Speciālā relativitātes teorija. Einšteina īpašā relativitātes teorija

1905. gadā Alberts Einšteins publicēja savu īpašo relativitātes teoriju (SRT), kurā paskaidrots, kā interpretēt kustības starp dažādiem inerciālajiem atskaites rāmjiem — vienkārši sakot, objektiem, kas pārvietojas nemainīgs ātrums attiecībā vienam pret otru.

Einšteins paskaidroja, ka tad, kad divi objekti pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, ir jāņem vērā to kustība vienam pret otru, nevis jāņem viens no tiem par absolūtu atskaites sistēmu.

Tātad, ja divi astronauti, jūs un, teiksim, Hermanis, lido ar diviem kosmosa kuģiem un vēlaties salīdzināt savus novērojumus, vienīgais, kas jums jāzina, ir jūsu ātrums attiecībā pret otru.

Speciālā relativitātes teorija ņem vērā tikai vienu īpašu gadījumu (tātad arī nosaukumu), kad kustība ir taisna un vienmērīga. Ja materiāls ķermenis paātrinās vai pagriežas uz sāniem, STR likumi vairs nav spēkā. Tad stājas spēkā vispārējā relativitātes teorija (GTR), kas vispārīgā gadījumā izskaidro materiālo ķermeņu kustības.

Einšteina teorija balstās uz diviem pamatprincipiem:

1. Relativitātes princips: fiziskie likumi tiek saglabāti pat tiem ķermeņiem, kas ir inerciāli atskaites rāmji, tas ir, pārvietojas ar nemainīgu ātrumu viens pret otru.

2. Gaismas ātruma princips: Gaismas ātrums paliek nemainīgs visiem novērotājiem neatkarīgi no viņu ātruma attiecībā pret gaismas avotu. (Fiziķi gaismas ātrumu apzīmē kā c).

Viens no Alberta Einšteina panākumu iemesliem ir tas, ka viņš novērtēja eksperimentālos datus, nevis teorētiskos datus. Kad vairāki eksperimenti atklāja rezultātus, kas bija pretrunā vispārpieņemtajai teorijai, daudzi fiziķi nolēma, ka šie eksperimenti ir nepareizi.

Alberts Einšteins bija viens no pirmajiem, kurš nolēma celt jauna teorija pamatojoties uz jauniem eksperimentāliem datiem.

19. gadsimta beigās fiziķi meklēja noslēpumaino ēteri - vidi, kurā saskaņā ar vispārpieņemtiem pieņēmumiem vajadzētu izplatīties gaismas viļņiem, līdzīgi kā akustiskajiem viļņiem, kuru izplatībai nepieciešams gaiss, vai cita vide - cieta, šķidrs vai gāzveida. Pārliecība par ētera esamību radīja uzskatu, ka gaismas ātrumam vajadzētu mainīties atkarībā no novērotāja ātruma attiecībā pret ēteri.

Alberts Einšteins atteicās no ētera jēdziena un pieņēma, ka visi fiziskie likumi, tostarp gaismas ātrums, paliek nemainīgi neatkarīgi no novērotāja ātruma - kā parādīja eksperimenti.

Telpas un laika homogenitāte

Einšteina SRT postulē fundamentālu saikni starp telpu un laiku. Materiālajam Visumam, kā zināms, ir trīs telpiskās dimensijas: uz augšu-uz leju, pa labi-pa kreisi un uz priekšu-atpakaļ. Tam tiek pievienota vēl viena dimensija - laiks. Šīs četras dimensijas kopā veido telpas-laika kontinuumu.

Ja pārvietojaties lielā ātrumā, jūsu telpas un laika novērojumi atšķirsies no citu cilvēku novērojumiem, kas pārvietojas lēnāk.

Zemāk redzamais attēls ir domu eksperiments, kas palīdzēs jums saprast šo ideju. Iedomājieties, ka esat ieslēgts kosmosa kuģis, jūsu rokās ir lāzers, ar kuru jūs raidāt gaismas starus uz griestiem, uz kuriem ir uzstādīts spogulis. Gaisma, atstarota, krīt uz detektoru, kas tos reģistrē.

No augšas - jūs raidījāt gaismas staru uz griestiem, tas atspīdēja un vertikāli nokrita uz detektoru. Apakšējā daļa — Hermanim jūsu gaismas stars virzās pa diagonāli uz griestiem un pēc tam pa diagonāli uz detektoru

Pieņemsim, ka jūsu kuģis pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, vienāds ar pusi gaismas ātrums (0,5c). Saskaņā ar Einšteina SRT, tas jums nav svarīgi, jūs pat nepamanāt savu kustību.

Tomēr Hermanis, vērojot jūs no atpūšas zvaigžņu kuģa, ieraudzīs pavisam citu ainu. No viņa viedokļa gaismas stars pa diagonāli nokļūs spogulī pie griestiem, tiks atspīdēts no tā un pa diagonāli nokritīs uz detektoru.

Citiem vārdiem sakot, gaismas stara ceļš jums un Hermanim izskatīsies atšķirīgs un tā garums būs atšķirīgs. Un tāpēc laiks, kas nepieciešams, lai lāzera stars veiktu attālumu līdz spogulim un detektoram, jums šķitīs atšķirīgs.

Šo parādību sauc par laika dilatāciju: laiks uz zvaigžņu kuģa, kas pārvietojas lielā ātrumā, plūst daudz lēnāk no Zemes novērotāja viedokļa.

Šis piemērs, kā arī daudzi citi, skaidri parāda telpas un laika nesaraujamo saikni. Šī saikne novērotājam skaidri parādās tikai tad, kad mēs runājam par par lieliem ātrumiem tuvu gaismas ātrumam.

Eksperimenti, kas veikti kopš Einšteina lielās teorijas publicēšanas, ir apstiprinājuši, ka telpa un laiks patiešām tiek uztverti atšķirīgi atkarībā no objektu ātruma.

Apvienojot masu un enerģiju

Saskaņā ar lielā fiziķa teoriju, kad materiāla ķermeņa ātrums palielinās, tuvojoties gaismas ātrumam, palielinās arī tā masa. Tie. Jo ātrāk objekts kustas, jo smagāks tas kļūst. Ja tiek sasniegts gaismas ātrums, ķermeņa masa, kā arī tā enerģija kļūst bezgalīga. Jo smagāks ķermenis, jo grūtāk ir palielināt tā ātrumu; Lai paātrinātu ķermeni ar bezgalīgu masu, ir nepieciešams bezgalīgs enerģijas daudzums, tāpēc materiāliem objektiem nav iespējams sasniegt gaismas ātrumu.

Pirms Einšteina masas un enerģijas jēdzieni fizikā tika aplūkoti atsevišķi. Izcilais zinātnieks pierādīja, ka masas nezūdamības likums, kā arī enerģijas nezūdamības likums ir daļa no vispārīgākā masas enerģijas likuma.

Pateicoties fundamentālajai saiknei starp šiem diviem jēdzieniem, matēriju var pārvērst enerģijā, bet otrādi – enerģiju matērijā.

1905. gada septembrī Parādījās A. Einšteina darbs “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku”, kurā tika ieskicēti Speciālās relativitātes teorijas (STR) galvenie nosacījumi. Šī teorija nozīmēja klasisko fizikas koncepciju par telpas un laika īpašībām pārskatīšanu. Tāpēc šo teoriju savā saturā var saukt par fizisku telpas un laika doktrīnu . Fiziskā jo telpas un laika īpašības šajā teorijā aplūkotas ciešā saistībā ar tajās notiekošo fizisko parādību likumiem. termins " īpašs"uzsver faktu, ka šī teorija aplūko parādības tikai inerciālās atskaites sistēmās.

Kā speciālās relativitātes teorijas sākumpunktus Einšteins pieņēma divus postulātus jeb principus:

1) relativitātes princips;

2) gaismas ātruma neatkarības princips no gaismas avota ātruma.

Pirmais postulāts ir Galileo relativitātes principa vispārinājums attiecībā uz jebkuriem fiziskiem procesiem: visas fiziskās parādības notiek vienādi visos inerciālajos atskaites sistēmās. Visi dabas likumi un tos aprakstošie vienādojumi ir nemainīgi, t.i. nemainās, pārejot no vienas inerciālās atskaites sistēmas uz citu.

Citiem vārdiem sakot, Visi inerciālās sistēmas atsauces ir līdzvērtīgas (neatšķiramas) pēc to fizikālajām īpašībām. Nekāda pieredze nevar izcelt kādu no tiem kā vēlamo.

Otrais postulāts to nosaka gaismas ātrums vakuumā nav atkarīgs no gaismas avota kustības un ir vienāds visos virzienos.

Tas nozīmē, ka gaismas ātrums vakuumā ir vienāds visās inerciālajās atskaites sistēmās. Tādējādi gaismas ātrums dabā ieņem īpašu vietu.

No Einšteina postulātiem izriet, ka gaismas ātrums vakuumā ir ierobežojošs: neviens signāls, neviena ķermeņa ietekme uz otru nevar izplatīties ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu vakuumā. Tas ir šī ātruma ierobežojošais raksturs, kas izskaidro vienādu gaismas ātrumu visās atskaites sistēmās. Ierobežojoša ātruma esamība automātiski nozīmē daļiņu ātruma ierobežojumu ar vērtību “c”. Pretējā gadījumā šīs daļiņas varētu pārraidīt signālus (vai mijiedarbību starp ķermeņiem) ar ātrumu, kas pārsniedz ierobežojumu. Tādējādi saskaņā ar Einšteina postulātiem visu iespējamo ķermeņu kustības ātrumu un mijiedarbības izplatīšanās ātrumu ierobežo vērtība “c”. Tas noraida Ņūtona mehānikas tāldarbības principu.

Interesanti secinājumi izriet no SRT:

1) GARUMA SAMAZINĀJUMS: Jebkura objekta kustība ietekmē tā garuma izmērīto vērtību.

2) LAIKA PALĒNINĀJUMS: līdz ar SRT parādīšanos radās apgalvojums, ka absolūtajam laikam nav absolūtas nozīmes, tas ir tikai ideāls matemātiskais attēlojums, jo dabā nepastāv reāls fiziskais process, kas piemērots absolūtā laika mērīšanai.

Laika gaita ir atkarīga no atskaites kadra kustības ātruma. Pie pietiekami lielā ātrumā, tuvu gaismas ātrumam, laiks palēninās, t.i. notiek relativistiskā laika dilatācija.

Tādējādi strauji kustīgā sistēmā laiks plūst lēnāk nekā stacionāra novērotāja laboratorijā: ja novērotājs uz Zemes spētu sekot pulkstenim raķetē, kas lido lielā ātrumā, viņš nonāktu pie secinājuma, ka tā skrien. lēnāk nekā viņa paša. Laika dilatācijas efekts nozīmē, ka kosmosa kuģa iedzīvotāji noveco lēnāk. Ja viens no diviem dvīņiem izdarīja ilgu kosmosa ceļojumi, tad, atgriežoties uz Zemes, viņš atklāja, ka viņa dvīņubrālis, kurš palika mājās, bija daudz vecāks par viņu.

Dažās sistēmās mēs varam runāt tikai par vietējo laiku. Šajā sakarā laiks nav no matērijas neatkarīga būtība, tas plūst dažādos ātrumos dažādos fizikālos apstākļos. Laiks vienmēr ir relatīvs.

3) SVARA PALIELINĀJUMS:ķermeņa masa arī ir relatīvs lielums atkarībā no tā kustības ātruma. Jo lielāks ir ķermeņa ātrums, jo lielāka kļūst tā masa.

Einšteins arī atklāja saikni starp masu un enerģiju. Viņš formulē šādu likumu: “ķermeņa masa ir tajā esošās enerģijas mērs: E=mс 2". Ja šajā formulā aizvietojam m=1 kg un c=300 000 km/s, tad iegūstam milzīgu enerģiju 9·10 16 J, ar ko pietiktu elektriskās spuldzes sadedzināšanai 30 miljonus gadu. Bet enerģijas daudzumu vielas masā ierobežo gaismas ātrums un vielas masas daudzums.

Apkārtējai pasaulei ir trīs dimensijas. SRT apgalvo, ka laiku nevar uzskatīt par kaut ko atsevišķu un nemainīgu. 1907. gadā vācu matemātiķis Minkovskis izstrādāja SRT matemātisko aparātu. Viņš ierosināja, ka trīs telpiskās un viena laika dimensijas ir cieši saistītas. Visi notikumi Visumā notiek četrdimensiju laiktelpā. No matemātiskā viedokļa SRT ir četrdimensiju Minkovska telpas-laika ģeometrija.

STR ir apstiprināts uz plaša materiāla, ar daudziem faktiem un eksperimentiem (piemēram, sabrukšanas laikā tiek novērota laika paplašināšanās elementārdaļiņas kosmiskajos staros vai augstas enerģijas paātrinātājos) un ir pamatā visu procesu teorētiskajiem aprakstiem, kas notiek relativistiskā ātrumā.

Tātad fizisko procesu apraksts SRT būtībā ir saistīts ar koordinātu sistēmu. Fizikālā teorija apraksta nevis pašu fizisko procesu, bet gan fizikālā procesa mijiedarbības rezultātu ar izpētes līdzekļiem. Tāpēc pirmo reizi fizikas vēsturē tieši izpaudās izziņas subjekta darbība, izziņas subjekta un objekta nedalāmā mijiedarbība.

SRT, kas pazīstama arī kā īpašā relativitātes teorija, ir sarežģīts aprakstošs modelis telpas-laika, kustības un mehānikas likumu attiecībām, ko 1905. gadā izveidoja Nobela prēmijas laureāts Alberts Einšteins.

Stājoties Minhenes universitātes teorētiskās fizikas nodaļā, Makss Planks vērsās pēc padoma pie profesora Filipa fon Džolija, kurš tajā laikā vadīja šīs universitātes matemātikas nodaļu. Uz ko viņš saņēma padomu: "šajā jomā gandrīz viss jau ir atvērts, un atliek tikai aizlāpīt dažas ne pārāk svarīgas problēmas." Jaunais Planks atbildēja, ka nevēlas atklāt jaunas lietas, bet tikai vēlas saprast un sistematizēt jau zināmās zināšanas. Rezultātā no viena tāda “ne ļoti svarīga problēma Pēc tam radās kvantu teorija un no citas - relativitātes teorija, par kuru Makss Planks un Alberts Einšteins saņēma Nobela prēmijas fizikā.

Atšķirībā no daudzām citām teorijām, kas balstījās uz fiziskiem eksperimentiem, Einšteina teorija gandrīz pilnībā balstījās uz viņa domu eksperimenti un tikai vēlāk tika apstiprināts praksē. Tāpēc 1895. gadā (tikai 16 gadu vecumā) viņš domāja par to, kas notiktu, ja viņš virzītos paralēli gaismas staram tā ātrumā? Šādā situācijā izrādījās, ka ārējam novērotājam gaismas daļiņām vajadzēja svārstīties ap vienu punktu, kas bija pretrunā Maksvela vienādojumiem un relativitātes principam (kas noteica, ka fiziskie likumi nav atkarīgi no vietas, kur atrodaties un ātrums, ar kādu jūs pārvietojaties). Tādējādi jaunais Einšteins nonāca pie secinājuma, ka materiālam ķermenim gaismas ātrumam jābūt nesasniedzamam, un pirmais ķieģelis tika likts nākotnes teorijas pamatā.

Nākamo eksperimentu viņš veica 1905. gadā, un tas sastāvēja no tā, ka kustīga vilciena galos ir divi impulsa gaismas avoti, kas iedegas vienlaikus. Ārējam novērotājam, kurš iet garām vilcienam, abi šie notikumi notiek vienlaicīgi, bet novērotājam, kas atrodas vilciena centrā, šie notikumi šķiet notikuši vienlaikus. dažādi laiki, jo gaismas zibspuldze no automašīnas sākuma nāks agrāk nekā no tās beigām (konstanta gaismas ātruma dēļ).

No tā viņš izdarīja ļoti drosmīgu un tālejošu secinājumu, ka notikumu vienlaicīgums ir relatīvs. Viņš publicēja aprēķinus, kas iegūti, pamatojoties uz šiem eksperimentiem, darbā “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku”. Turklāt kustīgam novērotājam vienam no šiem impulsiem būs lielāka enerģija nekā otram. Lai šādā situācijā, pārejot no vienas inerciālās atskaites sistēmas uz otru, netiktu pārkāpts impulsa nezūdamības likums, bija nepieciešams, lai objekts vienlaikus ar enerģijas zudumu zaudētu arī masu. Tādējādi Einšteins nonāca pie formulas, kas raksturo attiecības starp masu un enerģiju E=mc 2 - kas, iespējams, šobrīd ir slavenākā fiziskā formula. Šī eksperimenta rezultātus viņš publicēja vēlāk tajā pašā gadā.

Pamatpostulāti

Gaismas ātruma noturība– līdz 1907. gadam tika veikti eksperimenti, lai mērītu ar precizitāti ±30 km/s (kas bija lielāka par Zemes orbītas ātrumu), un tā izmaiņas gada laikā netika konstatētas. Šis bija pirmais pierādījums gaismas ātruma nemainīgumam, ko vēlāk apstiprināja daudzi citi eksperimenti, gan eksperimentētāji uz zemes, gan automātiskās ierīces kosmosā.

Relativitātes princips- šis princips nosaka nemainīgumu fiziskie likumi jebkurā telpas punktā un jebkurā inerciālā atskaites sistēmā. Tas ir, neatkarīgi no tā, vai jūs pārvietojaties ar ātrumu aptuveni 30 km/s Saules orbītā kopā ar Zemi vai kosmosa kuģī tālu aiz tās robežām - veicot fizisku eksperimentu, jūs vienmēr nonāksit pie tādi paši rezultāti (ja jūsu kuģis atrodas šajā laikā, tas nepaātrina vai nepalēninās). Šo principu apstiprināja visi eksperimenti uz Zemes, un Einšteins gudri uzskatīja, ka šis princips ir patiess pārējam Visumam.

Sekas

Veicot aprēķinus, kas balstīti uz šiem diviem postulātiem, Einšteins nonāca pie secinājuma, ka novērotājam, kurš pārvietojas kuģī, jāpalēninās, palielinoties ātrumam, un viņam līdz ar kuģi ir jāsamazinās izmēros kustības virzienā (lai tādējādi kompensējot kustības ietekmi un saglabājot relativitātes principu). No nosacījuma par ierobežotu ātrumu materiālam ķermenim arī izrietēja, ka ātrumu pievienošanas noteikums (kuram Ņūtona mehānikā bija vienkārša aritmētiskā forma) jāaizstāj ar sarežģītākām Lorenca transformācijām - šajā gadījumā pat tad, ja pievienojam divus ātrumus. līdz 99% no gaismas ātruma, mēs iegūsim 99,995% no šī ātruma, bet mēs to nepārsniegsim.

Teorijas statuss

Kopš veidošanās no privātā teorija tā vispārējā versija aizņēma Einšteinu tikai 11 gadus, lai tiešā veidā apstiprinātu SRT. Tomēr tajā pašā gadā, kad tas tika publicēts, Einšteins publicēja arī savus aprēķinus, kas izskaidro Merkura perihēlijas nobīdi līdz procenta daļai, bez nepieciešamības ieviest jaunas konstantes un citus pieņēmumus, kas tika prasīti citās teorijās. paskaidroja šo procesu. Kopš tā laika vispārējās relativitātes teorijas pareizība ir eksperimentāli apstiprināta ar precizitāti 10 -20, un uz tās pamata ir izdarīti daudzi atklājumi, kas skaidri pierāda šīs teorijas pareizību.

Čempionāts atklāšanā

Kad Einšteins publicēja savus pirmos darbus par īpašo relativitātes teoriju un sāka rakstīt tās vispārīgo versiju, citi zinātnieki jau bija atklājuši ievērojamu daļu no formulām un idejām, kas ir šīs teorijas pamatā. Tātad pieņemsim Lorenca transformāciju uz vispārējs skats pirmo reizi ieguva Puankarē 1900. gadā (5 gadus pirms Einšteina), un tie tika nosaukti Hendrika Lorenca vārdā, kurš ieguva aptuvenu šo pārvērtību versiju, lai gan pat šajā lomā viņš apsteidza Valdemāru Vogu.

3.5. Speciālā relativitātes teorija (STR)

Ievads degvielas uzpildes stacijā

Ar relativitātes teoriju iepazīstamies vidusskolā. Šī teorija mums izskaidro apkārtējās pasaules parādības tādā veidā, ka tā ir pretrunā ar “veselo saprātu”. Tiesa, tas pats A. Einšteins reiz atzīmēja: "Veselais saprāts ir aizspriedumi, kas veidojas līdz astoņpadsmit gadu vecumam."

Vēl 18. gadsimtā. zinātnieki mēģināja atbildēt uz jautājumiem par to, kā tiek pārraidīta gravitācijas mijiedarbība un kā izplatās gaisma (vēlāk jebkura elektromagnētiskie viļņi). Atbilžu meklēšana uz šiem jautājumiem bija iemesls relativitātes teorijas attīstībai.

19. gadsimtā fiziķi bija pārliecināti, ka pastāv tā sauktais ēteris (pasaules ēteris, luminiferous ēteris). Saskaņā ar pagājušo gadsimtu idejām šī ir sava veida visu caurstrāvojoša, visu piepildoša vide. Fizikas attīstība 19. gadsimta otrajā pusē. prasīja zinātniekiem pēc iespējas vairāk konkretizēt savas idejas par ēteri. Ja pieņemam, ka ēteris ir līdzīgs gāzei, tad tikai gareniskie viļņi, un elektromagnētiskie viļņi ir šķērsvirziena. Nav skaidrs, kā viņi varēja pārvietoties šādā ēterī debess ķermeņi. Pret raidījumu bija arī citi nopietni iebildumi. Tajā pašā laikā skotu fiziķis Džeimss Maksvels (1831–1879) radīja teoriju. elektromagnētiskais lauks, no kura jo īpaši izrietēja, ka šī lauka izplatīšanās gala ātrums kosmosā bija 300 000 km/s. Vācu fiziķis Heinrihs Hercs (1857–1894) eksperimentāli pierādīja gaismas, siltuma staru un elektromagnētiskās "viļņu kustības" identitāti. Viņš noteica, ka elektromagnētiskais spēks darbojas ar ātrumu 300 000 km/s. Turklāt Hercs konstatēja, ka "elektriskos spēkus var atdalīt no smagiem ķermeņiem un turpināt pastāvēt neatkarīgi kā stāvoklis vai izmaiņas telpā." Tomēr situācija ar ēteri radīja daudz jautājumu, un bija nepieciešams tiešs eksperiments, lai atceltu šo koncepciju. Ideju formulēja Maksvels, kurš ierosināja izmantot Zemi kā kustīgu ķermeni, kas pārvietojas orbītā ar ātrumu 30 km/s. Šī pieredze prasīja ārkārtīgi augstu mērījumu precizitāti. Šo sarežģīto problēmu 1881. gadā atrisināja amerikāņu fiziķi A. Mihelsons un E. Morlijs. Saskaņā ar "stacionārā ētera" hipotēzi, Zemei pārvietojoties pa "ēteri", var novērot "ēterisko vēju", un gaismas ātrumam attiecībā pret Zemi jābūt atkarīgam no gaismas stara virziena attiecībā pret virzienu. no Zemes kustības ēterī (tas ir, gaisma tiek virzīta gar Zemes kustību un pret ). Ētera klātbūtnē ātrumiem bija jābūt atšķirīgiem. Bet tie izrādījās nemainīgi. Tas liecināja, ka nav gaisa. Šis negatīvais rezultāts apstiprināja relativitātes teoriju. Miķelsona un Morlija eksperiments gaismas ātruma noteikšanai tika atkārtots vairākas reizes vēlāk, 1885.–1887. gadā, ar tādu pašu rezultātu.

1904. gadā zinātniskajā kongresā franču matemātiķis Anrī Puankarē (1854–1912) izteica viedokli, ka dabā nevar būt ātrumi, kas lielāki par gaismas ātrumu. Tajā pašā laikā A. Puankarē formulēja relativitātes principu kā universālu dabas likumu. 1905. gadā viņš rakstīja: "Neiespējamība ar eksperimentu pierādīt Zemes absolūto kustību acīmredzami ir vispārējs dabas likums." Šeit viņš norāda uz Lorenca transformācijām un vispārējo saikni starp telpiskajām un laika koordinātām.

Alberts Einšteins (1879–1955), veidojot speciālo relativitātes teoriju, vēl nezināja par Puankarē rezultātiem. Vēlāk Einšteins rakstīja: “Es absolūti nesaprotu, kāpēc mani cildina kā relativitātes teorijas veidotāju. Ja nebūtu manis, Puankarē to būtu izdarījis gada laikā, Minkovskis to būtu izdarījis pēc diviem gadiem, galu galā vairāk nekā puse šī biznesa pieder Lorencam. Mani nopelni ir pārspīlēti." Tomēr Lorencs 1912. gadā rakstīja: "Einšteina nopelns slēpjas faktā, ka viņš pirmais izteica relativitātes principu universāla, stingra likuma formā."

Divi Einšteina postulāti SRT

Lai aprakstītu fizikālās parādības, Galileo ieviesa inerciālā rāmja jēdzienu. Šādā sistēmā ķermenis, uz kuru neiedarbojas neviens spēks, atrodas miera stāvoklī vai viendabīgā stāvoklī taisnvirziena kustība. Likumi, kas apraksta mehāniskā kustība, dažādās inerciālās sistēmās ir vienlīdz derīgas, tas ir, tās nemainās, pārejot no vienas koordinātu sistēmas uz otru. Piemēram, ja pasažieris iet kustīgā vilciena vagonā tā kustības virzienā ar ātrumu v 1 = 4 km/h, un vilciens brauc ar ātrumu v 2 = 46 km/h, tad pasažiera ātrums attiecībā pret dzelzceļa sliežu ceļu būs v= v 1 + v 2 = 50 km/h, tas ir, ir pievienoti ātrumi. Saskaņā ar “veselo saprātu” tas ir nesatricināms fakts:

v= v 1 + v 2

Taču liela ātruma pasaulē, kas ir salīdzināma ar gaismas ātrumu, norādītā ātruma pievienošanas formula ir vienkārši nepareiza. Dabā gaisma pārvietojas ar ātrumu Ar= 300 000 km/s neatkarīgi no tā, kādā virzienā gaismas avots kustas attiecībā pret novērotāju.

1905. gadā vācu valodā zinātniskais žurnāls“Fizikas gadagrāmata” 26 gadus vecais Alberts Einšteins publicēja rakstu “Par kustīgu ķermeņu elektrodinamiku”. Šajā rakstā viņš formulēja divus slavenus postulātus, kas veidoja daļējās jeb īpašās relativitātes teorijas (SRT) pamatu, kas mainīja klasiskās telpas un laika idejas.

Pirmajā postulātā Einšteins izstrādāja Galileja klasisko relativitātes principu. Viņš parādīja, ka šis princips ir universāls, arī elektrodinamikai (un ne tikai mehāniskajām sistēmām). Šī pozīcija nebija viennozīmīga, jo bija jāatsakās no Ņūtona tāldarbības.

Einšteina vispārinātais relativitātes princips nosaka, ka nekādi fiziski eksperimenti (mehāniski un elektromagnētiski) noteiktā atskaites sistēmā nevar noteikt, vai šī sistēma pārvietojas vienmērīgi vai atrodas miera stāvoklī. Tajā pašā laikā telpa un laiks ir saistīti viens ar otru, atkarīgi viens no otra (Galileo un Ņūtonam telpa un laiks ir neatkarīgi viens no otra).

Einšteins piedāvāja otro īpašās relativitātes teorijas postulātu pēc Maksvela elektrodinamikas analīzes - tas ir gaismas ātruma noturības princips vakuumā, kas ir aptuveni vienāds ar 300 000 km/s.

Gaismas ātrums ir lielākais ātrums mūsu Visumā. Apkārtējā pasaulē nevar būt ātrums, kas lielāks par 300 000 km/s.

Mūsdienu paātrinātājos mikrodaļiņas tiek paātrinātas līdz milzīgiem ātrumiem. Piemēram, elektrons paātrina ātrumu v e = 0,9999999 C, kur v e, C ir attiecīgi elektronu un gaismas ātrums. Šajā gadījumā no novērotāja viedokļa elektrona masa palielinās par 2500 reizēm:

Šeit m e0 ir elektrona atlikušā masa, m e– elektronu masa ātrumā v e .

Elektrons nevar sasniegt gaismas ātrumu. Tomēr ir mikrodaļiņas, kurām ir gaismas ātrums, tās sauc par "luksoniem".

Tajos ietilpst fotoni un neitrīno. Viņiem praktiski nav miera masas, tos nevar palēnināt, tie vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu Ar. Visas pārējās mikrodaļiņas (tardyons) pārvietojas ar ātrumu, kas mazāks par gaismas ātrumu. Mikrodaļiņas, kuru kustības ātrums varētu būt lielāks par gaismas ātrumu, sauc par tahioniem. Tādas daļiņas mūsu reālā pasaule Nē.

Ļoti svarīgs relativitātes teorijas rezultāts ir enerģijas un ķermeņa masas saiknes identificēšana. Pie maziem ātrumiem

Kur E = m 0 c 2 – daļiņas ar miera masu miera enerģija m 0,a E K– kustīgas daļiņas kinētiskā enerģija.

Milzīgs relativitātes teorijas sasniegums ir fakts, ka tā noteica masas un enerģijas ekvivalenci (E = m 0 c 2). Taču runa nav par masas pārtapšanu enerģijā un otrādi, bet gan par to, ka enerģijas pārtapšana no viena veida uz otru atbilst masas pārejai no vienas formas uz otru. Enerģiju nevar aizstāt ar masu, jo enerģija raksturo ķermeņa spēju veikt darbu, un masa ir inerces mērs.

Relativistiskā ātrumā, kas ir tuvu gaismas ātrumam:

Kur E- enerģija, m- daļiņu masa, m– daļiņas miera masa, Ar- gaismas ātrums vakuumā.

No iepriekš minētās formulas ir skaidrs, ka, lai sasniegtu gaismas ātrumu, daļiņai ir jādod bezgalīgi vairāk enerģijas. Fotoniem un neitrīniem šī formula nav godīga, jo tā ir v= c.

Relativistiskie efekti

Relativitātes teorijā relativistiskie efekti nozīmē izmaiņas ķermeņu telpas-laika raksturlielumos ar ātrumu, kas salīdzināms ar gaismas ātrumu.

Kā piemēru parasti uzskata tādu kosmosa kuģi kā fotonu raķete, kas lido kosmosā ar ātrumu, kas atbilst gaismas ātrumam. Šajā gadījumā stacionārs novērotājs var pamanīt trīs relatīvistiskos efektus:

1. Masas pieaugums salīdzinājumā ar miera masu. Palielinoties ātrumam, pieaug arī masa. Ja ķermenis varētu pārvietoties ar gaismas ātrumu, tad tā masa pieaugtu līdz bezgalībai, kas nav iespējams. Einšteins pierādīja, ka ķermeņa masa ir tajā esošās enerģijas mērs (E = mc 2 ). Nav iespējams piešķirt ķermenim bezgalīgu enerģiju.

2. Samazinājums lineārie izmēriķermeni tā kustības virzienā. Jo lielāks ir kosmosa kuģa ātrums, kas lido garām stacionāram novērotājam, un jo tuvāk gaismas ātrumam, jo ​​mazāks šī kuģa izmērs būs stacionāram novērotājam. Kad kuģis sasniegs gaismas ātrumu, tā novērotais garums būs nulle, kas nevar būt. Uz paša kuģa astronauti šīs izmaiņas neievēros. 3. Laika paplašināšanās. Kosmosa kuģī, kas pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, laiks rit lēnāk nekā stacionāram novērotājam.

Laika dilatācijas efekts ietekmētu ne tikai pulksteni kuģa iekšpusē, bet arī visus uz tā notiekošos procesus, kā arī astronautu bioloģiskos ritmus. Taču fotonu raķeti nevar uzskatīt par inerciālu sistēmu, jo paātrinājuma un palēninājuma laikā tā pārvietojas ar paātrinājumu (un ne vienmērīgi un taisni).

Relativitātes teorija piedāvā fundamentāli jaunus aprēķinus par telpas un laika attiecībām starp fiziskiem objektiem. Klasiskajā fizikā, pārejot no vienas inerciālās sistēmas (Nr. 1) uz otru (Nr. 2), laiks paliek nemainīgs - t 2 = t L un telpiskā koordināte mainās atbilstoši vienādojumam x 2 = x 1 – vt. Relativitātes teorija izmanto tā sauktās Lorenca transformācijas:

No attiecībām ir skaidrs, ka telpiskās un laika koordinātas ir atkarīgas viena no otras. Kas attiecas uz garuma samazināšanos kustības virzienā, tad

un laika ritējums palēninās:

1971. gadā ASV tika veikts eksperiments laika dilatācijas noteikšanai. Viņi izgatavoja divus absolūti identiskus precīzus pulksteņus. Daži pulksteņi palika uz zemes, bet citi tika ievietoti lidmašīnā, kas aplidoja Zemi. Lidmašīna, kas lido pa apļveida ceļu ap Zemi, pārvietojas ar zināmu paātrinājumu, kas nozīmē, ka pulkstenis lidmašīnā atrodas citā situācijā, salīdzinot ar pulksteni, kas atrodas uz zemes. Saskaņā ar relativitātes likumiem ceļojošajam pulkstenim bija jāatpaliek no miera pulksteņa par 184 ns, bet patiesībā nobīde bija 203 ns. Bija arī citi eksperimenti, kas pārbaudīja laika dilatācijas efektu, un tie visi apstiprināja palēnināšanās faktu. Tādējādi atšķirīgā laika plūsma koordinātu sistēmās, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni viena pret otru, ir nemainīgs eksperimentāli konstatēts fakts.

Vispārējā relativitātes teorija

Pēc speciālās relativitātes teorijas publicēšanas 1905. gadā A. Einšteins pievērsās mūsdienu gravitācijas jēdzienam. 1916. gadā viņš publicēja vispārējo relativitātes teoriju (GTR), kas izskaidro gravitācijas teoriju no mūsdienu skatu punkta. Tas balstās uz diviem speciālās relativitātes teorijas postulātiem un formulē trešo postulātu - inerciālo un gravitācijas masu ekvivalences principu. Vispārīgās relativitātes teorijas svarīgākais secinājums ir nostāja par ģeometrisko (telpisko) un laika raksturlielumu izmaiņām gravitācijas laukos (un ne tikai pārvietojoties lielā ātrumā). Šis secinājums saista GTR ar ģeometriju, tas ir, GTR tiek novērota gravitācijas ģeometrizācija. Klasiskā eiklīda ģeometrija tam nebija piemērota. 19. gadsimtā parādījās jauna ģeometrija. krievu matemātiķa N. I. Lobačevska, vācu matemātiķa B. Rīmaņa, ungāru matemātiķa J. Boļaja darbos.

Mūsu telpas ģeometrija izrādījās ne-eiklīda.

Dabisks skeptisks jautājums: "Kādas ir Galileo transformāciju pielietojamības robežas?" radās cilvēces priekšā 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā. Tas radās saistībā ar ētera paradoksālo īpašību izpēti - hipotētisku absolūti elastīgu vidi, kurā gaisma izplatās bez vājināšanās, tāpat kā absolūti cietā vidē.

Šaubas par Galileo transformāciju bezgalīgo pielietojamību, vismaz daļā ātrumu saskaitīšanas likuma, radās, analizējot Miķelsona-Morlija eksperimentu rezultātus, lai noteiktu “ēteriskā vēja” ātrumu, salīdzinot gaismas ātrumu. ko izstaro avots, kas virzās pa Zemes kustības virzienu orbītā un gaismas ātrumu pa virzienu, kas ir perpendikulārs orbītas pieskarei. Mērījumi tika veikti, izmantojot ārkārtīgi precīzu instrumentu - Mihelsona interferometru. Zeme tika ģeniāli izvēlēta kā objekts, kas pārvietojas ar lineāro ātrumu 30 km/sek, kas mūsdienu tehnoloģijām masīviem objektiem praktiski nav sasniedzams.

Miķelsona eksperiments, kas pirmo reizi tika veikts 1881. gadā un sniedza noraidošu atbildi, tika izveidots principiāli: līdz 0,5 m bieza plāksne, uz kuras tika uzstādīti spoguļi, tika izgatavota no granīta, kas karsējot nedaudz izplešas un peldēja dzīvsudrabā, lai bez deformācijām. rotācija. Eksperimenta primārā precizitāte ļāva noteikt “ēterisko vēju” ar ātrumu 10 km/s. Vēlāk tas tika atkārtots daudzas reizes, precizitāte tika palielināta līdz spējai noteikt vēja ātrumu 30 m/s. Bet atbilde vienmēr bija nulle.

Vērojot kustības lielā ātrumā, Galileo pārvērtības netika apstiprinātas. Piemēram, dubultzvaigžņu periodiskās kustības ritmā nebija nekādu traucējumu, savukārt to kustības ātruma virziens mainās uz priekšu un atpakaļ revolūcijas ceļiem. Tādējādi gaismas ātrums izrādījās neatkarīgs no avota kustības.

No Mihelsona un Morlija eksperimentu laikiem 1881. gadā līdz 1905. gadam - pirms SRT pamatu izstrādes - tika veikti daudzi mēģinājumi izstrādāt hipotēzes, kas izskaidrotu galvenā eksperimenta rezultātus. Un tajā pašā laikā visi centās saglabāt ēteri, mainot tikai tā īpašības.

Slavenākie ir īru fiziķa Džordža Ficdžeralda un holandiešu fiziķa Hendrika Lorenca kuriozie mēģinājumi. Pirmais ierosināja ideju samazināt ķermeņa garumu kustības virzienā, jo vairāk, jo lielāks ir kustības ātrums. Lorencs ierosināja lokālas laika plūsmas (“vietējā laika”) iespēju kustīgā sistēmā saskaņā ar likumiem, kas atšķiras no likumiem stacionārā sistēmā. Lorencs ierosināja modificēt Galileo koordinātu transformācijas.

Einšteina postulāti speciālajā relativitātes teorijā

Izšķirošais ieguldījums īpašas radīšanā, un tad vispārējā teorija relativitāti ieviesa Alberts Einšteins. 1905. gadā žurnālā Annalen für Physik 26 gadus vecs, nezināms Šveices patentu biroja darbinieks Alberts Einšteins publicēja nelielu 3 lappušu rakstu “Par kustīgu datu nesēju elektrodinamiku”. Pēc fizikas vēsturnieku domām, viņš nebija dzirdējis par Miķelsona-Morlija eksperimentu rezultātiem.

Einšteina koncepcija ļauj atteikties no ētera esamības un izveidot teoriju, ko tagad sauc par īpašo relativitātes teoriju (SRT) un apstiprina visi šodien zināmie eksperimenti.

SRT pamatā ir divi postulāti.

"Gaismas ātruma noturības princips."

Gaismas ātrums nav atkarīgs no gaismas avota kustības ātruma, ir vienāds visās inerciālajās koordinātu sistēmās un ir vienāds ar c = 3 vakuumā 10 8 m/s.

Vēlāk 1916. gadā publicētā vispārējā relativitātes teorija (GTR) norādīja, ka gaismas ātrums neinerciālās koordinātu sistēmās paliek nemainīgs.

Speciālais relativitātes princips.

Dabas likumi ir vienādi (invarianti, kovarianti) visās inerciālajās koordinātu sistēmās.

Einšteins vēlāk rakstīja:

“Visās inerciālajās koordinātu sistēmās dabas likumi saskan. Fizisko realitāti nepieņem telpas punkts vai mirklis laikā, kad kaut kas noticis, bet gan tikai pats notikums. Telpā nepastāv absolūtas (no atskaites telpas neatkarīgas) attiecības, un nav absolūtas attiecības laikā, bet ir absolūtas (no atskaites telpas neatkarīgas) attiecības. attiecības telpā un laikā" ( uzsvēra Einšteins).

Vēlāk Einšteins apliecināja šī postulāta derīgumu visām, tostarp neinerciālajām atskaites sistēmām.

SRT matemātiskais aparāts izmanto četrdimensiju xyzt telpas-laika kontinuumu (Minkovska telpu) un Lorenca koordinātu transformācijas kā materiālajā pasaulē objektīvi pastāvošu faktu matemātisko atspoguļojumu.

Pieņēmums, ka gaismas ātrums ir absolūts, noved pie vairākām sekām, kas ir neparastas un nav novērojamas Ņūtona mehānikas apstākļos. Viena no gaismas ātruma noturības sekām ir laika absolūtās dabas noraidīšana, kas tika ieaudzināta Ņūtona mehānikā. Tagad mums jāatzīst, ka laiks ieplūst savādāk dažādas sistēmas atsauce - notikumi, kas ir vienlaicīgi vienā sistēmā, būs nevienlaicīgi citā.

Apskatīsim divas inerciālās atskaites sistēmas K Un K", pārvietojoties viens pret otru. Ielaidiet tumšā telpā, kas pārvietojas kopā ar sistēmu K", lampiņa mirgo. Kopš gaismas ātruma sistēmā K" ir vienāds (kā jebkurā atskaites sistēmā) c, tad gaisma sasniedz abas pretējās telpas sienas vienlaikus. Tas nenotiks no sistēmas novērotāja viedokļa K. Gaismas ātrums sistēmā K arī vienādi c, bet tā kā telpas sienas pārvietojas attiecībā pret sistēmu K, tad novērotājs sistēmā K atklās, ka gaisma pieskarsies vienai no sienām pirms otras, t.i. sistēmā Kšie notikumi nenotiek vienlaicīgi.

Tādējādi Einšteina mehānikā radinieks ne tikai telpas īpašības, bet arī laika īpašības.