Устройство вселенной по эйнштейну

Поскольку слоев бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем — вот о чем говорит парадокс Ольберса.

Что же делать? Опять ждать гения? Но может быть, стоит и самим чуточку подумать?

Исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна и постоянна.
Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя.

Делаем вывод, что либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем.

И здесь на помощь приходит еще один гений — американский астроном Хаббл

В 1929 г. Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” — наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными.
И он получил следующую картину:

Скорость (v) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением (Э. Хаббл, 1929)
v=HR

Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет около 70 км/с Мпк.

Наблюдаемое Хабблом красное смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.

Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.

Ура (ликуют все жители Земли), значит, Земля (точнее, наша галактика) является центром Вселенной?

Ликование было недолгим, потому что опять вмешивается наш разум и приводит простую аналогию с воздушным шариком.

Будем надувать воздушный шарик с нарисованными на нем точками 1, 2, 3.

Происходит “разбегание” точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при увеличении его размеров.

Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?

На помощь снова приходит гениальный ученый – теперь это русский ученый Фридман

В начале 20-х годов он предложил модель нестационарной Вселенной.

Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит был момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки. Обратите внимание, что здесь самое главное – это временная шкала, мы приходим к выводу о моменте рождения Вселенной.

Конечно, мы получаем также свидетельство, что Вселенная была в точке (в математическом смысле, а вспомните, что есть точка в математике?), но реально никакой точки не было.

Но почему галактики разбегаются. Предположим, что в начальный момент времени уже были галактики и занимали какое-то пространство.

Предположим также, что в начальный момент галактики были в покое, т.е. их скорость v=0. Тогда галактики будут притягиваются друг к другу и Вселенная будет сжиматься.
Но если в начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение «тормозит» их движение).
Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно из S=vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной — примерно 15 млрд лет тому назад.
Итак, был начальный момент, когда произошел «Большой Взрыв»

(Детский вопросик – Что, где и когда взорвалось?)

Иными словами, после «взрыва» частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный и частицы начнут сближаться. Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной — чем больше плотность, тем больше силы F тяг . Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности r Вселенной. Открытая модель соответствует r r кр . Обратное неравенство справедливо для закрытой модели. По современным данным, критическая плотность вещества составляет r кр = 5х10 -30 г/см 3 . Примерно такое же значение дают оценки плотности вещества во Вселенной.
Изменение размера R Вселенной с течением времени t для Вселенной с разной плотностью.

Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:

Неужели все так просто и ясно? Что же еще ученым надо, и что они делали после этого еще 70 лет?
Однако в последнее время появились новые астрономические данные, проливающие свет на современное состояние Вселенной и на ее будущее. Подробнее см. тему 5.

Спасибо, что осилили сложную тему.
Мне кажется, что теперь вы в состоянии создать такую фигуру:

Источник

Современная научная картина мира: устройство Вселенной с точки зрения Альберта Эйнштейна. Теория относительности

Содержание:

• Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
• Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти рефераты на любые темы и посмотреть как они написаны:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались без учета свойств движущейся материи. Пространство в нем предстает в виде своего рода сосуда для движущихся тел, и время не учитывает реальных изменений, которые происходят с ними, и поэтому действует просто как геометрический параметр, знак которого можно обратить вспять. Другими словами, в механике рассматриваются только обратимые процессы, что значительно упрощает реальность.

Еще одним недостатком этой картины является то, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и отдельно, в результате чего связь между ними остается неразрешенной. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные идеи, которые стали ближе к реальности. Поэтому знакомство с ними следует начинать с теории пространства-времени в том виде, в каком она представлена ​​в современной физике. Однако сначала необходимо вспомнить некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея.

Общая теория относительности (ОТО) — это современная теория гравитации, связывающая ее с кривизной четырехмерного пространства-времени.

В своем, так сказать, классическом варианте теория гравитации была создана Ньютоном в XVII веке и до сих пор верно служит человечеству. Этого вполне достаточно для многих, если не для большинства задач современной астрономии, астрофизики и космонавтики.

Фундаментальные открытия Альберта Эйнштейна послужили основой для появления теории относительности, которая все еще представляет научный интерес и является актуальной темой для исследований.

История жизни Альберта Эйнштейна

Альберт Эйнштейн родился в Ульме, средневековом городе королевства Вюртемберг (ныне земля Баден-Вюртенберг в Германии), в семье Германа Эйнштейна и Паулины Эйнштейн, урожденной Кох . Он вырос в Мюнхене, где у его отца и дяди был небольшой электрохимический завод. После того, как дела его отца в 1895 году пришли в упадок, семья переехала в Милан. Эйнштейн остался в Мюнхене, но вскоре покинул гимназию, так и не получив справку, и присоединился к своим родственникам.

Летом 1896 года Эйнштейн успешно сдал вступительные экзамены в Федеральный технологический институт. В Арау он процветал, наслаждаясь тесным контактом с учителями и либеральным духом, который царил в гимназии. Все прежнее вызывало у него настолько глубокое неприятие, что он подал официальное прошение о выходе из германского подданства, на что его отец согласился весьма неохотно.

В Цюрихе Эйнштейн изучал физику, полагаясь больше на самостоятельное чтение, чем на обязательные курсы. Сначала он намеревался преподавать физику, но после окончания Федерального института в 1901 году и получения швейцарского гражданства он не мог найти постоянную работу. В 1902 году Эйнштейн стал экспертом в Швейцарском патентном ведомстве в Берне, где он проработал семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Он опубликовал одну работу по капиллярности (о том, что может случиться с поверхностью жидкости, если она заключена в узкую трубку). Хотя зарплаты едва хватало, работа в патентном ведомстве не была особенно обременительной и оставляла Эйнштейну достаточно времени и сил для теоретических исследований. Первые его работы были посвящены силам взаимодействия молекул и приложениям статистической термодинамики. Одна из них — «Новое определение молекулярных размеров» — была принята в докторскую диссертацию Цюрихским университетом, а в 1905 году Эйнштейн стал доктором наук. В том же году он опубликовал небольшую серию работ, которые не только показали его силу как физика-теоретика, но и изменили лицо всей физики.

Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения — хаотического зигзагообразного движения частиц, взвешенных в жидкости. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое под микроскопом, со столкновениями этих частиц с невидимыми молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет рассчитать массу и количество молекул в данном объеме. Спустя несколько лет это подтвердил Жан Перрен. Эта работа Эйнштейна имела особое значение, потому что существование молекул, которые считались не более чем удобной абстракцией, в то время все еще оставалось под вопросом.

После публикации статей в 1905 году академическое признание пришло к Эйнштейну. В 1909 году он стал доцентом в Цюрихском университете, профессором следующего года в Немецком университете в Праге, а в 1912 году — в Цюрихском федеральном технологическом институте. В 1914 году Эйнштейн был приглашен в Германию в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка).

После напряженных усилий Эйнштейн смог в 1915 году создать общую теорию относительности, которая вышла далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными. Общая теория относительности охватила все возможные движения, в том числе ускоренные (то есть происходящие с переменной скоростью). Ранее доминирующая механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона (XVII век), стала особым случаем, удобным для описания движения на относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из представленных Ньютоном концепций. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, идентификация гравитационных и инертных масс, вызывали у него озабоченность. Согласно Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если они разделены огромными расстояниями, и сила тяжести, или гравитации, распространяется мгновенно. Гравитационная масса является мерой гравитации.

Но в то время Эйнштейн работал не только над теорией относительности. Например, в 1916 году он ввел понятие индуцированного излучения в квантовую теорию. В 1913 году Нильс Бор разработал атомную модель, в которой электроны вращаются вокруг центрального ядра (открытого несколькими годами ранее Эрнестом Резерфордом) на орбитах, которые удовлетворяют определенным квантовым условиям.

Хотя и специальная, и общая теории относительности были слишком революционными, чтобы получить немедленное признание, они вскоре получили ряд подтверждений. Одним из первых было объяснение прецессии орбиты Меркурия, которая не могла быть полностью понята в рамках ньютоновской механики. Во время полного солнечного затмения в 1919 году астрономам удалось наблюдать звезду, спрятанную за краем солнца. Это указывало на то, что лучи света изгибаются под воздействием гравитационного поля Солнца. Мировая известность пришла к Эйнштейну, когда сообщения о наблюдении солнечного затмения 1919 года облетели весь мир. Относительность стала знакомым словом. В 1920 году Эйнштейн стал приглашенным профессором в Лейденском университете. Однако в самой Германии на него напали из-за его антимилитаристских взглядов и революционных физических теорий, которые не попали под суд определенной части его коллег, среди которых было несколько антисемитов.

В 1922 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике, а в 1921 году — «за заслуги в теоретической физике и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Самый известный из ученых XX в. и один из величайших ученых всех времен, Эйнштейн обогатил физику своей присущей ему силой понимания и непревзойденной игрой воображения. С детства он воспринимал мир как гармоничное познаваемое целое, «стоящее перед нами как великая и вечная тайна».

Специальная теория относительности и ее роль в науке

Теория относительности гравитации Эйнштейна

Среди систем отсчета особенно выделяются инерциальные системы, которые относительно друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполняется принцип относительности.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы описываются одинаково.

Точнее, в таких системах законы движения тел описываются одними и теми же математическими уравнениями или формулами. Иллюстрируя этот принцип, Галилей привел пример равномерного прямолинейного движения корабля, внутри которого все явления происходят как на берегу.

Когда в естествознании преобладала механическая картина мира и была тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не вызывал сомнений. Ситуация резко изменилась, когда физики начали внимательно изучать электрические, магнитные и оптические явления. Максвелл объединил все эти явления в единую электромагнитную теорию. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: действует ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждений, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указал на два аргумента, свидетельствующих в пользу универсальности принципа относительности.

Этот принцип выполняется с большой точностью в механике, и поэтому можно надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.

Если инерциальные системы не эквивалентны для описания природных явлений, то разумно предположить, что законы природы легче всего описать только в одной инерциальной системе.

Например, в системе отсчета, связанной с движущейся кареткой, механические процессы будет сложнее описать, чем в системе, назначенной железнодорожной платформе. Еще более показательный пример — когда мы рассматриваем движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы в этом случае принцип относительности не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентации Земли. Ничего подобного, то есть физического неравенства разных направлений, обнаружено не было. Однако здесь возникает очевидная несовместимость принципа относительности с устоявшимся принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км / с).

Здесь возникает дилемма: либо отказаться от принципа постоянства скорости света, либо — отказаться от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно, что отказ от него будет явно неоправданным. Более того, это привело бы к чрезмерно сложному описанию процессов природы. Не меньше трудностей возникает и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

На самом деле, как показал А. Эйнштейн:

• Закон распространения света и принцип относительности совместимы. И эта позиция является одной из основ специальной теории относительности.
• Кажущееся противоречие принципа относительности с законом постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по мнению Эйнштейна, опиралась «на две неоправданные гипотезы»;
• Временной интервал между двумя событиями не зависит от состояния движения эталонного тела;
• Пространственное расстояние между двумя точками твердого тела также не зависит от состояния движения тела отсчета.

На основании этих гипотез, которые кажутся вполне очевидными, классическая механика молчаливо предполагала, что значения временного интервала и расстояния имеют абсолютные значения, то есть они не зависят от состояния движения эталонного тела. Оказалось, что если человек в равномерно движущемся автомобиле проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то он также пройдет такой же путь относительно дорожного полотна за одну секунду. Точно так же считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются неизменными.

Понятие пространства и времени в специальной теории относительности

При разработке своей теории Эйнштейн должен был пересмотреть предыдущие представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего он отказался от ньютоновской концепции абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определенной системы отсчета, и поэтому все физические процессы и законы должны быть сформулированы относительно точно определенной системы отсчета или координат. Следовательно, не существует абсолютного расстояния, длины или протяженности, как не может быть абсолютного времени.

Из этого также становится ясно, что для Эйнштейна базовые физические понятия, такие как пространство и время, приобретают ясное значение только после указания экспериментальных процедур, с помощью которых их можно проверить.

Еще один важный результат теории относительности: Соединение понятий пространства и времени выделено в классической механике в единое понятие непрерывности пространства-времени (континуум).

Необычные результаты, которые дает теория относительности, сразу же поставили вопрос об их экспериментальной проверке. Самым выдающимся подтверждением этой теории был отрицательный результат опыта американского физика Альберта Майкельсона (1852-1931), предпринятого для проверки гипотезы о легком эфире. Согласно преобладающим в то время представлениям, все мировое пространство заполнено эфиром — гипотетическим веществом, являющимся источником световых волн. Сначала эфир уподобляли упругой механической среде, и световые волны рассматривались как результат колебаний этой среды, то есть волн, похожих на волны, возникающие на поверхности жидкости, вызванные колебаниями частиц жидкости. Но эта механическая модель эфира позже столкнулась с серьезными трудностями, поскольку, будучи твердой упругой средой, эфир должен был сопротивляться движению небесных тел, но на самом деле ничего из этого не наблюдалось. В связи с этим необходимо было отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроникающей среды все же было признано.

Чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения светового луча в горизонтальном направлении движения Земли и направление, перпендикулярное этому движению. Если есть эфир, то время прохождения светового луча в горизонтальном и перпендикулярном направлениях должно быть неравным; но Майкельсон не нашел никакой разницы. Затем, чтобы сохранить гипотезу эфира, Лоренц предположил, что в горизонтальном направлении тело сжимается в направлении движения.

Полностью отрицательный результат эксперимента Майкельсона стал для Эйнштейна спустя 18 лет решающим экспериментом, доказывающим, что эфира как абсолютной системы отсчета не существует.

Общая теория относительности А. Эйнштейна

В специальной теории относительности все системы отсчета предполагаются инерциальными, то есть покоящимися или движущимися относительно друг друга равномерно и прямолинейно. Что происходит, если одна из систем движется быстро? Из нашего собственного опыта мы знаем, что в равномерно движущемся вагоне нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижный поезд, стоящий рядом с ним. Это впечатление немедленно исчезнет, ​​как только вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если теперь взять в качестве системы отсчета медленную или ускоренную вагон, то такая система будет неинерциальной.

Создание современной теории гравитации было немыслимо без специальной теории относительности, без глубокого понимания структуры классической электродинамики, без осознания единства пространства-времени. Как уже отмечалось, ОТО создавалась в основном усилиями одного человека. Путь Эйнштейна к построению этой теории был долгим и мучительным. Если его работа 1905 года «Об электродинамике движущихся сред» появилась как бы сразу в своем законченном виде, оставляя за пределами поля зрения читателя, тяжелую работу автора, то ситуация с ОТО была совершенно иной. Эйнштейн начал работать над этим в 1907 году. Его путь к общей теории относительности продолжался в течение нескольких лет. Это был путь проб и ошибок, который, по крайней мере частично, можно проследить по публикациям Эйнштейна за эти годы.

На последнем этапе создания общей теории относительности, Гильберт принял участие. Вообще, важность математики (и математиков) для ОТО очень велика. Ее аппарат, тензорный анализ или абсолютное дифференциальное исчисление были разработаны Риччи и Леви-Чивита. Друг Эйнштейна, математик Гроссман, познакомил его с этой техникой.

И все же ОТО — это физическая теория, основанная на четком физическом принципе, твердо установленном экспериментальном факте. Этот факт был по существу установлен Галилеем. В системе отсчета, свободно движущейся в гравитационном поле, в небольшой области пространства-времени нет гравитации. Последнее утверждение является одним из утверждений принципа эквивалентности.Геометрия нашего пространства неевклидова. Некоторое представление о свойствах такого пространства можно получить на простейшем примере сферы — поверхности обычного шара.

Слабые гравитационные поля не оказывают существенного влияния на свойства окружающего пространства. Поэтому они могут использовать евклидову геометрию и специальную теорию относительности. В сильных гравитационных полях, таких как, например, гравитационное поле Солнца, необходимо учитывать кривизну световых лучей его полем и, следовательно, применять новую неевклидову геометрию и общую теорию относительности. Поскольку гравитация играет решающую роль в этой теории, она называется новой теорией гравитации, чтобы подчеркнуть отличие от старой теории тяготения Ньютона.

Эйнштейн, таким образом, формулирует суть своей общей теории относительности: Все эталонные тела эквивалентны для описания природы (формулируя общие законы природы), независимо от того, в каком состоянии они находятся.

Теперь мы можем по-другому взглянуть на инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Разница между ними выражается, прежде всего, в том, что если в инерциальных системах все процессы и законы, их описывающие, одинаковы по форме, то в неинерциальных системах они происходят по-разному.

Эйнштейн, опираясь на результаты электродинамики, которая ввела представления о полях действия электромагнитных сил, начал рассматривать гравитацию как силу, действующую в определенном гравитационном поле. С этой точки зрения камень падает на Землю, потому что на него действует гравитационное поле Земли.

Равенство инерционной массы тяжелой массе является одним из важных результатов общей теории относительности. Она считает равными все системы отсчета или координаты, а не только инерциальные системы.

Очевидно, что в отношении неинерциальной системы отсчета движение тела описывается по-разному, поскольку мы можем видеть, сидим ли мы в вагоне поезда, который начинает замедляться. В этом случае мы почувствуем толчок вперед, означающий, что в движении происходит торможение или ускорение с отрицательным знаком. Там же, где появляется ускорение, появляется и соответствующее гравитационное поле. В отличие от других полей, таких как электромагнитные, гравитационное поле обладает одним замечательным свойством: все тела внутри него испытывают ускорение, независимо от материала или их физического состояния. Поэтому кусок свинца и кусок дерева, равный по весу ему, ведут себя одинаково в таком поле: они падают на Землю вблизи ее поверхности с одинаковым ускорением, равным 9,81 м / с2.

Вывод:

Анализ позволяет сделать вывод, что теория относительности, разработанная А. Эйнштейном, является неотъемлемой частью исследований, проводимых современными учеными.

Результаты исследования можно свести к следующим выводам:

1. Теория относительности была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше пространство и время рассматривались отдельно от движения материальных тел, а само движение — независимо от систем отсчета (то есть считалось абсолютным движением), то с появлением специальной теории относительности оно было твердо установлено.
2. Любое движение может быть описано только по отношению к другим телам, которые могут быть приняты как системы отсчета, связанные с определенной системой координат.
3. С философской точки зрения наиболее значимым результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от местоположения и движения гравитирующих масс. Именно из-за влияния тел с большими массами траектории движения световых лучей становятся изогнутыми. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое такими телами, в конечном итоге определяет пространственно-временные свойства мира.

В настоящее время общая теория относительности является быстро развивающейся областью современной физики. Это результат огромного прогресса в наблюдательной астрономии, развития экспериментальной технологии и впечатляющего прогресса в теории.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в whatsapp.

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназачен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник