется на доминирующие в обществе научные взгляды. Действительно, любому человеку, впервые познакомившемуся с теорией относительности тяжело поверить в её достоверность. Опираясь на повседневный опыт, трудно представить, что длина твердого тела в движущейся инерциальной системе сокращается в направлении его движения, а временной интервал увеличивается. В связи с этим представляет интерес парадокс близнецов, который нередко приводят для иллюстрации теории относительности. Пусть один из близнецов отправляется в космическое путешествие, а другой - остается на Земле. Поскольку в равномерно движущемся с огромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется и все процессы происходят медленнее, чем на Земле, то космонавт, вернувшись на нее, окажется моложе своего брата. Такой результат кажется парадоксальным с точки зрения привычных представлений, но вполне объяснимым с позиций теории относительности. В его пользу говорят наблюдения над элементарными частицами, названными мю-мезонами, или мюонами. Средняя продолжительность существования таких частиц около 2 мкс, но тем не менее некоторые из них, образующиеся на высоте 10 км, долетают до поверхности земли. Как объяснить этот факт? Ведь при средней "жизни" в 2 мкс эти частицы могут проделать путь только 600 м. Все дело в том, что продолжительность существования мюонов определяется по-разному для разных систем отсчета. С точки зрения их системы отсчёта, они живут 2 мкс, с нашей же, земной - значительно больше, так что некоторые из них, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, достигают поверхности Земли.
Преобразования Лоренца -
преобразования, которым подвергаются пространственно-временные координаты (x
,y
,z
,t
) каждого события при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой. Преобразования Галилея являются частным случаем преобразований Лоренца для скоростей, малых по сравнению со скоростью света.
§3 – Представления о пространстве, времени и массе в общей теории относительности.
Общая теория относительности (ОТО) — физическая теория пространства-времени и тяготения, построенная Эйнштейном на основе экспериментального принципа эквивалентности гравитационной и инертной масс и предположении о существовании линейной связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами.
В рамках этой теории, развивающей специальную теорию относительности, утверждается, что гравитационные эффекты не вызываются силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а являются проявлениями деформаций самого пространства-времени, вызываемых локальным присутствием массы-энергии. Поэтому в ОТО гравитация считается не силовым взаимодействием.
Если в классической механике и СТО рассматривались свойства пространства и времени, а также их взаимосвязь (в СТО), то в общей теории относительности рассматривается взаимосвязь пространства, времени и массы.
Причины отказа от Ньютоновской теории гравитации.
Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой. Сила тяготения действует мгновенно на любом расстоянии. Мгновенный характер действия силы несовместим с понятием поля в современной физике. В теории относительности никакая информация или взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света в вакууме. Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с новыми принципами. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, которая основана на принципе тождественности гравитационной и инертной масс.
Принцип равенства гравитационной и инертной масс.
В классической механике существуют два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — является отношением негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса (гравитационная) определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Эти две массы измеряются, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными. Однако их экспериментально установленная пропорциональность делает возможным существование единой массы тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях.
Принцип движения по геодезическим линиям.
Из принципа равенства гравитационной и инертной масс следует то, что в выражении для ускорения тела, на которое действуют только гравитационные силы, обе массы сокращаются. Следовательно, ускорение тела и его траектория не зависят от массы и строения тела. Если любое тело в одной и той же точке пространства будет получать одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами движущихся тел, а со свойствами пространства в этой точке. Значит описание гравитационного взаимодействия можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Эйнштейн предположил, что тела движутся по инерции, так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.
Кривизна пространства-времени
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. Данный эффект связан с кривизной пространства-времени.
Сильный принцип эквивалентности
В становлении ОТО большую роль сыграл сильный принцип эквивалентности, который может быть сформулирован так: Достаточно малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время специальной теории относительности.
В окончательной форме теории этот принцип не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел. Для нахождения связи между свойствами материи и кривизной пространства-времени, Эйнштейном были составлены уравнения, связывающие между собой метрику искривлённого пространства-времени со свойствами заполняющей его материи. Термин используется и в единственном числе: «уравнение Эйнштейна», так как в тензорной записи это одно уравнение, хотя в компонентах представляет собой систему уравнений. Выглядит данное уравнение следующим образом:
Основные следствия и экспериментальные подтверждения ОТО.
Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой проверки:
1) Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона.
2) Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца.
3) Гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле.
Существует ряд других эффектов, поддающихся экспериментальной проверке.
Сейчас существует множество экспериментальных подтверждений ОТО. Впервые теория подверглась экспериментальной проверке в 1919 году. Тогда Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности.
Заключение.
С древнейших времён люди строили гипотезы о том как устроен окружающий мир. Представления о нём эволюционировали, подкреплялись данными, полученными в экспериментах. Представления о пространстве и времени эволюционируют. Любая новая научная теория при наличии старой, хорошо проверенной теории находится с ней не в полном противоречии, а даёт те же следствия в некотором предельном приближении (частном случае). Теория относительности сформировалась в соответствии с этим принципом. В специальной теории относительности в пределе малых скоростей (скоростей много-меньших скорости света) получаются те же следствия, что и в классической механике. Так, преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, время течёт одинаково во всех системах отсчёта и т.д. Общая теория относительности даёт те же результаты, что и классическая теория тяготения Ньютона при малых скоростях и при малых значениях гравитационного потенциала.
Список использованной литературы.
1. [Электронный ресурс] // Википедия – свободная энциклопедия – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org, свободный. – Загл. С экрана. – Данные соответствуют 20.03.11.
2. Гайденко П.П. История новоевропейской философии в её связи с наукой. М.: Либроком. 2009.
3. Гарднер М. Теория относительности для миллионов. М.: Атомиздат. 1965.
4. Гоффман Б. Корни теории относительности. М.: Знание. 1987.
5. Кузнецов Б.Г. Беседы о теории относительности. М.: Издательство Академии наук СССР. 1963.
6. Соколовский Ю.И. Теория относительности в элементарном изложении. М.: Наука. 1964.
7. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.: Терра-Книжный клуб. 2009.