Принцип относительности Эйнштейна

Родился в Германии, в городе Ульме. С 14 лет вместе с семьей жил в Швейцарии, где в 1900 г. окончил Цюрихский политехникум. В 1902-1909 гг. служил экспертом патентного бюро в Берне. В эти годы Эйнштейн создал специальную теорию относительности, выполнил исследования по статистической физике, броуновскому движению, теории излучения и др.

Работы Эйнштейна получили известность, и в 1909 г. он был избран профессором Цюрихского университета, а затем — Немецкого университета в Праге. В 1914 г.

Эйнштейн был приглашен преподавать в Берлинский университет. В период своей жизни в Берлине он завершил создание общей теории относительности, развил квантовую теорию излучения. За открытие законов фотоэффекта и работы в области теоретической физики Эйнштейн получил в 1921 г.

Нобелевскую премию. В 1933 г. после прихода к власти в Германии фашистов Эйнштейн эмигрировал в США, в Принстон, где он до конца жизни работал в Институте высших исследований. В 1905 г. была опубликована специальная теория относительности — механика и электродинамика тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света . Тогда же Эйнштейн открыл закон взаимосвязи массы и энергии (Е= mc 2 ), который лежит в основе всей ядерной энергетики.

Ученый внес большой вклад в развитие квантовой теории. В его теории фотоэффекта свет рассматривается как поток квантов (фотонов). Существование фотонов было подтверждено в 1923 г. в экспериментах американского ф и зика А. Комптона.

Эйнштейн установил основной закон фотохимии (закон Эйнштейна), по которому каждый поглощенный квант света вызывает одну элементарную фотохимическую реакцию. В 1916 г. он теоретически предсказал явление индуцированного (вынужденного) излучения атомов, лежащее в основе квантовой электроники.

Вершиной научного творчества Эйнштейна стала общая теория относительности, завершенная им к 1916 г. Идеи Эйнштейна изменили господствовавшие в физике со времен Ньютона механистические взгляды на пространство, время и тяготение и привели к новой материалистической картине мира.

Ученый работал и над созданием единой теории поля, объединяющей гравитационные и электромагнитные взаимодействия.

Научные труды Эйнштейна сыграли большую роль в развитии современной физики - квантовой электродинамики, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, космологии, астрофизики. А. Эйнштейн был членом многих академий мира и научных обществ. В 1926 г. его избрали почетным членом Академии наук СССР. Относительность одновременности событий В механике Ньютона одновременность двух событий абсолютна и не зависит от системы отсчёта. Это значит, что если два события происходят в системе K в моменты времени t и t 1 , а в системе K’ соответственно в моменты времени t’ и t’ 1 , то поскольку t=t’ , промежуток времени между двумя событиями одинаков в обеих системах отсчёта В отличие от классической механики, в специальной теории относительности одновременность двух событий, происходящих в разных точках пространства, относительна: события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, не одновременны в других инерциальных системах [1] , движущихся относительно первой. На рисунке (см. ниже) расположена схема эксперимента, который это иллюстрирует.

Система отсчета K связана с Землёй, система K’ — с вагоном, движущимся относительно Земли прямолинейно и равномерно со скоростью v . На Земле и в вагоне отмечены точки А, М, В и соответственно А ’, M’ и В ’ , причем АМ=МВ и А ’M’=M’B’ . В момент, когда указанные точки совпадают, в точках А и В происходят события — ударяют две молнии. В системе К сигналы от обоих вспышек придут в точку М одновременно, так как АМ=МВ, и скорость света одинакова во всех направлениях. В системе К ’ , связанной с вагоном, сигнал из точки В ’ придет в точку M’ раньше, чем из точки А ’ , ибо скорость света одинакова во всех направлениях, но М ’ движется навстречу сигналу пущенному из точки B’ и удаляется от сигнала, пущенного из точки А ’ . Значит, события в точках А ’ и B’ не одновременны: события в точке B’ произошло раньше, чем в точке A’ . Если бы вагон двигался в обратном направлении, то получился бы обратный результат.

Преобразования Лоренца В соответствии с двумя постулатами специальной теории относительности между к о орди н атами и врем е не м в двух инерциальных сис т ема х К и К ' существуют отношения, которые н азываютс я пре об разованиям и Ло ре нца. В простейшем случае, когда система К ’ движется относительно системы К со скоростью v так, как показано на рисунке (см ниже), преобразования Лоренца для координат и времени имеют следующий вид: , , Из преобразований Лоренца вытекает тесная связь между пространственными и временными координатами в теории относительности; не только пространственные координаты зависят от времени (как в кинематике), но и время в обеих системах отсчёта зависит от пространственных координат, а также от скорости движения системы отсчёта K’ . Формулы преобразований Лоренца переходят в формулы кинематики при v/c . В этом случае , Переход формул теории относительности в формулы кинематики при условии v/c является проверкой справедливости этих формул.

Зависимость массы тела от скорости Зависимость свойств пространства и времени от движения системы отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях тел является величина называемая релятивистским импульсом, а не классический импульс. Класс иче ски й закон сложения скоростей и классический закон сохранения импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости света в вакууме.

Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы т тела на скорость его движения.

Релятивистская масса т тела возрастает с увеличением скорости по закону , где — масса покоя тела, — скорость его движения.

Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к то му , что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме, или превысить эту скорость.

Скорость При выражение для импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона понимается масса покоя ( ) , ибо при различие Рисунок №2 Закон взаимосвязи массы и энергии Полная энергия Е тела (или частицы) пропорциональна релятивистской массе (закон вза и мосвязи массы и энергии ) : где с - скорость света в вакууме.

Релятивистская масса зависит от скорости , с которой тело (частица) движется в д анной системе о тсчета.

Поэтому полная энергия ра з л и чна в разных системах отсчета [2] . Наименьшей энергией ( ). Энергия называется собственной энергией или энергией покоя тела (частицы ): Энергия покоя тела является его внутренней энергией Она состоит из суммы энергий покоя всех частиц тела относи тельно общего центра масс и потенциальной энергии их взаимодействия.

Поэтому и где й частицы. В релятивистской механике несправедлив закон сохранения массы покоя.

Например, масса покоя атомного ядра меньше, чем сумма собственных масс частиц, входя щих в ядро.

Наоборот масса и Несохранение массы покоя не означает нарушения закона сохранения массы вообще. В теории относительности справедлив закон сохранения релятивистской массы. Он вытекает из формулы закона взаимосвязи массы и энергии систем е тел сохраняется полная энергия. Следо вательно, сохраняется и релятивистская масса. В теори и относительности законы сохранения энергии и релятивистской массы взаимосвязаны и представляют собой единый закон сохранения массы и энергии.

Однако из этого закона отнюдь не следует возможность преобразования массы в энергию и обратно. Масса и энергия представляют со б ой два качественно различных свойства материи, отнюдь не «эквивалентных» друг другу. Ни один из известных опытных фактов не дает оснований для вывода о «переходе массы в энергию». Превращение энергии системы из одной формы в другую сопровождается превращением массы.

Например, в явлении рождения и уничтожения пары электрон — позитрон , в полном соответствии с законом сохранения релятивистской массы и энергии, масса не переходит в энергию. Масса покоя частиц (электрона и позитрона) преобразует с я в массу фотонов, то есть в массу электромагнитного поля.

Гипотеза Эйнштейна о существовании собственной энергии тела подтверждается многочисленными экспериментами. На основе использования закона взаимосвязи массы и энергии ведутся расчеты выхода энергии в различных ядерных энергетических установках.

Значение теории относительности Сорок - пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к теории от н оситель н ости со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда в книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от повседневного опыта и очень абстрактных вещах.

Широкие круги проявили удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким производст венно - техническим и культурным последствиям. Эт о предчувствие не обмануло людей.

Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а следовательно, и всей теории относительности в целом является атомна я эра, которая расширяет власть человека над природо й больше, чем это сделали предшествующие научные и тех нические революции.

Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической картины мира.

Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся представления о пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их взаимодействиях. Можно указать только на некоторые проблемы современной физики, которые, видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической картине мира.

Теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной теорией движения макроскопических тел. Е ё применение в теории элементарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности.

Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и обобщение этой теории.