Рождение теории относительности

С 1907 года Эйнштейн создавал общую теорию относительности. Когда в 1916 году он опубликовал свою теорию, она объединила все современные учения о пространстве и времени с теорией тяготения. Его работа явилась своеобразной революцией в мире современной физики. Работы Эйнштейна в физике часто сравнивают с работами Ньютона

В основном в задачах из раздела динамики главную систему координат можно связывать с Землей и исходить из того, что она неподвижна. Для астрономических и космических задач принятие такой инерциальной системы отсчета будет уже неверным, так как, если рассматривать космические масштабы мы знаем, что Земля вращается вокруг солнца. Для решения таких задач главную систему отсчета можно связывать со звездами. Но с развитием теоретических и практических исследований эти условия то же оказались недостаточными для согласования с результатами опытов. Это было доказано Эйнштейном. Его теория относительности показала, что при рассмотрении очень больших скоростей, приближающихся к скорости света, законы Ньютона не вполне применимы. Но , если мы будем рассматривать скорости гораздо меньшие скорости света, то все расчеты проведенные в соответствии с законами Ньютона, при условии, что главная система координат связана с неподвижными звездами, будут весьма точными

Специальная теория относительности

Специальная (частная) теория относительности, созданная А. Эйнштейном в 1905 году, представляет собой физическую теорию, в корне изменившую представление о пространстве и времени, на которых базировалась классическая физика

Толчком к созданию специальной теории относительности послужили размышления Эйнштейна над некоторыми проблемами электромагнитной теории и теории света

Специальная теория относительности рассматривает явления, происходящие только в инерциальных системах отсчета

Для описания механического движения может быть использована любая система отсчета, однако наиболее часто используют инерциальные системы отсчета, так как в них описание движения получается более простым

В связи с этими доводами может возникнуть вопрос: одинакова ли форма математического выражения основного закона динамики – второго закона Ньютона в различных инерциальных системах отсчета

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим равномерное прямолинейное движение со скоростью V (гораздо меньшей скорости света) системы отсчета 2 относительно инерциальной системы отсчета 1, которую можно будет считать неподвижной

Пусть в начальный момент времени t=0 начала обеих систем координат и их одноименные оси совпадают. Но в какой то последующий момент времени t не равное нулю начала обеих систем координат и их одноименные оси будут находиться на каком то расстоянии друг от друга

Скорость V подвижной системы отсчета направлена по прямой, соединяющей начала координат систем 1 и 2. Положение системы координат системы 2 в момент времени t определяется радиусом – вектором

r 0 = V · t ,

проведенным из начала координат системы 1 в начало координат системы 2

Положение какой-либо движущейся материальной точки М в данный момент времени определяется в неподвижной системе отсчета радиус-вектором r , а в подвижной системе радиус-вектором R , т. е.:

r = R + r 0

или

r = R + V · t (1)

В проекциях на координатные оси системы последнюю формулу записывают в виде системы уравнений:

x = X + V x ·t,

y = Y + V y ·t, (2)

z = Z + V z ·t

Исходя из представлений классической механики о том, что ход времени не зависит от относительного движения систем отсчета, эту систему уравнений необходимо дополнить еще одним уравнением:

t = T или t = T

Соотношения (1) и (2) называют преобразованиями Галилея

В основе теории относительности Эйнштейна лежат два постулата:

Первый постулат: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат является обобщением принципа относительности Ньютона не только на законы механики, но и на законы остальной физики. Первый постулат – принцип относительности

Второй постулат: свет распространяется в вакууме с определенной скоростью, не зависящей от скорости источника или наблюдателя

Так же с помощью своей теории Эйнштейн установил связь между массой и энергией

Любое тело независимо от его движения и взаимодействия с другими телами обладает энергией, пропорциональной массе покоя этого тела. Примером может послужить превращение энергии покоя в энергию излучения – это реакция превращения водорода в гелий. При превращении одного килограмма водорода в гелий появляется дефект массы m = 0,007 кг. Соответствующее изменение энергии покоя выделяется в виде излучения:

Е = m · с 2 = 7·10 -3 ·9·10 16 Дж = 6,3·10 14 Дж

Нельзя говорить, что при этом масса переходит в энергию. В действительности энергия переходит из одной формы (механической) в другие (электромагнитную и ядерную).

В конце двадцатых годов двадцатого века были проведены две экспедиции. Первая отправилась в место неподалеку бразильского города Сорбаль, а другая отправилась на один из островов у берегов западной Африки. Именно в этих местах в мае 1919г. можно было наблюдать полное солнечное затмение. Кроме обычных исследований было решено проверить выводы эйнштейновской теории. Для этого необходимо было определить положение звезд, видимых в телескоп на одном и том же участке неба, в двух случаях - когда звездные лучи идут вдалеке от Солнца и в момент, когда они падают на Землю, проходя вблизи солнечного диска. Этот эксперимент можно было провести только в условиях полного солнечного затмения, иначе из-за солнечного света не было бы видно звезд

Проведя свои эксперименты ученые убедились, что лучи света отклоняются притяжением солнца, а именно это и было описано в теории относительности А. Эйнштейна.  

Литература: “Детская энциклопедия” том 3 - “Вещество и энергия” А.И.Маркушевич, А.М.Кузнецова, И.В.Петрянов