План:
Введение
1. Специальная теория относительности
2. Общая теория относительности
3. Квантовая теория
4. Релятивистская космология
Заключение
Список использованной литературы
Введение
АльбертЭйнштейн родился в Швейцарии, в небогатой еврейской семье, которая жила вначалев Швейцарии, затем в Германии. В 1933 г. (в Германии пришли к власти нацисты)А. Эйнштейн эмигрировал в США, где и прожил до конца своей жизни. В 1921 г. емубыла присуждена Нобелевская премия за работы в области теоретической физики иобъяснение физической природы фотоэлектрического эффекта. С 1926 г. онбыл почетным членом Академии наук CCCР.
АльбертЭйнштейн – выдающийся физик-теоретик, один из создателей современной физики.Автор специальной и общей теорий относительности, коренным образом изменившихпредставления о пространстве, времени и материи.
В теорииотносительности выделяют специальную теорию относительности (СТО) и общуютеорию относительности (ОТО). СТО была создана в 1905 г. Над созданием ОТОЭйнштейн работал более десяти лет 1905 по 1916 г. К двадцатым годам прошлоговека он был общепризнанным лидером в теоретической физике. С появлением в 1926 гквантовой механики Эйнштейн вступил в острую дискуссию по проблеме полученияобъективной информации об объектах микромира. А. Эйнштейну не удалось доказатьнеполноту и противоречивость квантовой механики, но его физические; идеиоказали большое влияние на развитие этой теории. Например, теория лазеров(термин «лазер» образован из первых букв английского названия «усиление света врезультате вынужденного излучения») основывается на принципах индуцированногофотонного излучения, сформулированных в виде гипотезы А Эйнштейном в 1915 г. Врасцвете своих творческих сил А. Эйнштейн добровольно отказался от роли лидерав области теоретической физики. Вторая половина его научного творчества быласвязана с созданием теории, раскрывающей единство физической природы всех силфизического взаимодействия в природе (гравитация, электромагнитные, сильные ислабые). Эта теория получила название теории единого физического поля. Посуществу, теория относительности была необходимым этапом развитии теорииединого физического поля, над которой он работал в последние годы своей жизни.
В началеXX в. А. Эйнштейн обосновалнеобходимость отказа от понятия эфира как научно несостоятельного. Он ссылалсяна отрицательный результат опытов по обнаружению скорости движения Землиотносительно эфира, проведенных в 1880-1887 гг. М Майкельсоном. Рассмотрев всепредложения относительно эфира со времен Ньютона и до начала XX в., А. Эйнштейн в труде «Эволюцияфизики» подвел итоги: «Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Онне обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. От всехсвойств эфира не осталось ничего… все попытки открыть свойства эфира привели ктрудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когдаследует совершенно забыть от эфире и постараться никогда больше не упоминать онем».
1.Специальная теория относительности (СТО)
В основеСТО лежат два принципа или постулата, которые не объясняют, почему должнопроисходить именно таким образом, а не иначе. Однако построенная на их принятиитеория позволяет точно описывать события, происходящие в мире.
1. Все физические законы должнывыглядеть одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета.
2. Скорость света в вакууме неизменяется при изменении состояния движения источника света.
Следствия,вытекающие из первого принципа:
1. Не только законы механическогодвижения, как было в классической механике, но и законы других физическихявлений должны выглядеть или проявлять себя одинаково во всех инерциальныхсистемах отсчета.
2. Все инерциальные системы отсчетаравноправны. Следовательно, нет привилегированной системы отсчета, будь тоЗемля или эфир.
3. Понятие эфира как абсолютной системыотсчета лишено физического смысла.
Следствия,вытекающие из второго принципа:
1. Не существует бесконечно большойскорости распространения физического взаимодействия в мире.
2. В физическом мире взаимодействие неосуществляется мгновенно со скоростью, превышающей скорость света.
Следствия, вытекающие совместно из двух принципов СТО:
1. В мире нет одновременных событий.
2. Нельзя рассматривать пространство ивремя как независимые друг от друга свойства физического мира.
3.ПреобразованияЛоренца имеют физический смысл.
Доказательство связи пространства и времени можно пояснить на следующемпримере, в котором следует иметь в виду, что согласно СТО во всех инерциальныхсистемах отсчета свет распространяется с одной и той же скоростью. Предположим,что имеются две инерциальные системы отсчета, которые равноправны в описаниифизических событий, т. е. каждая дает объективные описания: человек, стоящий нажелезнодорожной платформе (смотритель), и пассажир движущегося с одинаковойскоростью поезда относительно платформы и стационарного смотрителя. Над головойпассажира находится осветительная электрическая лампочка, которая вспыхивает вмомент, когда пассажир, сидящий у окна вагона, и смотритель, стоящий наплатформе, окажутся точно друг против друга по ходу движения поезда.Классическая механика дает следующее описание этого события.
Времяимеет абсолютный смысл, поэтому оно не зависит от пространственного перемещениясобытий. Смотритель стоит, пассажир движется, но ритм времени для них один итот же. СТО дает другое решение:
1. Для пассажира в вагоне свет достигнетобеих стенок вагона одновременно, поскольку во всех инерциальных системахотсчета свет распространятся по всем направлениям с одинаковой скоростью.
2. У смотрителя будет другая точказрения. Он скажет, что заднюю стенку (она движется к свету по ходу поезда) светдостигнет раньше, чем переднюю стенку вагона, поскольку он ее догоняет по ходупоезда.
Далее,если заранее установить одно и то же время на часах смотрителя и пассажирапоезда, то для станционного смотрителя часы у задней стенки вагона будутпоказывать время, отличное от времени на циферблате часов у передней стенки.Они будут показывать, что свет достигает заднюю стенку раньше, чем переднююстенку. Следовательно, одни часы идут быстрее, другие — медленнее. Такимобразом, пространство и время, по СТО, взаимосвязаны между собою и являются неабсолютными, как было у Галилея — Ньютона, а относительными: скорость ходачасов зависит от места их положения в пространстве, место положения впространстве влияет на скорость хода часов.
Недостатки СТО:
1. Вней речь идет только обинерциальных системах отсчета. Но большинство систем отсчета являются вреальной жизни неинерциальными (изменяется ускорение и скорость со временем).
2. В ней не учитывается действие силыгравитации на свет Поиск устранения этих изъянов СТО привел к созданию ОТО.
2. Общаятеория относительности (ОТО)ОТОосновывается на двух принципах или постулатах
1. Принцип относительности.
2. Принцип эквивалентности тяжелой иинертной масс тела.
Первыйпринцип утверждает, что законы физики должны иметь один и тот же вид не тольков инерциальных системах, но и в неинерциальных системах отсчета, т. е.инерциальные системы отсчета не должны рассматриваться как привилегированныесистемы отсчета, как это делала классическая механика. Анализируянеинерциальные системы отсчета, движущиеся с одинаковым ускорением, Эйнштейнпришел к неожиданному выводу о том, что в этих системах возникает явление,сходное с явлением тяготения в однородном поле гравитации. Однородноегравитационное поле — это некая абстракция или идеализация. В этом поле силагравитации имеет одинаковую величину по всем его направлениям и в каждой еготочке. Учитывая это сходство, А. Эйнштейн пришел к выводу, что силу тяжестиможно создать или уничтожить переходом в систему отсчета, движущуюся сускорением. Например, если человек находится в лифте без окон вне действия силытяготения, то он будет находиться в состоянии невесомости. Все окружающие егопредметы и он сам не будут притягиваться к полу лифта. Если мысленно тянутьлифт вверх с помощью каната со скоростью, равной ускорению свободного паденияна Земле, то этот человек ощутит действия силы гравитации, которая будетаналогична силе гравитации в однородном гравитационном поле, где в каждой еготочке ускорение свободного падения тел имеет одну и ту же величину. На самомделе из внешней системы отсчета правильно говорить о том, что лифт, его пол,движется к находящемуся в нем человеку и предметам.
Принципэквивалентности тяжелой и инертной масс. В этом принципе содержится ответ на вопрос, который задавал себе Эйнштейн:от чего зависит действие силы тяготения, чем она определяется? В физике Ньютонатяготение зависит исключительно от массы тел. Из закона свободного падения тел,открытого Галилеем, следовало, что между тяжелой и инертной массами теласуществует пропорциональная зависимость, которая позволяет допустить, что междуэтими массами тела нет существенного различия, когда мы говорим о действии силыгравитации.
Посколькувсе тепа падают с одним и тем же -ускорением независимо от их веса, то этоговорит о том, что инертная масса тел пропорциональна их гравитационной массе.Отношение Mi⁄ mi(где mi — инертная масса любого тела, Mi— гравитационная масса этого же тела)при свободном падении тел остается постоянным для всех теп независимо от ихреальной физической природы (сделанные из дерева или металла и т.п.). В 1890 г.венгерский физик Этвеш экспериментально доказал справедливость предположенияфизики Галилея-Ньютона о пропорциональной инертной и гравитационной масс тела.У Ньютона это отношение было меньше 10-8 (M1,/m1
Анализируяфизический смысл пропорционального соответствия между инертной и тяжелоймассами тела, а также природу сходства действия силы тяготения с явлением,возникающим в неинерциальной системе отсчета, движущейся с постояннымускорением, Эйнштейн пришел к выводу, что сила тяготения не зависит от массытел. Естественно, возникал вопрос: от чего она зависит? На этот вопрос Эйнштейндал следующий ответ: с теоретической точки зрения есть основания утверждать,что сила тяжести эквивалентна искривлению пространства и искривлениепространства эквивалентно действию силы тяготения. В этом решении силе инерции,которая в физике Ньютона рассматривалась как нереальная сила, придаетсяреальный статус. Например, при движении поезда пассажиры наблюдают кажущеесядвижение предметов вне поезда в противоположную сторону. В теории Эйнштейнаэтой силе придается реальный смысл. Предположим, что имеется лифт, которыйзакреплен на канате таким образом, что на расположенные в нем предметы недействует сила тяготения. Тогда предметы будут располагаться на одной линииотносительно пола лифта. В момент обрезания каната возникнет сила инерции,которая будет стремиться сохранить начальное положение каждого предмета влифте. Поскольку сила тяготения направлена к центру Земли, то направление силыинерции для каждого предмета лифта не будет одинаковым, а будет зависеть от егорасстояния до центра лифта. Для одних предметов она будет направлена вверх, гдесила тяготения будет перпендикулярно направлена к центру Земли. В других местахлифта направление силы инерции будет под определенным углом к направлению силыгравитации. В результате пространство внутри падающего лифта будет искривленным.Для наблюдателя вне лифта предметы будут располагаться не на прямойгоризонтальной линии, параллельной полу, а на искривленной линии. Свет в такомпространстве будет распространяться не по прямой линии, как этого требовалаСТО, а по кривой линии.Следствия ОТО
1. Свет в искривленномпространстве-времени не может распространяться с одной и той же скоростью, кактребовала СТО. Вблизи источника силы тяготения он распространяется медленнее,чем вдали от него.
2. Ход часов замедляется при приближениик источнику гравитации.
3. В структуре пространство — время —энергия (вещество, поле, излучение) возможны образования, структуры, где силагравитации, представленная соответствующей величиной тензора кривизны,настолько сильна, что из этой структуры, как своеобразной «черной дыры», неможет вырваться энергия в виде света, поля и вещества. В уравнение тяготенияЭйнштейна входит тензор «энергии-импульса» из 10 компонентов для описанияускорения тела в движущейся среде. Добавление к этому тензору информации(компонентов) о силах, действующих в самой движущейся среде, где находитсятело, дает систему уравнений для описания эволюционных процессов во Вселенной.
СоздавОТО, А. Эйнштейн указал на три явления, объяснения которых его теорией итеорией Ньютона давали разные результаты: это поворот плоскости орбитыМеркурия, отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца, и красноесмещение спектральных линий света, излучаемого с поверхности массивных тел.Эффект поворота плоскости орбиты Меркурия был открыт еще астрономом Леверрье(1811—1877). Теория Ньютона не давала объяснения этому явлению. Речь идет оповороте плоскости орбиты Меркурия вокруг большой оси эллипса, по которомуМеркурий движется вокруг Солнца.
СогласноОТО А. Эйнштейна планеты, завершая полный оборот вокруг Солнца, не могутвозвращаться в то же самое место, а сдвигаются несколько вперед и их орбитыповорачиваются медленно в своей плоскости. Этот эффект был предсказан А.Эйнштейном. Проверка вычислений точно совпала с предсказаниями ОТО.
С развитиемтеории ОТО тесно связана идея создания теории калибровочных полей. Немецкийматематик Г. Вейль (1862—1943) в работе «Пространство, время и вещество» (1918)сформулировал принцип, согласно которому физические законы должны бытьинвариантными (иметь одинаковый вид) относительно изменения масштабов измеренияв системах пространство — время — вещество. Преобразование или изменениемасштабов измерения может быть как однородным, так и неоднородным от однойточки к другой в пространственно-временных структурах.
Неоднородныепреобразования называются калибровочными. В ОТО масштабы длин и времени независят от места, времени и состояния движения наблюдателя. Теория Г. Вейлядопускает как раз изменения масштабов времени в пространственно-временныхструктурах.
Искривленное пространство можно вообразить следующим образом. Еслирастянуть тонкий лоскут резины и поместить в центр его тяжелый предмет, торезина под ним провиснет. Если теперь покатить маленький шарик по этомулоскуту, то его будет тянуть к впадине. Если впадина глубокая, то шарик будетвращаться вокруг предмета, образовавшего эту впадину.
3.Квантовая теория
Первымфизиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия итворчески развил его, был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идеюквантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучениевообще и таким образом обосновал новое учение о свете.Если М.Планк(1900) квантовал лишь энергию материального осциллятора, то Эйнштейн ввелпредставление о дискретной, квантовой структуре самого светового излучения,рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотонная теориясвета). Таким образом, Эйнштейну принадлежит теоретическое открытие фотона,экспериментально обнаруженного в 1922 А. Комптоном.
Представлениео свете как о потоке быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почтидерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, срасширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М.Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законамтеплового излучения черного тела.
А.Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщегохарактера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применилгипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярнуюструктуру света.
Квантоваятеория света, или фотонная теория, А. Эйнштейна утверждала, что свет естьпостоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместес тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишьв определенных местах, поэтому свет имеет прерывистую структуру. Свет можетрассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, илифотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка исоответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световыхквантов различной энергии.
Эйнштейновскоепредставление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явлениефотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов извещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, чтоналичие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающейволны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон выбивается однимфотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, еслиэнергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика дляпреодоления сил связи электрона с веществом.
Правильностьтакого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г.получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение вэкспериментах американского физика Р.Э. Милликена (1868—1953). Открытое в 1923г. американским физиком А.Х. Комптоном (1892—1962) явление (эффект Комптона),которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами наатомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовуютеорию света. Эта теория относится к наиболее экспериментально подтвержденнымфизическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установленаопытами по интерференции и дифракции.
Возниклапарадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна,но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются еговолновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказалсякорпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности —присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику —частоту.
Как ивсе великие естественнонаучные открытия, новое учение о свете имелофундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение онепрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М.Планком, Эйнштейн исключил из гораздо более обширной области физическихявлений.
4.Релятивистская космология
Современная релятивистская космология строит модели Вселенной,отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общейтеории относительности (ОТО).
Основноеуравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) сплотностью и распределением материи в пространстве. Впервые в науке Вселеннаяпредстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса,плотность, размер, температура.
Уравнениетяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловленоналичие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель быларазработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновскойкосмологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии скосмологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно иизотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжениемасс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А.Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространстварассматривается независимой от времени. Время существования Вселеннойбесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, ноконечно.
Вселеннаяв космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени ибезгранична в пространстве.
Этамодель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку онасогласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А.Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблемерешительно изменился.
В том же1917 г. голландский астроном В. де Ситтер (1872—1934) предложил другую модель,представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело тосвойство, что оно существовало бы даже при наличии «пустой» Вселенной,свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решениепереставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическоеотталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция красширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень большихрасстояниях.
В 1922г. российский математик и геофизик А.А. Фридман (1888— 1925) отбросил постулатклассической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравненийА. Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.
Заключение
АльбертЭйнштейн — физик-теоретик и крупный общественный деятель. О нем часто говорят,как об ученом, «обвенчанном» с Вселенной, пытавшемся разгадать информацию«тайных послов» Вселенной. К «тайным послам» Вселенной относятся так называемыемировые константы, значения которых определяет физическое состояние мира, вкотором мы живем. К этим константам относятся: постоянная Планка(квант-энергии), скорость света, заряд электрона, масса протона, гравитационнаяпостоянная и некоторые другие. А. Эйнштейн признан выдающимся ученым XX столетия.
А.Эйнштейн принадлежал к числу выдающихся личностей, которые интересны не толькосвоими результатами, но и тем, как они мыслили и над какими проблемамиработали. Проблемы, которые он исследовал, интересовали многих ученых, напримерфранцузского математика А. Пуанкаре (1854—1912) и австрийского физика Э. Маха(1833—1916). Научному сообществу А. Эйнштейн стал известен своими первымиопубликованными тремя, работами. В первой речь шла о развитии статистическихметодов, при изучении движения броуновских частиц, во второй — о необходимостивведения понятия системы отсчета для уточнения содержания понятий времени ипространства, в третьей — об анализе гипотезы М. Планка о квантах энергии, т.е. испускании и поглощении энергии порциями, квантами. Анализируя эту гипотезу,А. Эйнштейн пришел к выводу о необходимости радикального изменениясуществовавших в то время представлений об энергии «формах ее превращения.Следствием этого анализа явилось утверждение А. Эйнштейна о том, что светиспускается и поглощается как некая локализованная частица, которая перемещаетсяот одной точки к другой как единое целое. Сходную идею высказывал еще И. Ньютонв своей корпускулярной теории света. Многие ученые придерживались концепциисвета как колебание эфира, заполняющего все космическое пространство. Всемирнуюизвестность Эйнштейну принесла его теория относительности. Однажды великийЧарльз Чаплин сказал Эйнштейну: «Мне аплодируют, потому что все понимают, что яиграю. Вам — за то, что Вас не понимают».
Списокиспользованной литературы.
1. Концепции современного естествознания:учебник для студентов вузов/под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 4-еизд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008. – 319 с.
2. Лихин А.Ф. Концепции современногоестествознания: учеб. – М.: ТК Велби, Издательство Проспект, 2006. – 264 с.
3. Храмов Ю.А. Физики:Библиографический справочник. – 2-е изд., испр. и дополн. – М.: Наука, Главнаяредакция физико-математической литературы, 1983.