С помощью теории относительности ученые вычислили, какая часть тела стареет в первую очередь

Сегодня предлагаем обсудить важные аспекты на тему: "С помощью теории относительности ученые вычислили, какая часть тела стареет в первую очередь" с профессиональной точки зрения и понятным языком. Если в процессе прочтения возникнут вопросы, то дочитайте до конца, а если не найдете ответа, то всегда можно обратиться к нашему дежурному юристу.

С помощью теории относительности ученые вычислили, какая часть тела стареет в первую очередь

Мы многого не знаем о нашем организме, и ежедневно тысячи ученых работают над тем, чтобы ответить на вопросы, которые волнуют человечество. Вы когда-нибудь спрашивали себя, какая часть тела стареет в первую очередь? С помощью теории относительности ученые нашли ответ на этот вопрос, и он вас удивит.

Теория относительности

Как бы странно это ни звучало, но именно благодаря теории относительности удалось ответить на вопрос о старении тела. Ученые пришли к выводу, что быстрее всех стареет голова. У вас было такое предположение? Тогда вы оказались абсолютно правы! Но не нужно бить тревогу. За 79 лет (а до этого возраста доживают только самые крепкие) голова стареет всего лишь на 90 секунд быстрее остальных частей тела.

Скорость, с которой двигается время, зависит от скорости передвижения человека и его близости к гравитационному полю. Это прекрасно видно на примере часов. Чем выше они над уровнем моря, тем быстрее ход времени.

Любопытные выводы, не так ли? Но ученые ими не ограничились и решили проверить эту теорию в меньших масштабах.

Любопытный эксперимент

Ученые использовали атомные часы, которые показывают точное время. В данном эксперименте они сыграли важную роль. Итак, ученые замеряли ход течения времени у ног и у головы человека.

В ходе замеров было установлено, что чем выше ученые поднимались от ног, тем быстрее шло время из-за меньшей гравитационной силы.

На основе этого эксперимента и был сделан вывод о старении головы, который оказался не таким страшным, как могло показаться на первый взгляд.

Значение этого открытия

Ученые считают, что данное открытие может найти применение в геофизике. А какое значение оно имеет для обычных людей? По-сути, никакого. Это просто любопытный факт, который будет полезно знать для общего развития, чтобы блеснуть эрудицией в компании.

Голова стареет быстрее всего на 90 секунд, поэтому это никак не отражается на внешности. А если вы действительно хотите сохранить крепкое здоровье и выглядеть моложе своего возраста, то откажитесь от вредных привычек, больше гуляйте на свежем воздухе и старайтесь употреблять в пищу полезные продукты. При соблюдении этих условий ваш организм скажет вам большое спасибо. Будьте здоровы!

Теория относительности

Преемственность теории относительности не могла ограни­читься только математической фактурой. Вместе с уравнени­ями в нес, со всей неизбежностью, перекочевал из электро­магнитной теории дефицит понятийного арсенала. Предло­женная Эйнштейном теория движения, также, как и электро­магнитная теория, не выдвигала никаких соображений по по­воду реального физического содержания своих понятийных основ. Попросту говоря, теория относительности не предло­жила никаких смысловых понятийных эквивалентов, выра­жающих действительные физические свойства вещества, пространства, времени. Самое большое, что мог позволить се­бе Эйнштейн, это сформулировать световые постулаты, кото­рые только и приходятся выражением объективных физичес­ких свойств реального пространства-времени. Однако приро­да происхождения этих постулатов осталась за пределами «досягаемости» познавательных возможностей теории отно­сительности и потому световые постулаты сделались одной из наиболее непостижимых ее сторон.

Тем не менее, в той чрезвычайно противоречивой обстанов­ке огромную роль сыграла созидательная мощь эйнштейновс­кого интеллекта. Пожалуй, более чем где-либо незаурядность воображения автора теории относительности проявилась в осознании им объективной неоднозначности определения од­новременности двух пространственно разделенных событий. Глубоко проанализировав процедуру наблюдений и измере­ний, регистрируемых физических процессов, Эйнштейн опро­вергнул ньютоновские представления об абсолютности прос­транства и времени. С помощью остроумных мысленных экс­периментов ученый доказал их объективную относительность. Как только время утратило качество абсолютной, повсюду равномерно текущей субстанции, наше отношение к окружа­ющему миру изменилось радикальным образом. Сделалось очевидным, что существование пространства и времени в от­рыве друг от друга, при описании движения, противоречит эксперементальной логике, а потому не имеет теоритического обоснования.

Теория относительности убедительно продемонстрировала, что четырехмерная интерпретация пространственно-времен­ных соотношений является единственно возможной, к тому же способной эффективно комментировать отрицательные ре­зультаты экспериментов но регистрации эфирного ветра. Следствием эйнштейновских творческих усилий сделалось введение в научный обиход еще одной понятийной категории, названной «четырехмерным пространством-временем». Нали­чие последней, как бы снимало с повестки дня проблему атри­бутации категорий «пространство» и «время» по отдельности.

[1]

Эйнштейну не составило большого труда подобрать необ­ходимое математическое выражение для соединения прост­ранства и времени в единую ткань. Науке было уже известно уравнение Германа Минковского, предлагающее решение этой задачи. Однако экстраполировать данную математичес­кую структуру на полноценную понятийную основу, оказа­лось задачей отнюдь не простой. Дело в том, что физические свойства минимального интервала пространства и периода времени глубоко различны. Совмещение их требует каких-то специфических, до сих пор неведомых нам теоретических хо­дов. Не случайно, в ряду непреодолимых сторон теории от­носительности, для нашего умозрительного восприятия, сто­ит ее четырехмерная трактовка пространственно-временных соотношений. Разумеется, теория относительности, как и вся­кое иное теоретическое обобщение, имеет свой познаватель­ный предел, за которым возникают вопросы не поддающиеся рациональному объяснению в рамках этой теории. В своем месте, мы подробно проанализируем проблемы связанные с движением, которые не поддаются развязыванию усилиями теории относительности. Здесь же ограничимся тем, что ак­центируем свое внимание на понятийной недостаточности ее пространственно-временных аргументаций.

Любопытно, что сам Эйнштейн был предельно аккуратен в подборе используемых формулировок и определений. В слу­чаях, когда возникали сомнительные, неоднозначные ситуа­ции, он умело манипулировал и перекладывал проблематику с физических галсов на математические, но неуклонно прово­дил свои идеи к намеченным целям. Методологическое кредо теории относительности достаточно компактно сформулиро­вано во вступительной части знаменитой эйнштейновской ста­тьи «К электродинамике движущихся тел». Где, в частности, сказано, что «развиваемая Эйнштейном теория основана, как и всякая другая электродинамика, на кинематике твердого те­ла, так как суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами». В этом дословно воспро­изведенном заявлении ученого явно прослеживается нарочи­тая тенденция тщательного уклонения от прямого использо­вания выражения «пространство». Казалось бы, как можно рассуждать о кинематике твердого тела вне категории «прос­транство»? Тем не менее, автор теории относительности пред­почитает старательно обходить это коварное определение.

В своем программном заявлении Эйнштейн подменяет по­нятие «пространство» формулировкой «координатная систе­ма». В результате осуществляется тонкий маневр, позволя-щий переводить сугубо физическую категорию в математичес­кую плоскость. Вместе с тем как бы автоматически утрачива­ется необходимость в ее физической атрибутации. Этот безус­ловно весьма эффективный исследовательский прием описа­ния физических реальностей с помощью математических ин­струментов, служит центральной осью, на которой смонтиро­вана вся теория относительности. Однако это отнюдь не озна­чает, что мы должны безоговорочно следовать на поводу у те­ории относительности вопреки здравому смыслу, который не позволяет тотальной подмены физических реалий математи­ческими конструкциями, в связи с возможностью потери кон­троля над самим знанием. Заимствованный из максвелловс-кой элетромагнитной теории — метод перевода сугубо физи­ческих проблем в область абстрактных математических реше­ний, более всего, свидетельствует о неспособности исследова­тельской мысли предъявлять наблюдаемой действительности адекватные понятийные эквиваленты.

Читайте так же:  Жена хотела забрать бизнес при разводе. ее адвокату муж отправил коробку бумаг

Как уже отмечалось, физические свойства пространствен­но-временного каркаса и материальной начинки тесно взаи­мосвязаны между собой и не допускают произвола в их вы­боре. Поэтому вполне закономерно, что разразившийся поня­тийный кризис, в вопросах описания мирового пространст­венно-временного каркаса, неизбежно перекинулся на мате­риальную начинку. То есть, на нашу способность адекватно атрибутировать материальные объекты, выражающие катего­рию «вещество». Во-первых, оказалось, что элементарные составляющие вещества не являются просто частичками мате­рии, но могут и должны рассматриваться как волновые обра­зования. Во-вторых, выяснилось, что мы не в состоянии, как это происходило в классической механике, давать однознач­ные математические определения того, что действительно имеет место и происходит с веществом в пространстве и вре­мени. Вместо этого, квантовая физика стала давать нам рас­пределение вероятностей для возможных изменений и состо­яний, как функций времени.

Таким образом, наше проникновение во все усложняющи­еся реалии окружающего мира привело к тому, что современ­ное состояние науки стало характеризоваться наличием двух теоретических систем, существенно независимых друг от друга — теорией относительности и квантовой теорией. Зна­менательно, что по отдельности каждое из этих научных обобщений вполне удовлетворительно справляется с описа­нием определенного круга явлений. Однако за пределами ог­раниченной области применимость какой-либо из них весьма проблематична. Складывается впечатление, будто составные фрагменты ожидаемой всеобъемлюющей теории содержатся в обеих названных концепциях и необходимо только найти логически правильные хода, позволяющие заключить союз между теорией относительности и квантовой физикой.

Тео­рия относительности, вне всякого сомнения, должна сохра­нить свою актуальность, как учение отстаивающее описание законов природы посредством пространственно-временных соотношений (собственно говоря, у нас нет иной альтернати­вы). Но делать это, по-видимому, она должна не с помощью дифференциальных уравнений, предлагающих регулярные решения, а путем установления квантовых пространственно­временных характеристик, наблюдаемых физических про­цессов. Можно по крайней мере надеяться, что выполнение этого условия сделается логической связкой, которая приве­дет к желаемому синтезу теории относительности с кванто­выми закономерностями.
Это вовсе не означает, что будующие успехи теоретичес­кой физики пролегают на путях приспосабливания теории относительности под квантовые закономерности и разумеет­ся, наоборот —приспосабливания квантовой теории под ло­гику эйнштейновских пространственно-временных соотноше­ний. Когда, например, пытаются получить квантовые зако­номерности, как следствие теории относительности. О тщет­ности подобных усилий свидетельствуют, так и не выливши­еся в законченную систему взглядов, всевозможные разра­ботки более сложных пространственно-временных геомет­рий, в надежде распространения их на более широкий круг явлений природы.

Для естественного синтеза этих двух фундаментальных те­оретических обобщений, более всего полезно отступить на ис­ходные рубежи и попытаться сформулировать в самих исто­ках наших знаний оптимальную понятийную основу. Нам не­обходимо наполнить свои представления о «пространстве», «времени», «веществе» и «поле» таким обновленным концеп­туальным содержанием, которое позволит скорректировать обе противостоящие концепции единовременно. Да таким об­разом, чтобы они органично слились в единую научную ткань. Выход исследователей на перспективный уровень для атрибутации основополагающих категорий мироздания, в свою очередь, предполагает разработку эффективной модели сотворения мира. Ведь реальное физическое наполнение этих категорий происходит непосредственно в ходе реализации сценария рождения мира.

Мы не случайно провели краткий обзор становления фун­даментальных понятийных определений в современной науке. Нам необходимо было предпринять такой исторический экс­курс, чтобы полнее представлять общую ситуацию, складыва­ющуюся вокруг атрибутации основополагающих категорий мироздания и объективно оценивать обстановку, в условиях которой происходило формирование научной концепции сот­ворения мира. Как следует из всего вышеизложенного, эта обстановка характеризовалась длительным понятийным кри­зисом, поразившим теоритеческую аттестацию основополага­ющих категорий мироздания. Этот кризис неизбежно транс­формировался в научное представление о таком величайшем творчески-образовательном акте, который имеет название «сотворение мира».

С помощью теории относительности ученые вычислили, какая часть тела стареет в первую очередь

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

7. ТЯЖЕЛАЯ МАССА И ИНЕРТНАЯ МАССА

Подобно классической механике, специальная теория относительности также приписывала привилегированное положение «галилеевым» наблюдателям, т. е. наблюдателям, находящимся в системах, движущихся равномерно и прямолинейно. Но что является основанием этого преимущества галилеевых систем отсчета? Ответить на такой вопрос было очень нелегко.

В более позднее время Р. Этвеш в серии весьма точных опытов, проведенных с 1890 по 1910 г. и продолженных в 1922 г., показал, что эта эквивалентность тяжелой и инертной масс соблюдается с точностью выше одной двадцатимиллионной. Опыты Этвеша основаны на том, что равновесие отвеса определяется притяжением Земли, зависящим от тяжелой массы, и центробежной силой, вызванной вращением Земли и зависящей от инертной массы. Если бы эти массы не были одинаковы, то направление отвеса зависело бы от материала (свинец, железо, стекло и т. д.), из которого сделан шар отвеса. Однако Этвеш с помощью чувствительнейших крутильных весов установил, что отвес не меняет своего направления независимо от материала, из которого он изготовлен. Таким образом, в равенстве тяжелой и инертной масс сомневаться невозможно. Классическая механика в этом и не сомневалась, но она принимала этот факт как случайный, даже не пытаясь как-нибудь его объяснить.

В упомянутой работе 1907 г. Эйнштейн показал с помощью наглядных соображений, что равенство тяжелой и инертной масс совсем не случайный факт, что оно носит особый характер, проявляясь как внутреннее свойство гравитационного поля. Эйнштейн пришел к этому выводу с помощью мысленного опыта, ставшего теперь классическим, опыта со свободно падающим лифтом. Представим себе гигантский небоскреб высотой 1000 км и физика, находящегося внутри свободно падающего лифта в этом небоскребе. Физик выпускает из рук платок или часы и убеждается, что они не падают на пол лифта. Если он сообщает этим вещам толчок, то они движутся равномерно и прямолинейно, пока не столкнутся со стенками лифта. Физик приходит к выводу: я нахожусь в ограниченной галилеевой системе. Условие ограниченности необходимо для того, чтобы можно было считать, что все тела испытывают одинаковое ускорение. Но физик, наблюдающий извне за падением лифта, будет судить о вещах совершенно иначе. Он видит, что лифт и все находящиеся в нем тела движутся ускоренно в соответствии с законом тяготения Ньютона.

Читайте так же:  Какие документы нужны для открытия ооо перечень документов для открытия ооо

Этот пример показывает, что можно перейти от галилеевой системы к ускоренной, если учесть гравитационное поле. Иными словами, гравитационное поле (в котором проявляется тяжелая масса) эквивалентно ускоренному движению (в котором проявляется инертная масса). Тяжелая масса и инертная масса характеризуют одно и то же свойство материи, рассматриваемое по-разному. Таким образом, Эйнштейн пришел к принципу эквивалентности, который он так сформулировал в своей автобиографии:

«В поле тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо «инерциальной» системы отсчета ввести систему, ускоренную относительно нее» ( A. Einstein Philosopher-Scientist, ed. by P. A. Schilpp, Evanston (Illinois), 1945. (Есть русский перевод: А. Эйнштейн, Собр. научи, трудов, т. IV, стр. 282.)

).

Принцип эквивалентности можно сформулировать и иначе: наблюдатель никакими опытами в своей системе отсчета не может различить, находится ли он в гравитационном поле или же ускоренно движется. Для случая мъю-ленного эксперимента со свободно падающим лифтом принцип эквивалентности справедлив в небольшой части пространства, т. е. имеет локальный характер.

8. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Принцип эквивалентности послужил отправной точкой для переработки теории относительности в новую теорию, которую Эйнштейн назвал общей теорией относительности (в отличие от нее прежняя теория была названа специальной). Новая теория была изложена Эйнштейном после подготовительных работ 1914-1915 гг. в фундаментальном труде «Die Grundlage der allgemeinen Relativitdtstheorie» («Основы общей теории относительности»). Вторая часть этой работы посвящена описанию математического аппарата, необходимого для развития этой теории. К счастью, такой аппарат уже существовал — это было так называемое «абсолютное дифференциальное исчисление», приведенное в систему еще в 1899 г. Грегорио Риччи-Курбастро (1853-1925) и Туллио Леви-Чивита (1873-1941).

Основной постулат общей теории относительности заключается в том, что не существует привилегированных систем координат.

«Законы физики, — говорит Эйнштейн, — должны быть таковы по природе, что они должны быть применимы к произвольно движущимся, системам отсчета».

Законы физических явлений сохраняют свою форму для произвольного наблюдателя, так что уравнения физики должны оставаться инвариантными не только при лоренцевых, но и при произвольных преобразованиях.

Выведенные отсюда Эйнштейном математические следствия не менее важны, чем следствия из специальной теории относительности. Они ведут к дальнейшему обобщению понятий пространства и времени. Если кинематическое изменение видоизменяет или уничтожает гравитацию в какой-либо системе отсчета, то ясно, что между гравитацией и кинематикой существует тесная связь. А поскольку кинематика — это геометрия, к которой добавлена еще одна, четвертая переменная — время, то Эйнштейн интерпретирует явления гравитации как геометрию пространства-времени. Отсюда вытекает что, согласно общей теории относительности, наш мир не является евклидовым; его геометрические свойства определяются распределением масс и их скоростями.

С помощью знаменитого мысленного эксперимента, о котором было много споров, Эйнштейн со всей очевидностью показал тесную связь между кинематикой и геометрией. Предположим, что наблюдатель находится на круглой платформе, быстро вращающейся по отношению к внешнему наблюдателю. Внешний наблюдатель вычерчивает в своей, галилеевой системе отсчета окружность, равную внешней окружности платформы, измеряет ее длину и ее диаметр, составляет их отношение и находит число я евклидовой геометрии. Наблюдатель, находящийся на платформе, выполняет те же измерения с помощью той же линейки, которой пользовался внешний наблюдатель. Линейка, помещенная вдоль радиуса платформы, хотя и находится в движении относительно внешнего наблюдателя, не претерпевает изменения длины, потому что платформа движется перпендикулярно радиусу. Но когда наблюдатель начинает измерять периметр платформы, то линейка по отношению к внешнему наблюдателю представляется укороченной, потому что в этом положении она движется в направлении своей длины (лоренцево сокращение), платформа кажется более длинной и для числа я получается значение, большее, чем в предыдущем случае.

Аналогичное явление имеет место и со временем. Если взять двое идентичных часов и одни поместить в центре платформы, а другие — на периферии, то внешний наблюдатель увидит, что часы, находящиеся на периферии и движущиеся по отношению к другим часам, идут медленнее, чем часы, находящиеся в центре, и придет к заключению, что часы на периферии действительно отстают.

Но, согласно принципу эквивалентности, явления движения аналогичны явлениям гравитации. Следовательно, в гравитационном поле евклидова геометрия уже несправедлива, а часы отстают. Пример с платформой имеет прежде всего дидактическое значение; математически гравитационное поле отличается от центробежного поля вращающейся платформы. В гравитационном поле, создаваемом центральной массой, сокращаются радиальные размеры и остаются неизменными поперечные. Поэтому отношение окружности к диаметру становится меньше л. Эддингтон рассчитал порядок величины этого изменения числа я: если массу в одну тонну поместить в центре окружности радиусом пять метров, то число я изменится в 24-м знаке.

В общей теории относительности уравнения гравитации имеют тот же вид, что и уравнения Максвелла (в том смысле, что они описывают изменения гравитационного поля); из них вытекают геометрические свойства нашего неевклидова мира.

9. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ

Новые законы тяготения приводят к некоторым следствиям, поддающимся экспериментальной проверке. Поскольку энергия обладает массой, а инертная масса является также и тяжелой массой, то отсюда следует, что тяготение действует и на энергию. Поэтому луч света, проходящий в гравитационном поле, должен отклоняться. Фактически такое отклонение вытекает также из ньютоновской корпускулярной теории света; расчет отклонения луча света звезды, проходящего близ Солнца, был проведен еще в 1804 г. Зольднером, который получил значение вдвое меньше рассчитанного по теории относительности. Опыты, проведенные во время полных солнечных затмений 29 мая 1919 г. и 21 сентября 1922 г., подтвердили выводы общей теории относительности и в количественном отношении (хотя среди астрономов полного согласия не было). Подтверждение не предсказываемого специальной теорией относительности влияния тяготения на прохождение луча показывает, что теория справедлива лишь в отсутствие гравитационных полей. По отношению к общей теории относительности она оказывается лишь приближенной теорией, точно так же как классическая механика является приближенной теорией по отношению к специальной теории относительности.

Второе подтверждение общей теории относительности было получено при исследовании движения планет. Одним из следствий общей теории относительности является то, что эллиптическая траектория движения планеты должна медленно поворачиваться вокруг Солнца. Этот эффект, не предсказываемый ньютоновской теорией, должен быть наибольшим для ближайших к Солнцу планет, для которых сила тяготения максимальна. Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий, поэтому именно на движении этой планеты можно наблюдать указанный эффект, который столь слаб, что. согласно расчетам, потребовалось бы три миллиона лет, чтобы орбита Меркурия совершила полный оборот.

Читайте так же:  Не можете мотивировать себя ходить на работу билл гейтс советует больше читать, но есть и другие спо

Медленное вращение орбиты Меркурия, или, точнее, смещение его перигелия, было замечено астрономами, которые пытались объяснить это возмущениями движения Меркурия, вызываемыми другими планетами. Но расчеты, проведенные исходя из этого предположения, приводят к значению смещения меньше наблюдаемого. Расхождение между расчетным и наблюдаемым значениями никак не удавалось объяснить в рамках ньютоновской механики. С точки зрения общей теории относительности вопрос был рассмотрен впервые в 1915 г. Эйнштейном и окончательно решен в 1916 г. Шварц-тпильдом. Совпадение результатов расчета по общей теории относительности с данными астрономических наблюдений производило особое впечатление потому, что оно было достигнуто без всяких дополнительных гипотез, как прямое следстврте общей теории относительности.

Третьим подтверждением общей теории относительности, которое после периода взаимно противоречащих результатов теперь представляется надежным, является так называемый «эффект Эйнштейна», т. е. смещение спектральных линий излучения звезд в сторону красного цвета. Как мы уже упоминали, часы, расположенные в поле тяготения, идут медленнее, а поскольку колебательное движение можно уподобить часам, то теория предсказывает уменьшение частоты светового излучения в присутствии поля силы тяжести. Отсюда следует, что спектральные линии света, излученного звездой, должны быть смещены в красную сторону по сравнению с соответствующими линиями, в спектрах земных источников. Этот факт, по-видимому, подтверждается исследованием спектра света от звезд-карликов, средняя плотность которых в десятки тысяч раз больше плотности воды. В 1925 г. Адаме, фотографируя спектры Сириуса и его спутника Сириуса В, наблюдал красное смещение. В количественном отношении это явление тоже как будто хорошо согласуется с предсказаниями теории.

10. О СУДЬБЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Число исследований по вопросам теории относительности, проведенных математиками, физиками и философами, неизмеримо велико; едва ли можно указать в истории физики другой аналогичный пример бурного расцвета теории. Собранная Лека в 1924 г. библиография насчитывала уже около 4000 наименований книг, брошюр и статей. Естественно, что столь оригинальные идеи не могли войти в науку, не натолкнувшись на сильнейшее противодействие, а когда в первые годы после мировой войны элементы теории относительности распространились среди широкой публики, то к научной критике специалистов присоединилась горячая реакция различных по характеру людей, недостаточно компетентных, чтобы судить о теории по существу. Противники теории, как компетентные, так и некомпетентные, отрицая теорию относительности, в конечном счете апеллировали к «здравому смыслу». Во времена Галилея «здравый смысл» также призывался в качестве высшего судьи в споре между птолемеевой и коперниковой системами. Но в обоих случаях здравый смысл, который сам изменяется вместе со временем, в конце концов становился на сторону нового.

Сейчас все эти горячие дискуссии затихли. Теория относительности уже не вызывает возражений со стороны ученых. Наоборот, как метко заметили Макс Планк и Луи де Бройль, теперь уже ее следует рассматривать как составную часть классической физики, основным законам которой она не противоречит, затрагивая лишь некоторые обыденные представления, как, например, представление об абсолютном пространстве и времени. Сплотив воедино понятия пространства и времени, массы и энергии, тяготения и инерции, эта теория наравне с другими теориями классической физики подчинилась той унифицирующей тенденции, которая, как мы отмечали ранее, воодушевляла физику XIX века.

Теория относительности

ПОСТУЛАТЫ СТО

1. Возникновение теории относительности

В классической механике считается, что длина и время являются величинами абсолютными, а скорость и перемещение – относительными. Механический принцип относительности (принцип Галилея) заключается в том, что все механические явления протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчета (форма записи механических законов не изменяется при переходе от одной ИСО к другой). В инерциальной системе отсчета невозможно отличить покой от равномерного прямолинейного движения. Для любых механических явлений все инерциальные системы отсчета оказываются равноправными. Галилей не задумывался о других явлениях, т.к. в те времена механика составляла, по существу, всю физику. До середины XIX в. считали, что все физические явления можно объяснить на основе механики Ньютона .

В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлений (теория Максвелла). Оказалось, что уравнения Максвелла изменяют свой вид при галилеевских преобразованиях перехода от одной ИСО к другой. Возник вопрос о том, как влияет равномерное прямолинейное движение на все физические явления. Перед учеными встала проблема согласования теорий электромагнетизма и механики.

Задача была трудной, т.к. законы классической механики прекрасно подтверждались в обширной области явлений (от статики до небесной механики), замечательно служили практике, и изменять это казалось абсурдным. Поэтому многие ученые пытались построить теорию электродинамики так, чтобы она соответствовала классической механике.

Согласно теории Максвелла свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Спрашивается, относительно чего свет движется с такой скоростью? ( Если самолет летит по направлению ветра, скорость которого 100 км/ч, а его собственная скорость относительно воздуха 500 км/ч, то относительно Земли самолет летит со скоростью 600 км/ч ).

Относительно чего свет движется со скоростью c ? Ответ на этот вопрос не содержится ни в теории Максвелла, ни в теории Юнга. Если свет – волна, и если волна распространяется в среде, то свет движется со скоростью c относительно среды. Эта светоносная среда получила название эфира. Дебаты, касающиеся светоносного эфира к концу XIX в. достигли особой остроты. Интерес к эфиру возрос, когда стало ясно, что созданная Максвеллом теория оказалась успешной и вроде бы свидетельствует о том, что эфир можно наблюдать.

Если эфир существует, то должен быть обнаружен эфирный ветер. Опыт по обнаружению эфирного ветра был поставлен в 1881 г. американскими учеными А.Майкельсоном и Р.Морли с помощью оригинального интерферометра. Наблюдения проводились в течение длительного времени. Опыт многократно повторяли. Результат оказался отрицательным: никакого движения Земли относительно эфира обнаружить не удалось. Различные эфирные теории завели физику в тупик.

В 1905 г. А.Эйнштейн, отвергнув гипотезу эфира, предложил специальную (частную) теорию относительности , на основе которой можно совместить механику и электродинамику. В 1905 г. вышла его работа «К электродинамике движущихся тел». В ней Эйнштейн сформулировал два принципа (постулата) теории относительности.

I постулат : все законы природы имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

Видео (кликните для воспроизведения).

II постулат : скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Читайте так же:  Финансовые ресурсы организации

Чтобы сформулировать эти постулаты, нужна была большая научная смелость, т.к. они, очевидно, противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

Итак, современная физика подразделяется на:

  • классическую механику, которая изучает движение макроскопических тел с малыми скоростями ( v );
  • релятивистскую механику, которая изучает движение макроскопических тел с большими скоростями ( v );
  • квантовую механику, которая изучает движение микроскопических тел с малыми скоростями ( v c );
  • релятивистскую квантовую физику, которая изучает движение микроскопических тел с произвольными скоростями ( v ё c ).

СЛЕДСТВИЯ ИЗ ПОСТУЛАТОВ СТО

1. Относительность одновременности событий

Принято считать, что события в точках A и B произошли одновременно, если световые сигналы, испущенные ими, приходят одновременно в точку C, находящуюся посередине между точками A и B.

Допустим, что в точке C находится покоящийся относительно A и B фотоэлемент, соединенный с осциллографом. При включении ламп световые сигналы к фотоэлементу приходят одновременно через некоторый промежуток времени , и на экране осциллографа наблюдается один всплеск.

Пусть фотоэлемент с осциллографом движется равномерно со скоростью v влево, тогда световая волна от правой лампы должна будет пройти до фотоэлемента большее расстояние ( l + s ), чем волна от левой лампы ( l – s ), где s = v D t . Это приведет к тому, что световая волна от левой лампы дойдет до фотоэлемента раньше, чем от правой, и на экране появятся два всплеска. Следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета, т.е. одновременность событий относительна .

2. Относительность промежутков времени

Сегодня в полдень пущена ракета.
Она летит куда быстрее света
И в цель прибудет ровно в семь утра.
вчера*.
С.Я.Маршак

Пусть инерциальная система отсчета K покоится, а система отсчета K 0 движется относительно системы K со скоростью v .

Пусть интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы K 0 , равен t 0 .

Тогда интервал времени между этими же событиями в системе K будет выражаться формулой:

Это эффект замедления времени в движущихся системах отсчета. Если v , то величиной можно пренебречь, тогда и никакого замедления в движущихся системах можно не учитывать.

Замедление времени позволяет, в принципе, осуществить «путешествие с будущее». Пусть космический корабль, движущийся со скоростью v относительно Земли, совершает перелет от Земли до звезды и обратно. За время t 0 свет проходит путь от Земли до звезды:

Продолжительность полета по часам земного наблюдателя равна:

Настолько постареют люди на Земле к моменту возвращения космонавтов. По часам, установленным на космическом корабле, полет займет меньше времени:

По принципу относительности, все процессы на космическом корабле, включая старение космонавтов, происходят так же, как и на Земле, но не по земным часам, а по часам, установленным на корабле. Следовательно, к моменту возвращения на Землю космонавты постареют только на время t 0 .

Если, например, t 0 = 500 лет и v 2 / c 2 = 0,9999, то формулы дают t = 1000,1 года, t 0 = 14,1 года.

Космонавты возвратятся на Землю по земным часам спустя 10 веков после вылета и постареют лишь на 14,1 года.

3. Относительность расстояний

Расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Рассмотрим две системы отсчета.

Обозначим через l 0 длину стержня в системе отсчета K 0 , относительно которой стержень покоится. Тогда длина l этого стержня, измеренная в системе отсчета K , относительно которой стержень движется со скоростью v , определяется формулой:

Длина стержня зависит от того, в какой системе отсчета она измеряется. Один и тот же стержень имеет различную длину в различных системах отсчета. Максимальную длину l 0 стержень имеет в системе отсчета, в которой он покоится. В системах же, движущихся по отношению к стержню, он имеет длину тем меньшую, чем больше скорость движения. Если рассматривать движущееся тело, то сокращаются только его продольные размеры.

4. Сложение скоростей в СТО

Классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, т.к. он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме. Если поезд движется со скоростью v и в вагоне в направлении движения поезда распространяется световая волна, то ее скорость относительна Земли все равно c , а не v + c .

Рассмотрим две системы отсчета.

В системе K 0 тело движется со скоростью v 1 . Относительно же системы K оно движется со скоростью v 2 . Согласно закону сложения скоростей в СТО:

Если v c и v 1 c , то слагаемым можно пренебречь, и тогда получим классический закон сложения скоростей: v 2 = v 1 + v .

При v 1 = c скорость v 2 равна c , как этого требует второй постулат теории относительности:

При v 1 = c и при v = c скорость v 2 вновь равна скорости c .

Замечательным свойством закона сложения является то, что при любых скоростях v 1 и v (не больше c ), результирующая скорость v 2 не превышает c . Скорость движения реальных тел больше, чем скорость света, невозможна. Допустим, что два тела движутся навстречу друг другу со скоростями 200 000 км/с, тогда по классической формуле сложения скоростей получим:

v 2 = 200 000 км/c + 200 000 км/c = 400 000 км/с, а по закону сложения скоростей в СТО v 2 = 277 000 км/с.

5. Закон Ньютона в релятивистской форме

В классической механике основным законом динамики является второй закон Ньютона:

Этот закон можно записать и в другом виде через изменение импульса:

где p = m Ч v – импульс тела.

Основной закон релятивистской механики записывается в прежней форме:

но теперь – релятивистский импульс.

6. Связь между энергией и массой

А.Эйнштейн установил основную формулу, связывающую энергию, импульс и массу движущегося тела : E 2 = p 2 c 2 +m 2 c 4 .

[3]

В эту формулу входят релятивистские энергия и импульс:

Из основной формулы следует связь массы тела с его энергией покоя E 0 :

Эту формулу можно записать и в обратную сторону:

Эта формула позволяет перевести изменения энергии взаимодействующих тел при нагревании, химических реакциях или радиоактивных превращениях в эквивалентное изменение массы тел. Так как коэффициент 1/ с 2 очень мал, то заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании тел в обычных условиях изменения энергии невелики, поэтому изменение массы обнаружить не удается.

В 1905 г. Эйнштейн опубликовал статью под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». В ней он пророчески заключил: «Не исключена возможность того, что теорию удастся проверить для веществ, энергия которых меняется в большой степени (например для солей радия)». При превращениях атомных ядер и элементарных частиц изменения энергии оказываются весьма большими. Соответственно велики и эквивалентные изменения массы. Лучшим примером может служить наше Солнце. В его центре происходят термоядерные реакции синтеза водорода с образованием гелия. При этом выделяется колоссальная энергия, малая доля которой дает нам жизнь. По формуле Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии можно вычислить, какая часть массы Солнца ежесекундно превращается в излучение, и дать прогноз, что запасов термоядерного топлива на Солнце хватит ещё примерно на 10 млрд лет.

Читайте так же:  Внуки решили продать дедову шахматную фигуру и получили за нее целое состояние

Теория относительности

В 1905 году в сентябрьском номере немецкого журнала «Анналы физики» появилась статья, написанная молодым экспертом швейцарского патентного бюро в Берне Альбертом Эйнштейном. В ней излагалась теория относительности, решавшая проблему электродинамики движущихся тел.

Изложение материала велось молодым автором в довольно необычной для научных публикаций манере: без указания идей и результатов, заимствованных из других исследований, без сопоставления полученных выводов с итогами более ранних попыток решения той же проблемы.

Статья не содержала ни одной литературной ссылки. При чтении ее создавалось впечатление о полной оригинальности как постановки, так и решения задачи, о первооткрытии всех изложенных там результатов.

«Только путем сопоставления фактически использованных в этой работе положений с ранее опубликованными статьями на данную тему можно установить несомненную связь развиваемых автором идей с высказываниями предшественников, и в первую очередь — с идеями, опубликованными за несколько лет до этого Пуанкаре«. (Здесь и далее изложение научных результатов Пуанкаре будет вестись на основе статьи М.И.Панова, А.А.Тяпкина и А.С.Шибанова «Анри Пуанкаре и наука начала ХХ века», книги «Анри Пуанкаре о науке», под ред. Л.С.Понтрягина, М., 1990, а также на основе книги А.Тяпкина и Л.Шибанова «Пуанкаре», ЖЗЛ, М., 1982 — выделено В.Б.).

Эйнштейн в 1955 году так ответил на вопрос о независимости его открытия от работ Лоренца и Пуанкаре: «Я был знаком с фундаментальной работой Лоренца, вышедшей в 1895 г., но позднейшей работы и связанного с ней исследования Пуанкаре не знал. В этом смысле моя работа была самостоятельной, Новое в ней состояло в следующем. Лоренцевы преобразования выводились здесь не из электродинамики, а из общих соображений. » (выделено В.Б.).

Здесь позвольте не поверить Нобелевскому лауреату. Во-первых, любой ученый, занимающийся какой-то проблемой, обязательно изучает всю литературу по этому вопросу. Во-вторых, любой человек, просто интересующийся физикой, был в курсе положения дел в ней в тот период. В-третьих, работая в патентном бюро Эйнштейн вполне мог быть в курсе теоретических разработках в физике. В-четвертых, когда говорится, что соотношение получено общих соображений» или «методом подбора», то это наводит на мысль, а не списано ли просто оно у человека, который, зная математику, это соотношение вывел.

Интересная деталь: не сохранилось никаких черновиков первых работ Эйнштейна. «Еще более интересная деталь: рецензию на первую статью Эйнштейна писал Пуанкаре. Рецензия Пуанкаре — это единственный материал в истории журнала «Анналы физики», который не сохранился в архивах журнала. Кому-то очень нужно было скрыть, что же писал в рецензии Пуанкаре и как он исправил присланный ему экземпляр статьи» (член-корреспондент РАН В.Ф.Журавлев).

[2]

Рено де ля Тай в статье «Релятивизм Пуанкаре предшествовал эйнштейновскому» (см. Приложение 2) написал: «. 26 сентября 1905 года «Annalen der Physik» (Берлин-Лейпциг) публикуют статью Альберта Эйнштейна, озаглавленную «К электродинамике движущихся тел «. Рукопись, подписанная Эйнштейном и его женой Милевой Марич (см. Science & Vie N 871, р. 32), была получена редакцией 30 июня 1905 года, то есть более трех недель спустя заметки Пуанкаре. Эта рукопись была немедленно уничтожена после ее публикации.

В его статье можно найти то, о чем в течение десяти лет Пуанкаре дискутировал с Лоренцем и что уже неоднократно публиковалось: ненужность эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени, условность понятия одновременности, принцип относительности, постоянство скорости света, синхронизация часов световыми сигналами, преобразования Лоренца, инвариантность уравнений Максвелла, и так далее. К уже известному Эйнштейн добавил формулы релятивистского эффекта Допплера и аберрации, которые немедленно вытекают из преобразований Лоренца.

Таким образом, независимый исследователь, никогда ничего не публиковавший по обсуждаемому вопросу прежде, якобы переоткрыл практически мгновенно то, что ученые класса Лоренца и Пуанкаре смогли установить только после десяти лет усилий. Более того, вопреки научной этике в своей статье Эйнштейн не делает никаких ссылок на работы предшественников, что особенно поразило Макса Борна. При этом Эйнштейн, который читал по-французски так же хорошо, как и по-немецки, знал работу Пуанкаре «Наука а гипотеза», а также, без сомнения, и все другие статьи Лоренца и Пуанкаре» (выделено мной — В.Б.).

И опять мнение биографов П.Картера и Р.Хайфилда: «Статьи Эйнштейна, написанные в 1905 году, отнюдь не вызвали бурной реакции в научном мире, напротив, их практически не заметили«.

В статье 1906 года Эйнштейн пишет: «Мы показали, что изменение энергии должно соответствовать эквивалентному изменению массы на величину, равную изменению энергии, деленному на квадрат скорости света. Несмотря на то что простое формальное рассмотрение, которое должно быть приведено для доказательства этого утверждения, в основном содержится в работе Пуанкаре (1900 г.), мы из соображений наглядности не будем основываться на этой работе» (выделено В.Б.). Вопросы есть?

И, наконец, возникает вопрос: если лоренцевы преобразования были получены из общих соображений, то они и должны оставаться преобразованиями Лоренца, не так ли?

Видео (кликните для воспроизведения).

Поэтому следует остановиться на том, что же все-таки сделали Лоренц и Пуанкаре.

Источники


  1. Веденин, Н.Н. Земельное право; М.: Юриспруденция; Издание 4-е, перераб. и доп., 2012. — 192 c.

  2. ЛазаревВ.В. История политических и правовых учений: Уч. /В.В.Лазарев-3изд.-М.:Юр.Норма,НИЦ ИНФРА-М,2016-800с.(п) / ЛазаревВ.В.. — Москва: СИНТЕГ, 2016. — 645 c.

  3. Егиазаров, В.А. Транспортное право: Учебник; М.: Юстицинформ; Издание 5-е, доп., 2012. — 552 c.
  4. Марченко, М.Н. Общая теория государства и права. Академический курс в 3-х томах. Том 1 / М.Н. Марченко. — М.: Зерцало, 2002. — 546 c.
С помощью теории относительности ученые вычислили, какая часть тела стареет в первую очередь
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here