17

Московский государственный университет путей сообщения

Юридический институт

Р е ф е р а т

на тему:

«Концепции современного естествознания в картинках. Теория относительности»

Выполнил: студент группы ЮТД - 115

Алеев Дмитрий Витальевич

Проверил: докт. физ.-мат. наук,

проф. Никитенко Владимир Александрович

МОСКВА

2008

Содержание

1. Вместо введения……………………………………………….3

2. Теория относительности: общие сведения..............................4

3. Золотой век теории относительности ……………………….11

4. Литература…………………………………………………….17

Вместо введения

Ощущение тайны – наиболее прекрасное

из доступных нам переживаний. Именно

это чувство стоит у колыбели истинного

искусства и настоящей науки.

Альберт Эйнштейн

В начале XX века наука пережила две революции — появление теории относительности и рождение квантовой механики, что в совокупности кардинально изменило старые представления и взрастило совершенно новую науку об устройстве мира. Благодаря Эйнштейну, соединившему пространство, время и материю, получилось, что все, что мы видим и воспринимаем в нашем мире, зависит от выбранной нами точки наблюдения и скорости нашего перемещения по отношению к изучаемому объекту.

Теория относительности: общие сведения

Теория относительности — геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах.

Рис. 1. Эйнштейн и теория относительности (коллаж).

Рис. 2. Альберт Эйнштейн. Рис. 3. Альберт Эйнштейн у доски с

формулами специальной теории

относительности.

B своем классическом варианте теория тяготения была создана Исааком Ньютоном еще в XVII веке и до сих пор верно служит человечеству. Она вполне достаточна для многих, если не для большинства задач современной астрономии, астрофизики, космонавтики.

Рис. 4. Люди, которые смотрят на горы, восхищаются их величиной. Человек, который смотрит на людей на фоне гор, видит человеческую малость и восхищается величиной гор вдвойне.

В 1905 году А. Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, которая завершила в идейном отношении развитие классической электродинамики. В статьях предшественников Эйнштейна Х.А. Лоренца и Ж.А. Пуанкаре содержались многие элементы специальной теории относительности, однако цельная картина физики больших скоростей появилась лишь в работе Эйнштейна.

Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Берну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы — и времени бы вокруг не стало. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности — что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время. В тот день Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для нее они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.

Рис. 5. Линейка движущегося наблюдателя не только оказывается сокращена с точки зрения неподвижного, но и моменты времени по часам движущегося наблюдателя, соответствующие различным её участкам - оказываются разными.

Рис. 6. Привычный мир становится странным, если вы работаете во вращающейся комнате. Установка лаборатории Грэйбиля.

Создание современной теории тяготения было немыслимо без специальной теории относительности, без глубокого понимания структуры классической электродинамики, без осознания единства пространства-времени. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени.

Рис. 7. Девиация геодезических линий.

Рис. 8. Графическая иллюстрация искривления пространства-времени под воздействием материальных тел — одного из главных предсказаний общей теории относительности. Слева — незначительная воронка, образовавшаяся под воздействием Солнца; в центре — гравитационное поле более тяжелой нейтронной звезды; справа — глубокая воронка без дна, представляющая черную дыру.

Таким образом, в теории относительности, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

Рис. 9. Схематичное представление плоского  пространства.

Рис. 10. Земля остается на орбите вокруг Солнца потому, что катится по ложбине в искривленной структуре пространства. Она следует «линии наименьшего сопротивления» в деформированной окрестности Солнца.

Рис. 11. Пример искривленного трехмерного пространства, окружающего Солнце.

В настоящее время  теория относительности — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия.

Рис. 12. Снимок Меркурия, сделанный аппаратом ''Mariner-10''.

Рис. 13. Аппарат ''Mariner-10'' облетающий Меркурий.

Американцы запускают космический аппарат к самой малоисследованной планете.

Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности.

Рис. 14. Самая известная ранняя проверка теории относительности стала возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 года. Артур Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями 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 гравитационом поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение.

Рис. 15. Эволюция теории гравитации продолжается. Петер Грик. «Антигравитация» (1998).

Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Рис. 16. Черная дыра – это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени.

Рис. 17. Черная дыра искривляет структуру окружающего пространства-времени настолько сильно, что любой объект, пересекающий ее «горизонт событий» – обозначенный черной окружностью – не может ускользнуть из ее гравитационной ловушки. Никто не знает в точности, что происходит в глубинах черных дыр.

Рис. 18. Рисунок художника: аккреционный диск горячей плазмы, вращающийся вокруг чёрной дыры.

Рис. 19. Многие ученые были уверены, что черных дыр в природе нет. Альберт Эйнштейн считал, что обосновал это математически.