Основной закон эйнштейна формула – Теория относительности – что это такое? Постулаты теории относительности. Время и пространство в теории относительности

Основной закон Эйнштейна

Всем нам знакома личность Эйнштейна. Закон относительности стал основным открытием в карьере великого ученого. Однако это далеко не единственное научное изыскание, которым славится немецкий физик. Об истории жизни Эйнштейна и его основных достижениях будет рассказано в нашем материале.

Жизнь Альберта Эйнштейна

Величайший физик родился в 1879 году в Ульме, небольшом немецком городке. Альберт получил школьное образование, после чего поступил в технический техникум Цюриха. Вопреки многочисленным мифам, с математикой у Эйнштейна всегда все было в порядке.

По окончании учебы Альберт Эйнштейн работал в штабе Бернского бюро патентования изобретений. Первое время ученый жил почти в бедности. Зарабатывал он путем сотрудничества с журналом «Анналы физики».

Закон относительности Эйнштейн представил в 1905 году. Спустя четыре года, ученый получает должность преподавателя в университете Цюриха. Чуть позже немецкого физика номинируют на Нобелевскую премию. Награду Эйнштейн получил, но не за главную свою идею: к теории относительности научный комитет отнесся прохладно. Зато им пришлась по душе теория фотоэффекта, именно за нее гениальный физик и получил “Нобеля”.

Законы фотоэффекта

В начале XX века германский физик Макс Планк объяснил спектральность состава излучения от горячих тел. Согласно его теории, процесс излучения дискретен, то есть испускание его должно быть порционно. Однако Планк так и не смог растолковать физическое значение квантов – неделимых порций света.

Теорию Планка подхватил Эйнштейн. Смысл закона фотоэффекта заключается в том, что световые волны не только излучаются и поглощаются, но и как раз состоят из квантов. Это частицы, передвигающиеся в пустоте со скоростью 300 тыс. километров в секунду. Чуть позже кванты света стали именоваться фотонами.

Большую роль в законе Эйнштейна играет понятие “красной границы” – нижней частоты, после которой ничего не происходит. Связано это с выбиванием электронов из вещества при помощи света. Важно понимать, что закон о фотоэффекте не един. Он включает в себя множество разных положений о роли квантов, фотонов и различных веществ.

Броуновское движение

Непрерывное движение частиц в жидкости было открыто британским ботаником Робертом Броуном еще в начале XIX века. В качестве предмета для опыта использовалась цветочная пыльца. Броун смог придать движению статистическое объяснение, но в теории Эйнштейна оно приобрело законченную форму.

Немецкий физик сформировал теорию, в соответствии с которой движение частиц происходит из-за столкновения с невидимыми молекулами. Более того, Эйнштейн представил ряд принципов, согласно которым существует возможность вычислить количество молекул и их массу.

Немецкий физик не только дополнил теорию Броуна, но и укрепил научное мнение о реальности молекул. Дело в том, что большинство ученых начала XX века ставили существование микрочастиц под сомнение. Для них это было не более чем гипотеза времен Демокрита. Однако Эйнштейн привел необходимое количество доказательств.

Специальная теория относительности

До конца XIX века многие физики были уверены в существовании эфира – некоего вещества, заполняющего Вселенную. Сомневались в теории лишь два американских физика: Майкельсон и Морли. Они поставили эксперимент, в котором искали различия в скорости света, якобы распространяющегося по эфиру. Итог опыта был ожидаемым: роль эфира как носителя света оказалась маловероятна.

Теорию Майкельсона-Морли дополнил Эйнштейн. Он сформировал идею о том, что свет всегда распространяется с одинаковой скоростью. Он не зависит от движения его источника. Таким образом, концепция эфира была полностью опровергнута.

Эйнштейн изменил представления о времени и пространстве. Ни один физический объект не может передвигаться быстрее, чем свет. При этом наблюдатель видит, как размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения. Скорость света может быть одинаковой как для покоящихся, так и для движущихся наблюдателей лишь в том случае, если время несколько замедлится.

Один из важнейших постулатов представлен в законе Эйнштейна об относительности. Им является идея эквивалентности энергии и массы.

Закон о сохранении энергии

Эйнштейну принадлежит знакомая многим формула E=mc2. E здесь обозначает энергию, m – это масса, а c – скорость света. Но что все это значит и как это соотнести?

Масса и энергия – это одно и то же. Доказательства тому есть повсюду. Например, превращенная в чистую энергию пальчиковая батарейка будет равна 250 млрд таких же батареек, но уже используемых по старинке. Почему так получается? В законе Эйнштейна есть ответ на этот вопрос, причем довольно простой. Полная энергия физического тела равняется его же массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости в вакуумном пространстве. Таким образом, любой категории энергии соответствует свой тип массы.

Идея об эквивалентности массы объекта наличествующей в теле энергии стала главным постулатом частной теории относительности. К тому же закон Эйнштейна имеет важное практическое значение. Сегодня он повсеместно применяется в энергетике и военной сфере.

Восприятие идей Эйнштейна

Таким образом, специальная теория относительности базируется на двух постулатах. Первая идея – принцип относительности, согласно которому системы отсчета, двигающиеся в отношении друг друга с неизменной скоростью в одном направлении, управляются одними и теми же законами. Второй принцип связан со скоростью света. Она одинакова для каждого наблюдателя и не имеет зависимости от скорости их передвижения. Ничто в природе не может быть быстрее скорости света.

Многие ученые не воспринимали идеи Эйнштейна. Немецкий ученый говорил малопонятные вещи и часто отрицал устоявшиеся гипотезы. Однако все теории и законы Эйнштейна в физике были получены в результате опыта, а не теоретических работ. Идеальная теория, говорил немецкий физик, должна базироваться на минимальном числе постулатов и описывать наибольшее количество явлений.

Общая теория относительности

Под конец следует рассказать про основной закон Эйнштейна – общую теорию относительности (ОТО). Первые идеи были опубликованы в 1912 году. Вместе с Гроссманом, своим товарищем, Эйнштейн опубликовал статью “Набросок обобщенной ТО”. Окончательная формулировка появилась лишь в 1915 году.

Немецкий ученый опирался на тот факт, что “инертная” и “тяжелая” массы равны. Но каков может быть способ передачи гравитационного воздействия между телами? Что может быть распространителем такого воздействия? Эйнштейн дал весьма неожиданный ответ: посредником выступает система пространства и времени.

Пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться.

С появлением теории Эйнштейна Ньютоновская механика ушла в прошлое. Гравитационное притяжение тел сменилось пространственно-временным описанием того, как массивные объекты воздействуют на характеристики пространства вокруг самих себя. Так, тела не притягиваются друг к другу, а меняют пространственно-временной континуум. Джон Арчибальд Уилер, американский друг и коллега Эйнштейна, лучше других охарактеризовал теорию великого физика: “Пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться”.

Признание научных идей

Первые годы теорию Эйнштейна почти никто не принимал. Ситуация изменилась лишь в 1919 году, когда был поставлен прямой опыт. Он доказал одно из предсказаний ОТО. Дело в том, что луч света, исходящий от далекой звезды, искривился полем тяготения Солнца.

Подобное наблюдение можно наблюдать каждое солнечное затмение. Эйнштейн прославился на весь мир.

Ниже представлен к/ф “Что такое теория относительности?” (1964 год, СССР).

Впервые в мировой истории научная теория произвела настоящей фурор даже в обычном обществе. Теория относительности стала предметом бесед в светских салонах. Газеты были переполнены новостями о необычном ученом, преподаватели разных университетов стали обращаться к Эйнштейну за советами. Даже политики не остались в стороне: на имени немецкого ученого пытались заработать и сделать карьеру. Мнение Эйнштейна стало одним из самых популярных и авторитетных в мире.

fb.ru

Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Формула Эйнштейна для энергии

Альберт Эйнштейн, пожалуй, известен каждому жителю нашей планеты. Знают его благодаря знаменитой формуле связи массы и энергии. Тем не менее Нобелевскую премию он получил не за нее. В данной статье рассмотрим две формулы Эйнштейна, которые перевернули физические представления об окружающем нас мире в начале XX века.

Плодотворный год Эйнштейна

В 1905 году Эйнштейн опубликовал сразу несколько статей, которые главным образом касались двух тематик: разработанной им теории относительности и объяснения явления фотоэффекта. Материалы были опубликованы в немецком журнале Annalen der Physik. Уже сами названия двух этих статей вызвали недоумение в кругу ученых на тот момент:

  • “Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?”;
  • “Эвристическая точка зрения о возникновении и преобразовании света”.

В первой ученый приводит известную в настоящее время всем формулу теории относительности Эйнштейна, которая объединяет в единое равенство массу и энергию. Во второй статье приводится уравнение для фотоэффекта. Обе формулы используются в настоящее время как для работы с радиоактивной материей, так и для генерации электрической энергии из электромагнитных волн.

Короткая формула специальной теории относительности

Разработанная Эйнштейном теория относительности рассматривает явления, когда массы объектов и их скорости перемещения являются огромными. В ней Эйнштейн постулирует, что быстрее света нельзя двигаться ни в одной системе отсчета, и что при околосветовых скоростях происходит изменение свойств пространства-времени, например, время начинает замедляться.

Теорию относительности тяжело понять с логической точки зрения, поскольку она противоречит обычным представлениям о движении, законы которого установил Ньютон в XVII веке. Тем не менее, Эйнштейн из сложных математических расчетов пришел к элегантной и простой формуле:

E = m*c2.

Это выражение получило название формулы Эйнштейна для энергии и массы. Разберемся, что оно означает.

Понятия о массе, об энергии и о скорости света

Чтобы лучше понять формулу Альберта Эйнштейна, следует подробно разобраться со значением каждого символа, который в ней присутствует.

Начнем с массы. Можно часто слышать, что эта физическая величина связана с количеством содержащегося в теле вещества. Это не совсем так. Более правильно массу определять как меру инерции. Чем больше тело, тем тяжелее придать ему определенную скорость. Масса измеряется в килограммах.

Вопрос энергии тоже не является простым. Так, существуют самые разнообразные ее проявления: световая и тепловая, паровая и электрическая, кинетическая и потенциальная, химических связей. Все эти виды энергии объединяет одно важное свойство – их способность совершать работу. Иными словами энергия – это физическая величина, которая способна перемещать тела против действия иных внешних сил. Мерой в системе СИ является джоуль.

Что такое скорость света, примерно понятно каждому. Под ней понимают расстояние, которое электромагнитная волна проходит за единицу времени. Для вакуума эта величина является константой, в любой же другой вещественной среде она уменьшается. Скорость света измеряется в метрах в секунду.

Смысл формулы Эйнштейна

Если внимательно посмотреть на эту простую формулу, то можно увидеть, что масса связана с энергией через константу (квадрат скорости света). Сам Эйнштейн объяснял, что масса и энергия являются проявлением одной и той же вещи. При этом переходы m в E и обратно оказываются возможными.

До появления теории Эйнштейна ученые полагали, что законы сохранения массы и энергии существуют по отдельности и справедливы для любых процессов, происходящих в замкнутых системах. Эйнштейн показал, что это не так, и сохраняются эти явления не по отдельности, а вместе.

Другой особенностью формулы Эйнштейна или закона эквивалентности массы и энергии является коэффициент пропорциональности между этими величинами, то есть c2. Он равен приблизительно 1017 м22. Эта огромная величина говорит о том, что даже небольшое количество массы содержит в себе огромные запасы энергии. Например, если следовать этой формуле, то всего одна сушеная ягода винограда (изюм) может удовлетворить все энергетические потребности Москвы в течение одного дня. С другой стороны, этот огромный коэффициент также объясняет, почему в природе мы не наблюдаем изменения массы, ведь они слишком малы для используемых нами значений энергии.

Влияние формулы на ход истории XX века

Благодаря знанию этой формулы человек смог овладеть атомной энергией, огромные запасы которой объясняются процессами исчезновения массы. Ярким примером является деление ядра урана. Если сложить массу образовавшихся после этого деления легких изотопов, то она окажется гораздо меньше таковой для исходного ядра. Исчезнувшая масса переходит в энергию.

Человеческая способность использовать атомную энергию привела к созданию реактора, который служит для обеспечения электричеством мирного населения городов, и к конструированию самого смертоносного оружия за всю известную историю – атомной бомбы.

Появление первой атомной бомбы у США досрочно завершило Вторую мировую войну против Японии (в 1945 году США сбросили на два японских города эти бомбы), а также стало основным сдерживающим фактором для возникновения Третьей мировой войны.

Сам Эйнштейн, конечно, не смог предвидеть таких последствий открытой им формулы. Отметим, что в проекте “Манхэттен” по созданию атомного оружия он участия не принимал.

Явление фотоэффекта и его объяснение

Теперь перейдем к рассмотрению вопроса, за ответ на который Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии в начале 20-х годов XX века.

Явление фотоэффекта, открытое в 1887 году Герцем, заключается в появлении свободных электронов над поверхностью некоторого материала, если ее облучать светом определенных частот. Объяснить это явление с точки зрения волновой теории света, утвердившейся на начало XX века, не удавалось. Так, было неясно, почему фотоэффект наблюдается без временной задержки (меньше 1 нс), почему тормозящий потенциал не зависит от интенсивности источника света. Блестящее объяснение дал Эйнштейн.

Ученый предположил простую вещь: свет при взаимодействии с веществом ведет себя не как волна, а как корпускула, квант, сгусток энергии. Исходные понятия уже были известны – корпускулярную теорию предложил еще Ньютон в середине XVII века, а понятие о квантах электромагнитных волн ввел соотечественник физика Макс Планк. Эйнштейн же смог собрать воедино все знания теории и эксперимента. Он считал, что фотон (квант света), взаимодействуя всего с одним электроном, полностью отдает ему свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, чтобы разорвать связь между электроном и ядром, тогда заряженная элементарная частица открывается от атома и переходит в свободное состояние.

Отмеченные представления позволили записать Эйнштейну формулу для фотоэффекта. Рассмотрим ее в следующем пункте.

Фотоэффект и уравнение для него

Это уравнение немного длиннее, чем знаменитая связь энергии и массы. Оно имеет следующий вид:

h*v = A + Ek.

Это уравнение или формула Эйнштейна для фотоэффекта отражает суть происходящего в процесса: фотон с энергией h*v (постоянная Планка умноженная на частоту колебаний) расходуется на разрыв связи электрона и ядра (A – работа выхода электрона) и на сообщение отрицательной частице кинетической энергии (Ek).

Приведенная формула позволила объяснить все наблюдаемые в экспериментах по фотоэффекту математические зависимости и привела к формулировке соответствующих законов для рассматриваемого явления.

Где используется фотоэффект?

В настоящее время идеи Эйнштейна, изложенные выше, применяются для преобразования световой энергии в электричество благодаря солнечным батареям.

В них используется внутренний фотоэффект, то есть “вырванные” из атома электроны не покидают материал, а остаются в нем. В качестве активного вещества используются кремниевые полупроводники n- и p-типа.

fb.ru

Основной закон Эйнштейна

Всем нам знакома личность Эйнштейна. Закон относительности стал основным открытием в карьере великого ученого. Однако это далеко не единственное научное изыскание, которым славится немецкий физик. Об истории жизни Эйнштейна и его основных достижениях будет рассказано в нашем материале.

Жизнь Альберта Эйнштейна

Величайший физик родился в 1879 году в Ульме, небольшом немецком городке. Альберт получил школьное образование, после чего поступил в технический техникум Цюриха. Вопреки многочисленным мифам, с математикой у Эйнштейна всегда все было в порядке.

По окончании учебы Альберт Эйнштейн работал в штабе Бернского бюро патентования изобретений. Первое время ученый жил почти в бедности. Зарабатывал он путем сотрудничества с журналом «Анналы физики».

Закон относительности Эйнштейн представил в 1905 году. Спустя четыре года, ученый получает должность преподавателя в университете Цюриха. Чуть позже немецкого физика номинируют на Нобелевскую премию. Награду Эйнштейн получил, но не за главную свою идею: к теории относительности научный комитет отнесся прохладно. Зато им пришлась по душе теория фотоэффекта, именно за нее гениальный физик и получил “Нобеля”.

Законы фотоэффекта

В начале XX века германский физик Макс Планк объяснил спектральность состава излучения от горячих тел. Согласно его теории, процесс излучения дискретен, то есть испускание его должно быть порционно. Однако Планк так и не смог растолковать физическое значение квантов – неделимых порций света.

Теорию Планка подхватил Эйнштейн. Смысл закона фотоэффекта заключается в том, что световые волны не только излучаются и поглощаются, но и как раз состоят из квантов. Это частицы, передвигающиеся в пустоте со скоростью 300 тыс. километров в секунду. Чуть позже кванты света стали именоваться фотонами.

Большую роль в законе Эйнштейна играет понятие “красной границы” – нижней частоты, после которой ничего не происходит. Связано это с выбиванием электронов из вещества при помощи света. Важно понимать, что закон о фотоэффекте не един. Он включает в себя множество разных положений о роли квантов, фотонов и различных веществ.

Броуновское движение

Непрерывное движение частиц в жидкости было открыто британским ботаником Робертом Броуном еще в начале XIX века. В качестве предмета для опыта использовалась цветочная пыльца. Броун смог придать движению статистическое объяснение, но в теории Эйнштейна оно приобрело законченную форму.

Немецкий физик сформировал теорию, в соответствии с которой движение частиц происходит из-за столкновения с невидимыми молекулами. Более того, Эйнштейн представил ряд принципов, согласно которым существует возможность вычислить количество молекул и их массу.

Немецкий физик не только дополнил теорию Броуна, но и укрепил научное мнение о реальности молекул. Дело в том, что большинство ученых начала XX века ставили существование микрочастиц под сомнение. Для них это было не более чем гипотеза времен Демокрита. Однако Эйнштейн привел необходимое количество доказательств.

Специальная теория относительности

До конца XIX века многие физики были уверены в существовании эфира – некоего вещества, заполняющего Вселенную. Сомневались в теории лишь два американских физика: Майкельсон и Морли. Они поставили эксперимент, в котором искали различия в скорости света, якобы распространяющегося по эфиру. Итог опыта был ожидаемым: роль эфира как носителя света оказалась маловероятна.

Теорию Майкельсона-Морли дополнил Эйнштейн. Он сформировал идею о том, что свет всегда распространяется с одинаковой скоростью. Он не зависит от движения его источника. Таким образом, концепция эфира была полностью опровергнута.

Эйнштейн изменил представления о времени и пространстве. Ни один физический объект не может передвигаться быстрее, чем свет. При этом наблюдатель видит, как размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения. Скорость света может быть одинаковой как для покоящихся, так и для движущихся наблюдателей лишь в том случае, если время несколько замедлится.

Один из важнейших постулатов представлен в законе Эйнштейна об относительности. Им является идея эквивалентности энергии и массы.

Закон о сохранении энергии

Эйнштейну принадлежит знакомая многим формула E=mc2. E здесь обозначает энергию, m – это масса, а c – скорость света. Но что все это значит и как это соотнести?

Масса и энергия – это одно и то же. Доказательства тому есть повсюду. Например, превращенная в чистую энергию пальчиковая батарейка будет равна 250 млрд таких же батареек, но уже используемых по старинке. Почему так получается? В законе Эйнштейна есть ответ на этот вопрос, причем довольно простой. Полная энергия физического тела равняется его же массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости в вакуумном пространстве. Таким образом, любой категории энергии соответствует свой тип массы.

Идея об эквивалентности массы объекта наличествующей в теле энергии стала главным постулатом частной теории относительности. К тому же закон Эйнштейна имеет важное практическое значение. Сегодня он повсеместно применяется в энергетике и военной сфере.

Восприятие идей Эйнштейна

Таким образом, специальная теория относительности базируется на двух постулатах. Первая идея – принцип относительности, согласно которому системы отсчета, двигающиеся в отношении друг друга с неизменной скоростью в одном направлении, управляются одними и теми же законами. Второй принцип связан со скоростью света. Она одинакова для каждого наблюдателя и не имеет зависимости от скорости их передвижения. Ничто в природе не может быть быстрее скорости света.

Многие ученые не воспринимали идеи Эйнштейна. Немецкий ученый говорил малопонятные вещи и часто отрицал устоявшиеся гипотезы. Однако все теории и законы Эйнштейна в физике были получены в результате опыта, а не теоретических работ. Идеальная теория, говорил немецкий физик, должна базироваться на минимальном числе постулатов и описывать наибольшее количество явлений.

Общая теория относительности

Под конец следует рассказать про основной закон Эйнштейна – общую теорию относительности (ОТО). Первые идеи были опубликованы в 1912 году. Вместе с Гроссманом, своим товарищем, Эйнштейн опубликовал статью “Набросок обобщенной ТО”. Окончательная формулировка появилась лишь в 1915 году.

Немецкий ученый опирался на тот факт, что “инертная” и “тяжелая” массы равны. Но каков может быть способ передачи гравитационного воздействия между телами? Что может быть распространителем такого воздействия? Эйнштейн дал весьма неожиданный ответ: посредником выступает система пространства и времени.

Пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться.

С появлением теории Эйнштейна Ньютоновская механика ушла в прошлое. Гравитационное притяжение тел сменилось пространственно-временным описанием того, как массивные объекты воздействуют на характеристики пространства вокруг самих себя. Так, тела не притягиваются друг к другу, а меняют пространственно-временной континуум. Джон Арчибальд Уилер, американский друг и коллега Эйнштейна, лучше других охарактеризовал теорию великого физика: “Пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться”.

Признание научных идей

Первые годы теорию Эйнштейна почти никто не принимал. Ситуация изменилась лишь в 1919 году, когда был поставлен прямой опыт. Он доказал одно из предсказаний ОТО. Дело в том, что луч света, исходящий от далекой звезды, искривился полем тяготения Солнца.

Подобное наблюдение можно наблюдать каждое солнечное затмение. Эйнштейн прославился на весь мир.

Ниже представлен к/ф “Что такое теория относительности?” (1964 год, СССР).

Впервые в мировой истории научная теория произвела настоящей фурор даже в обычном обществе. Теория относительности стала предметом бесед в светских салонах. Газеты были переполнены новостями о необычном ученом, преподаватели разных университетов стали обращаться к Эйнштейну за советами. Даже политики не остались в стороне: на имени немецкого ученого пытались заработать и сделать карьеру. Мнение Эйнштейна стало одним из самых популярных и авторитетных в мире.

autogear.ru

Закон Эйнштейна

В предыдущем параграфе мы установили связь между кинетической энергией тела и его массой: если телу сообщается кинетическая энергия , то его масса возрастает на величину . Эта связь носит общий характер: она относится к любым телам — большим и малым, заряженным и незаряженным и т. д. В то же время кинетическая энергия является только одним из многих видов энергии. Другие известные нам формы энергии — это внутренняя энергия тел, электрическая энергия, энергия световых квантов и т. д.

Как мы знаем, все виды энергии могут переходить друг в друга. Встает вопрос: нет ли между всеми видами энергии и массой тела такой же связи, как в случае кинетической энергии?

Для одного случая мы сразу можем дать утвердительный ответ. Предположим, что мы нагреваем одноатомный газ. В случае одноатомных газов увеличение внутренней энергии при нагревании сводится к увеличению кинетической энергии его частиц. Но с увеличением кинетической энергии частиц растет, как мы видели, их масса. Следовательно, при нагревании возрастает и масса всего газа. Так как в целом тело (газ) остается неподвижным, покоящимся, то отсюда следует, что при нагревании возрастает масса покоя тела. Таким образом, некоторая (крайне малая — см. упражнение 13 в конце главы) часть массы покоя газа связана с кинетической энергией теплового движения его молекул, которая является одним из видов внутренней энергии.

Теория относительности широко обобщает этот вывод и доказывает, что вся масса покоя тела пропорциональна его внутренней энергии. Коэффициент пропорциональности между массой покоя и внутренней энергией тела тот же, что и между добавочной массой тела  и кинетической энергией , т. е. . Следовательно,

, или , (200.1)

где  — внутренняя энергия тела, называемая также энергией покоя;  — масса покоя тела.

Используя соотношение (199.1), мы можем теперь написать:

здесь  — масса тела, а  — полная энергия тела, равная сумме внутренней энергии (энергия покоя) и кинетической энергии .

Мы пришли к закону Эйнштейна; масса тела пропорциональна его полной анергии или обратно: полная энергия тела пропорциональна его массе. Таким образом, закон Эйнштейна выражается формулой

, или . (200.2)

Найдем с помощью закона Эйнштейна энергию покоя (внутреннюю энергию), которой обладает  вещества:

Эта энергия чудовищно велика: для получения такой энергии необходимо сжечь 2 миллиона килограммов наиболее теплотворного топлива — нефти!

Во всех обычных процессах (химические реакции, механическое движение тел и т. д.) энергия, переходящая от одного тела (или системы тел) к другому телу (или системе тел), ничтожно мала по сравнению с энергией покоя участвующих тел. Она не превышает миллиардных долей энергии покоя. Ввиду этого при обычных процессах полная энергия каждого из участвующих тел изменяется не более чем на миллиардные доли своей величины. Масса тел, пропорциональная полной энергии, остается поэтому при таких процессах практически (с очень большой точностью) неизменной. В этом состоит закон сохранения массы, открытый Ломоносовым и Лавуазье еще задолго до создания теории относительности.

В последние десятилетия физика и техника столкнулись с явлениями, в которых выделение энергии настолько велико, что составляет уже заметную долю энергии покоя взаимодействующих тел (пример: атомная энергия). В этих явлениях изменения массы тел, сопровождающие превращения энергии, также велики и поддаются точному измерению. Путем таких измерений была доказана, как мы увидим в §§ 223, 225, справедливость закона Эйнштейна. В изучении этого круга процессов, идущих с большим энерговыделением, закон Эйнштейна оказывается очень полезным. С его помощью трудная задача измерения содержания энергии в теле заменяется гораздо более простой задачей точного измерения массы. Воспользовавшись (199.2), можно переписать закон Эйнштейна в несколько другом виде:

(200.3)

Установим теперь связь между полной энергией тела, его массой покоя и импульсом. Из (199.4) и (200.3) найдем отношение скорости тела к скорости света:  или . Подставив это выражение для  в формулу (200.3) для полной энергии, окончательно получим очень важное соотношение релятивистской механики

(200.4)

Закон Эйнштейна справедлив для любых объектов — не только для тел или частиц, но и, например, для электрических и магнитных полей. Согласно этому закону электромагнитные поля обладают массой. Рассмотрим для примера световые кванты — сгустки электромагнитного волнового поля. Каждый квант света частоты  обладает энергией , где  — постоянная Планка. Согласно (200.2) квант  имеет массу . Этот результат подтвержден опытами.

Световые кванты обладают важной особенностью; масса покоя светового кванта равна нулю. В этом легко убедиться, используя формулу зависимости массы от скорости (199.2). Согласно этой формуле масса покоя . Световые кванты движутся со скоростью света, т. е. для них , , следовательно, .

sfiz.ru

Теория относительности простым языком. Теория относительности Эйнштейна

СТО, ТОЭ – под этими аббревиатурами скрывается знакомый практически всем термин “теория относительности”. Простым языком можно объяснить все, даже высказывание гения, так что не отчаивайтесь, если не помните школьный курс физики, ведь на самом деле все гораздо проще, чем кажется.

Зарождение теории

Итак, начнем курс “Теория относительности для чайников”. Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, и она вызвала резонанс среди ученых. Эта теория практически полностью перекрывала многие пробелы и нестыковки в физике прошлого века, но и, ко всему прочему, перевернула представление о пространстве и времени. Во многие утверждения Эйнштейна современникам было сложно поверить, но эксперименты и исследования только подтверждали слова великого ученого.

Теория относительности Эйнштейна простым языком объясняла то, над чем люди бились столетиями. Ее можно назвать основой всей современной физики. Однако прежде чем продолжить разговор о теории относительности, следует разъяснить вопрос о терминах. Наверняка многие, читая научно-популярные статьи, сталкивались с двумя аббревиатурами: СТО и ОТО. На самом деле они подразумевают несколько разные понятия. Первая – это специальная теория относительности, а вторая расшифровывается как “общая теория относительности”.

Просто о сложном

СТО – это более старая теория, которая потом стала частью ОТО. В ней могут быть рассмотрены только физические процессы для объектов, движущихся с равномерной скоростью. Общая же теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют частицы гравитонов и гравитация.

Если нужно описать движение и законы механики, а также отношения пространства и времени при приближении к скорости света – это сможет сделать специальная теория относительности. Простыми словами можно объяснить так: к примеру, друзья из будущего подарили вам космолет, который может летать на высокой скорости. На носу космического корабля стоит пушка, способная расстрелять фотонами все, что попадется впереди.

Когда производится выстрел, то относительно корабля эти частицы летят со скоростью света, но, по логике, неподвижный наблюдатель должен увидеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит фотоны, движущиеся со скоростью 300000 м/с, будто скорость корабля была нулевой.

Все дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него является неизменной величиной.

Это утверждение является основной поразительных логических выводов вроде замедления и искажения времени, зависящих от массы и скорости объекта. На этом основаны сюжеты многих научно-фантастических фильмов и сериалов.

Общая теория относительности

Простым языком можно объяснить и более объемную ОТО. Для начала следует принять во внимание тот факт, что наше пространство четырехмерное. Время и пространство объединяются в таком “предмете”, как “пространственно-временной континуум”. В нашем пространстве имеются четыре оси координат: х, у, z и t.

Но люди не могут воспринимать непосредственно четыре измерения, так же, как гипотетический плоский человек, живущих в двухмерном мире, не в состоянии посмотреть вверх. По сути, наш мир является только проекцией четырехмерного пространства в трехмерное.

Интересным фактом является то, что, согласно общей теории относительности, тела не меняются при движении. Объекты четырехмерного мира на самом деле всегда неизменны, и при движении изменяются только их проекции, что мы и воспринимаем как искажение времени, сокращение или увеличение размеров и прочее.

Эксперимент с лифтом

О теории относительности простым языком можно рассказать с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы в лифте. Кабинка пришла в движение, и вы оказались в состоянии невесомости. Что произошло? Причины может быть две: либо лифт находится в космосе, либо пребывает в свободном падении под действием гравитации планеты. Самое интересное состоит в том, что выяснить причину невесомости нельзя, если нет возможности выглянуть из кабинки лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.

Возможно, проведя похожий мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, значит, на самом деле тело под воздействием гравитации не ускоряется, это равномерное движение, которое искривляется под воздействием массивного тела (в данном случае планеты). Таким образом, ускоренное движение – это лишь проекция равномерного движения в трехмерное пространство.

Наглядный пример

Еще один хороший пример на тему “Теория относительности для чайников”. Он не совсем корректен, зато очень прост и нагляден. Если на натянутую ткань положить какой-либо объект, он образует под собой “прогиб”, “воронку”. Все меньшие тела вынуждены будут искажать свою траекторию согласно новому изгибу пространства, а если у тела немного энергии, оно вообще может не преодолеть этой воронки. Однако с точки зрения самого движущегося объекта, траектория остается прямой, они не почувствуют изгиба пространства.

Гравитация “понижена в звании”

С появлением общей теории относительности гравитация перестала быть силой и теперь довольствуется положением простого следствия искривления времени и пространства. ОТО может показаться фантастичной, однако является рабочей версией и подтверждается экспериментами.

Множество, казалось бы, невероятных в нашем мире вещей может объяснить теория относительности. Простым языком такие вещи называют следствиями ОТО. Например, лучи света, пролетающие на близком расстоянии от массивных тел, искривляются. Более того, многие объекты из далекого космоса скрыты друг за другом, но из-за того, что лучи света огибают другие тела, нашему взору (точнее, взору телескопа) доступны, казалось бы, невидимые объекты. Это ведь все равно, что смотреть сквозь стены.

Чем больше гравитация, тем медленнее на поверхности объекта течет время. Это касается не только массивных тел вроде нейтронных звезд или черных дыр. Эффект замедления времени можно наблюдать даже на Земле. К примеру, приборы для спутниковой навигации снабжены точнейшими атомными часами. Они находятся на орбите нашей планеты, и время там тикает чуть быстрее. Сотые доли секунды через сутки сложатся в цифру, которая даст до 10 км погрешности в расчетах маршрута на Земле. Рассчитать эту погрешность позволяет именно теория относительности.

Простым языком можно выразиться так: ОТО лежит в основе многих современных технологий, и благодаря Эйнштейну мы легко можем найти в незнакомом районе пиццерию и библиотеку.

fb.ru

Теория относительности Эйнштейна

Кто бы мог подумать, что мелкий почтовый служащий изменит основы науки своего времени? Но такое случилось! Теория относительности Эйнштейна заставила пересмотреть привычный взгляд на устройство Вселенной и открыла новые области научного познания.

Большинство научных открытий сделано с помощью эксперимента: ученые повторяли свои опыты много раз, чтобы быть уверенными в их результатах. Работы обычно проводились в университетах или исследовательских лабораториях больших компаний.

Альберт Эйнштейн полностью изменил научную картину мира, не проведя ни одного практического эксперимента. Его единственными инструментами были бумага и ручка, а все эксперименты он проводил в голове.

Движущийся свет

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свои первые статьи. В них шла речь о движении со скоростью, близкой к скорости света. Выдвинутая им теория получила название специальной теории относительности.


Альберт Эйнштейн (1879—1955) основывал все свои выводы но результатах «мысленного эксперимента». Эти эксперименты можно было совершить только в воображении.

Скорости всех движущихся тел относительны. Это означает, что все объекты движутся или остаются неподвижными только относительно какого-либо другого объекта. Например, человек, неподвижный относительно Земли, в то же время вращается вместе с Землей вокруг Солнца. Или допустим, что по вагону движущегося поезда идет человек в сторону движения со скоростью 3 км/час. Поезд движется со скоростью 60 км/час. Относительно неподвижного наблюдателя на земле скорость человека будет равна 63 км/час – скорость человека плюс скорость поезда. Если бы он шел против движения, то его скорость относительно неподвижного наблюдателя была бы равна 57 км/час.

Эйнштейн утверждал, что о скорости света так рассуждать нельзя. Скорость света всегда постоянна, независимо от того, приближается ли источник света к вам, удаляется от вас или стоит на месте.

Чем быстрее, тем меньше

С самого начала Эйнштейн выдвинул несколько удивительных предположений. Он утверждал, что, если скорость объекта приближается к скорости света, его размеры уменьшаются, а масса, наоборот, увеличивается. Никакое тело нельзя разогнать до скорости равной или большей скорости света.

Другой его вывод был еще удивительней и, казалось, противоречил здравому смыслу. Представьте, что из двоих близнецов один остался на Земле, а другой путешествовал по космосу со скоростью, близкой к скорости света. С момента старта на Земле прошло 70 лет. Согласно теории Эйнштейна, на борту корабля время течет медленнее, и там прошло, например, только десять лет. Получается, что тот из близнецов, кто оставался на Земле, стал на шестьдесят лет старше второго. Этот эффект называют «парадоксом близнецов». Звучит просто невероятно, но лабораторные эксперименты подтвердили, что замедление времени при скоростях, близких к скорости света, действительно существует.

Беспощадный вывод

Теория Эйнштейна также включает известную формулу E=mc2, в которой E – энергия, m – масса, а c – скорость света. Эйнштейн утверждал, что масса может превращаться в чистую энергию. В результате применения этого открытия в практической жизни появились атомная энергетика и ядерная бомба.


Эйнштейн был теоретиком. Эксперименты, которые должны были доказать правоту его теории, он оставлял другим. Многие из этих экспериментов было невозможно проделать до тех пор, пока не появились достаточно точные измерительные приборы.

Факты и события

  • Был произведен следующий эксперимент: самолет, на котором были установлены очень точные часы, взлетел и, облетев с большой скоростью вокруг Земли, опустился в той же точке. Часы, находившиеся на борту самолета, на ничтожную долю секунды отстали от часов, которые оставались на Земле.
  • Если в лифте, падающем с ускорением свободного падения, уронить шар, то шар не будет падать, а как бы зависнет в воздухе. Это происходит потому, что шар и лифт падают с одинаковой скоростью.
  • Эйнштейн доказал, что тяготение влияет на геометрические свойства пространства-времени, которое в свою очередь влияет на движение тел в этом пространстве. Так, два тела, начавшие движение параллельно друг другу, в конце концов встретятся в одной точке.

Искривляя время и пространство

Десятью годами позже, в 1915—1916 годах, Эйнштейн построил новую теорию гравитации, названную им общей теорией относительности. Он утверждал, что ускорение (изменение скорости) действует на тела так же, как и сила гравитации. Космонавт не может по своим ощущениям определить, притягивает ли его большая планета, или ракета начала тормозить.


Если космический корабль разгоняется до скорости, близкой к скорости света, то часы на нем замедляются. Чем быстрее движется корабль, тем медленнее идут часы.

Отличия ее от ньютоновской теории тяготения проявляются при изучении космических объектов с огромной массой, например планет или звезд. Эксперименты подтвердили искривление лучей света, проходящих вблизи тел с большой массой. В принципе возможно столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы. Это явление получило название «черной дыры». «Черные дыры», по-видимому, обнаружены в составе некоторых звездных систем.

Ньютон утверждал, что орбиты планет вокруг Солнца фиксированы. Теория Эйнштейна предсказывает медленный дополнительный поворот орбит планет, связанный с наличием гравитационного поля Солнца. Предсказание подтвердилось экспериментально. Это было поистине эпохальное открытие. В закон всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона были внесены поправки.

Начало гонки вооружений

Работы Эйнштейна дали ключ ко многим тайнам природы. Они оказали влияние на развитие многих разделов физики, от физики элементарных частиц до астрономии – науки о строении Вселенной.

Эйнштейн в своей жизни занимался не только теорией. В 1914 году он стал директором института физики в Берлине. В 1933 году, когда к власти в Германии пришли нацисты, ему, как еврею, пришлось уехать из этой страны. Он переехал в США.

В 1939 году, несмотря на то что он был противником войны, Эйнштейн написал президенту Рузвельту письмо, в котором предупреждал его, что можно сделать бомбу, обладающую огромной разрушительной силой, и что фашистская Германия уже приступила к разработке такой бомбы. Президент отдал распоряжение начать работы. Это положило начало гонке вооружений.

www.what-this.ru

Что на самом деле означает знаменитая формула Эйнштейна?

Уравнение E=mc² мелькает везде: от кепок до наклеек на бамперах. В 2008 году Мэрайя Кэри даже назвала так свой альбом. Но что, в сущности, означает знаменитое уравнение относительности, выведенное Альбертом Эйнштейном?

Для начала, E — это энергия, M — это масса, измерение количества вещества. Энергия и материя взаимозаменяемы. Кроме того, важно помнить, что во Вселенной есть установленное количество энергии и материи. Энергия постоянно перетекает в материю и обратно. Ничего не исчезает бесследно.

Теперь поговорим о c². Это часть уравнения, которая обозначает скорость света в квадрате. Получается, что энергия равна количеству массы, умноженной на скорость света в квадрате.

Почему нам нужно умножать материю на скорость света, чтобы получить энергию? Причина в том, что энергия, будь это световые волны или радиация, движется со скоростью света. Это 300 000 километров в секунду. Когда мы разбиваем атомы в ядерном реакторе или атомной бомбе, энергия вырывается со скоростью света.

Но почему скорость света в квадрате? Причина в том, что кинетическая энергия или энергия движения пропорциональна массе. Когда вы ускоряете объект, кинетическая энергия увеличивается на сумму скорости в квадрате. Вот отличный пример, с которым сталкивается любой водитель: если вы увеличите скорость в два раза, тормозной путь будет в четыре раза дольше, потому что тормозной путь равен квадрату скорости.

Скорость света в квадрате — колоссальное число, демонстрирующее, какое огромное количество энергии есть даже в небольшом количестве вещества. Возьмем 1 грамм воды — если вся масса конвертируется в чистую энергию по формуле E=mc², выйдет 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте. Вот почему небольшой кусочек урана или плутония может произвести суровый атомный взрыв.

Уравнение Эйнштейна открыло двери для многочисленных технологических достижений в разных сферах, от ядерной энергетики и ядерной медицины до «одомашнивания солнца». Не так давно мы писали, что NASA планирует оснастить небольшим термоядерным реактором каждый дом и автомобиль, только основан он будет не на энергии распада, а на энергии синтеза. Дело очень непростое, но только подумайте: небольшое количество вещества может обеспечить вас энергией до конца ваших дней. Эйнштейн был весьма незаурядным физиком, и многие склонны искать причину его гениальности в мозге.

Читайте подробнее о «сером веществе» автора теории отн

hi-news.ru

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *