2. Общая теория относительности (ото).

• А.Эйнштейн — автор общей теории относительности (1921 год)

• О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО; англ. general theory of relativity) — геометрическая теория тяготения, опубликованная А.Эйнштейном в 1915-1916 г. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием СТО, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

• Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной энергии тела в гравитационном поле. Потенциал гравитации, соответствующий этой потенциальной энергии, подчиняется уравнению Пуассона, которое не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Причина неинвариантности заключается в том, что энергия в специальной теории относительности не является скалярной величиной, а переходит во временну́ю компоненту 4-вектора. Векторная же теория гравитации оказывается аналогичной теории электромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме

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

• 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).

• Из ОТО следует:

1. Материя создает и формирует свойства пространства-времени.

2. Любая масса искривляет пространство-время, мерой которого является отношение гравитационного потенциала к квадрату скорости света.

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».

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

Инвариантом является пространственно-временной интервал.

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

ОТО заменила ньютонов механический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения.

• ОТО в настоящее время — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 г., Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности

• С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение

• Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний ОТО — существования черных дыр.

Лекция №11

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

План:

1. Эволюция представлений о строении атома. Спектры излучения и поглощения света.

2. Корпускулярно – волновой дуализм.

3. Принципы неопределенности, дополнительности, соответствия

1. Эволюция представлений о строении атома. Спектры излучения и поглощения света.

• Зарождение концепции атомизма в древности (Левкипп, Демокрит, Эпикур).

• Изучение физико-химических свойств атома (18в.- Дальтон, 19в. – Менделеев).

• Открытие и изучение радиоактивности ( конец 19в.-Беккерель, Пьер и Мария Кюри)

• Изучение строения атома (1897 -1898г.). Первая модель атома Томсона.

• Планетарная модель атома Резерфорда(1911г.)

Учение о строении атома неразрывно связано с учением о происхождении спектров. Различают спектры излучения и поглощения.

Вещество испускает излучение, если его атомы находятся в возбужденном состоянии. Возбуждение атомов происходит в результате соударений (тепловое движение),при поглощении света, химических реакциях и т.д.

Спектры могут быть:

• Линейчатые

• Полосатые

• Непрерывные

В непрерывных спектрах представлены все длины волн. Они представляют собой сплошную разноцветную полосу. Сплошные спектры дают вещества в твердом и жидком состоянии т.к. их атомы сильно взаимодействуют между собой.

Если при излучении вещество испускает свет только в определенных очень узких интервалах, то получается линейчатый спектр. Он имеет вид отдельных цветных линий, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры дают вещества в газообразном состоянии, когда атомы практически не взаимодействуют друг с другом.

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Такой спектр дают вещества в газообразном состоянии, состоящие из молекул.

Для получения спектраспектра поглощения вещество просвечивается излучением с непрерывным спектром. Установлено, что спектры излучения и поглощения идентичны.

Модель атома Резерфорда не могла объяснить устойчивость атома и наличие линейчатых спектров. Классическая теория Максвелла оказалась неприменимой к внутриатомным процессам.

Попытка построить новую теорию атома на основе квантовых представлений была предпринята Н.БОРОМ. В 1913г. Он предложил 2 постулата.

• Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии.

• В торой постулат Бора (правило частот):при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается или поглощается один фотон с энергией

ЧАСТОТА ИЗЛУЧЕНИЯ

Теория БОРА блестяще объяснила линейчатые спектры водорода. Немецкие физики ФРАНК и ГЕРЦ экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии (1925г. – Нобелевская премия).

Они изучали столкновения электрона с атомами паров и газов. Оказалось, что электрон может сталкиваться с атомами упруго и не упруго. При упругом ударе электрон отскакивает от атома, не теряя энергии. При неупругом ударе атому передается вполне определенная порция энергии.

Квантовый характер излучения и поглощения энергии атомами лег в основу работы ЛАЗЕРОВ. Физической основой лазерной техники является эффект вынужденного излучения. Переходы электрона индуцируются под воздействием света, электрического разряда, химической реакции и т.д. Применяются и другие способы «накачки» активной среды, в качестве которой используются газы, жидкости, твердые тела(кристаллы).

Лазерное излучение называют вынужденным, монохроматическим, когерентным(т.е согласованным). Основатели квантовой электроники – Николай БАСОВ, Александр ПРОХОРОВ, Чарльз ТАУНС (1964г. – Нобелевская премия).

Теория атома РЕЗЕРФОРДА – БОРА оказалась половинчатой и внутренне противоречивой. Она не позволила построить количественную теорию более сложных атомов, чем водород. Это было связано с волновыми свойствами электрона. Теория БОРА ясно показала, что с помощью классической физики нельзя объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Процессы в атоме в принципе нельзя представить наглядно в виде механической модели.

По мере развития квантовой механики атом все больше становился абстрактно – ненаблюдаемой суммой уравнений.