Teoria especial da relatividade. Teoria da relatividade especial de Einstein

Em 1905, Albert Einstein publicou sua teoria da relatividade especial (SRT), que explicava como interpretar os movimentos entre diferentes referenciais inerciais - simplificando, objetos que se movem com velocidade constante em relação um ao outro.

Einstein explicou que quando dois objetos se movem a velocidade constante, deve-se considerar o movimento deles em relação um ao outro, em vez de tomar um deles como um referencial absoluto.

Portanto, se dois astronautas, você e, digamos, Herman, estão voando em duas espaçonaves e querem comparar suas observações, a única coisa que você precisa saber é a velocidade um em relação ao outro.

A teoria da relatividade especial considera apenas um caso especial (daí o nome), quando o movimento é retilíneo e uniforme. Se um corpo material acelera ou vira para o lado, as leis do STR não se aplicam mais. Então entra em vigor a teoria da relatividade geral (GTR), que explica os movimentos dos corpos materiais no caso geral.

A teoria de Einstein é baseada em dois princípios principais:

1. O princípio da relatividade: as leis físicas são preservadas mesmo para corpos que são referenciais inerciais, ou seja, movendo-se a uma velocidade constante entre si.

2. Princípio da velocidade da luz: A velocidade da luz permanece a mesma para todos os observadores, independentemente de sua velocidade em relação à fonte de luz. (Os físicos designam a velocidade da luz como c).

Uma das razões do sucesso de Albert Einstein é que ele valorizava os dados experimentais em detrimento dos dados teóricos. Quando uma série de experimentos revelaram resultados que contradiziam a teoria geralmente aceita, muitos físicos decidiram que esses experimentos estavam errados.

Albert Einstein foi um dos primeiros que decidiu construir nova teoria com base em novos dados experimentais.

No final do século XIX, os físicos procuravam o misterioso éter - meio no qual, segundo pressupostos geralmente aceitos, as ondas de luz deveriam se propagar, como as ondas acústicas, cuja propagação requer ar, ou outro meio - sólido, líquido ou gasoso. A crença na existência do éter levou à crença de que a velocidade da luz deveria variar dependendo da velocidade do observador em relação ao éter.

Albert Einstein abandonou o conceito de éter e assumiu que todas as leis físicas, incluindo a velocidade da luz, permanecem inalteradas independentemente da velocidade do observador - como mostraram os experimentos.

Homogeneidade de espaço e tempo

A SRT de Einstein postula uma conexão fundamental entre espaço e tempo. O Universo material, como sabemos, tem três dimensões espaciais: cima-baixo, direita-esquerda e frente-trás. Outra dimensão é acrescentada a isso – o tempo. Juntas, essas quatro dimensões constituem o continuum espaço-tempo.

Se você estiver se movendo em alta velocidade, suas observações do espaço e do tempo serão diferentes daquelas de outras pessoas que se movem em velocidade mais lenta.

A imagem abaixo é um experimento mental que o ajudará a entender essa ideia. Imagine que você está nave espacial, você tem um laser nas mãos, com o qual envia raios de luz para o teto onde está montado o espelho. A luz, refletida, incide sobre o detector, que os registra.

De cima - você enviou um feixe de luz para o teto, ele foi refletido e caiu verticalmente sobre o detector. Parte inferior - Para Herman, seu feixe de luz se move diagonalmente para o teto e depois diagonalmente para o detector

Digamos que seu navio esteja se movendo a uma velocidade constante, igual à metade velocidade da luz (0,5c). De acordo com a SRT de Einstein, isso não importa para você; você nem percebe seu movimento.

No entanto, Herman, observando você de uma nave estelar em repouso, verá uma imagem completamente diferente. Do ponto de vista dele, um feixe de luz passará diagonalmente até o espelho no teto, será refletido nele e cairá diagonalmente sobre o detector.

Em outras palavras, o caminho do feixe de luz parecerá diferente para você e para Herman e seu comprimento será diferente. E, portanto, o tempo que leva para o feixe de laser percorrer a distância até o espelho e até o detector parecerá diferente para você.

Este fenômeno é chamado de dilatação do tempo: o tempo em uma nave estelar movendo-se em alta velocidade flui muito mais lentamente do ponto de vista de um observador na Terra.

Este exemplo, assim como muitos outros, demonstra claramente a ligação inextricável entre espaço e tempo. Esta conexão aparece claramente para o observador apenas quando estamos falando sobre sobre altas velocidades próximas à velocidade da luz.

Experimentos realizados desde que Einstein publicou sua grande teoria confirmaram que o espaço e o tempo são de fato percebidos de forma diferente dependendo da velocidade dos objetos.

Combinando massa e energia

Segundo a teoria do grande físico, quando a velocidade de um corpo material aumenta, aproximando-se da velocidade da luz, sua massa também aumenta. Aqueles. Quanto mais rápido um objeto se move, mais pesado ele se torna. Se a velocidade da luz for atingida, a massa do corpo, assim como sua energia, tornam-se infinitas. Quanto mais pesado o corpo, mais difícil é aumentar sua velocidade; Acelerar um corpo com massa infinita requer uma quantidade infinita de energia, por isso é impossível que objetos materiais atinjam a velocidade da luz.

Antes de Einstein, os conceitos de massa e energia eram considerados separadamente na física. O brilhante cientista provou que a lei da conservação da massa, bem como a lei da conservação da energia, são partes da lei mais geral da massa-energia.

Graças à ligação fundamental entre estes dois conceitos, a matéria pode ser transformada em energia e vice-versa - energia em matéria.

Em setembro de 1905 Apareceu o trabalho de A. Einstein “Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento”, no qual foram delineadas as principais disposições da Teoria da Relatividade Especial (STR). Esta teoria significou uma revisão dos conceitos clássicos da física sobre as propriedades do espaço e do tempo. Portanto, esta teoria em seu conteúdo pode ser chamada de doutrina física do espaço e do tempo . Físico porque as propriedades do espaço e do tempo nesta teoria são consideradas em estreita conexão com as leis dos fenômenos físicos que ocorrem nelas. O termo " especial"enfatiza o fato de que esta teoria considera fenômenos apenas em referenciais inerciais.

Como ponto de partida da teoria da relatividade especial, Einstein aceitou dois postulados, ou princípios:

1) o princípio da relatividade;

2) o princípio da independência da velocidade da luz em relação à velocidade da fonte de luz.

O primeiro postulado é uma generalização do princípio da relatividade de Galileu para quaisquer processos físicos: todos os fenômenos físicos procedem da mesma maneira em todos os referenciais inerciais. Todas as leis da natureza e as equações que as descrevem são invariantes, ou seja, não muda ao passar de um sistema de referência inercial para outro.

Em outras palavras, Todos sistemas inerciais as referências são equivalentes (indistinguíveis) em suas propriedades físicas. Nenhuma quantidade de experiência pode destacar qualquer um deles como preferível.

O segundo postulado afirma que a velocidade da luz no vácuo não depende do movimento da fonte de luz e é a mesma em todas as direções.

Significa que a velocidade da luz no vácuo é a mesma em todos os referenciais inerciais. Assim, a velocidade da luz ocupa uma posição especial na natureza.

Segue-se dos postulados de Einstein que a velocidade da luz no vácuo é limitante: nenhum sinal, nenhuma influência de um corpo sobre outro pode se propagar a uma velocidade que exceda a velocidade da luz no vácuo. É a natureza limitante desta velocidade que explica a mesma velocidade da luz em todos os sistemas de referência. A presença de uma velocidade limite implica automaticamente uma limitação da velocidade da partícula por um valor de “c”. Caso contrário, essas partículas poderiam transmitir sinais (ou interações entre corpos) a uma velocidade superior ao limite. Assim, de acordo com os postulados de Einstein, o valor de todas as velocidades possíveis de movimento dos corpos e de propagação das interações é limitado pelo valor “c”. Isto rejeita o princípio da ação de longo alcance da mecânica newtoniana.

Conclusões interessantes seguem do SRT:

1) REDUÇÃO DE COMPRIMENTO: O movimento de qualquer objeto afeta o valor medido do seu comprimento.

2) DESACELERAÇÃO DO TEMPO: com o advento da SRT, surgiu a afirmação de que o tempo absoluto não tem significado absoluto, é apenas ideal representação matemática, porque na natureza não existe um processo físico real adequado para medir o tempo absoluto.

A passagem do tempo depende da velocidade de movimento do referencial. A uma velocidade suficientemente alta, próxima à velocidade da luz, o tempo desacelera, ou seja, ocorre dilatação do tempo relativístico.

Assim, em um sistema em movimento rápido, o tempo flui mais lentamente do que no laboratório de um observador estacionário: se um observador na Terra fosse capaz de seguir o relógio de um foguete voando em alta velocidade, ele chegaria à conclusão de que ele estava funcionando mais lento que o seu. O efeito de dilatação do tempo significa que os habitantes da nave envelhecem mais lentamente. Se um dos dois gêmeos cometesse um longo viagem espacial, então, ao retornar à Terra, descobriria que seu irmão gêmeo, que permaneceu em casa, era muito mais velho que ele.

Em alguns sistemas só podemos falar sobre a hora local. A este respeito, o tempo não é uma entidade independente da matéria; flui a diferentes velocidades sob diferentes condições físicas. O tempo é sempre relativo.

3) AUMENTO DE PESO: A massa de um corpo também é uma quantidade relativa, dependendo da velocidade de seu movimento. Quanto maior a velocidade de um corpo, maior se torna sua massa.

Einstein também descobriu a conexão entre massa e energia. Ele formula a seguinte lei: “a massa de um corpo é uma medida da energia nele contida: E=mс 2". Se substituirmos m=1 kg e c=300.000 km/s nesta fórmula, obteremos uma enorme energia de 9·10 16 J, que seria suficiente para queimar uma lâmpada elétrica durante 30 milhões de anos. Mas a quantidade de energia na massa de uma substância é limitada pela velocidade da luz e pela quantidade de massa da substância.

O mundo que nos rodeia tem três dimensões. A SRT argumenta que o tempo não pode ser considerado algo separado e imutável. Em 1907, o matemático alemão Minkowski desenvolveu o aparato matemático do SRT. Ele sugeriu que três dimensões espaciais e uma temporal estão intimamente relacionadas. Todos os eventos no Universo ocorrem no espaço-tempo quadridimensional. Do ponto de vista matemático, SRT é a geometria do espaço-tempo Minkowski quadridimensional.

O STR foi confirmado em material extenso, por muitos fatos e experimentos (por exemplo, a dilatação do tempo é observada durante decaimentos partículas elementares em raios cósmicos ou em aceleradores de alta energia) e fundamenta as descrições teóricas de todos os processos que ocorrem em velocidades relativísticas.

Assim, a descrição dos processos físicos no SRT está essencialmente ligada ao sistema de coordenadas. A teoria física não descreve o processo físico em si, mas o resultado da interação do processo físico com os meios de pesquisa. Portanto, pela primeira vez na história da física, a atividade do sujeito da cognição, a interação inseparável do sujeito e do objeto da cognição, se manifestou diretamente.

SRT, também conhecida como teoria da relatividade especial, é um modelo descritivo sofisticado para as relações entre espaço-tempo, movimento e as leis da mecânica, criado em 1905 pelo ganhador do Prêmio Nobel Albert Einstein.

Entrando no departamento de física teórica da Universidade de Munique, Max Planck pediu conselhos ao professor Philipp von Jolly, que na época chefiava o departamento de matemática desta universidade. Ao que recebeu o conselho: “nesta área já está quase tudo em aberto e só falta resolver alguns problemas não muito importantes”. O jovem Planck respondeu que não queria descobrir coisas novas, mas apenas compreender e sistematizar conhecimentos já conhecidos. Como resultado, de um desses “não muito problema importante" Posteriormente, surgiu a teoria quântica, e de outra - a teoria da relatividade, pela qual Max Planck e Albert Einstein receberam o Prêmio Nobel de física.

Ao contrário de muitas outras teorias que se baseavam em experiências físicas, a teoria de Einstein baseou-se quase inteiramente na sua teoria. experimentos mentais e só posteriormente foi confirmado na prática. Então, em 1895 (com apenas 16 anos de idade), ele pensou no que aconteceria se ele se movesse paralelamente a um feixe de luz na sua velocidade? Em tal situação, descobriu-se que, para um observador externo, as partículas de luz deveriam ter oscilado em torno de um ponto, o que contradizia as equações de Maxwell e o princípio da relatividade (que afirmava que as leis físicas não dependem do lugar onde você está e do velocidade com que você se move). Assim, o jovem Einstein chegou à conclusão de que a velocidade da luz deveria ser inatingível para um corpo material, e o primeiro tijolo foi lançado na base da teoria futura.

A experiência seguinte foi realizada por ele em 1905 e consistiu no fato de que nas extremidades de um trem em movimento existem duas fontes de luz pulsada que acendem ao mesmo tempo. Para um observador externo que esteja passando por um trem, ambos os eventos ocorrerão simultaneamente, mas para um observador localizado no centro do trem, esses eventos parecerão ter acontecido ao mesmo tempo. tempo diferente, já que um flash de luz do início do carro virá mais cedo do que do seu final (devido à velocidade constante da luz).

Disto ele tirou uma conclusão muito ousada e de longo alcance de que a simultaneidade dos eventos é relativa. Ele publicou os cálculos obtidos com base nesses experimentos na obra “Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento”. Além disso, para um observador em movimento, um desses pulsos terá maior energia que o outro. Para que a lei da conservação do momento não fosse violada em tal situação ao passar de um referencial inercial para outro, era necessário que o objeto simultaneamente com a perda de energia também perdesse massa. Assim, Einstein chegou a uma fórmula que caracteriza a relação entre massa e energia E=mc 2 - que talvez seja a fórmula física mais famosa da atualidade. Os resultados deste experimento foram publicados por ele no final daquele ano.

Postulados básicos

Constância da velocidade da luz– em 1907, foram realizados experimentos para medir com uma precisão de ±30 km/s (que era maior que a velocidade orbital da Terra) e não detectaram suas alterações durante o ano. Esta foi a primeira prova da invariabilidade da velocidade da luz, que foi posteriormente confirmada por muitos outros experimentos, tanto por experimentadores na Terra quanto por dispositivos automáticos no espaço.

O princípio da relatividade- este princípio determina a imutabilidade leis físicas em qualquer ponto do espaço e em qualquer referencial inercial. Ou seja, independentemente de você estar se movendo a uma velocidade de cerca de 30 km/s na órbita do Sol junto com a Terra ou em uma nave espacial muito além de suas fronteiras - quando você realiza um experimento físico, você sempre chegará ao mesmos resultados (se o seu navio estiver neste momento não acelera nem desacelera). Este princípio foi confirmado por todas as experiências na Terra, e Einstein sabiamente considerou este princípio verdadeiro para o resto do Universo.

Consequências

Através de cálculos baseados nesses dois postulados, Einstein chegou à conclusão de que o tempo para um observador se movendo em um navio deveria diminuir com o aumento da velocidade, e ele, junto com o navio, deveria diminuir de tamanho na direção do movimento (para compensando assim os efeitos do movimento e mantendo o princípio da relatividade). Da condição de velocidade finita para um corpo material, seguiu-se também que a regra para somar velocidades (que tinha uma forma aritmética simples na mecânica newtoniana) deveria ser substituída por transformações de Lorentz mais complexas - neste caso, mesmo se somarmos duas velocidades a 99% da velocidade da luz, obteremos 99,995% dessa velocidade, mas não a ultrapassaremos.

Status da teoria

Desde a formação de teoria privada sua versão geral levou apenas 11 anos para Einstein e nenhum experimento foi realizado para confirmar diretamente o SRT; No entanto, no mesmo ano em que foi publicado, Einstein também publicou os seus cálculos que explicavam a mudança no periélio de Mercúrio para uma fração de um por cento, sem a necessidade de introduzir novas constantes e outras suposições que eram exigidas por outras teorias que explicou esse processo. Desde então, a correção da relatividade geral foi confirmada experimentalmente com uma precisão de 10 -20, e muitas descobertas foram feitas com base nela, o que prova claramente a correção desta teoria.

Campeonato na abertura

Quando Einstein publicou seus primeiros trabalhos sobre a teoria da relatividade especial e começou a escrever sua versão geral, outros cientistas já haviam descoberto uma parte significativa das fórmulas e ideias subjacentes a esta teoria. Então digamos que a transformação de Lorentz em visão geral foram obtidos pela primeira vez por Poincaré em 1900 (5 anos antes de Einstein) e receberam o nome de Hendrik Lorentz, que obteve uma versão aproximada dessas transformações, embora mesmo nessa função estivesse à frente de Waldemar Vogt.

3.5. Teoria da relatividade especial (SRT)

Introdução à estação de serviço

Conhecemos a teoria da relatividade no ensino médio. Esta teoria explica-nos os fenómenos do mundo circundante de tal forma que contradiz o “senso comum”. É verdade que o mesmo A. Einstein observou certa vez: “O bom senso são preconceitos que se desenvolvem antes dos dezoito anos”.

No século XVIII. os cientistas tentaram responder a questões sobre como a interação gravitacional é transmitida e como a luz se propaga (mais tarde, qualquer ondas eletromagnéticas). A busca por respostas a essas questões foi a razão do desenvolvimento da teoria da relatividade.

No século 19 os físicos estavam convencidos de que existia um chamado éter (éter mundial, éter luminífero). De acordo com as ideias dos séculos passados, este é um tipo de ambiente que tudo permeia e que tudo preenche. Desenvolvimento da física na segunda metade do século XIX. exigiu que os cientistas concretizassem suas idéias sobre o éter tanto quanto possível. Se assumirmos que o éter é semelhante a um gás, então apenas ondas longitudinais, e as ondas eletromagnéticas são transversais. Não está claro como eles poderiam se mover em tal éter corpos celestiais. Houve outras objeções sérias à transmissão. Ao mesmo tempo, o físico escocês James Maxwell (1831-1879) criou a teoria campo eletromagnetico, do qual, em particular, concluiu-se que a velocidade final de propagação deste campo no espaço foi de 300.000 km/s. O físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894) provou experimentalmente a identidade da luz, dos raios de calor e do “movimento de onda” eletromagnético. Ele determinou que a força eletromagnética atua a uma velocidade de 300.000 km/s. Além disso, Hertz estabeleceu que “as forças elétricas podem ser separadas de corpos pesados ​​e continuar a existir independentemente como um estado ou mudança no espaço”. No entanto, a situação com o éter levantou muitas questões e foi necessária uma experiência direta para abolir este conceito. A ideia foi formulada por Maxwell, que propôs usar a Terra como um corpo em movimento, que se move em órbita a uma velocidade de 30 km/s. Essa experiência exigiu uma precisão de medição extremamente alta. Este problema mais difícil foi resolvido em 1881 pelos físicos americanos A. Michelson e E. Morley. De acordo com a hipótese do “éter estacionário”, pode-se observar o “vento etérico” quando a Terra se move através do “éter”, e a velocidade da luz em relação à Terra deveria depender da direção do raio de luz em relação à direção do movimento da Terra no éter (isto é, a luz é direcionada ao longo do movimento da Terra e contra). As velocidades na presença de éter tinham que ser diferentes. Mas eles permaneceram inalterados. Isso mostrou que não havia ar. Este resultado negativo confirmou a teoria da relatividade. A experiência de Michelson e Morley para determinar a velocidade da luz foi repetida várias vezes mais tarde, em 1885-1887, com o mesmo resultado.

Em 1904, num congresso científico, o matemático francês Henri Poincaré (1854–1912) expressou a opinião de que na natureza não pode haver velocidades superiores à velocidade da luz. Ao mesmo tempo, A. Poincaré formulou o princípio da relatividade como uma lei universal da natureza. Em 1905 ele escreveu: “A impossibilidade de provar experimentalmente o movimento absoluto da Terra é obviamente uma lei geral da natureza”. Aqui ele aponta as transformações de Lorentz e a conexão geral entre coordenadas espaciais e temporais.

Albert Einstein (1879–1955), ao criar a teoria da relatividade especial, ainda não conhecia os resultados de Poincaré. Einstein escreveria mais tarde: “Não entendo de forma alguma por que sou exaltado como o criador da teoria da relatividade. Se não fosse por mim, Poincaré teria feito isso em um ano, Minkowski teria feito isso em dois anos, afinal mais da metade desse negócio é do Lorentz. Meus méritos são exagerados." No entanto, Lorentz, por sua vez, escreveu em 1912: “O mérito de Einstein reside no facto de ter sido o primeiro a expressar o princípio da relatividade na forma de uma lei universal e estrita”.

Dois postulados de Einstein na SRT

Para descrever fenômenos físicos, Galileu introduziu o conceito de referencial inercial. Em tal sistema, um corpo que não sofre a ação de nenhuma força está em repouso ou em estado de equilíbrio uniforme. movimento retilíneo. Leis que descrevem movimento mecânico, em diferentes sistemas inerciais são igualmente válidos, ou seja, não mudam ao passar de um sistema de coordenadas para outro. Por exemplo, se um passageiro estiver andando em um vagão de trem em movimento na direção de seu movimento a uma velocidade v 1 = 4 km/h, e o trem está se movendo com velocidade v 2 = 46 km/h, então a velocidade do passageiro em relação à linha férrea será v= v 1 +v 2 = 50 km/h, ou seja, há acréscimo de velocidades. De acordo com o “bom senso” este é um fato inabalável:

v= v 1 +v 2

No entanto, no mundo das altas velocidades comparáveis ​​​​à velocidade da luz, a fórmula especificada para adicionar velocidades é simplesmente incorreta. Na natureza, a luz viaja em alta velocidade Com= 300.000 km/s, independentemente da direção em que a fonte de luz se move em relação ao observador.

Em 1905 em alemão Jornal cientifico“Anais da Física”, Albert Einstein, de 26 anos, publicou um artigo “Sobre a eletrodinâmica de corpos em movimento”. Neste artigo, ele formulou dois postulados famosos que formaram a base da teoria da relatividade parcial ou especial (SRT), que mudou as ideias clássicas de espaço e tempo.

No primeiro postulado, Einstein desenvolveu o princípio clássico da relatividade de Galileu. Ele mostrou que este princípio é universal, inclusive para eletrodinâmica (e não apenas para sistemas mecânicos). Esta posição não era inequívoca, uma vez que era necessário abandonar a acção newtoniana de longo alcance.

O princípio da relatividade generalizada de Einstein afirma que nenhum experimento físico (mecânico e eletromagnético) dentro de um determinado referencial pode estabelecer se este sistema está se movendo uniformemente ou se está em repouso. Ao mesmo tempo, espaço e tempo estão interligados, dependentes um do outro (para Galileu e Newton, espaço e tempo são independentes um do outro).

Einstein propôs o segundo postulado da teoria da relatividade especial após analisar a eletrodinâmica de Maxwell - este é o princípio da constância da velocidade da luz no vácuo, que é aproximadamente igual a 300.000 km/s.

A velocidade da luz é a velocidade mais rápida do nosso Universo. Não pode haver uma velocidade superior a 300.000 km/s no mundo que nos rodeia.

Nos aceleradores modernos, as micropartículas são aceleradas a velocidades enormes. Por exemplo, um elétron acelera a uma velocidade v e = 0,9999999 C, onde v e, C são as velocidades do elétron e da luz, respectivamente. Neste caso, do ponto de vista do observador, a massa do elétron aumenta 2.500 vezes:

Aqui m e0 é a massa restante do elétron, eu e– massa do elétron em velocidade v e .

Um elétron não consegue atingir a velocidade da luz Porém, existem micropartículas que possuem a velocidade da luz, são chamadas de “luxons”.

Isso inclui fótons e neutrinos. Praticamente não têm massa de repouso, não podem ser desacelerados, movem-se sempre à velocidade da luz Com. Todas as outras micropartículas (tardyons) movem-se a velocidades inferiores à velocidade da luz. Micropartículas cuja velocidade de movimento pode ser maior que a velocidade da luz são chamadas de táquions. Tais partículas em nosso mundo real Não.

Um resultado extremamente importante da teoria da relatividade é a identificação da ligação entre energia e massa de um corpo. Em baixas velocidades

Onde E=m 0 c 2 – energia de repouso de uma partícula com massa de repouso eu 0,uma E K– energia cinética de uma partícula em movimento.

Uma grande conquista da teoria da relatividade é o fato de ter estabelecido a equivalência entre massa e energia (E = m 0 c 2). Porém, não estamos falando da transformação da massa em energia e vice-versa, mas sim que a transformação da energia de um tipo para outro corresponde à transição da massa de uma forma para outra. A energia não pode ser substituída pela massa, pois a energia caracteriza a capacidade de um corpo realizar trabalho e a massa é uma medida de inércia.

Em velocidades relativísticas próximas à velocidade da luz:

Onde E– energia, eu– massa das partículas, eu– massa de repouso da partícula, Com– velocidade da luz no vácuo.

A partir da fórmula acima fica claro que, para atingir a velocidade da luz, uma quantidade infinitamente grande de energia deve ser transmitida à partícula. Para fótons e neutrinos esta fórmula não é justa, uma vez que eles têm v= c.

Efeitos relativísticos

Na teoria da relatividade, os efeitos relativísticos significam mudanças nas características espaço-temporais dos corpos a velocidades comparáveis ​​à velocidade da luz.

Como exemplo, geralmente é considerada uma espaçonave como um foguete fóton, que voa no espaço a uma velocidade proporcional à velocidade da luz. Neste caso, um observador estacionário pode notar três efeitos relativísticos:

1. Aumento da massa em comparação com a massa em repouso.À medida que a velocidade aumenta, o mesmo acontece com a massa. Se um corpo pudesse mover-se à velocidade da luz, então a sua massa aumentaria até ao infinito, o que é impossível. Einstein provou que a massa de um corpo é uma medida da energia que ele contém (E = mc 2 ). É impossível transmitir energia infinita ao corpo.

2. Redução dimensões lineares corpo na direção de seu movimento. Quanto maior a velocidade de uma nave espacial passando por um observador estacionário, e quanto mais próxima ela estiver da velocidade da luz, menor será o tamanho desta nave para um observador estacionário. Quando a nave atingir a velocidade da luz, seu comprimento observado será zero, o que não pode ser. Na própria nave, os astronautas não observarão essas mudanças. 3. Desacelerando o tempo. Numa nave espacial que se move próximo da velocidade da luz, o tempo passa mais lentamente do que num observador estacionário.

O efeito da dilatação do tempo afetaria não apenas o relógio dentro da nave, mas também todos os processos que nela ocorrem, bem como os ritmos biológicos dos astronautas. Porém, um foguete de fótons não pode ser considerado um sistema inercial, pois durante a aceleração e desaceleração ele se move com aceleração (e não de maneira uniforme e retilínea).

A teoria da relatividade oferece estimativas fundamentalmente novas das relações espaço-temporais entre objetos físicos. Na física clássica, ao passar de um sistema inercial (nº 1) para outro (nº 2), o tempo permanece o mesmo - t 2 = t eu e a coordenada espacial muda de acordo com a equação x 2 = x 1 – vt. A teoria da relatividade usa as chamadas transformações de Lorentz:

A partir das relações fica claro que as coordenadas espaciais e temporais dependem uma da outra. Quanto à redução do comprimento na direção do movimento, então

e a passagem do tempo fica mais lenta:

Em 1971, foi realizado um experimento nos EUA para determinar a dilatação do tempo. Eles fizeram dois relógios exatos absolutamente idênticos. Alguns relógios permaneceram no solo, enquanto outros foram colocados em um avião que voava ao redor da Terra. Um avião voando em uma trajetória circular ao redor da Terra se move com alguma aceleração, o que significa que o relógio a bordo do avião está em uma situação diferente do relógio parado no solo. De acordo com as leis da relatividade, o relógio de viagem deveria estar atrasado em relação ao relógio de repouso em 184 ns, mas na verdade o atraso foi de 203 ns. Houve outros experimentos que testaram o efeito da dilatação do tempo e todos confirmaram o fato da desaceleração. Assim, o diferente fluxo de tempo em sistemas de coordenadas que se movem de maneira uniforme e retilínea entre si é um fato imutável estabelecido experimentalmente.

Teoria geral da relatividade

Após a publicação da teoria da relatividade especial em 1905, A. Einstein voltou-se para o conceito moderno de gravidade. Em 1916, publicou a teoria geral da relatividade (GTR), que explica a teoria da gravidade do ponto de vista moderno. Baseia-se em dois postulados da teoria da relatividade especial e formula o terceiro postulado - o princípio da equivalência das massas inerciais e gravitacionais. A conclusão mais importante da Relatividade Geral é a posição sobre as mudanças nas características geométricas (espaciais) e temporais nos campos gravitacionais (e não apenas quando se movem em altas velocidades). Esta conclusão conecta o GTR com a geometria, ou seja, no GTR observa-se a geometrização da gravidade. A geometria euclidiana clássica não era adequada para isso. A nova geometria apareceu no século XIX. nas obras do matemático russo N. I. Lobachevsky, do matemático alemão B. Riemann, do matemático húngaro J. Bolyai.

A geometria do nosso espaço revelou-se não euclidiana.

Uma pergunta naturalmente cética: “Quais são os limites de aplicabilidade das transformações de Galileu?” surgiu diante da humanidade no final do século XIX e início do século XX. Surgiu em conexão com o estudo das propriedades paradoxais do éter - um hipotético meio absolutamente elástico no qual a luz se propaga sem atenuação, como em um meio absolutamente sólido.

Dúvidas sobre a aplicabilidade infinita das transformações de Galileu, pelo menos em parte da lei da adição de velocidades, surgiram ao analisar os resultados dos experimentos de Michelson-Morley para determinar a velocidade do “vento etéreo” a partir de uma comparação com a velocidade da luz emitido por uma fonte movendo-se ao longo da direção do movimento da Terra em órbita e à velocidade da luz ao longo de uma direção perpendicular à tangente à órbita. As medições foram feitas utilizando um instrumento extremamente preciso - o interferômetro Michelson. A Terra foi engenhosamente escolhida como um objeto que se move a uma velocidade linear de 30 km/s, praticamente inatingível pela tecnologia moderna para objetos massivos.

A experiência de Michelson, realizada pela primeira vez em 1881 e com resposta negativa, foi montada fundamentalmente: uma placa de até 0,5 m de espessura sobre a qual foram montados os espelhos era feita de granito, que se expande ligeiramente com o aquecimento, e flutuava em mercúrio para evitar deformações. rotação. A precisão primária do experimento permitiu detectar o “vento etéreo” a uma velocidade de 10 km/s. Mais tarde foi repetido muitas vezes, a precisão foi aumentada para a capacidade de detectar velocidades de vento de 30 m/s. Mas a resposta foi consistentemente zero.

As transformações de Galileu não foram confirmadas pela observação de movimentos em altas velocidades. Por exemplo, não houve perturbações no ritmo do movimento periódico das estrelas duplas, enquanto a direção da velocidade de seu movimento muda nos caminhos de revolução para frente e para trás. A velocidade da luz revelou-se assim independente do movimento da fonte.

Desde a época dos experimentos de Michelson e Morley em 1881 até 1905 - antes do desenvolvimento dos fundamentos do SRT - inúmeras tentativas foram feitas para desenvolver hipóteses que explicariam os resultados do experimento principal. E ao mesmo tempo, todos tentaram preservar o éter, modificando apenas suas propriedades.

As mais famosas são as curiosas tentativas do físico irlandês George Fitzgerald e do físico holandês Hendrik Lorentz. O primeiro propôs a ideia de reduzir o comprimento do corpo na direção do movimento, quanto maior, maior a velocidade do movimento. Lorenz sugeriu a possibilidade de um fluxo local de tempo (“hora local”) em um sistema móvel, de acordo com leis que diferem das leis de um sistema estacionário. Lorentz propôs modificar as transformações de coordenadas de Galileu.

Postulados de Einstein na teoria da relatividade especial

Contribuição decisiva para a criação de um especial, e depois teoria geral a relatividade foi introduzida por Albert Einstein. Em 1905, na revista Annalen für Physik, um funcionário desconhecido de 26 anos do escritório de patentes suíço, Albert Einstein, publicou um pequeno artigo de 3 páginas “Sobre a eletrodinâmica de meios em movimento”. Segundo historiadores da física, ele não tinha ouvido falar dos resultados dos experimentos de Michelson-Morley.

O conceito de Einstein permite abandonar a existência do éter e construir uma teoria, agora chamada de teoria da relatividade especial (SRT) e confirmada por todos os experimentos hoje conhecidos.

A SRT é baseada em dois postulados.

"O princípio da constância da velocidade da luz."

A velocidade da luz não depende da velocidade de movimento da fonte de luz, é a mesma em todos os sistemas de coordenadas inerciais e é igual a c = 3 no vácuo 10 8 EM.

Mais tarde, a teoria da relatividade geral (GTR), publicada em 1916, afirmou que a velocidade da luz permanece constante em sistemas de coordenadas não inerciais.

Princípio especial da relatividade.

As leis da natureza são as mesmas (invariantes, covariantes) em todos os sistemas de coordenadas inerciais.

Einstein escreveu mais tarde:

“Em todos os sistemas de coordenadas inerciais, as leis da natureza estão de acordo. A realidade física não é possuída por um ponto no espaço ou por um momento no tempo em que algo aconteceu, mas apenas pelo próprio evento. Não existe uma relação absoluta (independente do espaço de referência) no espaço, e não existe uma relação absoluta no tempo, mas existe uma relação absoluta (independente do espaço de referência). relação no espaço e no tempo" ( enfatizado por Einstein).

Mais tarde, Einstein afirmou a validade deste postulado para todos, incluindo sistemas de referência não inerciais.

O aparato matemático do STR usa o continuum espaço-tempo xyzt quadridimensional (espaço de Minkowski) e as transformações de coordenadas de Lorentz como um reflexo matemático de fatos existentes objetivamente no mundo material.

A suposição de que a velocidade da luz é absoluta leva a uma série de consequências incomuns e não observáveis ​​nas condições da mecânica newtoniana. Uma das consequências da constância da velocidade da luz é a rejeição da natureza absoluta do tempo, que foi incutida na mecânica newtoniana. Devemos agora admitir que o tempo flui de maneira diferente em sistemas diferentes referência - eventos simultâneos em um sistema serão não simultâneos em outro.

Vamos considerar dois referenciais inerciais K E K", movendo-se um em relação ao outro. Deixe entrar em uma sala escura movendo-se com o sistema K", a lâmpada pisca. Já que a velocidade da luz no sistema K"é igual (como em qualquer quadro de referência) c, então a luz atinge ambas as paredes opostas da sala ao mesmo tempo. Não é isso que acontecerá do ponto de vista de um observador no sistema K. Velocidade da luz no sistema K também igual c, mas como as paredes da sala se movem em relação ao sistema K, então o observador no sistema K detectará que a luz tocará uma das paredes antes da outra, ou seja, no sistema K esses eventos não são simultâneos.

Assim, na mecânica de Einstein relativo Não somente propriedades do espaço, mas também propriedades do tempo.