2.Общая теория относительности (ото).

В СТО говорится об одинаковости законов природы лишь для инерциальных систем отсчета (ИСО). Но, строго говоря, таких систем не существует.

ОТО, называемая теорией гравитации, распространяет законы природы на все, в том числе неинерциальные системы (движущиеся с ускорением).

Эйнштейн предположил, что все физические законы одинаковы для всех возможных СО – это т.н. принцип общей относительности:

«Все СО равноправны, во всех действуют одни и те же законы».

В 1907г. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности инертной и тяготеющей масс т.е тяготение эквивалентно ускоренно движущимся системам отсчета.

Из ОТО следует, что структура пространства-времени может быть более сложной , чем евклидова.

Материя создает и формирует свойства пространства- времени, любая масса искривляет пространство – время.

ОТО заменила ньютонов механический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения- тяготение определяется искривлением пространства- времени.

«Вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу, как тому двигаться».

Американский физик А. Уилер.

Экспериментальные доказательства ОТО

1. Искривление лучей света вблизи тяжелых масс (1919г).

2. Смещение перигелия Меркурия (поворот орбиты целиком).

3. Гравитационное красное смещение (замедление времени). Понижение частоты в сторону красного света.

Лекция 6.1 Теория относительности

1. Специальная ( частная ) теория относительности – СТО;

2. Общая теория относительности ( теория гравитации ) – ОТО.

Специальная (частная) теория относительности – СТО

• Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) (англ. special theory of relativity; ча́стная тео́рия относи́тельности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей образует общую теорию относительности.

• Отклонения в протекании физических процессов, описываемые теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой (нерелятивистская механика), называют релятивистскими эффектами, скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями.

• Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

• Другим следствием развития электродинамики стал переход от Ньютоновской концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействующие на расстоянии тела воздействуют друг на друга через пустоту, причём взаимодействие осуществляется с бесконечной скоростью, т.е. «мгновенно» к концепции близкодействия, предложенной Фарадеем, в которой взаимодействие передаётся с помощью промежуточных агентов - полей, заполняющих пространство - и при этом встал вопрос о скоростях распространения как взаимодействий, переносимых полями, так и самих полей. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света.

• уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно принципа относительности и преобразований Галилея - что противоречило Ньютоновской концепции абсолютного пространства классической механики.

• Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна.

• Максвелловская электродинамика представляла ту картину мира, которая сложилась в физике к 20 веку. В ней не удавалось, несмотря на обилие экспериментальных данных, непротиворечиво согласовать некоторые черты.

• А.ЭЙНШТЕЙН показал, что все противоречия можно устранить, если построить теорию на основе двух постулатов. Теория вошла в историю как специальная теория относительности (СТО).

• В СТО из всех систем отсчета особо выделяются инерциальные системы отсчета (ИСО).

• ИСО – система отсчета, в которой справедлив закон инерции Ньютона. Любая СО, движущаяся относительно ИСО поступательно, равномерно и прямолинейно также является ИСО.

• Основой для создания СТО и предшествующих теорий послужил опыт Майкельсона, который дал результат измерения, неожиданный для классической физики своего времени. Попытка проинтерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений механики, и создание Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном релятивистских физических теорий.

• С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно интерпретировать как результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют единый четырёхмерный континуум — пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством.

• Для описания гравитации разработано особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Тем не менее, динамика даже в рамках СТО может включать гравитационное взаимодействие, пока потенциал гравитационного поля много меньше c².

• Следует также заметить, что специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей вселенной, требуя замены на ОТО

• Специальная теория относительности (в отличие от общей) полностью совместима с квантовой механикой. Их синтезом является квантовая теория поля. Более того, такое механическое явление как спин без привлечения теории относительности не имеет разумного объяснения. Однако, обе теории вполне независимы друг от друга.

• Тем не менее, опора на достижения экспериментальной физики позволяет утверждать, что в пределах своей области применимости — при пренебрежении эффектами гравитационного взаимодействия тел — СТО является справедливой с очень высокой степенью точности (до 10^-12 и выше)