Формула теории относительности: Теория относительности

Специальная теория относительности

СТО, также известная как частная теория относительности является проработанной описательной моделью для отношений пространства-времени, движения и законов механики, созданная в 1905 году лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.

Поступая на отделение теоретической физики Мюнхенского университета, Макс Планк обратился за советом к профессору Филиппу фон Жолли, руководившему в тот момент кафедрой математики этого университета. На что он получил совет: «в этой области почти всё уже открыто, и всё, что остаётся – заделать некоторые не очень важные проблемы». Юный Планк ответил, что он не хочет открывать новые вещи, а только хочет понять и систематизировать уже известные знания. В итоге из одной такой «не очень важной проблемы» впоследствии возникла квантовая теория, а из другой – теория относительности.

Содержание:

• 1 Формирование теории
• 2 Основные постулаты
• 3 Следствия
• 4 Статус теории
• 5 Материалы по теме
• 6 Первенство в открытии

Формирование теории

Формула теории относительности

В отличие от многих других теорий, полагавшихся на физические эксперименты, теория Эйнштейна практически полностью была основана на его мысленных экспериментах и только впоследствии была подтверждена на практике. Так ещё в 1895 году (в возрасте всего 16 лет) он задумался о том, что будет, если двигаться параллельно лучу света с его скоростью? В такой ситуации получалось, что для стороннего наблюдателя частицы света должны были колебаться вокруг одной точки, что противоречило уравнениям Максвелла и принципу относительности (который гласил, что физические законы не зависят от места где вы находитесь и скорости с которой вы движетесь). Таким образом юный Эйнштейн пришёл к выводу, что скорость света должна быть недостижима для материального тела, а в основу будущей теории был заложен первый кирпичик.

Следующий эксперимент был проведён им в 1905 году и заключался в том, что на концах движущегося поезда находятся два импульсных источника света которые зажигаются в одно время. Для стороннего наблюдателя, мимо которого проходит поезд, оба этих события происходят одновременно, однако для наблюдателя, находящегося в центре поезда эти события будут казаться произошедшими в разное время, так как вспышка света из начала вагона придёт раньше, чем из его конца (в следствии постоянности скорости света).

Мысленный эксперимент с поездом

Из этого он сделал весьма смелый и далеко идущий вывод, что одновременность событий является относительной. Полученные на основе этих экспериментов расчёты он опубликовал в работе «Об электродинамике движущихся тел». При этом для движущегося наблюдателя один из этих импульсов будет иметь большую энергию нежели другой. Для того чтобы в такой ситуации не нарушался закон сохранения импульса при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой необходимо было чтобы объект одновременно с потерей энергии должен был терять и массу. Таким образом Эйнштейн пришёл к формуле характеризующую взаимосвязь массы и энергии E=mc² – являющейся, пожалуй, самой известной физической формулой на данный момент. Результаты этого эксперимента были опубликованы им позднее в том же году.

Основные постулаты

Уравнения теории относительности: скорость, время и длинна объекта относительно механики Ньютона

Постоянство скорости света – к 1907 году были произведены эксперименты по измерению скорости света с точностью ±30 км/с (что было больше орбитальной скорости Земли) не обнаружившие её изменения в ходе года. Это стало первым доказательством неизменности скорости света, которое в последствии было подтверждено множеством других экспериментов, как экспериментаторами на земле, так и автоматическими аппаратами в космосе.

Принцип относительности – этот принцип определяет неизменность физических законов в любой точке пространства и в любой инерциальной системе отсчёта. То есть в независимости от того движетесь ли вы со скоростью около 30 км/с по орбите Солнца вместе с Землёй или в космическом корабле далеко за её пределами – ставя физический эксперимент вы всегда будете приходить к одним и тем же результатам (если ваш корабль в это время не ускоряется или замедляется). Этот принцип подтверждался всеми экспериментами на Земле, и Эйнштейн разумно счёл этот принцип верным и для всей остальной Вселенной.

Следствия

Путём расчётов на основе этих двух постулатов Эйнштейн пришёл к выводу, что время для движущегося в корабле наблюдателя должно замедляться с увеличением скорости, а сам он вместе с кораблём должен сокращаться в размерах в направлении движения (для того чтобы скомпенсировать тем самым эффекты от движения и соблюсти принцип относительности). Из условия конечности скорости для материального тела вытекало также что правило сложения скоростей (имевшее в механике Ньютона простой арифметический вид) должно быть заменено более сложными преобразованиями Лоренца – в таком случае даже если мы сложим две скорости в 99% от скорости света мы получим 99,995% от этой скорости, но не превысим её.

Статус теории

Материалы по теме

Так как формирование из частной теории её общей версии у Эйнштейна заняло только 11 лет, экспериментов для подтверждения непосредственно СТО не проводилось. Однако в том же году, когда была опубликована ОТО Эйнштейн также опубликовал свои расчёты, объяснявшие смещение перигелия Меркурия с точностью до долей процентов, без необходимости введения новых констант и других допущений, которые требовались другим теориям, объяснявшим этот процесс. С тех пор правильность ОТО была подтверждена экспериментально с точностью до 10^-20, а на её основе было сделано множество открытий, что однозначно доказывает правильность этой теории.

Первенство в открытии

Когда Эйнштейн опубликовал свои первые работы по специальной теории относительности и приступил к написанию её общей версии, другими учёными уже была открыта значительная часть формул и идей, заложенных в основе этой теории. Так скажем преобразования Лоренца в общем виде были впервые получены Пуанкаре в 1900 году (за 5 лет до Эйнштейна) и были названы так в честь Хендрика Лоренца получившего приближённую версию этих преобразований, хотя даже в этой роли его опередил Вольдемар Фогт.

Пуанкаре также работал над созданием теории относительности и пришёл к принципу относительности и 4-мерному пространству-времени на несколько лет раньше Эйнштейна, но так как ему не хватило смелости в своих расчётах отказаться от эфира, то прийти к верному решению ему так и не удалось.

Таким образом многие учёные сходятся к выводу что, если бы даже Эйнштейна и не было, к равенству инерционной и гравитационной массы и ряду других деталей необходимых для построения теории относительности вскоре должен был бы прийти один из других исследователей. Однако на момент публикации ОТО в 1915 году никем другим этих последних шагов не было сделано, так что первенство в создании теории относительности Эйнштейном никто из серьёзных учёных на данный момент не оспаривает.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 34265

Запись опубликована: 16.11.2017
Автор: Максим Заболоцкий

Теория относительности | это… Что такое Теория относительности?

Альберт Эйнштейн — один из авторов теории относительности (1921 год)

Тео́рия относи́тельности — термин, введённый в 1906 году Максом Планком с целью показать, как специальная теория относительности (и, позже, общая теория относительности) использует принцип относительности. Иногда используется как эквивалент понятия «релятивистская физика»^{[прим. 1]}. В узком смысле включает в себя специальную и общую теорию относительности.^{[источник не указан 128 дней]}

В истории физики термин теория относительности иногда используется для отграничения взглядов Эйнштейна, Минковского и их последователей, отвергающих концепцию светоносного эфира, от взглядов некоторых их предшественников, таких как Лоренц и Пуанкаре.^{[источник не указан 128 дней]}

Область применения

Теория относительности применяется в физике и астрономии начиная с XX века. Впервые новая теория заменила 200-летнюю механику Ньютона. Это в корне изменило восприятие мира.

Ньютоновские понятия о движении были опровергнуты или кардинально скорректированы посредством нового достаточно глубокого применения принципа относительности движения. Время уже не было абсолютным (а начиная с ОТО — и равномерным).

Более того, Эйнштейн изменил фундаментальные взгляды на время и пространство. Согласно теории относительности время необходимо воспринимать как почти равноправную составляющую (координату) пространства-времени, которая может смешиваться в преобразовании координат при смене (изменении скорости движения) системы отсчета с обычными пространственными координатами, подобно тому, как смешиваются друг с другом пространственные координаты в преобразовании их при повороте осей обычной трехмерной системы координат.

Теория относительности значительно расширила понимание физики в целом, а также существенно углубила знания в области физики элементарных частиц, дав мощнейший импульс и серьёзные новые теоретические инструменты для развития физики, значение которого трудно переоценить.

С помощью данной теории космология и астрофизика сумела предсказать такие чрезвычайные явления, как нейтронные звезды, черные дыры и гравитационные волны.

Принятие научным сообществом

В настоящее время теория относительности общепринята в научном сообществе и составляет базис современной физики.^[1] Процесс её распространения и признания в научном сообществе, тем не менее, протекал непросто. Например, критическое отношение к положениям теории относительности выражали Нобелевские лауреаты Филипп Ленард^[2], Штарк, Дж. Дж. Томсон, а также философы и учёные (например, Циолковский^[3], Жуковский, Тесла и др.).

Сказанное выше относится в большей мере к специальной теории относительности. Общая теория относительности (ОТО) в меньшей степени экспериментально проверена, содержит несколько принципиальных проблем, и известно, что пока в принципе допустимы некоторые из альтернативных теорий гравитации, большинство из которых, правда, можно считать в той или иной мере просто модификацией ОТО. Тем не менее, в отличие от многих из альтернативных теорий, по мнению научного сообщества ОТО в своей области применимости пока соответствует всем известным экспериментальным фактам, в том числе и сравнительно недавно обнаруженным (так, недавно было найдено ещё одно возможное подтверждение существованию гравитационных волн^[4][5]). В целом же ОТО является в своей области применимости «стандартной теорией», то есть признанной научным сообществом главной и наилучшей.^[1]

Специальная теория относительности

Основная статья: Специальная теория относительности

Специальная, или частная теория относительности — это теория структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. Классическая механика Ньютона в рамках специальной теории относительности является приближением для малых скоростей.

Общая теория относительности

Основная статья: Общая теория относительности

Общая теория относительности — теория гравитации, разработанная Эйнштейном в 1905—1917 годах. Является дальнейшим развитием специальной теории относительности. В общей теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

См. также

• История теории относительности

Примечания

1. ↑ Релятивистская физика — раздел физики, изучающий явления, происходящие при движениях со скоростями, сравнимыми со скоростью света. В этих условиях движение описывается согласно теории относительности.

Источники

1. ↑ ^{1 2} Clifford M. Will. The Confrontation between General Relativity and Experiment Living Rev. Relativity 9, (2006), 3.
2. ↑ Филипп Ленард О ПРИНЦИПЕ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, ЭФИРЕ, ТЯГОТЕНИИ
3. ↑ К. Э. Циолковский Библия и научные тенденции Запада (1935)
4. ↑ Space-Warping White Dwarfs Produce Gravitational Waves
5. ↑ Пресс-релиз на сайте «РосИнвест».

Ссылки

• Общая теория относительности — пространственно-временной континуум (рус.) — Просто о сложном.
• Специальная теория относительности (рус.) — Просто о сложном.
• Что такое теория относительности. Часть 1 — Короткометражный научно-популярный фильм, рассказывающий о теории относительности. СССР 1964.
• Что такое теория относительности. Часть 2 — Короткометражный научно-популярный фильм, рассказывающий о теории относительности. СССР 1964.

Масса | Определение, единицы и факты

вес и расстояние от Земли

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Субрахманьян Чандрасекар

Похожие темы:

сохранение массы
плотность
Предел массы Эддингтона
релятивистская масса
уменьшенная масса

Просмотреть весь связанный контент →

масса , в физике количественная мера инерции, фундаментальное свойство всей материи. По сути, это сопротивление, которое материя оказывает изменению своей скорости или положения при приложении силы. Чем больше масса тела, тем меньше изменение, производимое приложенной силой. Единицей массы в Международной системе единиц (СИ) является килограмм, который определяется через постоянную Планка, которая равна 6,62607015 × 10 ⁻³⁴ джоулей в секунду. Один джоуль равен одному килограмму, умноженному на квадратный метр на секунду в квадрате. Поскольку секунда и метр уже определены в терминах других физических констант, килограмм определяется точными измерениями постоянной Планка. (до 2019 г.килограмм определялся платино-иридиевым цилиндром, называемым международным прототипом килограмма, хранящимся в Международном бюро мер и весов в Севре, Франция.) В английской системе измерения единицей массы является порция, масса которой уровень моря 32,17 фунта.

Вес, хотя и связан с массой, тем не менее отличается от последней. Вес, по сути, представляет собой силу, действующую на вещество гравитационным притяжением Земли, и поэтому он немного варьируется от места к месту. Напротив, масса остается постоянной независимо от ее положения при обычных обстоятельствах. Спутник, запущенный в космос, например, весит тем меньше, чем дальше он удаляется от Земли. Однако его масса остается прежней.

Еще из Британники

Галактика Млечный Путь: Масса

В соответствии с принципом сохранения массы масса объекта или совокупности объектов никогда не меняется, как бы ни перестраивались составные части. Если тело разделить на части, то вместе с частями делится и масса, так что сумма масс отдельных частей равна первоначальной массе. Или, если частицы соединены вместе, масса композита равна сумме масс составляющих частиц. Однако этот принцип не всегда верен.

С появлением специальной теории относительности Эйнштейна в 1905 году понятие массы подверглось радикальному пересмотру. Масса потеряла свою абсолютность. Было замечено, что масса объекта эквивалентна энергии, взаимопревращается с энергией и значительно увеличивается при чрезвычайно высоких скоростях, близких к скорости света (около 3 × 10 ⁸ метров в секунду, или 186 000 миль в секунду). Под полной энергией объекта понималась его масса покоя, а также увеличение его массы, вызванное высокой скоростью. Было обнаружено, что масса покоя атомного ядра значительно меньше суммы масс покоя составляющих его нейтронов и протонов. Масса больше не считалась постоянной или неизменной. Как в химических, так и в ядерных реакциях происходит некоторая конверсия между массой и энергией, так что продукты обычно имеют меньшую или большую массу, чем реагенты. Разница в массе для обычных химических реакций настолько незначительна, что закон сохранения массы можно использовать в качестве практического принципа для предсказания массы продуктов. Однако закон сохранения массы недействителен для поведения масс, активно участвующих в ядерных реакторах, ускорителях частиц и в термоядерных реакциях на Солнце и в звездах. Новый принцип сохранения — сохранение массы-энергии. См. также энергия, сохранение; энергия; Соотношение массы и энергии Эйнштейна.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и дополнена Эриком Грегерсеном.

Квантовая теория поля | Определение и факты

Диаграмма Фейнмана

Просмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Освальд Веблен
Владимир Александрович Фок

Похожие темы:

единая теория поля
квантовая электродинамика
супергравитация
калибровочная теория
Эффект Казимира

См. весь соответствующий контент →

квантовая теория поля , совокупность физических принципов, сочетающих элементы квантовой механики с элементами теории относительности для объяснения поведения субатомных частиц и их взаимодействия через различные силовые поля. Двумя примерами современных квантовых теорий поля являются квантовая электродинамика, описывающая взаимодействие электрически заряженных частиц и электромагнитной силы, и квантовая хромодинамика, представляющая взаимодействия кварков и сильного взаимодействия. Разработанные для учета явлений физики элементарных частиц, таких как высокоэнергетические столкновения, в которых могут создаваться или разрушаться субатомные частицы, квантовые теории поля также нашли применение в других областях физики.

Прототипом квантовых теорий поля является квантовая электродинамика (КЭД), которая обеспечивает комплексную математическую основу для предсказания и понимания эффектов электромагнетизма на электрически заряженную материю на всех энергетических уровнях. Электрические и магнитные силы рассматриваются как возникающие в результате испускания и поглощения обменных частиц, называемых фотонами. Их можно представить как возмущения электромагнитных полей, подобно тому, как рябь на озере — это возмущения воды. При подходящих условиях фотоны могут полностью освободиться от заряженных частиц; затем их можно обнаружить как свет и как другие формы электромагнитного излучения. Точно так же частицы, такие как электроны, сами рассматриваются как возмущения их собственных квантованных полей. Численные предсказания, основанные на КЭД, в некоторых случаях согласуются с экспериментальными данными с точностью до одной десятимиллионной.

Среди физиков широко распространено убеждение, что другие силы в природе — слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад; сильная сила, которая связывает вместе составляющие атомных ядер; и, возможно, гравитационная сила — могут быть описаны теориями, подобными КЭД. Эти теории известны под общим названием калибровочных теорий. Каждая из сил опосредована своим набором обменных частиц, и различия между силами отражаются в свойствах этих частиц. Например, электромагнитные и гравитационные силы действуют на больших расстояниях, а их обменные частицы — соответственно хорошо изученный фотон и еще не обнаруженный гравитон — не имеют массы.

Напротив, сильные и слабые взаимодействия действуют только на расстояниях, меньших размера атомного ядра. Квантовая хромодинамика (КХД), современная квантовая теория поля, описывающая эффекты сильного взаимодействия между кварками, предсказывает существование обменных частиц, называемых глюонами, которые также не имеют массы, как и в КЭД, но взаимодействия которых происходят таким образом, что кварки, по существу, остаются связанными. частицы, такие как протон и нейтрон. Слабое взаимодействие переносится массивными обменными частицами — частицами W и Z — и, таким образом, ограничено чрезвычайно коротким радиусом, примерно 1% диаметра типичного атомного ядра.