Понятие пространства-времени в специальной теории относительности

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и поэтому все физические процессы. и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. 'Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

Отсюда ясно что для Эйнштейна основные физические понятия, такие, как пространство и время, приобретают ясный смысл только после указания тех экспериментальных процедур, с помощью которых можно их проверить. "Понятие, - существует для физики постольку, поскольку есть возможность в конкретном случае найти, верно оно или нет". Тот факт, что расстояние и время в теории относительности определяются наблюдателем по отношению к определенной системе отсчета, отнюдь не свидетельствует о том, что эти понятия имеют произвольный характер, устанавливаемый субъектом. Субъект лишь фиксирует и точно определяет объективное отношение, существующее между процессами, совершающимися в разных системах отсчета. Таким образом, вместо абстрактных рассуждении об абсолютном движении в теории относительности рассматривают конкретные движения тел по отношению к конкретным системам отсчета, связанным с конкретными телами. Другой важный результат теории относительности:

Связь обособленных в классической механике понятий пространства и времени в единое понятие пространственно-временной непрерывности, или континуума.

положение тела в пространстве определяется тремя его координатами x, у, z но для описания его движения необходимо ввести еще четвертую координату - время t. Таим образом, вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривай взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского (1864-1909), немецкого математика и физика, первые предложившего такую трактовку. В этом мире положение каждого события определяется четырьмя числами: тремя пространственными координатами движущегося тела x, у, z и четвертой координатой — временем t.

21. Учение об элементарных частицах. Структура вещества. Атом и физический вакуум.

В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов (электронное, мюонное и t- нейтрино). Большинство перечисленных частиц, не удовлетворяют критерию элементарности, так как являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» употребляется для обозначения всех субъядерных частиц.

При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин «истинно элементарные» или «фундаментальные частицы». При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц).

Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой путь к пониманию фундаментальных законов природы. Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей.

В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. В линейных ускорителях частицы разгоняют вдоль прямой линии. В кольцевых ускорителях, частицы ускоряются, летая по кругу. Использование ускорителей позволяет изучать свойства элементарных частиц и излучений в самых разных условиях. Подвергая определенные мишени бомбардировкам этими частицами, можно получить атомы других элементов, в том числе - и доселе неизвестных..

Элементарная структура вещества. Атом

Все окружающие нас предметы, а также и живые существа состоят из маленьких частиц - молекул. Молекулы состоят из атомов. В составе молекулы может быть много атомов, пример - обыкновенный спирт.

Атомы тоже состоят из частиц. В середине каждого атома находится ядро, состоящее из двух видов частиц протонов и нейтронов. Бывают ядра, в которых совсем нет нейтронов (пример - ядро атома водорода), но это случается редко. Протоны и нейтроны имеют очень маленькую массу, приблизительно равную массе атома водорода. Каждый протон заряжен положительно, и величина его заряда равна +1. А вот нейтрон не заряжен, то есть заряд его просто равен нулю.

заряд одного электрона равен -1, то есть для нейтрализации положительного заряда необходимо расположить столько же электронов, сколько протонов содержится в атомном ядре. Масса каждого электрона в тысячи раз меньше массы протона (или нейтрона), поэтому любой атом весит примерно столько же, сколько весит его ядро.

Фундамент материи: физический вакуум и его состояния[i]

Еще со второй половины XIX в. видом материи (наряду с веществом) считается также физическое поле. Это установлено работами М.Фарадея, К. Максвелла и Г. Герца в области электродинамики. подлинной субстанцией нашей Вселенной современная наука считает так называемый физический вакуум. Он принципиально не может восприниматься нашими чувствами и приборами, так как он ни от чего в нашем мире не отличается; поэтому его и называют лат. «пустота».

В то же время, вакуум может рассматриваться как сплошная среда, которой присущи известные свойства, выражаемые рядом физических констант. П. Дирак описал вакуум как море электронов с отрицательной энергией и бесконечной плотностью, в котором постоянно происходит порождение виртуальных пар электрон-позитрон (так называемое море Дирака). Его можно представить и как поле фотонов, либо виртуальных электрон-позитронных пар. А в теориях Великого объединения предлагается рассматривать вакуум как коллективное возбуждение гипотетических хиггсовых скалярных бозонов.

Иногда физический вакуум называют третьей формой материи. Но он может быть истолкован как нулевое состояние квантованного поля, в котором средняя напряженность всех полей равна нулю. Тем не менее, активность вакуума давно доказана рядом физических экспериментов. Два важнейших результата получены еще в 1947 г. Это, во-первых, «эффект Казимира» - притяжение близко расположенных металлических пластин в вакууме. Во-вторых, это так называемый лэмбовский сдвиг - смещение энергетических уровней электрона в атоме в результате его «дрожания» на орбите под воздействием вакуума.