Лекции для гуманитариев загадка эйнштейна
жүктеу/скачать 287.5 Kb.
|
|
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (2 лекции для гуманитариев) Содержание ВВЕДЕНИЕ ЗАГАДКА ЭЙНШТЕЙНА Биография Эйнштейна и история опубликования теории относительности Основные положения специальной теории относительности Эйнштейна РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СВЕТЕ Развитие физики Опыт Майкельсона Поиски выхода Баллистическая теория Вальтера Ритца ПРОВЕРКА ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Философское отступление
Опыты по проверке теории относительности РАЗГАДКА ЭЙНШТЕЙНА Странная судьба теории относительности и её создателя Сионизм ЗАКЛЮЧЕНИЕ Современные представления о свете, времени и пространстве ВВЕДЕНИЕ Слайд 1. Теория относительности и Альберт Эйнштейн Сегодня мы поговорим, пожалуй, об одном из самых известных учёных всего мира: Альберте Эйнштейне. А также об одном из самых непростых для понимания разделов физики: теории относительности. Слайд 2. Альберт Эйнштейн (1879-1955) В пору кризиса в физике на рубеже XIX и XX веков Эйнштейн выдвинул ряд смелых предположений и создал специальную теорию относительности, а затем и общую теорию относительности. Общепринято считать, что благодаря теории относительности физика преодолела кризис. При воспоминании об её создателе говорят не иначе как «гениальный Эйнштейн». Слова «талантливый», «выдающийся» даже не употребляются. Теория относительности не рассматривается в школьном курсе физики, поэтому мы кратко познакомимся с её основными положениями и выводами. Рассмотрим также влияние этой теории на последующее развитие физики. Смею вас уверить, что то, что вы в этой теме услышите, для большинства из вас будет совершенно неожиданным. Особенно в отношении вклада Альберта Эйнштейна в физику. А также в отношении значения релятивизма, т.е. принципа относительности, для развития естествознания. Поэтому внимательно старайтесь следить за ходом изложения и рассуждений. ЗАГАДКА ЭЙНШТЕЙНА Биография Эйнштейна и история опубликования теории относительности Альберт Эйнштейн родился в 1879 году в Баварии. Отец – Герман Эйнштейн – занимался торговлей. Мать – Полина Кох – была дочерью богатого штутгартского хлеботорговца. Как пишут биографы великого физика, в детские годы «будущая гениальность Эйнштейна внешне никак не проявлялась». Он долго учился говорить, и в семилетнем возрасте «мог лишь повторять короткие фразы». С шести лет обучался игре на скрипке. Правда, тоже без особого успеха. Десяти лет поступил в гимназию. Был равнодушен к учёбе. Хотел взять полугодовой отпуск по справке от психиатра. Но начальство гимназии предложило ему за год до окончания покинуть гимназию. Оканчивал обучение Эйнштейн в другой гимназии. Со второй попытки Эйнштейн поступил в Цюрихский политехнический институт. Там же он познакомился со своей будущей женой Милевой Марич. Слайд 3. Кратко об Эйнштейне В 1900 году Эйнштейн окончил Цюрихский институт со средним баллом 4,09 и оценкой за диплом 3,75 в переводе на пятибалльную систему. В Германии то время использовалась шестибалльная шкала. Мать Эйнштейна была против его брака с Милевой Марич из-за её сербского происхождения. Однако с Милевой Эйнштейн прожил более 10 лет. И у них родились дочь и двое сыновей. Вскоре после окончания Цюрихского института, т.е. в 1902 году, Эйнштейн поступил на работу в патентное бюро в Берне.
Статья не содержала ни одной литературной ссылки. Прежде этот независимый исследователь ничего не публиковал по обсуждавшемуся вопросу. При чтении статьи создавалось впечатление о полной оригинальности как постановки, так и решения задачи, о первооткрытии всех изложенных там результатов. Не сохранилось никаких черновиков первых работ Эйнштейна. Рукопись этой статьи, поступившей в редакцию тремя месяцами раньше, была подписана Эйнштейном и его женой Милевой Марич. О Милеве Марич Эйнштейн говорил друзьям: «Математическую часть работы за меня делает жена». Рукопись статьи не сохранилась.
К известному Эйнштейн добавил в своей статье формулы релятивистского эффекта Допплера и аберрации, которые немедленно вытекают из преобразований Лоренца. Статья Эйнштейна в момент появления была практически не замечена в научном мире. Его теория относительности была признана научным сообществом, начиная с 1915 года, когда он опубликовал её развитие на явления тяготения: общую теорию относительности. Ранее опубликованная часть теории стала называться специальной теорией относительности. Анри Пуанкаре умер в 1912 году. В этом же году и в последующие годы Эйнштейн безуспешно выдвигался на Нобелевскую премию за теорию относительности. Эта премия ему, в конце концов, была присуждена в 1922 году. Но не за теорию относительности, как считает большинство людей, а за исследование внешнего фотоэффекта.
Результат, полученный Эйнштейном, выглядит так. Слайд 6. Формула связи потери массы тела при излучении энергии Не все знают также, что общеизвестная формула «Е равняется м ц квадрат» принадлежит не Эйнштейну, а всё тому же Анри Пуанкаре, который её доказал и опубликовал в 1900 году. Об этом Эйнштейн написал сам в своей статье, напечатанной в 1906 году. Основные положения специальной теории относительности Эйнштейна Слайд 7. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.) Основу специальной теории относительности, предложенной в 1905 году, составляют два постулата. Постулат – это недоказываемое утверждение, принимаемое на веру. Подобие аксиомы в математике или догмы в религии. Постулат первый. Движение системы отсчёта по инерции не может быть обнаружено никакими физическими опытами внутри закрытой лаборатории, связанной с этой системой отсчёта. Постулат второй. «…свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с, не зависящей от движения излучающего тела». Свою теорию относительности Эйнштейн основывал на постулатах и развивал с помощью рассуждений и мысленных экспериментов. Слайд 8. Основные выводы из специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.) Сокращение длин, замедление времени, увеличение массы и так далее. В итоге получаются выводы, которые не укладываются в обыденном сознании. Слайд 9. 1. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, происходит сокращение длины вдоль направления движения Есть две системы координат: одна – XYZ, с которой связан наблюдатель, и вторая – X’Y’Z’, движущаяся относительно первой со скоростью v. 1. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, происходит сокращение длины вдоль направления движения. Слайд 10. 2. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, время движется медленнее Второй вывод. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, время движется медленнее. Слайд 11. Движение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно. (1) Третий вывод. Движение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно. Что это значит? Например, две ракеты движутся навстречу друг другу. Скорость каждой относительно неподвижного наблюдателя равна половине скорости света. При этом скорость их сближения с точки зрения наблюдателя не будет равна скорости света, а будет меньше. Если на каждой ракете произойдёт вспышка света, то световые волны будут сближаться не с удвоенной скоростью света, а с одинарной.
После создания Эйнштейном общей теории относительности в 1915 году добавились ещё несколько столь же «ошеломляющих» выводов. Слайд 14. Основные выводы из общей теории относительности Эйнштейна (1915 г.) 4. Пространство вблизи тяготеющих масс искривляется. 5. Время вблизи тяготеющих масс замедляется. Большинство людей при знакомстве с теорией относительности начинает чувствовать себя полными идиотами. Отсюда искреннее восхищение гениальностью Эйнштейна, который, согласно общепринятому мнению, своей научной смелостью помог мировой физике преодолеть кризис, в котором она находилась на рубеже XIX – XX веков. Однако иным было отношение к идеям Эйнштейна профессиональных физиков того времени. Посмотрим, в чём суть кризиса в физике.
К XIX веку в физике в значительной мере раздельно рассматривались такие явления как свет, электричество, магнетизм, колебания и волны. Свет, электричество, магнетизм, колебания и волны. Однако, в конце концов, была уяснена глубокая взаимосвязь этих явлений. Слайд 17. Развитие физических представлений в XIX веке Электричество и магнетизм, как выяснилось, порождают одно другое. Переменный электрический ток рождает магнитное поле. Изменение магнитного поля рождает электрическое поле и электрический ток. И так далее. Выяснилось, что распространяющееся электромагнитное поле имеет свойства волны. Что свет – это тоже электромагнитное поле. Высшей формой соединения знаний об электричестве и магнетизме стали четыре уравнения Максвелла. Слайд 18. Классическая механика Ньютона и Галилея Наиболее законченной среди других разделов физике была механика. Основы классической механики были заложены Ньютоном и Галилеем. Для нашего рассмотрения важны её следующие положения.
Тела, не испытывающие воздействия сил, движутся равномерно и прямолинейно. Более точно принцип звучит следующим образом: Если на тело не действуют никакие силы или их сумма равна нулю, то такое тело движется равномерно и прямолинейно, т.е. по инерции. Система отсчёта, связанная с телом, движущимся по инерции, называется инерциальной.
Скорость движения тела складывается из скорости его движения в избранной системе отсчёта, а также скорости движения самой системы отсчёта. Принцип относительности Галилея. Все законы механики одинаковы в инерциальных системах отсчёта. Это означает, что движение системы отсчёта по инерции не может быть обнаружено с помощью механических опытов внутри закрытой лаборатории, связанной с этой системой отсчёта. Этот принцип относительности пришёл на смену учению Птолемея, объяснявшему неподвижное положение Земли в центре мироздания так: «Земля неподвижна, в противном случае облака и птицы отставали бы от ее движения» Слайд 19. Два представления о свете, сложившиеся в физике в XVII веке Объяснение природы света почти одновременно в конце XVII века предложили Гюйгенс и Ньютон. Но объяснили они известные к тому времени опыты и наблюдения по-разному. По Ньютону, свет – это поток частиц в пустоте. По Гюйгенсу, свет – это волна в эфире. Справедливости ради надо заметить, что в конце своей жизни Ньютон опубликовал труд, в котором пытался объяснить природу света, в том числе, и с помощью волн эфира, возмущённого корпускулами.
Корпускулы могли распространяться в пустоте. Слайд 21. Сложение скорости системы отсчёта со скоростью частиц света в ней Ньютон считал самоочевидным, что к скорости корпускул добавляется скорость источника света. В соответствии с принципом относительности Галилея. Слайд 22. ГЮЙГЕНС: Свет – это волна в эфире Гюйгенс определил свет как упругий импульс, распространяющийся в особой среде – эфире, заполняющем пространство. В основанной им волновой теории свет рассматривался как волны эфира и уподоблялся волнам в воздухе. Скорость света по Гюйгенсу не зависела от скорости источника и была одинакова во всех направлениях.
Этому способствовали опыты со светом Френеля, а также исследования электричества и магнетизма, сделанные Фарадеем, Максвеллом и Герцем. Закрепилось представление, что свет – это электромагнитная волна, а мировой эфир – это среда, в которой распространяются электромагнитные волны. Свет – электромагнитная волна, распространяющаяся в мировом эфире. Мировой эфир – среда, заполняющая всё пространство, для распространения электромагнитных волн. Т.е. для морских волн среда – вода, для звуковых волн среда – воздух, а для световых волн среда – мировой эфир.
С ним связывалась абсолютная система отсчёта. Слайд 27. Движение Земли вокруг Солнца по орбите. Среда – мировой эфир? Поскольку было известно, что Земля движется вокруг Солнца по орбите, то она при этом должна была двигаться и относительно мирового эфира. Встал вопрос. Какова скорость движения Земли относительно мирового эфира? Из принципа относительности Галилея следовало, что механические опыты не позволят получить ответ на этот вопрос. Поэтому появилась надежда, что измерить скорость Земли в эфире окажется возможным с помощью оптических опытов. Когда быстро едешь на велосипеде в безветренную погоду, то всегда ощущаешь встречный ветер. Таким образом, предстояло обнаружить эфирный ветер, используя опыты со светом. Для выяснения, с какой скоростью Земля движется относительно мирового эфира, был поставлен специальный опыт. Слайд 28. Опыт Майкельсона (1881 г.) Это был опыт Майкельсона 1881 года. Цель: измерить скорость движения Земли по орбите относительно мирового эфира. Средство: опыты со светом. Способ: измерение разности задержек света при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите. В чём состояла идея опыта. Известно, что Земля обращается вокруг Солнца. Слайд 29. Последовательные положения Земли на орбите через полгода Скорость движения Земли по орбите – около 30 километров в секунду. Летом Земля летит в одну сторону, зимой – в противоположную. Следовательно, разность скоростей относительно эфира зимой и летом должна составлять удвоенное значение, или 60 километров в секунду. Это достаточно большое значение и при хорошо поставленном опыте может быть обнаружено.
Скорость вдоль движения должна была зависеть от времени года, а скорость поперёк движения должна была оставаться постоянной. Слайд 31. Упрощённая схема установки Майкельсона по измерению разницы в задержках света вдоль и поперёк движения по орбите Если упрощённо, то установка состоит из двух плеч одинаковой длины, на концах которых укреплены зеркала. Одно плечо расположено вдоль движения Земли по орбите, а второе – поперёк. Слайд 32. Идея опыта Майкельсона Мультфильм Идею опыта, если очень упрощённо, можно объяснить так. Слайд 33. Кадр 0 В начале отсчёта производится вспышка. По мысли Майкельсона свет от вспышки будет распространяться в мировом эфире подобно волнам на воде. В это время установка будет перемещаться вместе с Землёй, удаляясь от точки вспышки.
Точка отражения становится вторичным источником волн. Слайд 43. Кадр 10 Слайд 44. Кадр 11 Затем свет достигает зеркала 1. Зеркало 1 удаляется, поэтому отражение от него происходит позже. Слайд 45. Кадр 12 Слайд 46. Кадр 13 Слайд 47. Кадр 14 Слайд 48. Кадр 15 Слайд 49. Кадр 16 Слайд 50. Кадр 17 Слайд 51. Кадр 18 (последний) Отражённый луч от зеркала 2 приходит в начало отсчёта установки. Вскоре после этого приходит луч, отражённый от зеркала 1. Если движение относительно мирового эфира есть, разница задержек будет. Если движения относительно мирового эфира нет, то отражённые лучи придут одновременно. И такой опыт был поставлен. Слайд 52. Итог опыта Майкельсона Однако, вопреки ожиданиям, он не выявил эфирного ветра. Быть может, была слишком большой погрешность? Слайд 53. Погрешности опытов по определению скорости эфирного ветра В опыте, который поставил Майкельсон в 1881 году, погрешность составляла 18 километров в секунду. Это не такая уж большая погрешность, поскольку ожидаемая скорость движения Земли относительно эфира 30 километров в секунду. Отрицательный результат мог означать, что скорость эфирного ветра была меньше этого значения погрешности. В 1887 году опыт был повторён с участием Морли уже с меньшей погрешностью, а именно: 7 километров в секунду. Результат тот же. Опыты не прекращались. И к 1925 году физиком Иллингвортом был поставлен опыт с погрешностью уже 1 километр в секунду. Эфирный ветер не обнаруживался. Не обнаружен он и до сих пор. Поиски выхода Отрицательный результат опыта Майкельсона настоятельно требовал объяснения. Слайд 54. Предложение Хендрика Лоренца (1883 г.) для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона Поэтому уже через два года в 1883 году Хендрик Лоренц, который был и остался сторонником существования эфира, выдвинул предположение о сокращении длины в направлении движения. Т.е. более чем за 20 лет до теории относительности Эйнштейна. Слайд 55. Предложение Хендрика Лоренца: при движении происходит укорочение продольного плеча, обеспечивающее одновременность отражения Если допустить, что происходит сокращение длины в направлении движения через эфир, опыт Майкельсона должен всегда давать отрицательный результат. Слайд 56. Преобразования Лоренца (1895 г.), обеспечивающие сокращение продольных размеров тел при движении Ещё через два года в 1895 году Лоренц публикует математический аппарат, касающийся сокращения длины. Помимо сокращения длины Лоренц был вынужден ввести и ещё один искусственный математический элемент: «местное время». То есть время в неподвижной и движущейся системах координат течёт с разной скоростью.
Если считать, что мирового эфира нет, то нет и связанной с ним мировой системы отсчёта. Отсутствие абсолютной системы отсчёта означает, что никакая система отсчёта не имеет преимуществ. Т.е. все инерциальные системы отсчёта равноправны.
Например, второй закон Ньютона («Эф равняется эм умножить на а») F = m a одинаково выглядит во всех инерциальных системах отсчёта. Т.к. ускорение от скорости системы отсчёта не зависит. Слайд 60. Взгляды Пуанкаре. (3) Пуанкаре хотел, чтобы не только уравнения механики, но и все уравнения физики, в том числе и уравнения Максвелла, выглядели одинаково в различных системах отсчёта. Т.е. видно, что Пуанкаре как математик развивал физику с точки зрения математики. Его путеводной звездой было не стремление к постижению физической сути явлений, а красота и согласованность математической формы. В 1902 году Пуанкаре выдвинул принцип относительности, который у Эйнштейна годом позже стал первым постулатом. жүктеу/скачать 287.5 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|