O sută au fost puse ca bază. Teoria relativității - ce este? Postulate ale teoriei relativității
SRT, cunoscută și sub numele de teoria specială a relativității, este un model descriptiv sofisticat pentru relațiile spațiu-timp, mișcare și legile mecanicii, creat în 1905 de laureatul premiului Nobel Albert Einstein.
Intrat la departamentul de fizică teoretică de la Universitatea din München, Max Planck a apelat pentru sfaturi profesorului Philipp von Jolly, care la vremea aceea conducea departamentul de matematică din această universitate. La care a primit un sfat: „în acest domeniu aproape totul este deja deschis și tot ce rămâne este să rezolvăm niște probleme nu foarte importante”. Tânărul Planck a răspuns că nu vrea să descopere lucruri noi, ci doar să înțeleagă și să sistematizeze cunoștințele deja cunoscute. Ca urmare, dintr-o astfel de „problemă nu foarte importantă” a apărut ulterior teoria cuantică, iar din alta, teoria relativității, pentru care Max Planck și Albert Einstein au primit Premiul Nobel pentru fizică.
Spre deosebire de multe alte teorii care se bazau pe experimente fizice, teoria lui Einstein s-a bazat aproape în întregime pe experimentele sale de gândire și a fost confirmată abia mai târziu în practică. Așa că în 1895 (la vârsta de doar 16 ani) s-a gândit ce s-ar întâmpla dacă s-ar deplasa paralel cu un fascicul de lumină la viteza lui? Într-o astfel de situație, s-a dovedit că pentru un observator din exterior, particulele de lumină ar fi trebuit să oscileze în jurul unui punct, ceea ce contrazice ecuațiile lui Maxwell și principiul relativității (care afirma că legile fizice nu depind de locul în care te afli și de viteza cu care te deplasezi). Astfel, tânărul Einstein a ajuns la concluzia că viteza luminii ar trebui să fie de neatins pentru un corp material, iar prima cărămidă a fost pusă la baza teoriei viitoare.
Următorul experiment a fost realizat de el în 1905 și a constat în faptul că la capetele unui tren în mișcare se află două surse de lumină pulsată care se aprind în același timp. Pentru un observator din exterior care trece pe lângă un tren, ambele evenimente au loc simultan, dar pentru un observator situat în centrul trenului, aceste evenimente vor părea că au avut loc în același timp. timp diferit, deoarece un fulger de la începutul mașinii va veni mai devreme decât de la sfârșitul acesteia (datorită vitezei constante a luminii).
Din aceasta el a tras o concluzie foarte îndrăzneață și de anvergură că simultaneitatea evenimentelor este relativă. El a publicat calculele obținute pe baza acestor experimente în lucrarea „On the Electrodynamics of Moving Bodies”. Mai mult, pentru un observator în mișcare, unul dintre aceste impulsuri va avea o energie mai mare decât celălalt. Pentru ca legea conservării impulsului să nu fie încălcată într-o astfel de situație la trecerea de la un sistem de referință inerțial la altul, era necesar ca obiectul, simultan cu pierderea de energie, să piardă și el în masă. Astfel, Einstein a ajuns la o formulă care caracterizează relația dintre masă și energie E = mc 2 - care este poate cea mai cunoscută formulă fizică de pe acest moment. Rezultatele acestui experiment au fost publicate de el mai târziu în acel an.
Postulatele de bază
Constanța vitezei luminii– până în 1907, au fost efectuate experimente pentru a măsura cu o precizie de ±30 km/s (care era mai mare decât viteza orbitală a Pământului) și nu au detectat modificările acesteia în timpul anului. Aceasta a fost prima dovadă a invariabilității vitezei luminii, care a fost ulterior confirmată de multe alte experimente, atât de către experimentatorii de pe pământ, cât și de dispozitivele automate din spațiu.
Principiul relativității– acest principiu determină imuabilitatea legilor fizice în orice punct din spațiu și în orice cadru de referință inerțial. Adică, indiferent dacă vă deplasați cu o viteză de aproximativ 30 km/s pe orbita Soarelui împreună cu Pământul sau într-o navă spațială mult dincolo de granițele sale - atunci când efectuați un experiment fizic, veți ajunge întotdeauna la aceleași rezultate (dacă nava ta este în acest timp nu accelerează sau încetinește). Acest principiu a fost confirmat de toate experimentele de pe Pământ, iar Einstein a considerat în mod înțelept că acest principiu este adevărat pentru restul Universului.
Consecințe
Prin calcule bazate pe aceste două postulate, Einstein a ajuns la concluzia că timpul pentru un observator care se deplasează într-o navă ar trebui să încetinească odată cu creșterea vitezei, iar el, împreună cu nava, ar trebui să se micșoreze în dimensiune în direcția mișcării (pentru a compensează astfel efectele mișcării și mențin principiul relativității). Din condiția vitezei finite pentru un corp material, a mai rezultat că regula de adunare a vitezelor (care avea o formă aritmetică simplă în mecanica newtoniană) ar trebui înlocuită cu transformări Lorentz mai complexe - în acest caz, chiar dacă adăugăm două viteze. la 99% din viteza luminii, vom obține 99,995% din această viteză, dar nu o vom depăși.
Statutul teoriei
Deoarece lui Einstein i-a luat doar 11 ani pentru a forma o versiune generală dintr-o anumită teorie, nu au fost efectuate experimente pentru a confirma direct SRT. Cu toate acestea, în același an în care a fost publicată, Einstein și-a publicat și calculele care explicau schimbarea periheliului lui Mercur la o fracțiune de procent, fără a fi nevoie să introducă noi constante și alte ipoteze care au fost cerute de alte teorii care a explicat acest proces. De atunci, corectitudinea relativității generale a fost confirmată experimental cu o precizie de 10 -20, iar pe baza ei s-au făcut multe descoperiri, ceea ce demonstrează clar corectitudinea acestei teorii.
Campionat în deschidere
Când Einstein și-a publicat primele lucrări despre teoria relativității speciale și a început să scrie versiunea generală a acesteia, alți oameni de știință descoperiseră deja o parte semnificativă din formulele și ideile care stau la baza acestei teorii. Deci, să spunem transformarea Lorentz în vedere generala au fost obținute pentru prima dată de Poincaré în 1900 (cu 5 ani înainte de Einstein) și au fost numite după Hendrik Lorentz, care a obținut o versiune aproximativă a acestor transformări, deși chiar și în acest rol a fost înaintea lui Waldemar Vogt.
Teoria specială a relativității (STR) a lui Einstein extinde granițele fizicii clasice newtoniene, care operează în regiunea vitezelor non-relativiste, mici în comparație cu viteza luminii c, la oricare, inclusiv relativiste, adică. comparabil cu c, viteze. Toate rezultatele teoriei relativiste se transformă în rezultate ale fizicii clasice non-relativiste (principiul corespondenței).
Postulatele SRT. Teoria specială a relativității se bazează pe două postulate:
Primul postulat (principiul relativității lui Einstein): toate legile fizice - atât mecanice, cât și electromagnetice - au aceeași formă în toate cadrele de referință inerțiale (IRS). Cu alte cuvinte, niciun experiment nu poate identifica un singur cadru de referință și îl poate numi în repaus. Acest postulat este o extensie a principiului relativității lui Galileo (vezi Secțiunea 1.3) la procesele electromagnetice.
Al doilea postulat al lui Einstein: viteza luminii în vid este aceeași pentru toate ISO și este egală cu c. Acest postulat conține două afirmații simultan:
a) viteza luminii nu depinde de viteza sursei,
b) viteza luminii nu depinde de ISO-ul în care se află observatorul cu instrumente, adică. nu depinde de viteza receptorului.
Constanța vitezei luminii și independența acesteia față de mișcarea sursei rezultă din ecuații câmp electromagnetic Maxwell. Părea evident că o astfel de afirmație nu putea fi adevărată decât într-un singur cadru de referință. Din punctul de vedere al ideilor clasice despre spațiu-timp, orice alt observator, care se mișcă cu viteză, trebuie să obțină viteza pentru o rază care se apropie, iar pentru o rază emisă înainte - viteza. Un astfel de rezultat ar însemna că ecuațiile lui Maxwell sunt îndeplinite doar într-un ISO, umplut cu un eter staționar, în raport cu care se propagă undele luminoase. Cu toate acestea, o încercare de a detecta o schimbare a vitezei luminii asociată cu mișcarea Pământului în raport cu eterul a dat un rezultat negativ (experimentul Michelson-Morley). Einstein a sugerat că ecuațiile lui Maxwell, ca toate legile fizicii, au aceeași formă în toate ISO, adică. că viteza luminii în orice ISO este egală cu c (al doilea postulat). Această presupunere a condus la o revizuire a conceptelor de bază despre spațiu și timp.
Transformări Lorentz. Transformările Lorentz conectează coordonatele și timpul unui eveniment, măsurate în două ISO, dintre care unul se mișcă față de celălalt cu o viteză constantă V. Cu aceeași alegere a axelor de coordonate și referință de timp ca în transformările galileene (formula (7). )), transformările Lorentz au vedere:
Este adesea convenabil să folosiți transformări pentru diferența dintre coordonatele și timpii a două evenimente:
unde pentru concizie se introduce notaţia
Transformările Lorentz se transformă în transformările galileene la . Ele sunt derivate din postulatul doi al SRT și din cerința liniarității transformărilor, exprimând condiția de omogenitate a spațiului. Transformările inverse de la la K pot fi obținute din (42), (43) prin înlocuirea V cu -V:
Reducerea lungimii. Lungimea unui segment în mișcare este definită ca distanța dintre punctele în care capetele segmentului au fost amplasate simultan (adică Luați în considerare un corp rigid care se mișcă translațional cu viteza și asociați cu acesta un sistem de referință. Din ecuația (43) (în care trebuie să punem obținem că dimensiunile longitudinale ale corpurilor în mișcare se contractă:
unde este dimensiunea longitudinală proprie, adică măsurată în cadrul de referință K, în care corpul este nemișcat. Dimensiunile transversale ale unui corp în mișcare nu se modifică.
Exemplul 1. Dacă un pătrat se mișcă cu viteză de-a lungul uneia dintre laturile sale, atunci se transformă într-un dreptunghi cu un unghi între diagonale egal cu .
Relativitatea trecerii timpului. Din transformările Lorentz este clar că timpul curge diferit în diferite ISO-uri. În special, evenimentele care au loc în sistemul K simultan dar
V puncte diferite spațiile din K pot să nu fie simultane: pot fi atât pozitive, cât și negative (relativitatea simultaneității). Un ceas care se mișcă cu sistemul de referință (adică staționar față de sau care arată propriul timp acest ISO. Din punctul de vedere al unui observator din sistemul A, aceste ceasuri sunt în urmă față de ale lui (încetinire a timpului). Considerând două citiri ale unui ceas în mișcare ca două evenimente, din (45) obținem:
unde este timpul propriu-zis al ceasului în mișcare (mai precis, egalitatea asociată tuturor ISO-urilor se manifestă prin faptul că din punctul de vedere al observatorului K, ceasurile staționare față de , va rămâne în urmă față de ale lui. (Rețineți că, pentru pentru a controla un ceas în mișcare, un observator staționar în diferite momente folosește timpul ceasuri diferite.) Paradoxul gemenilor este că SRT prezice o diferență de vârstă între doi gemeni, dintre care unul a rămas pe Pământ, iar celălalt a călătorit în spațiul profund (astronautul va fi mai tânăr); s-ar părea că acest lucru încalcă egalitatea sistemelor lor de referință. De fapt, doar geamănul pământesc a fost tot timpul în același ISO, în timp ce astronautul a schimbat ISO pentru a se întoarce pe Pământ (propriul său cadru de referință este non-inerțial).
Exemplul 2. Durata medie de viață adecvată a unui muon instabil, de ex. Datorită efectului dilatației timpului, din punctul de vedere al observatorului pământesc, un muon cosmic care zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii (7 1) trăiește în medie și zboară de la locul său de naștere în atmosfera superioară la o distanță de ordinul de mărime, care îi permite să fie înregistrat pe suprafața Pământului.
Adăugarea vitezei în benzinărie. Dacă o particulă se mișcă cu o viteză relativă la, atunci viteza ei relativă la K poate fi găsită exprimând din (45) și substituind în
La c are loc o trecere la legea non-relatistă a adunării vitezelor (formula).O proprietate importantă a formulei (48) este că dacă V și este mai mic decât c, atunci va fi mai mic decât c. De exemplu, dacă accelerăm o particulă la și apoi, trecând la cadrul ei de referință, Să o accelerăm din nou până când viteza rezultată se dovedește a fi nu. Se poate observa că nu este posibil să depășim viteza luminii. Viteza luminii este viteza maximă posibilă de transmitere a interacţiunilor în natură.
Interval. Cauzalitate. Transformările Lorentz nu păstrează nici valoarea intervalului de timp, nici lungimea segmentului spațial. Cu toate acestea, se poate demonstra că în cadrul transformărilor Lorentz cantitatea
unde se numește intervalul dintre evenimentele 1 și 2. Dacă atunci intervalul dintre evenimente se numește timelike, deoarece în acest caz există un ISO în care i.e. evenimentele au loc într-un loc, dar în momente diferite. Astfel de evenimente pot fi legate de cauzalitate. Dacă, dimpotrivă, atunci intervalul dintre evenimente se numește asemănător spațiului, deoarece în acest caz există un ISO în care, i.e. evenimentele au loc simultan în diferite puncte ale spațiului. Nu poate exista o relație cauzală între astfel de evenimente. Condiția înseamnă că o rază de lumină emisă în momentul unui eveniment anterior (de exemplu, dintr-un punct nu are timp să ajungă la punctul în momentul de timp. Evenimentele separate de evenimentul 1 printr-un interval asemănător timpului reprezintă în în raport cu acesta fie trecutul absolut, fie viitorul absolut, succesiunea acestor evenimente este aceeași în toate ISO-urile. Secvența evenimentelor separate printr-un interval asemănător spațiului poate fi diferită în diferite ISO-uri.
Lorentz 4-vectori. Patru mărimi care, la trecerea de la sistemul K la sistemul K, sunt transformate în același mod ca i.e. (vezi (42)):
se numește un vector Lorentz cu patru dimensiuni (sau, pe scurt, un Lorentz -vector). Mărimile sunt numite componente spațiale ale vectorului și componenta sa de timp. Suma a doi -vectori și produsul unui -vector și un număr sunt, de asemenea, -vectori. La modificarea ISO, se menține o valoare similară cu intervalul: și, de asemenea produs scalar Egalitatea fizică, scrisă sub forma egalității a doi -vectori, rămâne adevărată în toate ISO.
Elan și energie în stațiile de benzină. Componentele vitezei se transformă diferit de componentele cu 4 vectori (comparați ecuațiile (48) și (50)) deoarece atât numărătorul, cât și numitorul sunt transformați în expresie. Prin urmare, valoarea corespunzătoare definiției clasice a impulsului nu poate fi conservată în
toate ISO-urile. Vectorul moment relativist este definit ca
unde este modificarea infinitezimală a timpului propriu al particulei (vezi (47)), adică măsurată într-un ISO a cărui viteză este egală cu viteza particulei la un moment dat nu depinde de ce ISO observăm particula.) Componentele spațiale ale -vectorului formează impulsul relativist
iar componenta timpului se dovedește a fi egală cu unde E este energia relativistă a particulei:
Energia relativistă include toate tipurile de energie internă.
Exemplul 3. Fie ca energia unui corp în repaus să crească cu Găsiți impulsul acestui corp într-un cadru de referință care se mișcă cu viteza .
Soluţie. În conformitate cu formulele de transformare relativiste (54), impulsul este egal cu Se poate observa că creșterea în masă corespunde formulei (58).
Legea fundamentală a dinamicii relativiste. Forța aplicată particulei este egală, ca în mecanica clasică, cu derivata impulsului:
dar impulsul relativist (51) diferă de cel clasic. Sub acțiunea unei forțe aplicate, impulsul poate crește fără limită, dar din definiția (51) este clar că viteza va fi mai mică de c. Munca de forta (59)
egal cu schimbarea energiei relativiste. Aici s-au folosit formulele (vezi (56)) și .
O Noțiuni de bază
Principiul relativității lui Galileo
Principiul relativității (primul postulat al lui Einstein): legile naturii sunt invariante în raport cu modificările cadrului de referință
Invarianța vitezei luminii (al doilea postulat al lui Einstein)
Postulatele lui Einstein ca o manifestare a simetriilor spațiului și timpului
Efecte relativiste de bază (consecințe din postulatele lui Einstein).
Corespondența dintre SRT și mecanica clasică: predicțiile lor coincid la viteze mici de mișcare (mult mai puțin decât viteza luminii)
& rezumat
Principiul relativității- un principiu fizic fundamental. Sunt:
Principiul relativității mecanicii clasice-postulatul lui G. Galileo, conform căreia în orice cadru de referință inerțial toate fenomenele mecanice se desfășoară în același mod în aceleași condiții. Legile mecanicii sunt aceleași în toate cadrele de referință inerțiale.
Principiul relativității mecanicii relativiste - A. postulatul lui Einstein, conform căreia în orice cadre de referință inerțiale totul fenomene fizice procedați în același mod. Acestea. toate legile naturii sunt aceleași în toate cadrele de referință inerțiale.
Cadrul de referință inerțial(ISO) - un sistem de referință în care legea inerției este valabilă: un corp asupra căruia nu este acționat de forțe externe se află în stare de repaus sau mișcare liniară uniformă.
Orice sistem de referință care se mișcă în raport cu ISO uniform și rectiliniu este, de asemenea, un ISO. Conform principiului relativității, toate ISO-urile sunt egale și toate legile fizicii se aplică în mod egal în ele.
Presupunerea existenței a cel puțin două ISO-uri în spațiul izotrop duce la concluzia că există un număr infinit de astfel de sisteme care se deplasează unul față de celălalt la viteze constante.
Dacă vitezele mișcării relative ale ISO pot lua orice valoare, legătura dintre coordonatele și momentele de timp ale oricărui „eveniment” în diferite ISO-uri se realizează prin transformări galileene.
Dacă vitezele de mișcare relativă ale ISO nu pot depăși o anumită viteză finală „c”, legătura dintre coordonatele și momentele de timp ale oricărui „eveniment” în diferite ISO-uri se realizează prin transformări Lorentz. Postulând liniaritatea acestor transformări, obținem constanța vitezei „c” în toate cadrele de referință inerțiale.
Este considerat părintele principiului relativității Galileo Galilei, care a atras atenția asupra faptului că fiind într-un sistem fizic închis, este imposibil să se determine dacă acest sistem este în repaus sau se mișcă uniform. Pe vremea lui Galileo, oamenii se ocupau în principal de fenomene pur mecanice. Ideile lui Galileo au fost dezvoltate în mecanica newtoniană. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea electrodinamicii, s-a dovedit că legile electromagnetismului și legile mecanicii (în special, formularea mecanică a principiului relativității) nu sunt de acord între ele. Aceste contradicții au condus la crearea de către Einstein a teoriei speciale a relativității. După aceasta, principiul generalizat al relativității a început să fie numit „principiul relativității lui Einstein”, iar formularea sa mecanică - „principiul relativității lui Galileo”.
A. Einstein a arătat că principiul relativității poate fi păstrat dacă conceptele fundamentale ale spațiului și timpului, incontestabile de secole, sunt revizuite radical. Lucrarea lui Einstein a devenit parte a educației geniale noi generații de fizicieni care a crescut în anii 1920. Anii următori nu au dezvăluit niciun punct slab în teoria relativității parțiale.
Cu toate acestea, Einstein a fost bântuit de faptul, remarcat anterior de Newton, că întreaga idee a relativității mișcării se prăbușește dacă se introduce accelerația; în acest caz intră în joc forţe inerţiale care lipsesc în cazul uniformelor şi mișcare dreaptă. La zece ani de la crearea teoriei speciale a relativității, Einstein a propus una nouă, în cel mai înalt grad o teorie originală în care ipoteza spațiului curbat joacă un rol major și care oferă o imagine unitară a fenomenelor de inerție și gravitație. În această teorie principiul relativității a fost reținut, dar prezentat într-o formă mult mai generală, iar Einstein a reușit să arate că teoria sa generală a relativității a încorporat, cu modificări minore, cea mai mare parte a teoriei gravitației a lui Newton, una dintre aceste modificări explicând un faimos. anomalie în mișcarea lui Mercur.
Timp de peste 50 de ani de la introducerea sa teorie generală relativității în fizică nu i s-a acordat prea multă importanță. Cert este că calculele făcute pe baza teoriei generale a relativității dau aproape aceleași răspunsuri ca și calculele din cadrul teoriei lui Newton, iar aparatul matematic al teoriei generale a relativității este mult mai complex. A meritat să efectuați calcule lungi și laborioase doar pentru a înțelege fenomenele posibile în câmpuri gravitaționale de o intensitate mare nemaiauzită. Dar în anii 1960, odată cu apariția erei zborului spațial, astronomii au început să realizeze că Universul era mult mai divers decât se credea la început și că astfel de obiecte compacte ar putea exista cu densitate mare, precum stelele neutronice și găurile negre, în care câmpul gravitațional atinge de fapt o intensitate neobișnuit de mare. În același timp, dezvoltarea tehnologiei informatice a îndepărtat parțial povara calculelor obositoare de pe umerii omului de știință. Ca urmare, relativitatea generală a început să atragă atenția a numeroși cercetători și au început progrese rapide în acest domeniu. S-au obținut noi soluții exacte ale ecuațiilor lui Einstein și au fost găsite noi modalități de interpretare a proprietăților lor neobișnuite. Teoria găurilor negre a fost dezvoltată mai detaliat. La marginea fantasticului, aplicațiile acestei teorii indică faptul că topologia Universului nostru este mult mai complexă decât s-ar putea crede și că ar putea exista și alte universuri situate la distanțe enorme de a noastră și conectate la acesta prin punți înguste de spațiu curbat. Este posibil, desigur, ca această presupunere să se dovedească a fi incorectă, dar un lucru este clar: teoria și fenomenologia gravitației este un tărâm al minunilor matematice și fizice pe care abia am început să-l explorăm.
Două principii fundamentale ale SRT:
Primul postulat al lui Einstein(principiul relativității): legile naturii sunt invariante în raport cu o schimbare a sistemului de referință (toate legile naturii sunt aceleași în toate sistemele de coordonate care se mișcă rectiliniu și uniform unul față de celălalt. Cu alte cuvinte, niciun experiment nu poate distinge un sistem de referință în mișcare de la unul staționar. De exemplu, senzațiile trăite de o persoană într-o mașină staționară la o intersecție, când mașina cea mai apropiată de el începe să se îndepărteze încet, o persoană are iluzia că mașina lui se întoarce înapoi.)
Al doilea postulat al lui Einstein:invarianta vitezei luminii(principiul vitezei constante a luminii: viteza luminii în vid este aceeași în toate sistemele de referință care se deplasează rectiliniu și uniform unul față de celălalt (c=const=3 10 8 m/s). Viteza luminii în vid nu depinde de mișcarea sau de restul sursei de lumină. Viteza luminii este viteza maximă posibilă de propagare a obiectelor materiale).
Corespondența dintre SRT și mecanica clasică: predicțiile lor coincid la viteze mici (mult mai mici decât viteza luminii).
Einstein a abandonat conceptele lui Newton despre spațiu și timp.
Nu există spațiu fără materie, ca un container pur, iar geometria (curbura) lumii și încetinirea curgerii timpului sunt determinate de distribuția și mișcarea materiei.
Efecte relativiste de bază(consecinţele postulatelor lui Einstein):
timprelativ, adică viteza ceasului este determinată de viteza ceasului în sine în raport cu observatorul.
spatiul este relativ, adică distanța dintre punctele din spațiu depinde de viteza observatorului.
relativitatea simultaneității (dacă pentru un observator staționar două evenimente sunt simultane, atunci pentru un observator care se mișcă acesta nu este cazul)
relativitatea distanțelor ( contracție relativistă a lungimii: într-un cadru de referință în mișcare, scalele spațiale sunt scurtate de-a lungul direcției de mișcare)
relativitatea intervalelor de timp ( dilatare relativistă a timpului: într-un cadru de referință în mișcare, timpul se mișcă mai lent). Acest efect se manifestă, de exemplu, prin necesitatea de a regla ceasurile de pe sateliții Pământului.
invarianța intervalului spațiu-timp dintre evenimente (intervalul dintre două evenimente are aceeași valoare într-un cadru de referință ca și în altul)
invarianța relațiilor cauză-efect
unitatea spațiu-timp (spațiul și timpul reprezintă o singură realitate cu patru dimensiuni - vedem întotdeauna lumea ca fiind spațio-temporală.)
echivalența masei și energiei
Prin urmare ,în teoria lui Einstein, spațiul și timpul sunt relative- rezultatele măsurării lungimii și timpului depind de dacă observatorul se mișcă sau nu.
O întrebare sceptică naturală: „Care sunt limitele de aplicabilitate ale transformărilor lui Galileo?” a apărut înaintea omenirii spre sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. A apărut în legătură cu studiul proprietăților paradoxale ale eterului - un mediu ipotetic absolut elastic în care lumina se propagă fără atenuare, ca într-un mediu absolut solid.
Îndoielile cu privire la aplicabilitatea infinită a transformărilor lui Galileo, cel puțin în parte din legea adunării vitezelor, au apărut atunci când s-au analizat rezultatele experimentelor Michelson-Morley pentru a determina viteza „vântului eteric” dintr-o comparație a vitezei luminii. emisă de o sursă care se deplasează de-a lungul direcției de mișcare a Pământului pe orbită și de viteza luminii de-a lungul unei direcții perpendiculare pe tangenta pe orbită. Măsurătorile au fost făcute folosind un instrument extrem de precis - interferometrul Michelson. Pământul a fost ales ingenios ca obiect care se mișcă cu o viteză liniară de 30 km/sec, practic de neatins până acum tehnologie moderna pentru obiecte masive.
Experimentul lui Michelson, efectuat pentru prima dată în 1881 și dând un răspuns negativ, a fost pus la punct: o placă de până la 0,5 m grosime pe care erau montate oglinzile era din granit, care se dilată ușor cu încălzirea și plutea în mercur pentru a nu se deforma. rotație. Precizia primară a experimentului a făcut posibilă detectarea „vântului eteric” la o viteză de 10 km/s. Mai târziu s-a repetat de multe ori, precizia a fost mărită până la capacitatea de a detecta viteze ale vântului de 30 m/s. Dar răspunsul a fost constant zero.
Transformările lui Galileo nu au fost confirmate la observarea mișcărilor la viteze mari. De exemplu, nu au existat perturbări în ritmul mișcării periodice a stelelor duble, în timp ce direcția vitezei de mișcare a acestora se schimbă pe căile de revoluție înainte și înapoi. Viteza luminii s-a dovedit astfel a fi independentă de mișcarea sursei.
Din timpul experimentelor lui Michelson și Morley din 1881 și până în 1905 - înainte de dezvoltarea fundamentelor SRT - au fost făcute numeroase încercări de a dezvolta ipoteze care să explice rezultatele experimentului cheie. Și, în același timp, toată lumea a încercat să păstreze eterul, modificându-i doar proprietățile.
Cele mai cunoscute sunt încercările curioase ale fizicianului irlandez George Fitzgerald și ale fizicianului olandez Hendrik Lorentz. Primul a propus ideea de a reduce lungimea corpului în direcția mișcării, cu atât mai mult, cu atât viteza de mișcare este mai mare. Lorenz a sugerat posibilitatea unui flux local de timp („ora local”) într-un sistem în mișcare, conform unor legi care diferă de legile unui sistem staționar. Lorentz a propus modificarea transformărilor de coordonate ale lui Galileo.
Postulatele lui Einstein în teoria relativității speciale
O contribuție decisivă la crearea teoriei speciale și apoi generală a relativității a fost făcută de Albert Einstein. În 1905, în revista Annalen für Physik, un tânăr de 26 de ani, angajat necunoscut al biroului de brevete elvețian, Albert Einstein, a publicat un mic articol de 3 pagini „Despre electrodinamica mediilor în mișcare”. Potrivit istoricilor fizicii, el nu auzise despre rezultatele experimentelor Michelson-Morley.
Conceptul lui Einstein ne permite să renunțăm la existența eterului și să construim o teorie, numită acum teoria specială a relativității (SRT) și confirmată de toate experimentele cunoscute astăzi.
SRT se bazează pe două postulate.
„Principiul constanței vitezei luminii”.
Viteza luminii nu depinde de viteza de mișcare a sursei de lumină, este aceeași în toate sistemele de coordonate inerțiale și este egală cu c = 3 în vid 10 8 Domnișoară.
Mai târziu, teoria generală a relativității (GTR), publicată în 1916, a afirmat că viteza luminii rămâne constantă în sistemele de coordonate non-inerțiale.
Principiul special al relativității.
Legile naturii sunt aceleași (invariant, covariant) în toate sistemele de coordonate inerțiale.
Einstein a scris mai târziu:
„În toate sistemele de coordonate inerțiale, legile naturii sunt în acord. Realitatea fizică nu este stăpânită de un punct în spațiu sau de un moment în timp în care s-a întâmplat ceva, ci doar de evenimentul însuși. Nu există o relație absolută (independentă de spațiul de referință) în spațiu și nu există nicio relație absolută în timp, dar există o relație absolută (independentă de spațiul de referință). relație în spațiu și timp” ( subliniat de Einstein).
Mai târziu, Einstein a afirmat validitatea acestui postulat pentru toate, inclusiv pentru sistemele de referință non-inerțiale.
Aparatul matematic al STR folosește continuumul spațiu-timp xyzt cu patru dimensiuni (spațiul Minkowski) și transformările de coordonate Lorentz ca o reflectare matematică a faptelor existente în mod obiectiv în lumea materială.
Presupunerea că viteza luminii este absolută duce la o serie de consecințe neobișnuite și neobservate în condițiile mecanicii newtoniene. Una dintre consecințele constantei vitezei luminii este respingerea naturii absolute a timpului, care a fost insuflată în mecanica newtoniană. Trebuie să recunoaștem acum că timpul curge diferit sisteme diferite referință - evenimentele care sunt simultane într-un sistem vor fi non-simultane în altul.
Să luăm în considerare două cadre de referință inerțiale KȘi K", mișcându-se unul față de celălalt. Lăsați într-o cameră întunecată mișcându-se cu sistemul K", becul clipește. Din moment ce viteza luminii în sistem K" este egal (ca în orice cadru de referință) c, apoi lumina ajunge la ambii pereți opuși ai camerei în același timp. Nu asta se va întâmpla din punctul de vedere al unui observator în sistem K. Viteza luminii în sistem K de asemenea egale c, dar din moment ce pereții camerei se mișcă în raport cu sistemul K, apoi observatorul din sistem K va detecta că lumina va atinge unul dintre pereți înaintea celuilalt, adică. în sistem K aceste evenimente nu sunt simultane.
Astfel, în mecanica lui Einstein relativ Nu numai proprietățile spațiului, dar de asemenea proprietățile timpului.
În septembrie 1905 A apărut lucrarea lui A. Einstein „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”, în care au fost conturate principalele prevederi ale Teoriei Speciale a Relativității (STR). Această teorie a însemnat o revizuire a conceptelor clasice ale fizicii despre proprietățile spațiului și timpului. Prin urmare, această teorie în conținutul ei poate fi numită o doctrină fizică a spațiului și timpului . Fizic deoarece proprietăţile spaţiului şi timpului din această teorie sunt considerate în legătură strânsă cu legile fenomenelor fizice care au loc în ele. Termenul " special„subliniază faptul că această teorie consideră fenomenele doar în cadre de referință inerțiale.
La fel de pozitii de start Einstein a adoptat două postulate sau principii ale relativității speciale:
1) principiul relativității;
2) principiul independenței vitezei luminii față de viteza sursei de lumină.
Primul postulat este o generalizare a principiului relativității lui Galileo la orice proces fizic: toate fenomenele fizice se desfășoară în același mod în toate cadrele de referință inerțiale. Toate legile naturii și ecuațiile care le descriu sunt invariante, adică. nu se modifica la trecerea de la un sistem de referință inerțial la altul.
Cu alte cuvinte, toate cadrele de referință inerțiale sunt echivalente (nu se pot distinge) în proprietățile lor fizice. Nicio experiență nu poate identifica niciunul dintre ei ca fiind preferabil.
Al doilea postulat afirmă că viteza luminii în vid nu depinde de mișcarea sursei de lumină și este aceeași în toate direcțiile.
Înseamnă că viteza luminii în vid este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale. Astfel, viteza luminii ocupă o poziție specială în natură.
Din postulatele lui Einstein rezultă că viteza luminii în vid este limitativă: niciun semnal, nicio influență a unui corp asupra altuia nu se poate propaga cu o viteză care depășește viteza luminii în vid. Este natura limitativă a acestei viteze care explică aceeași viteză a luminii în toate sistemele de referință. Prezența unei viteze de limitare implică automat o limitare a vitezei particulelor cu o valoare de „c”. În caz contrar, aceste particule ar putea transmite semnale (sau interacțiuni între corpuri) cu o viteză care depășește limita. Astfel, conform postulatelor lui Einstein, valoarea tuturor vitezelor posibile de mișcare a corpurilor și de propagare a interacțiunilor este limitată de valoarea „c”. Acest lucru respinge principiul acțiunii pe distanță lungă al mecanicii newtoniene.
De la SRT rezultă concluzii interesante:
1) REDUCEREA LUNGIMII: Mișcarea oricărui obiect afectează valoarea măsurată a lungimii acestuia.
2) TIMPUL ÎNCETERE: odată cu apariția SRT, a apărut afirmația că timpul absolut nu are sens absolut, este doar o reprezentare matematică ideală, deoarece în natură nu există un proces fizic real adecvat pentru măsurarea timpului absolut.
Trecerea timpului depinde de viteza de mișcare a cadrului de referință. La o viteză suficient de mare, apropiată de viteza luminii, timpul încetinește, adică. apare o dilatare relativistă a timpului.
Astfel, într-un sistem care se mișcă rapid, timpul curge mai lent decât în laboratorul unui observator staționar: dacă un observator de pe Pământ ar fi capabil să urmărească un ceas dintr-o rachetă care zboară cu viteză mare, ar ajunge la concluzia că aceasta merge. mai încet decât al lui. Efectul de dilatare a timpului înseamnă că locuitorii nava spatialaîmbătrânesc mai încet. Dacă unul dintre cei doi gemeni a comis un lung călătorie în spațiu, apoi la întoarcerea pe Pământ avea să constate că fratele său geamăn, care a rămas acasă, era mult mai mare decât el.
În unele sisteme putem vorbi doar despre ora locală. În acest sens, timpul nu este o entitate independentă de materie; el curge cu viteze diferite în diferite condiţiile fizice. Timpul este întotdeauna relativ.
3) CREȘTERE ÎN GREUTATE: Masa unui corp este, de asemenea, o mărime relativă, în funcție de viteza de mișcare a acestuia. Cu cât viteza unui corp este mai mare, cu atât masa acestuia devine mai mare.
Einstein a descoperit și legătura dintre masă și energie. El formulează următoarea lege: „masa unui corp este o măsură a energiei conținute în el: E=mс 2 ". Dacă înlocuim m=1 kg și c=300.000 km/s în această formulă, atunci obținem o energie uriașă de 9·10 16 J, care ar fi suficientă pentru a arde un bec electric timp de 30 de milioane de ani. Dar cantitatea de energie din masa unei substanțe este limitată de viteza luminii și de cantitatea de masă a substanței.
Lumea din jurul nostru are trei dimensiuni. SRT susține că timpul nu poate fi considerat ceva separat și neschimbător. În 1907, matematicianul german Minkowski a dezvoltat aparatul matematic al SRT. El a sugerat că trei dimensiuni spațiale și una temporală sunt strâns legate. Toate evenimentele din Univers au loc în spațiu-timp cu patru dimensiuni. Din punct de vedere matematic, SRT este geometria spațiu-timpului Minkowski cu patru dimensiuni.
STR a fost confirmat pe material extins, prin multe fapte și experimente (de exemplu, dilatarea timpului este observată în timpul dezintegrarilor particule elementareîn raze cosmice sau în acceleratoare de înaltă energie) și stă la baza descrierilor teoretice ale tuturor proceselor care au loc la viteze relativiste.
Deci, descrierea proceselor fizice în SRT este în esență legată de sistemul de coordonate. Teoria fizică nu descrie procesul fizic în sine, ci rezultatul interacțiunii procesului fizic cu mijloacele de cercetare. Prin urmare, pentru prima dată în istoria fizicii, s-a manifestat direct activitatea subiectului cunoașterii, interacțiunea inseparabilă a subiectului și obiectului cunoașterii.