Теория относительности

Принцип Относительности (принцип относительности Эйн­штейна) — любые физические процессы протекают одинаково в различных инерциальных системах отсчета (при одинаковых начальных условиях). ¦
Принцип Постоянства СКОРОСТИ Света - скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника и наблюдателя. Явления, описываемые теорией относительности, но не объяснимые с по­зиций классической физики, называются релятивистскими (от латинского relativus — относительный) явлениями или эффектами. Установление того, что в природе существует некий фундаментальный предел скорости, который не может превысить ни одна частица, ни одно физическое возмущение, распространяющееся от точки к точке, является одним из главных достижений частной теории относительности. С этой предельной скоростью распространяются в вакууме свет и любое другое электромагнитное возмущение, имеющее характер волны. Эту скорость обычно принято обозначать буквой с.
Из постулатов теории относительности следует вывод о зависимости дли­тельности интервалов времени и длин отрезков от выбора инерциальной системы отсчета. В результате этого релятивистский закон сложения ско­ростей существенно отличается от классического закона сложения ско­ростей.
Согласно Теории Относительности, ошибочным является представление о том, что пространство имеет три измерения, а время су­ществует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они об­разуют четырехмерный «пространственно-временной» континуум. Про­странство, как и время, не существует само по себе. В отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблю­датели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывали бы разную их последовательность. В таком случае два события, одновременные для одного наблюдателя, для других про­изойдут в различной последовательности.
Зависимость свойств пространства-времени от движения системы отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях тел яв­ляется величина, называемая релятивистским импульсом. Таким образом, классический закон сложения скоростей и классический закон сохранения импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости света в вакууме.
Как мы помним, импульс тела является произведением массы тела на ско­рость его движения. Из этой формулы следует, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме, или превысить эту скорость. На основании приведенных выше закономер­ностей А. Эйнштейн сделал вывод о том, что масса тела и его энергия взаимно связаны. При любых взаимодействиях полная энергия тела Е равна произведению изменения мас­сы m на квадрат скорости света с в вакууме: Е = тс2.
Таким образом, Эйнштейн показал, что масса — одна из форм энер­гии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе.
В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, ко­торая, в отличие от частной, учитывала гравитацию, то есть взаимное притяжение всех тел с большой массой. ¦
Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна «искривлять» время и пространство. Также общая теория относи­тельности утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с боль­шой массой. Поскольку в концепции Эйнштейна время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселен­ной время течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория
относительности Эйнштейна полностью отвергает ньютоновские поня­тия абсолютного пространства и времени. Более того, относительны не только все измерения в пространстве и времени — сама структура про­странства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной. Поскольку классическая физика рассматривает движение твердых тел в пустом пространстве, то понятие «пустого пространства» в рамках те­ории относительности потеряло свой смысл. В настоящее время кон­цепции классической физики применимы лишь по отношению к так называемой «зоне средних измерений», к которой относится наш обы­денный опыт.
Необходимо отметить и тот факт, что понятие «твердого тела» тоже не имеет смысла в рамках квантовой физики, а точнее, ее раздела — атомной физики.
Первые экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что твердое тело — «не совсем» твердое, что оно имеет гораздо более слож­ную структуру, были получены М. Фарадеем еще в 1833 году при изуче­нии законов электролиза (открытие внутри атомов электрического за­ряда).
В 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856-1940) проводил исследования по изучению электрического разряда в разреженных газах, фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии. В результате экспериментов он установил, что при соударениях атомов в плазме электрического разряда, при нагре­вании вещества или освещении его ультрафиолетовым светом, из атомов любого химического элемента вырываются одинаковые отрицательно за­ряженные частицы. Эти частицы были названы электронами. Открытие электрона послужило основанием для построения модели ато­ма, которая была названа в честь первооткрывателя электрона моделью Томсона. По его мнению, атом представляет собой облако положительно заряженной материи, имеющей форму сферы диаметром в 10~8 см. В это облако были вкраплены отрицательно заряженные электроны. Сумма по­ложительных зарядов уравновешивается равной суммой отрицательных, поэтому атом нейтрален. По выражению самого автора, эта модель напо­минает «пудинг с изюмом», где изюмом являются электроны. Электрический заряд е отдельных электронов впервые был измерен в 1909 г. в опытах Роберта Милликена (1868—1953). Он оказался одинако­вым у всех электронов.
Большую роль в развитии представлений о сложной структуре атомов сы­грало открытие явления радиоактивности.
Одним из поддающихся экспериментальной проверке следствий общей теории отно­сительности является явление задержки распространения све­та в поле тяготения массивного объекта. Это замедление света в поле тяготения, впервые пред­сказанное И.Шапиро из Массачусетского технологического института (США), было обна­ружено только в 1964 году. Ша­пиро указал на то, что вблизи большого тела, каким является Солнце, свет и радиосигнал должны не только отклоняться, но и распространяться с мень­шей скоростью. Для сигнала, проходящего вблизи Солнца, время задержки может дости­гать 20 мкс, что легко обнару­жить современными техничес­кими средствами. Шапиро с сотрудниками изме­рили время прохождения сиг­налов, отраженных от Мерку­рия и Венеры, а позднее прове­ли более точные измерения с автоматическими межпланет­ными станциями серии «Ви­кинг», которые совершили по­садку на Марс, а также двига­лись по орбите вокруг Марса. Результаты замеров, выпол­ненных с помощью этих кос­мических аппаратов подтвер­дили измерения Шапиро с точ­ностью до 0,1%.

Такой массивный объект, как Солнце, способен отклонить и замедлить прохождение света (и других электромагнитных излучений).