🗊Презентация Теория относительности

Содержание 1. Рождение теории 2. Принцип относительности 3. Преобразования Галилея 4. Преобразования Лоренца 5. Специальная теория относительности 6. Создание СТО 7. Релятивистская теория 8. Постулаты Эйнштейна 9. Сущность СТО 10. Следствия СТО 10.1. «Поезд Эйнштейна» 10.2. «Парадокс близнецов» 11. Элементы релятивистской динамики 12. Общая теория относительности 13. Основные принципы общей теории относительности 12.1. Необходимость релятивистской теории гравитации 12.2. Принцип равенства гравитационной и инертной масс 12.3. Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности 14. Уравнения Эйнштейна 15. Основные следствия ОТО 16. Проблемы ОТО 16.1. Проблема энергии 16.2. ОТО и квантовая физика 17. Опыты подтверждающие общую теорию относительности

Рождение теории

Галилео Галилей Галилео Галилей

Принцип относительности Г. Галилеем было установлено, что все механические явления в различных инерциальных системах протекают одинаково, т.е. никакими механическими опытами, проводимыми «внутри» данной инерциальной системы, невозможно установить, покоится данная система или движется прямолинейно и равномерно. Это положение названо принципом относительности Галилея. Принцип относительности Галилея является обобщением многочисленных опытов. По принципу Галилея, все системы отсчета, которые относительно инерциальной движутся равномерно и прямолинейно, также являются инерциальными. Систему, движущуюся ускоренно относительно инерциальной, называют неинерциальной.

Преобразования Галилея Для тех случаев, когда движение тела необходимо описать в другой системе отсчета, найдём формулы преобразования координат при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Допустим, инерциальная система К´ движется со скоростью v вдоль оси ОХ относительно другой инерциальной системы К. Для простоты предположим, что оси координат систем К и К´ в начальный момент времени t=t´=0 совпадали. Допустим, материальная точка Р покоится относительно системы К. Её положение в системе К характеризуется радиусом-вектором r или координатами x, y, z. Относительно системы К´ эта точка движется и её положение в системе К´ характеризуется радиусом-вектором r´ или координатами x´, y´, z´.

Связь между радиусами-векторами r´ и r одной и той же точки Р в системах К и К´ имеет вид Связь между радиусами-векторами r´ и r одной и той же точки Р в системах К и К´ имеет вид r´ = r – vt. Это соотношение можно записать для каждой из декартовых координат. С учетом того, что t=t´, получим: x´ = x – vt, y´ = y, z´ = z, t´= t. Эти уравнения называют прямыми преобразованиями Галилея. Если материальная точка Р неподвижна в системе К´, то уравнение её движения в системе К можно записать с помощью обратных преобразований Галилея: r = r´ + vt, x = x´ + vt, y = y´, z = z´.

Лоренц Г.А. Лоренц Г.А.

Преобразования Лоренца Преобразования Галилея исходят из предположения, что синхронизация часов осуществляется с помощью мгновенно распространяющихся сигналов. Однако таких сигналов в действительности не существует. Существование верхней границы для скорости распространения сигналов привело к другим формулам преобразования, позволяющим по координатам и времени произвольного события, найденным в определенной инерциальной системе К, найти координаты того же самого события в любой другой инерциальной системе К´, движущейся относительно К в направлении оси х прямолинейно и равномерно со скоростью v:

Из преобразований Лоренца вытекает целый ряд следствий. В частности, из них следует релятивистский эффект замедления времени и лоренцево сокращение длины. Пусть, например, в некоторой точке x' системы K' происходит процесс длительностью τ0 = t'2 – t'1 (собственное время), где t'1 и t‘2 – показания часов в K' в начале и конце процесса. Длительность τ этого процесса в системе K будет равна Из преобразований Лоренца вытекает целый ряд следствий. В частности, из них следует релятивистский эффект замедления времени и лоренцево сокращение длины. Пусть, например, в некоторой точке x' системы K' происходит процесс длительностью τ0 = t'2 – t'1 (собственное время), где t'1 и t‘2 – показания часов в K' в начале и конце процесса. Длительность τ этого процесса в системе K будет равна

При v<<с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Теория относительности не отвергает преобразования Галилея, а включает их как частный случай, справедливый при малых V. При v<<с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Теория относительности не отвергает преобразования Галилея, а включает их как частный случай, справедливый при малых V. Из преобразований Лоренца следует, что скорость V не может быть равна или больше скорости света C, так как подкоренное выражение при V=C обращается в нуль, а при V>C отрицательно и преобразования Лоренца теряют физический смысл

Специальная теория относительности

Создание СТО

Релятивистская теория В 1905 г. Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», в которой сформулировал основные положения своей релятивистской теории - специальной теории относительности. Эта теория, считая, что все инерциальные системы координат совершенно равноправны и в отношении механических, и электромагнитных явлений, а скорость света инвариантна во всех инерциальных системах отсчета, разрешала противоречия классической физики тем, что содержала новый взгляд на пространство и время. Эйнштейн в основу специальной теории относительности заложил два постулата: 1. Принцип относительности Эйнштейна. Уравнения, выражающие законы природы инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованию координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой. 2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или приемника света. Скорость света в вакууме всегда постоянна и равна 300000 км/с, она является предельной скоростью распространения любого сигнала.

Сущность СТО

Следствия СТО К концу XIX в. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики: скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света; в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности); координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея. Альберт Эйнштейн возникшие противоречия иллюстрировал мысленным экспериментом, который получил название «Поезд Эйнштейна»:

«Парадокс Близнецов» «Парадокс Близнецов» Из специальной теории относительности следует не только относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, но также и относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. То есть, расстояние между двумя материальными точками (длина тела) и длительность происходящих в теле процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При движении, приближающемся к скорости света, замедляется время, замедляются все процессы, происходящие в системе, в том числе в живых организмах, изменяются - сокращаются продольные (вдоль движения) размеры тел. В этом отношении показателен пример, называемый «парадокс близнецов». Из двух близнецов, космонавт, вернувшийся на Землю, окажется моложе своего брата, оставшегося на Земле, т.к. на космическом корабле, двигающемся с огромной скоростью, темп времени замедляется и все процессы проходят медленнее, чем на Земле. Парадокс близнецов был подтвержден экспериментально. Однако, эффекты замедления времени очень малы (v0 / с<<1), и мы пока не умеем их практически использовать.

Элементы релятивистской динамики Все уравнения, описывающие законы природы, должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. К моменту создания СТО теория, удовлетворяющая этому условию, уже существовала – это электродинамика Максвелла. Однако уравнения классической механики Ньютона оказались неинвариантными относительно преобразований Лоренца, и поэтому СТО потребовала пересмотра и уточнения законов механики. В основу такого пересмотра Эйнштейн положил требования выполнимости закона сохранения импульса и закона сохранения энергии в замкнутых системах. Для того, чтобы закон сохранения импульса выполнялся во всех инерциальных системах отсчета, оказалось необходимым изменить определение импульса тела. Вместо классического импульса в СТО релятивистский импульс тела с массой m, движущегося со скоростью записывается в виде

Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы тела на скорость его движения. Релятивистская масса m тела возрастает с увеличением скорости по закону Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы тела на скорость его движения. Релятивистская масса m тела возрастает с увеличением скорости по закону где m— масса покоя тела, V— скорость его движения. При выражение для импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона , где под m понимается масса покоя (m=mo), ибо при различие m и mo несущественно.

Закон пропорциональности массы и энергии является одним из самых важных выводов СТО. Масса и энергия являются различными свойствами материи. Масса тела характеризует его инертность, а также способность тела вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами. Важнейшим свойством энергии является ее способность превращаться из одной формы в другую в эквивалентных количествах при различных физических процессах – в этом заключается содержание закона сохранения энергии. Пропорциональность массы и энергии является выражением внутренней сущности материи. Формула Эйнштейна Закон пропорциональности массы и энергии является одним из самых важных выводов СТО. Масса и энергия являются различными свойствами материи. Масса тела характеризует его инертность, а также способность тела вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами. Важнейшим свойством энергии является ее способность превращаться из одной формы в другую в эквивалентных количествах при различных физических процессах – в этом заключается содержание закона сохранения энергии. Пропорциональность массы и энергии является выражением внутренней сущности материи. Формула Эйнштейна

Общая теория относительности

Значение ОТО для современной физической картины мира Если СТО связывает воедино пространство и время, то ОТО устанавливает триединую связь: пространство-время-материя. Суть этой связи была пояснена самим Эйнштейном: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы и пространство, и время». Теория относительности полностью отказывается от существующих в классической физике представлений о пространстве, времени и материи. Относительны не только все измерения в пространстве и времени (так как они зависят от движения наблюдателя), но и сама структура пространства-времени, которая определяется распределением вещества во Вселенной. А так как вещество распределено во Вселенной неравномерно, то пространство искривлено и время в разных частях Вселенной течет с разной скоростью.

Проблемы ОТО

Опыты, подтверждающие общую теорию относительности