Общерелятивистские эффекты в околоземном пространстве и принципы, на которых строятся общая и специальная теория относительности
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Введение
В конце XIX века на очередном слете Лондонского королевского научного сообщества, подводились итоги научной деятельности в текущем веке и обсуждались проблемы, которые еще не решены. К тому моменту были уже полностью изучены классическая механика, термодинамика, электродинамика – были написаны уравнения Максвелла, они же были подтверждены в опытах Герца, таким образом, в одну теорию были объединены понятия электричества и магнетизма. В общем, считалось, что фактически вся физика как наука уже изучена, и оставались две небольшие нерешенные проблемы. Первая из них – нулевой результат в опыте Майкельсона - Морли, вторая – ультрафиолетовая катастрофа. Опыт Майкельсона – Морли был призван показать существование эфира – всепроникающей среды, в которой распространяются электромагнитные волны – на тот момент существование эфира не подвергалось сомнению, и это было вполне обосновано в рамках теории Максвелла. Опыт был проведен в 1887 г. двумя американскими физиками — Альбертом Майкельсоном и Генри Морли. В опыте был использован интерферометр – прибор, в котором луч света делится на два с помощью полупрозрачного зеркала. После расщепления два когерентных луча расходятся под прямым друг к другу углом и отражаются от двух зеркал, находящихся на одинаковом расстоянии от полупрозрачного зеркала, и возвращаются на полупрозрачное зеркало, после чего наблюдается интерференционная картина (т.е. показывает наличие смещения одного луча относительно другого). Полагалось, что Земля в процессе движения вокруг Солнца первые полгода совершает движение в одном направлении относительно эфира, следующие полгода – в другом. Это означало бы, что интерференционная картина в интерферометре, сначала должна была смещаться эфирным ветром в одну сторону, а затем в противоположную. Но этого смещения в течение годового наблюдения за установкой обнаружено не было, что говорило об отсутствии эфира. Тогда возник конфликт между Ньютоновской механикой, которая подразумевала некую абсолютную систему отсчета, и теорией Максвелла, утверждающей, что скорость света имеет предельное значение. В начале XX века на этой почве возникла теория относительности. Теория относительности была признана стать теорией, которая описывает частицы, движущиеся со скоростями близкими к скорости света, при этом в пределе при малых скоростях теория относительности должна переходить в классическую Ньютоновскую механику. Однако, в XX веке ввиду отсутствия технических возможностей для ее экспериментального подтверждения теория подвергалась критике. Долгое время единственным экспериментальным подтверждением теории относительности было объяснение аномального смещения перигелия Меркурия, о котором будет говориться дальше. Однако даже этот экспериментальный факт подвергался сомнению ученого сообщества, которое апеллировало к случайному совпадению расчетных данных с экспериментом. Остальные же факты, вытекающие из теории относительности, подтверждались лишь мысленными экспериментами. Общая теория относительности до сих пор подвергается критике, однако является общепризнанной рабочей теорией гравитации. Об успехе теории относительности, в частности, говорит тот факт, что системы спутникового геопозиционирования успешно работают на протяжении ни одного десятка лет, а принцип их работы учитывает релятивистские поправки. Последним доказательством того, что теория относительности справедлива, является факт обнаружения гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности. Гравитационные волны были обнаружены на интерферометра LIGO в США. В данной работе будут подробно рассмотрены принципы, на которых строятся общая и специальная теория относительности. Будут рассмотрены предсказанные эффекты и приведены эксперименты - реальные и мысленные – их подтверждающие.
Специальная теория относительности и связанные с ней релятивистские эффекты
Специальная теория относительности (СТО) – это теория, описывающая законы механики при произвольных скоростях движения, в отличие от Ньютоновской механики, применимость которой ограничивается скоростями много меньшими скорости света [1]. Специальная...
Общая теория относительности и связанные с ней релятивистские эффекты
Общая теория относительности (ОТО) – общепринятая в настоящая время теория гравитации. I. Классическая теория гравитации [5] Согласно классической (ньютоновской) теории гравитации, тела, обладающие массой движутся в абсолютных (не зависимых ни от чег...
Открыть главуКосмические лучи. Ускорители
Космические лучи – стабильные частицы и ядра атомов, зародившееся и ускоренные до высоких энергий где-то вне земного пространства [3]. Поскольку энергии частиц в космических лучах велики (от 106 эВ до 5∙1021 эВ), [3] то при рассмотрении законов их д...
Открыть главуКрасное смещение
Как известно все космические объекты излучают в некотором диапазоне длин волн. В 1929 г. Эдвин Хаббл измерял спектральные свойства галактики Линза Гершеля и обнаружил, что все спектры наиболее ярких звезд в этой галактике отличаются от спектров звезд...
Открыть главуСистема GPS-навигации
GPS (Global Positioning System) – спутниковая система навигации, используемая для позиционирования во многих современных устройствах: автомобилях, смартфонах, самолетах, военной и космической технике [10, 11]. Принцип работы GPS состоит в следующем [...
Открыть главуВлияние на показания часов гравитационного потенциала
Рассмотрим неинерциальную систему отсчета Σ, которая движется с постоянным ускорением вдоль оси X некоторой инерциальной системы отсчета S (причем оси системы отсчета Σ параллельны осям системы S) [12]. Будем считать, что часы и масштаб в системе отс...
Открыть главуЗаключение
В настоящей работе были рассмотрены основные принципы общей и специальной теорий относительности. Теория относительности базируется на двух принципах: принцип относительности и принципе эквивалентности. Из этих двух принципов вытекают преобразования Лоренца, эффекты сокращения длины и интервала времени, а также теория гравитации. Теория относительности является расширением классической механики, которая является ее предельным случаем, и позволяет описывать реальные процессы с более высокой точностью. Общая теория относительности является общепринятой теорией гравитации и существенно отличается от Ньютоновской теории тяготения. В частности, одним из следствий общей теории относительности является факт существования гравитационных волн (колебаний метрики пространства, распространяющихся в пространстве-времени). До недавнего времени подтвердить существование таких возмущений не удавалось, из-за их малой амплитуды. Однако в 2015 г. это все же удалось сделать с помощью интерферометра LIGO (США), за что уже в 2017 г. Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бэрриш были удостоены Нобелевской премии. Что, вообще говоря, редкий случай в истории науки – обычно между открытием и присуждением Нобелевской премии проходит не один десяток лет, при этом открытие, как правило, должно быть подтверждено несколькими исследовательскими группами. Из общей теории относительности также вытекает факт расширения вселенной, косвенным подтверждение чему является красное смещение. Теория относительности, безусловно, очень значима для Фундаментальной науки. Она активно применяется в физике элементарных частиц и ядерной физике для расчета гигантских установок – ускорителей, например, для большого адронного коллайдера. Однако огромную роль в успехе теории относительности играет ее прикладное значение. Теория относительности используется при расчетах для систем геопозиционирования. При этом релятивистские поправки учитывают два эффекта: эффект сокращения времени при ускоренном движении спутника в гравитационном поле (ОТО) и эффект сокращения времени за счет орбитального движения спутника (СТО). Для учета данных поправок производят перенормировку времени - искусственно изменяется число периодов атомных переходов, происходящих за 1 с. В результате чего часы, находящиеся на орбите оказываются синхронизированными с часами находящимися на Земле. Точность определения расстояния такими системами довольно высока. Первая и наиболее распространенная система геопозиционирования – GPS – определяет расстояние с точностью до 1 м. В настоящее время активно решаются задачи по увеличению этой точности – идет борьба за каждый сантиметр. Так разработчики Российской системы геопозиционирования – GLONASS – ставят задачу к 2030 г. увеличить точность определения расстояния до 10 см при текущих 2,8 метрах. Таким образом, прикладное значение теории относительности не менее значимо, чем фундаментальное, поскольку GPS-приемниками сейчас оснащен каждый современный гаджет – смартфоны, компьютеры, автомобильные навигаторы. То, что когда-то задумывалось, как сложная секретная военная технология, сейчас используется каждым. Это и есть показатель успеха теории относительности.
Список литературы
[1] - Гуревич Л. Э. Теория относительности. Основные понятия и выводы частной теории относительности. М., "Знание", 1957. 37 с. [2] - Угаров В. А. Специальная теория относительности. М., "Наука", 1969. 303 с. [3] - Вавилов С. И. Экспериментальные основания теории относительности. М. - Л., Госиздат, 1928. 108 с. Виблиогр. 70 назв. [4] - Копф А. Основные теории относительности Эйнштейна. Л. - М., ГТТИ, 1933. 175 с. [5] – Владимиров Ю.С. Классическая теория гравитации: учебное пособие. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 264 с. [6] - Введение в общую теорию относительности, ее современное развитие и приложения : [учеб. пособие] / С. О. Алексеев, Е. А. Памятных, А. В. Урсулов, Д. А. Третьякова, К. А. Ран-ну ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2015. 380 с. [7] - Bailey, J., Borer, K., Combley, F., Drumm, H., Krienen, F., Lange, F., Hattersley, P. M. (1977). Measurements of relativistic time dilatation for positive and negative muons in a circular orbit. Nature, 268(5618), 301–305. [8] - Trautman, A. (2017). Gravitational waves. Journal of Physics: Conference Series, 873, 012012. doi:10.1088/1742-6596/873/1/012012 [9] - Сайт лаборатории LIGO, КалТех: https://www.ligo.caltech.edu/ [10] - Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. — М: Горячая линия-Телеком, 2005. — 272 с. [11] - Tom Van Flandern, Univ. of Maryland & Meta Research. «What the Global Positioning System Tells Us about Relativity» From the book 'Open Questions in Relativistic Physics' (pp. 81-90), edited by Franco Selleri, published by Apeiron, Montreal (1998) [12] – А. Эйнштейн. Теория относительности. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». – 2000 г. – 224 с. [12] - Алешкевич В А "О преподавании специальной теории относительности на основе современных экспериментальных данных" УФН 182 1301–1318 (2012) [13] - Сайт GLONASS: https://www.glonass-iac.ru
