Szczególna teoria względności. Szczególna teoria względności Einsteina

W 1905 roku Albert Einstein opublikował swoją szczególną teorię względności (SRT), która wyjaśniała, jak interpretować ruchy pomiędzy różnymi inercjalnymi układami odniesienia – mówiąc najprościej, obiekty poruszające się z stała prędkość względem siebie.

Einstein wyjaśnił, że gdy dwa obiekty poruszają się ze stałą prędkością, należy wziąć pod uwagę ich ruch względem siebie, a nie przyjmować jeden z nich za absolutny układ odniesienia.

Jeśli więc dwóch astronautów, ty i, powiedzmy, Herman, lecicie na dwóch statkach kosmicznych i chcecie porównać swoje obserwacje, jedyną rzeczą, którą musicie wiedzieć, jest wasza prędkość względem siebie.

Szczególna teoria względności uwzględnia tylko jeden szczególny przypadek (stąd nazwa), gdy ruch jest prostoliniowy i jednostajny. Jeśli ciało materialne przyspiesza lub skręca w bok, prawa SIŁY nie mają już zastosowania. Wtedy wchodzi w życie ogólna teoria względności (GTR), która wyjaśnia ruchy ciał materialnych w ogólnym przypadku.

Teoria Einsteina opiera się na dwóch podstawowych zasadach:

1. Zasada względności: prawa fizyczne są zachowane nawet dla ciał będących inercjalnymi układami odniesienia, czyli poruszającymi się względem siebie ze stałą prędkością.

2. Zasada prędkości światła: Prędkość światła pozostaje taka sama dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich prędkości względem źródła światła. (Fizycy określają prędkość światła jako c).

Jednym z powodów sukcesu Alberta Einsteina jest to, że przedkładał dane eksperymentalne nad dane teoretyczne. Kiedy szereg eksperymentów ujawniło wyniki sprzeczne z ogólnie przyjętą teorią, wielu fizyków zdecydowało, że eksperymenty te były błędne.

Albert Einstein był jednym z pierwszych, którzy zdecydowali się na budowę nowa teoria w oparciu o nowe dane eksperymentalne.

Pod koniec XIX wieku fizycy poszukiwali tajemniczego eteru – ośrodka, w którym zgodnie z ogólnie przyjętymi założeniami powinny rozchodzić się fale świetlne, podobnie jak fale akustyczne, do których rozchodzenia się potrzebne jest powietrze lub inny ośrodek – ciało stałe, płynny lub gazowy. Wiara w istnienie eteru doprowadziła do przekonania, że prędkość światła powinna zmieniać się w zależności od prędkości obserwatora względem eteru.

Albert Einstein porzucił koncepcję eteru i założył, że wszystkie prawa fizyczne, w tym prędkość światła, pozostają niezmienione niezależnie od prędkości obserwatora – co wykazały eksperymenty.

Jednorodność przestrzeni i czasu

SRT Einsteina postuluje fundamentalny związek między przestrzenią i czasem. Jak wiemy, materialny Wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne: góra-dół, prawo-lewo i przód-tył. Dochodzi do tego jeszcze jeden wymiar – czas. Razem te cztery wymiary tworzą kontinuum czasoprzestrzenne.

Jeśli poruszasz się z dużą prędkością, Twoje obserwacje przestrzeni i czasu będą się różnić od obserwacji innych osób poruszających się z mniejszą prędkością.

Poniższy obrazek przedstawia eksperyment myślowy, który pomoże Ci zrozumieć tę ideę. Wyobraź sobie, że jesteś włączony statek kosmiczny, masz w dłoniach laser, za pomocą którego wysyłasz promienie światła na sufit, na którym zamontowane jest lustro. Odbite światło pada na detektor, który je rejestruje.

Z góry - wysłałeś wiązkę światła na sufit, została ona odbita i spadła pionowo na detektor. Dół – w przypadku Hermana wiązka światła biegnie ukośnie w stronę sufitu, a następnie ukośnie w stronę detektora

Załóżmy, że twój statek porusza się ze stałą prędkością, równy połowie prędkość światła (0,5c). Według SRT Einsteina nie ma to dla ciebie znaczenia; nawet nie zauważasz swojego ruchu.

Jednak Herman, obserwując Cię z odpoczywającego statku kosmicznego, zobaczy zupełnie inny obraz. Z jego punktu widzenia wiązka światła przejdzie ukośnie do lustra na suficie, odbije się od niego i spadnie ukośnie na detektor.

Innymi słowy, droga wiązki światła będzie wyglądać inaczej dla Ciebie i dla Hermana, a jej długość będzie inna. Dlatego też czas potrzebny wiązce lasera na pokonanie odległości do lustra i detektora będzie dla Ciebie inny.

Zjawisko to nazywa się dylatacją czasu: czas na statku kosmicznym poruszającym się z dużą prędkością płynie znacznie wolniej z punktu widzenia obserwatora na Ziemi.

Ten przykład, jak i wiele innych, wyraźnie pokazuje nierozerwalny związek między przestrzenią i czasem. To połączenie wyraźnie pojawia się dla obserwatora tylko wtedy, gdy mówimy o o dużych prędkościach bliskich prędkości światła.

Eksperymenty prowadzone od czasu opublikowania przez Einsteina swojej wielkiej teorii potwierdziły, że przestrzeń i czas rzeczywiście są postrzegane odmiennie w zależności od prędkości obiektów.

Połączenie masy i energii

Według teorii wielkiego fizyka, gdy prędkość ciała materialnego wzrasta, zbliżając się do prędkości światła, wzrasta również jego masa. Te. Im szybciej obiekt się porusza, tym staje się cięższy. Po osiągnięciu prędkości światła masa ciała i jego energia stają się nieskończone. Im cięższe ciało, tym trudniej jest zwiększyć jego prędkość; Przyspieszenie ciała o nieskończonej masie wymaga nieskończonej ilości energii, dlatego obiekty materialne nie mogą osiągnąć prędkości światła.

Przed Einsteinem w fizyce pojęcia masy i energii były rozpatrywane oddzielnie. Genialny naukowiec udowodnił, że prawo zachowania masy, a także prawo zachowania energii, są częścią bardziej ogólnego prawa masy i energii.

Dzięki zasadniczemu powiązaniu tych dwóch pojęć materia może zostać zamieniona w energię i odwrotnie – energia w materię.

We wrześniu 1905 r Pojawiła się praca A. Einsteina „O elektrodynamice ciał ruchomych”, w której nakreślono główne postanowienia Szczególnej Teorii Względności (STR). Teoria ta oznaczała rewizję klasycznych koncepcji fizyki dotyczących właściwości przestrzeni i czasu. Dlatego też teorię tę w swej treści można nazwać fizyczną doktryną przestrzeni i czasu . Fizyczny ponieważ właściwości przestrzeni i czasu w tej teorii rozpatrywane są w ścisłym związku z prawami zachodzących w nich zjawisk fizycznych. Termin " specjalny„podkreśla fakt, że teoria ta uwzględnia zjawiska jedynie w inercjalnych układach odniesienia.

Jako punkty wyjścia szczególnej teorii względności Einstein przyjął dwa postulaty, czyli zasady:

1) zasada względności;

2) zasada niezależności prędkości światła od prędkości źródła światła.

Pierwszym postulatem jest uogólnienie zasady względności Galileusza na dowolne procesy fizyczne: wszystkie zjawiska fizyczne przebiegają w ten sam sposób we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Wszystkie prawa natury i równania je opisujące są niezmienne, tj. nie zmieniają się przy przechodzeniu z jednego inercyjnego układu odniesienia do drugiego.

Innymi słowy, Wszystko układy inercyjne odniesienia są równoważne (nierozróżnialne) pod względem właściwości fizycznych.Żadne doświadczenie nie może wyróżnić żadnego z nich jako preferowanego.

Drugi postulat to stwierdza prędkość światła w próżni nie zależy od ruchu źródła światła i jest taka sama we wszystkich kierunkach.

To znaczy, że prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Zatem prędkość światła zajmuje w przyrodzie szczególne miejsce.

Z postulatów Einsteina wynika, że prędkość światła w próżni jest ograniczona: żaden sygnał, żaden wpływ jednego ciała na drugie nie może rozprzestrzeniać się z prędkością przekraczającą prędkość światła w próżni. To ograniczający charakter tej prędkości wyjaśnia tę samą prędkość światła we wszystkich układach odniesienia. Obecność prędkości granicznej automatycznie implikuje ograniczenie prędkości cząstki o wartość „c”. W przeciwnym razie cząstki te mogłyby przesyłać sygnały (lub interakcje między ciałami) z prędkością przekraczającą limit. Zatem zgodnie z postulatami Einsteina wartość wszystkich możliwych prędkości ruchu ciał i propagacji oddziaływań ograniczona jest wartością „c”. Odrzuca to zasadę dalekosiężnego działania mechaniki Newtona.

Ciekawe wnioski płyną z SRT:

1) REDUKCJA DŁUGOŚCI: Ruch dowolnego obiektu wpływa na zmierzoną wartość jego długości.

2) ZWOLNIENIE CZASU: wraz z pojawieniem się SRT pojawiło się stwierdzenie, że czas absolutny nie ma absolutnego znaczenia, jest jedynie idealny reprezentacja matematyczna, ponieważ w przyrodzie nie ma rzeczywistego procesu fizycznego odpowiedniego do pomiaru czasu bezwzględnego.

Upływ czasu zależy od prędkości ruchu układu odniesienia. Przy odpowiednio dużej prędkości, bliskiej prędkości światła, czas zwalnia, tj. występuje relatywistyczna dylatacja czasu.

Zatem w układzie szybko poruszającym się czas płynie wolniej niż w laboratorium nieruchomego obserwatora: gdyby obserwator na Ziemi potrafił śledzić zegar w rakiecie lecącej z dużą prędkością, doszedłby do wniosku, że ona leci wolniej niż jego własny. Efekt dylatacji czasu oznacza, że mieszkańcy statku kosmicznego starzeją się wolniej. Jeśli jeden z dwóch bliźniaków popełnił długi podróż w kosmosie, to po powrocie na Ziemię przekonał się, że jego brat bliźniak, który pozostał w domu, był od niego znacznie starszy.

W niektórych systemach możemy mówić jedynie o czasie lokalnym. Pod tym względem czas nie jest bytem niezależnym od materii; płynie on z różnymi prędkościami w różnych warunkach fizycznych. Czas jest zawsze względny.

3) WZROST WAGI: Masa ciała jest także wielkością względną, zależną od prędkości jego ruchu. Im większa jest prędkość ciała, tym większa staje się jego masa.

Einstein odkrył także związek pomiędzy masą i energią. Formułuje następujące prawo: „masa ciała jest miarą zawartej w nim energii: E=mc 2 ". Jeśli podstawimy do tego wzoru m=1 kg i c=300 000 km/s, to otrzymamy ogromną energię 9,10 16 J, która wystarczyłaby do spalania żarówki elektrycznej przez 30 milionów lat. Ale ilość energii w masie substancji jest ograniczona przez prędkość światła i ilość masy substancji.

Świat wokół nas ma trzy wymiary. SRT argumentuje, że czasu nie można uważać za coś odrębnego i niezmiennego. W 1907 roku niemiecki matematyk Minkowski opracował aparat matematyczny SRT. Zasugerował, że trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy są ze sobą ściśle powiązane. Wszystkie zdarzenia we Wszechświecie zachodzą w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Z matematycznego punktu widzenia SRT jest geometrią czterowymiarowej czasoprzestrzeni Minkowskiego.

STR zostało potwierdzone na obszernym materiale wieloma faktami i eksperymentami (np. podczas rozpadów obserwuje się dylatację czasu). cząstki elementarne w promieniach kosmicznych czy w akceleratorach wysokoenergetycznych) i leży u podstaw teoretycznych opisów wszystkich procesów zachodzących przy prędkościach relatywistycznych.

Zatem opis procesów fizycznych w SRT jest zasadniczo powiązany z układem współrzędnych. Teoria fizyczna nie opisuje samego procesu fizycznego, ale wynik interakcji procesu fizycznego ze środkami badawczymi. Zatem po raz pierwszy w historii fizyki bezpośrednio objawiła się aktywność podmiotu poznania, nierozerwalna interakcja podmiotu i przedmiotu poznania.

SRT, znana również jako szczególna teoria względności, to wyrafinowany model opisowy zależności czasoprzestrzeni, ruchu i praw mechaniki, stworzony w 1905 roku przez laureata Nagrody Nobla Alberta Einsteina.

Wchodząc na wydział fizyki teoretycznej Uniwersytetu w Monachium, Max Planck zwrócił się o poradę do profesora Philippa von Jolly, który w tym czasie kierował wydziałem matematyki na tej uczelni. Na co otrzymał radę: „w tym obszarze prawie wszystko jest już otwarte i pozostaje tylko załatać kilka niezbyt istotnych problemów”. Młody Planck odpowiedział, że nie chce odkrywać nowych rzeczy, a jedynie zrozumieć i usystematyzować już znaną wiedzę. W rezultacie z jednego takiego „niezbyt ważny problem„Następnie powstała teoria kwantowa, a z drugiej teoria względności, za którą Max Planck i Albert Einstein otrzymali Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

W przeciwieństwie do wielu innych teorii opierających się na eksperymentach fizycznych, teoria Einsteina opierała się niemal wyłącznie na jego teorii eksperymenty myślowe i dopiero później zostało potwierdzone w praktyce. Zatem już w 1895 roku (w wieku zaledwie 16 lat) zastanawiał się, co by się stało, gdyby poruszał się równolegle do wiązki światła z jej prędkością? W takiej sytuacji okazało się, że dla zewnętrznego obserwatora cząstki światła powinny oscylować wokół jednego punktu, co jest sprzeczne z równaniami Maxwella i zasadą względności (która głosiła, że prawa fizyczne nie zależą od miejsca, w którym się znajdujesz i od prędkość, z jaką się poruszasz). W ten sposób młody Einstein doszedł do wniosku, że prędkość światła powinna być nieosiągalna dla ciała materialnego, i położył pierwszą cegłę pod podstawę przyszłej teorii.

Kolejny eksperyment przeprowadził przez niego w 1905 roku i polegał na tym, że na końcach jadącego pociągu znajdują się dwa pulsacyjne źródła światła, które zapalają się jednocześnie. Dla zewnętrznego obserwatora, który przechodzi obok pociągu, oba te zdarzenia mają miejsce jednocześnie, ale dla obserwatora znajdującego się w środku pociągu będzie się wydawać, że wydarzyły się one w tym samym czasie. inny czas, gdyż błysk światła z początku samochodu nadejdzie wcześniej niż z jego końca (ze względu na stałą prędkość światła).

Wyciągnął z tego bardzo śmiały i daleko idący wniosek, że jednoczesność zdarzeń jest względna. Obliczenia uzyskane na podstawie tych eksperymentów opublikował w pracy „O elektrodynamice ciał ruchomych”. Co więcej, dla poruszającego się obserwatora jeden z tych impulsów będzie miał większą energię niż drugi. Aby w takiej sytuacji nie została naruszona zasada zachowania pędu przy przechodzeniu z jednego inercjalnego układu odniesienia do drugiego, konieczne było, aby obiekt jednocześnie z utratą energii utracił masę. W ten sposób Einstein doszedł do wzoru charakteryzującego związek pomiędzy masą i energią E=mc 2 - co jest obecnie chyba najsłynniejszym wzorem fizycznym. Wyniki tego eksperymentu zostały przez niego opublikowane jeszcze w tym samym roku.

Podstawowe postulaty

Stałość prędkości światła– do 1907 r. prowadzono eksperymenty mierzące z dokładnością ±30 km/s (czyli większą od prędkości orbitalnej Ziemi) i nie wykryto jej zmian w ciągu roku. Był to pierwszy dowód na niezmienność prędkości światła, co zostało później potwierdzone przez wiele innych eksperymentów, zarówno eksperymentatorów na Ziemi, jak i automatycznych urządzeń w kosmosie.

Zasada względności- zasada ta określa niezmienność prawa fizyczne w dowolnym punkcie przestrzeni i w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia. Oznacza to, że niezależnie od tego, czy poruszasz się z prędkością około 30 km/s po orbicie Słońca razem z Ziemią, czy też w statku kosmicznym daleko poza jej granicami – wykonując eksperyment fizyczny, zawsze trafisz na takie same wyniki (jeśli twój statek jest w tym czasie, nie przyspiesza ani nie zwalnia). Zasadę tę potwierdziły wszystkie eksperymenty na Ziemi, a Einstein mądrze uznał tę zasadę za prawdziwą dla reszty Wszechświata.

Konsekwencje

Na podstawie obliczeń opartych na tych dwóch postulatach Einstein doszedł do wniosku, że czas dla obserwatora poruszającego się na statku powinien zwalniać wraz ze wzrostem prędkości, a on wraz ze statkiem powinien zmniejszać się w kierunku ruchu (aby kompensując w ten sposób skutki ruchu i zachowując zasadę względności). Z warunku skończonej prędkości dla ciała materialnego wynikało także, że regułę dodawania prędkości (która w mechanice Newtona miała prostą postać arytmetyczną) należy zastąpić bardziej złożonymi transformacjami Lorentza – w tym przypadku nawet jeśli dodamy dwie prędkości do 99% prędkości światła, uzyskamy 99,995% tej prędkości, ale jej nie przekroczymy.

Stan teorii

Od powstania z prywatna teoria jego ogólna wersja zajęła Einsteinowi zaledwie 11 lat; nie przeprowadzono żadnych eksperymentów, które bezpośrednio potwierdziłyby SRT. Jednak w tym samym roku, w którym została opublikowana, Einstein opublikował także swoje obliczenia wyjaśniające przesunięcie peryhelium Merkurego z dokładnością do ułamka procenta, bez konieczności wprowadzania nowych stałych i innych założeń, których wymagały inne teorie wyjaśnił ten proces. Od tego czasu poprawność ogólnej teorii względności została potwierdzona eksperymentalnie z dokładnością 10 -20 i na jej podstawie dokonano wielu odkryć, co jednoznacznie potwierdza poprawność tej teorii.

Mistrzostwo w otwarciu

Kiedy Einstein opublikował swoje pierwsze prace na temat szczególnej teorii względności i zaczął pisać jej ogólną wersję, inni naukowcy odkryli już znaczną część wzorów i idei leżących u podstaw tej teorii. Powiedzmy więc transformację Lorentza w ogólna perspektywa zostały po raz pierwszy uzyskane przez Poincarégo w 1900 r. (5 lat przed Einsteinem) i nazwane na cześć Hendrika Lorentza, który uzyskał przybliżoną wersję tych przemian, choć i w tej roli wyprzedził Waldemara Vogta.

3.5. Szczególna teoria względności (STR)

Wprowadzenie do SRT

Z teorią względności zapoznajemy się w szkole średniej. Teoria ta wyjaśnia nam zjawiska otaczającego świata w sposób sprzeczny ze „zdrowym rozsądkiem”. To prawda, to samo zauważył kiedyś A. Einstein: „Zdrowy rozsądek to uprzedzenia, które rozwijają się przed ukończeniem osiemnastego roku życia”.

Już w XVIII wieku. naukowcy próbowali odpowiedzieć na pytania dotyczące przenoszenia oddziaływań grawitacyjnych i propagacji światła (później dowolne fale elektromagnetyczne). Poszukiwanie odpowiedzi na te pytania było przyczyną rozwoju teorii względności.

W 19-stym wieku fizycy byli przekonani, że istnieje tak zwany eter (eter świata, eter świetlny). Według idei minionych stuleci jest to rodzaj wszechprzenikającego, wszechwypełniającego środowiska. Rozwój fizyki w drugiej połowie XIX wieku. wymagało od naukowców możliwie największej konkretyzacji swoich poglądów na temat eteru. Jeśli założymy, że eter jest podobny do gazu, to tylko fale podłużne, a fale elektromagnetyczne są poprzeczne. Nie jest jasne, jak mogłyby poruszać się w takim eterze ciała niebieskie. Do transmisji zgłoszono inne poważne zastrzeżenia. W tym samym czasie szkocki fizyk James Maxwell (1831–1879) stworzył teorię pole elektromagnetyczne, z czego w szczególności wynikało, że końcowa prędkość propagacji tego pola w przestrzeni kosmicznej wynosiła 300 000 km/s. Niemiecki fizyk Heinrich Hertz (1857–1894) eksperymentalnie udowodnił tożsamość światła, promieni cieplnych i elektromagnetycznego „ruchu falowego”. Ustalił, że siła elektromagnetyczna działa przy prędkości 300 000 km/s. Co więcej, Hertz ustalił, że „siły elektryczne można oddzielić od ciężkich ciał i nadal istnieć niezależnie jako stan lub zmiana w przestrzeni”. Jednak sytuacja z eterem wzbudziła wiele pytań i aby obalić tę koncepcję, potrzebny był bezpośredni eksperyment. Pomysł został sformułowany przez Maxwella, który zaproponował wykorzystanie Ziemi jako poruszającego się ciała, poruszającego się po orbicie z prędkością 30 km/s. To doświadczenie wymagało niezwykle dużej dokładności pomiaru. Ten najtrudniejszy problem rozwiązali w 1881 roku amerykańscy fizycy A. Michelson i E. Morley. Zgodnie z hipotezą „stacjonarnego eteru” podczas poruszania się Ziemi przez „eter” można zaobserwować „wiatr eteryczny”, a prędkość światła względem Ziemi powinna zależeć od kierunku promienia światła względem kierunku ruchu Ziemi w eterze (to znaczy, że światło jest skierowane wzdłuż ruchu Ziemi i przeciwnie). Prędkości w obecności eteru musiały być różne. Okazało się jednak, że nie uległy zmianie. To pokazało, że nie było powietrza. Ten negatywny wynik potwierdził teorię względności. Eksperyment Michelsona i Morleya mający na celu wyznaczenie prędkości światła powtórzono kilka razy później, w latach 1885–1887, z tym samym skutkiem.

W 1904 roku na kongresie naukowym francuski matematyk Henri Poincaré (1854–1912) wyraził opinię, że w przyrodzie nie może być prędkości większych od prędkości światła. Jednocześnie A. Poincaré sformułował zasadę względności jako uniwersalne prawo natury. W 1905 roku napisał: „Niemożność udowodnienia eksperymentalnie absolutnego ruchu Ziemi jest oczywiście ogólnym prawem natury”. Wskazuje tutaj na transformacje Lorentza i ogólny związek między współrzędnymi przestrzennymi i czasowymi.

Albert Einstein (1879–1955), tworząc szczególną teorię względności, nie wiedział jeszcze o wynikach Poincarégo. Einstein napisał później: „Absolutnie nie rozumiem, dlaczego wychwala się mnie jako twórcę teorii względności. Gdyby nie ja, Poincaré zrobiłby to w rok, Minkowski zrobiłby to w dwa lata, wszak ponad połowa tego biznesu należy do Lorentza. Moje zasługi są przesadzone.” Jednak Lorentz ze swojej strony napisał w 1912 r.: „Zasługa Einsteina polega na tym, że jako pierwszy wyraził zasadę względności w formie uniwersalnego, ścisłego prawa”.

Dwa postulaty Einsteina w SRT

Aby opisać zjawiska fizyczne, Galileusz wprowadził koncepcję układu inercjalnego. W takim układzie ciało, na które nie działa żadna siła, znajduje się w spoczynku lub w stanie jednorodności ruch prostoliniowy. Prawa opisujące ruch mechaniczny, w różnych układach inercjalnych są równie ważne, to znaczy nie zmieniają się podczas przechodzenia z jednego układu współrzędnych do drugiego. Na przykład, jeśli pasażer idzie w jadącym wagonie kolejowym w kierunku jego ruchu z dużą prędkością w 1 = 4 km/h, a pociąg jedzie z dużą prędkością w 2 = 46 km/h, to prędkość pasażera względem toru kolejowego będzie wynosić w= w 1 +w 2 = 50 km/h, czyli jest dodana prędkość. Według „zdrowego rozsądku” jest to fakt niepodważalny:

w= w 1 +w 2

Jednak w świecie dużych prędkości, porównywalnych z prędkością światła, podany wzór na dodawanie prędkości jest po prostu błędny. W naturze światło przemieszcza się z dużą prędkością Z= 300 000 km/s, niezależnie od kierunku, w którym porusza się źródło światła względem obserwatora.

W 1905 roku w języku niemieckim magazyn naukowy„Annals of Physics” 26-letni Albert Einstein opublikował artykuł „O elektrodynamice ciał w ruchu”. W artykule tym sformułował dwa słynne postulaty, które stały się podstawą częściowej, czyli szczególnej teorii względności (SRT), która zmieniła klasyczne koncepcje dotyczące przestrzeni i czasu.

W pierwszym z postulatów Einstein rozwinął klasyczną zasadę względności Galileusza. Pokazał, że zasada ta jest uniwersalna, także dla elektrodynamiki (a nie tylko dla układów mechanicznych). Stanowisko to nie było jednoznaczne, gdyż konieczne było porzucenie Newtonowskiego działania dalekiego zasięgu.

Ogólna zasada względności Einsteina stwierdza, że żadne eksperymenty fizyczne (mechaniczne i elektromagnetyczne) w danym układzie odniesienia nie mogą ustalić, czy układ ten porusza się ruchem jednostajnym, czy też jest w spoczynku. Jednocześnie przestrzeń i czas są ze sobą powiązane, zależne od siebie (dla Galileusza i Newtona przestrzeń i czas są od siebie niezależne).

Einstein zaproponował drugi postulat szczególnej teorii względności po przeanalizowaniu elektrodynamiki Maxwella - jest to zasada stałości prędkości światła w próżni, która jest w przybliżeniu równa 300 000 km/s.

Prędkość światła jest największą prędkością w naszym Wszechświecie. W otaczającym nas świecie nie może być prędkości większej niż 300 000 km/s.

W nowoczesnych akceleratorach mikrocząstki przyspieszane są do ogromnych prędkości. Na przykład elektron przyspiesza do prędkości v e = 0,9999999 C, gdzie v e, C to odpowiednio prędkości elektronu i światła. W tym przypadku z punktu widzenia obserwatora masa elektronu wzrasta 2500 razy:

Tutaj m e0 jest masą spoczynkową elektronu, M mi– masa elektronu przy prędkości w mi .

Elektron nie może osiągnąć prędkości światła. Istnieją jednak mikrocząstki posiadające prędkość światła, nazywane są „luksonami”.

Należą do nich fotony i neutrina. Praktycznie nie mają masy spoczynkowej, nie można ich spowolnić, zawsze poruszają się z prędkością światła Z. Wszystkie inne mikrocząstki (tardyony) poruszają się z prędkością mniejszą niż prędkość światła. Mikrocząstki, których prędkość ruchu może być większa niż prędkość światła, nazywane są tachionami. Takie cząstki w naszym prawdziwy świat NIE.

Niezwykle ważnym wynikiem teorii względności jest identyfikacja związku pomiędzy energią i masą ciała. Przy małych prędkościach

Gdzie mi = m 0 C 2 – energia spoczynkowa cząstki o masie spoczynkowej M 0, o mi K– energia kinetyczna poruszającej się cząstki.

Ogromnym osiągnięciem teorii względności jest fakt, że ustaliła ona równoważność masy i energii (E = m 0 C 2). Nie mówimy jednak o przemianie masy w energię i odwrotnie, ale raczej o tym, że przemiana energii z jednego rodzaju na drugi odpowiada przejściu masy z jednej formy do drugiej. Energii nie można zastąpić masą, ponieważ energia charakteryzuje zdolność ciała do wykonania pracy, a masa jest miarą bezwładności.

Przy prędkościach relatywistycznych bliskich prędkości światła:

Gdzie mi– energia, M– masa cząstki, M– masa spoczynkowa cząstki, Z– prędkość światła w próżni.

Z powyższego wzoru jasno wynika, że aby cząstka mogła osiągnąć prędkość światła, należy przekazać cząstce nieskończenie dużą ilość energii. W przypadku fotonów i neutrin ten wzór nie jest sprawiedliwy, ponieważ tak jest w= C.

Efekty relatywistyczne

W teorii względności efekty relatywistyczne oznaczają zmiany właściwości czasoprzestrzennych ciał przy prędkościach porównywalnych z prędkością światła.

Jako przykład zwykle bierze się pod uwagę statek kosmiczny, taki jak rakieta fotonowa, który leci w przestrzeni kosmicznej z prędkością proporcjonalną do prędkości światła. W tym przypadku nieruchomy obserwator może zauważyć trzy efekty relatywistyczne:

1. Wzrost masy w porównaniu do masy spoczynkowej. Wraz ze wzrostem prędkości rośnie masa. Gdyby ciało mogło poruszać się z prędkością światła, wówczas jego masa wzrosłaby do nieskończoności, co jest niemożliwe. Einstein udowodnił, że masa ciała jest miarą zawartej w nim energii (E= mc 2 ). Nie da się przekazać ciału nieskończonej energii.

2. Zmniejszenie wymiary liniowe ciała w kierunku jego ruchu. Im większa prędkość statku kosmicznego przelatującego obok nieruchomego obserwatora i im bliżej jest prędkości światła, tym mniejszy będzie rozmiar tego statku dla nieruchomego obserwatora. Kiedy statek osiągnie prędkość światła, jego obserwowana długość będzie wynosić zero, co nie może być. Na samym statku astronauci nie będą obserwować tych zmian. 3. Dylatacja czasu. W statku kosmicznym poruszającym się z prędkością bliską prędkości światła czas płynie wolniej niż w przypadku nieruchomego obserwatora.

Efekt dylatacji czasu miałby wpływ nie tylko na zegar znajdujący się wewnątrz statku, ale także na wszystkie procesy zachodzące w nim i rytmy biologiczne astronautów. Rakiety fotonowej nie można jednak uznać za układ inercjalny, ponieważ podczas przyspieszania i zwalniania porusza się z przyspieszeniem (a nie równomiernie i prostoliniowo).

Teoria względności oferuje zasadniczo nowe szacunki zależności czasoprzestrzennych między obiektami fizycznymi. W fizyce klasycznej przy przechodzeniu z jednego układu inercjalnego (nr 1) do drugiego (nr 2) czas pozostaje taki sam - t 2 = T L a współrzędne przestrzenne zmieniają się zgodnie z równaniem X 2 = X 1 – wt. Teoria względności wykorzystuje tzw. transformacje Lorentza:

Z zależności jasno wynika, że współrzędne przestrzenne i czasowe zależą od siebie. Jeśli chodzi o zmniejszenie długości w kierunku ruchu, to

i upływ czasu zwalnia:

W 1971 roku w USA przeprowadzono eksperyment mający na celu określenie dylatacji czasu. Zrobili dwa absolutnie identyczne, dokładne zegarki. Część zegarków pozostała na ziemi, inne umieszczono w samolocie, który leciał wokół Ziemi. Samolot lecący po okręgu wokół Ziemi porusza się z pewnym przyspieszeniem, co oznacza, że zegar na pokładzie samolotu znajduje się w innej sytuacji niż zegar stojący na ziemi. Zgodnie z prawami względności zegar podróżujący powinien był opóźniać się w stosunku do zegara spoczynkowego o 184 ns, ale w rzeczywistości opóźnienie wynosiło 203 ns. Były też inne eksperymenty sprawdzające efekt dylatacji czasu i wszystkie potwierdziły fakt spowolnienia. Zatem różny przepływ czasu w układach współrzędnych poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym i prostoliniowym jest faktem niezmiennym, potwierdzonym eksperymentalnie.

Ogólna teoria względności

Po opublikowaniu szczególnej teorii względności w 1905 r. A. Einstein zwrócił się ku współczesnej koncepcji grawitacji. W 1916 roku opublikował ogólną teorię względności (GTR), która wyjaśnia teorię grawitacji z współczesnego punktu widzenia. Opiera się na dwóch postulatach szczególnej teorii względności i formułuje postulat trzeci – zasadę równoważności mas bezwładnościowych i grawitacyjnych. Najważniejszym wnioskiem Ogólnej Teorii Względności jest stanowisko dotyczące zmian charakterystyk geometrycznych (przestrzennych) i czasowych w polach grawitacyjnych (i nie tylko podczas poruszania się z dużymi prędkościami). Wniosek ten łączy GTR z geometrią, czyli w GTR obserwuje się geometrię grawitacji. Klasyczna geometria euklidesowa nie nadawała się do tego. Nowa geometria pojawiła się w XIX wieku. w pracach rosyjskiego matematyka N. I. Łobaczewskiego, niemieckiego matematyka B. Riemanna, węgierskiego matematyka J. Bolyai.

Geometria naszej przestrzeni okazała się nieeuklidesowa.

Naturalne sceptyczne pytanie: „Jakie są granice stosowalności transformacji Galileusza?” pojawił się przed ludzkością pod koniec XIX i na początku XX wieku. Powstał w związku z badaniem paradoksalnych właściwości eteru - hipotetycznego ośrodka absolutnie elastycznego, w którym światło rozchodzi się bez tłumienia, jak w ośrodku absolutnie stałym.

Wątpliwości co do nieskończonej stosowalności przekształceń Galileusza, przynajmniej w części prawa dodawania prędkości, pojawiły się przy analizie wyników eksperymentów Michelsona-Morleya mających na celu wyznaczenie prędkości „eterycznego wiatru” z porównania prędkości światła emitowane przez źródło poruszające się zgodnie z kierunkiem ruchu Ziemi po orbicie i prędkością światła w kierunku prostopadłym do stycznej do orbity. Pomiarów dokonano przy użyciu niezwykle precyzyjnego instrumentu – interferometru Michelsona. Ziemię wybrano pomysłowo jako obiekt poruszający się z prędkością liniową 30 km/s, praktycznie nieosiągalną przez współczesną technologię dla obiektów masywnych.

Eksperyment Michelsona, przeprowadzony po raz pierwszy w 1881 r. i dający odpowiedź negatywną, miał zasadniczo założenia: płytę o grubości do 0,5 m, na której montowano lustra, wykonano z granitu, który nieznacznie rozszerza się pod wpływem ogrzewania, i pływano w rtęci w celu uniknięcia odkształceń obrót. Pierwotna dokładność eksperymentu umożliwiła wykrycie „eterycznego wiatru” przy prędkości 10 km/s. Później powtarzano to wielokrotnie, dokładność zwiększono do możliwości wykrywania prędkości wiatru do 30 m/s. Ale odpowiedź była stale zerowa.

Transformacje Galileusza nie potwierdziły się podczas obserwacji ruchów przy dużych prędkościach. Np. nie było zakłóceń w rytmie okresowego ruchu gwiazd podwójnych, natomiast kierunek prędkości ich ruchu zmieniał się na drodze obrotowej do przodu i do tyłu. Okazało się zatem, że prędkość światła jest niezależna od ruchu źródła.

Od czasu eksperymentów Michelsona i Morleya w 1881 r. aż do 1905 r. – przed opracowaniem podstaw SRT – podejmowano liczne próby opracowania hipotez wyjaśniających wyniki kluczowego eksperymentu. A jednocześnie wszyscy starali się zachować eter, modyfikując jedynie jego właściwości.

Najbardziej znane są ciekawe próby irlandzkiego fizyka George'a Fitzgeralda i holenderskiego fizyka Hendrika Lorentza. Pierwszy zaproponował pomysł zmniejszenia długości ciała w kierunku ruchu, im więcej, tym większa prędkość ruchu. Lorenz zasugerował możliwość lokalnego przepływu czasu („czasu lokalnego”) w układzie ruchomym, zgodnie z prawami różniącymi się od praw obowiązujących w układzie stacjonarnym. Lorentz zaproponował modyfikację transformacji współrzędnych Galileusza.

Postulaty Einsteina w szczególnej teorii względności

Zdecydowany wkład w powstanie specjalnego, a potem ogólna teoria teorię względności wprowadził Albert Einstein. W 1905 roku w czasopiśmie Annalen für Physik 26-letni, nieznany pracownik szwajcarskiego urzędu patentowego Albert Einstein opublikował niewielki, 3-stronicowy artykuł „O elektrodynamice ośrodków ruchomych”. Według historyków fizyki nie słyszał o wynikach eksperymentów Michelsona-Morleya.

Koncepcja Einsteina pozwala porzucić istnienie eteru i zbudować teorię, zwaną obecnie Szczególną Teorią Względności (SRT) i potwierdzoną wszystkimi znanymi dziś eksperymentami.

SRT opiera się na dwóch postulatach.

„Zasada stałości prędkości światła”.

Prędkość światła nie zależy od prędkości ruchu źródła światła, jest taka sama we wszystkich inercjalnych układach współrzędnych i wynosi c = 3 w próżni 10 8 SM.

Później ogólna teoria względności (GTR), opublikowana w 1916 r., stwierdziła, że prędkość światła pozostaje stała w nieinercjalnych układach współrzędnych.

Szczególna zasada względności.

Prawa natury są takie same (niezmiennicze, kowariantne) we wszystkich inercjalnych układach współrzędnych.

Einstein napisał później:

„We wszystkich inercyjnych układach współrzędnych prawa natury są zgodne. Rzeczywistości fizycznej nie posiada punkt w przestrzeni ani moment w czasie, w którym coś się wydarzyło, lecz jedynie samo wydarzenie. Nie ma absolutnej (niezależnej od przestrzeni odniesienia) relacji w przestrzeni i nie ma absolutnej relacji w czasie, jest natomiast absolutna (niezależna od przestrzeni odniesienia) relacja. związek w przestrzeni i czasie” ( podkreślał Einstein).

Później Einstein potwierdził słuszność tego postulatu dla wszystkich, w tym nieinercyjnych, układów odniesienia.

Aparat matematyczny STR wykorzystuje czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne xyzt (przestrzeń Minkowskiego) i transformacje współrzędnych Lorentza jako matematyczne odzwierciedlenie faktów obiektywnie istniejących w świecie materialnym.

Założenie, że prędkość światła jest absolutna, prowadzi do szeregu konsekwencji, które są niezwykłe i nie obserwowane w warunkach mechaniki Newtona. Jedną z konsekwencji stałości prędkości światła jest odrzucenie absolutnej natury czasu, które zostało wpojone mechanice newtonowskiej. Musimy teraz przyznać, że czas płynie inaczej różne systemy odniesienie - zdarzenia, które są jednoczesne w jednym systemie, nie będą równoczesne w innym.

Rozważmy dwa inercjalne układy odniesienia K I K", poruszając się względem siebie. Wpuść ciemne pomieszczenie poruszając się wraz z systemem K", lampka miga. Od prędkości światła w systemie K" jest równe (jak w każdym układzie odniesienia) C, wówczas światło dociera jednocześnie do obu przeciwległych ścian pomieszczenia. To nie jest to, co stanie się z punktu widzenia obserwatora w systemie K. Prędkość światła w systemie K również równe C, ale ponieważ ściany pokoju poruszają się względem systemu K, a następnie obserwator w systemie K wykryje, że światło dotknie jednej ze ścian wcześniej niż drugiej, tj. w systemie K zdarzenia te nie są jednoczesne.

Tak więc w mechanice Einsteina względny Nie tylko właściwości przestrzeni, ale również właściwości czasu.