Ogólna teoria względności - wykład dla przyszłych uczonych, r. Albert Einstein

Podobne dokumenty
100 lat ogólnej teorii względności. Einstein dla laików

Czy da się zastosować teorię względności do celów praktycznych?

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

Spis treści. Przedmowa PRZESTRZEŃ I CZAS W FIZYCE NEWTONOWSKIEJ ORAZ SZCZEGÓLNEJ TEORII. 1 Grawitacja 3. 2 Geometria jako fizyka 14

Wielcy rewolucjoniści nauki

Kinematyka relatywistyczna

Kinematyka relatywistyczna

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Zasady względności w fizyce

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

Elementy fizyki relatywistycznej

Czym zajmuje się teoria względności

Astronomia. Znając przyspieszenie grawitacyjne planety (ciała), obliczyć możemy ciężar ciała drugiego.

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

GRAWITACJA MODUŁ 6 SCENARIUSZ TEMATYCZNY LEKCJA NR 2 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY WIRTUALNE LABORATORIA FIZYCZNE NOWOCZESNĄ METODĄ NAUCZANIA.

Jak zmieni się wartość siły oddziaływania między dwoma ciałami o masie m każde, jeżeli odległość między ich środkami zmniejszy się dwa razy.

Postulaty szczególnej teorii względności

Szczególna teoria względności

14 POLE GRAWITACYJNE. Włodzimierz Wolczyński. Wzór Newtona. G- stała grawitacji 6, Natężenie pola grawitacyjnego.

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie I (luty, 2013)

Oddziaływania fundamentalne

Sprawdzian Na rysunku przedstawiono siłę, którą kula o masie m przyciąga kulę o masie 2m.

Podstawy fizyki wykład 9

Grawitacja - powtórka

NIE FAŁSZOWAĆ FIZYKI!

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Kinematyka, Dynamika, Elementy Szczególnej Teorii Względności

Czarne dziury. Grażyna Karmeluk

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne. Dr Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny Uniwersytet Wrocławski

Fizyka I. Kolokwium

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

III.1 Ruch względny. III.1 Obserwacja położenia z dwóch różnych układów odniesienia. Pchnięcia (boosts) i obroty.metoda radarowa. Wykres Minkowskiego

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

Sztuczny satelita Ziemi. Ruch w polu grawitacyjnym

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA. Rys. Transformacja Galileusza

3. Model Kosmosu A. Einsteina

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Interwał, geometria czasoprzestrzeni Konsekwencje tr. Lorentza: dylatacja czasu i kontrakcja długości

Sprawdzian 2. Fizyka Świat fizyki. Astronomia. Sprawdziany podsumowujące. sin = 0,0166 cos = 0,9999 tg = 0,01659 ctg = 60,3058

Zadanie 2 Narysuj wykres zależności przemieszczenia (x) od czasu(t) dla ruchu pewnego ciała. m Ruch opisany jest wzorem x( t)

Szczególna teoria względności

Plan wynikowy. z fizyki dla klasy pierwszej liceum profilowanego

Treści dopełniające Uczeń potrafi:

Optyka 2012/13 powtórzenie

ver teoria względności

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA (SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI)

ver grawitacja

Geometria Struny Kosmicznej

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.1, Mechanika, szczególna teoria względności / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7.

Zapisy podstawy programowej Uczeń: 2. 1) wyjaśnia cechy budowy i określa położenie różnych ciał niebieskich we Wszechświecie;

Od redakcji. Symbolem oznaczono zadania wykraczające poza zakres materiału omówionego w podręczniku Fizyka z plusem cz. 2.

Czy można zobaczyć skrócenie Lorentza?

Wstęp do astrofizyki I

Wykłady z Fizyki. Teoria Względności

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Wyznaczanie długości i szerokości geograficznej z obserwacji astronomicznych.

Aktualizacja, maj 2008 rok

Jaki jest Wszechświat?

ROZKŁAD MATERIAŁU Z FIZYKI I ASTRONOMII KLASIE PIERWSZEJ W LICEUM PROFILOWANYM

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

FIZYKA Podręcznik: Fizyka i astronomia dla każdego pod red. Barbary Sagnowskiej, wyd. ZamKor.

Eksperymenty myślowe Einsteina

ETAP II. Astronomia to nauka. pochodzeniem i ewolucją. planet i gwiazd. na wydarzenia na Ziemi.

Ruchy planet. Wykład 29 listopada 2005 roku

Soczewki Grawitacyjne

Podstawy fizyki sezon 1 XI. Mechanika relatywistyczna

MECHANIKA KLASYCZNA I RELATYWISTYCZNA Cele kursu dla studentów geofizyki

14R2 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - II POZIOM ROZSZERZONY

Grawitacja i astronomia, zakres podstawowy test wiedzy i kompetencji ZADANIA ZAMKNIĘTE

Praca. Siły zachowawcze i niezachowawcze. Pole Grawitacyjne.

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 12

LIV Olimpiada Astronomiczna 2010 / 2011 Zawody III stopnia

Wykład FIZYKA I. 3. Dynamika punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Egzamin maturalny z fizyki i astronomii 5 Poziom podstawowy

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

MECHANIKA KLASYCZNA I RELATYWISTYCZNA Cele kursu

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

Wykłady z Fizyki. Grawitacja

Obraz Ziemi widzianej z Księżyca

GRAWITACJA I ELEMENTY ASTRONOMII

Ruch pod wpływem sił zachowawczych

SPRAWDZIAN NR Merkury krąży wokół Słońca po orbicie, którą możemy uznać za kołową.

4π 2 M = E e sin E G neu = sin z. i cos A i sin z i sin A i cos z i 1

Ruch obiegowy Ziemi. Ruch obiegowy Ziemi. Cechy ruchu obiegowego. Cechy ruchu obiegowego

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Prawo powszechnego ciążenia, siła grawitacyjna, pole grawitacyjna

14-TYP-2015 POWTÓRKA PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII ROZSZERZONY

Przeszłość i perspektywy protofizyki

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA STOSOWANA II Liceum Ogólnokształcące im. Adama Asnyka w Bielsku-Białej

Soczewkowanie grawitacyjne

Dr Kazimierz Sierański www. If.pwr.wroc.pl/~sieranski Konsultacje pok. 320 A-1: codziennie po ćwiczeniach

Kinematyka: opis ruchu

Wirtualny Hogwart im. Syriusza Croucha

Transkrypt:

W dobrej edukacji nie chodzi o wkuwanie wielu faktów, lecz o wdrożenie umysłu do myślenia Albert Einstein ELEMENTY OGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI Podstawa tej teorii zasada równoważności Zakrzywienie przestrzeni Eksperymenty potwierdzające przewidywania ogólnej teorii względności Prof. dr hab. inż. Wiera Oliferuk wolif@ippt.gov.pl

Obserwując otaczający nas świat, nabieramy określonych przekonań o zjawiskach w nim zachodzących. Nabieramy tak zwanego zdrowego rozsądku, dzięki któremu nie mamy wątpliwości, że jeśli wózek jedzie z prędkością względem obserwatora stojącego na ziemi z prędkością u ( jak na rysunku), zaś chłopak idzie po platformie wózka z prędkością v względem wózka, to porusza się on względem ziemi z prędkością v = u + v.

Postulat Einsteina podstawą szczególnej teorii względności Prędkość światła jest niezależna od ruchu jego źródła względem układu odniesienia, w którym jest ona mierzona. Innymi słowy: wszyscy obserwatorzy otrzymają jednakową wartość prędkości światła w próżni niezależnie od ich względnej prędkości. a) zgodnie ze zdrowym rozsądkiem b) według postulatu Einsteina

Albert Einstein o zdrowym rozsądku Zdrowy rozsądek to suma przesądów, których nabywamy przed ukończeniem 18 lat. Albert Einstein (1879 1955) Teoria względności: szczególna -1905 r. (przedstawiona na poprzednich wykładach), oraz ogólna teoria względności 1915 r. Szczególna teoria względności dotyczy świata wyidealizowanego, świata bez planet, bez grawitacji Ogólna teoria względności zajmuje się układami odniesienia przyspieszanymi względem siebie oraz grawitacją. Wymaga ona stosowania zaawansowanej matematyki.

Elementy ogólnej teorii względności: zasada równoważności Mzmg Mzmg Mz Siła przyciągania przez Ziemię F G, g G G 2 2 2 R R mg R F mg g a, skoro m t o F m g g a g g mb mb m, b Wszystkie ciała spadają z jednakowym przyspieszeniem niezależnie od ich masy. Jest to fakt zdumiewający! Tak samo spada słoń jak liść lub piórko. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne Zasady Filozofii Przyrody). Naturalnym ruchem wszystkich ciał, jest spadanie z przyspieszeniem g. Wszechświat jest pełen spadających swobodnie spadających ciał, takich jak Księżyc, Ziemia, Słońce

Zasada równoważności Jeśli kabina (statku kosmicznego) jest nieprzezroczysta, to znajdujący się w niej obserwator nie może odróżnić sytuacji (a) od (b) Jednorodne pole grawitacyjne jest całkowicie równoważne polu w jednostajnie przyspieszanym układzie odniesienia..

Konsekwencje zasady równoważności Jak zachowuje się promień świetlny w przyspieszanym układzie odniesienia? (a) Promień świetlny biegnący po prostej przez przyspieszaną klatkę. (b) Względem przyspieszanej klatki (czyli względem obserwatora znajdującego się w klatce) światło porusza się po paraboli!

Czasoprzestrzeń Minkowskiego Pierwsze słowa wykładu Hermana Minkowskiego Raum und Zeit na Zjeździe niemieckich przyrodoznawców i lekarzy (1908 r.). Odtąd przestrzeń sama w sobie i czas sam w sobie mają całkowicie stać się cieniami i tylko pewien rodzaj ich związku utrzymać ma niezależną realność Skąd to się bierze? Wiemy, że czas zależy od ruchu, odległość zależy od ruchu. Czy jest coś, co od ruchu nie zależy? Owszem, jest to interwał odległość między dwoma punktami w czasoprzestrzeni: 2 2 2 2 2 2 12 2 1 2 1 2 1 2 1 s c t t x x y y z z. Tak zdefiniowany interwał jest taki sam dla wszystkich obserwatorów we Wszechświecie.

Ogólna teoria względności Wiedząc o czasoprzestrzeni, w 1915 r. Einstein ogłosił to, co nazywamy ogólną teorią względności: Istnieją tylko lokalne układy inercjalne. Materia zakrzywia czasoprzestrzeń. Grawitacja jest przejawem zakrzywienia czasoprzestrzeni..

Geometria czasoprzestrzeni Obecność materii czyni z przestrzeni coś krzywego; zakrzywia przestrzeń a grawitacja jest przejawem tego zakrzywienia. Ogólna teoria Einsteina sprowadza się do następującego, niewinnego wzoru: G T, G tensor Einsteina określa geometrię czasoprzestrzeni, T tensor określa rozkład materii we Wszechświecie. Ile wynosi? Otóż 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0002. jest bardzo, bardzo małe! Z tego wynika, że sprzężenie między rozkładem gęstości energii i pędu a krzywizną przestrzeni jest bardzo słabe

Zakrzywienie czasoprzestrzeni Czasoprzestrzeń jest wykrzywiana przez obecność materii. Niezwykle trafne są słowa amerykańskiego fizyka prof. Johna Wheelera: Materia mówi czasoprzestrzeni jak się ma zakrzywiać a czasoprzestrzeń mówi materii jak się ma poruszać.

Potwierdzenie przewidywań ogólnej teorii względności 1. Odchylenie światła w polu grawitacyjnym 2. Ruch peryhelium Merkurego 3. Zależność biegu czasu od pola grawitacyjnego. Ad 1. 1,75 sekundy kątowej przewidywane odchylenie promieni świetlnych przebiegających w pobliżu Słońca. 1 sekunda kątowa = 1/3600 stopnia 6-go listopada 1919 roku tego typu odchylenie zmierzono, porównując fotografie nieba podczas całkowitego zaćmienia Słońca z fotografiami nocnego nieba, gdy Słońca nie było. Otrzymano wynik zgodny z przewidywaniami Einsteina. Uwaga! Ugięcie promienia świetlnego nie następuje w wyniku działania siły. Jest ono rezultatem zakrzywienia przestrzeni. Słońce: 1,75 sekund kątowych Jowisz: 0,017 sekundy kątowej

Potwierdzenie przewidywań ogólnej teorii względności, cd. 2. Ruch peryhelium Merkurego Kepler odkrył, że planety poruszają się wokół Słońca po elipsach. Mimo uwzględnienia odziaływania na Merkurego pozostałych ciał niebieskich, zawsze przy obliczaniu ruchu peryhelium, wyniki obserwacji w ciągu stulecia ruchu peryhelium wykazywały nadwyżkę w stosunku do wyników obliczeń według mechaniki klasycznej. Nadwyżka nieduża, zaledwie '' 43 (sekundy kątowej). '' '' 42,56-0,94 - nadwyżka wyników obserwacji nad teorią klasyczną. Stosując prawa ogólnej teorii względności, otrzymuje się nadwyżkę nad wynikiem obliczeń '' + '' otrzymanych według mechaniki klasycznej równą 43,03, co rozwiązało - 0,03 problem niezgodności obserwacji z obliczeniami.

3. Czas w ogólnej teorii względności Dylatacja czasu w szczególnej teorii względności - efekt kinematyczny Dylatacja czasu w ogólnej teorii względności - czas biegnie wolniej w silniejszym polu grawitacyjnym. Bieg czasu zależy od pola grawitacyjnego. Zostało to sprawdzone doświadczalnie w 1972 roku. Dwaj Amerykanie: Josef C. Hafele i Richard E. Keating postanowili przeprowadzić bardzo prosty eksperyment. Wtedy zegary już mierzyły czas z dokładnością nanosekundową. Poprosili o grant w wysokości 8 000 $. Grant był potrzebny na to, aby kupić bilety na samolot. Normalnymi samolotami, zabierając ze sobą zegary i zostawiając kilka na lotnisku, oblecieli świat w jedną i drugą stronę. Przewidywanie: łącznie efekty kinematyczny i grawitacyjny, na przykład przy locie na zachód: 275ns 21ns Wynik doświadczalny: 273ns 7ns

Ad 3. Zależność biegu czasu od pola grawitacyjnego. Zasada działania GPS (Global Positioning System) Dylatacja grawitacyjna daje + 46 µs na dobę. Otóż, gdyby tej poprawki nie uwzględniać, to po kilkunastu minutach CPS przestałby działać! Mówimy tu o mikrosekundach, a w ciągu nanosekundy światło przebiegnie odległość równą dłuższemu bokowi kartki A4. Zatem w ciągu mikrosekundy odległość 1000 razy większą. Zatem zamiast powiedzieć, że jesteśmy tu, to usłyszelibyśmy, że jesteśmy, gdzieś na ul. Grójeckiej. (Z wykładu prof. Andrzeja Kajetana Wróblewskiego pt.: Einstein dla laików)

Bez poprawki relatywistycznej GPS nie działałby! Jest to najbardziej namacalny dowód prawdziwości ogólnej teorii względności. W słabszym polu grawitacyjnym zegary chodzą szybciej! Efekt jest bardzo, bardzo niewielki. Jeśli bylibyśmy 1 km nad powierzchnią Ziemi to przyspieszenie zegara wyniosłoby 3s na milion lat Konsekwencje ogólnej teorii względności wydają się sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, ale są potwierdzone przez setki eksperymentów.