Знати:

1.      Принцип  відносності  Галілея  в  класичній  механіці.

2.      Передумову  виникнення  теорії  відносності.

3.      Фізичний  зміст  постулатів  теорії  відносності  у  релятивістській  механіці.

4.      Який  вигляд  має   релятивістський  закон  додавання  швидкостей.

5.      Коли  він  перетворюється  в  закон  додавання  швидкостей  в  класичній  механіці.

6.      Фізичну  суть  закону  взаємозв’язку  маси  та  енергії.

7.      Залежність  маси  від  швидкості.

8.      Взаємозв’язок  маси  та  енергії.

9.      Повне  визначення  маси  в  сучасній  фізиці:  маса  є  міра  інертних,  гравітаційних  та  енергетичних  властивостей  будь – якого  матеріального  об’єкту.

Вміти:

1.      Наводити  експериментальні  факти  підтвердження  постулатів  Ейнштейна.

2.      Доводити,  що  класична  механіка  є  частковий  випадок  релятивістської  механіки.

3.      Доводити  той  факт,  що  рух  системи  відліку  або  джерела  світла  не  впливають  на  швидкість  світла,  вона  залишається  сталою  для  будь – яких  тіл  або  матеріальних  сигналів.

Структура  та  основний  зміст  уроку:

I.            Мотивація  учбової  діяльності.

Перегляд і обговорення відеофрагменту про А. Ейнштейна та проекту  „А. Ейнштейн”

II.         Закріплення  вивченого.

„Щасливий Ньютон, щасливе дитинство науки. Природа була для нього відкритою книгою, котру він читав без зусиль. Концепціями, якими він користувався для впорядкування даних досліду, здається, випливають самі з самого досліду, з чудових експериментів... В одній особі він поєднував експериментатора, теоретика, майстра... Він постав перед нами впевненим, сильним і самотнім. Його радість творення і ювелірна точність проявляються в усьому, в кожному слові...” . (А. Ейнштейн)

У першій половині XIX ст. геніальний російський поет О.С. Пушкін написав вірш, що безпосередньо стосується теорії відносності:

„Немає руху”, – так сказав мудрець,

А інший змовк, став перед ним ходити.

Сильніше він би вже не міг зробити,

Бо рухом відповів – достойно, навпростець.

Панове, випадок забавний цей

Для мене інший приклад тут наводить:

Щодня поперед нами Сонце ходить, але ж правий упертий Галілей.

                                           (Переклад Левка Воловця)

Теорія відносності та її творці

У чому ж був правий упертий Галілей?

До XVI ст. в астрономії вважалася правильною геоцентрична система Птоломея, згідно з якою в центрі Всесвіту розташована Земля. Галілей відстоював геліоцентричну систему Коперніка, відповідно до якої Земля і всі планети обертаються навколо Сонця. Нам здається, що Сонце рухається навколо Землі. Цей факт підтверджує, що рух, як і спокій, ― поняття відносності.

Фізика як наука бере свій початок від Галілея. Глибокі роздуми над різними видами руху в навколишньому світі привели Галілея до принципу відносності. Наприклад, мандрівник, який перебуває у каюті корабля, що пливе, може вважати, що книжка, яка лежить на його столі, перебуває у стані спокою. Проте людина на березі бачить, що корабель пливе, а отже, вона може вважати, що книжка рухається з тією самою швидкістю, що й корабель.

На запитання, рухається книжка насправді чи перебуває у стані спокою, однозначно відповісти не можна. Відповідь залежить від того, що ми візьмемо за тіло відліку. Якщо прийняти точку зору мандрівника, то книжка перебуває у стані спокою. Якщо розглядатимемо ситуацію з позиції людини, яка стоїть на березі, книжка, звичайно, рухається.

Зміст принципу відносності Галілея полягає в тому, що жодними механічними дослідами не можна встановити, перебуває інерціальна система відліку в стані спокою чи рухаються рівномірно і прямолінійно.

З нього випливає, що між станом спокою і прямолінійним рівномірним рухом немає принципової відмінності. Той же мандрівник, який перебуває в закритій каюті корабля, що рухається спокійним морем, не помічає ніяких ознак цього руху. Мухи вільно літають по всій каюті. А якщо м’яч підкинути вертикально, він упаде прямо вниз, не відхиляючись у бік корми.

Теорія відносності

Кінець XIX ст. Майкельсон і Морлі за допомогою явища інтерференції порівнювали швидкості поширення світла вздовж лінії руху Землі та в перпендикулярному напрямі згідно з теоремою додавання швидкостей, вони не повинні бути однаковими. Але швидкість світла виявляється однаковою в обох випадках, тобто не залежала від руху Землі, що суперечливо законам класичної механіки. Оскільки Земля рухається по орбіті у світовому просторі, який вважався абсолютно нерухомим, то на швидкість світла мав впливати рух Землі.

Ці суперечливі результати призвели до того, що, образно висловлюючись, захитався класичний фундамент фізики, закладений Ньютоном, загрожуючи, здавалося б, звалити всю побудовану на ньому грандіозну споруду науки, створену за два століття. Проте не можна було робити висновок, що механіка Ньютона хибна. Суперечили їй лише досліди, пов’язані з визначенням швидкості світла або з рухом частинок зі швидкостями, близькими до неї.

Щоб узгодити теорію і результати експериментів, було створено нову механіку для швидкостей, близьких до швидкості світла у вакуумі. Названа вона була релятивістською механікою. Ця механіка не спростувала класичну механіку, вона лише встановлювала межі її застосування. Релятивістська механіка уточнила і доповнила класичну механіку для випадку руху зі швидкістю, сумірною зі швидкістю світла у вакуумі. В її основу були покладені постулати А. Ейнштейна. Пригадаємо ці постулати.

Перший принцип відповідності: усі процеси природи (не лише механічні) протікають однаково в усіх інерціальних системах відліку.

Другий принцип – принцип сталостей швидкості світла: швидкість світла у вакуумі однакова для всіх інерціальних систем відліку; вона не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача світлового сигналу.

У першому постулаті Ейнштейн розширює принцип відносності Галілея, а в другому пояснює результат дослідів Майкельсона і Морлі.

Але, віддаючи належне „блискучому генію Ньютона”, Ейнштейн став перекроювати Всесвіт по-своєму. Він перекреслив поняття „абсолютного часу” й „абсолютного простору”, створив теорію відносності, яку закінчив 1916 р. За нею із самого початку закріпилася слава незбагненної. Спершу сказали, що її в усьому світі розуміють лише троє людей, включаючи автора. Потім її стали розуміти 12 чоловік.

Пригадаймо, як уявляв Ейнштейн просторові розміри і час у теорії відносності щодо різних систем відліку.

Особливий інтерес становлять міркування Ейнштейна щодо різного перебігу часу відносно різних систем відліку. У рухомій системі відліку час сповільнюється, порівняно з нерухомою системою, залежно від значення швидкості. З цього приводу можна навести приклад, який у фізиці називається „парадоксом близнюків”. Парадокс полягає ось у чому. На Землі живуть два брати-близнюки. Один із них залишається на космодромі, а другий вирушає до далекої зорі на космічному кораблі, здатному розвинути швидкість, близьку до швидкості світла. З погляду брата, який залишився на Землі, час тече швидко. Проходить 10, 20, 30 років, і він, нарешті, з радістю дізнається, що корабель з його братом повертається. Коли космічний корабель приземлився і брати зустрілися, близнюк, який залишився на Землі, побачив, що його брат залишився майже таким, яким був 30 років тому.

Це тому, що він, рухаючись із такою швидкістю, прожив за своїм годинником усього 5 років. Ці розрахунки підтверджуються фізичними дослідами.

Далі

Робота з курсом „Відкрита  фізика”:    модель „Відносність проміжків часу”; модель „Відносність довжини”

Пригадаємо, що теорія відносності Ейнштейна здобула широке застосування в астрономії, пояснила чимало астрономічних явищ.

1.      Ейнштейн зазначав, що під час проходження світла поблизу великих мас має спостерігатися викривлення промінів. Це було підтверджено у 1919 році. Під час повного сонячного затемнення учасники Міжнародної експедиції сфотографували зоряне небо в момент затемнення. Порівнюючи ці фотографії з фотографіями тієї самої ділянки неба, але без Сонця, вчені виявили, що зорі змістилися. Це результат зміщення світлових променів від зір при проходженні їх поблизу Сонця.

2.      Годинники йдуть повільніше поблизу масивних тіл.

3.      Доведено, що під час руху планет навколо Сонця площини їхніх орбіт повертаються.

4.      У 30-х роках XX століття було відкрито явище „розбігання галактик”, причому швидкість розбігання пропорційна до відстані від галактики до спостерігача. Це відкриття узгоджується з висновком, якого дійшов у 1922 році молодий російський учений О.О. Фрідман, розв’язавши систему рівнянь Ейнштейна із загальної теорії відносності, яку Ейнштейн створив у 1916 році.

5.      Доведено існування гравітаційних хвиль.

Протиріччя теорії відносності

Ось уже сто років у науковому світі тривають суперечки про правильність теорії відносності Ейнштейна. Сотні, якщо не тисячі, іменитих фізиків намагалися спростувати її різноманітними способами. І набагато більша кількість учених гаряче підтримували її. Але все-таки! Практично кожна людина, уперше зіштовхнувшись з формуванням і доказом теорії відносності, зазнає відчуття якоїсь помилковості і неможливості описуваної ситуації. І, лише витративши якийсь час на розбір доказу і не знайшовши очевидних помилок, погоджується з нею. Але... схопити і чітко формалізувати помилковість логічних міркувань не вдалося.

Якщо пройти крок за кроком весь шлях створення теорії відносності Альберта Ейнштейна, простежити умови та необхідність її створення, то неможливо не переконатись, що Альберт Ейнштейн справді був геніальною людиною. Можливо,  теорія відносності ― це лише невелика частина того, що Геній хотів передати людству...

Існує декілька гіпотез щодо створення теорії відносності:

1.      Можливо, Альберт Ейнштейн був настільки геніальною людиною, що створив хибну теорію, для того, щоб збити всіх з правильного шляху, вважаючи, що майбутні знання, які здобудуть люди, можуть згубно відбитися на майбутньому людства.

2.      Можливо, Альберт Ейнштейн оприлюднив не всі свої матеріали, що стосуються теорії відносності, вважаючи, що людство ще неготове до такої інформації.

Нові докази на користь теорії відносності Ейнштейна

1.      Ейнштейн знову виявився правий. Супутники, які трохи відхилилися від орбіти, показують, що Земля під час обертання дійсно викривляє тканину простору – часу, заявили вчені. Вони відзначили, що їхні висновки вперше оцінюють і доводять той важливий аспект загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, що обертове тіло деформує і спотворює „тканину”, яка включає в себе три виміри простору і четвертий ― часу.

2.      „Коли Земля обертається , вона дійсно деформує простір і час. чим ближче до Землі, тим більше спотворення”, ― заявив Майк саламон, фізик НАСА у Вашингтоні. „Це спотворення простору – часу, яке називають також розтягненням структури, ніколи раніше не спостерігали безпосередньо, ― сказав саламон. ― Це перший реальний прямий доказ того, що ми маємо справу з деформацією простору – часу, викликаною рухом обертового тіла”. За словами саламона, побічні докази розтягнення структури були і раніше, але виміри зроблені вперше.

3.      Еррікос Павліс з об’єднаного центру технології земних систем НАСА і його колеги вели спостереження за двома супутниками, які знаходяться на орбіті, і встановили, що вони зміщуються, коли планета притягує до себе простір. „Ми вимірювали відстань від Землі до супутників з точністю до міліметрів”, ― заявив Павліс.

4.      Лазерний геодинамічний супутник I (LAGEOS I), космічний корабель НАСА і LAGEOS II, спільний супутник НАСА й італійського космічного агентства являють собою брили металу, покриті відбивачами, які полегшують спостереження за ними і ведення вимірів із Землі, їх орбітам надана форма метелика, яка повинна стимулювати рух обертових гіроскопів. Відповідно до теорії  Ейнштейна, тіло, яке обертається поблизу, так, як Земля, буде притягати до себе простір, змушуючи гіроскопи трохи відхилятися від своїх осей. Немає доказів того, що на супутники не діє якась інша сила, відзначав Павліс, але це малоймовірно. „Це повинна бути дуже розумна сила, здатна точно імітувати загальну відносність, ― заявив він. ― Ми усунули всі відомі нам сили ― припливи тощо, так само, як і похибки гравітаційної моделі”. Павліс порівнює цей ефект з обертанням ложки в потоці. „Точно так само Земля при обертанні притягає до себе простір і час, які її оточують. Це зміщує орбіти супутників поруч із Землею”, ― сказав він.

5.      У квітні 2004 року НАСА запустило Gravity Probe B, зонд із чотирма гіроскопами, який, на думку вчених, підтвердили теорію Ейнштейна.

III.            Підсумки. 

1905 рік був унікальним як для науки, так і для самого Ейнштейна, оскільки саме цього року він у віці 26 років оприлюднив три  з чотирьох головних наукових робіт фізики, які змінили наші уявлення про Всесвіт. У них він пояснив принципи броунівського руху, природу та розмір атомів, заклав основи квантової теорії та теорії відносності, революціонізував уявлення про простір і час. пізніше він також описав фотоелектричний ефект та вивів свою славетну  формулу, якою пов’язав енергію матерії з її масою та швидкістю світла. На жаль, останнє відкриття стало поштовхом до створення ядерної бомби, хоча воно має також величезну кількість позитивних застосувань. Ще на початку 1905 року прізвище Ейнштейна було відому хіба що вузькому колу вчених, але наприкінці цього року його знали вчені всього світу. Лише через 15 років, коли найбільш дивні та незвичайні теорії Ейнштейна здобули своє підтвердження, він був визнаний найяскравішою науковою зіркою світу.

Ейнштейн і в наш час залишається одним із найбільш популярних учених світу. І не лише завдяки нестандартності та складності його ідей, а також „зірковій аурі” його особистості. Його фото із скуйовдженим волоссям та висунутим язиком є однією з найпопулярніших фотографій останнього століття. Невимушеністю власної поведінки, гостротою розуму, влучністю висловлювань та дотепністю він довів, що великий учений не обов’язково повинен бути „лабораторним сухарем”.