Принцип относительности Галилея.

Принципом относительности в физике называют т.н. постулат относительности, утверждающий равенство (физическую равноправность) всех инерциальных систем, и принцип ковариантности, утверждающий одинаковость описания физических законов в этих инерциальных системах координатами, связанными определенными преобразованиями. Равенство инерциальных систем означает: "При одинаковых начальных условиях механический эксперимент дает одинаковые результаты как в покоящейся (неподвижной) лаборатории, так и в лаборатории, движущейся инерциально относительно покоящейся лаборатории. (Г.Галилей) Принцип относительности Галилея позволяет различать абсолютное и относительное движения. Это возможно лишь в рамках определенного взаимодействия в системе состоящей из двух тел. Если в изолированную (квазиизолированную) систему двух тел, взаимодействующих между собою, не вмешиваются посторонние взаимодействия, либо присутствуют взаимодействия, которыми можно пренебречь, то их движения можно считать абсолютными по отношению к центру их тяжести. Такими системами можно считать Солнце - планеты (каждая в отдельности), Земля - Луна и др. И, более того, если центр тяжести взаимодействующих тел практически совпадает с центром тяжести одного из тел, то движение второго тела можно считать абсолютным по отношению к первому. Так, за начало абсолютной системы отсчета Солнечной системы можно принять центр тяжести Солнца и движения планет считать абсолютными. И тогда: Земля вращается вокруг Солнца, но не Солнце вокруг Земли (вспомните Дж. Бруно), камень падает на Землю, но не Земля на камень и т.д.

Принцип относительности Эйнштейна и 4мерное простр. время.

Принцип относительности Эйнштейна представляет собой фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Иначе говоря, законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.  В основе СТО лежат два постулата, выдвинутых Эйнштейном.

1. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.  Уравнения, выражающие законы природы, инвариантны по отношению к любым инерциальным системам отсчета. Инвариантность– неизменность вида уравнения при переходе из одной системы отсчета в другую (при замене координат и времени одной системы – другими).

2. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости источника и приемника света.  Все как-то пытались объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона–Морли, а Эйнштейн – постулировал это, как закон.

В первом постулате главное то, что время тоже относительно – такой же параметр, как и скорость, импульс и др.  Второй – возводит отрицательный результат опыта Майкельсона–Морли в ранг закона природы:  c = const. Специальная теория относительности представляет физическую теорию, изучающую пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов, когда можно пренебречь действием тяготения. СТО, опираясь на более совершенные данные, раскрывает новый взгляд на свойства пространства и времени. Эти свойства необходимо учитывать при скоростях движения, близких к скорости света.

Эйнштейн переписал все законы динамики и электродинамики в четырёхмерный вид. В формулах этих законов появилось выражение  , интерпретированное им как внутренняя энергия тела с массойm и породившее новую область физики – ядерную физику. В специальной и в общей теориях относительности Эйнштейн видоизменил понятие плоскопараллельного пространства. Он объединил его со временем в четырёхмерное пространство и затем, обнаружил в своих вычислениях, что это четырёхмерное, так называемое пространство-время, необходимо искривить вокруг тяготеющих масс. Таким образом, мы имеем, что по   второму закону Ньютона сила появляется при отклонении от равномерного и прямолинейного движения в плоскопараллельном пространстве. Теперь же согласно уравнениям Эйнштейна гравитационная сила появляется в результате отклонения от плоско параллельности пространства.

Билет 18. Пространство и время в классической механике и теории относительности.

Всеобщее свойство материальных тел обладать протяженностью, занимать место и особым образом располагаться среди других предметов мира – отражает философское понятие пространства. Всеобщее свойство материальных процессов протекать друг за другом в определенной последовательности (ночь-утро; зима-весна и т.д.), обладать длительностью и развиваться по этапам, стадиям отражает философское понятие времени. Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь развития и становления. Ньютон предлагал различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные). Эйнштейн в своей теории относительности предлагал считать пространство и время не отдельными от материи сущностями, а формами существования материи.

Общие свойства пространства: протяженность, связанность и непрерывность, трехмерность, единство метрических и топологических свойств.

Общие свойства времени: длительность, единство прерывного и непрерывного, необратимость, одномерность.

Из всеобщих свойств пространства и времени можно всего отметить:

1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).

2. Их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.

3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре наличие отдельных тел. фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.

5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств

Билет 19. Принцип эквивалентности и общая теория относительности.

«Принцип эквивалентности», как правило, подразумевает тождественность инертных массвсех тел их гравитационным массам, что позволяет оперировать в физике единым понятием масса. Другим выражением этого принципа можно считать независимостьускорения свободного падения тел от их состава. Принцип эквивалентности много раз проверялся на Земле и в ее окрестностях и считается надежно проверенным экспериментально, поэтому его нередко считают универсальным. Так представление об эквивалентности двух типов масс позволило Эйнштейну развить общую теорию относительности об эквивалентности поля тяготения неинерциальной системе отсчета.

Теория Ньютона предполагает мгновенное распространение тяготения и уже по этому не может быть согласована со специальной теорией относительности, утверждающей что никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Поэтому требовалась более общая теория тяготения (ею и стала ОТО). В линейном приближении (на относительно больших расстояниях и для относительно малых масс -- гравитационный потенциал мал ) ОТО переходит в теорию тяготения Ньютона.

Построение ОТО Эйнштейн начал в 1907 году и закончил вместе Х.Д. Гильбертом В основе ОТО лежит экспериментальный факт равенства инертной массы (входящей во 2-ой закона Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения) для любого тела. Это равенство проявляется в том, что движение тела в поле тяготения не зависит от его массы. Следствием этого является отсутствие гравитационно-нейтральных тел. В работе, сделанной в 1907 г., Эйнштейн предложил мысленный эксперимент: представим себе гигантский небоскреб высотой 1000 км и физика, находящегося внутри свободно падающего лифта в этом небоскребе. Физик выпускает из рук платок и часы и убеждается, что они не падают на пол лифта. Если он сообщает этим вещам толчок, то они движутся равномерно и прямолинейно, пока не столкнутся со стенками лифта. Физик приходит к выводу: я нахожусь в ограниченной галилеевой системе. Условие ограниченности необходимо для того, чтобы можно было считать, что все тела испытывают одинаковое ускорение. Но физик, наблюдающий извне за падением лифта, будет судить о вещах совершенно иначе. Он видит, что лифт и все находящееся в нем движутся ускоренно в соответствии с законом тяготения Ньютона.

________________________________________________________________________________________________________Дополнительно:

Основные выводы из СТО (специальная теория относительности) и ОТО (общая теория относительности) А.Эйнштейна. 1)СТО устанавливает пространственно-временные свойства тела в зависимости от скорости его движения. В основе лежат 2 постулата: 1. Принцип относительности, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах, Эйнштейн расширил принцип относительности Галилея. 2. Принцип постоянства скорости света, согласно кот. скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от направления распространения света, а также от движения источника света от наблюдателя (~300 тыс. км/с.). Эйнштейн опирается на экспериментальные опыты (опыт Майкильсона). В результате было поставлено под подозрение существование эфира. В дальнейшем физика отказывается от понятия эфира как от постоянной точки отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными. Относительность означает, что все системы отсчета одинаковы и нет системы, выступающей эталоном. В общем, из СТО следует, что длина тела и вообще расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в них процессов, являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в теле замедляются, а размеры тела сокращаются. Пространство и время не являются абсолютными, т.е. целиком зависят от материальных объектов, в них находятся. СТО показала, что пространство и время тесно связаны между собой. В ходе этих исследований природа стала рассматриваться как организм, в котором все системы взаимосвязаны, т.е. зависят друг от друга. 2) ОТО - в рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, говорится о том, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей. ОТО в настоящее время — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. ОТО - распространяет законы природы на все, в том числе и на неинерциальные системы. Эйнштейн сделал факт равенства инертной массы и гравитационной для любого тела. Массы, создающие поле тяготения искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле тяготения, тем медленнее течет время, по сравнению с течением времени вне поля. ОТО показала глубинную связь между движением материальных тел; а также и то, что все системы отсчета являются равноценными для описания системы природы.

Билет 22. Первое и второе начала термодинамики.