Министерство науки и высшего образования РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого» Институт электронных и информационных систем Кафедра общей и экспериментальной физики Основные представления о специальной теории относительности Эйнштейна Реферат к экзамену по физике Выполнил Студент группы 9022 зу ___________ А.И. Непомнящая «____» января 2021 г. Принял Доцент КОЭФ ___________ Е.Н. Потапов «____» января 2021 г. Оглавление Введение ............................................................................................................... 3 Создание общей теории относительности ........................................................ 5 Постулаты Эйнштейна........................................................................................ 6 Сущность теории ................................................................................................. 7 Заключение .......................................................................................................... 8 Список литературы ............................................................................................. 9 2 Введение Принцип относительности – фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояния движения или покоя определяются по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчета. Принцип относительности лежит в основе специальной теории относительности Эйнштейна. Инерциальная система – понятие классической механики, первой фундаментальной физической теории, которая имеет высокий статус и в современной физике. Основы этой теории заложил И.Ньютон. «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние» – так Ньютон сформулировал закон, который сейчас называется первым законом механики Ньютона, или законом инерции. Система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, – называется инерциальной. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная. Теория относительности – физическая теория пространства и времени. В рассматриваются частной только (специальной) инерциальные теории системы относительности отсчета. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от лат. «относительный») и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими). 3 Существует фактически две различных теории относительности, известных в физике, одна из них называется специальной (частной) теорией относительности, другая – общей теорией относительности. Альберт Эйнштейн предложил первую из них в 1905 г., вторую – в 1916 г. Специальная теория относительности связана, в первую очередь, с электрическими и магнитными явлениями и с их распространением в пространстве и времени. 4 Создание общей теории относительности Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. Другим следствием развития электродинамики стал переход от ньютоновской концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействующие на расстоянии тела воздействуют друг на друга через пустоту, скоростью, причём то взаимодействие есть «мгновенно», осуществляется к концепции с бесконечной близкодействия, предложенной Майклом Фарадеем, в которой взаимодействие передаётся с помощью промежуточных агентов — полей, заполняющих пространство — и при этом встал вопрос о скоростях распространения как взаимодействий, переносимых полями, так и самих полей. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света. Однако в связи с этим встал вопрос — относительно чего постоянна скорость света? В Максвелловской электродинамике скорость распространения электромагнитных волн оказалась не зависящей от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя. Аналогичной оказалась и ситуация с магнитостатическими решениями, вытекающими из уравнений Максвелла: статические магнитные поля и силы Лоренца, действующие на движущиеся в магнитных полях заряды, зависят от скоростей зарядов по отношению к наблюдателю. То есть уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно принципа относительности и преобразований Галилея — что противоречило 5 Ньютоновской концепции абсолютного пространства классической механики. Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна, см. ниже исторический очерк. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона, который дал результат измерения, неожиданный для классической физики своего времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка проинтерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений не только электромагнетизма, но и всей механики вообще, и привела к созданию релятивистских физических теорий. Постулаты Эйнштейна В основу специальной теории относительности Эйнштейна легли два постулата, т.е. утверждения, которые принимаются за истинные в рамках данной научной теории без доказательств (в математике такие утверждения называются аксиомами). Первый постулат Эйнштейна или принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению ко всем инерциальным системам отсчета. Все физические, химические, биологические явления протекают во всех инерциальных системах отсчета одинаково. Второй постулат или принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и одинакова по отношении» к любым инерциальным системам отсчета. Она не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости его приемника. Ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Более того, пи одна частица вещества, т.е. частица с массой покоя, отличной от нуля, не может достичь скорости света в вакууме, с такой 6 скоростью могут двигаться лишь полевые частицы, т.е. частицы с массой покоя, равной нулю. Анализируя первый постулат Эйнштейна, мы видим, что Эйнштейн расширил рамки принципа относительности Галилея, распространив его на любые физические явления, в том числе и на электромагнитные. Первый постулат Эйнштейна непосредственно вытекает из опыта МайкельсонаМорли, доказавшего отсутствие в природе абсолютной системы отсчета. Из результатов этого нее опыта следует и второй постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в вакууме, который тем не менее вступает в противоречие с первым постулатом, если распространить на электромагнитные явления не только сам принцип относительности Галилея, но и его правило сложения скоростей, вытекающее из правила Галилея преобразования координат. Следовательно, преобразования Галилея для координат и времени, а также его правило сложения скоростей к электромагнитным явлениям неприменимы. Сущность теории Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта. При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела уже имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. 7 Заключение Значение теории относительности состоит в том, что она разрушала учение классической физики об абсолютном характере пространства и времени. Она установила их относительный характер, открыла неразрывную связь между пространством и временем. Пространство и время образуют единую форму существования материи. Оценивая значение теории относительности, не следует, однако, впадать в философский релятивизм (всё в мире относительно). Теория относительности не отрицает существование абсолютных величин и понятий. Она устанавливает лишь, что ряд понятий и величин считавшихся в классической физике абсолютными, в действительности являются относительными. 8 Список литературы 1. Зисман Г.А., Тодес О.М. «Курс общей физики». 2. Курганов В. «Введение в теорию относительности», 1964. 3. Дьюрелл К. «Азбука теории относительности», 1970. 4. Соколовский Ю.И. «Теория относительности в элементарном изложении», 1964. 5. Угаров В.А. «Специальная теория относительности». Уч. пособие. 2- изд. доп. и перерб. , 1977. 9
