Отражением какого закона сохранения является уравнение эйнштейна. Пояснения по уравнениям Эйнштейна (или ликбез по ОТО)
Пространства - время для учитывая расположение стресс-энергии в пространстве - времени. Взаимосвязь между метрическим тензором и тензором Эйнштейна позволяет ЭФЭ быть записана в виде набора нелинейных уравнений с частными производным, когда используется таким образом. Решения ЭФЭ являются компонентами метрического тензора. В инерционных траекториях частиц и излучение (геодезические) в полученной геометрии затем вычисляются с использованием уравнения геодезического .
А также повинуясь сохранение местной энергии-импульса, то EFE сводятся к закону тяготения Ньютона , где гравитационное поле является слабым и скорости намного меньше скорости света .
Точные решения для ЭФЭ могут быть найдены только при упрощающих допущениях, такие как симметрия . Специальные классы точных решений наиболее часто изучаются как они моделируют многие гравитационные явления, такие как вращающиеся черные дыры и расширение Вселенной . Дальнейшее упрощение достигается при аппроксимации фактического пространства - времени, как плоское пространства - времени с небольшим отклонением, что приводит к линеаризованной ЭФЭ . Эти уравнения используются для изучения таких явлений, как гравитационные волны .
Математическая форма
Полевые уравнения Эйнштейна (ОСЕ) можно записать в виде:
|
Р μ ν - 1 2 р г μ ν + Λ г μ ν знак равно 8 π г с 4 T μ ν {\ Displaystyle R _ {\ му \ Nu} - {\ tfrac {1} {2}} Р \, G _ {\ му \ Nu} + \ Lambda G _ {\ му \ Nu} = {\ гидроразрыва {8 \ р G } {с ^ {4}}} _ {Т \ му \ Nu}} |
где R μν является тензор кривизны Риччи , R является скалярная кривизна , г μν является метрический тензор , Λ является космологическая постоянная , G является постоянная тяготения Ньютона , с представляет собой скорость света в вакууме, а Т μν является стресс- тензор энергии .
ЭФЭ является тензором уравнение, связывающее набор симметричных 4 × 4 тензоров . Каждый тензор имеет 10 независимых компонент. Четыре Bianchi тождества уменьшить число независимых уравнений с 10 до 6, в результате чего показателя с четырьмя крепежных калибровочными степенями свободы , которые соответствуют свободе выбора системы координат.
Хотя полевые уравнения Эйнштейна были первоначально сформулированы в контексте четырехмерной теории, некоторые теоретики исследовали их последствия в п измерениях. Уравнения в контекстах вне общей теории относительности до сих пор называют уравнениями поля Эйнштейна. Вакуумные полевые уравнения (полученные при Т тождественно равна нулю) определяют многообразия Эйнштейна .
Несмотря на простой внешний вид уравнений на самом деле они довольно сложны. Принимая во внимание указанное распределение материи и энергии в виде тензора энергии, ЭФЭ понимаются уравнения для метрического тензора г μν , так как и тензор Риччи и скалярная кривизна зависит от метрики в сложной нелинейной манере. В самом деле, когда полностью выписана, то ЭФЭ представляют собой система из десяти соединенных, нелинейных, гиперболических-эллиптических дифференциальных уравнений .
Можно написать EFE в более компактной форме, определив тензор Эйнштейна
г μ ν знак равно р μ ν - 1 2 р г μ ν , {\ Displaystyle G _ {\ му \ Nu} = Р _ {\ му \ Nu} - {\ tfrac {1} {2}} _ {Rg \ му \ Nu}}которая представляет собой симметричный тензор второго ранга, который является функцией метрики. ЭФЭ, то можно записать в виде
г μ ν + Λ г μ ν знак равно 8 π г с 4 T μ ν , {\ Displaystyle G _ {\ мю \ Nu} + \ Lambda G _ {\ му \ Nu} = {\ гидроразрыва {8 \ р G} {с ^ {4}}} T _ {\ му \ Nu}.}В стандартных единицах, каждый член с левой имеет единицы 1 / длина 2 . При таком выборе Эйнштейна постоянной , как 8πG / с 4 , то тензор энергии-импульса на правой стороне уравнения должны быть записаны с каждым компонентом в единицах плотности энергии (то есть энергии на единицу объема = давление).
Вход конвенции
Выше форма ЭФЭ является стандартом, установленным Мизнер, Thorne, и Wheeler . Авторы проанализировали все конвенции, которые существуют и классифицированы в соответствии со следующими тремя знаками (S1, S2, S3):
г μ ν знак равно [ S 1 ] × диаг (- 1 , + 1 , + 1 , + 1) р μ α β γ знак равно [ S 2 ] × (Γ α γ , β μ - Γ α β , γ μ + Γ σ β μ Γ γ α σ - Γ σ γ μ Γ β α σ) г μ ν знак равно [ S 3 ] × 8 π г с 4 T μ ν {\ Displaystyle {\ {начинаются выровнены} _ {г \ му \ Nu} & = \ раз \ OperatorName {Diag} (-1, + 1, + 1, + 1) \\ {R ^ { \ му}} _ {\ альфа \ бета \ гамма} & = \ раз \ влево (\ Gamma _ {\ альфа \ гамма, \ бета} ^ {\ му} - \ Gamma _ {\ альфа \ бета, \ гамма} ^ {\ му} + \ Gamma _ {\ Sigma \ бета} ^ {\ му} \ гамма _ {\ Gamma \ альфа} ^ {\ Sigma} - \ Gamma _ {\ Sigma \ Gamma} ^ {\ му} \ Гамма _ {\ бета \ альфа} ^ {\ Sigma} \ справа) \\ G _ {\ му \ Nu} & = \ раз {\ гидроразрыва {8 \ Pi G} {с ^ {4}}} T _ {\ му \ Nu} \ {конец выровнен}}}Третий знак выше относится к выбору конвенции для тензора Риччи:
р μ ν знак равно [ S 2 ] × [ S 3 ] × р α μ α ν {\ Displaystyle R _ {\ мю \ Nu} = \ [раз S3] \ {раза R ^ {\ альфа}} _ {\ му \ альфа \ Nu}} р μ ν - 1 2 р г μ ν + Λ г μ ν знак равно 8 π г с 4 T μ ν , {\ Displaystyle R _ {\ му \ Nu} - {\ tfrac {1} {2}} Р \, G _ {\ му \ Nu} + \ Lambda G _ {\ му \ Nu} = {\ гидроразрыва {8 \ р G } {с ^ {4}}} T _ {\ му \ Nu} \ ,.}Поскольку Λ постоянна, то закон сохранения энергии не меняется.
Космологический термин был первоначально введен Эйнштейном, чтобы для вселенной, не расширяться или сжиматься . Эти усилия увенчались успехом, потому что:
- Вселенная описывается этой теорией была нестабильна, и
- наблюдения Эдвина Хаббла подтвердили, что наша Вселенная расширяется .
Таким образом, Эйнштейн отказался от Л , называя ее «самой большой ошибкой [он] когда - либо делал».
Несмотря на мотивацию Эйнштейна для введения космологической постоянной, нет ничего несовместима с наличием такого члена в уравнениях. В течение многих лет космологическая постоянная была почти повсеместно считается равным 0. Однако недавние улучшенные астрономические методы обнаружили, что положительное значение Л необходимо для объяснения ускоряющейся Вселенной . Тем не менее, космологический пренебрежимо мало в масштабе галактики или меньше.
Эйнштейн подумал о космологической постоянной в качестве независимого параметра, но его член в уравнении поля можно также перемещать алгебраически к другой стороне, написанной как часть тензора энергии:
T μ ν (v a с) знак равно - Λ с 4 8 π г г μ ν , {\ Displaystyle T _ {\ му \ Nu} ^ {\ mathrm {(ВПТ)}} = - {\ гидроразрыва {\ Lambda с ^ {4}} {8 \ пи G}} G _ {\ му \ Nu} \, .} р α β [ γ δ ; ε ] знак равно 0 {\ Displaystyle R _ {\ альфа \ бета [\ гамма \ дельта; \ varepsilon]} = 0}с г αβ дает, используя тот факт, что метрический тензор ковариантно постоянен, то есть г αβ ; γ = 0 ,
р γ β γ δ ; ε + р γ β ε γ ; δ + р γ β δ ε ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle {R ^ {\ Gamma}} _ {\ бета \ гамма \ дельта; \ varepsilon} + {R ^ {\ Gamma}} _ {\ бета \ varepsilon \ гамма; \ дельта} + {R ^ {\ гамма}} _ {\ бета \ дельта \ varepsilon; \ гамма} = \, 0}Антисимметрия тензора Римана позволяет второй член в приведенном выше выражении должна быть переписана:
р γ β γ δ ; ε - р γ β γ ε ; δ + р γ β δ ε ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle {R ^ {\ Gamma}} _ {\ бета \ гамма \ дельта; \ varepsilon} - {R ^ {\ Gamma}} _ {\ бета \ гамма \ varepsilon; \ дельта} + {R ^ {\ гамма}} _ {\ бета \ дельта \ varepsilon; \ гамма} = 0}что эквивалентно
р β δ ; ε - р β ε ; δ + р γ β δ ε ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle R _ {\ бета \ дельта; \ varepsilon} _ {-R \ бета \ varepsilon; \ дельта} + {R ^ {\ Gamma}} _ {\ бета \ дельта \ varepsilon; \ гамма} = 0}Затем контракт снова с метрикой
г β δ (р β δ ; ε - р β ε ; δ + р γ β δ ε ; γ) знак равно 0 {\ Displaystyle г ^ {\ бета \ дельта} \ влево (R _ {\ бета \ дельта; \ varepsilon} -R _ {\ бета \ varepsilon; \ дельта} + {R ^ {\ Gamma}} _ {\ бета \ дельта \ varepsilon; \ Gamma} \ справа) = 0}получить
р δ δ ; ε - р δ ε ; δ + р γ δ δ ε ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle {R ^ {\ дельта}} _ {\ Delta; \ varepsilon} - {R ^ {\ дельта}} _ {\ varepsilon; \ дельта} + {R ^ {\ Gamma \ дельта}} _ {\ дельта \ varepsilon; \ гамма} = 0}Определения тензора кривизны Риччи и скалярной кривизны, то показывают, что
р; ε - 2 р γ ε ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle R _ {; \ varepsilon} -2 {R ^ {\ Gamma}} _ {\ varepsilon; \ гамма} = 0}которое можно переписать в виде
(р γ ε - 1 2 г γ ε р) ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle \ слева ({R ^ {\ Gamma}} _ {\ varepsilon} - {\ tfrac {1} {2}} {г ^ {\ Gamma}} _ {\ varepsilon} R \ справа) _ {; \ Gamma} = 0}Окончательное сжатие с г еДом дает
(р γ δ - 1 2 г γ δ р) ; γ знак равно 0 {\ Displaystyle \ слева (R ^ {\ Gamma \ дельта} - {\ tfrac {1} {2}} г ^ {\ Gamma \ дельта} R \ справа) _ {; \ гамма} = 0}которые в силе симметрии в квадратных скобках термина и определением тензора Эйнштейна , дает после перемаркировки индексов,
г α β ; β знак равно 0 {\ Displaystyle {G ^ {\ альфа \ бета}} _ {; \ бета} = 0}Используя EFE, это сразу дает,
∇ β T α β знак равно T α β ; β знак равно 0 {\ Displaystyle \ набла _ {\ бета} Т ^ {\ альфа \ бета} = {Т ^ {\ альфа \ бета}} _ {; \ бета} = 0}который выражает локальное сохранение стресс-энергии. Этот закон сохранения является физическим требованием. С его полевых уравнений Эйнштейна гарантировал, что общая теория относительности согласуется с этим условием сохранения.
нелинейность
Нелинейность EFE отличает общую теорию относительности от многих других фундаментальных физических теорий. Так, например, уравнение Максвелла из электромагнетизма является линейными в электрических и магнитных полей , а также заряд и распределение токов (т.е. суммы двух решений также является решением); Другой пример является уравнением Шредингера из квантовой механики , которая является линейной в волновой функции .
Принцип соответствия
d 2 Икс α d τ 2 знак равно - Γ β γ α d Икс β d τ d Икс γ d τ , {\ Displaystyle {\ гидроразрыва {d ^ {2} х ^ {\ альфа}} {d \ тау ^ {2}}} = - \ Gamma _ {\ бета \ гамма} ^ {\ альфа} {\ гидроразрыва {дх ^ {\ бета}} {d \ тау}} {\ гидроразрыва {дх ^ {\ Gamma}} {d \ тау}} \ ,.}Чтобы увидеть, как последнее сводится к первому, мы предполагаем, что скорость испытателя частицы близка к нулю
d Икс β d τ ≈ (d T d τ , 0 , 0 , 0) {\ Displaystyle {\ гидроразрыва {дх ^ {\ бета}} {d \ тау}} \ ок \ влево ({\ гидроразрыва {дт} {d \ тау}}, 0,0,0 \ справа)}и поэтому
d d T (d T d τ) ≈ 0 {\ Displaystyle {\ гидроразрыва {d} {дт}} \ влево ({\ гидроразрыва {дт} {d \ тау}} \ справа) \ около 0}и что метрика и ее производные примерно статические и что квадраты отклонений от метрики Минковского пренебрежимо малы. Применение этих упрощающих допущений пространственных компонент геодезическое уравнение дает
d 2 Икс я d T 2 ≈ - Γ 00 я {\ Displaystyle {\ гидроразрыва {d ^ {2} х ^ {я}} {дт ^ {2}}} \ ок - \ Gamma _ {00} ^ {я}}где два фактора DT / дифференциала dr были разделены из. Это позволит снизить его ньютоновский аналог, при условии
Φ , я ≈ Γ 00 я знак равно 1 2 г я α (г α 0 , 0 + г 0 α , 0 - г 00 , α) , {\ Displaystyle \ Phi _ {, я} \ примерно \ Gamma _ {00} ^ {я} = {\ tfrac {1} {2}} г ^ {я \ альфа} \ влево (G _ {\ альфа-0,0 } + g_ {0 \ альфа-, 0} -g_ {00 \ альфа} \ справа) \ ,.}Наши предположения заставляют альфа = я и времени (0) производные равными нулю. Таким образом, это упрощает для
2 Φ , я ≈ г я J (- г 00 , J) ≈ - г 00 , я {\ Displaystyle 2 \ Phi _ {, я} \ ок г ^ {IJ} \ влево (-g_ {00, J} \ справа) \ ок -g_ {00, я} \}которое выполняется, позволяя
г 00 ≈ - с 2 - 2 Φ , {\ Displaystyle g_ {00} \ ок -с ^ {2} -2 \ Phi \ ,.}Обращаясь к уравнениям Эйнштейна, нам нужно только компонент времени времени
р 00 знак равно К (T 00 - 1 2 T г 00) {\ Displaystyle R_ {00} = К \ влево (Т_ {00} - {\ tfrac {1} {2}} Tg_ {00} \ справа)}в скорости и статическое поле допущение низкого означает, что
T μ ν ≈ d я a г (T 00 , 0 , 0 , 0) ≈ d я a г (ρ с 4 , 0 , 0 , 0) , {\ Displaystyle Т _ {\ му \ Nu} \ ок \ mathrm {Diag} \ влево (Т_ {00}, 0,0,0 \ справа) \ ок \ mathrm {Diag} \ влево (\ Rho с ^ {4} , 0,0,0 \ справа) \ ,.} T знак равно г α β T α β ≈ г 00 T 00 ≈ - 1 с 2 ρ с 4 знак равно - ρ с 2 {\ Displaystyle Т = г ^ {\ альфа \ бета} Т _ {\ альфа \ бета} \ около г ^ {00} T_ {00} \ ок - {\ гидроразрыва {1} {с ^ {2}}} \ Rho с ^ {4} = - \ Rho с ^ {2} \,}и поэтому
К (T 00 - 1 2 T г 00) ≈ К (ρ с 4 - 1 2 (- ρ с 2) (- с 2)) знак равно 1 2 К ρ с 4 , {\ Displaystyle К \ влево (Т_ {00} - {\ tfrac {1} {2}} Tg_ {00} \ справа) \ ок К \ влево (\ ро с ^ {4} - {\ tfrac {1} { 2}} \ влево (- \ Rho с ^ {2} \ справа) \ влево (-c ^ {2} \ справа) \ справа) = {\ tfrac {1} {2}} К \ Rho с ^ {4 } \ ,.}Из определения тензора Риччи
р 00 знак равно Γ 00 , ρ ρ - Γ ρ 0 , 0 ρ + Γ ρ λ ρ Γ 00 λ - Γ 0 λ ρ Γ ρ 0 λ , {\ Displaystyle R_ {00} = \ Gamma _ {00, \ Rho} ^ {\} - ро \ Gamma _ {\ Rho 0,0} ^ {\ Rho} + \ Gamma _ {\ Rho \ Lambda} ^ { \ Rho} \ Gamma _ {00} ^ {\ Lambda} - \ Gamma _ {0 \ Lambda} ^ {\ Rho} \ Gamma _ {\ Rho 0} ^ {\ Lambda}}.Наши упрощающие предположения делают квадраты Г исчезают вместе с производными по времени
р 00 ≈ Γ 00 , я я, {\ Displaystyle R_ {00} \ ок \ Gamma _ {00, я} ^ {я} \ ,.}Сочетание приведенных выше уравнений вместе
Φ , я я ≈ Γ 00 , я я ≈ р 00 знак равно К (T 00 - 1 2 T г 00) ≈ 1 2 К ρ с 4 {\ Displaystyle \ Phi _ {, II} \ приблизительно \ Gamma _ {00, я} ^ {я} \ около R_ {00} = К \ влево (Т_ {00} - {\ tfrac {1} {2}} Tg_ {00} \ справа) \ около {\ tfrac {1} {2}} K \ Rho с ^ {4}}которая сводится к уравнению ньютоновского поля при условии
1 2 К ρ с 4 знак равно 4 π г ρ {\ Displaystyle {\ tfrac {1} {2}} К \ Rho с ^ {4} = 4 \ р С \ Rho \,}который будет иметь место, если
К знак равно 8 π г с 4 , {\ Displaystyle К = {\ гидроразрыва {8 \ р G} {с ^ {4}}} \ ,.}Вакуумная уравнения поля
Швейцарский монета с 1979, показывая вакуума уравнений поля с нулевой космологической постоянной (вверху).
Если тензор энергии-импульса Т μν равен нулю в рассматриваемой области, то уравнения поля также называют вакуумной полевых уравнений . Установив T μν = 0 в , вакуумные уравнения могут быть записаны в виде
р μ ν знак равно 0 , {\ Displaystyle R _ {\ му \ Nu} = 0 \ ,.}В случае ненулевой космологической постоянной, уравнения с исчезающей
используется, то полевые уравнения Эйнштейна, называются уравнениями Эйнштейна-Максвелла (с космологической постоянной Л , принимаемым равным нулю в обычной теории относительности):
р α β - 1 2 р г α β + Λ г α β знак равно 8 π г с 4 μ 0 (F α ψ F ψ β + 1 4 г α β F ψ τ F ψ τ) , {\ Displaystyle R ^ {\ альфа \ бета} - {\ tfrac {1} {2}} Rg ^ {\ альфа \ бета} + \ Lambda г ^ {\ альфа \ бета} = {\ гидроразрыва {8 \ р G } {с ^ {4} \ му _ {0}}} \ влево ({F ^ {\ альфа}} ^ {\ Psi} {F _ {\ Psi}} ^ {\ бета} + {\ tfrac {1} {4}} г ^ {\ альфа \ бета} F _ {\ Psi \ тау} F ^ {\ Psi \ тау} \ справа).}Изучение точных решений уравнений Эйнштейна является одним из направлений деятельности космологии . Это приводит к предсказанию черных дыр и различным моделям эволюции Вселенной .
Можно также открыть новые решения полевых уравнений Эйнштейна с помощью метода ортонормреперов, как впервые Эллис и MacCallum. При таком подходе, поле Эйнштейна уравнения сводятся к набору связанных, нелинейных, обыкновенных дифференциальных уравнений. Как обсуждалось Хсу и Wainwright, самоподобные решения уравнений поля Эйнштейна являются неподвижными точками в результате динамической системы . Новые решения были обнаружены с помощью этих методов Леблан и Коли и Haslam. .
полиномиальная форма
Можно подумать, что EFE не является многочленом, так как они содержат инверсию метрического тензора. Однако уравнения могут быть организованы таким образом, что они содержат только метрический тензор, а не его обратный. Во-первых, определитель метрики в 4-х измерениях можно записать:
йе (г) знак равно 1 24 ε α β γ δ ε κ λ μ ν г α κ г β λ г γ μ г δ ν {\ Displaystyle \ Det (г) = {\ tfrac {1} {24}} \ varepsilon ^ {\ альфа \ бета \ гамма \ дельта} \ varepsilon ^ {\ каппа \ Lambda \ му \ Nu} G _ {\ альфа \ каппа} _ {г \ бета \ Lambda} _ {г \ гамма-\ му} _ {г \ дельта \ Nu} \,}используя символ Леви-Чивита ; и обратные метрик в 4 -х измерениях можно записать в виде:
г α κ знак равно 1 6 ε α β γ δ ε κ λ μ ν г β λ г γ μ г δ ν йе (г) , {\ Displaystyle г ^ {\ альфа \ каппа} = {\ гидроразрыва {{\ tfrac {1} {6}} \ varepsilon ^ {\ альфа \ бета \ гамма \ дельта} \ varepsilon ^ {\ каппа \ Lambda \ му \ Nu} _ {г \ бета \ Lambda} _ {г \ гамма-\ му} _ {г \ дельта \ Nu}} {\ Det (г)}} \ ,.}Подставляя это определение обратной метрики в уравнение, то умножая обе стороны от ого (г ) до тех пор, пока еще не остались в результатах знаменателя в полиномиальных уравнениях метрического тензора и его первые и вторых производных. Действия, из которого получены уравнения также можно записать в виде полинома с помощью подходящего переопределения полей.
внешняя ссылка
| Wikibooks есть книги |
Если атомы подвергнуть облучению светом, то свет будет поглощаться атомами. Естественно допустить, что при определённых условиях поглощение будет столь велико, что внешние (валентные) будут отрываться от атомов. Это явление наблюдается в действительности. Классическая электродинамика, обычная волновая теория света не в состоянии дать удовлетворительное объяснение фотоэффекту. Эйнштейн выдвигает предположение, что свет сам по себе имеет корпускулярную природу, что имеет смысл смотреть на свет не как на поток волн, а как на поток частиц. Свет не только излучается, но и распространяется и поглощается в виде квантов! Эти кванты, или частицы, световой энергии Эйнштейн назвал фотонами.
Фотоны, падая на поверхность металла, проникают на очень короткое расстояние в металл и поглощаются нацело отдельными его электронами проводимости. Они сразу же увеличивают свою энергию до значения, достаточного, чтобы преодолеть потенциальный барьер вблизи поверхности металла, и вылетают наружу.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
У различных металлов красная граница фотоэффекта различна
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание |
Для определения постоянной Планка была составлена цепь (рис. 1). Когда скользящий контакт потенциометра находится в крайнем левом положении, чувствительный амперметр при освещении фотоэлемента регистрирует слабый фототок. Передвигая скользящий контакт вправо, постепенно увеличивают запирающее напряжение до тех пор, пока в цепи прекратится фототок. При освещении фотоэлемента фиолетовым светом с частотой ТГц запирающее напряжение 2 В, а при освещении красным светом =390 TГц запирающее напряжение равно 0,5 В. Какое значение постоянной Планка было получено?
|
| Решение |
В качестве основы для решения задачи служит уравнение Эйнштейна:  В том случае когда достигают напряжения при котором фототок прекращается отрицательная работа внешнего поля над электронами ровна электрона, то есть: Тогда уравнение Эйнштейна примет вид: Запишем это уравнение для двух состояний, описанных в условиях задачи: Вычтем первое уравнение из второго, получим: Дополним данные задачи табличным значением заряда электрона Переведем данные в СИ: 750 TГц = Гц, 390 TГц = Гц Проведем расчёт |
| Ответ | Постоянная Планка равна Дж с. |
КлПРИМЕР 2
| Задание | В вакуумном фотоэлементе, облучаемом светом с частотой , фотоэлектрон попадает в задерживающее электрическое поле. К электродам фотоэлемента приложено напряжение U, расстояние между электродами равно H, электрон вылетает под углом к плоскости катода. Как изменяется импульс и координаты электрона по сравнению с начальными в момент его возврата на катод? А- работа выхода. |
| Решение |
При решении задачи используем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
Далее надо представить движение электрона. Допустим, что в области движения электрона электрическое поле однородно. Такое допущение можно сделать, если считать, что анод располагается сравнительно далеко от вершины траектории электрона. Найдем изменение электрона по возвращении на катод. Выполним построения рис. 2. Изменение импульса- основание треугольника с углом при вершине . Тогда |
,Десять лет понадобилось Эйнштейну чтобы обобщить специальную теорию относительности (1905 г.) до общей теории относительности (1916 г.). позволил осознать, что гравитация как-то связана с искривлением самого . Кульминацией усилий по точной количественной формулировке данного факта являются уравнения Эйнштейна:
\(\displaystyle R_{\mu \nu}-\frac{1}{2}Rg_{\mu \nu}=\frac{8\pi G}{c^{4}}T_{\mu \nu}\)
Они записаны с помощью математики, никогда прежде не появлявшейся в уравнениях физики — Римановой геометрии. Буквы с индексами есть не что иное как тензоры: \(\displaystyle R_{\mu \nu}\) — тензор Риччи, \(\displaystyle g_{\mu \nu}\) — метрический тензор, \(\displaystyle T_{\mu \nu}\) — тензор энергии-импульса. Само тензорное исчисление появилось всего несколькими годами ранее теории относительности.
Индексы \(\displaystyle\mu \) и \(\displaystyle \nu\) в уравнениях Эйнштейна могут принимать значения от единицы до четырех, соответственно тензоры можно представить матрицами 4х4. Поскольку они симметричны относительно диагонали, независимы друг от друга оказываются только десять компонент. Таким образом, в развернутом виде имеем систему из десяти нелинейных дифференциальных уравнений — уравнений Эйнштейна.
Задачей решения уравнений Эйнштейна является нахождение явного вида \(\displaystyle g_{\mu \nu}\), полностью характеризующего геометрию пространства-времени. Исходными данными являются тензор энергии-импульса \(\displaystyle T_{\mu \nu}\) и начальные/граничные условия. Тензор Риччи \(\displaystyle R_{\mu \nu}\) и скалярная кривизна Гаусса \(\displaystyle R\) являются функциями метрического тензора и его производных и характеризуют кривизну пространства-времени. Концептуально уравнения Эйнштейна можно представить как:
геометрия (левая часть) = энергия (правая часть)
Правая часть уравнений Эйнштейна это начальные условия в виде распределения масс (помним, \(\displaystyle E=mc^{2}\)), а левая это чисто геометрические величины. То есть уравнения говорят, что масса (энергия) влияет на геометрию пространства-времени.
Искривленная геометрия в свою очередь определяет траектории движения материальных тел. То есть согласно Эйнштейну — гравитация это и есть пространство-время. Просто оно в отличие от Ньютоновской теории не является статическим неизменным объектом, а может деформироваться, искривляться.
Метрический тензор — решение уравнений Эйнштейна — в общем случае разный в разных точках пространства, то есть является функцией координат. По-сути само пространство-время становится динамическим объектом (полем), аналогично другим физическим величинам типа электромагнитного поля.
Внешне уравнения Эйнштейна совсем не похожи на закон всемирного тяготения Ньютона:
\(\displaystyle F=G\frac{mM}{r^2}\)
Но в приближении малых масс и скоростей они повторяют результаты Ньютоновской теории. Из-за множества тензорных компонент аналитические вычисления крайне запутаны, благо сейчас все моделирование можно производить на компьютере.
В рамках ОТО существуют эффекты отсутствующие в Ньютоновской гравитации, например, увлечение систем отсчета вблизи вращающихся массивных тел или недавно экспериментально обнаруженные гравитационные волны.
Гравитация остается единственным полем для которого так и не построена соответствующая квантовая теория. Даже для кварков (составляющих нейтронов и протонов), теоретически предсказанных только в 1960-х, уже давно построена квантовая теория поля.
Это объясняется тем, что все физические величины обычно выражаются в виде функций от пространственных координат и времени \(\displaystyle x=f(t)\). Что делать когда само пространство \(\displaystyle x\) и время \(\displaystyle t\) теряют классический смысл? По-сути стоит задача построить квантовую теорию самого пространства-времени. Наивные подходы, вводящие минимальную длину и минимальный промежуток времени, несостоятельны вследствие
Вы видели ее везде: на одежде, сумках, автомобилях, татуированных людях, в интернете, в рекламе по телевизору. Возможно, даже в учебнике. Стивен Хокинг включил в свою книгу только ее, единственную, а одна поп-певица назвала этой формулой свой альбом. Интересно, знала она при этом, в чем смысл формулы? Хотя вообще, это дело не наше, и дальше не об этом.
Как вы поняли, речь ниже пойдет о самой эпичной и знаменитой формуле Эйнштейна:
Пожалуй, это самая популярная физическая формула. Но в чем ее смысл? Уже знаете? Отлично! Тогда предлагаем ознакомиться с другими, не такими известными, но не менее полезными формулами , которые действительно могут пригодиться при решении разных задач .
А тем, кто хочет узнать смысл формулы Эйнштейна быстро и без копания в учебниках, добро пожаловать в нашу статью!
Формула Эйнштейна - самая знаменитая формула
Интересно, что Эйнштейн не был преуспевающим учеником и даже имел проблемы с получением аттестата зрелости. Когда его спрашивали, как он смог придумать теорию относительности, физик отвечал: "Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребёнок с нормальными наклонностями".
1905 год называют годом чудес, так как именно тогда была заложена основа для научной революции.
Что есть что в формуле Эйнштейна
Вернемся к формуле. В ней всего три буквы: E , m и c . Если бы все в жизни было так просто!
Каждый школьник в шестом классе уже знает, что:
- m – это масса. В ньютоновской механике - скалярная и аддитивная физическая величина, мера инертности тела.
- с в формуле Эйнштейна – скорость света. Максимальная возможная скорость в мире, считается фундаментальной физической константой. Скорость света равна 300000 (примерно) километров в секунду.
- E – энергия. Фундаментальная мера взаимодействия и движения материи. В этой формуле фигурирует не кинетическая и не потенциальная энергия. Здесь E - энергия покоя тела.
Важно понимать, что в теории относительности механика Ньютона – частный случай. Когда тело движется со скоростью, близкой к с , масса изменяется. В формуле m обозначает массу покоя.
Так вот, формула связывает эти три величины и называется еще законом или принципом эквивалентности массы и энергии.
Масса – мера содержания энергии в теле.
Смысл формулы Эйнштейна: связь энергии и массы
Как это работает? Например: жаба греется на солнце, девушки в бикини играют в волейбол, вокруг красота. Почему все это происходит? Прежде всего, из-за термоядерного синтеза, который протекает внутри нашего Солнца.
Там атомы водорода сливаются, образуя гелий. На других звездах протекают такие же реакции или реакции с более тяжелыми элементами, но суть остается той же. В результате реакции выделяется энергия, которая летит к нам в виде света, тепла, ультрафиолетового излучения и космических лучей.
Откуда берется эта энергия? Дело в том, что масса двух вступивших в реакцию атомов водорода больше, чем масса образовавшегося в результате атома гелия. Эта разница масс и превращается в энергию!
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на
Еще один пример - механизм работы ядерного реактора .
Термоядерный синтез на Солнце неуправляемый. Люди уже освоили этот тип синтеза на Земле и построили водородную бомбу. Если бы мы могли замедлить реакцию и получить управляемый термоядерный синтез, у нас был бы практически неиссякаемый источник энергии.
О материи и энергии
Итак, мы выяснили смысл формулы и рассказали о принципе эквивалентности массы и энергии.
Массу можно превратить в энергию, а энергии соответствует некоторая масса.
При этом важно не путать понятия материи и энергии и понимать, это это разные вещи.
Фундаментальный закон природы – закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия ниоткуда не берется и никуда не девается, ее количество во Вселенной постоянно, изменяется только форма. Закон сохранения массы является частным случаем для закона сохранения энергии.
Что есть энергия, а что - материя? Посмотрим на вещи с вот такой стороны: когда частица движется со скоростью, близкой к скорости света, она рассматривается как излучение, то есть энергия. Покоящаяся или движущаяся с медленной скоростью частица определяется как материя.
В момент Большого Взрыва материи не существовало, была лишь энергия. Потом Вселенная остыла, и часть энергии перешла в материю.
Сколько энергии заключено в материи? Зная массу тела, мы можем рассчитать, чему равна энергия этого тела согласно формуле Эйнштейна. Скорость света сама по себе немаленькая величина, а ее квадрат – и подавно. Это значит, что в очень маленьком кусочке материи заключена огромная энергия. Подтверждение тому – атомная энергетика.
Таблетка ядерного топлива (на АЭС используется обогащенный уран) весит 4,5 грамма. Но дает энергию, эквивалентную энергии от сжигания 400 килограммам угля. Хороший КПД, не так ли?
Итак, самая знаменитая формула физики говорит о том, что материю можно преобразовать в энергию и наоборот. Энергия никуда не исчезает, а лишь изменяет свою форму.
Не будем приводить вывод формулы Эйнштейна - там нас ждут гораздо более сложные формулы, а они могут отбить у начинающих ученых весь интерес к науке. Наш студенческий сервис готов оказать помощь в решении вопросов по учебе. Сохраните энергию и силы с помощью наших экспертов!
Трудности классического объяснения фотоэффекта
Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?
Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется сообщить ему некоторую энергию A , называемую работой выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это работа по преодолению поля положительных ионов кристаллической решетки, удерживающего электрон на границе металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром.
В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.
А если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.
Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта. Почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряженность электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Но эксперимент показывает иное.
Откуда берется красная граница фотоэффекта? чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растет и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жесткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.
Кроме того, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно в момент включения освещения. Между тем, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придется их раскачивать до заданной амплитуды. Выглядит опять-таки логично, но опыт единственный критерий истины в физике! этим доводам противоречит.
Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.
Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашел простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна.
Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлек к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.
Эйнштейн пошел еще дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями квантами, обладающими энергией E = h ν .
Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну.
Кванты электромагнитного излучения (в частности, кванты света) стали впоследствии называться фотонами. Таким образом, свет состоит из особых частиц фотонов, движущихся в вакууме со скоростью c . Каждый фотон монохроматического света, имеющего частоту, несет энергию h ν .
Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества; в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.
Поглощение света это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передает ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идет энергия фотона h ν при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода A по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии mv 2 /2: h ν = A + mv 2 /2 (4)
Слагаемое mv 2 /2 оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения.
Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине.
Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадет на свободный электрон в поверхностном слое металла тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода.
Во всех других случаях придется затрачивать дополнительную энергию на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности. Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.
Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта:
1. число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощенных фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает. Стало быть, пропорционально возрастает число поглощенных фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.
2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию: mv 2 /2 = h ν - A
Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растет с частотой и не зависит от интенсивности света.
Зависимость кинетической энергии от частоты имеет вид уравнения прямой, проходящей через точку (A / h ; 0). Этим полностью объясняется ход графика на рис. 3.
3. Для того, чтобы начался фотоэффект, энергии фотона должно хватить как минимум на совершение работы выхода: h ν > A . Наименьшая частота ν 0 , определяемая равенством
h ν о = A ;
Как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта ν 0 = A / h определяется только работой выхода, т. е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода.
Если ν < ν 0 , то фотоэффекта не будет сколько бы фотонов за секунду не падало на катод. Следовательно, интенсивность света роли не играет; главное хватает ли отдельному фотону энергии, чтобы выбить электрон.
Уравнение Эйнштейна (4) дает возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.
В ходе таких опытов было получено значение h , в точности совпадающее с (2). Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.
