Материал:

Специальная теория относительности так много подтверждена экспериментально, что теперь трудно найти физика, который бы сомневался в правильности этой теории.

Принцип эквивалентности

Материал, который мы рассматривали до сих пор, относится к так называемой "специальной" теории относительности. Перед тем, как мы завершим обсуждение сущности теории относительности, нам необходимо кратко рассмотреть предмет "общей" теории относительности, хотя мы и не сможем сделать этого со всей полнотой.

До сих пор нас интересовало только сравнение точек зрения наблюдателей, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью. Общая теория относительности имеет дело с тем, как будет воспринимать законы физики наблюдатель, несет ускорения. Понятно, что в этом случае для наблюдателя, движущегося внешний мир будет казаться другим. Пассажир в поезде, который увеличивает скорость или резко тормозит, несомненно, заметит влияние этого ускорения. Какова природа его ощущений? Согласно закону Ньютона, произведение массы на ускорение равно силе. Чтобы заставить нас двигаться вместе с поездом, который приобретает ускорение, сиденья и пол вагона должны действовать на нас с некоторой силой. Без этой силы все предметы пытались бы двигаться равномерно и прямолинейно и поэтому приобретали 6 относительно поезда ускорение в противоположном направлении. Это то же самое, как если бы в покое находился поезд, а на нас действовало силовое поле, аналогичное полю тяжести, что влекло бы нас назад. Действительно, в поезде, движется с постоянным ускорением, легко возникает иллюзия, что вагон наклонился и поэтому наша вес тянет нас назад.

Любое ускорение создает такой же эффект, как и поле тяготения. Представим, что мы находимся в закрытой ящике, похожем на кабину лифта, расположенной где-нибудь в пустом пространстве, вдали от Земли и других тел, так что отсутствуют силы всемирного тяготения. Тогда все предметы в этой кабине (ящике) будут свободно плавать. Если мы видипхнемося ногами от пола, то начнем двигаться вверх, пока не ударимся о потолок. Это положение вещей нам уже знаком с книг и кинофильмов о межпланетных путешествиях. Предположим теперь, что внезапно мы снова почувствовали свой вес и заметили, что предметы падают на нас. Это может иметь два объяснения: либо наша ящик действительно кабиной лифта и он начал ускоряться в направлении вверх, или мы можем сказать, что кабина наша все-таки находится в состоянии покоя (или движется с постоянной скоростью), но мы находимся теперь вблизи Земли или какой-либо другой планеты и нас действует тяжести.

Мы не могли 6 ответить на этот вопрос, даже если бы в потолке было маленькое окно и через него мы могли 6 видеть канат, привязанный к вершине нашей кабины, и видно было, что он натянут. Ожидать этого результата можно было бы в случае любой точки зрения: как в результате действия ускорения, так и в результате поддержки нашей кабины во взвешенном состоянии благодаря действию сил притяжения.

Напротив, если бы мы путешествовали в обычном лифте и канат порвался, так что кабина начала свободно падать со своим содержимым, то мы почувствовали бы почитать невесомости, так как сила вес предоставила 6 нам такого же ускорения, как и кабине, так что не нужно было бы никакой силы, которая бы поддерживала наше положение относительно кабины. Мы не могли бы сказать, падает на самом деле наша кабина, или внезапно перестало действовать притяжения Земли (эти сомнения продолжались 6, конечно, только до тех пор, пока мы не ударились бы о дно шахты).

Это является одним из немногих пунктов, в котором обычно такая реальная воображение Жюля Верна привела бы его к серьезной ошибки. В его "Из пушки на Луну" пассажиры испытывают чувство потери веса только в точке, где притяжение Земли и Луны взаимно компенсируют друг друга. Они должны были бы чувствовать это в течение всего пути, как только прекратил свое действие механизм, что движет их космический корабль и он перестал испытывать трения о земную атмосферу, и поэтому свободно двигался бы в поле земного притяжения.

Мы можем сделать вывод, что ускорение не оставляют неизменными законы физики, а дают такой эффект, как и гравитационное поле. Этот "принцип эквивалентности", "что является важным аспектом общей теории относительности, существенно зависит от того факта, что вес тел прямо пропорциональна их массам, так что поле тяготения придает им одинаковых ускорений. Общая теория относительности основывается на той точке зрения, что ускорение всех систем отсчета, в которых мы осуществляем наши наблюдения, на самом деле не только никак не отличаются на практике от эффекта гравитационного поля, но оба они являются по своей сути одним и тем же и их невозможно разделить даже в принципе.

Это означает, что мы смогли 6 расположить нашу лабораторию таким образом, чтобы полностью освободиться от всего притяжения Земли, хотя бы, например, потому, что это потребовало бы размещения вокруг всей Земли наблюдателей в кабинах, которые свободно падают, и, конечно, они ударились бы вскоре о Землю, если бы не сталкивались еще до этого друг с другом. Только на малом участке пространства и в течение короткого промежутка времени мы можем наблюдать за движением предмета с точки зрения наблюдателя, для которого не существует поля тяготения

Общая теория относительности

Если бы мы попытались таким образом построить описание природы, то, создавая свою механику в кабине, находится в состоянии свободного падения, мы пришли бы к выводу, что пространство обладает удивительными свойствами. Предположим, например, что наша кабина с большой скоростью прилетает с дальних расстояний (с глубины Вселенной) и скорость ее настолько велика, что притяжение Земли недостаточно, чтобы заставить кабину столкнуться с Землей, и она только отклоняется на незначительный угол.

На рисунке линия В соответствует пути нашей кабины. Предположим также, что вблизи, параллельно нам и с такой же скоростью движется вторая кабина С с другим наблюдателем. До тех пор, пока мы не приблизимся к Земле, С будет находиться от нас на постоянном расстоянии, но, проходя ближе к Земле, она, как это показано на рисунке, отклонится сильнее и дальше будет двигаться в другом направлении, удаляясь от нас. Как наблюдатель, находящийся в кабине С, так и мы находимся в свободном движении и поэтому не замечаем ощущение ускорения. Согласно теории относительности, мы находимся в состоянии покоя. Но вскоре мы обнаружим, что расстояние между нами начинает внезапно увеличиваться, хотя никто, из нас не начинал двигаться.

Иными словами, отстранившись от решения вопроса о покое или движении и выбирая по ориентиры любые предметы, которые могут двигаться свободно, мы можем обнаружить существование гравитационного поля, а отсюда - наличие массивных тел где-нибудь по соседству, что следует из поведения расстояний между нашими ориентирами. На этом базируется описание гравитационного поля в терминах свойств пространства и времени. Чтобы иметь более подробное описание, нужно было бы слишком много математики, но мы вспомним о двух выводы, вытекающие из вышесказанного.

Один заключается в том, что свет в гравитационном поле не распространяется прямолинейно, а испытывает отклонения. Действительно, это можно вывести уже с того доведенного в специальной теории относительности факта, что масса и энергия эквивалентны. Луч света несет энергию и, следовательно, массу, а поскольку любая масса притягивается тяжелым телом, подобным, например, к Солнцу, то это справджуватиметься и по светового луча. Величина отклонения, однако, не следует однозначно по этому простого аргументную, потому что сила притяжения движущегося, зависит от его скорости. Это несущественно для малых скоростей, с которыми, конечно, мы имеем дело на практике, но приводит к некоторой различия, когда скорость равна скорости света. Проходя вблизи Солнца, свет должен отклониться на величину, которую можно вычислить, и поэтому звезда, которую мы видим вблизи края Солнца, на самом деле будет казаться немного смещенной от своего нормального положения. Конечно, как правило, невозможно увидеть звезду, когда она находится вблизи от Солнца, но такая возможность появляется во время полного солнечного затмения, когда диск Солнца закрывает Луну и звезды становятся видимыми. Даже в этом случае необходимы очень точные наблюдения смещения, поскольку ожидаемая величина составляет менее двух дуговых секунд, что соответствует углу, под которым видно копейку, если наблюдать ее с расстояния три километра. Однако точные астрономические наблюдения позволяют определить подобное смещение, и хотя астрономы все еще используют каждое удобное солнечное затмение, чтобы повысить точность своих результатов, доказано уже, что такое смещение существует и его величина примерно согласуется с общей теорией относительности.

Другой важный вывод заключается в том, что поле тяготения должно влиять на масштаб времени, или, точнее, нам должно казаться, что часы, который находится вблизи очень массивной звезды, отстает. Это можно проверить, поскольку свет от горячих звезд содержит излучения только определенных цветов, то есть некоторых определенных частот, как мы знаем, связано с электрическими колебаниями атомов определенной частоты, похоже на действие миниатюрных радиопередатчиков. Эти атомы можно рассматривать как стандартные часы, потому что их период колебаний является внутренней характеристикой атома и не зависит от внешних обстоятельств. Теперь известно, что эти специфические лучи от некоторых очень массивных звезд имеют не тот цвет, как такие же лучи от более легких звезд; их цвет определяется красным смещением.

Это согласуется с утверждениями общей теории относительности. Мы должны предположить, что, с точки зрения наблюдателя на поверхности звезды атомный "часы" будет показывать правильное время, но из-за зависимости масштаба времени от гравитационного потенциала для тех, кто наблюдает с большого расстояния, будет казаться, что часы отстают, частота света меньше и имеющееся красное смещение.

Такое воздействие гравитационного потенциала на ход часов интересен также благодаря его связи с парадоксом, который иллюстрирует тесную связь между идеями общей и специальной теорий относительности.

Иногда возражают, что специальная теория относительности не может предусмотреть замедление хода времени. Предположим, что мы и другой наблюдатель движемся друг друга с большой скоростью и обнаруживаем, что при встрече наши часы показывают одно и то же время. Теперь, если считать, что мы находимся в состоянии покоя, можно утверждать, что часы другого наблюдателя должен отставать. В свою очередь, он сказал, что должен отставать наши часы, потому что мы движемся с большой скоростью. Очевидно, этого нельзя опровергнуть, если мы находимся друг от друга на большом расстоянии, так как не можем однозначно сравнивать время наступления событий, которые происходят в отдаленных местах. Однако, предположив, что позже мы снова встретим другого наблюдателя, можно надеяться, что, сравнив часы, удастся выяснить, какой из них отставал относительно другого, и кто на самом деле двигался.

В рамках специальной теории относительности правильный ответ на это возражение заключается в том, что, так как оба наблюдатели движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, они никогда не встретятся снова. Если же они снова встретятся, то, по крайней мере, один из них должен или вернуть назад, или изменить направление своего движения и подвергнуться воздействию ускорения, так что он уже не может предполагать, что все время находился в состоянии покоя.

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы