3.5 Гравітація в сучасній теоретичній фізиці

Усі тіла, що нас оточують, беруть участь в гравітаційних взаємодіях. Те, що гравітація, як така, є в природі, люди знали з прадавніх часів в силу очевидності цього факту. Але в науці про гравітацію було відомо дуже мало. Навіть коли Ньютон емпірично знайшов формулу, що зв'язує маси гравітуючих тіл і силу, з якою вони притягуються, була неясна природа гравітації. Хоча, той же Ньютон практично усе своє життя намагався докопатися до суті гравітації, це йому так і не вдалося. І до теперішнього часу ніхто так і не зміг розробити гідний механізм і модель гравітаційної взаємодії.

На сьогодні, фізики-теоретики офіційно дотримуються релятивістської теорії гравітації, в побуті також званою загальною теорією відносності. На жаль, ця теорія абсолютно не розкриває механізму гравітації, а лише займається математичною еквілібристикою. Адже якщо звести в одну фразу усе те, що можна знайти в ній про природу гравітації, то виявиться, що гравітуючі тіла спотворюють простір, і за рахунок цього притягуються. А простір вони спотворюють своїм гравітаційним полем.

Якщо підійти до гравітації з позицій эфіродинамики, то цілком очевидно, що цій взаємодії повинен відповідати найбільш загальний вигляд руху ефіру, яким є дифузійний рух. Оскільки гравітаційні взаємодії пов'язані з речовиною, доцільно розглядати гравітацію, як взаємодію тіл на основі дифузійного руху ефіру. Цей підхід приводить до моделі гравітації, що відповідає усім властивостям цієї взаємодії.

Розділ 4 вивчення теми дипломної роботи у школі

4.1 Розкриття поняття простору і часу у процесі вивчення фізики

Поняття простору і часу використовується у багатьох розділах фізики. Кожне фізичне рівняння, що розглядається у школі, містить просторово-часову характеристику. Тому важливо якомога раніше ввести поняття простору і часу у процесі вивчення фізики. І детально розкрити учням ці поняття. Це допоможе їм краще зрозуміти природу фізичних процесів, що описуються за допомогою просторово-часових характеристик.

Детально поняття простору і часу у школі вивчають у 7 класі у процесі вивчення взаємодії тіл, механічного руху, в 9 класі – основ кінематики, а також в 11 при ознайомленні з теорією відносності.

4.2 Методична розробка уроку зі спеціальної теорії відносності

Тема. Спеціальна теорія відносності (СТВ)

Мета уроку. Ознайомити учнів з класичними поняттями простору і часу і експериментальними основами СТВ. Розкрити фізичний і філософський сенс постулатів Ейнштейна, а також суть і властивості релятивістського поняття простору і часу. Познайомити учнів з сучасними уявленнями поняття простору і часу, сприяти виробленню у них діалектико-матеріалістичного світогляду.

Тип уроку: урок викладення нового матеріалу.

План викладення нового матеріалу

1.Класичне уявлення понять простору і часу.

2.Інерціальна система відліку. Принцип відносності Галілея.

3.Експериментальні основи СТВ.

4.Постулати Ейнштейна.

Хід уроку.

1. Організаційний момент

2. Викладення нового матеріалу

Інерціальні системи відліку ( ІСВ ) - системи відліку, в яких виконується перший закон Ньютона - закон інерції. Системи, які обертаються або прискорюються неінерціальні. Землю не можна рахувати цілком ІСВ: вона обертається, але для більшості наших цілей СВ, пов'язані із Землею, при досить хорошому наближенні можна прийняти за інерціальні. Система відліку, що рухається рівномірно і прямолінійно відносно ІСВ, також інерціальна.

Г. Галілей і І.Ньютон глибоко усвідомлювали те, що ми сьогодні називаємо принципом відносності, згідно з яким механічні закони фізики мають бути однаковими в усіх ІСВ за однакових початкових умов. З цього виходить: жодна ІСВ нічим не відрізняється від іншої СВ.

Принцип відносності Галілея виходить з деяких допущень, які спираються на наш повсякденний досвід. Передбачається, що довжина тіл однакова у будь-якій СВ і що час в різних системах відліку тече однаково.

У класичній механіці простір і час вважаються абсолютними. Передбачається, що маса тіла, а також усі сили залишаються незмінними при переході з однієї ІСВ в іншу. У справедливості принципу відносності нас переконує повсякденний досвід, наприклад в потягу, що рівномірно рухається, або літаку тіла рухаються так само, як на Землі.

Не існує експерименту, за допомогою якого можна було б встановити, яка СВ дійсно покоїться, а яка рухається. Немає СВ в стані абсолютного спокою. Для будь-яких механічних явищ усі інерціальні системи відліку виявляються рівноправними. Галілей не замислювався про інші явища, оскільки в ті часи механіка складала по суті усю фізику. До середини XIX ст. вважали, що усі фізичні явища можна пояснити на основі механіки Ньютона.

В середині XIX ст. була створена теорія електромагнітних явищ ( теорія Максвелла ). Виявилася, що рівняння Максвелла змінюють свій вид при галілеївських перетвореннях переходу від однієї ІСВ до іншої. Виникло питання, про те, як впливає рівномірний прямолінійний рух на усі фізичні явища. Перед ученими постала проблема узгодження теорій електромагнетизму і механіки.

Згідно теорії Максвелла світло - електромагнітна хвиля, яка поширюється зі швидкістю с = 300000000м/с. Питається, відносно чого світло рухається зі швидкістю з? Відповідь на це питання не міститься в теорії Максвелла. Якщо світло - хвиля, і якщо хвиля поширюється в середовищі, то світло рухається зі швидкістю відносно середовища. Це світлоносне середовище дістало назву ефіру. Дебати, що стосуються світлоносного ефіру до кінця XIX ст. досягли особливої гостроти.

Інтерес до ефіру зріс, коли стало ясно, що створена Максвеллом теорія виявилася успішною і начебто свідчить про те, що ефір можна спостерігати.

Якщо ефір існує, то має бути виявлений ефірний вітер. Досвід по виявленню ефірного вітру був поставлений в 1881 р. американськими ученими А.Майкельсоном і Р. Морлі за допомогою оригінального інтерферометра. Спостереження проводилися впродовж тривалого часу. Досвід багаторазово повторювали. Результат виявився негативним: ніякого руху Землі відносно ефіру виявити не вдалося. Різні ефірні теорії завели фізику у безвихідь.

У 1905 році А.Ейнштейн, відкинувши гіпотезу ефіру, запропонував спеціальну (приватну) теорію відносності СТВ, на основі якої можна поєднати механіку і електродинаміку. У 1905 р. вийшла його робота " До електродинаміки тіл ", що рухалися. У ній Ейнштейн сформулював два принципи (постулати ) теорії відносності.

1. Перший постулат (принцип відносності)

Всяка фізична теорія має бути незмінною математично для будь-якого інерціального спостерігача

Жодна з властивостей Всесвіту не може змінитись, якщо спостерігач змінить стан руху. Закони фізики залишаються однаковими для усіх інерціальних систем відліку.

2. Другий постулат (інваріантність швидкості світла)

Швидкість світла у вакуумі є однаковою для всіх інерціальних спостерігачів в усіх напрямах і не залежить від швидкості джерела випромінювання. Разом з першим постулатом, цей другий постулат еквівалентний тому твердженню, що світло не потребує жодного середовища (такого як ефір) для розповсюдження.

Щоб сформулювати ці постулати, потрібна була велика наукова сміливість, оскільки вони, очевидно, суперечили класичним уявленням про простір і час.

Отже, сучасна фізика підрозділяється на:

- класичну механіку, яка вивчає рух макроскопічних тіл з малими швидкостями ( v<<c );

- релятивістську механіку, яка вивчає рух макроскопічних тіл з великими швидкостями ( v<c );

- квантову механіку, яка вивчає рух мікроскопічних тіл з малими швидкостями ( v<<c );

- релятивістську квантову фізику, яка вивчає рух мікроскопічних тіл з довільними швидкостями ( v≤c )

3. Запис опорних конспектів в зошит.

Довжина тіла, час і маса залежать від швидкості тіла. Якщо l₀ - довжина стрижня в системі, у якій стрижень знаходиться в спокої (власна довжина), а l - довжина стрижня в рухомій системі відліку (СВ), то

;

Якщо - проміжок часу, виміряний за допомогою годинника в нерухомій системі відліку (власний час), а - той же проміжок, виміряний в рухомій системі відліку , то

Якщо m₀ - маса тіла, виміряна в системі відліку, в якій воно знаходиться в спокої (маса спокою), а m - маса тіла виміряна в рухомій системі відліку, то:

Рівняння використовують для конструювання прискорювачів елементарних частинок й інших релятивістських приладів.

Зазнали зміни і закони додавання швидкостей.

Нехай - швидкість рухомої системи відліку (вагона) відносно нерухомої (людина, що стоїть), а - швидкість тіла відносно рухомої системи відліку (людина у вагоні). Тоді маємо релятивістський закон додавання швидкостей:

Імпульс частинки масою m0 (в стані спокою) розраховується згідно з формулою:

А основний закон динаміки матиме попередню форму:

Із часом Ейнштейн зробив важливий висновок: тіло має величезну енергію завдяки тому, що воно має масу. Зв'язок між масою і енергією згідно з теорією відносності визначають за формулою: