Теория относительности Эйнштейна.

Общая теория относительности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены несиловым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

Теплофизика

Теплофизика — совокупность дисциплин, представляющих теоретические основы энергетики. Включает термодинамику, тепломассообмен, методы экспериментального и теоретического исследования равновесных и неравновесных свойств веществ и тепловых процессов. Прикладные аспекты теплофизики относятся к отдельной группе дисциплин — инженерной теплофизике. Основные подходы:

I. Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо мкт) — теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

• все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов;

• частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);

• частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

Основными доказательствами этих положений считались:

• Диффузия

• Броуновское движение

• Изменение агрегатных состояний вещества

В современной (теоретической) физике термин молекулярно-кинетическая теория уже не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики. В современной физике МКТ заменила кинетическая теория, в русскоязычной литературе —физическая кинетика, и статистическая механика. В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Основное уравнение МКТ:

, где k является постоянной Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N_A), i— число степеней свободы молекул (i = 3 в большинстве задач про идеальные газы, где молекулы предполагаются сферами малого радиуса, физическим аналогом которых могут служить инертные газы), а T - абсолютная температура. Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление, объём, температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения).

II. Термодинамический метод - всякое изменение, происходящее в термодинамической системе и связанное с изменением хотя бы одного из её параметров состояния. Различают обратимые процессы, необратимые процессы и квазистатические процессы. Изучение принципов работы тепловых машин, а именно процессов взаимного преобразования теплоты и работы, привело к первичному формированию термодинамики как науки о тепловой и механической формах энергии в больших, макроскопических (т.е. состоящих из очень большого числа отдельных микроскопических частиц - скажем, больше 1000 атомов или молекул) телах. По мере своего развития термодинамика превратилась в более общее учение об энергии, формах ее перехода и преобразования в не только в физических, но и в химических и других естественных процессах. В общем смысле термодинамика изучает поведение и свойства макроскопических тел, называемых в термодинамике системами. Этот факт позволяет применить к изучению термодинамических систем два подхода.

Первый подход, в котором исследователь абстрагируется от дискретной сущности вещества и конкретных путей перехода, все основные законы (начала) поведения макросистем устанавливаются экспериментально (феноменологически). Такая концепция сплошной среды, в которой отказываются от излишней детализации явлений (а именно от строгого описания поведения всех частиц, составляющих макросистему), открывает реальный путь для практических вычислений. Связано это с тем, что здесь требуется значительно меньшее число исходных феноменологических констант, давая в то же время ответы на весьма важные для технолога вопросы, например:

1. При каких условиях - температуре, давлении, начальных количествах исходных веществ требуемый материал устойчиво существует; другим словами, термодинамика подсказывает, при каких условиях следует получать (синтезировать) требуемое вещество.

2. Какая часть исходных веществ превратится в требуемый материал; обычно говорят, каков будет термодинамический выход процесса получения требуемого материала.

3. Будет ли устойчив какой-либо материал (вещество) при эксплуатации в требуемых условиях: температуре, давлении, химическом составе окружающей среды; т.е., можно ли его использовать как стойкий конструкционный материал.

4. Если материал не совсем устойчив к физико-химическому воздействию окружающей среды, то какие продукты и в какой пропорции будут получаться в результате такого воздействия.

Второй подход - более полное описание макроскопических систем (если подходить с позиций формальной математики), дает знание свойств и законов (в том числе квантовых) поведения микрочастиц, их составляющих. Этими вопросами занимается наука, называемая статистической термодинамикой или, в более широком понимании, статистической физикой. Используя методы теории вероятности и математической статистики, можно проникнуть в физическую сущность установленных феноменологически законов и оценить границы их применимости. С помощью методов статистической термодинамики принципиально возможно теоретически рассчитать (например, из спектроскопических наблюдений молекул) термохимические свойства веществ, что в феноменологической термодинамике делается прямым экспериментом. Однако следует признать, что сегодня (в конце XX века) эти свойства проще и гораздо точнее определять непосредственными измерениями. Поэтому практическая ценность феноменологической термодинамики остается очень высокой.

Главным предметом рассмотрения в термодинамике являются состояния, при которых в системе отсутствуют потоки энергии и массы, и поэтому никакие параметры системы не меняются со временем. Про тело, или систему, находящееся в таком состоянии покоя, говорят, что оно находится в состоянии термодинамического равновесия, или просто равновесия. Термодинамика дает ответ на вопрос, какими будут параметры и свойства системы в произвольном равновесном состоянии.

Термодинамическое равновесие - предельное состояние, к которому стремится термодинамическая система, изолированная от внешних воздействий, т.е. в каждой точке системы устанавливается термическое, механическое и химическое равновесие (происходит выравнивание температуры и давления и все возможные химические реакции протекают до конца). На практике условие изолированности означает, что процессы установления равновесия протекают гораздо быстрее, чем происходят изменения на границах системы (т.е. изменения внешних по отношению к системе условий) и обмен системы с окружением веществом и энергией

Термодинамическая система является, конечно же, некоторой механической системой. Поэтому ее состояние должно характеризоваться параметрами, известными из обычной механики. Например, объемом, массой, энергией и т.д. Закон сохранения энергии - фундаментальнейший закон природы - является и первым законом термодинамики как индуктивной науки, одного из разделов теоретической физики. В химической термодинамике чаще всего рассматриваются взаимные переходы и законы сохранения тепловой, механической и химической (по своей сути электростатической) энергии, оставляя в стороне ядерные и другие физические явления. По сравнению с простыми механическими системами, в поведении реальных больших систем, из-за огромности числа частиц, их составляющих, проявляются и новые возможности математического описания протекающих процессов, а именно статистического, вероятностного описания. Достигается такая возможность тем, что в математическом описании объекта переходят от рассмотрения самих уравнений движения отдельных частиц к первым интегралам уравнений движения - механическим инвариантам, остающимся постоянными во времени для замкнутой (не подверженной влиянию извне) системы. Операция интегрирования и означает как бы усреднение свойств частиц, составляющих систему. Это приводит к потере некоторой информации, но оставляет возможность проведения многих полезных расчетов, называемых термодинамическими.

О писанный подход через интегрирование и усреднение предопределяет появление принципиально новых характеристик больших тел - термодинамических величин. Термодинамические величины, по определению, имеют смысл только для макроскопических систем и теряют физическое содержание в применении к механическим системам с небольшим числом частиц. Ибо теряет смысл понятие интеграла по числу частиц. Так, известное из общей физики понятие температуры тела Т и характеризующее в конечном счете среднюю энергию составляющих его молекул, не применимо к каждой конкретной молекуле отдельно. Хотя бы потому, что скорость молекул, т.е. их мгновенная энергия, меняется с каждым соударением, а температура всего тела при равновесии остается постоянной во времени.

Основам механики - трем законам Ньютона - в современном изложении соответствуют три закона сохранения, три механических инварианта: законы сохранения энергии, импульса равномерного движения и момента импульса равномерного вращения замкнутой макроскопической системы как целого. Однако всегда можно выбрать систему координат, движущуюся вместе с системой. Что фактически и делается в термодинамике. При этом получается начало отсчета, в котором импульс и момент импульса всегда тождественно равны нулю. Можно сказать, что в такой системе координат импульс и момент импульса вообще не будут интегралами движения. Единственным интегралом движения в такой системе координат остается энергия системы. Из этого следует, что, задав тем или иным способом значение только одной величины - а именно энергии, можно определить многие свойства термодинамической системы. Задание значения только одной величины - энергии - в термодинамике заменяет собой задание огромного количества начальных условий для уравнений движения всех отдельных частиц, составляющих макроскопическую систему, и которое бы требовалось в классической механике для ее описания. Этот факт и открывает путь для практических расчетов, проводимых в термодинамике.