- •Лекции по курсу
- •2. Литература, необходимая для изучения курса.
- •3.Цели и задачи дисциплины.
- •4.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
- •5.Структура современного естествознания.
- •6.Методология естествознания.
- •7.История естествознания.
- •1. Пространство и время
- •2. Механическая форма движения материи. Основы классической механики
- •3. Релятивистская концепция механического движения. Представления специальной теории относительности
- •4. Понятие об общей теории относительности. Влияние гравитации на пространство и время
- •5. Масштабы пространства, времени.
- •6. Современные представления о структуре и эволюции Вселенной
- •1. Ритм как упорядочение времени
- •2. Космические и биологические ритмы
- •3. Общая характеристика колебаний
- •4. Виды колебаний
- •5. Общая характеристика волны
- •6. Упругие волны
- •7. Электромагнитные волны
- •8. Волновые явления
- •1. Симметрия
- •2. Законы сохранения
- •3. Фундаментальные взаимодействия
- •4. Развитие представлений о физических полях
- •5. Концепция обменного взаимодействия
- •6. Концепция корпускулярно-волнового дуализма в современной физике
- •7. Основные положения квантовой механики
- •8. Структура микромира
- •1. Термодинамический и статистический методы описания систем
- •2. Общие свойства систем. Системный подход
- •3. Основы равновесной термодинамики (термодинамики изолированных систем)
- •4. Основы неравновесной термодинамики
- •5. Термодинамика сильно неравновесных систем
- •6. Эволюция самоорганизующихся систем
- •Активная
- •7. Синергетика и экономика
- •1. Предмет химии
- •2. Основные понятия и законы классической химии
- •3. Систематизация химических элементов. Периодический закон д.И.Менделеева
- •4. Особенности развития химии на рубеже хiх-хх вв.
- •5. Развитие химического атомизма в первой половине XX в. Квантовый уровень химии
- •6. Концепция химической эволюции
- •1. Экология как наука о взаимоотношении живых систем с неживой природой
- •2.Структура и основные направления развития экологии
- •Экология
- •Фундаментальная
- •3.Биосфера.
- •4.Экосистемы и основы их жизнедеятельности
- •Биотические компоненты экосистемы
- •5.Экологические факторы.
- •6.Глобальные проблемы современности.
- •Загрязнение
- •1. Общая характеристика живых систем
- •2. Молекулярно-генетический уровень организации биологических систем
- •3. Клеточный уровень организации жизни
- •4. Онтогенетический уровень организации биологических систем
- •5. Популяционно-видовой уровень
- •7. Биосферный уровень
- •8. Развитие представлений о биологической эволюции
- •9. Основные этапы эволюции жизни
- •Словарь терминов
- •Литература
3. Релятивистская концепция механического движения. Представления специальной теории относительности
Ограниченность классической механики; постулаты специальной (частной) теории относительности Эйнштейна
В конце девятнадцатого столетия классическая физика встретилась с серьезными трудностями. Ньютоновская механика подтверждалась многими экспериментами. Была также экспериментально установлена независимость скорости света в вакууме, регистрируемой наблюдателем (с = 3х108 м/с), от скорости движения наблюдателя т.е. ее абсолютность. Результаты этих экспериментов не укладывались в рамки классического закона сложения скоростей (2.4).
В 1905 г. Альберт Эйнштейн, один из самых выдающихся ученых нашего столетия, реформатор естествознания, разработал новую теорию движения – специальную теорию относительности (релятивистскую механику), которая перебросила мост между механикой и электромагнетизмом и связала воедино обе великие теории классической физики. Эйнштейн отказался от прежней трактовки пространства и времени как совершенно независимых категорий. С его точки зрения пространственные и временная координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерный пространственно-временной континуум.
В основе специальной теории относительности лежат два постулата:
- принцип относительности (Эйнштейна): в одинаковых условиях во всех инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково (это положение является обобщением принципа относительности Галилея) т.е. законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;
принцип абсолютности скорости света: скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей. На основе этих принципов были пересмотрены устоявшиеся представления о характеристиках механического движения.
Следствия постулатов специальной теории относительности
Из постулатов специальной теории относительности следует:
- скорость света в вакууме (с=3·108м/с) – предельная скорость движения материи; никакое материальное тело ни в одной системе отсчета не может иметь скорости, большей скорости света в вакууме, никакой энергетический сигнал не может быть передан с большей скоростью;
- изменение системы отсчета приводит к изменениям координат, причем все координаты, включая время (!), относительны;
- пространственные интервалы относительны: измерение длины предмета наблюдателем, движущимся относительно него со скоростью , дает меньшее значение, чем измерение той же длины неподвижным наблюдателем («собственной» длины), т.е. происходит сокращение длины:
, (8)
следует подчеркнуть, что сокращается размер («сжимается» пространство) вдоль направления относительного движения; поперечные размеры не меняются;
- временные интервалы относительны: наблюдатель, движущийся относительно часов, показывающих интервал времени между двумя событиями Δt', может установить, что они идут медленнее таких же часов, находящихся в его системе отсчета и показывающих интервал Δt, т.е. имеет место эффект «замедления» времени:
, (9)
даже последовательность событий во времени с точки зрения двух наблюдателей зависит от относительной скорости их движения, если между явлениями нет причинно-следственной связи (никакой наблюдатель не может зарегистрировать следствие раньше причины);
- скорости относительны, однако закон сложения скоростей имеет другой вид и никогда не приведет к результату ;
- пространственно-временнные интервалы абсолютны, не зависят от системы отсчета; Эйнштейн рассмотрел единое 4-х-мерное пространство-время, математическая модель которого разработана Германом Минковским (1864 – 1909). В этой модели каждое событие описывается координатами x, y, z, ict (i = √-1); четвертая координата, определяющая момент времени, умножением на скорость с приобретает ту же размерность, что и другие координаты, но в трехмерном пространстве она мнимая. По аналогии с трехмерным интервалом, который определяется соотношением:
, (9)
четырехмерный интервал вычисляется:
(10)
и абсолютен:
; (2.11)
- масса относительна: масса тела зависит от скорости; тело, движущееся относительно наблюдателя, имеет массу (релятивистскую) m больше, чем то же тело покоящееся (масса покоя - m0):
; (12)
- полная энергия тела в отсутствии внешних полей равна сумме его энергии покоя m0с2 и кинетической энергии и определяется произведением релятивистской массы тела (m) и квадрата скорости света в вакууме (с):
; (13)
- сила относительна: при движении системы отсчета появляется дополнительная составляющая силы, перпендикулярная скорости движения; при движении заряда эта составляющая обеспечивает магнитную силу, таким образом, магнетизм – релятивистский эффект;
- основной закон движения един для различных инерциальных систем отсчета и абсолютен.
На первый взгляд, многие описанные следствия кажутся искусственными, не соответствующими здравому смыслу. Однако они нашли экспериментальное подтверждение. Эти эффекты (замедление времени, увеличение массы и т.д.) становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света. Эксперименты с элементарными частицами с помощью мощных ускорителей показали, что с ростом скорости масса их действительно растет, а время «жизни» (до распада) - увеличивается. В нашем мире малых скоростей, сформировавшем и наше мышление, подобные эффекты не обнаруживаются, и эксперименты подтверждают полную справедливость классической механики. Здесь нет противоречия. Новая, релятивистская теория, имеющая более широкую область применения, включает в себя классическую теорию как частный случай, реализуемый при условии
. (14)
Таким образом, взаимосвязь этих двух теорий движения полностью удовлетворяет принципу соответствия, сформулированному в гл. I.