Релятивистская это: Релятивизм как эпистемологическая проблема Текст научной статьи по специальности «Философия, этика, религиоведение»

Содержание

Релятивизм как эпистемологическая проблема Текст научной статьи по специальности «Философия, этика, религиоведение»

18 ноября 2003 г. в Институте философии РАН состоялось двенадцатое заседание семинара «Проблемы рациональной философии» (руководители Д.И. Дубровский, И.Т. Касавин). С докладом на тему «Релятивизм как эпистемологическая проблема» выступила Л.А. Микешина, содоклад представил М.А. Розов. Кроме этого, выступали B.C. Степин, И.Т. Касавин, Е.А. Мамчур, Л.А. Маркова, В.М. Межуев, А.Л. Никифоров и др. Некоторые из представленных материалов мы и публикуем сегодня.

елятивизм как эпистемологическая проблема

Л А МИКЕШИНА

Проблема релятивизма сегодня по-прежнему актуальна и не только потому, что она постоянно «возрождается из пепла», но и по причине новых источников, порождаемых современной наукой, допускающей плюрализм как сосуществование и диалог разных концепций и эквивалентных описаний, а также постмодернистских подходов, широко проникающих в различные сферы культуры и, в частности, в эпистемологию. Очевидно, что релятивизм, долгие годы пребывавший на «обочине» гносеологических и методологических исследований и олицетворявший препятствие для получения истинного знания, в современной эпистемологии должен быть переоценен и переосмыслен как концептуальное выражение неотъемлемой релятивности знания, его динамизма и историчности.

Необходимость уточнения понимания релятивизма в познании. Прежде всего должно быть осознанно, что релятивизм как эпистемологическая проблема не исчерпывается упрощенным и «архаическим» его понима-

нием, жестко определяемым абсолютностью и «единственностью» истины. Так, К. Поппер в «Мифе концептуального каркаса» определяет релятивизм как воззрение, отрицающее абсолютную или объективную истину и признающее «существование одной истины для греков, другой для египтян, третьей — для сирийцев и так далее»1. Вместе с тем он признает «идею культурного релятивизма» и более того, как известно, исходит из принципа фаллибилизма, признавая, что научное знание носит лишь гипотетический характер и подвержено ошибкам и предполагает принципиальную фальсифицируемость. , культурно-исторических, социальных, психологических и ценностных факторов. Главные формы: этический (моральный), эпистемологический (познавательный) и культурный релятивизм. Этический релятивизм полагает, что не существуют безусловные, общие для всех культур моральные ценности и нормы, коренящиеся в неизменной, внеисторической человеческой природе. Необходимо принимать во внимание социальный контекст и нормы данного общества, которые признаются правильными для одного и неправильными для другого общества.

Эпистемологический релятивизм, широко обсуждаемый в современной философской литературе, не имеет однозначных оценок и рассматривается как одна из фундаментальных проблем. Известно, что Р. Рорти говорит о существовании двух традиций в современной философии, связанных с различием в понимании истины: одна — это традиция Плато-на-Канта-Гегеля, понимавших путь к истине как движение к верному представлению о мире «как он есть сам по себе», которая основу достоверных X’ суждений видит в чувственных данных и ясных идеях. Фуко, Ж. Деррида, а также представителей американского прагматизма и Ч аналитической философии У. Джемса, Р. Рорти, У. Куайна, Т. Куна и др. К Однако сами они не считают себя противниками рационализма и не ут-I верждают, что истины — всего лишь «удобные фикции», но отказываются от традиционного философского проекта — найти прочные и неизменные критерии и основания для суждений. Я думаю, что позиция Рор-

Ф X (О

н

Поппер К. Логика и рост научного знания. М., 1983. С. 572.

ти требует уточнения: релятивизм не является самостоятельной тенденцией, а тем более направлением среди других, но настойчиво проявляется как неотъемлемое свойство познания вообще, что стало явным особенно в современном познании, где плюрализм и «множественность миров», подходов, критериев, систем ценностей, парадигм становятся общепризнанными.

В контексте и идеалах классической рациональности релятивизм по-прежнему подвергается критике и категорическому неприятию. В представлениях об абсолютной истине, абсолютном наблюдателе, признании истины как объективного, независимого от сознания, определенного, адекватного знания релятивизм не может быть признан как имеющий право быть. Однако многолетняя борьба с этим феноменом не дает результата, а современные науки и постмодернистские подходы вынуждают признать релятивность знания как неотъемлемый и значимый момент познавательной деятельности человека.

Очевидно, что предпосылки релятивизма в познании (и как феномена, и как концепции) — это прежде всего различные объективные свойства материального и духовного мира, такие как изменчивость, развитие, объективная неопределенность явлений и процессов, развитие и изменение самого человека, общества, человечества в целом. Это традиционно признаваемые и описываемые характеристики мира, которые не могут быть отрицаемы, однако, признавая данный факт, философы и ученые не всегда с ними соотносят неизбежность возникновения релятивизма. освобождения сознания и разума от реального человека и мира — это Ц путь трансцендентальной философии, выявившей богатейшие возмож- К ности мира абстракций и идеализаций, но утратившей целостного по- 5 знающего человека. В случае трансцендентального субъекта, или «созпа- ¡0 ния вообще», проблема релятивизма как релятивности знания просто не ® возникает; изменчивость и неопределенность мира и способов представ- «о ления знания либо не принимаются во внимание, либо для них создают Н

логический, математический аппарат, а субъект «живет» по законам предельно абстрактного автономного мира «теоретизма» и априорных принципов. Это сфера точных наук, логики, отчасти философии, если она построена как трансцендентальная система или, например, на основе феноменологической редукции. Близки к этому также логический позитивизм и аналитическая философия с их стремлением к методологически и логически строгому, аргументированному знанию.

Однако кто объявляет войну релятивизму и надеется на победу, тот должен остаться только на этом уровне философского и научного анализа — трансцендентального субъекта, автономной, закрытой системы рассуждения. Но это можно пытаться сделать только в узкой сфере познания — абстрактно-теоретической, формализованной, трудно осуществить в опытных, эмпирических науках и совсем невозможно в гуманитарном и социальном познании, где культурно-исторические, временные и пространственные, социально и индивидуально личностные свойства актора и автора, т.е. эмпирического субъекта, представляют суть дела.

Итак, основаниями для постоянного воспроизводства релятивизма непосредственно в духовной и познавательной деятельности человека служат именно те свойства эмпирического субъекта, которых искусственно лишается «сознание вообще» как трансцендентальный субъект с целью достижения всеобщности и необходимости, преодоления случайного и индивидуально-личностного. В случае эмпирического субъекта речь идет о восстановлении «человеческого измерения» познания и его субъекта, сочетания духовного и телесного начал, соответственно происходит «снижение» уровня абстракции, что создает опасность выйти за пределы собственно философского анализа. «простирающуюся на все времена длительность», истина принадлежит к Ч области абсолютно обязательного, основанного на идеальности. Однако (К Гуссерль позднего периода осознает неполноту и односторонность та-I кой позиции. Стремясь преодолеть объективизм и натурализм в науч-ц ном познании, он ставит проблему введения в науку человеческих смыс-Ф

<0

а

2 Гуссерль Э. Логические исследования. Часть первая. Пролегомены к чистой логике. СПб., 1909. С. 101.

лов и «жизненного мира». Он признал, что истине не чужда и повседневная жизнь человека, хотя «истина и обнаруживается здесь лишь в своей обособленности и релятивности».

Мне представляется, что вся философия в понимании релятивизма должна пройти путь Гуссерля, осознав, что сведение «человеческого измерения» в познании (сознании) только к психологическому (психическому) и толкование релятивизма только на основе «единственности истины» существенно обедняют и даже искажают саму проблему истинного познания. С введением «жизненного мира» и осознанием присутствия человеческих смыслов в основании науки Гуссерль, по существу, признал объективную значимость культурно-исторических и социально-психологических параметров познания (культурный релятивизм), хотя и остался противником психологизма в традиционном (индивидуально-психологи-ческом) смысле.

Проблема релятивизма в социологии познания. Напомню некоторые подходы к этой проблеме в истории философии. Поиск нетрадиционной оценки и решения проблемы релятивизма осуществил КМангейм — один из основоположников социологии познания, исходивший из того, что решение проблемы релятивизма особенно значимо для этой области знания и одновременно связано с переосмыслением эпистемологии, теории познания в целом. Он осознает ограниченные возможности традиционной теории познания, которая базируегся на достаточно узком «эмпирическом поле» — естественных науках. Концепция Мангейма рассматривает моменты многообразия, изменчивости, релятивности, существенно отличающие ее от традиционной рационалистической, а по существу «абсолютистской» и догматически неизменной теории познания.

Мангейм обозначает саму суть проблемы: знание, претендующее на «абсолютность», «истину в себе», — это знание, фиксирующее с помощью логико-эпистемологических средств объект вне времени, изменений и динамизма, вне перспективы и ситуации, но по существу, а не по претензиям, являющееся «частным подходом». В то время как релятивизм открыто не претендует на «истину в себе» и окончательность полученного знания, а стремится найти средства и приемы — «эпистемологический X аппарат» для повременного и ситуационно обусловленного, относитель- и ного и конкретного процесса получения знания. Именно в связи с этим Мангейм вводит понятия «динамических стандартов мышления и практики», «динамической истины», полагая, что «будет создан стандарт ди- Ч намики, ее форма и переопределено соотношение между абсолютным и к

относительным соответствием новому динамическому видению». Такой 2

Л С

ас и

подход позволит преодолеть так называемый «безусловный релятивизм», внутреннюю противоречивость которого отметил еще Платон, указавший, что утверждение относительности само претендует на абсолютную ценность. В то же время не следует считать релятивизмом признание того, Н

что «абсолютное начало» может быть понято только в генетическом процессе и с определенных позиций, во времени и в ситуации, это другое, а именно «статистическое и динамическое качество концепции истины». То, что истина «доступна только в разных плоскостях, — это само по себе аспект этой истины, множественность же этих плоскостей подразумевает не произвольный их характер, а всего-навсего их приближение к подвижному объекту с подвижных позиций»3.

Мангейм вводит понятие реляционизма, понимая под этим соотнесение высказывания с определенной интерпретацией мира и социальной структурой как ее предпосылкой. Открыто не претендуя на окончательность полученного знания, он стремится найти средства и приемы — «эпистемологический аппарат» для «повременного и ситуационно обусловленного», относительного и конкретного процесса получения знания. Реля-ционизм переходит в релятивизм, если он сочетается с идеалом абсолютных, оторванных от наблюдателя и перспективы его видения истин. Историзм, отождествлявшийся с релятивизмом (о чем также писал Гуссерль) и поэтому оценивавшийся отрицательно, прежде также не входил в поле рационального познания. По Мангейму, становление историзма связано с идеей эволюции. Сегодня очевидно, что поскольку реальное, «фактическое» знание имеет свою историю и формируется в контексте истории культуры и социума, то должны быть найдены формы рационального осмысления историзма и введения его в философию познания. Кто и как искал?

В. Дильтей, разрабатывая методологию исторического знания, «критику исторического разума», наук о культуре в целом, искал и предлагал новые способы и типы рациональности, передающие релятивность исторического познания, но стремящиеся сохранить «научность» и преодолеть необоснованный релятивизм.

Французский социолог П. «иначе чем на вероятностных основаниях, невозможно знать, что идея

0) X я

н

‘ Мангейм К. Очерки социологии знания. Теория познания — мировоззрение — историзм. М., 1998. С. 1б9-

разума соответствует независимому объекту»4. Он исходит из того, что после Канта есть лишь два разумных подхода — скептицизм, борьба с которым оборачивается догматизмом, и релятивизм, утверждающий, что знание не имеет абсолютного обоснования. Со времен Платона философы считают необходимым бороться с релятивизмом, но «мало кто глубоко размышлял о его законных источниках». Ситуация усугубляется тем, что отрицательное отношение к «моральному релятивизму» как бы переносится на эпистемологический релятивизм, тем самым «затемняя» правомерность и суть самой проблемы.

Отмечу, что традиционно одной из причин, порождающих релятивизм в познании, считается некорректное решение проблемы ценностей в познании, дихотомии «факт — оценка (ценность)», нарушение стандартов современной науки, требующих жесткого разведения этих феноменов. Однако обращение к античной философии (соотношение знания и добродетели), анализ работ Декарта (например, «Рассуждения о методе»), Лок-ка, Юма показывает, что они не ставили явно проблему свободы науки от ценностей и не разводили жестко, как в современной науке, «факты» и «ценности», полагая, в частности, моральные нормы непосредственно включенными в правила научного метода. Если сегодня настойчиво утверждается, что под влиянием ценностей познание «деформируется», в нем «пускает корни» релятивизм, то можно напомнить, что Кант, напротив, среди причин ошибок и иллюзий теоретического разума видел также отсутствие контроля со стороны морального (т.е. ценностного) сознания, или практического разума.

Отношение к релятивизму в научном познании. Анализ истории науки показывает, что релятивность принципов и правил метода, или, по выражению П. Фейерабенда, «либеральная практика», привычна для науки, «разумна и абсолютно необходима» для ее развития.

Ф

X и X

4 Рокмор Т. Математика, фундаментализм и герменевтика // Вопросы философии, 1997, № 2. С. 89.

5 Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., 1986. С. 177.

<0

н

Обращение к релятивизму в истории идей и принципов математики и физики показывает, что он вовсе не возникает только как следствие культурно-исторических, социальных и психологических факторов развития науки. Мне представляется, что здесь также необходимо провести различение причин релятивизма — внутренних, как филиации идей и логико-методологических принципов, и внешних — социокультурных факторов в науке. Иными словами, нельзя утверждать, что релятивизм появляется потому, что развитие науки философы стремятся объяснить с привлечением факторов культурно-исторического характера — «культурный релятивизм», и именно в этом русле лежит выявление специального направления (или традиции) в философии познания и науки, называемого Рорти «релятивизмом».

Вместе с тем, один из современных философов науки (естествознания) Я. Хакинг в своей известной книге «Представление и вмешательство. Начальные вопросы философии естественных наук» (1982) вообще не употребляет понятия «релятивизм», и не только потому, что его цель — «науч-II ный реализм», а не рациональность и «разум», но и потому, как я понимаю, что его представление о рациональности, истине, «образе науки» в целом не нуждается в этом термине. Он стоит на стороне Фейерабенда, который был «давним врагом догматической рациональности» и призывал к тому, чтобы не было канонов рациональности, привилегированных «хороших оснований», предпочтительной науки или парадигмы. Для него рациональность тоже «лишена очарования», а как способ мыслить о содержании естественной науки реализм «гораздо интереснее», поскольку он принимает объекты, упоминаемые в теории, действительно существующими. Необходимо также считаться с тем, что существует много типов рациональности, стилей мышления, методов, «образов жизни», представляющих различные, но рациональные доводы. ковом пришли в современную философию и культуру из самой науки

© конца XX века, где исследуются как мир малых скоростей, так и мир. где

(О скорость приближается к световой; мир макротел и мир микрочастиц, и

Н т. д. Представители эволюционной эпистемологии рассуждают о мезо-

косме — мире средних размерностей как собственно человеческом мире, определяющем его «коренную интуицию». Современная наука не только допускает, но даже нуждается в сосуществовании и диалоге разных типов рациональности как классической, так и неклассической, признающей релятивизм как неотъемлемое и постоянно воспроизводящееся свойство научного познания.

Итак, исследования эпистемологического релятивизма показали, что фактически существуют различные его смыслы: во-первых, абсолютизируется сам момент релятивности как изменчивости, неустойчивости, связанными с индивидуальными особенностями познающего и именно в этом случае преобладают отрицательные оценки данного феномена, как неплодотворной формы релятивизма, разрушающего классические представления об абсолютности и единственности истины; во-вторых, релятивизм понимается как обязательный учет фундаментальной обусловленности познавательной деятельности многочисленными факторами различной природы, и в этом смысле он предстает неотъемлемым свойством и особенностью как эмпирического, так и теоретического познания.

Сегодня очевидно, что то, что считалось «противосмысленным» — эмпирические элементы, изменчивость, временность, ценностные предпочтения, культурно-историческая обусловленность, — не «помехи», а фундаментальные параметры реального, «живого» человеческого познания, отвлечение от которых либо неправомерно, либо осуществляется но необходимости в силу неразвитости понятийного аппарата и чрезвычайной сложности «живого» релятивного познания. Как я понимаю, за хитроумными уловками выхода к «чистому сознанию» и хирургическими приемами по отношению к психологизму, историзму и релятивизму скрывалось, по-видимому, отсутствие разработанного категориального аппарата и соответствующих приемов философского анализа бесконечно сложного, меняющегося во времени и ситуации человеческого познания.

Современная эпистемология, все чаще обращающаяся к опыту не только естественных, но и социально-гуманитарных наук, нуждается в разработке новых понятий и методов, в расширении сферы и выявлении иных форм рационального. Требуется разработка логических оснований со-циальных и гуманитарных наук, расширение области применения логи- и ки, в том числе неформальной, и это дело не безнадежно. За многими современными проблемами — интерпретации, конвенции, истины и правдоподобия, гипотетического реализма, когнитивной веры, неявного с( знания и других — в той или иной степени стоит проблема релятивизма, IX

разные формы рационального осмысления которого предлагают сегод- х

л с

и

ня философы, методологи и логики. Задача состоит в том, чтобы найти логические понятия, приемы и методы для фиксации в гуманитарном и социальном знании слабо формализуемых рассуждений, расплывчатых идей, а также изменчивых и неопределенных феноменов, служа- н

щих условием и предпосылкой релятивизма в познании. Разумеется, такая задача неизмеримо более сложная, чем применение логики и математики к формализованному, «точному» естественнонаучному знанию.

Чтобы показать, что эта задача уже осознается и существуют попытки ее решения, обратимся к одному из отечественных примеров, особенно значимых для социально-гуманитарного знания.

Еще в работах A.C. Есенина-Вольпина была выдвинута концепция неологицизма, утверждавшая необходимость расширения прерогатив логики не только на естественнонаучное, но и на гуманитарное знание; излагались идеи теории рассуждений и организации знаний в гуманитарных науках и тех научных дисциплинах, понятийный аппарат которых содержит расплывчатые идеи, а способы рассуждений слабо формализованы6.

В.К. Финн, как философ и логик, поддержал идеи неологицизма, рассматривая его в качестве «философии обоснованного знания», особенно для социальных и гуманитарных наук, и осуществил дальнейшее развитие этих идей в новом ключе. Он исходит из того, что синтез логицизма и психологизма возможен, ибо объектом логического исследования теперь становится рассуждение на всех этапах рождения мысли: творческом, контрольном и исполнительском. Это значимо прежде всего для логической проблематики гуманитарного знания, поскольку оно обладает чертами, делающими логическую формализацию трудно выполнимой. Гуманитарное знание опирается не на понятия, а на идеи, при этом идея понимаегся как терм, т.е. имя, окруженное релевантным знанием; формализация рассуждений в этой сфере требует расширения понятия логического вывода и нетривиальных металогических средств. В частности, необходимо применение правил правдоподобного вывода в гуманитарных теориях, имеющих «открытый» характер, т.е. характеризующихся неполнотой знаний, требующих многозначных логик. Дополнительная сложность гуманитарных понятий — отсутствие, как правило, точных определений, отсюда возникает проблема различения понятий, имеющих определения и не имеющих их.

Рассуждение рассматривается как более общая логическая форма, ина-X че — «логический вывод есть частный случай логического рассуждения», и Оно позволяет осуществлять «построение последовательности аргумен-тов, вынуждающих принятие некоторого утверждения, которое и являет-^ ся целью рассуждения». Рассуждение есть синтетическая конструкция, Ч включающая абдукцию (по Ч.С. Пирсу, это принятие гипотез посредством К объяснения исходных данных), индукцию, дедукцию и метатеоретичес-X кие средства управления выводом, — это ДСМ-рассуждения (названы по ц имени Джона Стюарта Милля) и аргументативные рассуждения. По Фин-0) —

X 6 Есенин-Вольпин A.C. Философия. Логика. Поэзия. Защита прав человека. М.,

н

1999 (см., в частности, статьи «О логике нравственных наук», «Теория диспутов и логика доверия»).

ну, в этих типах рассуждений существует проблема релятивизации в определении истинностных значений, а именно: истинностные значения в ар!ументационных теориях определяются относительно заданного множества аргументов и функций оценки. Это не пугает Финна, он осознает и утверждает другое: истинностные значения в этом случае детерминируются не положением дел, но принятыми допущениями и применяемыми процедурами и, таким образом, теория истины для ДСМ-рас-суждений и аргументационных рассуждений является неклассической7.

На этом примере видно, что «борьба» с релятивизмом как с неотъемлемым свойством познания — это не истребление, что невозможно, но его рефлексия, экспликация и «рационализация» с помощью эпистемологических и логических средств, как уже существующих, так и тех, которые должны еще разрабатываться. Одновременно необходимо переосмыслить основные понятия классической теории познания — рациональности, субъекта, объекта и особенно истины, наивно-реалистического понимания ее объективности, «абсолютности» и «единственности», выявить их неклассические смыслы, реализуемые в современной науке.

и

и >•

и

1 Финн В.К. Интеллектуальные системы и общество. М., 2001.

К Я X Л

ц ф

X

н

Релятивизм — Психологос

Релятивизм (этический) (лат. relaiivus — относительный) — методологический принцип истолкования природы нравственности, лежащий в основе этических теорий.

Выражается в том, что моральным понятиям и представлениям придается крайне относительный, изменчивый и условный характер. Нравственные принципы, понятия добра и зла различны у разных народов, социальных групп и отдельных людей, определенным образом связаны с интересами, убеждениями и склонностями людей, ограничены в своем значении условиями места и времени.

Но за этим многообразием и изменчивостью моральных представлений релятивисты не усматривают ничего общего и закономерного. В конечном итоге релятивизм приводит к субъективизму в толковании нравственных понятий и суждений, к отрицанию в них какого-либо объективного содержания. Этический релятивизм часто выражал в себе стремление определенных социальных групп подорвать или ниспровергнуть господствующие формы нравственности, которым придавался абсолютный и догматический смысл (Абсолютизм). В истории этических учений релятивистское воззрение на мораль получает развитие уже в рабовладельческом обществе. Софисты, указывая на противоположность нравственных представлений у разных народов (то, что считается добродетелью у одних, осуждается как порок у других), подчеркивали относительность добра и зла (добро есть то, что полезно тем или иным людям).

В релятивизме софистов выразилось стремление развенчать абсолютные моральные установки, узаконенные многовековыми традициями прошлого. Подобное отношение к моральным принципам проявилось также у академиков — поздних последователей Платона. В новое время идеи этического релятивизма развивали Гоббс и Мандевиль, которые пытались подорвать основы религиозно-догматической нравственности феодализма, опровергнуть представление о ее абсолютном характере и божественном происхождении. При этом религиозно-идеалистическому пониманию морали они противопоставили материалистическое ее истолкование: источник нравственности — в интересах и склонностях людей, в их представлениях о полезном и вредном, а также в потребностях государственного устройства. Подчеркивая относительный характер моральных представлений, Мандевиль уделяет особое внимание критике учения о врожденных нравственных чувствах, распространенного в то время.

Крайние формы этического релятивизма сочетаются с полным отрицанием каких-либо объективных оснований нравственности. Наиболее характерна в этом отношении эмотивистская теория (Неопозитивизм). Ее сторонники считают, что моральные суждения не имеют никакого объективного содержания, а выражают лишь субъективные установки тех, кто их высказывает. Отсюда делается вывод, что моральные суждения нельзя считать ни истинными, ни ложными и что не следует даже ставить вопрос об их обоснованности и правомерности: каждый человек имеет право придерживаться тех принципов, которые ему предпочтительны, и любая точка зрения в морали одинаково оправданна. Такая форма этического релятивизма является теоретическим обоснованием морального нигилизма. Будучи реакцией на догматизм релятивистская точка зрения вместе с тем делает невозможной выработку четкой моральной позиции. Провозглашая принцип безусловной терпимости в морали, эмотивисты тем самым (хотят они этого или нет) теоретически оправдывают всякое социальное зло.

Релятивистская механика

Все законы и теории классической механики справедливы для материальных тел, движущихся со скоростями, которые значительно меньше скорости света в самом вакууме.

Определение 1

Релятивистская механика – это обширный раздел физики, в который превращаются учения Ньютона в случае, если тело движется со скоростью, близкой к скорости света.2 } $ , где $∆t$ — проходящее между двумя событиями время, за которым следит некий неподвижный объект, $∆t_0$ — время, наблюдаемое между двумя движущимися предметами с точки зрения наблюдателя, находящегося в постоянном движении, $v$ — относительная скорость движения тела, $c$ — показатель света в вакууме.

Замечание 1

Из формулы видно, что $∆t_0 > ∆t$. То есть, время начинает двигаться медленнее для наблюдателя, который находятся в состоянии покоя.

Очень наглядно эффект замедления временного пространства можно наблюдать в космических полетах, где движение осуществляется с релятивистскими скоростями. Ведь время на борту такого летательного аппарата течёт медленнее, чем на планете. Так, если космический корабль будет двигаться со скоростью, равной примерно 0,95 скорости света, его полет будет длиться 13 земных лет, однако на самом деле по часам на самом шаттле пройдет всего 7,3 года. А если корабль будет в полёте 54 года по собственному времени, то на Земле за это время пробежит уже почти 5 млн. лет. Скорее всего, ход всех процессов, а не только часов, в полете будет замедленным. Это замедление называют в науке релятивистским сокращением длины движущегося физического тела.

Длина любого предмета в релятивистской механике напрямую зависит от скорости. Этот эффект характеризуется тем, что для наблюдателя, находящегося в состоянии покой, все движущиеся относительно него объекты имеют меньшую длину, чем в действительности. И чем выше скорость движения предмета, тем меньшим он кажется.

Постулаты релятивистской механики

В основе релятивистской механики лежат два основных постулата:

  1. Принцип общей относительности движения физических тел, который предполагает равноправие всех инерциальных концепций отсчета. Любая система отсчета, которая движется относительно инерциальным принципам равномерно и прямолинейно начинает становиться инерциальной системой отсчета. Движение с постоянной по направлению и модулю скоростью называется прямолинейным движением. Таким образом, общность всех методов означает, что во всех законах физики эти системы будут одинаковы. Это утверждение называется в физике релятивистской инвариантностью.
  2. Принцип стабильности скорости света в вакууме, который принято обозначать буквой $c$ ($c = 300000 км/с$). Эта закономерность означает, что световая скорость в пустоте не зависит от движения самого источника света. Форсирование физических процессов является максимальной вероятностью для дальнейшего распространения материальных взаимодействий.

Иными словами, первый постулат подразумевает, что, будучи в закрытой кабине и производя длительные наблюдения над электрическими и магнитными явлениями, невозможно сразу установить, покоится объект или осуществляет движение прямолинейно.

Замечание 2

Тем самым определяется относительность определений «стабильность» и «равномерное движение».

Используя эти два принципа, Эйнштейн смог создать новые математические преобразования Лоренца, наполнив их физическим смыслом. Таким образом, временной промежуток между двумя несвязанными между собой событиями непосредственно зависит от системы отсчета, то есть является относительным.

Основные положения релятивистской кинематики

Определение 2

Релятивистская кинематика — это универсальная теория относительности, которая основывается на двух постулатах: принцип инвариантности Эйнштейна и учения о постоянстве скорости света.

Данное направление в науке имеет собственные положения, которые заключаются в следующем:

  • относительность одновременности – два события, находящиеся в разных системах, являются одновременными, если они имеет место быть в один и тот же момент времени;
  • длина движущегося тела — в некоторой системе отсчета определяет расстояние между двумя основными точками координат, с которыми совпадают начало и конец тела в одно и то же временное пространство;
  • собственное время — интервал времени между определенными событиями, которые произошли в одной и той же точке собственной системы начального отсчета, тесно связанной с движущимся со скоростью объектом;
  • преобразование скоростей — устанавливает связь между проекциями скорости точки в двух произвольных зонах отсчета.

Можно утверждать, что интервал между двумя определенными событиями является инвариантом относительно преобразований Лоренца. В релятивистской механике кинетическую энергию элементарной частицы возможно представить, как разность полной энергии и энергии покоя.

На сегодняшний день релятивистская механика во многом стала инженерной наукой, с помощью которой экспертам удается анализировать и предотвращать возможное столкновение элементарных частиц, а также определять взаимодействие веществ и вообще всех физических процессов со скоростями, близкими к световой. Все современные и мощные ускорители заряженных элементов планируются и рассчитываются исключительно на основе релятивистской механики.

Релятивистская эффект — Справочник химика 21

    Вычислите энергию основного состояния иона иэ + (атом урана, у которого остался только один электрон). Квантовомеханические системы удовлетворяют теореме вириала, согласно которой Е = — Т» = Vj2. Какова кинетическая энергия электрона на ls-орбитали иона U + Какова среднеквадратичная скорость этого электрона Для частиц, скорость которых мала по сравнению со скоростью света, можно пренебречь релятивистскими эффектами. Должны ли учитываться релятивистские эффекты для электрона иа li-орбитали атома урана  [c.101]
    Для проведения процессов плавки, испарения и термообработки применяют пушки со средней й большой мощностью пучков (от 5 до 1200 кВт), удельной поверхностной мощностью от нескольких десятков киловатт на квадратный сантиметр с диаметром пучков до 100 мм. По применяемым ускоряющим напряжениям различают установки низкого (20-200 кВ), среднего (от 200 до 600 кВ) и высокого (600 кВ -5 MB) напряжения. Ускоряющее напряжение технологических электронно-лучевых установок находится в пределах 10-150 кВ, а в химических электронно-лучевых процессах- 300 кВ, реже 1 MB и выше. В диапазоне ускоряющих напряжений 10-150 кВ скорость электронов составляет 0,2-0,6 скорости света. При напряжении выше 100 кВ следует учитывать релятивистские эффекты, так как кинетическая энергия электрона, ускоренного в поле напряжением U до скорости v, равна [c.103]

    Кроме того, если пренебречь спин-орбитальным взаимодействием (и другими релятивистскими эффектами),—а для не сильно возбужденных состояний атомо начала и середины Периодической системы это вполне разумное допущение, — то интегралами движения (из числа моментов импульса) оказываются следующие три величины. [c.91]

    Кроме этого, релятивистским эффектом является и так называемое спин-орбитальное расщепление состояний, которое для наиболее тяжелых элементов составляет несколько эВ. Оно заключается в том, что становится невозможным разделить орбитальный и спиновой моменты количества движения электрона. В результате, например, нельзя, строго говоря, выделить некоторую в-подоболочку, на которой могут размещаться электроны с различным спином. Необходимо рассматривать другие виды АО. [c.86]

    Определенную роль релятивистские эффекты начинают играть для атомов 4-го периода, их роль возрастает при переходе к элементам ниже располагающихся периодов ПС. Поэтому отличия химических свойств элементов 6-го и 7-го периодов и индивидуальные отличия других элементов в различных подгруппах ПС в ряде случаев связаны с релятивистскими эффектами. Хотя их влияние существенно больше для электронов внутренних оболочек, имеется немало примеров определяющей роли релятивистских эффектов и для валентных электронов. [c.86]

    В главных I и П подгруппах релятивистские эффекты проявляются в сжатии п5-подоболочек. Это сжатие ведет к увеличению первой энергии ионизации Е 1 для элементов I и двух энергий ионизации Е 1 и 2 — П подгруппы при переходе от пятого периода (Сз, Ва) к шестому (Рг, Ка). [c.86]

    Для элементов других главных подгрупп с релятивистскими эффектами связывается следующее. Как правило элементы 6-го периода этих подгрупп имеют характерные валентности на 2 единицы меньше, чем другие, более легкие, элементы. Так, для таллия, находящегося в третьей подгруппе, характерная степень окисления равна -Ы. Также с релятивизмом связано существование соединений одновалентного висмута. Энергия сцепления атомов между собой в простом веществе (энергия когезии) этих элементов обычно также ниже, чем в других случаях. [c.86]


    Вопрос о нижней (конечной) границе периодической системы остается неясным и поныне. Однако следует отметить возрастающую неустойчивость все более массивных ядер, а также неустойчивость электронной оболочки атомов. Источником этой неустойчивости является релятивистский эффект возрастания массы электрона, скорость движения которого в очень тяжелых атомах становится сравнимой со скоростью света. [c.198]

    Весьма чувствительно к релятивистским эффектам сродство к электрону атомов галогенов, которое ими уменьшается у Р, С1, Вг, Л, At приблизительно на 1, [c.86]

    В табл. 3.6 подчеркнуты элементы, для которых наиболее важны релятивистские эффекты. [c.87]

    В целом, для элементов от гафния до радона релятивистские эффекты уже настолько велики, что их нужно учитывать, а для актиноидов это абсолютно необходимо. [c.87]

    Здесь к активным металлам относятся металлы, имеющие значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов от наиболее отрицательного значения до потенциала алюминия. Это, в основном, все а-элементы и элементы, атомы которых имеют электронную конфигурацию Э. .. (п — 1) пз . К металлам средней активности относят металлы, располагающиеся по значениям стандартных электродных потенциалов между алюминием и водородом. В основном, это остальные металлы, атомы которых не испытывают ни лантаноидного сжатия, ни релятивистской стабилизации внешних -электронов. Наконец, малоактивные металлы имеют положительные значения стандартного электродного потенциала. Их элементы располагаются либо в шестом периоде (значит, испытывают лантаноидное сжатие и релятивистскую стабилизацию), либо относятся к элементам, где релятивистские эффекты не скомпенсированы другими электронными эффектами (В1, Си, Hg, Ag, Р1, Ли). [c.330]

    Оно отличается от уравнения Шредингера учетом релятивистских эффектов (эффектов, предсказываемых теорией относительности). [c.46]

    Имеется несколько эффектов, которые также могут бып. включены в атомный гамильтониан. Конечные размеры ядра и эффекты, которые дают малые поправки в энергию, связанные с его движением, не приняты во внимание. Кроме того, имеются релятивистские эффекты, связанные с взаимодействием спинов электронов между собой (спин-спиновое взаимодействие). Можно также учемассы электрона от скорости, которая существенна только для внутренних электронов тяжелых атомов. [c.93]

    Как уже отмечалось, в рассеянном излучении присутствуют волны с измененной длиной волны. Они возникают в результате эффекта Комптона, т. е. соударений первичных фотонов рентгеновского излучения с внешними слабосвязанными электронами атомов. Фотон при соударении с электроном отдает ему часть энергии и импульса, сообщая кинетическую энергию mv l2 (рис. 2.5). Отклоненный от первоначального направления, фотон обладает уже меньшей энергией и меньшим импульсом и имеет большую длину волны. Пренебрегая релятивистскими эффектами, запишем  [c.32]

    Современная трактовка дисперсионных сил, проведенная с учетом релятивистских эффектов, показывает, что если время распространения электромагнитной волны от одного атома к другому близко к периоду вращения электрона или, что то же, расстояние между взаимодействующими атомами сравнимо с длиной волны, отвечающей характеристической частоте vo, необходимо вводить поправку в выражение для Udu. Казимир и Польдер показали, что с учетом этого эффекта запаздывания U,ns пропорциональна не а г , а следовательно, лондоновское взаимодействие еще более ослабляется с расстоянием эффект запаздывания становится заметным при г 10 A на малых расстояниях им можно пренебречь. Таким образом, квантовомеханический подход не разрешает проблемы дальнодействия. [c.124]

    Релятивистская К.м. рассматривает квантовые законы движения микрочастиц, удовлетворяющие требованиям теории относительности. Осн. ур-ния релятивистской К. м. строго сформулированы только для одной частицы, напр, ур-ние Дирака для электрона либо любой др. микрочастицы со спином /2 ур-ние Клейна — Гордона — Фока для частицы со спином 0. Релятивистские эффекты велики при энергиях частицы, сравнимых с ее энергией покоя, когда становится необходимым рассматривать частицу, создаваемое ею поле н внеш. поле как единое целое (квантовое поле), в к-ром могут возникать (рождаться) и исчезать (уничтожаться) др. частицы. Последоват. описание таких систем возможно только в рамках квантовой теории поля. Тем не менее в большинстве атомных и мол. задач достаточно ограничиться приближенным учетом требований теории относительности, что позволяет для их решения либо построить систему одноэлектронных ур-ний типа ур-ния Дирака, либо перейти к феноменологич. обобщению одноэлектронного релятивистского подхода на многоэлектронные системы. В таких обобщениях к обычному (нерелятивистскому) гамильтониану добавляются поправочные члены, учитывающие, напр., спин-орбитальное взаимодействие, зависимость массы электрона от его скорости (масс-поляризац. поправка), зависимость кулоновского закона взаимод. от скоростей заряженных частиц (дарвиновский член), электрон-ядерное контактное сверхтонкое взаимодействие и др. [c.365]


    Если не интересоваться процессами, при которых имеют место ядерные превращения и становятся существенными релятивистские эффекты и спин электрона и ядер, то стационарное состояние этой системы можно описывать уравнением Шредингера  [c.88]

    В табл. 9-2 приведены рассчитанные с учетом и без учета релятивистского эффекта скорости электронов для ускоряющих напряжений, [c.236]

    Как следует из табл. 9-2, при ускоряющих напряжениях до 40 кв, применяемых при электронном нагреве, релятивистский эффект увеличения массы может не учитываться и Оо можно рассчитывать по (9-3). Тогда в соответствии с (9-2) максимальная глубина проникновения электрона в вещество равна  [c.236]

    Большое значение релятивистские эффекты имеют для элементов побочных подгрупп. Давно известно, что химические и физические свойства золота сильно отличаются от свойств меди и серебра. Часто такие отличия носят название аномалии Аи . Например, большинство координационных соединений Аи (I) имеет координационное число 2, в то время как Ag (I) и Си (I) имеют тенденцию к большим значениям. Золото имеет значение 1 значительно большее, чем серебро, и связано это с релятивистским сжатием бв-подоболочки. Это объясняет низкз ю восстановительную активность золота, а также существование аурид-иона Аи в таких соединениях, как СзАи или КЬАи. Серебро такие соединения уже не образует. Сжатие валентной 6в-А0 золота также увеличивает прочность и уменьшает длину его связей в соединениях. Вторая энергия ионизации золота Е 2 меньше, чем у серебра, что связано с релятивистским расширением 5 -подоболочки. Поэтому проявление в соединениях золота более высоких степеней окисления, чем у меди и серебра, связано с меньшими энергетическими затратами для участия в этом 5й-электронов. Желтый цвет золота связан с релятивизмом. Вследствие небольшого энергетического различия между сжатым [c.86]

    В большинстве случаев релятивистское изменение энергии невелико, но для тяжелых атомов оно может быть весьма значительным. Тем не менее ниже всюду используется теория возмущений. Точный расчет релятивистских эффектов для электрона в центральном поле осуществляется в теории Дирака, но здесь мы ее рассматривать не будем. В 12-13 рассмотрены релятивистские эффекты для одного электрона в [c.48]

    У атомов легких элементов состояния с одинаковыми спиновым и орбитальным моментами 5 и Ь, но с разным полным угловым моментом I мало отличаются по энергии, но у состояний с неодинаковыми 5 и/или Ь такое различие по энергии значительно больше. Например, у атома углерода относительные энергии состояний, возникающих из конфигурации (15)2(25)2(2р) , если принять за нулевой уровень состояние Ро, таковы 16,4 см- (состояние Р]), 43,4 см- ( Рг), 10 193,7 см ( Дг) и 21 684,4 см ( 5о). Расщепления, соответствующие различным значениям I при постоянных значениях 3 и Ь, обусловлены спин-орбитальными взаимодействиями. Эти взаимодействия связаны с релятивистскими эффектами. Для их вычисления необходимо явно учитывать спиновый угловой момент в гамильтониане. Расщепления, соответствующие различным значениям 8 я Ь, обусловлены различиями в эффектах межэлектронного отталкивания для соответствующих состояний. Спиновый угловой момент в подобных расчетах не учитывается. Применимость схемы связи Рассела — Саундерса определяется условием, чтобы эффекты межэлектронного отталкивания намного превышали спин-орбитальные взаимодействия. Если выполняется обратное условие (как это имеет место в атомах тяжелых элементов), то должна применяться схема /—/-связи. [c.150]

    Определение значений I, приписываемых символам термов, осуществляется при помощи одной из двух схем связи (взаимодействия). Если взаимодействием спинового и орбитального угловых моментов (которое определяется релятивистскими эффектами) можно пренебречь по сравнению с эффектами отталкивания электронов (как это имеет место для атомов легких элементов), то полные значения Ь находят отдельно по одноэлектронным орбитальным моментам I, полные значения 5 — тоже отдельно по одноэлектронным спиновым моментам з, а полные значения / — по полным значениям Ь я 5. Как было показано выше, перестановочная симметрия ограничивает допустимые комбинации значений Ь и 5 однако не существует ограничений на значения /, получаемые в схеме L — 5-взаи-модействия. Допустимые представления определяются про- [c.143]

    По мере перехода от элементов коротких периодов к тяжелым элементам все возрастающую роль играют релятивистские эффекты. Релятивистские эффекты — это явления, связанные со скоростями движения тел, сравнимыми со скоростью света. Причина усиления роли релятивистских эффектов заключается в том, что скорость (у) движения электронов тяжелых атомов становится соизмеримой со скоростью света (с), так, для Хв-электрона золота она составляет около 60% от скорости света. По этой причине масса электрона релятивистски увеличивается и в соответствии с известным выражением Эйнштейна т = то/у/1 — и/сУ может быть рассчитана через массу покоя электрона то. Среднее расстояние электрона от ядра атома в квантовой механике определяется выражением, обратно пропорциональным массе электрона. Поэтому при высоких скоростях движения электрон находится ближе к ядру, чем при низких — положение максимума вероятности на ее радиальной зависимости сдвигается к ядру. Это явление называют релятивистским сжатием орбитали. Релятивистскому сжатию орбитали соответствует понижение энергии электрона в атоме, пропорциональное его релятивистской массе Е = тпЕ Ео [c.85]

    Во второй побочной подгруппе близкие к отмеченным в подгруппе меди отличия найдены для ртути по сравнению с цинком и кадмием. В частности, с релятивистскими эффектами связывают уникальную стабильность кластерного иона наличие жидкого состояния ртути при комнатной температуре, резко отличающуюся температуру сверхпроводящего перехода Hg (Т = 4,15 К) по сравнению с С[c.87]

    В третьей побочной подгруппе различия в свойствах лантана и лантаноидов, с одной стороны, и актиния и актиноидов, с другой, в основном, обусловлены релятивистскими эффектами. Первые три энергии ионизации Ас выше, чем соответствующие энергии Ьа, хотя до лантана сверху вниз в подгруппе энергии ионизации уменьшаются. Лантаноиды образуют, в основном, тригалогениды (исключение составляют Се, Рг, ТЬ, которые также образуют тетрафториды). Для актинидов же типично большее разнообразие с образованием тетра-, пента- и гексагалогенидов. Это иллюстрирует хорошо известное в неорганической химии правило, что из двух элементов побочной подгруппы более тяжелый проявляет большую валентность. Объяснение этого правила с позиции влияния релятивистских эффектов заключается в том, что релятивистское расширение — или /-подоболочки облегчает удаление с нее электронов (проявляются более высокие степени окисления). [c.87]

    Для элементов IV побочной подгруппы изменение электронных подобо,лочек вследствие увеличения их числа при переходе от к Н1 компенсируется влиянием релятивистских эффектов. Поэтому эти два элемента очень близки по свойствам. [c.87]

    Расчеты показывают, что энергия электронов, вычисленная по методу Хартри—Фока, Еэ отличается от истинной энергии Еэ (не считая релятивистских эффектов) на величину энергии корреляции Е = + Еэ «. При этом для системы с небольшим числом электронов Еэ составляет более 99% от Еэ. Без учета корреляции энергия атоми-зации молекулы, которая представляет собой разность значений полной энергии молекулы и составляющих ее атомов, определяется методом Хартри—Фока с большой ошибкой (от 50 до 200%), а в некоторых случаях даже с неверным знаком. Ряд эффектов вообще нельзя описать без учета корреляции электронов (например, силы Ван-дер-Ваальса). [c.24]

    Комментарий. Заметим, как всасывается ядром 15-орбпта 1ь по мере уасличе-ппя атомного номера. В случае ураиа наиболее вероятное расстояние составляет 0,58 п.ч (0,058 Л), т. е. электрон почти в 100 раз ближе к ядру, чем в атоме водорода, (В шкале, где г 10 см для водорода, мм для урана.) Тогда электрон подвергается сильному ускорению, и большое значение приобретают релятивистские эффекты. [c.484]

    Расчеты Колоса и Вольниевича не только подтвердили эф -фективность вариационного метода, но и показали, что при точном решении уравнения Шрёдингера получающиеся результаты находятся в согласии с экспериментом. Поэтому нет сомнения, что уравнение Шрёдингера дает правильное описание свойств молекул, по крайней мере в случаях, когда не важны релятивистские эффекты, хотя зачастую невозможно получгуть его решение с той точностью, которая достижима в экспериментальных исследованиях. [c.104]


Урок 21. релятивистские эффекты — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок №21. Релятивистские эффекты

На уроке рассматриваются понятия: энергия покоя, полная энергия частиц; связь массы и энергии в специальной теории относительности; релятивистский импульс частицы, релятивистская кинетическая энергия; принцип соответствия.

Глоссарий урока:

Релятивистская механика — раздел физики, где описывается движение частиц со скоростями близкими к скорости света.

Закон взаимосвязи энергии и массы — тело обладает энергией и при нулевой скорости, такую энергию называют энергией покоя.

Релятивистская энергия составляет сумму собственной энергии частицы и релятивистской кинетической энергии.

Безмассовыми называют частицы массы, которых в состоянии покоя равны нулю, они существуют только в движении, при этом во всех инерциальных системах отсчёта их импульс и энергия не равны нулю.

Массовыми называют частицы, для которых масса является важной характеристикой, мерой инертности тела.

Принцип соответствия – это подтверждение законов Ньютона и классических представлений о пространстве и времени, рассматриваются как частный случай релятивистских законов при скоростях намного меньших скорость света.

Согласно принципу соответствия любая теория, претендующая на более глубокое описание явлений и на более широкую сферу применимости, должна включать предыдущую теорию, как предельный случай.

Обязательная литература:

  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 239 – 241.
  2. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 147 – 149

Дополнительная литература:

  1. Анциферов Л.И., Физика: электродинамика и квантовая физика. 11кл. Учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Мнемозина, 2001. – С. 253-260.
  2. Кирик Л.А., Генденштейн Л.Э., Гельфгат И.М.. Задачи по физике. 10-11 классы для профильной школы. – М.: Илекса, 2010. – С. 311-315.
  3. Айзексон У., Эйнштейн. Жизнь гения; пер. с анг. А.Ю. Каннуниковой. – М: АСТ, 2016 – С.144-157

Основное содержание темы

«Основы физики претерпели неожиданные и радикальные изменения благодаря смелости молодого и революционно мыслящего гения.»

Вернер Гейзенберг

Эти слова и множество других восхищённых эпитетов будут высказаны в адрес гениального учёного Альберта Эйнштейна. Эйнштейн не боялся опровергать общепринятые утверждения. Он разрушил представление об абсолютном времени и незыблемости пространства. Его теория утверждала, что есть движущиеся системы координат со своим относительным временем. А пространство существует, пока в нём существует всё материальное. Время идёт тем медленнее, если быстрее движется тело. Такие удобные и понятные принципы классической физики: о постоянстве массы, длины, времени, скорости — опровергаются следствиями из постулатов специальной теории относительности Эйнштейна.

Альберт (Einstein) Эйнштейн

14 марта 1879 г. – 18 апреля 1955 г.

Физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист.

По законам классической физики: масса – это мера инертности тела. Но Эйнштейн утверждает другое: масса – это мера энергии, содержащейся в теле.

Любое тело обладает энергией уже в силу своего существования. Альбертом Эйнштейном была установлена пропорциональность между энергией и массой:

На первый взгляд, простая формула, является фундаментальным законом природы, законом взаимосвязи энергии и массы.

Согласно этой формуле тело обладает энергией даже при нулевой скорости, в таком случае энергию называют E энергией покоя. А массу, которая входит в формулу Эйнштейна назовём m0 массой покоя.

Как же будет выглядеть закон взаимосвязи массы и энергии для движущегося тела? К нему добавляем радикал (релятивистский множитель) из преобразований Лоренца:

Такую формулу называют релятивистской энергией или полной энергией движущегося тела.

Релятивистская механика — раздел физики, где описываются движения тел и частиц со скоростями близкими к скорости света, где используются преобразования Лоренца, перехода из одной инерциальной системы в другую, когда одна система движется относительно другой со скоростью вдоль оси ОХ.

Любые изменения физических величин, связанные с сокращением размеров:

эффект замедления времени:

изменение массы тела при изменении энергии:

закон сложения скоростей:

в специальной теории относительности называют релятивистскими изменениями.

По законам классической физики полная энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела или частицы

Отсюда выразим кинетическую энергию тела

Релятивистская энергия составляет сумму собственной энергии частицы и релятивистской кинетической энергии

В классической физике кинетическая энергия вычисляется по формуле

Получим ещё одно выражение

Выразим кинетическую энергию из формулы релятивистской энергии:

Поставим релятивистский радикал, который можно преобразовать при малых скоростях и получим релятивистскую кинетическую энергию частицы:

Или другой способ выражения кинетической энергии, если использовать классическую кинетическую энергию, то получим

— выражение для определения релятивистской кинетической энергии.

Путём не сложных математических вычислений можно доказать, что формула определения кинетической энергии в классической физикеи формула кинетической энергии в релятивистской физике равны между собой.

Давайте проверим работают ли главные законы механики — законы Ньютона в релятивистской физике.

Первый закон Ньютона: существуют системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела.

Первый постулат СТО Эйнштейна: все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, или никакими опытами, проводимыми в инерциальной системе отсчёта, невозможно установить её движение относительно других инерциальных систем.

Внимание! Они не противоречат друг другу!

Третий закон Ньютона: силы с которыми тела действуют друг на друга равны по модулю и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны. Этот закон тоже работает в релятивистской физике (смотрите первый постулат СТО).

А что же со вторым законом классической механики? Второй закон Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально силе и обратно пропорционально его массе.

Рассмотрим предельный случай: если на тело долгое время t (время стремится к бесконечности) действовать с постоянной силой F = const, то ускорение будет постоянным a = const. Ускорение в свою очередь, зависит от скорости, с которой движется тело:

Отсюда скорость тоже будет стремиться к бесконечности, а это невозможно (смотрите второй постулат СТО), так как скорость тела или частицы не может быть больше предельного значения скорости света ()!

Но давайте рассмотрим другую формулировку второго закона Ньютона, когда сила прямо пропорциональна изменению импульсов тела ко времени этого изменения:

В классической механике импульс равен произведению массы тела или частицы на его скорость: , где m – постоянная величина, мера инертности тела.

В релятивистской механике выражение импульса можно записать, используя преобразования Лоренца:

При скоростях намного меньших, чем скорость света 𝟅с, формула принимает вид классической механики Ньютона

Эти проявления — подтверждение законов Ньютона и классических представлений о пространстве и времени, рассматривают как частный случай релятивистских законов при скоростях намного меньших скорости света и называют принципом соответствия. Согласно принципу соответствия любая теория, претендующая на более глубокое описание явлений и на более широкую сферу применимости, должна включать предыдущую теорию, как предельный случай. То есть законы классической механики подтверждаются релятивистской, но только для частиц или тел, движущихся с малыми скоростями.

В природе существуют такие частицы (фотоны, мюоны, нейтрино), скорость которых равна или близка к скорости света. Массы таких частиц в состоянии покоя равны нулю, эти частицы называют безмассовыми. Они существуют только в движении, но во всех инерциальных системах отсчёта их импульс и энергия не равны нулю. Тогда подтверждается утверждение Эйнштейна, что масса – это мера энергии тела. Частицы, для которых масса является важной характеристикой — мерой инертности, называют массовыми.

Найдём соотношение между энергией и импульсом:

Взаимно уничтожаются подкоренные выражения, сокращается произведение массы на скорость света, и мы получим простое соотношение энергии и импульса, где нет зависимости от массы.

Энергия и импульс связаны соотношением

Поэтому во всех инерциальных системах отсчёта импульс и энергия не равны нулю. При превращениях элементарных частиц, обладающих массой покоя , в частицы у которых , их энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь образовавшихся частиц. Этот факт является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.

Во всех инерциальных системах отсчёта импульс частицы и её энергия связаны соотношением:

или

— эта формула является фундаментальным соотношением энергии и импульса для массовых частиц релятивистской механики. Эти соотношения экспериментально подтверждены.

Следовательно, для безмассовых частиц, где или , выражение примет вид

Основное выражение энергии через её импульс записывают так:

Отсюда, масса, движущейся частицы, будет равна

Если частица покоится, то её значение можно определить из основной формулы Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии:

В обычных условиях, при нагревании тела или его охлаждении, при химической реакции, эти приращения массы происходят, их можно вычислить, но изменения массы не так заметны. Энергию, полученную из расщепления ядер на атомных электростанциях, используют на благо человека, где незначительные массы радиоактивного топлива вырабатывают энергию, питающую электроэнергией огромные города. Но, к сожалению, такую энергию, высвобождающуюся при цепной реакции, люди использовали и военных целях, для уничтожения городов, людей. Поэтому, только в последствии, понимая ответственность за свои открытия, учёные искренне становятся общественными деятелями: правозащитниками и борцами за мир.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока:

1. Чтобы выработать количество энергии, которой обладает тело массой 1 кг, Красноярской ГЭС потребуется времени _________ суток (1,5·107; 173,6; 182,3). Мощность Красноярской ГЭС 6000МВт.

Дано:

m = 1 кг

P = 6000 МВт = 6·109 Вт

t — ? (сутки)

Воспользуемся выражением, описывающим зависимость энергии тела от массы:

И зависимостью мощности от работы и времени:

Выразим секунды в часах, а затем в сутках:

Ответ: 173,6 суток.

2. Чему равен импульс протона, летящего со скоростью 8,3·107 м/с? На сколько будет допущена ошибка, если пользоваться формулами классической физики? Данные поученных вычислений занесите в таблицу:

Физические величины

Показатели

Масса покоя протона, m

1,67·10-27 кг

Скорость света, с

3·108 м/с

Скорость движения протона, 𝟅

8,3·107 м/с

Импульс протона по классическим законам, рк

?

Импульс протона по релятивистским законам, рр

?

Разница в вычислениях импульса протона,

?

Воспользуемся формулами для определения импульса релятивистским и классическим способами:

Вычислим разницу показаний:

Физические величины

Показатели

Масса покоя протона, m

1,67·10-27кг

Скорость света, с

3·108 м/с

Скорость движения протона, 𝟅

8,3·107 м/с

Импульс протона по классическим законам, рк

1,38·10-19кг·м/с

Импульс протона по релятивистским законам, рр

5,2·10-19 кг·м/с

Разница в вычислениях импульса протона,

в 3,8 раза

Что такое моральный релятивизм?

Ответ

Моральный релятивизм более доступен к пониманию в сравнении с моральным абсолютизмом. Абсолютизм утверждает, что моральность основывается на универсальных принципах (природные законы, совесть). Христианские абсолютисты верят, что Бог является высшим источником нашей общей моральности и она, таким образом, неизменна, как и Он. Моральный релятивизм утверждает, что моральность не базируется ни на каких абсолютных стандартах. По мнению его сторонников, этические «истины» скорее зависят от переменных, таких как ситуация, культура, чьи-то чувства и т.д.

Относительно морального релятивизма можно привести несколько аргументов, которые демонстрируют его сомнительную природу. Во-первых, хотя многие из аргументов, используемых в поддержку релятивизма, могут сначала выглядеть убедительно, им всем присуще логическое противоречие, так как все они предлагают «правильную» моральную схему, которой все мы должны следовать. Но это само по себе является абсолютизмом. Во-вторых, даже так называемые релятивисты отрицают релятивизм в большинстве случаев. Они не скажут, что насильник или убийца свободен от вины, поскольку не нарушил собственных стандартов.

Релятивисты могут доказывать, что различные ценности среди различных культур свидетельствуют о том, что моральность относительна для различных людей. Но эти аргументы смешивают действия индивидов (что они делают) с абсолютными стандартами (должны ли они делать это). Если культура определяет, что плохо и что хорошо, как мы можем осуждать нацистов? Как бы ни было, они лишь следовали морали своей культуры. Действия нацистов можно называть неправильными лишь при условии, что убийство является общекультурным преступлением. Тот факт, что у них была «своя мораль», не меняет этого. Более того, хотя многие люди по-разному практикуют моральность, они все равно разделяют общие моральные ценности. Например, противники и сторонники абортов не могут согласиться между собой, является ли аборт убийством, но единодушны, что убийство – это плохо. Поэтому даже это доказывает существование абсолютной универсальной морали.

Некоторые люди утверждают, что изменение ситуации влияет на изменение морали – в разных ситуациях те или иные поступки могут быть по-разному восприняты. Но существует три вещи, на основании которых мы должны судить поступки: ситуация, действие и намерение. Например, мы можем осудить кого-то за преднамеренное убийство (намерение), даже если оно и не было осуществлено (действие). Поэтому ситуации являются лишь частью морального решения, потому что устанавливают контекст для избрания определенного морального действия (применения универсальных принципов).

Главный аргумент, к которому обращаются релятивисты, заключается в толерантности. Они утверждают, что говорить кому-то, что их моральные стандарты ошибочны, является проявлением нетолерантности, а релятивизм принимает все взгляды. Но это – заблуждение. Прежде всего, со злом никогда не следует мириться. Должны ли мы мириться с мнением насильника о том, что женщины являются лишь объектами наслаждения, доступными для злоупотребления? Во-вторых, эта позиция противоречит сама себе, так как релятивисты не терпят нетолерантность или абсолютизм. В-третьих, релятивизм не может объяснить, почему каждый должен быть толерантным. Сам факт, что мы должны быть толерантными к другим людям (даже если мы не хотим этого), основан на абсолютном моральном правиле, что мы всегда должны относиться к людям справедливо – но это снова абсолютизм! Фактически, без универсальных моральных принципов не может быть доброты.

На самом деле, все люди рождены с совестью и все мы инстинктивно знаем, когда поступают неправильно по отношению к нам или когда поступаем так мы. Мы действуем так, будто ожидаем, что и другие следуют этим правилам. Даже будучи детьми, мы знали разницу между «честным» и «нечестным». Нам бы пришлось принять ложные принципы, чтоб убедить себя, что мы неправы, а моральный релятивизм прав.

Признаки релятивистских эффектов в орбитах звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Галактики

Объявление

9 августа 2017 г.

9 августа 2017 г.

Новый анализ данных, полученных на Очень Большом Телескопе ESO и других инструментах, дает основания предполагать, что орбиты звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, возможно, демонстрируют слабые эффекты, предсказываемые эйнштейновской общей теорией относительности. Имеются признаки небольших отклонений наблюдаемой орбиты звезды S2 от вычисленной на основе классической физики. Этот интересный результат является прелюдией к гораздо более точным измерениям и проверке релятивистских предсказаний, которые будут выполнены с инструментом GRAVITY в 2018 году, когда S2 окажется совсем близко к черной дыре.

В центре Млечного Пути, на расстоянии 26 000 световых лет от Земли, находится ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра с массой в четыре миллиона Солнц. Вокруг этого монстра, в его колоссальном гравитационном поле с большой скоростью обращается несколько звезд. Это идеальная природная лаборатория для проверки теорий тяготения, в частности, общей теории относительности Эйнштейна.

Группа немецких и чешских астрономов применила новые методы анализа к наблюдениям звезд в окрестности черной дыры, накопленным на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) в Чили и на других инструментах за последние двадцать лет [1]. Исследователи сравнили измеренные орбиты звезд с предвычисленными на основе классической теории тяготения Ньютона и общей теории относительности.

Ученые обнаружили признаки небольших изменений в движении одной из звезд, обозначаемой S2, которые согласуются с релятивистскими предсказаниями [2]. Изменение в форме орбиты составляет всего несколько процентов, а изменение ее ориентации – около одной шестой части градуса [3]. Если эти данные подтвердятся, это станет первым измерением релятивистских эффектов у звезд в окрестности сверхмассивной черной дыры.

Марзье Парса (Marzieh Parsa), докторант Кёльнского университета в Германии и основной автор работы, в восторге: «Центр Галактики – это поистине идеальная лаборатория для изучения движений звезд в релятивистской среде. Я была восхищена тем, как хорошо мы смогли применить разработанные нами методы копьютерного моделирования звездных орбит к высокоточным данным, полученным для движущихся с большой скоростью звезд в ближайшей окрестности сверхмассивной черной дыры «.

Решающей для успеха исследования оказалась высокая точность позиционных измерений, достигнутая благодаря адаптивной оптической системе VLT для ближнего инфракрасного диапазона [4]. Причем это оказалось очень важно не только для момента, когда звезда приблизилась к черной дыре, но в особенности для того времени, когда S2 была на большом расстоянии от нее. Именно последние данные позволили точно рассчитать форму орбиты и ее изменение под воздействием релятивистских эффектов.

«В процессе нашей работы мы поняли, что для определения релятивистских эффектов у S2 мы обязательно должны с очень большой точностью знать полную форму ее орбиты«, — объясняет Андреас Эккарт (Andreas Eckart), руководитель группы сотрудников Кельнского университета.

Кроме определения орбиты звезды S2, удалось также уточнить массу черной дыры и ее расстояние от Земли [5].

Соавтор работы Владимир Карась (Vladimir Karas) из Чешской Академии наук в Праге с оптимизом смотрит в будущее: «Это исследование открывает широкую дорогу новым теоретическим и экспериментальным работам в данной области науки».

Работа предвосхищает предстоящие активные наблюдения центра Галактики астрономами всего мира. В 2018 г. звезда S2 подойдет к сверхмассивной черной дыре очень близко. Приемник GRAVITY, разработанный большим международным консорциумом во главе с Институтом внеземной физики Макса Планка (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik) в Гархинге, в Германии [6] и установленный на интерферометре VLTI [7], сможет измерить параметры орбиты с гораздо большей точностью, чем это возможно сейчас. И это не только позволит более отчетливо выявить эффекты общей относительности, но и сделает возможным поиск отклонений от этой теории, что может вызвать к жизни новую физику.

Примечания

[1] В работе использованы данные, полученные с инфракрасной камерой ближнего диапазона NACO, установленной сейчас на первом «юните» — Основном телескопе №1 комплекса VLT (Анту), с камерой-спектрометром ближнего инфракрасного диапазона SINFONI на четвертом «юните» (Йепун), а также в обсерватории Кека.

[2] S2 – звезда массой в 15 солнечных масс на эллиптической орбите вокруг сверхмассивной черной дыры. Период ее обращения составляет примерно 15.6 лет; в момент наибольшего приближения к черной дыре она подходит к ней на расстояние в 17 световых часов, или всего на 120 расстояний от Солнца до Земли.

[3] Подобный, хотя и значительно меньший эффект в Солнечной системе наблюдается в изменении орбиты Меркурия. Его измерение, выполненное в конце XIX века, стало одним из первых свидетельств неполноты ньютоновской теории гравитации и необходимости нового подхода к пониманию сильных полей тяготения. Это и привело в конце концов к появлению в 1915 году общей теории относительности Эйнштейна, основанной на представлении об искривлении пространства-времени.

Вычисление орбит звезд и планет на основе общей теории относительности и ньютоновской теории гравитации приводит к несколько различному результату в описании малых изменений формы и ориентации этих орбит со временем. Эти изменения можно измерить и сравнить с предсказаниями обеих теорий.

[4] Система адаптивной оптики в реальном времени компенсирует искажения изображений, вызванные турбулентностью атмосферы. Вследствие этого повышается угловое разрешение телескопа (четкость изображения), которое в принципе ограничено лишь диаметром главного зеркала телескопа и длиной световой волны, на которой ведутся наблюдения.

[5] Группа получила следующие оценки массы черной дыры и ее расстояния от Солнца: 4.2 × 106 солнечных масс и 8.2 килопарсека, т.е., почти 27 000 световых лет.

[6] Кёльнский университет входит в консорциум GRAVITY (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity). Для этой системы его сотрудниками создано спектрометрическое устройство сведения пучков.

[7] Первые наблюдения с инструментом GRAVITY состоялись в начале 2016 г. Сейчас GRAVITY уже ведет наблюдения центра Галактики.

Узнать больше

Результаты исследования представлены в статье “Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, M.Parsa и др., которая будет опубликована в Astrophysical Journal.

Состав исследовательской группы: Marsieh Parsa, Andreas Eckart (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Germany; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany), Banafsheh Shahzamanian (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Germany), Christian Straubmeier (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Germany), Vladimir Karas (Astronomical Institute, Academy of Science, Prague, Czech Republic), Michal Zajacek (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany; I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Germany) и J. Anton Zensus (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany).

Европейская Южная Обсерватория (ESO, European Southern Observatory) — ведущая межгосударственная астрономическая организация Европы и самая продуктивная в мире наземная астрономическая обсерватория. В ее работе участвуют 16 стран: Австрия, Бельгия, Бразилия, Великобритания, Германия, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Польша, Португалия, Финляндия, Франция, Чешская Республика, Швейцария и Швеция, а также Чили, предоставившая свою территорию для размещения обсерваторий ESO. ESO проводит в жизнь масштабную программу проектирования, строительства и эксплуатации мощных наземных наблюдательных инструментов, позволяющих астрономам выполнять важнейшие научные исследования. ESO также играет ведущую роль в организации и поддержке международного сотрудничества в области астрономии. ESO располагает тремя уникальными наблюдательными пунктами мирового класса, находящимися в Чили: Ла Силья, Параналь и Чахнантор. В обсерватории Параналь установлен Очень Большой Телескоп ESO (The Very Large Telescope, VLT), работающий также в режиме крупнейшего в мире оптического телескопа-интерферометра (Very Large Telescope Interferometer, VLTI), и два широкоугольных телескопа с большим полем зрения: крупнейший в мире телескоп для выполнения обзоров неба в инфракрасных лучах VISTA и Обзорный Телескоп VLT (VLT Survey Telescope) — крупнейший инструмент для обзоров неба в видимом свете. ESO также является одним из основных партнеров по эксплуатации двух инструментов на плато Чахнантор: APEX и крупнейшего астрономического проекта современности ALMA. На Серро Армазонес, недалеко от Параналя, ESO ведет строительство 39-метрового Чрезвычайно Большого Телескопа ELT, который станет «величайшим оком человечества, устремленным в небо».

Ссылки

Контакты

Контакты

Marzieh Parsa
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Tel: +49(0)221/470-3495
Email: [email protected]

Andreas Eckart
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Tel: +49(0)221/470-3546
Email: [email protected]

Vladimir Karas
Astronomical Institute, Academy of Science
Prague, Czech Republic
Tel: +420-226 258 420
Email: [email protected]

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: [email protected]

Специальная теория относительности Эйнштейна

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 года — одна из самых важных работ, когда-либо опубликованных в области физики. 2.

Специальная теория относительности применяется к «особым» случаям — она ​​в основном используется при обсуждении огромных энергий, сверхбыстрых скоростей и астрономических расстояний, и все это без осложнений, связанных с гравитацией . Эйнштейн официально добавил гравитацию к своим теориям в 1915 году, когда была опубликована его статья по общей теории относительности .

Когда объект приближается к скорости света, масса объекта становится бесконечной, как и энергия, необходимая для его перемещения. Это означает, что никакая материя не может двигаться быстрее света.Этот космический предел скорости вдохновляет новые области физики и научной фантастики, поскольку люди думают о путешествиях на огромные расстояния.

Какой была физика до теории относительности?

До Эйнштейна астрономы (по большей части) понимали Вселенную в терминах трех законов движения , представленных Исааком Ньютоном в 1686 году. Эти три закона следующие:

  1. Объекты в движении или в состоянии покоя остаются в одном и том же состоянии. если только внешняя сила не приведет к изменению. Это также известно как концепция инерции .
  2. Сила, действующая на объект, равна массе объекта, умноженной на его ускорение. Другими словами, вы можете рассчитать, сколько force требуется для перемещения объектов с разной массой с разной скоростью.
  3. На каждое действие приходится равных и противоположных реакций.

Согласно Британской энциклопедии , законы Ньютона применимы почти во всех приложениях в физике. Они легли в основу нашего понимания механики и гравитации.

Но некоторые вещи нельзя объяснить работой Ньютона: например, свет.

Чтобы втиснуть странное поведение света в рамки Ньютона, ученые-физики в 1800-х годах предположили, что свет должен передаваться через некую среду, которую они назвали «светоносным эфиром». Этот гипотетический эфир должен был быть достаточно жестким, чтобы передавать световые волны, как струна гитары вибрирует со звуком, но также совершенно необнаруживаемым в движениях планет и звезд.

Это была трудная задача.Исследователи попытались обнаружить этот загадочный эфир, надеясь лучше понять его. В 1887 году астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes написал: « начинается с взрыва », физик Альберт А. Майкельсон и химик Эдвард Морли вычислили, как движение Земли в эфире влияет на измерение скорости света, и неожиданно обнаружили, что скорость света одинакова независимо от движения Земли.

Если скорость света не изменилась, несмотря на движение Земли через эфир, пришли они к выводу, то не должно быть такой вещи, как эфир, с самого начала: свет в космосе движется через вакуум.

Это означало, что это невозможно объяснить с помощью классической механики. Физике нужна была новая парадигма.

Как Эйнштейн придумал специальную теорию относительности?

Согласно Эйнштейну, в своей книге 1949 года « Автобиографические заметки » (Open Court, 1999, Centennial Edition) начинающий физик начал сомневаться в поведении света, когда ему было всего 16 лет. Он писал, что в подростковом возрасте в мысленном эксперименте он представлял, как преследует луч света.

Классическая физика подразумевала бы, что когда воображаемый Эйнштейн ускорялся, чтобы поймать свет, световая волна в конечном итоге придет к относительной скорости, равной нулю — человек и свет будут двигаться вместе со скоростью, и он сможет видеть свет как замороженное электромагнитное поле .Но, как писал Эйнштейн, это противоречит работе другого ученого, Джеймса Клерка Максвелла, уравнения которого требовали, чтобы электромагнитные волны всегда двигались с одинаковой скоростью в вакууме: 186 282 мили в секунду (300 000 километров в секунду).

Философ физики Джон Д. Нортон бросил вызов истории Эйнштейна в своей книге « Эйнштейн для всех » (Nullarbor Press, 2007), отчасти потому, что в 16 лет Эйнштейн еще не столкнулся с уравнениями Максвелла. Но поскольку он появился в мемуарах самого Эйнштейна, этот анекдот до сих пор широко распространен.

Если бы человек теоретически мог догнать луч света и увидеть, как он застыл относительно его собственного движения, изменилась бы физика в целом в зависимости от скорости человека и его точки обзора? Вместо этого, как вспоминал Эйнштейн, он искал единую теорию, которая делала бы правила физики одинаковыми для всех, везде и всегда.

Это, как писал физик, привело к его размышлениям о специальной теории относительности, которые он разбил на другой мысленный эксперимент: человек стоит рядом с железнодорожным полотном и сравнивает наблюдения грозы с человеком внутри поезда. .И поскольку это, конечно, физика, поезд движется почти со скоростью света.

Эйнштейн представил поезд в точке пути на равных расстояниях между двумя деревьями. Если молния поразит оба дерева одновременно, человек рядом с дорожкой увидит одновременные удары. Но поскольку они движутся к одной молнии и от другой, человек в поезде сначала увидит молнию перед поездом, а затем — за поездом.

Эйнштейн пришел к выводу, что одновременность не абсолютна, или, другими словами, одновременные события, которые видит один наблюдатель, могут происходить в разное время с точки зрения другого.2 означает «энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света». Другими словами, написано PBS Nova , энергия (E) и масса (m) взаимозаменяемы. На самом деле это просто разные формы одного и того же.

Но обменять их нелегко. Поскольку скорость света уже является огромным числом, и уравнение требует, чтобы она умножалась сама на себя (или возводилась в квадрат), чтобы стать еще больше, небольшое количество массы содержит огромное количество энергии. Например, PBS Nova объяснила: «Если бы вы могли превратить каждый из атомов скрепки в чистую энергию — не оставляя никакой массы, — скрепка дала бы [эквивалентную энергию] 18 килотонн в тротиловом эквиваленте.Это примерно размер бомбы, разрушившей Хиросиму в 1945 году ».

Замедление времени

Одним из многих следствий работы Эйнштейна по специальной теории относительности является то, что время движется относительно наблюдателя. Движущийся объект испытывает замедление времени, то есть когда объект движется очень быстро, он воспринимает время медленнее, чем когда он находится в состоянии покоя.

Например, когда астронавт Скотт Келли провел почти год на борту Международной космической станции , начиная с 2015 года, он двигался намного быстрее, чем его близнец. брат, астронавт Марк Келли, который год провел на поверхности планеты.Из-за замедления времени Марк Келли состарился лишь немного быстрее, чем Скотт — «на пять миллисекунд», согласно приземленному близнецу. Поскольку Скотт не двигался со скоростью, близкой к скорости света, фактическая разница в старении из-за замедления времени была незначительной. Фактически, учитывая, сколько стресса и радиации испытал на борту МКС воздушный близнец, некоторые могут утверждать, что Скотт Келли ускорил его старение.

Но на скоростях, приближающихся к скорости света, эффекты замедления времени могут быть гораздо более очевидными.Представьте, что 15-летний подросток покидает школу, путешествуя со скоростью 99,5% от скорости света в течение пяти лет (с точки зрения космонавта-подростка). Когда 15-летняя девушка вернется на Землю, она постареет на те 5 лет, которые провела в путешествиях. Однако ее одноклассникам было бы 65 лет — 50 лет прошло бы на гораздо более медленной планете.

В настоящее время у нас нет технологий, позволяющих путешествовать с такой скоростью. Но с точностью современных технологий замедление времени действительно влияет на человеческую инженерию.

Устройства GPS работают, вычисляя положение на основе связи как минимум с тремя спутниками на удаленных околоземных орбитах. Эти спутники должны отслеживать невероятно точное время, чтобы определять местоположение на планете, поэтому они работают на основе атомных часов. Но поскольку эти атомные часы находятся на борту спутников, которые постоянно движутся в космосе со скоростью 8700 миль в час (14000 км / ч), специальная теория относительности означает, что они показывают дополнительные 7 микросекунд, или 7 миллионных долей секунды, каждый день, согласно American Physical. Публикация Общества Physics Central .Чтобы идти в ногу с часами Земли, атомные часы на спутниках GPS должны отнимать 7 микросекунд каждый день.

С дополнительными эффектами из общей теории относительности (продолжение Эйнштейна специальной теории относительности, которая включает в себя гравитацию) часы, расположенные ближе к центру большой гравитационной массы, такой как Земля, тикают медленнее, чем те, что находятся дальше. Этот эффект добавляет микросекунды к каждому дню на атомных часах GPS, поэтому в конце инженеры вычитают 7 микросекунд и добавляют еще 45 обратно.Часы GPS не переходят на следующий день, пока они не проработают в общей сложности на 38 микросекунд дольше, чем сопоставимые часы на Земле.

Специальная теория относительности и квантовая механика

Специальная теория относительности и квантовая механика — две из наиболее широко признанных моделей того, как работает наша Вселенная. Но специальная теория относительности в основном относится к чрезвычайно большим расстояниям, скоростям и объектам, объединяя их в «гладкую» модель Вселенной. События в специальной (и общей) теории относительности непрерывны и детерминированы, писал Кори Пауэлл для The Guardian , что означает, что каждое действие приводит к прямым, конкретным и локальным последствиям.Это отличается от квантовой механики, продолжил Пауэлл: квантовая физика «коротка», когда события происходят скачками или «квантовыми скачками», которые имеют вероятностные, а не определенные результаты.

Исследователи, объединяющие специальную теорию относительности и квантовую механику — гладкие и короткие, очень большие и очень маленькие — создали такие области, как релятивистская квантовая механика, а в последнее время и квантовая теория поля, чтобы лучше понять субатомные частицы и их взаимодействия.

С другой стороны, исследователи, стремящиеся соединить квантовую механику и общую теорию относительности, считают это одной из больших нерешенных проблем физики.На протяжении десятилетий многие рассматривали теорию струн как наиболее многообещающую область исследования единой теории всей физики. Теперь существует множество дополнительных теорий. Например, одна группа предлагает пространственно-временных петель , чтобы связать крошечный, коренастый квантовый мир с широкой релятивистской вселенной.

Дополнительные ресурсы

Эта статья была первоначально написана Элизабет Хауэлл и с тех пор была обновлена.

Общая теория относительности Эйнштейна

Общая теория относительности — это понимание физиком Альбертом Эйнштейном того, как гравитация влияет на ткань пространства-времени.

Теория, которую Эйнштейн опубликовал в 1915 году, расширила теорию специальной теории относительности, которую он опубликовал 10 лет назад. Специальная теория относительности утверждала, что пространство и время неразрывно связаны, но эта теория не признавала существование гравитации.

Эйнштейн провел десятилетие между двумя публикациями, определяя, что особенно массивные объекты деформируют ткань пространства-времени, искажение, которое, по данным НАСА, проявляется как гравитация.

Как работает общая теория относительности?

Чтобы понять общую теорию относительности, сначала давайте начнем с гравитации, силы притяжения, которую два объекта оказывают друг на друга.Сэр Исаак Ньютон количественно оценил гравитацию в том же тексте, в котором он сформулировал свои три закона движения, «Начала».

Гравитационная сила, тянущая между двумя телами, зависит от того, насколько массивно каждое из них и насколько далеко друг от друга они лежат. Даже когда центр Земли тянет вас к себе (удерживая вас прочно на земле), ваш центр масс тянет назад к Земле. Но более массивное тело почти не чувствует рывка с вашей стороны, в то время как с вашей гораздо меньшей массой вы обнаруживаете, что прочно укоренились благодаря той же силе.Однако законы Ньютона предполагают, что гравитация — это врожденная сила объекта, которая может действовать на расстоянии.

Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности определил, что законы физики одинаковы для всех неускоряющихся наблюдателей, и показал, что скорость света в вакууме одинакова независимо от скорости, с которой наблюдатель путешествует, согласно Wired.

В результате он обнаружил, что пространство и время сплетены в единый континуум, известный как пространство-время.И события, которые происходят в одно и то же время для одного наблюдателя, могут происходить в разное время для другого.

Работая над уравнениями для своей общей теории относительности, Эйнштейн понял, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени. Представьте себе, что вы устанавливаете большой объект в центре батута. Предмет давил на ткань, вызывая на ней ямочки. Если затем вы попытаетесь катить шарик по краю батута, шарик будет закручиваться по спирали внутрь к телу, притягиваясь почти так же, как гравитация планеты притягивает камни в космосе.

Экспериментальные доказательства общей теории относительности

За десятилетия, прошедшие с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свои теории, ученые наблюдали бесчисленное количество явлений, соответствующих предсказаниям теории относительности.

Гравитационное линзирование

Свет изгибается вокруг массивного объекта, такого как черная дыра, заставляя его действовать как линза для вещей, которые лежат за ним. Астрономы обычно используют этот метод для изучения звезд и галактик за массивными объектами.

Крест Эйнштейна, квазар в созвездии Пегаса, по данным Европейского космического агентства (ЕКА), является прекрасным примером гравитационного линзирования.Квазар выглядит таким, каким он был около 11 миллиардов лет назад; галактика, за которой она находится, примерно в 10 раз ближе к Земле. Поскольку два объекта совпадают так точно, вокруг галактики появляются четыре изображения квазара, потому что сильная гравитация галактики искривляет свет, исходящий от квазара.

Крест Эйнштейна — пример гравитационного линзирования. (Изображение предоставлено НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА))

В таких случаях, как крест Эйнштейна, разные изображения гравитационно линзируемого объекта появляются одновременно, но это не всегда так.Ученым также удалось наблюдать примеры линз, когда свет, движущийся вокруг линзы, проходит разные пути разной длины, разные изображения приходят в разное время, как в случае одной особенно интересной сверхновой.

Изменения орбиты Меркурия

По данным НАСА, орбита Меркурия очень постепенно смещается со временем из-за искривления пространства-времени вокруг массивного Солнца. Через несколько миллиардов лет это колебание может даже вызвать столкновение самой внутренней планеты с Солнцем или планетой.

Перетаскивание кадра пространства-времени вокруг вращающихся тел

Вращение тяжелого объекта, такого как Земля, должно закручивать и искажать пространство-время вокруг него. В 2004 году НАСА запустило Gravity Probe B (GP-B). По данным НАСА, оси точно откалиброванных гироскопов спутника очень незначительно смещались со временем, что соответствовало теории Эйнштейна.

«Представьте себе Землю, как если бы она была погружена в мед», — сказал главный исследователь Gravity Probe-B из Стэнфордского университета Фрэнсис Эверитт в заявлении НАСА о миссии.

«По мере вращения планеты мед вокруг нее будет вращаться, и то же самое с пространством и временем. GP-B подтвердил два из самых глубоких предсказаний вселенной Эйнштейна, имеющих далеко идущие последствия для астрофизических исследований».

Гравитационное красное смещение

Электромагнитное излучение объекта слегка растягивается внутри гравитационного поля. Подумайте о звуковых волнах, исходящих от сирены на машине скорой помощи; по мере того, как транспортное средство движется к наблюдателю, звуковые волны сжимаются, но по мере удаления они растягиваются или смещаются в красную сторону.То же явление, известное как эффект Доплера, происходит с волнами света на всех частотах.

В 1960-х годах, по данным Американского физического общества, физики Роберт Паунд и Глен Ребка стреляли гамма-лучами сначала вниз, а затем вверх по стене башни Гарвардского университета. Паунд и Ребка обнаружили, что гамма-лучи немного меняют частоту из-за искажений, вызванных гравитацией.

Гравитационные волны

Эйнштейн предсказал, что сильные события, такие как столкновение двух черных дыр, создают рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны.А в 2016 году обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) объявила, что впервые обнаружила такой сигнал.

Это обнаружение произошло 14 сентября 2015 года. LIGO, состоящая из двух объектов в Луизиане и Вашингтоне, недавно была модернизирована и находилась в процессе калибровки перед тем, как выйти в оперативный режим. Первое обнаружение было настолько большим, что, по словам тогдашнего представителя LIGO Габриэлы Гонсалес, команде потребовалось несколько месяцев анализа, чтобы убедить себя, что это реальный сигнал, а не сбой.

[См. Нашу полную историю открытия здесь и наш полный охват исторического научного открытия здесь ]

«Нам очень повезло с первым обнаружением, которое было настолько очевидным», — сказала она во время 228-го заседания Американского астрономического общества в июне 2016 года.

С тех пор ученые начали быстро улавливать гравитационные волны. По словам представителей программы, в общей сложности LIGO и его европейский аналог Дева зарегистрировали в общей сложности 50 гравитационно-волновых событий.

Эти столкновения включали необычные события, такие как столкновение с объектом, который ученые не могут окончательно идентифицировать как черная дыра или нейтронная звезда, слияние нейтронных звезд, сопровождающееся ярким взрывом, столкновение несовпадающих черных дыр и многое другое.

Вот 12 фактов об относительности, которые нужно знать. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом / SPACE.COM)

Эта статья была обновлена ​​4 июня 2021 года старшим писателем Space.com Меган Бартельс.

Порог релятивистских эффектов

При каких энергиях частица релятивистская? Удобно знать диапазоны энергий, в которых нерелятивистские приближения достаточно хороши.Энергии, при которых нерелятивистские выражения для механических количеств электронов и протонов имеют ошибку на 1%, являются разумным порогом для релятивистских трактовок.

Релятивистский импульс

p = mv = γm 0 в

отклоняется на 1% от нерелятивистского выражения при γ = 1.01. Это происходит при β = 0,14 или v = 0,14 c. Кинетическая энергия при этой скорости равна (γ — 1) m 0 c 2 = 0,01 m 0 c 2 .Тогда 1% -ный порог составляет 5,11 кэВ для электронов и 9,38 МэВ для протонов. Для альфа-частиц 1% -ный порог импульса составляет 37,27 МэВ. Применительно к энергии радиоактивного распада около 1-10 МэВ это говорит о том, что по существу все электроны бета-распада являются релятивистскими, но никакие альфа-частицы не являются релятивистскими.

Релятивистская кинетическая энергия

KE = (γ — 1) м 0 с 2

отличается от нерелятивистской формы кинетической энергии на 1%, когда

Численное решение этой проблемы дает γ = 1.00673, поэтому порог ошибки 1% для электронов составляет 3,4 кэВ, а для протонов — 6,3 МэВ.

Еще раз посмотрев на релятивистский импульс, точное выражение для pc через кинетическую энергию равно

, но для низких энергий квадратом кинетической энергии в этом выражении можно пренебречь, давая более простое приближенное выражение

Это более простое выражение имеет точность в пределах 1% для электронов, когда KE

Рассматривая крайний релятивистский случай, энергия частицы может быть аппроксимирована выражением энергии фотона E = hc / l = pc, когда энергия массы покоя пренебрежимо мала по сравнению с кинетической энергией.Это приближение с точностью до 1%, когда

Приближение E = pc имеет точность менее 1% для электронов, когда pc> 3,6 МэВ, и для протонов, когда pc> 6,6 ГэВ.

Что такое теория относительности? | Живая наука

Альберт Эйнштейн был знаменит многими вещами, но его величайшее детище — теория относительности. Это навсегда изменило наше понимание пространства и времени.

Что такое относительность? Короче говоря, это представление о том, что законы физики везде одинаковы.Мы здесь, на Земле, подчиняемся тем же законам света и гравитации, что и люди в далеком уголке Вселенной. [8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни]

Универсальность физики означает, что история провинциальна. Разные зрители по-разному увидят время и интервал событий. То, что для нас является миллионом лет, может быть мгновением ока для человека, летящего на высокоскоростной ракете или падающего в черную дыру.

Это все относительно.

Специальная теория относительности

Теория Эйнштейна делится на специальную и общую теорию относительности.

Специальная теория относительности была первой и основана на том, что скорость света постоянна для всех. Это может показаться достаточно простым, но имеет далеко идущие последствия.

Эйнштейн пришел к такому выводу в 1905 году после того, как экспериментальные данные показали, что скорость света не меняется, когда Земля вращается вокруг Солнца.

Этот результат удивил физиков, потому что скорость большинства других вещей зависит от того, в каком направлении движется наблюдатель. Если вы ведете машину по рельсам, будет казаться, что приближающийся к вам поезд движется намного быстрее, чем если бы вы развернулись и последовали за ним в том же направлении.

Эйнштейн сказал, что все наблюдатели будут измерять скорость света как 186 000 миль в секунду, независимо от того, насколько быстро и в каком направлении они движутся.

Эта максима побудила комика Стивена Райта спросить: «Если вы находитесь в космическом корабле, который движется со скоростью света, и включаете фары, что-нибудь происходит?»

Ответ — фары включаются нормально, но только с точки зрения кого-то внутри космического корабля. Для человека, стоящего снаружи и смотрящего на пролетающий корабль, кажется, что фары не включаются: свет выходит, но движется с той же скоростью, что и космический корабль.

Эти противоречивые версии возникают из-за того, что линейки и часы — вещи, отмечающие время и пространство, — не одинаковы для разных наблюдателей. Если, как сказал Эйнштейн, скорость света должна оставаться постоянной, то время и пространство не могут быть абсолютными; они должны быть субъективными.

Например, космический корабль длиной 100 футов, движущийся со скоростью 99,99% от скорости света, будет казаться неподвижному наблюдателю в один фут длиной, но для находящихся на борту он останется нормальной длиной.

Возможно, что еще более странно, время идет медленнее, чем быстрее.2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света.

Общая теория относительности

Эйнштейн не закончил расстраивать наше понимание времени и пространства. Он продолжил обобщение своей теории, включив ускорение, и обнаружил, что это искажает форму времени и пространства.

Чтобы придерживаться вышеприведенного примера: представьте, что космический корабль ускоряется за счет запуска двигателей. Те, кто находится на борту, будут прилипать к земле, как если бы они были на Земле. Эйнштейн утверждал, что сила, которую мы называем гравитацией, неотличима от силы ускоряющегося корабля.[Викторина Эйнштейна: проверьте свои знания о знаменитом гении]

Само по себе это не было таким революционным, но когда Эйнштейн разработал сложную математику (на это у него ушло 10 лет), он обнаружил, что пространство и время искривляются возле массивного объекта. , и эту кривизну мы воспринимаем как силу тяжести.

Трудно представить себе изогнутую геометрию общей теории относительности, но если представить пространство-время как своего рода ткань, тогда массивный объект растягивает окружающую ткань так, что все, что проходит поблизости, больше не следует по прямой.

Уравнения общей теории относительности предсказывают ряд явлений, многие из которых были подтверждены:

Искривление пространства-времени вокруг черной дыры более интенсивное, чем где-либо еще. Если бы космический близнец упал в черную дыру, она бы растянулась, как спагетти.

К ее счастью, через несколько секунд все закончится. Но ее сестра на Земле никогда не увидит этого конца — наблюдая, как ее бедная сестра медленно приближается к черной дыре с возрастом Вселенной.

Дополнительные ресурсы:

Эта статья была обновлена ​​2 июля 2019 г. автором Live Science Тимом Чилдерсом.

релятивистских величин | Безграничная физика

Релятивистское сложение скоростей

Формула сложения скоростей — это уравнение, которое связывает скорости движущихся объектов в различных системах отсчета.

Цели обучения

Экспресс-формулы сложения скоростей для объектов, скорость которых намного меньше и приближается к скорости света

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Когда два объекта движутся медленно по сравнению со скоростью света, достаточно точно использовать векторную сумму скоростей: [latex] \ text {s} = \ text {u} + \ text {v} [/ latex] .{2}} [/ латекс].
  • Закон композиции для скоростей дал первую проверку кинематики специальной теории относительности, когда с помощью интерферометра Майкельсона Ипполит Физо измерил скорость света в жидкости, движущейся параллельно свету.
Ключевые термины
  • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.
  • интерферометр : Любой из нескольких инструментов, которые используют интерференцию волн для определения длины волны и скорости волны, определения показателей преломления и измерения малых расстояний, изменений температуры, напряжений и многих других полезных измерений.
  • скорость света : скорость электромагнитного излучения в абсолютном вакууме: ровно 299 792 458 метров в секунду по определению

Формула сложения скоростей — это уравнение, которое связывает скорости движущихся объектов в различных системах отсчета.

Как Галилео Галилей заметил в 17 веке, если корабль движется относительно берега со скоростью [латекс] \ text {v} [/ latex], а муха движется со скоростью [латекс] \ text {u} [/ латекс], измеренный на корабле, вычисление скорости мухи, измеренное на берегу, — это то, что подразумевается под сложением скоростей [латекс] \ text {v} [/ latex] и [латекс] \ text {u} [/латекс]. Когда и муха, и корабль движутся медленно по сравнению со скоростью света, достаточно точно использовать векторную сумму [latex] \ text {s} = \ text {u} + \ text {v} [/ latex], где [latex] \ text {s} [/ latex] — скорость мухи относительно берега.

Согласно специальной теории относительности, корпус корабля имеет другую тактовую частоту и другую меру расстояния, и понятие одновременности направления движения изменено, так что изменен закон сложения скоростей.

Поскольку согласно специальной теории относительности скорость света одинакова во всех системах отсчета, свет, падающий спереди движущегося автомобиля, не может двигаться быстрее, чем свет от неподвижной лампы. Поскольку это противоречит тому, что Галилей использовал для добавления скоростей, необходим новый закон сложения скоростей.{2}} [/ латекс].

Закон композиции скоростей дал первую проверку кинематики специальной теории относительности. Используя интерферометр Майкельсона, Ипполит Физо измерил скорость света в жидкости, движущейся параллельно свету, в 1851 году. Скорость света в жидкости ниже, чем скорость света в вакууме, и она изменяется, если жидкость движется вместе с ней. свет. Скорость света в коллинеарно движущейся жидкости точно предсказывается коллинеарным случаем релятивистской формулы.

Схема эксперимента Физо : световой луч, исходящий от источника S ‘, отражается светоделителем G и коллимируется в параллельный пучок линзой L.После прохождения щелей O1 и O2 два луча света проходят через трубки A1 и A2, по которым вода течет вперед и назад, как показано стрелками. Лучи отражаются от зеркала m в фокусе линзы L ’, так что один луч всегда распространяется в том же направлении, что и поток воды, а другой луч — противоположно направлению потока воды.Пройдя вперед и назад через трубки, оба луча объединяются в точке S, где они создают интерференционные полосы, которые можно увидеть через иллюстрированный окуляр. Интерференционная картина может быть проанализирована, чтобы определить скорость света, движущегося по каждому участку трубки.

Релятивистский импульс

Релятивистский импульс задается как [latex] \ gamma \ text {m} _ {0} \ text {v} [/ latex], где [latex] \ text {m} _ {0} [/ latex] — инвариант объекта. масса и [латекс] \ гамма [/ латекс] — это преобразование Лоренца.

Цели обучения

Сравните ньютоновские и релятивистские импульсы для объектов, скорость которых намного меньше и приближается к скорости света

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Ньютоновская физика предполагает, что абсолютное время и пространство существуют вне любого наблюдателя, в результате чего предсказывается, что скорость света может изменяться от одной системы отсчета к другой.
  • В специальной теории относительности уравнения движения не зависят от системы отсчета, в то время как скорость света (c) инвариантна.
  • В рамках классической механики релятивистский импульс очень близок к ньютоновскому. При низкой скорости [латекс] \ gamma \ text {m} _ {0} \ text {v} [/ latex] примерно равен [latex] \ text {m} _ {0} \ text {v} [/ latex ], ньютоновское выражение для импульса.
Ключевые термины
  • Преобразование Галилея : преобразование, используемое для преобразования между координатами двух систем отсчета, которые отличаются только постоянным относительным движением в рамках построений ньютоновской физики.
  • Преобразование Лоренца : преобразование, связывающее пространственно-временные координаты одной системы отсчета с другой в специальной теории относительности
  • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.

Релятивистский импульс

Ньютоновская физика предполагает, что абсолютное время и пространство существуют вне любого наблюдателя.Это приводит к теории относительности Галилея, которая утверждает, что законы движения одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Это также приводит к предсказанию того, что скорость света может изменяться от одной системы отсчета к другой. Однако это противоречит наблюдениям. В специальной теории относительности Альберт Эйнштейн придерживается постулата о том, что уравнения движения не зависят от системы отсчета, но предполагает, что скорость света c инвариантна. В результате положение и время в двух системах отсчета связаны преобразованием Лоренца вместо преобразования Галилея.

Альберт Эйнштейн : Альберт Эйнштейн в 1921 году

Рассмотрим, например, систему отсчета, движущуюся относительно другой со скоростью v в направлении x . Преобразование Галилея дает координаты движущейся системы отсчета как

[латекс] \ text {t} ‘= \ text {t} [/ latex]

[латекс] \ text {x} ‘= \ text {x} — \ text {vt} [/ latex]

, а преобразование Лоренца дает

[латекс] \ text {t} ‘= \ gamma (\ text {t} — \ frac {\ text {vx}} {\ text {c} ^ {2}}) [/ latex]

[латекс] \ text {x} ‘= \ gamma (\ text {x} — \ text {vt}) [/ latex]

где [латекс] \ гамма [/ латекс] — коэффициент Лоренца:

[латекс] \ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1 — (\ text {v} / \ text {c}) ^ {2}}} [/ latex].

Законы сохранения в физике, такие как закон сохранения количества движения, должны быть инвариантными. То есть свойство, которое необходимо сохранить, должно оставаться неизменным независимо от изменений условий измерения. Это означает, что закон сохранения должен выполняться в любой системе отсчета. Второй закон Ньютона [с массой, фиксированной в выражении для количества движения (p = m * v)] не инвариантен относительно преобразования Лоренца. Однако его можно сделать инвариантным, сделав инерциальную массу объекта м функцией скорости:

[латекс] \ text {m} = \ gamma \ text {m} _ {0} [/ latex]

где [latex] \ text {m} _ {0} [/ latex] — инвариантная масса объекта.

Модифицированный импульс,

[латекс] \ text {p} = \ gamma \ text {m} _ {0} \ text {v} [/ latex]

подчиняется второму закону Ньютона:

[латекс] \ text {F} = \ frac {\ text {dp}} {\ text {dt}} [/ latex].

Важно отметить, что для скоростей, намного меньших скорости света, ньютоновский импульс и релятивистский импульс примерно одинаковы. Однако по мере приближения к скорости света релятивистский импульс становится бесконечным, в то время как ньютоновский импульс продолжает линейно возрастать.Таким образом, необходимо использовать выражение для релятивистского импульса, когда мы имеем дело со скоростями, близкими к скорости света.

Релятивистский и ньютоновский импульс : Этот рисунок показывает, что релятивистский импульс приближается к бесконечности по мере приближения к скорости света. Ньютоновский импульс линейно увеличивается со скоростью.

Релятивистская энергия и масса

В специальной теории относительности, когда объект приближается к скорости света, энергия и импульс объекта неограниченно возрастают.{2}}} [/ латекс].

Ключевые термины
  • Фактор Лоренца : Фактор, используемый в специальной теории относительности для вычисления степени замедления времени, сокращения длины и релятивистской массы объекта, движущегося относительно наблюдателя.
  • масса покоя : масса тела, когда оно не движется относительно наблюдателя
  • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.

Релятивистская энергия и масса

Согласно специальной теории относительности, объект, обладающий массой, не может двигаться со скоростью света. Когда объект приближается к скорости света, его энергия и импульс неограниченно возрастают. Релятивистские поправки на энергию и массу необходимо делать из-за того, что скорость света в вакууме постоянна во всех системах отсчета. Сохранение массы и энергии — общепринятые законы физики. Чтобы эти законы выполнялись во всех системах отсчета, необходимо применить специальную теорию относительности.Важно отметить, что для объектов со скоростями, которые значительно ниже скорости света, выражения для релятивистской энергии и массы дают значения, примерно равные их ньютоновским аналогам. 2}} [/ latex], где v — относительная скорость между инерциальными системами отсчета, c — скорость света.

Ричард Толмен и Альберт Эйнштейн : Ричард Толмен (1881-1948) с Альбертом Эйнштейном (1879-1955) в Калифорнийском технологическом институте, 1932 год

Когда относительная скорость равна нулю, просто равна 1, а релятивистская масса сводится к массе покоя. По мере того, как скорость увеличивается до скорости света (c), знаменатель правой части приближается к нулю и, следовательно, приближается к бесконечности.

В формуле для количества движения возникающая масса является релятивистской массой.{2}} [/ латекс]. Здесь термин представляет собой квадрат евклидовой нормы (общей длины вектора) различных векторов импульса в системе, который сводится к квадрату простой величины импульса, если рассматривать только одну частицу. Это уравнение сводится к моменту, когда импульс равен нулю. Для фотонов, где уравнение сводится к.

Сегодня предсказания релятивистской энергии и массы обычно подтверждаются экспериментальными данными ускорителей частиц, таких как коллайдер релятивистских тяжелых ионов.Увеличение релятивистского импульса и энергии не только точно измеряется, но также необходимо для понимания поведения циклотронов и синхротронов, которые ускоряют частицы почти до скорости света.

Материя и антивещество

Антивещество состоит из античастиц, которые имеют ту же массу, что и частицы обычного вещества, но имеют противоположный заряд и квантовый спин.

Цели обучения

Описание свойств античастиц

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Конечным результатом встречи антивещества с веществом является выделение энергии, пропорциональной массе, как показано в уравнении эквивалентности массы и энергии, E = mc 2 .
  • Хотя кажется, что почти вся материя, наблюдаемая с Земли, состоит из вещества, а не антивещества, антивещество все еще может существовать в относительно больших количествах в далеких галактиках.
  • Никакого объяснения кажущейся асимметрии вещества и антивещества в видимой Вселенной не существует.
Ключевые термины
  • аннигиляция : процесс объединения частицы и соответствующей ей античастицы для производства энергии
  • позитрон : Антивещественный эквивалент электрона, имеющий ту же массу, но положительный заряд.
  • антивещество : вещество, состоящее из античастиц, составляющих нормальное вещество

Антивещество — это материал, состоящий из античастиц, которые имеют ту же массу, что и частицы обычного вещества, но имеют противоположный заряд и квантовый спин. Античастицы связываются друг с другом, образуя антивещество так же, как нормальные частицы связываются, образуя нормальное вещество. Например, позитрон (античастица электрона, с символом e + ) и антипротон (символ p ) могут образовывать атом антиводорода.Более того, смешивание вещества и антивещества может привести к аннигиляции обоих, точно так же, как смешивание античастиц и частиц. Это порождает фотоны высокой энергии (гамма-лучи) и другие пары частица-античастица. Конечным результатом встречи антивещества с веществом является выделение энергии, пропорциональной массе, как показано в уравнении эквивалентности массы и энергии: E = mc 2 .

Антиводород и атомы водорода : Антиводород состоит из антипротона и позитрона; водород состоит из протона и электрона.

Кажется, что почти вся материя, наблюдаемая с Земли, состоит из материи, а не из антивещества. Если бы существовали области пространства с преобладанием антивещества, гамма-лучи, образующиеся в реакциях аннигиляции вдоль границы между областями материи и антивещества, можно было бы обнаружить.

Антивещество может все еще существовать в относительно больших количествах в далеких галактиках из-за космической инфляции в изначальное время Вселенной. Предполагается, что галактики на основе антивещества, если они существуют, будут иметь такой же химический состав, спектры поглощения и излучения, что и галактики с нормальной материей, а их астрономические объекты будут идентичны с точки зрения наблюдений, что затрудняет их отличия от галактик с нормальной материей. {2} [ /латекс].

  • На низкой скорости ([латекс] \ text {v} << \ text {c} [/ latex]) релятивистская кинетическая энергия может быть аппроксимирована классической кинетической энергией. Таким образом, полную энергию можно разделить на энергию массы покоя плюс традиционную ньютоновскую кинетическую энергию на малых скоростях.
  • Ключевые термины
    • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.
    • классическая механика : Все физические законы природы, которые объясняют поведение нормального мира, но нарушаются при работе с очень маленькими (см. Квантовую механику), очень быстрыми или очень тяжелыми (см. Теорию относительности).
    • Фактор Лоренца : Фактор, используемый в специальной теории относительности, для вычисления степени замедления времени, сокращения длины и релятивистской массы объекта, движущегося относительно наблюдателя.

    В классической механике кинетическая энергия объекта зависит от массы тела, а также от его скорости.{2}} {2 \ text {m}} [/ latex],

    где [латекс] \ text {p} [/ latex] — импульс.

    Если скорость тела составляет значительную долю скорости света, необходимо использовать специальную теорию относительности для расчета его кинетической энергии. Важно знать, как применить специальную теорию относительности к проблемам с высокоскоростными частицами. В специальной теории относительности мы должны изменить выражение для количества движения. Используя [latex] \ text {m} [/ latex] для массы покоя, [latex] \ text {v} [/ latex] и [latex] \ nu [/ latex] для скорости и скорости объекта соответственно, и [latex ] \ text {c} [/ latex] для скорости света в вакууме релятивистское выражение для количества движения:

    Time Magazine — 1 июля 1946 года : Популярная связь между Эйнштейном, E = mc2, и атомной бомбой была заметно обозначена на обложке журнала Time (июль 1946 года) написанием уравнения на самом грибовидном облаке. 2 [/ latex].

    Таким образом, полную энергию можно разделить на энергию массы покоя плюс традиционную классическую кинетическую энергию на малых скоростях.

    Что такое относительность? Сногсшибательная теория Эйнштейна объяснила

    Когда теория относительности появилась в начале 1900-х годов, она перевернула века науки и дала физикам новое понимание пространства и времени. Исаак Ньютон видел пространство и время как фиксированные, но в новой картине, представленной специальной теорией относительности и общей теорией относительности, они были текучими и податливыми.

    Кто придумал теорию относительности?

    Альберт Эйнштейн. Он опубликовал первую часть своей теории — специальную теорию относительности — в немецком физическом журнале Annalen der Physik в 1905 году и завершил свою общую теорию относительности только после еще одного десятилетия сложной работы. Он представил последнюю теорию в серии лекций в Берлине в конце 1915 года и опубликовал в Annalen в 1916 году.

    Связанные

    Что такое специальная теория относительности?

    Теория основана на двух ключевых концепциях.

    • Во-первых, мир природы не допускает «привилегированных» систем координат. Пока объект движется по прямой с постоянной скоростью (то есть без ускорения), законы физики одинаковы для всех. Это немного похоже на то, когда вы смотрите в окно поезда и видите, что соседний поезд движется — но это или вы ? Трудно сказать. Эйнштейн признал, что, если движение абсолютно однородно, сказать буквально невозможно — и назвал это центральным принципом физики.
    • Во-вторых, свет движется с неизменной скоростью 186 000 миль в секунду. Независимо от того, как быстро движется наблюдатель или как быстро движется светоизлучающий объект, измерение скорости света всегда дает один и тот же результат.

    Исходя из этих двух постулатов, Эйнштейн показал, что пространство и время связаны между собой способами, которые ученые никогда раньше не осознавали. Посредством серии мысленных экспериментов Эйнштейн продемонстрировал, что последствия специальной теории относительности часто противоречат здравому смыслу — даже поразительны.

    Страница оригинальных рукописей теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном, на выставке в Израильской национальной академии наук и гуманитарных наук в Иерусалиме 7 марта 2010 г. Ури Ленц / файл EPA

    Если вы летите на ракете и проехав мимо друга на такой же, но более медленной ракете, например, вы увидите, что часы вашего друга идут медленнее, чем ваши (физики называют это «замедлением времени»).

    Более того, ракета вашего друга будет казаться короче вашей собственной.Если ваша ракета разгоняется, ваша масса и масса ракеты увеличиваются. Чем быстрее вы летите, тем тяжелее становятся вещи и тем сильнее ваша ракета будет сопротивляться вашим усилиям по ускорению. Эйнштейн показал, что ничто, имеющее массу, никогда не может достичь скорости света.

    Еще одно следствие специальной теории относительности состоит в том, что материя и энергия взаимозаменяемы с помощью знаменитого уравнения E = mc² (в котором E означает энергию, m — массу, а c² скорость света, умноженную на себя). Поскольку скорость света очень велика, даже небольшое количество массы эквивалентно очень большому количеству энергии и может быть преобразовано в него.Вот почему атомные и водородные бомбы такие мощные.

    Что такое общая теория относительности?

    По сути, это теория гравитации. Основная идея заключается в том, что гравитация — это не невидимая сила, которая притягивает объекты друг к другу, а искривление или искривление пространства. Чем массивнее объект, тем сильнее он искажает пространство вокруг себя.

    Связанные

    Например, Солнце достаточно массивно, чтобы искривлять пространство через нашу солнечную систему — это немного похоже на то, как тяжелый шар, лежащий на резиновой пластине, деформирует ее.В результате Земля и другие планеты движутся по изогнутым траекториям (орбитам) вокруг нее.

    Эта деформация также влияет на измерения времени. Мы склонны думать, что время уходит с постоянной скоростью. Но точно так же, как гравитация может растягивать или деформировать пространство, она может также замедлять время. Если ваш друг заберется на вершину горы, вы увидите, что его часы тикают быстрее, чем ваши; у другого друга, находящегося на дне долины, будут более медленные часы из-за разницы в силе гравитации в каждом месте.Последующие эксперименты показали, что это действительно происходит.

    Как выглядит теория относительности «под капотом»?

    Специальная теория относительности — это, в конечном счете, набор уравнений, которые связывают то, как вещи выглядят в одной системе отсчета, с тем, как они выглядят в другой — растяжение времени и пространства и увеличение массы. В уравнениях нет ничего сложнее, чем математика средней школы.

    Общая теория относительности сложнее. Его «уравнения поля» описывают взаимосвязь между массой и кривизной пространства и замедлением времени и обычно преподаются на курсах физики в университетах для выпускников.

    Тесты специальной и общей теории относительности

    За последнее столетие многие эксперименты подтвердили справедливость как специальной, так и общей теории относительности. В ходе первой крупной проверки общей теории относительности астрономы в 1919 году измерили отклонение света от далеких звезд при прохождении звездного света мимо нашего Солнца, доказав, что гравитация действительно искажает или искривляет пространство.

    В 1971 году ученые проверили обе части теории Эйнштейна, разместив точно синхронизированные атомные часы в авиалайнерах и облетев их вокруг света.Проверка хронометров после приземления самолетов показала, что часы на борту авиалайнеров идут немного медленнее (менее одной миллионной секунды), чем часы на земле.

    Несоответствие возникло из-за скорости самолетов (эффект специальной теории относительности) и их большего расстояния от центра гравитационного поля Земли (эффект общей теории относительности).

    В 2016 году открытие гравитационных волн — тонкой ряби в ткани пространства-времени — стало еще одним подтверждением общей теории относительности.

    Относительность на практике

    Хотя идеи, лежащие в основе теории относительности, кажутся эзотерическими, теория оказала огромное влияние на современный мир.

    Атомные электростанции и ядерное оружие, например, были бы невозможны без знания того, что материя может быть преобразована в энергию. И наша спутниковая сеть GPS (глобальная система позиционирования) должна учитывать тонкие эффекты как специальной, так и общей теории относительности; если бы они этого не сделали, они бы дали результаты, отличавшиеся на несколько миль.

    ПОДПИСАТЬСЯ НА NBC NEWS MACH В TWITTER, FACEBOOK И INSTAGRAM.

    Структура и содержание значения теории относительности

    Стр. Из

    НАПЕЧАТАНО ИЗ СТИПЕНДИИ ПРИНСТОНА ОНЛАЙН (www.princeton.universitypressscholarship.com). (c) Авторское право Princeton University Press, 2021. Все права защищены. Индивидуальный пользователь может распечатать одну главу монографии в формате PDF в PRSO для личного использования. Дата: 2 января 2022 г.

    Глава:
    (п.17) 3 Структура и содержание значения теории относительности
    Источник:
    Годы становления теории относительности
    Автор (ы):

    Ханох Гутфройнд

    Юрген Ренн

    Издатель:
    Princeton University Press
    2 : 10.23943 / princeton / 9780691174631.003.0003

    В этой главе обсуждаются структура и содержание текста Эйнштейна, The Meaning of Relativity . Он показывает поток идей в порядке их представления и подчеркивает новые способы их формулирования под влиянием взаимодействия Эйнштейна с его коллегами и его собственного переосмысления некоторых основных концепций.Как и в случае с его Relativity The Special and General Theory , где на протяжении многих лет Эйнштейн добавлял новые приложения к более поздним изданиям книги, он также использовал The Meaning of Relativity в качестве платформы для публикации на с течением времени, вплоть до конца своей жизни, его размышления по основным вопросам повестки дня дебатов и усилий в годы формирования общей теории относительности.

    Ключевые слова: Значение теории относительности, годы становления, общая теория относительности, лекции по теории относительности, физика, специальная теория относительности, Альберт Эйнштейн

    Для получения доступа к полному тексту книг в рамках службы для получения стипендии

    Princeton Online требуется подписка или покупка.Однако публичные пользователи могут свободно искать на сайте и просматривать аннотации и ключевые слова для каждой книги и главы.

    Пожалуйста, подпишитесь или войдите для доступа к полному тексту.

    Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому заголовку, обратитесь к своему библиотекарю.

    Для устранения неполадок, пожалуйста, проверьте наш FAQs , и если вы не можете найти там ответ, пожалуйста связаться с нами.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.