Современная физическая картина мира
ования имеют иной смысл:
одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различной
скоростью , относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же
самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится
какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимся с различной
скоростью часами. В специальной теории относительности размеры тел и
промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывался
классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих
от выбора системы отсчёта, с помощью которой проводилось их измерение. Они
приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные
величины, например, скорость, траектория и т.н. Таким образом, Эйнштейн
делает вывод о необходимости изменения пространственно-временных
представлений, выработанных классической физикой.
Кроме формул преобразований координат и времени, Эйнштейн получает также
релятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела также
является относительной величиной зависящей от скорости, а между массой тела
и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует
следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в
соотношении Е = тс2.
Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического
познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое
описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со
средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно
связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не
физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического
процесса со средствами исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в
уже упомянутой статье «К электродинамике движущихся тел» пишет: « Суждения
всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными
системами), часами и электромагнитными процессами». В СТО через осознание
того, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе, можно
только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета,
впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер
процесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие
субъекта и объекта познания.
1.2 Создание и развитие общей теории относительности
Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений
только для некоторого достаточно узкого класса инерциальных систем отсчета,
не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне
закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на
неинерциальные системы.
После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемой
применительно к принципу относительности: «Можем ли мы сформулировать
физические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всех
систем координат, не только для систем, движущихся совершенно произвольно
по отношению друг к другу? Если это можно сделать, то... тогда мы будем в
состоянии применять законы природы в любой системе координат».
Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения
принципа относительности движения — распространения принципа
относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем.
Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению,
то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой
смысл и можно так сформулировать физические законы, чтобы их формулировка
имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание
общего принципа относительности.
Но тогда возникал вопрос, а что же такое масса тела в системе? Существует
два различных и независимых способа определения Массы тела: 1) через
ускорение, которое вызывает любая действующий на тело сила (инертная
масса); 2) через притяжение в поле тяготения(гравитационная масса — вес
тела). Независимость инертной и гравитационной масс и их эквивалентность
была известна в классической механике и выражалась через закон
пропорциональности веса и массы Р/m = g. В 1890 г. венгерский физик Л.
Этвеш подтвердил факт эквивалентности инертной и гравитационной масс с
высокой точностью (до 10-9, сейчас эта точность повышена до 10-12). После
открытия зависимости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты)
вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тела и
состояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Нужно было
разобраться в вопросе, изменяются ли гравитационные свойства тел, если их
инерционные свойства зависят от состояния движения.
Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем
тяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможным
распространить на оптические и вообще любые физические явления. Этот
расширенный принцип эквивалентности и был положен им в основу общей теории
относительности. Построение ОТО он завершил в 1916 г. При этом он
использовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий.
Мысленные эксперименты убедительно показывали, что релятивистская физика
не может основываться на евклидовой геометрии и А. Эйнштейн вводит
представление о том, что метрика пространства-времени обусловлена
гравитационным полем, которое в свою очередь создано вещественными
образованиями: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована
массами и их скоростями». Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть
геометрические свойства нашего мира». Эйнштейн исходил из того, что
пространственно-временной континуум носит риманов характер. А мановым (в
узком смысле) называется пространство постоянной положительной кривизны.
Его наглядный образ — поверхность обычной сферы. Это значит, что движение
частицы в гравитационном поле определяется кратчайшей мировой линией,
которая не является прямой, но тем не менее является кратчайшей.
С точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой)
кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем
тяготения. Можно сказать больше: поле тяготения является не чем иным, как
отклонением свойств реального пространства от свойств идеального евклидова
пространства. Величина пространства тяготения в каждой точке определяется
значением кривизны пространства в этой точке. Таким образом, движение
материальной точки в поле тяготения можно рассматривать как свободное
«инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве
с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является
прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии
искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения
материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде
уравнения геодезической линии искривленного пространства.
В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн усиленно занимался поисками
«единой теории поля», которая бы объединила теорию тяготения и теорию
электромагнитного поля. С точки зрения Эйнштейна, реализация этой задачи
позволила бы свойства вещества вывести из представлений о свойствах поля,
рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле
чрезвычайно сильно, и объяснить существование элементарных частиц. Однако
несмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство, ему не
удалось этого достигнуть. К середине XX в. стало ясно, что работа в этом
направлении должна осуществляться с учетом существования не двух
(гравитационное и электромагнитное), а четырех типов фундаментальных
взаимодействий.
1.3 Экспериментальная проверка общей теории относительности
Теория, которая не верна на практике, ставит себя под большое сомнение!
Поэтому и новая теория общей теории относительности должна была 100%
подтвердить себя на практике. Первый успех ОТО, которая стала фундаментом
для выявления новых и объяснения известных общих свойств и закономерностей
Вселенной, заключался в объяснении открытой еще в 1859 г. (и непонятной с
точки зрения классической теории) дополнительной скорости движения
перигелия Меркурия (около 43" в столетие) под влиянием гравитационного поля
Солнца. Прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства,
вызванным гравитационным воздействием Солнца.
Большое значение для широкого признания ОТО имели опыты по измерению
отклонения лучей света, проходящих около Солнца. Первая немецкая экспедиция
по проверке данного эффекта была направлена уже в 1914 г. на территорию
России, но в связи с началом Первой мировой войны была интернирована.
Затмение 29 мая 1919 г. представляло собой особенно благоприятный случай,
когда в не наблюдений оказывалось большое число ярких звезд, и потому в
Великобритании под руководством А. Эддингтона были сформированы две
экспедиции: одна направилась в Бразилию (Собрал), а другая — на один из
островов, расположенных возле африканского материка (Принсипи). Как
отмечалось в отчете, «результаты экспедиций в Собрал и на Принсипи
оставляют мало сомнения в том, что луч света отклоняется вблизи Солнца и
что отклонение, если приписать его действию гравитационного поля Солнца, по
величине соответствует требованиям общей теории относительнос
| |  скачать работу |
Современная физическая картина мира |
