Teori relativitas khusus. Teori relativitas khusus Einstein

Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan teori relativitas khusus (STR), yang menjelaskan bagaimana menafsirkan gerakan antara kerangka acuan inersia yang berbeda - sederhananya, benda-benda yang bergerak dengan kecepatan tetap dalam kaitannya satu sama lain.

Einstein menjelaskan bahwa ketika dua benda bergerak dengan kecepatan konstan, kita harus mempertimbangkan gerak mereka relatif terhadap satu sama lain, alih-alih menganggap salah satunya sebagai kerangka acuan mutlak.

Jadi, jika dua astronot, Anda dan, katakanlah, Herman, menerbangkan dua pesawat luar angkasa dan ingin membandingkan pengamatan Anda, satu-satunya hal yang perlu Anda ketahui adalah kecepatan relatif satu sama lain.

Relativitas khusus hanya mempertimbangkan satu kasus khusus (maka dari itu namanya), ketika geraknya lurus dan seragam. Jika badan material berakselerasi atau berbelok ke samping, hukum SRT tidak berlaku lagi. Kemudian teori relativitas umum (GR) mulai berlaku, yang menjelaskan gerakan benda-benda material dalam kasus umum.

Teori Einstein didasarkan pada dua prinsip utama:

1. Prinsip relativitas: hukum fisika dipertahankan bahkan untuk benda yang merupakan kerangka acuan inersia, yaitu bergerak dengan kecepatan konstan relatif satu sama lain.

2. Prinsip kecepatan cahaya: kecepatan cahaya tetap sama untuk semua pengamat, terlepas dari kecepatan mereka terhadap sumber cahaya. (Fisikawan menyebut kecepatan cahaya sebagai c.)

Salah satu alasan keberhasilan Albert Einstein adalah karena dia menempatkan data eksperimen di atas data teoretis. Ketika sejumlah eksperimen menunjukkan hasil yang bertentangan dengan teori yang diterima secara umum, banyak fisikawan memutuskan bahwa eksperimen ini keliru.

Albert Einstein adalah salah satu orang pertama yang memutuskan untuk membangun teori baru berdasarkan data percobaan baru.

Pada akhir abad ke-19, fisikawan sedang mencari eter misterius - media di mana, menurut asumsi yang diterima secara umum, gelombang cahaya seharusnya merambat, seperti gelombang akustik, untuk perambatan yang membutuhkan udara, atau media lain. - padat, cair atau gas. Keyakinan akan keberadaan aether mengarah pada keyakinan bahwa kecepatan cahaya harus berubah dengan kecepatan pengamat terhadap aether.

Albert Einstein meninggalkan konsep aether dan berasumsi bahwa semua hukum fisika, termasuk kecepatan cahaya, tetap tidak berubah terlepas dari kecepatan pengamat - seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen.

Homogenitas ruang dan waktu

Relativitas Khusus Einstein mendalilkan hubungan mendasar antara ruang dan waktu. Alam Semesta material, seperti diketahui, memiliki tiga dimensi spasial: atas-bawah, kanan-kiri, dan maju-mundur. Dimensi lain ditambahkan padanya - waktu. Bersama-sama, keempat dimensi ini membentuk kontinum ruang-waktu.

Jika Anda bergerak dengan kecepatan tinggi, pengamatan Anda terhadap ruang dan waktu akan berbeda dengan pengamatan orang lain yang bergerak dengan kecepatan lebih lambat.

Gambar di bawah ini adalah eksperimen pemikiran untuk membantu memahami ide ini. Bayangkan Anda sedang aktif pesawat ruang angkasa, di tangan Anda, Anda memiliki laser yang dengannya Anda mengirimkan berkas cahaya ke langit-langit, tempat cermin dipasang. Cahaya, yang dipantulkan, jatuh ke detektor, yang mencatatnya.

Dari atas - Anda mengirim seberkas cahaya ke langit-langit, itu dipantulkan dan jatuh secara vertikal ke detektor. Bawah - untuk Herman, berkas cahaya Anda bergerak secara diagonal ke langit-langit, lalu secara diagonal ke detektor

Katakanlah kapal Anda bergerak dengan kecepatan konstan, setengah kecepatan cahaya (0,5c). Menurut SRT Einstein, tidak masalah bagi Anda, Anda bahkan tidak memperhatikan gerakan Anda.

Namun, Herman, yang mengawasi Anda dari kapal luar angkasa yang sedang beristirahat, akan melihat gambaran yang sama sekali berbeda. Dari sudut pandangnya, seberkas cahaya akan melewati cermin di langit-langit secara diagonal, memantulkannya, dan jatuh secara diagonal pada detektor.

Dengan kata lain, lintasan berkas cahaya untuk Anda dan Herman akan terlihat berbeda dan panjangnya akan berbeda. Dan oleh karena itu, lamanya waktu yang dibutuhkan sinar laser untuk menempuh jarak ke cermin dan ke detektor akan tampak berbeda bagi Anda.

Fenomena ini disebut pelebaran waktu: waktu di kapal luar angkasa yang bergerak dengan kecepatan tinggi, dari sudut pandang pengamat di Bumi, mengalir jauh lebih lambat.

Contoh ini, serta banyak lainnya, dengan jelas menunjukkan hubungan yang tak terpisahkan antara ruang dan waktu. Hubungan ini terlihat jelas oleh pengamat hanya jika kita sedang berbicara tentang kecepatan tinggi mendekati kecepatan cahaya.

Eksperimen sejak Einstein menerbitkan teori besarnya telah memastikan bahwa ruang dan waktu memang dipersepsikan secara berbeda bergantung pada kecepatan benda.

Penyatuan massa dan energi

Menurut teori fisikawan hebat, ketika kecepatan benda material meningkat, mendekati kecepatan cahaya, massanya juga bertambah. Itu. semakin cepat suatu benda bergerak, semakin berat jadinya. Dalam hal mencapai kecepatan cahaya, massa benda, serta energinya, menjadi tak terhingga. Semakin berat bodinya, semakin sulit untuk meningkatkan kecepatannya; jumlah energi tak terbatas diperlukan untuk mempercepat benda dengan massa tak terbatas, sehingga benda material tidak mungkin mencapai kecepatan cahaya.

Sebelum Einstein, konsep massa dan energi dalam fisika dianggap terpisah. Ilmuwan brilian membuktikan bahwa hukum kekekalan massa, serta hukum kekekalan energi, adalah bagian dari hukum massa-energi yang lebih umum.

Karena hubungan mendasar antara kedua konsep ini, materi dapat diubah menjadi energi, dan sebaliknya - energi menjadi materi.

Pada September 1905 A. Karya Einstein "On the Electrodynamics of Moving Bodies" muncul, di mana ketentuan utama Teori Relativitas Khusus (SRT) diuraikan. Teori ini berarti revisi gagasan klasik fisika tentang sifat-sifat ruang dan waktu. Oleh karena itu, teori ini dalam isinya dapat disebut doktrin fisik ruang dan waktu. . Fisik karena sifat-sifat ruang dan waktu dalam teori ini dianggap berkaitan erat dengan hukum-hukum fenomena fisika yang terjadi di dalamnya. Syarat " spesial” menekankan fakta bahwa teori ini menganggap fenomena hanya dalam kerangka acuan inersia.

Sebagai titik awal untuk teori relativitas khusus, Einstein mengadopsi dua postulat, atau prinsip:

1) prinsip relativitas;

2) prinsip independensi kecepatan cahaya dari kecepatan sumber cahaya.

Postulat pertama adalah generalisasi prinsip relativitas Galileo untuk setiap proses fisik: semua fenomena fisik berjalan dengan cara yang sama di semua kerangka acuan inersia. Semua hukum alam dan persamaan yang menjelaskannya adalah invarian, yaitu jangan berubah saat berpindah dari satu kerangka acuan inersia ke yang lain.

Dengan kata lain, Semua sistem inersia referensi setara (tidak dapat dibedakan) dalam sifat fisiknya. Tidak ada pengalaman yang dapat memilih salah satu dari mereka sebagai yang lebih disukai.

Postulat kedua menyatakan bahwa Kecepatan cahaya dalam ruang hampa tidak bergantung pada pergerakan sumber cahaya dan sama ke segala arah.

Itu artinya kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah sama di semua kerangka acuan inersia. Dengan demikian, kecepatan cahaya menempati posisi khusus di alam.

Ini mengikuti dari postulat Einstein bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah batasnya: tidak ada sinyal, tidak ada pengaruh satu benda pada benda lain yang dapat menyebar dengan kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Sifat membatasi kecepatan inilah yang menjelaskan kesamaan kecepatan cahaya di semua kerangka acuan. Adanya batasan kecepatan secara otomatis mengimplikasikan batasan kecepatan pergerakan partikel dengan nilai "c". Jika tidak, partikel-partikel ini dapat melakukan transmisi sinyal (atau interaksi antar benda) dengan kecepatan yang melebihi batas. Jadi, menurut postulat Einstein, nilai semua kemungkinan kecepatan pergerakan benda dan perambatan interaksi dibatasi oleh nilai "c". Ini menolak prinsip jangka panjang mekanika Newton.

Kesimpulan menarik mengikuti dari SRT:

1) PENGURANGAN PANJANG: pergerakan benda apa pun memengaruhi nilai terukur dari panjangnya.

2) WAKTU LAMBAT: dengan munculnya SRT, muncul pernyataan bahwa waktu absolut tidak memiliki makna absolut, itu hanya ideal representasi matematis, karena di alam tidak ada proses fisik nyata yang cocok untuk mengukur waktu mutlak.

Berlalunya waktu tergantung pada kecepatan kerangka acuan. Pada kecepatan yang cukup tinggi, mendekati kecepatan cahaya, waktu melambat, mis. dilatasi waktu relativistik terjadi.

Jadi, dalam sistem yang bergerak cepat, waktu mengalir lebih lambat daripada di laboratorium pengamat yang tidak bergerak: jika seorang pengamat di Bumi dapat mengikuti jam dalam roket yang terbang dengan kecepatan tinggi, dia akan sampai pada kesimpulan bahwa mereka berjalan lebih lambat darinya. memiliki. Efek pelebaran waktu berarti penghuni pesawat ruang angkasa menua lebih lambat. Jika salah satu dari si kembar membuat panjang perjalanan ruang angkasa, kemudian setelah kembali ke Bumi, dia akan menemukan bahwa saudara kembarnya, yang tinggal di rumah, jauh lebih tua darinya.

Dalam beberapa sistem, kami hanya dapat berbicara tentang waktu setempat. Dalam hal ini, waktu bukanlah entitas yang tidak bergantung pada materi, ia mengalir dengan kecepatan berbeda dalam kondisi fisik berbeda. Waktu selalu relatif.

3) PENINGKATAN BERAT: massa tubuh juga merupakan nilai relatif, tergantung pada kecepatan gerakannya. Semakin besar kecepatan benda, semakin besar massanya.

Einstein juga menemukan hubungan antara massa dan energi. Dia merumuskan hukum berikut: “massa benda adalah ukuran energi yang terkandung di dalamnya: E \u003d mc 2 ". Jika kita mengganti m=1 kg dan c=300.000 km/s ke dalam rumus ini, kita mendapatkan energi yang sangat besar sebesar 9·10 16 J, yang cukup untuk membakar bola lampu listrik selama 30 juta tahun. Tetapi jumlah energi dalam massa suatu zat dibatasi oleh kecepatan cahaya dan jumlah massa zat tersebut.

Dunia di sekitar kita memiliki tiga dimensi. SRT menyatakan bahwa waktu tidak dapat dianggap sebagai sesuatu yang diambil secara terpisah dan tidak berubah. Pada tahun 1907, matematikawan Jerman Minkowski mengembangkan peralatan matematika SRT. Dia menyarankan bahwa tiga dimensi spasial dan satu dimensi temporal terkait erat. Semua peristiwa di alam semesta berlangsung dalam ruang-waktu empat dimensi. Dari sudut pandang matematis, SRT adalah geometri ruang-waktu Minkowski empat dimensi.

SRT telah dikonfirmasi pada materi yang luas, oleh banyak fakta dan eksperimen (misalnya, pelebaran waktu diamati selama peluruhan partikel elementer dalam sinar kosmik atau akselerator berenergi tinggi) dan mendasari deskripsi teoretis dari semua proses yang terjadi pada kecepatan relativistik.

Jadi, gambaran proses fisik dalam SRT pada dasarnya berhubungan dengan sistem koordinat. Teori fisik tidak menggambarkan proses fisik itu sendiri, tetapi hasil dari interaksi proses fisik dengan sarana penyelidikan. Oleh karena itu, untuk pertama kalinya dalam sejarah fisika, aktivitas subjek kognisi, interaksi subjek dan objek kognisi yang tidak terpisahkan, terwujud secara langsung.

SRT, juga dikenal sebagai relativitas khusus, adalah model deskriptif yang rumit untuk hubungan ruang-waktu, gerak, dan hukum mekanika, yang dibuat pada tahun 1905 oleh peraih Nobel Albert Einstein.

Memasuki Jurusan Fisika Teoretis di Universitas Munich, Max Planck meminta nasihat dari Profesor Philipp von Jolly, yang saat itu memimpin Jurusan Matematika di universitas ini. Di mana dia menerima nasihat: "di bidang ini, hampir semuanya sudah terbuka, dan yang tersisa hanyalah menutup beberapa masalah yang tidak terlalu penting." Planck muda menjawab bahwa dia tidak ingin menemukan hal-hal baru, tetapi hanya ingin memahami dan mensistematisasikan pengetahuan yang sudah diketahui. Akibatnya, dari salah satunya “tidak terlalu masalah penting” kemudian muncul teori kuantum, dan dari yang lain - teori relativitas, di mana Max Planck dan Albert Einstein menerima Hadiah Nobel dalam bidang fisika.

Tidak seperti banyak teori lain yang mengandalkan eksperimen fisik, teori Einstein hampir seluruhnya didasarkan pada eksperimen fisiknya eksperimen pikiran dan baru kemudian dikonfirmasi dalam praktik. Jadi pada tahun 1895 (di usianya yang baru 16 tahun) dia berpikir tentang apa yang akan terjadi jika dia bergerak sejajar dengan seberkas cahaya dengan kecepatannya? Dalam situasi seperti itu, ternyata bagi pengamat luar, partikel cahaya seharusnya berosilasi di sekitar satu titik, yang bertentangan dengan persamaan Maxwell dan prinsip relativitas (yang menyatakan bahwa hukum fisika tidak bergantung pada tempat Anda berada dan kecepatan dengan mana Anda bergerak). Jadi, Einstein muda sampai pada kesimpulan bahwa kecepatan cahaya pasti tidak dapat dicapai oleh benda material, dan batu bata pertama diletakkan di dasar teori masa depan.

Eksperimen berikutnya dilakukan olehnya pada tahun 1905 dan terdiri dari fakta bahwa di ujung kereta yang bergerak terdapat dua sumber cahaya berdenyut yang dinyalakan secara bersamaan. Bagi seorang pengamat luar yang sedang melewati kereta api, kedua peristiwa ini terjadi secara bersamaan, tetapi bagi seorang pengamat yang berada di tengah-tengah kereta api, peristiwa-peristiwa tersebut akan tampak terjadi di waktu yang berbeda, karena kilatan cahaya dari awal mobil akan datang lebih awal daripada dari ujungnya (karena keteguhan kecepatan cahaya).

Dari sini dia menarik kesimpulan yang sangat berani dan luas bahwa keserempakan peristiwa itu relatif. Dia menerbitkan perhitungan yang diperoleh berdasarkan eksperimen ini dalam karya "On the Electrodynamics of Moving Bodies". Dalam hal ini, untuk pengamat yang bergerak, salah satu dari pulsa ini akan memiliki energi yang lebih besar dari yang lain. Agar hukum kekekalan momentum tidak dilanggar dalam situasi seperti itu selama transisi dari satu kerangka acuan inersia ke kerangka acuan inersia lainnya, objek tersebut, bersamaan dengan hilangnya energi, juga harus kehilangan massa. Jadi, Einstein menemukan rumus yang mencirikan hubungan antara massa dan energi E = mc 2 - yang mungkin merupakan rumus fisika paling terkenal saat ini. Hasil percobaan ini diterbitkan olehnya akhir tahun itu.

Postulat dasar

Keteguhan kecepatan cahaya- pada tahun 1907, percobaan dilakukan untuk mengukur dengan akurasi ± 30 km / s (yang lebih dari kecepatan orbit Bumi), yang tidak mengungkapkan perubahannya sepanjang tahun. Ini adalah bukti pertama dari invarian kecepatan cahaya, yang kemudian dikonfirmasi oleh banyak eksperimen lain, baik oleh para peneliti di bumi maupun oleh perangkat otomatis di luar angkasa.

Prinsip relativitas- prinsip ini mendefinisikan kekekalan hukum fisik di setiap titik dalam ruang dan dalam kerangka acuan inersia apa pun. Artinya, terlepas dari apakah Anda bergerak dengan kecepatan sekitar 30 km / s di sepanjang orbit Matahari bersama Bumi atau di pesawat luar angkasa yang jauh melampaui perbatasannya - saat Anda melakukan eksperimen fisik, Anda akan selalu sampai pada hasil yang sama (jika kapal Anda saat ini tidak mempercepat atau memperlambat). Prinsip ini dikonfirmasi oleh semua eksperimen di Bumi, dan Einstein secara wajar menganggap prinsip ini juga berlaku untuk alam semesta lainnya.

Konsekuensi

Dengan perhitungan berdasarkan dua postulat ini, Einstein sampai pada kesimpulan bahwa waktu seorang pengamat yang bergerak di dalam kapal harus diperlambat dengan bertambahnya kecepatan, dan dia sendiri, bersama dengan kapal, harus menyusut ukurannya ke arah pergerakan (agar untuk mengkompensasi efek gerakan dan mengamati prinsip relativitas). Dari kondisi keterbatasan kecepatan untuk benda material, juga diikuti bahwa aturan penambahan kecepatan (yang memiliki bentuk aritmatika sederhana dalam mekanika Newton) harus diganti dengan transformasi Lorentz yang lebih kompleks - dalam hal ini, bahkan jika kita menambahkan dua kecepatan hingga 99% dari kecepatan cahaya, kami mendapatkan 99,995% dari kecepatan ini, tetapi kami tidak akan melampauinya.

Status teori

Sejak terbentuknya teori privat versi umumnya memakan waktu Einstein hanya 11 tahun, percobaan untuk mengkonfirmasi langsung SRT tidak dilakukan. Namun, pada tahun yang sama ketika diterbitkan, Einstein juga menerbitkan perhitungannya, yang menjelaskan pergeseran perihelion Merkurius ke pecahan persen, tanpa memerlukan konstanta baru dan asumsi lain yang diperlukan teori lain untuk menjelaskan proses ini. Sejak itu, kebenaran relativitas umum telah dikonfirmasi secara eksperimental dengan akurasi 10 -20 , dan banyak penemuan telah dibuat atas dasar itu, yang secara tegas membuktikan kebenaran teori ini.

Kejuaraan Pembukaan

Ketika Einstein menerbitkan makalah pertamanya tentang relativitas khusus dan mulai menulis versi umumnya, ilmuwan lain telah menemukan bagian penting dari rumus dan gagasan yang mendasari teori ini. Jadi katakanlah transformasi Lorentz di pandangan umum pertama kali diperoleh oleh Poincare pada tahun 1900 (5 tahun sebelum Einstein) dan dinamai demikian untuk menghormati Hendrik Lorentz yang menerima versi perkiraan dari transformasi ini, meskipun dalam peran ini Voldemar Vogt berada di depannya.

3.5. Relativitas Khusus (SRT)

Pengantar SRT

Kami berkenalan dengan teori relativitas di sekolah menengah. Teori ini menjelaskan kepada kita fenomena dunia sekitar sedemikian rupa sehingga bertentangan dengan "akal sehat". Benar, A. Einstein yang sama pernah mencatat: "Akal sehat adalah prasangka yang berkembang sebelum usia delapan belas tahun."

Kembali ke abad ke-18 ilmuwan mencoba menjawab pertanyaan tentang bagaimana interaksi gravitasi ditransmisikan dan bagaimana cahaya merambat (nanti, apa saja gelombang elektromagnetik). Pencarian jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menjadi alasan berkembangnya teori relativitas.

Pada abad ke-19 fisikawan yakin bahwa ada yang disebut eter (eter dunia, eter bercahaya). Menurut gagasan abad-abad yang lalu, ini adalah semacam lingkungan yang memenuhi segalanya. Perkembangan fisika pada paruh kedua abad XIX. dituntut dari para ilmuwan untuk mengkonkretkan gagasan mereka tentang eter sebanyak mungkin. Jika kita berasumsi bahwa eter itu seperti gas, maka hanya gelombang longitudinal, dan gelombang elektromagnetik bersifat melintang. Tidak jelas bagaimana seseorang bisa bergerak dalam eter seperti itu benda angkasa. Ada keberatan serius lainnya terhadap eter. Pada saat yang sama, fisikawan Skotlandia James Maxwell (1831–1879) mengembangkan teori tersebut medan elektromagnetik, dari mana, khususnya, nilai kecepatan rambat akhir bidang ini di ruang angkasa, 300.000 km/dtk, diikuti. Fisikawan Jerman Heinrich Hertz (1857–1894) secara eksperimental membuktikan identitas cahaya, sinar panas, dan "gerakan gelombang" elektromagnetik. Dia menentukan bahwa gaya elektromagnetik bekerja pada kecepatan 300.000 km/detik. Selain itu, Hertz menetapkan bahwa "gaya listrik dapat dipisahkan dari benda berbobot dan terus ada secara mandiri sebagai keadaan atau perubahan ruang." Namun, situasi dengan eter menimbulkan banyak pertanyaan, dan eksperimen langsung diperlukan untuk menghapuskan konsep ini. Ide tersebut dirumuskan oleh Maxwell yang mengusulkan untuk menggunakan Bumi sebagai benda bergerak yang bergerak di orbit dengan kecepatan 30 km / s. Eksperimen semacam itu membutuhkan akurasi pengukuran yang sangat tinggi. Masalah tersulit ini diselesaikan pada tahun 1881 oleh fisikawan Amerika A. Michelson dan E. Morley. Menurut hipotesis "eter tetap", seseorang dapat mengamati "angin halus" ketika Bumi bergerak melalui "eter", dan kecepatan cahaya relatif terhadap Bumi harus bergantung pada arah berkas cahaya relatif terhadap arah gerakan Bumi di eter (yaitu, cahaya diarahkan sepanjang gerakan Bumi dan melawan ). Kecepatan di hadapan eter seharusnya berbeda. Tapi mereka tidak berubah. Ini menunjukkan bahwa tidak ada eter. Hasil negatif ini merupakan konfirmasi dari teori relativitas. Eksperimen Michelson dan Morley dalam menentukan kecepatan cahaya diulang berkali-kali kemudian, pada tahun 1885-1887, dengan hasil yang sama.

Pada tahun 1904, pada kongres ilmiah, ahli matematika Prancis Henri Poincaré (1854–1912) mengemukakan pendapat bahwa tidak mungkin ada kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya di alam. Pada saat yang sama, A. Poincaré merumuskan prinsip relativitas sebagai hukum alam universal. Pada tahun 1905, dia menulis: "Ketidakmungkinan untuk membuktikan dengan eksperimen bahwa gerak absolut Bumi jelas merupakan hukum alam yang umum." Di sini dia menunjuk pada transformasi Lorentz dan hubungan umum koordinat spasial dan temporal.

Albert Einstein (1879–1955), saat menciptakan teori relativitas khusus, belum mengetahui hasil Poincaré. Einstein kemudian menulis: “Saya sama sekali tidak mengerti mengapa saya dipuji sebagai pencipta teori relativitas. Jika bukan karena saya, Poincare akan melakukannya dalam setahun, Minkowski akan melakukannya dalam dua tahun, lagipula, lebih dari separuh bisnis ini milik Lorentz. Pahala saya dilebih-lebihkan. Namun, Lorentz, pada bagiannya, menulis pada tahun 1912: "Kelebihan Einstein terletak pada kenyataan bahwa dia adalah orang pertama yang mengungkapkan prinsip relativitas dalam bentuk hukum yang universal dan tegas."

Dua postulat Einstein di SRT

Untuk menggambarkan fenomena fisik, Galileo memperkenalkan konsep kerangka inersia. Dalam sistem seperti itu, benda yang tidak dipengaruhi oleh gaya apa pun, dalam keadaan diam atau dalam keadaan seragam gerak lurus. Hukum yang menggambarkan gerakan mekanis, dalam bingkai inersia yang berbeda sama-sama valid, yaitu tidak berubah saat berpindah dari satu sistem koordinat ke sistem koordinat lainnya. Misalnya, jika seorang penumpang berjalan di gerbong kereta yang bergerak ke arah pergerakannya dengan kecepatan tertentu ay 1 = 4 km/jam, dan kereta bergerak dengan kecepatan ay 2 \u003d 46 km / jam, maka kecepatan penumpang relatif terhadap rel kereta api adalah ay= ay 1 + v 2 = 50 km/jam, artinya ada penambahan kecepatan. Menurut "akal sehat" ini adalah fakta yang tak tergoyahkan:

ay= ay 1 + v 2

Namun, di dunia dengan kecepatan tinggi, sepadan dengan kecepatan cahaya, rumus yang ditunjukkan untuk menambahkan kecepatan tidaklah tepat. Di alam, cahaya bergerak dengan kecepatan Dengan= 300.000 km/s, terlepas dari arah sumber cahaya bergerak relatif terhadap pengamat.

Pada tahun 1905 dalam bahasa Jerman jurnal ilmiah"Annals of Physics" Albert Einstein yang berusia 26 tahun menerbitkan sebuah artikel "Tentang elektrodinamika benda bergerak." Dalam artikel ini, ia merumuskan dua postulat terkenal yang membentuk dasar dari teori relativitas (SRT) privat atau khusus, yang mengubah gagasan klasik tentang ruang dan waktu.

Dalam postulat pertama, Einstein mengembangkan prinsip relativitas klasik Galileo. Dia menunjukkan bahwa prinsip ini bersifat universal, termasuk untuk elektrodinamika (dan tidak hanya untuk sistem mekanis). Posisi ini tidak ambigu, karena diperlukan untuk meninggalkan aksi jarak jauh Newtonian.

Prinsip umum relativitas Einstein menyatakan bahwa tidak ada percobaan fisik (mekanik dan elektromagnetik) dalam kerangka acuan tertentu yang dapat menetapkan apakah kerangka ini bergerak secara seragam atau diam. Pada saat yang sama, ruang dan waktu terhubung satu sama lain, bergantung satu sama lain (untuk Galileo dan Newton, ruang dan waktu tidak bergantung satu sama lain).

Einstein mengusulkan postulat kedua dari teori relativitas khusus setelah menganalisis elektrodinamika Maxwell - ini adalah prinsip keteguhan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yang kira-kira sama dengan 300.000 km / s.

Kecepatan cahaya adalah kecepatan tercepat di alam semesta kita. Tidak ada kecepatan lebih dari 300.000 km/detik di dunia sekitar kita.

Dalam akselerator modern, partikel mikro dipercepat hingga kecepatan luar biasa. Misalnya, sebuah elektron berakselerasi ke kecepatan v e \u003d 0,9999999 C, di mana v e, C masing-masing adalah kecepatan elektron dan cahaya. Dalam hal ini, dari sudut pandang pengamat, massa elektron bertambah dengan faktor 2500:

Di sini m e0 adalah massa sisa elektron, M e adalah massa elektron dengan kecepatan ay e .

Sebuah elektron tidak dapat mencapai kecepatan cahaya, namun ada partikel mikro yang memiliki kecepatan cahaya, mereka disebut "luxon".

Ini termasuk foton dan neutrino. Mereka praktis tidak memiliki massa diam, mereka tidak dapat diperlambat, mereka selalu bergerak dengan kecepatan cahaya Dengan. Semua partikel mikro lainnya (tardion) bergerak dengan kecepatan kurang dari kecepatan cahaya. Mikropartikel, yang kecepatan geraknya bisa lebih besar dari kecepatan cahaya, disebut tachyon. Partikel seperti itu di kita dunia nyata TIDAK.

Hasil yang sangat penting dari teori relativitas adalah identifikasi hubungan antara energi dan massa tubuh. Pada kecepatan rendah

Di mana E=m 0 C 2 adalah energi sisa partikel dengan massa diam M 0 ,a e K adalah energi kinetik partikel yang bergerak.

Pencapaian besar dari teori relativitas adalah fakta bahwa ia menetapkan kesetaraan massa dan energi (E = m 0 C 2). Namun, kita tidak berbicara tentang transformasi massa menjadi energi dan sebaliknya, tetapi transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk lain sesuai dengan transisi massa dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Energi tidak dapat digantikan oleh massa, karena energi mencirikan kemampuan benda untuk melakukan kerja, dan massa adalah ukuran inersia.

Pada kecepatan relativistik mendekati kecepatan cahaya:

Di mana e- energi, M adalah massa partikel, M adalah massa partikel sisa, Dengan adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Dapat dilihat dari rumus di atas bahwa untuk mencapai kecepatan cahaya, sebuah partikel harus diberi energi yang sangat besar. Untuk foton dan neutrino, rumus ini tidak valid, karena sudah ada ay= C.

Efek relativistik

Dalam teori relativitas, efek relativistik dipahami sebagai perubahan karakteristik ruang-waktu benda dengan kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya.

Sebagai contoh, pesawat ruang angkasa jenis roket foton biasanya dipertimbangkan, yang terbang di angkasa dengan kecepatan yang sepadan dengan kecepatan cahaya. Dalam hal ini, pengamat yang tidak bergerak dapat melihat tiga efek relativistik:

1. Peningkatan massa dibandingkan dengan massa diam. Saat kecepatan meningkat, demikian juga massa. Jika benda dapat bergerak dengan kecepatan cahaya, maka massanya akan bertambah hingga tak terhingga, yang tidak mungkin. Einstein membuktikan bahwa massa benda adalah ukuran energi yang dikandungnya. (E=mc 2 ). Tidak mungkin memberikan energi tak terbatas ke tubuh.

2. Pengurangan dimensi linier tubuh ke arah gerakannya. Semakin besar kecepatan sebuah pesawat ruang angkasa yang terbang melewati pengamat yang diam, dan semakin dekat dengan kecepatan cahaya, semakin kecil ukuran kapal ini untuk pengamat yang tidak bergerak. Saat kapal mencapai kecepatan cahaya, panjang yang diamati akan sama dengan nol, yang tidak mungkin. Di kapal itu sendiri, para astronot tidak akan mengamati perubahan ini. 3. Perlambatan waktu. Dalam pesawat ruang angkasa yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, waktu mengalir lebih lambat daripada pengamat yang tidak bergerak.

Efek pelebaran waktu tidak hanya memengaruhi jam di dalam kapal, tetapi juga semua proses yang terjadi di dalamnya, serta ritme biologis para astronot. Namun, roket fotonik tidak dapat dianggap sebagai sistem inersia, karena selama akselerasi dan deselerasi ia bergerak dengan akselerasi (dan tidak seragam dan lurus).

Estimasi fundamental baru tentang hubungan ruang-waktu antara objek fisik telah diajukan dalam teori relativitas. Dalam fisika klasik, saat berpindah dari satu kerangka inersia (No. 1) ke yang lain (No. 2), waktunya tetap sama - t 2 = T L dan koordinat spasial berubah sesuai dengan persamaan X 2 = X 1 – v.t. Dalam teori relativitas, yang disebut transformasi Lorentz digunakan:

Terlihat dari relasinya bahwa koordinat spasial dan temporal saling bergantung satu sama lain. Adapun pemendekan panjang searah gerak, maka

dan waktu melambat:

Pada tahun 1971, sebuah percobaan dilakukan di Amerika Serikat untuk menentukan dilatasi waktu. Mereka membuat dua jam tangan akurat yang sangat identik. Beberapa arloji ditinggalkan di tanah, sementara yang lain ditempatkan di pesawat yang terbang mengelilingi Bumi. Sebuah pesawat yang terbang dalam jalur melingkar mengelilingi Bumi bergerak dengan beberapa percepatan, yang berarti bahwa jam di dalam pesawat berada dalam situasi yang berbeda dibandingkan dengan jam yang berada di darat. Sesuai dengan hukum teori relativitas, jam perjalanan seharusnya tertinggal 184 ns dari jam yang diam, tetapi ternyata jedanya adalah 203 ns. Ada eksperimen lain yang menguji efek pelebaran waktu, dan semuanya mengonfirmasi fakta perlambatan. Dengan demikian, perjalanan waktu yang berbeda dalam sistem koordinat yang bergerak secara seragam dan lurus relatif satu sama lain adalah fakta eksperimental yang tak terbantahkan.

Teori relativitas umum

Setelah publikasi teori relativitas khusus pada tahun 1905, A. Einstein beralih ke konsep gravitasi modern. Pada tahun 1916, ia menerbitkan teori relativitas umum (GR), yang menjelaskan teori gravitasi dari posisi modern. Ini didasarkan pada dua postulat teori relativitas khusus dan merumuskan postulat ketiga - prinsip kesetaraan massa inersia dan gravitasi. Kesimpulan terpenting relativitas umum adalah posisi pada perubahan karakteristik geometris (spasial) dan temporal dalam medan gravitasi (dan tidak hanya saat bergerak dengan kecepatan tinggi). Kesimpulan ini menghubungkan GR dengan geometri, yaitu gravitasi digeometrikan dalam GR. Geometri klasik Euclid tidak cocok untuk ini. Geometri baru muncul pada abad ke-19. dalam karya ahli matematika Rusia N. I. Lobachevsky, ahli matematika Jerman B. Riemann, ahli matematika Hongaria J. Bolyai.

Geometri ruang kita ternyata non-Euclidean.

Pertanyaan skeptis alami: "Apa batas penerapan transformasi Galileo?" muncul di hadapan umat manusia pada akhir abad ke-19 - awal abad ke-20. Itu muncul sehubungan dengan studi tentang sifat-sifat paradoks eter - media hipotetis yang benar-benar elastis di mana cahaya merambat tanpa atenuasi, seperti dalam media yang benar-benar padat.

Keraguan tentang penerapan transformasi Galileo yang tak terbatas, setidaknya dalam hal hukum penambahan kecepatan, muncul ketika menganalisis hasil eksperimen Michelson-Morley untuk menentukan kecepatan "angin eter" dari perbandingan kecepatan cahaya dipancarkan oleh sumber yang bergerak sepanjang arah gerak bumi dalam orbit dan kecepatan cahaya sepanjang arah tegak lurus terhadap garis singgung orbit. Pengukuran dilakukan pada instrumen yang sangat presisi, interferometer Michelson. Bumi dipilih dengan cerdik sebagai objek yang bergerak dengan kecepatan linier 30 km/detik, praktis tidak dapat dicapai oleh teknologi modern untuk objek masif.

Eksperimen Michelson, pertama kali dipentaskan pada tahun 1881, dan memberikan jawaban negatif, ditetapkan secara fundamental: pelat setebal 0,5 m, tempat cermin dipasang, terbuat dari granit, yang sedikit mengembang dengan pemanasan, dan mengapung dalam merkuri untuk deformasi- rotasi bebas. Keakuratan utama percobaan memungkinkan untuk mendeteksi "angin halus" dengan kecepatan 10 km/dtk. Kemudian, diulang berkali-kali, akurasinya ditingkatkan menjadi kemungkinan mendeteksi angin dengan kecepatan 30 m/s. Tapi jawabannya selalu nol.

Transformasi Galileo tidak dikonfirmasi saat mengamati gerakan dengan kecepatan tinggi. Misalnya, tidak ada gangguan ritme gerak periodik bintang biner, sedangkan arah kecepatan geraknya berubah pada jalur sirkulasi maju dan mundur. Oleh karena itu, kecepatan cahaya ternyata tidak bergantung pada gerak sumber.

Sejak percobaan oleh Michelson dan Morley pada tahun 1881 hingga 1905 - sebelum pengembangan fondasi SRT - banyak upaya dilakukan untuk mengembangkan hipotesis di mana hasil percobaan utama akan menemukan penjelasan. Dan pada saat yang sama, setiap orang mencoba melestarikan eter, hanya memodifikasi propertinya.

Yang paling terkenal adalah upaya aneh dari fisikawan Irlandia George Fitzgerald dan fisikawan Belanda Hendrik Lorentz. Yang pertama mengusulkan gagasan untuk mengurangi panjang tubuh searah dengan gerakan, semakin besar, semakin tinggi kecepatan gerakannya. Lorentz menyarankan kemungkinan aliran waktu lokal ("waktu lokal") dalam sistem bergerak, menurut hukum yang berbeda dari sistem stasioner. Lorentz mengusulkan untuk memodifikasi transformasi koordinat Galileo.

Postulat Einstein dalam relativitas khusus

Kontribusi yang menentukan untuk penciptaan khusus, dan kemudian teori umum relativitas diperkenalkan oleh Albert Einstein. Pada tahun 1905, dalam jurnal "Fisikawan bulu Annalen" berusia 26 tahun, karyawan tak dikenal dari kantor paten Swiss Albert Einstein menerbitkan artikel kecil 3 halaman "Tentang elektrodinamika media bergerak." Menurut sejarawan fisika, dia tidak mendengar tentang hasil eksperimen Michelson-Morley.

Konsep Einstein memungkinkan seseorang untuk menolak keberadaan eter dan membangun teori yang sekarang disebut teori relativitas khusus (SRT) dan dikonfirmasi oleh semua eksperimen yang diketahui saat ini.

SRT didasarkan pada dua postulat.

"Prinsip keteguhan kecepatan cahaya".

Laju cahaya tidak bergantung pada laju sumber cahaya, sama di semua sistem koordinat inersia, dan sama dengan c=3 dalam ruang hampa 10 8 MS.

Belakangan, dalam teori relativitas umum (GR) yang diterbitkan pada tahun 1916, disebutkan bahwa kecepatan cahaya tetap tidak berubah dalam sistem koordinat non-inersia.

Prinsip relativitas khusus.

Hukum alam adalah sama (invarian, kovarian) di semua sistem koordinat inersia.

Einstein kemudian menulis:

“Dalam semua sistem koordinat inersia, hukum alam selaras. Realitas fisik tidak dimiliki oleh suatu titik dalam ruang dan bukan oleh suatu saat ketika sesuatu terjadi, tetapi hanya oleh peristiwa itu sendiri. Tidak ada relasi absolut (terlepas dari ruang referensi) dalam ruang, dan tidak ada relasi absolut dalam waktu, tetapi ada relasi absolut (tidak bergantung pada ruang referensi) hubungan dalam ruang dan waktu" ( ditekankan oleh Einstein).

Belakangan, Einstein menegaskan validitas postulat ini untuk semua kerangka acuan, termasuk kerangka acuan non-inersia.

Peralatan matematika SRT menggunakan kontinum ruang-waktu xyzt empat dimensi (ruang Minkowski) dan transformasi koordinat Lorentz sebagai refleksi matematis dari fakta-fakta yang secara objektif ada di dunia material.

Asumsi tentang kemutlakan kecepatan cahaya menyebabkan sejumlah konsekuensi yang tidak biasa dan tidak teramati dalam kondisi mekanika Newton. Salah satu konsekuensi dari keteguhan kecepatan cahaya adalah penolakan terhadap sifat absolut waktu, yang dicangkokkan ke dalam mekanika Newton. Kita sekarang harus mengakui bahwa waktu mengalir secara berbeda sistem yang berbeda referensi - peristiwa yang simultan dalam satu sistem akan menjadi non-simultan di sistem lain.

Pertimbangkan dua kerangka acuan inersia K Dan K", bergerak relatif satu sama lain. Biarkan ruangan gelap bergerak dengan sistem K", lampu berkedip. Karena kecepatan cahaya dalam sistem K"sama (seperti dalam sistem referensi apa pun) C, maka cahaya mencapai kedua dinding ruangan yang berlawanan pada saat yang bersamaan. Bukan itu yang akan terjadi dari sudut pandang pengamat dalam sistem K. Kecepatan cahaya dalam sistem K juga sama dengan C, tetapi karena dinding ruangan bergerak sehubungan dengan sistem K, maka pengamat dalam sistem K akan menemukan bahwa cahaya menyentuh salah satu dinding sebelum yang lain, yaitu dalam sistem K peristiwa ini tidak simultan.

Jadi, dalam mekanika Einstein relatif Tidak hanya properti ruang, tetapi juga sifat waktu.