Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Книга'
«Доктрина шока» — книга уникальная, это эпическое творение, это весть, которую необходимо услышать, С настойчивостью журналиста и ответственностью под...полностью>>
'Документ'
Насамперед дозвольте висловити щиру вдячність ініціаторам цього представницького зібрання за чудову нагоду ознайомитись з новими тенденціями в органі...полностью>>
'Темы рефератов'
Россиянин XVIII – XIX вв.: личность, идеалы. Сословия России: традиции культуры. Русская дворянская усадьба как явление культурной жизни....полностью>>
'Практикум'
Бюллетень «Новая сельскохозяйственная литература» включает книги, полученные Нижегородской государственной областной универсальной научной библиотеко...полностью>>

Кратко об общей теории относительности Как только речь заходит о происхождении ок­ружающего нас мира, вспоминают не только Биб­лию, но и эту физическую теорию, созданную ровно 80 лет назад великим ученым XX в. Альбер­том Эйнштейном и получившую название об­щей теории относительности

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Кратко об общей теории относительности

Как только речь заходит о происхождении ок­ружающего нас мира, вспоминают не только Биб­лию, но и эту физическую теорию, созданную ровно 80 лет назад великим ученым XX в. Альбер­том Эйнштейном и получившую название ОБ­ЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.

Значение этой теории возро­сло после открытия «свидете­ля» того, что произошло около 15 миллиардов лет назад - так называемого Большого взры­ва, за которым последовало расширение Вселенной.

В данной небольшой статье мы надеемся заинтересовать читателя и указать ему доступ­ную научную и научно-попу­лярную литературу, в которой он найдет еще много удиви­тельного, связанного с содер­жанием и следствиями Общей теории относительности (в даль­нейшем для краткости будем называть ее аббревиатурой - ОТО): Начнем с общего опре­деления: что такое ОТО? Пер­воначально ее рассматривали как физическое учение о свой­ствах пространства, времени и природе тяготения.

Еще в 1687 г. основополож­ником классической физики И. Ньютоном был установлен за­кон всемирного тяготения: два точечных тела притягивают друг друга с силой прямо про­порциональной произведению масс этих тел и обратно про­порциональной квадрату рас­стояния между ними. Этому закону взаимодействия подчи­няются все вещественные (об­ладающие массой) тела Вселен­ной, именно поэтому закон и получил название закона Все­мирного тяготения. Однако ни сам И. Ньютон, ни другие фи­зики не могли объяснить при­роду тяготения. Неразреши­мость для него этой задачи И. Ньютон выразил следующей фразой: «Гипотез я не выдви­гаю».

Благодаря ньютоновскому закону удалось объяснить дви­жение планет солнечной сис­темы, Луны вокруг Земли, па­дение тел на поверхности Зем­ли и движение комет в межзвез­дном пространстве, определить массу Земли, Луны. и других небесных тел. Вершиной тор­жества закона всемирного тя­готения было открытие «на кончике пера» (за письменным столом) ученым Леверье (1846 г.) новой не известной до того планеты солнечной системы -Нептуна, которая тотчас же была обнаружена на небосво­де в указанном месте.

И все же природа тяготения не поддавалась объяснению. Было обнаружено новое явле­ние: поворот оси орбиты са­мой близкой к Солнцу планеты - Меркурия. За 100 лет наблюде­ния ось эллипса орбиты повер­нулась на угол 43" (сорок три угловых секунды, угловая секун­да - это угол, под которым 1 см «виден» с расстояния в 2 км). Из закона тяготения такой поворот орбиты не следовал. Все попыт­ки уточнить закон не приводили к устранению загадки. А в науке есть правило: если хотя бы один опыт противоречит теории, ее нужно изменять.

В представленном выше не­большом историческом очерке мы показали необходимость пос­троения новой теории тяготения. И хотя сам А. Эйнштейн подхо­дил к решению этой задачи не­сколько иначе, но его теория смогла не только объяснить все то, что объясняла теория И. Ньютона, но и разрешить загад­ку поворота орбиты Меркурия (вообще оказалось, что орбиты всех планет поворачиваются, но чем дальше они от Солнца, тем меньше угол поворота за те же 100 лет). Кроме того, теория А. Эйнштейна предсказала новые явления, например, отклонение светового луча от прямолиней­ности при прохождении вблизи большого тяготеющего тела. Это предсказание было убедительно подтверждено уже через три года после создания ОТО (в 1919 г.) при наблюдении полного сол­нечного затмения: на фотогра­фиях закрытого Луной светила вблизи края ученые обнаружи­ли изображения тех звезд, кото­рые должны были находиться в области геометрической «тени» (см. рис.) за Солнцем. Теория А. Эйнштейна предсказывала и другие явления, например, уменьшение частоты света, из­лученного звездой. Подобное явление было известно в оптике (эффект Доплера), нотам изме­нение частоты было связано с движением источника или на­блюдателя. В случае же явления, В случае же явления, рассматриваемого в ОТО, оно не было связано с движением источника (приемника), а обус­ловлено исключительно измене­нием свойств пространства по мере удаления от звезды. Ниже мы остановимся и на других вы­водах ОТО А. Эйнштейна, благо­даря которым ОТО оказалась связанной с космологией, на­укой, объясняющей происхож­дение и развитие Вселенной.

На построение ОТО А. Эйн­штейну потребовалось около 10 лет. В 1916г. вышла последняя статья, в которой был завершен научный подвиг ученого.

В основу своих рассуждений А. Эйнштейн положил совпаде­ние двух масс, с которыми встре­чаются физики, решая разные задачи. С одной стороны, масса характеризует инертные свойст­ва тел, способность их противо­действовать силам, пытающим­ся изменить состояние тел. С дру­гой стороны, как говорилось выше, масса определяет гравитационные свойства тел, способ­ность их притягивать другие тела. До А. Эйнштейна эти массы не различали, их совпадение счита­лось само собой очевидным. Эйнштейн же придал этому со­впадению характер закона, его часто называют принципом эк­вивалентности инертной и гра­витационной масс.

Еще Галилей в XVI в. устано­вил, что все тела, падая свободно в поле тяжести Земли, приобре­тают одно и то же ускорение. В этом проявляет себя гравитаци­онная масса падающих тел. При резкой остановке транспорта пассажиры подаются вперед, при ускоренном же движении того же транспорта пассажиры при­жимаются к сидению. В обоих случаях возникающий эффект можно объяснить появлением сил инерции. При этом все тела, находящиеся в транспорте, неза­висимо от их массы, приобретают одинаковое ускорение. В этом примере проявляет себя инерт­ная масса. Из рассмотренных примеров, в которых по отдель­ности проявляют себя либо гра­витационная, либо инертная мас­сы, и исходя из эквивалентности этих масс, Эйнштейн делает сле­дующий вывод, который обыч­но и называют принципом экви­валентности: свободное движе­ние в поле тяготения и ускоренное движение в отсутствии этого поля происходят совершенно одинаково, другими словами, явление тяготения и ускоренное движение имеют одну и ту же физическую сущность, это два проявления одного и того же физического процесса. Это глав­ное утверждение ОТО и на пер­вый взгляд оно кажется неверо­ятным. Но именно в этом утвер­ждении проявилась гениальность А. Эйнштейна, позволившая ему нетрадиционно подойти к пов­седневным явлениям и создать удивительную по красоте и следствиям физическую теорию - ОТО.

Теперь посмотрим, к каким следствиям приводит сформули­рованный выше принцип экви­валентности. При взлете с уско­рением космического корабля космонавты испытывают пере­грузки. Это эквивалентно тому, что космонавты как бы оказыва­ются в более сильном гравитаци­онном поле, чем поле Земли. Ускоренное движение приводит к тем же следствиям, что и гравитационное поле. С другой сторо­ны, при свободном движении ракеты (двигатели отключены) вокруг Земли все тела в кабине становятся невесомыми. Их сво­бодное падение (вместе с кос­мическим кораблем), находясь внутри корабля, невозможно от­личить от свободного движения (движения по инерции, когда на тело не действует внешняя сила) в отсутствии поля тяготения (в малом объеме корабля - это очень важное условие - как бы устраняется поле тяготения). Все, о чем рассказано выше, мы не­однократно видели при телеви­зионных передачах с борта кос­мических кораблей. Таким об­разом, не существует возмож­ности отличить состояние сво­бодного движения от состояния свободного падения. Свободное падение и свободное движение - утверждает Эйнштейн своим принципом эквивалентности -это одно и то же!

Мы знаем, что свободное движение (движение по инер­ции) происходит прямолиней­но. Но прямая - это простейшее понятие геометрии. Тем самым мы естественным образом ус­танавливаем связь между фи­зикой и геометрией. В нашем мире справедлива так называе­мая геометрия Эвклида, в кото­рой пространство трехмерно (вправо-влево, верх-низ, вперед-назад), существует только одна прямая, соединяющая две точ­ки, сумма углов треугольника всегда равна 180 градуса м и т. д. По прямой, которая является кратчайшим расстоянием меж­ду двумя точками, распростра­няется световой луч (в этом мы снова обнаруживаем связь физики и геометрии).

Но помимо эвклидовой гео­метрии существуют и другие, неэвклидовы геометрии. Пер­вым такую неэвклидову гео­метрию построил русский ма­тематик ректор Казанского университета Н. Лобачевский (1829г.). В качестве наглядного примера «мира», где геомет­рия неэвклидова, можно при­вести кривой мир поверхности шара. Двухмерные существа в этом мире (у них не было бы высоты) под «прямой» (кратчайшей) линией между двумя точками понима­ли бы дугу большого круга, сумма углов треугольника, ле­жащего на поверхности шара, уже не была бы равна 180 гра­дусам и т.д. Эти представления о геометрии на поверхности шара можно обобщить на более сложные поверхности. Но главным в наших рассуждени­ях является то, что геометрия Эвклида - это лишь одна из воз­можных геометрий. А так как геометрия связана с физикой, то следовательно, могут существовать иные миры, где дей­ствуют более сложные физи­ческие законы.

И снова первым, кто пытался выяснить, какой геометрии подчиняется наш мир, был Н. Лобачевский. Неточность из­мерений не позволила ему най­ти правильный ответ. Основ­ную идею Н. Лобачевского (связь геометрии мира и физи­ки) трансформировал в своей теории А. Эйнштейн. Неодно­родность гравитационного поля, изменение его от точки к точке Эйнштейн объяснил па­радоксально: геометрия физи­ческого мира не эвклидова и та­кого физического объекта - гра­витационного поля - не сущес­твует, нет и никаких сил тяготе­ния. А движение, которое мы до сих пор называем свобод­ным падением, фактически яв­ляется свободным движением по кратчайшей (геодезической) линии в этом неэвклидовом мире.

В этом месте наших рассуж­дений следует сказать, что для описания любого физическо­го процесса, в том числе и сво­бодного движения, нужно за­давать 'не только пространственные координаты, но и вре­мя. С этой точки зрения наш мир является не трех-, а четы­рехмерным. Правда, время, в отличие от пространственных координат, может изменяться только от прошлого к будуще­му. Связь физики с геометрией проявляется и в том, что не только пространственный мир может быть неэвклидовым, но и ход времени в разных точках пространства может быть раз­ным.

Теперь установим, от чего зависит геометрия мира. Для этого совершим краткое пу­тешествие с физическими представлениями о простран­стве и времени, В том, что эти понятия трудны для чело­веческого сознания, мы убеждаемся на многочислен­ных примерах, например, пу­таница с понятиями «вчера» и «завтра» в детс­ком возрасте, труд­ности ориентировки в пространстве, ко­торой лишены и многие взрослые (когда - то к рука­вам одежды негра­мотных новобран­цев привязывали пучки сена и соло­мы и для поворота направо и налево отдавались коман­ды «на сено!» или «на солому!». Не правда ли, смешно, а вспомним, что происходит в строю школь­ников, когда подается одна из команд поворота...). Опус­кая «страницу» наивных представлений о пространст­ве и времени в древние вре­мена, начнем путешествие с научных представлений И. Ньютона. Пространство, по Ньютону, - это «ящик», вмес­тилище всего бытия, оно су­ществует независимо от тел и явлений, происходящих в «ящике». Время - это дли­тельность процессов (явле­ний), во всем мире существует единое (мировое) время, его ход не зависит ни от мес­та нахождения часов, ни от характера процессов. Про­странство и время не связаны друг с другом, не влияют друг на друга, они - самосто­ятельные сущности.

Не касаясь причины эволю­ции наших представлений о пространстве и времени (ин­тересующихся этим вопросом отсылаем к книге автора статьи, указанной ниже в списке литературы), сформу­лируем кратко то новое, что внес в данную проблему А. Эйнштейн в своей специаль­ной теории относительности. Оказалось, что нельзя отры­вать пространственное опи­сание явления от временного момента, именно тогда фак­тически в физику было введе­но представление о том, что наш мир имеет четыре изме­рения (три пространственных и одно временное). А так как в основу специальной теории относительности был поло­жен постулат о постоянстве скорости света в однородной и изотропной среде (одинако­вой во всех точках и по всем направлениям), его макси­мальности (предельности) в вакууме и независимости от скорости движения источни­ка света и наблюдателя, то отсюда непосредственно сле­довало, что в разных точках пространства время течет по-разному (по определению, скорость численно равна от­ношению пройденного рас­стояния к промежутку време­ни прохождения этого рас­стояния, если меняется рас­стояние между событиями для разных наблюдателей, то и промежутки времени также должны изменяться, только в этом случае скорость света в вакууме может быть всегда одной и той же величиной). В специальной теории относительности, как и в теории Ньютона, пространство одно­родно и изотропно, и время равномерно течет от прошло­го к будущему. При этом Эйн­штейн не учитывает, что в действительности вблизи тя­готеющих масс свойства про­странства (и времени) не об­ладают указанными свой­ствами. Направления в горизонтальной плоскости и по вертикали не равноценны (вспомните ходьбу по ровно­му месту и в гору!), часы-хо­дики, ход которых определя­ется притяжением к Земле, на равнине и высоко в горах имеют разный ритм.. В рассматриваемом вопросе можно говорить, что специальная те­ория относительности, со­зданная Эйнштейном за 10 лет до ОТО - в 1905 году, - яв­ляется приближенной тео­рией. Но это не умаляет ее значения в познании природы и в жизни человеческого об­щества.

И так, чтобы учесть влияние на свойства пространства и времени гравитирующих масс, Эйнштейн и построил общую теорию относитель­ности. Вот мы и пришли к от­вету на поставленный выше вопрос: от чего зависит геометрия мира. Геометрия мира, и, следовательно, свойства пространства и времени, за­висят от наличия и движения в пространстве и времени ма­терии. Именно там, где имеет­ся «сгусток» материи, геомет­рия мира отличается от той геометрии, которую мы на­блюдаем в пределах малого участка земной поверхности и которую обычно называем плоской геометрией, или гео­метрией Эвклида. Вблизи же массивных звезд (плотность их вещества достигает мно­гих млн. тонн в 1 куб. см, средняя плотность Земли - 5,5 г/куб. см) свойства простран­ства и времени существенно отличаются от того, что мы обнаруживаем вокруг нас на Земле. Говорят, что вблизи массивных тел геометрия не Эвклидова, «кривая». Пос­ледним словом хотят отметить отличие наблюдаемой геомет­рии от эвклидовой. В таком пространстве (по сути дела, нужно говорить о едином про­странстве - времени)кратчай­шим расстоянием между дву­мя точками будет не эвклидо­ва прямая, а кривая, подо­бная тому, как в двухмерном «кривом» мире поверхности шара кратчайшим расстояни­ем между двумя точками бу­дет дуга большого круга. Именно по этой «кривой» (ге­одезической) будет распрос­траняться световой луч, по такой геодезической линии будет происходить свободное движение тела.

Все изложенное выше следует из сложнейших уравне­ний, которые Эйнштейн полу­чил в своей теории. (Слож­ность математически о аппа­рата ограничивает круг уче­ных, которые занимаются раз­работкой проблем ОТО. Из сотен тысяч физиков и мате­матиков на земном шаре толь­ко несколько сотен ученых посвятили себя этой теории.

Данное замечание сделано для тех молодых людей, кото­рые ищут область приложения своих способностей и осущес­твления мечтаний).

В 1922 году ленинградский математик А. А. Фридман ре­шил эти уравнения и получил поразительный результат: наш обозримый мир не может находиться в статическом. равновесном состоянии, он должен либо расширяться, либо сжиматься. Все зависит от средней плотности вещест­ва во Вселенной: если эта плотность меньше, чем 10-29 г/куб. см, то мир будет вечно расширяться: если же эта плотность превышает 10-29 г/куб. см, то Вселенная должна сжиматься. В настоящее вре­мя нет достоверных данных о средней плотности вещества в мире. Но вот в 1929 году аме­риканский астроном Хаббл обнаружил, что далекие звез­ды от нас «убегают», мир расширяется, о чем говорило одно из решений Фридмана. Что будет со Вселенной по­том (через много млрд. лет), будет она и дальше расши­ряться или наступи! конец расширению и начнется сжа­тие (это другой вариант реше­ния Фридмана) зависит от средней плотности вещества в мире.

Однако если мир сейчас расширяется, то можно рас­считать, сколько времени на­зад началось это расширение, когда материя была сконцен­трирована в относительно ма­лом объеме, когда произошло то, что получило название «Большой взрыв». Эту идею первым высказал наш сооте­чественник Г. Гамов. Ученые обнаружили и весточку от этого «взрыва», так называе­мое «реликтовое» (остаточ­ное от древности) излучение, которое сопровождало «взрыв» и затем, расширя­ясь, заполнило все мировое пространство. Если ученые установят, что средняя плот­ность материи во Вселенной больше 10-29 г/куб. см, то на­блюдаемое сейчас расшире­ние должно остановиться и начнется сжатие. Все этапы жизни Вселенной продолжа­ются десятки млрд. лет. Поэ­тому достоверно говорить о «Большом взрыве» как об акте творения мира не следу­ет. Существуют и другие мо­дели развития Вселенной. На­пример, Вселенная подобна маятнику и периоды расши­рения сменяются периодами сжатия, и эти процессы пов­торяются бесконечное число раз. Конечно, мир беспре­рывно обновляется, одни звезды сгорают, другие ро­ждаются. Но для такой моде­ли развития не требуется ка­кого-либо первоначального толчка. В этой модели разви­тия Вселенной «Большой взрыв» - это тот момент, когда гравитационное притяжение всех тел Вселен­ной оказалось слабее того про­тиводействующе­го светового дав­ления, которое создают миллиарды звезд при своем сближении.

Уравнения Эйн­штейна предска­зывают существование «гравитационных волн» - распространяющихся в пространстве-времени из­менений свойств пространства-времени, возникающих из-за мощных нестационар­ных процессов во Вселен­ной. До сих пор эксперимен­тально гравитационные во­лны не обнаружены. В ОТО были предсказаны так назы­ваемые нейтронные звезды, в которых из-за мощных гра­витационных взаимодействий атомы были «раздавле­ны», электроны «вдвинуты» в ядра и, соединяясь с положительно заряженными про­тонами, входящими в состав ядер, превращали их в нейтральные частицы-нейтроны (отсюда и название этих звезд).

Дальнейшее сжатие звезды может привести ее к «кол­лапсу» - катастрофическому уменьшению размеров и пре­вращению в так называемую «черную дыру». Такое на­звание возникло потому, что вокруг «черной дыры» про­странство-время приобрели такие свойства, такую «кри­визну», что ни один сигнал не может покинуть такую звезду, она действительно становится невидимой - «чер­ной дырой» во Вселенной. И все же «черную дыру» мож­но обнаружить по ее мощно­му влиянию на движение Других небесных тел. У «черной дыры» есть и другие экзотические свойства...

Завершая рассказ об ОТО, мы отсылаем читателя к ука­зываемой ниже литературе (она есть, например, в облас­тной научной библиотеке), в которой можно еще раз про­следить логику построения ОТО и познакомиться с дру­гими решенными и нерешен­ными задачами ОТО.

Литература:

1. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция (физики - М., ГИТТЛ, 1956 г.

2. Кузнецов Б. Эйнштейн (жизнь, смерть, бессмертие) -М., Наука,

1972 г.

3. Брагинский В. и др. Удивительная гравитация -m., Наука, б-ка «Квант», вып. 39.

4. Новиков Н. Черные дыры и Вселенная - М., Мо­лодая гвардия,

1995 г.

5 Розман Г. Специальная теория относительности - Псков, ПОИПКРО, 1995 г.

6 Розман Г. Введение в общую теорию относительности А.Эйнштейна- Псков , ПОИПКРО, 1998г.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Семантическое пересечение как смысловой взрыв (1)

    Документ
    Тезисы к семиотическому изучению культур (в применении к славянским текстам)(совместно с Вяч. Вс. Ивановым, А. М. Пятигорским, В. Н. Топоровым, Б. А. Успенским) 504
  2. Семантическое пересечение как смысловой взрыв (2)

    Документ
    Тезисы к семиотическому изучению культур (в применении к славянским текстам)(совместно с Вяч. Вс. Ивановым, А. М. Пятигорским, В. Н. Топоровым, Б. А. Успенским) 504
  3. Обратите внимание автор новое предложение, как правило, начинает с новой строки, по этой причине форматирование отличается от обычного. Комментарии в конце этого тома

    Документ
    Обратите внимание - автор новое предложение, как правило, начинает с новой строки, по этой причине форматирование отличается от обычного. Комментарии в конце этого тома.
  4. Ю. М. Лотман семиосфера Культура и взрыв

    Реферат
    Тезисы к семиотическому изучению культур (в применении к славянским текстам)(совместно с Вяч. Вс. Ивановым, А. М. Пятигорским, В. Н. Топоровым, Б. А. Успенским) 504
  5. Ч. С. Кирвеля Утверждено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебник (1)

    Учебник
    Философское развитие Древнего Востока имело характерные особенности, которые коренились в специфике Востока как типа культуры. Понятие Древнего Востока имеет определенные границы — как временные, так и пространствен-ные.

Другие похожие документы..