Основные идеи, понятия и принципы специальной теории относительности

В пользу релятивистского  замедления говорит следующий экспериментальный факт. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами или пионами. Время жизни пионов 10-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше 300 см. Но приборы их регистрируют, т.е. они проходят путь, равный 30 км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт так: 10^-8 с является естественным временем жизни пиона, измеренным по часам, движущимся вместе с пионом, т.е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше, и за это время он в состоянии пройти земную атмосферу. Требование неизменности вида основных уравнений физики во всех инерциальных системах отсчета применительно к уравнениям классической механики приводит к необходимости их модификации, сводящейся к замене массы тела т₀ (так называемой массы покоя) на  , причем т неограниченно возрастает по мере приближения скорости объекта v к скорости света с. Поскольку масса является мерой инерции, последнее утверждение означает, что, даже непрерывно подталкивая тело (частицу), невозможно сообщить ему (ей) скорость, большую или равную скорости света с. При таких скоростях, которые называют релятивистскими, зависимость энергии E тела от его скорости v описывается не формулой классической механики E_кин=mv²/2, а релятивистской формулой , где т — масса покоя. Из формулы следует, что энергия тела стремится к бесконечности при скоростях, стремящихся к скоростям света, поэтому, если масса покоя не равна нулю, скорость тела всегда меньше с, хотя она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, например, в опытах на ускорителях заряженных частиц, где они движутся со скоростью, практически равной скорости света. Со скоростью света движутся частицы с нулевой массой покоя (фотоны и, возможно, нейтрино). Скорость света является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки в другую.

Из уравнений  релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: Е=тс² - соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие массы у покоящейся частицы говорит о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых количество и сорт частиц могут изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. Так, в атомных ядрах благодаря энергии притяжения частиц общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы).

Для описания физических явлений в мегамире широко используют специальную (частную) и общую теории относительности. Эти теории позволяют говорить о физических процессах как о свойствах пространства-времени. Согласно общей теории относительности, которая получила завершенную форму в 1915 г. в работах А. Эйнштейна, свойства пространства-времени определяются действующими в ней полями тяготения. Для общей теории относительности, именуемой также общей теорией тяготения, важен принцип эквивалентности, в соответствии с которым локально неразличимы силы тяготения и силы инерции, возникающие при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория тяготения (общая теория относительности) описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени, а эти свойства влияют на движение материи и на другие свойства вещества. По общей теории относительности, истинное гравитационное поле есть проявление искривления четырехмерного пространства-времени. Основной идеей теории является утверждение о том, что все тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени, которое искривлено, и, следовательно, геодезические линии не прямые. Из этого вытекает, что тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного поля и всех других полей.  
       В специальной теории относительности, основы которой были разработаны Эйнштейном в 1905 г., изучаются свойства пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения. Таким образом, специальная теория относительности представляет собой частный случай общей теории относительности. Теория относительности опирается на геометрию четырехмерного пространства-времени Г. Минковского, который ввел в 1907-1908 гг. понятие о том, что событие задается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Геометрия пространства-времени Минковского позволяет наглядно интерпретировать кинематические эффекты специальной теории относительности. Явления, описываемые теорией относительности, называют релятивистскими (от лат. relativus - относительный), так как они проявляют себя при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме с.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

  

Теория относительности явилась первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше пространство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение — независимо от систем отсчета, т.е. считалось движением абсолютным, то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено, что:

• всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат;
• пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат;
• специальная теория относительности показала, что ковариантность, или одинаковость формы, законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца;
• при обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

В специальной теории относительности абстрагируются от действия гравитационных полей, и поэтому ее выводы оказываются применимыми лишь для невеликих участков пространства-времени.

 

 

 

Список используемой литературы

  1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов / В.П.Бондарев. — М.: Альфа-М, 2003. —464 с.

  2.Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2001.  – 208с.

3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Структурный курс основ естествознания / Д.И.Грядовой. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 239 с.

4. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с.

5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.– Новосибирск: Изд–во ЮКЭА, 1997.–832с

6. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов/под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008. – 319 с.

7. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. – М.: ТК Велби, Издательство Проспект, 2006. – 264 с.

8. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М.  Концепции современного естествознания. – СПб.: Союз, 2000. – 320с.

9. Пахомов Б. Я. Становление современной физической картины мира. – М.: Мысль, 1985. – 270с.

10.Эйнштейн А. Эволюция физики / А.Эйнштейн. — Изд. 2-е, исп. — М.: Тайдекс Ко, 2003. – 423с.