151110 (Частная теория относительности Эйнштейна), страница 2

где многоточием обозначены члены более высокого порядка малости, чем (v/c)².

Изменение массы с изменением скорости впервые наблюдалось В. Кауфманом, а затем было подтверждено более точными опытами. Релятивистская зависимость массы от скорости подтверждается и экспериментами на ускорителях, которые проектируются с учетом этой зависимости и иначе не работали бы.

Еще одно важное следствие из релятивистской формулы – эквивалентность массы и энергии. Энергия E, входящая в релятивистский закон сохранения энергии, обычно записывается в виде массы m, умноженной на с2:

Это выражение можно разложить так же, как и выражение для массы:

Второй член совпадает с обычной формулой для ньютоновской кинетической энергии (многоточием обозначены члены, которые становятся существенными лишь при очень больших скоростях). Эти два равенства интерпретируются следующим образом: масса тела изменяется точно так же, как и энергия, заключенная в теле, причем выражение для энергии должно содержать постоянное слагаемое – так называемую энергию покоя m₀c², соответствующую массе покоя; при этом соотношение между массой и энергией имеет вид прямой пропорциональности с коэффициентом c².

Из эквивалентности массы и энергии вытекает много следствий. Одно из наиболее впечатляющих – аннигиляция пары частиц и полное превращение их суммарной массы в излучение с соответствующей энергией. Такая аннигиляция наблюдается для пары электрон – позитрон (электрон заряжен отрицательно, а позитрон положительно) и для пары протон – антипротон. Эквивалентностью массы и энергии объясняется происхождение энергии звезд, она лежит в основе принципов получения атомной энергии и создания ядерного оружия, использующего деление и синтез ядер.

Так, энергия, излучаемая звездами, и энергия взрыва водородной бомбы имеют одинаковое происхождение. Четыре ядра водорода могут объединиться и образовать одно ядро гелия, причем масса ядра гелия будет меньше массы четырех ядер водорода, взятых порознь. Избыточная масса высвобождается в виде излучения, энергия которого связана с этой массой соотношением E = mc².

Большой энергетический выход таких источников энергии объясняется тем, что множитель c² в этом уравнении очень велик – 9*10¹⁶ (м/с)². Превращение водорода в гелий различными путями является основным источником звездной энергии, а также энергии, высвобождаемой при термоядерных взрывах. Энергия атомной (не водородной) бомбы и реакторов атомных электростанций обусловлена реакцией деления ядер: ядро урана или плутония расщепляется на две или более части, суммарная масса которых меньше массы исходного ядра, а избыток энергии выделяется частично в виде излучения, а частично в виде кинетической энергии продуктов деления.

• 5. Теория относительности и эксперимент

• В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами [6]. Выяснилось, что часы на самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так можно выразиться, когда речь идет о долях секунды).

Последние полвека ученые исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц – иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона.

Заключение

Частная теория относительности не только сделала понятными множество закономерностей, не только позволила предсказать и инженерно рассчитать многие эффекты и их приложения, но и внесла во все это удивительную простоту.

Представления о пространстве и времени составляют основу физического миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных частиц, в том числе и для расчетов гигантских установок, которые предназначены для потоков очень быстрых частиц, необходимых для экспериментов, позволяющих продвинуться в изучении строения материи.

Частная теория относительности необходима как тем, кто разрабатывает технические и практические приложения её на данном этапе развития, так и тем, кто разведывает дальнейшие пути в области реальности, где, возможно, появится новая теория. Наконец, знание теории относительности – это просто вопрос элементарной грамотности.

Существует много опытов, проверяющих простейшие следствия кинематики частной теории относительности, такие, как изменение массы и замедление времени (поперечный эффект Доплера, спутниковые часы, масс-спектрографы, ускорители частиц). Все эти опыты еще ни разу не вошли в противоречие с частной теорией относительности.

Качественные выводы из теоретических построений, обусловленных частной теорией относительности, и результаты наблюдений убеждают нас в правильности этой теории. Однако частная теория относительности вовсе не является неограниченно применимой формой. Рассмотрение гравитационного поля требует ее модификации. При этом частная теория относительности не полностью заменяется, а становится стержнем этой новой теории.

Библиографический список

1. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие для вузов/ А.А. Горелов. – М.: Владос, 2000. – 512 с.:ил.

2. Либшер, Д.-Э. Теория относительности с циркулем и линейкой/ пер. с нем. В.Е. Маркевича. – М.: Мир, 1980. – 150 с.:ил.

3. Относительности теория. Физический энциклопедический словарь/ под ред. А.М. Прохорова. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – 890 с.:ил. – С. 507–511.

4. Паркер, В. Мечта Эйнштейна: в поисках единой теории строения Вселенной/ пер. с англ. – М.: Наука, 1991. – 223 с.

5. Хорошавина, С.Г. Концепции современного естествознания: курс лекций/ С.Г. Хорошавина. – Ростов н/Д.: Феникс, 2002. – 480 с.

6. Григорьев, В.Н. Альберт Эйнштейн [Эл.ресурс]. – Энциклопедия, [2002]. – режим доступа: свободный // http://encyklopedia.narod.ru/bios/nauka/einstein/ einstein.html/ Григорьев В.Н. Эйнштейн // Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия-2004/ 26.11.2009

7. Теория относительности Эйнштейна [Эл.ресурс]. – «Элементы», [2005–2009]. – режим доступа: свободный //http://elementy.ru/trefil/43? context=20442/ info@elementy.ru/ 12.11.2009

8. Чаплина, Г.В. Теория относительности Эйнштейна [Эл.ресурс]. – Эрудиция, [2003–2005]. – режим доступа: свободный/ http://www.erudition.ru/referаt/ref/ id.24594_1.html/ ref@erudition.ru/ 26.11.2009