Nadharia maalum ya uhusiano. Nadharia maalum ya Einstein ya uhusiano

Mnamo 1905, Albert Einstein alichapisha nadharia yake maalum ya uhusiano (SRT), ambayo ilielezea jinsi ya kutafsiri mienendo kati ya viunzi tofauti vya marejeleo - kwa urahisi, vitu vinavyotembea na. kasi ya mara kwa mara kuhusiana na kila mmoja.

Einstein alielezea kwamba wakati vitu viwili vinatembea kwa kasi isiyobadilika, mtu anapaswa kuzingatia mwendo wao kuhusiana na kila mmoja, badala ya kuchukua moja yao kama sura kamili ya kumbukumbu.

Kwa hivyo ikiwa wanaanga wawili, wewe na, sema, Herman, mnasafiri kwa vyombo viwili vya angani na mnataka kulinganisha uchunguzi wako, kitu pekee unachohitaji kujua ni kasi yako inayohusiana.

Nadharia maalum ya uhusiano inazingatia kesi moja tu maalum (kwa hivyo jina), wakati mwendo ni wa mstatili na sawa. Ikiwa shirika la nyenzo litaharakisha au kugeuka upande, sheria za STR hazitumiki tena. Kisha nadharia ya jumla ya uhusiano (GTR) huanza kutumika, ambayo inaelezea harakati za miili ya nyenzo katika kesi ya jumla.

Nadharia ya Einstein inategemea kanuni mbili za msingi:

1. Kanuni ya uhusiano: sheria za kimwili zimehifadhiwa hata kwa miili ambayo ni muafaka wa kumbukumbu wa inertial, yaani, kusonga kwa kasi ya mara kwa mara kuhusiana na kila mmoja.

2. Kasi ya Kanuni ya Mwanga: Kasi ya mwanga hubaki sawa kwa waangalizi wote, bila kujali kasi yao inayohusiana na chanzo cha mwanga. (Wanafizikia huteua kasi ya mwanga kama c).

Moja ya sababu za mafanikio ya Albert Einstein ni kwamba alithamini data ya majaribio juu ya data ya kinadharia. Majaribio kadhaa yalipofichua matokeo ambayo yanapingana na nadharia inayokubalika kwa ujumla, wanafizikia wengi waliamua kwamba majaribio haya hayakuwa sahihi.

Albert Einstein alikuwa mmoja wa wa kwanza walioamua kujenga nadharia mpya kulingana na data mpya ya majaribio.

Mwishoni mwa karne ya 19, wanafizikia walikuwa wakitafuta ether ya ajabu - kati ambayo, kulingana na mawazo yanayokubaliwa kwa ujumla, mawimbi ya mwanga yanapaswa kueneza, kama mawimbi ya acoustic, uenezi wake ambao unahitaji hewa, au nyingine ya kati - imara, kioevu au gesi. Imani ya kuwepo kwa etha ilisababisha imani kwamba kasi ya mwanga inapaswa kutofautiana kulingana na kasi ya mwangalizi kuhusiana na ether.

Albert Einstein aliachana na dhana ya etha na kudhani kwamba sheria zote za kimwili, ikiwa ni pamoja na kasi ya mwanga, hubakia bila kubadilika bila kujali kasi ya mwangalizi - kama majaribio yalionyesha.

Homogeneity ya nafasi na wakati

SRT ya Einstein inatuma uhusiano wa kimsingi kati ya nafasi na wakati. Ulimwengu wa nyenzo, kama tunavyojua, una vipimo vitatu vya anga: juu-chini, kulia-kushoto na mbele-nyuma. Kipimo kingine kinaongezwa kwake - wakati. Kwa pamoja vipimo hivi vinne huunda mwendelezo wa muda wa nafasi.

Ikiwa unasonga kwa kasi kubwa, uchunguzi wako wa nafasi na wakati utakuwa tofauti na ule wa watu wengine wanaotembea kwa kasi ndogo.

Picha hapa chini ni jaribio la mawazo ambalo litakusaidia kuelewa wazo hili. Fikiria kuwa umewasha chombo cha anga, una laser mikononi mwako, ambayo hutuma miale ya mwanga kwenye dari ambayo kioo kimewekwa. Nuru, iliyoonyeshwa, huanguka kwenye detector, ambayo huwasajili.

Kutoka hapo juu - ulituma boriti ya mwanga kwenye dari, ilionekana na ikaanguka kwa wima kwenye detector. Chini - Kwa Herman, miale yako ya mwanga husogea kwa mshazari hadi kwenye dari, na kisha kwa kimshazari hadi kwenye kigunduzi.

Wacha tuseme meli yako inasonga kwa kasi isiyobadilika, sawa na nusu kasi ya mwanga (0.5c). Kulingana na SRT ya Einstein, hii haijalishi kwako hata huoni harakati zako.

Hata hivyo, Herman, akikuangalia kutoka kwa nyota ya kupumzika, ataona picha tofauti kabisa. Kutoka kwa mtazamo wake, boriti ya mwanga itapita diagonally kwenye kioo kwenye dari, itaonyeshwa kutoka kwayo na kuanguka kwa diagonally kwenye detector.

Kwa maneno mengine, njia ya mwanga wa mwanga itaonekana tofauti kwako na kwa Herman na urefu wake utakuwa tofauti. Na kwa hiyo, urefu wa muda inachukua kwa boriti ya laser kusafiri umbali wa kioo na kwa detector itaonekana tofauti kwako.

Jambo hili linaitwa upanuzi wa wakati: wakati kwenye meli ya nyota inayotembea kwa kasi ya juu inapita polepole zaidi kutoka kwa mtazamo wa mtazamaji duniani.

Mfano huu, pamoja na wengine wengi, unaonyesha wazi uhusiano usio na maana kati ya nafasi na wakati. Uunganisho huu unaonekana wazi kwa mwangalizi tu wakati tunazungumzia kuhusu kasi ya juu karibu na kasi ya mwanga.

Majaribio yaliyofanywa tangu Einstein achapishe nadharia yake kuu yamethibitisha kwamba nafasi na wakati kwa hakika hutazamwa tofauti kulingana na kasi ya vitu.

Kuchanganya misa na nishati

Kwa mujibu wa nadharia ya mwanafizikia mkuu, wakati kasi ya mwili wa nyenzo inapoongezeka, inakaribia kasi ya mwanga, wingi wake pia huongezeka. Wale. Kadiri kitu kinavyosonga, ndivyo kinavyozidi kuwa kizito. Ikiwa kasi ya mwanga inafikiwa, wingi wa mwili, pamoja na nishati yake, huwa usio. Uzito wa mwili, ni vigumu zaidi kuongeza kasi yake; Kuongeza kasi ya mwili kwa wingi usio na kipimo kunahitaji kiasi kikubwa cha nishati, hivyo haiwezekani kwa vitu vya nyenzo kufikia kasi ya mwanga.

Kabla ya Einstein, dhana za misa na nishati katika fizikia zilizingatiwa kando. Mwanasayansi huyo mahiri alithibitisha kuwa sheria ya uhifadhi wa misa, na vile vile sheria ya uhifadhi wa nishati, ni sehemu ya sheria ya jumla ya nishati ya wingi.

Shukrani kwa uhusiano wa kimsingi kati ya dhana hizi mbili, jambo linaweza kugeuzwa kuwa nishati, na kinyume chake - nishati kuwa maada.

Mnamo Septemba 1905 Kazi ya A. Einstein "Juu ya Electrodynamics ya Miili ya Kusonga" ilionekana, ambayo masharti makuu ya Nadharia Maalum ya Relativity (STR) yalielezwa. Nadharia hii ilimaanisha marekebisho ya dhana za kitamaduni za fizikia kuhusu sifa za anga na wakati. Kwa hiyo, nadharia hii katika maudhui yake inaweza kuitwa mafundisho ya kimwili ya nafasi na wakati . Kimwili kwa sababu mali ya nafasi na wakati katika nadharia hii inazingatiwa kwa uhusiano wa karibu na sheria za matukio ya kimwili yanayotokea ndani yao. Neno " maalum"inasisitiza ukweli kwamba nadharia hii inazingatia matukio tu katika muafaka wa marejeleo wa inertial.

Kama sehemu ya kuanzia ya nadharia maalum ya uhusiano, Einstein alikubali machapisho au kanuni mbili:

1) kanuni ya uhusiano;

2) kanuni ya uhuru wa kasi ya mwanga kutoka kwa kasi ya chanzo cha mwanga.

Nakala ya kwanza ni ujumuishaji wa kanuni ya Galileo ya uhusiano kwa michakato yoyote ya kimwili: matukio yote ya kimwili yanaendelea kwa njia sawa katika fremu zote za marejeleo zisizo na usawa. Sheria zote za asili na equations zinazoelezea ni zisizobadilika, i.e. usibadilike wakati wa kuhama kutoka kwa mfumo mmoja wa kumbukumbu wa inertial hadi mwingine.

Kwa maneno mengine, Wote mifumo ya inertial marejeleo ni sawa (hayawezi kutofautishwa) katika sifa zao za kimaumbile. Hakuna kiasi cha uzoefu kinachoweza kuchagua yoyote kati yao kama inavyofaa.

Nakala ya pili inasema kwamba kasi ya mwanga katika utupu haitegemei harakati ya chanzo cha mwanga na ni sawa katika pande zote.

Hii ina maana kwamba kasi ya mwanga katika ombwe ni sawa katika fremu zote za marejeleo zisizo na nuru. Kwa hivyo, kasi ya mwanga inachukua nafasi maalum katika asili.

Kutoka kwa maoni ya Einstein inafuata kwamba kasi ya mwanga katika utupu ni kikwazo: hakuna ishara, hakuna ushawishi wa mwili mmoja kwa mwingine unaweza kueneza kwa kasi inayozidi kasi ya mwanga katika utupu. Ni hali ya kuzuia kasi hii ambayo inaelezea kasi sawa ya mwanga katika mifumo yote ya kumbukumbu. Uwepo wa kasi ya kuzuia kiotomati unamaanisha kizuizi cha kasi ya chembe kwa thamani ya "c". Vinginevyo, chembe hizi zinaweza kusambaza ishara (au mwingiliano kati ya miili) kwa kasi inayozidi kikomo. Kwa hiyo, kwa mujibu wa machapisho ya Einstein, thamani ya kasi zote zinazowezekana za harakati za miili na uenezi wa mwingiliano ni mdogo na thamani "c". Hii inakataa kanuni ya hatua ya masafa marefu ya mechanics ya Newton.

Hitimisho la kuvutia linafuata kutoka kwa SRT:

1) KUPUNGUZA UREFU: Mwendo wa kitu chochote huathiri thamani iliyopimwa ya urefu wake.

2) MUDA UNAPUNGUA: pamoja na ujio wa SRT, taarifa iliibuka kwamba wakati kamili hauna maana kamili, ni bora tu. uwakilishi wa hisabati, kwa sababu katika asili hakuna mchakato halisi wa kimwili unaofaa kwa kupima muda kamili.

Muda wa muda unategemea kasi ya harakati ya sura ya kumbukumbu. Kwa kasi ya kutosha, karibu na kasi ya mwanga, wakati hupungua, i.e. upanuzi wa wakati wa uhusiano hutokea.

Kwa hivyo, katika mfumo unaosonga kwa kasi, wakati unapita polepole zaidi kuliko katika maabara ya mwangalizi aliyesimama: ikiwa mwangalizi duniani angeweza kufuata saa kwenye roketi inayoruka kwa kasi kubwa, angefikia hitimisho kwamba ilikuwa inakimbia. polepole kuliko yake. Athari ya upanuzi wa wakati inamaanisha kuwa wakaaji wa anga za juu huzeeka polepole zaidi. Ikiwa mmoja wa mapacha wawili alijitolea kwa muda mrefu usafiri wa anga, kisha akirudi Duniani angekuta kwamba kaka yake pacha, aliyebaki nyumbani, alikuwa mkubwa zaidi yake.

Katika mfumo fulani tunaweza tu kuzungumza kuhusu wakati wa ndani. Katika suala hili, wakati sio chombo kinachojitegemea kwa jambo; Wakati daima ni jamaa.

3) ONGEZA UZITO: molekuli ya mwili pia ni thamani ya jamaa, kulingana na kasi ya harakati zake. Kadiri kasi ya mwili inavyoongezeka, ndivyo misa yake inakuwa kubwa.

Einstein pia aligundua uhusiano kati ya wingi na nishati. Anatunga sheria ifuatayo: "Uzito wa mwili ni kipimo cha nishati iliyo ndani yake: E=mс 2 ". Ikiwa tutabadilisha m=1 kg na c=300,000 km/s kwenye fomula hii, basi tunapata nishati kubwa ya 9·10 16 J, ambayo ingetosha kuchoma balbu ya umeme kwa miaka milioni 30. Lakini kiasi cha nishati katika wingi wa dutu ni mdogo kwa kasi ya mwanga na kiasi cha wingi wa dutu hii.

Ulimwengu unaotuzunguka una pande tatu. SRT inasema kuwa wakati hauwezi kuzingatiwa kama kitu tofauti na kisichobadilika. Mnamo 1907, mwanahisabati wa Ujerumani Minkowski alitengeneza vifaa vya hisabati vya SRT. Alipendekeza kuwa vipimo vitatu vya anga na kimoja vya muda vinahusiana kwa karibu. Matukio yote katika Ulimwengu hutokea katika muda wa anga-dimensional nne. Kwa mtazamo wa hisabati, SRT ni jiometri ya muda wa anga wa Minkowski wenye mwelekeo nne.

STR imethibitishwa kwenye nyenzo nyingi, na ukweli na majaribio mengi (kwa mfano, upanuzi wa wakati unazingatiwa wakati wa kuoza. chembe za msingi katika miale ya cosmic au katika vichapuzi vya juu-nishati) na msingi wa maelezo ya kinadharia ya michakato yote inayotokea kwa kasi ya uhusiano.

Kwa hivyo, maelezo ya michakato ya kimwili katika SRT kimsingi yanaunganishwa na mfumo wa kuratibu. Nadharia ya kimwili haielezei mchakato wa kimwili yenyewe, lakini matokeo ya mwingiliano wa mchakato wa kimwili na njia za utafiti. Kwa hivyo, kwa mara ya kwanza katika historia ya fizikia, shughuli ya somo la utambuzi, mwingiliano usioweza kutenganishwa wa somo na kitu cha utambuzi, ulionyeshwa moja kwa moja.

SRT, pia inajulikana kama nadharia maalum ya uhusiano, ni muundo wa kisasa wa maelezo kwa uhusiano wa muda wa nafasi, mwendo, na sheria za mechanics, iliyoundwa mnamo 1905 na mshindi wa Tuzo ya Nobel Albert Einstein.

Akiingia katika idara ya fizikia ya kinadharia katika Chuo Kikuu cha Munich, Max Planck aligeukia ushauri kwa Profesa Philipp von Jolly, ambaye wakati huo aliongoza idara ya hisabati katika chuo kikuu hiki. Ambayo alipokea ushauri: "katika eneo hili karibu kila kitu tayari kiko wazi, na kilichobaki ni kurekebisha shida ambazo sio muhimu sana." Young Planck alijibu kwamba hataki kugundua vitu vipya, lakini alitaka tu kuelewa na kupanga maarifa ambayo tayari yanajulikana. Kama matokeo, kutoka kwa mmoja kama huyo "sio sana tatizo muhimu"Baadaye, nadharia ya quantum iliibuka, na kutoka kwa mwingine - nadharia ya uhusiano, ambayo Max Planck na Albert Einstein walipokea Tuzo za Nobel katika fizikia.

Tofauti na nadharia nyingine nyingi zilizotegemea majaribio ya kimwili, nadharia ya Einstein iliegemezwa karibu kabisa na nadharia yake. majaribio ya mawazo na baadaye tu ilithibitishwa katika mazoezi. Kwa hiyo huko nyuma katika 1895 (akiwa na umri wa miaka 16 tu) alifikiri juu ya nini kingetokea ikiwa angesonga sambamba na mwanga wa mwanga kwa kasi yake? Katika hali kama hiyo, ikawa kwamba kwa mwangalizi wa nje, chembe za mwanga zinapaswa kuzunguka karibu na hatua moja, ambayo ilipingana na hesabu za Maxwell na kanuni ya uhusiano (ambayo ilisema kwamba sheria za kimwili hazitegemei mahali ulipo na kasi ya kusonga). Kwa hiyo, Einstein mdogo alifikia hitimisho kwamba kasi ya mwanga haipaswi kupatikana kwa mwili wa nyenzo, na matofali ya kwanza yaliwekwa katika msingi wa nadharia ya baadaye.

Jaribio lililofuata lilifanywa na yeye mnamo 1905 na lilijumuisha ukweli kwamba mwisho wa treni inayosonga kuna vyanzo viwili vya taa ambavyo vinawaka kwa wakati mmoja. Kwa mtazamaji wa nje anayepita karibu na treni, matukio haya yote mawili hutokea kwa wakati mmoja, lakini kwa mwangalizi aliye katikati ya treni, matukio haya yataonekana kuwa yametokea kwa wakati mmoja. nyakati tofauti, kwa kuwa mwanga wa mwanga kutoka mwanzo wa gari utakuja mapema kuliko kutoka mwisho wake (kutokana na kasi ya mara kwa mara ya mwanga).

Kutokana na hili alifanya hitimisho la ujasiri na la mbali sana kwamba wakati huo huo wa matukio ni jamaa. Alichapisha mahesabu yaliyopatikana kwa msingi wa majaribio haya katika kazi "Kwenye Electrodynamics ya Miili inayosonga." Zaidi ya hayo, kwa mtazamaji anayesonga, moja ya mapigo haya yatakuwa na nishati kubwa kuliko nyingine. Ili sheria ya uhifadhi wa kasi isivunjwe katika hali kama hiyo wakati wa kuhama kutoka kwa mfumo mmoja wa kumbukumbu ya inertial hadi nyingine, ilikuwa ni lazima kwamba kitu wakati huo huo na upotezaji wa nishati lazima pia kupoteza misa. Kwa hivyo, Einstein alikuja kwenye fomula inayoashiria uhusiano kati ya misa na nishati E=mc 2 - ambayo labda ndiyo fomula maarufu zaidi kwa sasa. Matokeo ya jaribio hili yalichapishwa na yeye baadaye mwaka huo.

Machapisho ya kimsingi

Kudumu kwa kasi ya mwanga- kufikia 1907, majaribio yalifanywa kupima kwa usahihi wa ± 30 km / s (ambayo ilikuwa kubwa kuliko kasi ya mzunguko wa Dunia) na haukugundua mabadiliko yake wakati wa mwaka. Huu ulikuwa uthibitisho wa kwanza wa kutobadilika kwa kasi ya mwanga, ambayo ilithibitishwa baadaye na majaribio mengine mengi, na wajaribu duniani na kwa vifaa vya moja kwa moja angani.

Kanuni ya uhusiano- kanuni hii huamua kutobadilika sheria za kimwili wakati wowote wa nafasi na katika mfumo wowote wa marejeleo wa inertial. Hiyo ni, bila kujali kama unasonga kwa kasi ya kilomita 30 kwa sekunde kwenye mzunguko wa Jua pamoja na Dunia au kwenye chombo cha anga kilicho mbali zaidi ya mipaka yake - unapofanya majaribio ya kimwili, utakuja kila wakati. matokeo sawa (kama meli yako ni katika wakati huu haina kasi au kupunguza kasi). Kanuni hii ilithibitishwa na majaribio yote duniani, na Einstein kwa hekima aliona kanuni hii kuwa kweli kwa Ulimwengu wote.

Matokeo

Kupitia mahesabu kulingana na machapisho haya mawili, Einstein alifikia hitimisho kwamba wakati wa mtazamaji anayetembea kwenye meli unapaswa kupungua kwa kasi inayoongezeka, na yeye, pamoja na meli, inapaswa kupungua kwa ukubwa katika mwelekeo wa harakati (ili kwa hivyo kufidia athari za harakati na kudumisha kanuni ya uhusiano). Kutoka kwa hali ya kasi ya mwisho ya mwili wa nyenzo, ilifuata pia kwamba sheria ya kuongeza kasi (ambayo ilikuwa na fomu rahisi ya hesabu katika mechanics ya Newton) inapaswa kubadilishwa na mabadiliko magumu zaidi ya Lorentz - katika kesi hii, hata ikiwa tunaongeza kasi mbili. hadi 99% ya kasi ya mwanga, tutapata 99.995% ya kasi hii, lakini hatutazidi.

Hali ya nadharia

Tangu malezi kutoka nadharia ya kibinafsi toleo lake la jumla lilichukua Einstein miaka 11 pekee; Walakini, katika mwaka huo huo kama ilivyochapishwa, Einstein pia alichapisha hesabu zake ambazo zilielezea kuhama kwa mzunguko wa Mercury hadi ndani ya sehemu ya asilimia, bila hitaji la kuanzisha viunga vipya na mawazo mengine ambayo yalitakiwa na nadharia zingine kwamba. alielezea mchakato huu. Tangu wakati huo, usahihi wa uhusiano wa jumla umethibitishwa kwa majaribio na usahihi wa 10 -20, na kwa msingi wake uvumbuzi mwingi umefanywa, ambayo inathibitisha wazi usahihi wa nadharia hii.

Ubingwa katika ufunguzi

Wakati Einstein alichapisha kazi zake za kwanza juu ya nadharia maalum ya uhusiano na kuanza kuandika toleo lake la jumla, wanasayansi wengine walikuwa tayari wamegundua sehemu kubwa ya fomula na maoni ya msingi wa nadharia hii. Kwa hivyo wacha tuseme mabadiliko ya Lorentz kuwa mtazamo wa jumla zilipatikana kwa mara ya kwanza na Poincaré mnamo 1900 (miaka 5 kabla ya Einstein) na zilipewa jina la Hendrik Lorentz, ambaye alipata toleo la takriban la mabadiliko haya, ingawa hata katika jukumu hili alikuwa mbele ya Waldemar Vogt.

3.5. Nadharia maalum ya uhusiano (STR)

Utangulizi wa SRT

Tunafahamiana na nadharia ya uhusiano katika shule ya upili. Nadharia hii inatufafanulia matukio ya ulimwengu unaozunguka kwa njia ambayo inapingana na "akili ya kawaida." Ni kweli kwamba A. Einstein yuleyule alisema hivi wakati mmoja: “Akili ya kawaida ni ubaguzi unaositawi kabla ya umri wa miaka kumi na minane.”

Nyuma katika karne ya 18. wanasayansi walijaribu kujibu maswali kuhusu jinsi mwingiliano wa mvuto unavyopitishwa na jinsi mwanga unavyoenea (baadaye, mawimbi ya sumakuumeme) Utafutaji wa majibu ya maswali haya ulikuwa sababu ya maendeleo ya nadharia ya uhusiano.

Katika karne ya 19 wanafizikia walikuwa na hakika kwamba kulikuwa na kinachojulikana ether (ether ya dunia, ether luminiferous). Kwa mujibu wa mawazo ya karne zilizopita, hii ni aina ya mazingira yote, yenye kujaza. Maendeleo ya fizikia katika nusu ya pili ya karne ya 19. iliwataka wanasayansi kuhitimisha mawazo yao kuhusu etha kadiri wawezavyo. Ikiwa tunadhani kwamba ether ni sawa na gesi, basi tu mawimbi ya longitudinal, na mawimbi ya sumakuumeme yanavuka. Haijulikani ni jinsi gani wangeweza kusonga katika etha kama hiyo miili ya mbinguni. Kulikuwa na pingamizi nyingine kubwa kwa matangazo hayo. Wakati huo huo, mwanafizikia wa Scotland James Maxwell (1831-1879) aliunda nadharia. uwanja wa sumakuumeme, ambayo, hasa, ilifuata kwamba kasi ya mwisho ya uenezi wa shamba hili katika nafasi ilikuwa 300,000 km / s. Mwanafizikia wa Ujerumani Heinrich Hertz (1857-1894) alithibitisha kwa majaribio utambulisho wa mwanga, miale ya joto na "mwendo wa wimbi" la kielektroniki. Aliamua kwamba nguvu ya umeme hufanya kazi kwa kasi ya 300,000 km / s. Zaidi ya hayo, Hertz aligundua kwamba "nguvu za umeme zinaweza kutenganishwa na miili mikubwa na kuendelea kuwepo kwa kujitegemea kama hali au mabadiliko ya nafasi." Hata hivyo, hali na ether iliibua maswali mengi, na jaribio la moja kwa moja lilihitajika ili kukomesha dhana hii. Wazo hilo liliundwa na Maxwell, ambaye alipendekeza kutumia Dunia kama mwili unaosonga, ambao husogea kwenye obiti kwa kasi ya 30 km / s. Uzoefu huu ulihitaji usahihi wa juu sana wa kipimo. Tatizo hili gumu lilitatuliwa mwaka wa 1881 na wanafizikia wa Marekani A. Michelson na E. Morley. Kulingana na nadharia ya "stationary ether", mtu anaweza kutazama "upepo wa etheric" wakati Dunia inapita kupitia "ether", na kasi ya mwanga kuhusiana na Dunia inapaswa kutegemea mwelekeo wa mwanga wa mwanga kuhusiana na mwelekeo. ya harakati ya Dunia katika ether (yaani, mwanga huelekezwa kando ya harakati ya Dunia na dhidi ya ). Kasi mbele ya ether ilipaswa kuwa tofauti. Lakini waligeuka kuwa bila kubadilika. Hii ilionyesha kuwa hakuna hewa. Matokeo haya hasi yalithibitisha nadharia ya uhusiano. Jaribio la Michelson na Morley kuamua kasi ya mwanga lilirudiwa mara kadhaa baadaye, mnamo 1885-1887, na matokeo sawa.

Mnamo 1904, katika mkutano wa kisayansi, mwanahisabati wa Ufaransa Henri Poincaré (1854-1912) alionyesha maoni kwamba katika maumbile hakuwezi kuwa na kasi kubwa kuliko kasi ya mwanga. Wakati huo huo, A. Poincaré alitunga kanuni ya uhusiano kama sheria ya ulimwengu ya asili. Mnamo 1905 aliandika hivi: “Kutowezekana kwa kuthibitisha kwa majaribio mwendo kamili wa Dunia kwa wazi ni sheria ya jumla ya asili.” Hapa anaonyesha mabadiliko ya Lorentz na uhusiano wa jumla kati ya kuratibu za anga na za muda.

Albert Einstein (1879-1955), wakati wa kuunda nadharia maalum ya uhusiano, bado hakujua juu ya matokeo ya Poincaré. Einstein angeandika hivi baadaye: “Sielewi kabisa kwa nini ninasifiwa kama muundaji wa nadharia ya uhusiano. Ikiwa sio mimi, Poincaré angefanya hivyo kwa mwaka mmoja, Minkowski angefanya kwa miaka miwili, baada ya yote, zaidi ya nusu ya biashara hii ni ya Lorentz. Sifa zangu zimetiwa chumvi." Hata hivyo, Lorentz, kwa upande wake, aliandika hivi katika 1912: “Sifa ya Einstein inatokana na uhakika wa kwamba alikuwa wa kwanza kueleza kanuni ya uhusiano katika mfumo wa sheria ya ulimwenguni pote, kali.”

Nakala mbili za Einstein katika SRT

Ili kuelezea matukio ya kimwili, Galileo alianzisha dhana ya fremu isiyo na usawa. Katika mfumo huo, chombo ambacho hakitekelezwi kwa nguvu yoyote kipo katika hali ya mapumziko au katika hali ya sare mwendo wa rectilinear. Sheria zinazoelezea harakati za mitambo, katika mifumo tofauti ya inertial ni halali sawa, yaani, haibadilika wakati wa kusonga kutoka kwa mfumo mmoja wa kuratibu hadi mwingine. Kwa mfano, ikiwa abiria anatembea kwenye gari la treni linalosonga kuelekea mwelekeo wa mwendo wake kwa kasi v 1 = 4 km/h, na treni inakwenda kwa kasi v 2 = 46 km / h, basi kasi ya jamaa ya abiria kwa njia ya reli itakuwa v= v 1 +v 2 = 50 km / h, yaani, kuna nyongeza ya kasi. Kulingana na "akili ya kawaida" huu ni ukweli usioweza kutikisika:

v= v 1 +v 2

Walakini, katika ulimwengu wa kasi ya juu, kulinganishwa na kasi ya mwanga, fomula maalum ya kuongeza kasi sio sahihi. Kwa asili, mwanga husafiri kwa kasi Na= 300,000 km/s, bila kujali ni mwelekeo gani chanzo cha mwanga kinasonga kuhusiana na mwangalizi.

Mnamo 1905 kwa Kijerumani jarida la kisayansi"Machapisho ya Fizikia" Albert Einstein mwenye umri wa miaka 26 alichapisha makala "Juu ya mienendo ya elektroni ya miili inayosonga." Katika nakala hii, aliunda maandishi mawili maarufu ambayo yaliunda msingi wa nadharia ya uhusiano ya sehemu, au maalum (STR), ambayo ilibadilisha maoni ya kitamaduni ya nafasi na wakati.

Katika chapisho la kwanza, Einstein aliendeleza kanuni ya kitamaduni ya Galileo ya uhusiano. Alionyesha kwamba kanuni hii ni ya ulimwengu wote, ikiwa ni pamoja na kwa electrodynamics (na si tu kwa mifumo ya mitambo). Msimamo huu haukuwa wazi, kwani ilikuwa ni lazima kuachana na hatua ya muda mrefu ya Newton.

Kanuni ya jumla ya uhusiano ya Einstein inasema kwamba hakuna majaribio ya kimwili (kimitambo na sumakuumeme) ndani ya mfumo fulani wa marejeleo yanayoweza kuthibitisha ikiwa mfumo huu unasonga sawasawa au umepumzika. Wakati huo huo, nafasi na wakati huunganishwa na kila mmoja, hutegemea kila mmoja (kwa Galileo na Newton, nafasi na wakati ni huru kwa kila mmoja).

Einstein alipendekeza postulate ya pili ya nadharia maalum ya relativity baada ya kuchambua electrodynamics Maxwell - hii ni kanuni ya uthabiti wa kasi ya mwanga katika utupu, ambayo ni takriban sawa na 300,000 km / s.

Kasi ya mwanga ni kasi ya haraka zaidi katika Ulimwengu wetu. Hakuwezi kuwa na kasi zaidi ya 300,000 km/s katika ulimwengu unaotuzunguka.

Katika accelerators za kisasa, microparticles huharakishwa kwa kasi kubwa. Kwa mfano, elektroni huharakisha kasi ya v e = 0.9999999 C, ambapo v e, C ni kasi ya elektroni na mwanga, kwa mtiririko huo. Katika kesi hii, kutoka kwa mtazamo wa mwangalizi, wingi wa elektroni huongezeka kwa mara 2500:

Hapa m e0 ndio misa iliyobaki ya elektroni, m e- wingi wa elektroni kwa kasi v e .

Elektroni haiwezi kufikia kasi ya mwanga, Hata hivyo, kuna microparticles ambazo zina kasi ya mwanga, zinaitwa "luxons".

Hizi ni pamoja na photons na neutrinos. Hawana misa ya kupumzika, haiwezi kupunguzwa, daima husonga kwa kasi ya mwanga Na. Microparticles nyingine zote (tardyons) huenda kwa kasi chini ya kasi ya mwanga. Microparticles ambazo kasi ya harakati inaweza kuwa kubwa kuliko kasi ya mwanga huitwa tachyons. Chembe kama hizo katika yetu ulimwengu wa kweli Hapana.

Matokeo muhimu sana ya nadharia ya uhusiano ni kitambulisho cha uhusiano kati ya nishati na wingi wa mwili. Kwa kasi ya chini

Wapi E = m 0 c 2 - nishati ya kupumzika ya chembe na misa ya kupumzika m 0 ,a E K- Nishati ya kinetic ya chembe inayotembea.

Mafanikio makubwa ya nadharia ya uhusiano ni ukweli kwamba ilianzisha usawa wa misa na nishati (E = m 0. c 2). Hata hivyo, hatuzungumzii juu ya mabadiliko ya wingi katika nishati na kinyume chake, lakini badala yake kwamba mabadiliko ya nishati kutoka kwa aina moja hadi nyingine yanafanana na mabadiliko ya wingi kutoka kwa fomu moja hadi nyingine. Nishati haiwezi kubadilishwa na wingi, kwani nishati ina sifa ya uwezo wa mwili kufanya kazi, na wingi ni kipimo cha inertia.

Kwa kasi ya uhusiano karibu na kasi ya mwanga:

Wapi E- nishati, m- molekuli ya chembe, m- wingi wa mapumziko ya chembe, Na- kasi ya mwanga katika utupu.

Kutoka kwa fomula iliyo hapo juu ni wazi kwamba ili kufikia kasi ya mwanga, kiasi kikubwa cha nishati kinapaswa kuingizwa kwa chembe. Kwa photons na neutrinos formula hii sio haki, kwa kuwa wanayo v= c.

Athari za uhusiano

Katika nadharia ya uhusiano, athari za relativitiki inamaanisha mabadiliko katika sifa za wakati wa nafasi za miili kwa kasi inayolingana na kasi ya mwanga.

Kwa mfano, chombo cha anga kama vile roketi ya photon kawaida huzingatiwa, ambayo huruka angani kwa kasi inayolingana na kasi ya mwanga. Katika kesi hii, mwangalizi aliyesimama anaweza kugundua athari tatu za uhusiano:

1. Kuongezeka kwa wingi ikilinganishwa na misa ya kupumzika. Kadiri kasi inavyoongezeka, ndivyo wingi unavyoongezeka. Ikiwa mwili ungeweza kusonga kwa kasi ya mwanga, basi wingi wake ungeongezeka hadi usio na mwisho, ambayo haiwezekani. Einstein alithibitisha kuwa wingi wa mwili ni kipimo cha nishati iliyomo (E= mc 2 ). Haiwezekani kutoa nishati isiyo na kipimo kwa mwili.

2. Kupunguza vipimo vya mstari mwili katika mwelekeo wa harakati zake. Kadiri kasi ya chombo cha angani ikipita mbele ya mwangalizi aliyesimama, na kadiri inavyokaribia kasi ya mwanga, ndivyo saizi ndogo ya meli hii itakuwa kwa mwangalizi aliyesimama. Wakati meli inafikia kasi ya mwanga, urefu wake unaozingatiwa utakuwa sifuri, ambao hauwezi kuwa. Kwenye meli yenyewe, wanaanga hawataona mabadiliko haya. 3. Kupunguza muda. Katika chombo cha anga kinachosogea karibu na kasi ya mwanga, wakati hupita polepole zaidi kuliko kwa mtazamaji aliyesimama.

Athari ya upanuzi wa wakati ingeathiri sio tu saa ndani ya meli, lakini pia michakato yote inayotokea juu yake, pamoja na midundo ya kibaolojia ya wanaanga. Walakini, roketi ya fotoni haiwezi kuzingatiwa kama mfumo wa inertial, kwa sababu wakati wa kuongeza kasi na kupunguza kasi husogea kwa kuongeza kasi (na sio sawa na kwa usawa).

Nadharia ya uhusiano inatoa makadirio mapya kimsingi ya uhusiano wa muda wa nafasi kati ya vitu vya kimwili. Katika fizikia ya classical, wakati wa kusonga kutoka kwa mfumo mmoja wa inertial (No. 1) hadi mwingine (No. 2), wakati unabakia sawa - t 2 = t L na uratibu wa anga hubadilika kulingana na mlinganyo x 2 = x 1 – vt. Nadharia ya uhusiano hutumia kinachojulikana kama mabadiliko ya Lorentz:

Kutoka kwa mahusiano ni wazi kwamba kuratibu za anga na za muda hutegemea kila mmoja. Kuhusu kupunguzwa kwa urefu katika mwelekeo wa harakati, basi

na kupita kwa wakati kunapungua:

Mnamo 1971, jaribio lilifanyika huko USA ili kuamua upanuzi wa wakati. Walitengeneza saa mbili zinazofanana kabisa. Saa zingine zilibaki chini, wakati zingine ziliwekwa kwenye ndege iliyozunguka Dunia. Ndege inayoruka katika njia ya duara kuzunguka Dunia husogea kwa kuongeza kasi, ambayo ina maana kwamba saa iliyo ndani ya ndege iko katika hali tofauti ikilinganishwa na saa inayotua ardhini. Kwa mujibu wa sheria za uhusiano, saa ya kusafiri inapaswa kuwa nyuma ya saa ya kupumzika kwa 184 ns, lakini kwa kweli lag ilikuwa 203 ns. Kulikuwa na majaribio mengine ambayo yalijaribu athari za kupanua wakati, na wote walithibitisha ukweli wa kupunguza kasi. Kwa hivyo, mtiririko tofauti wa wakati katika mifumo ya kuratibu inayosonga sawasawa na kisawasawa kuhusiana na kila mmoja ni ukweli usiobadilika uliothibitishwa kwa majaribio.

Nadharia ya jumla ya uhusiano

Baada ya kuchapishwa kwa nadharia maalum ya uhusiano mnamo 1905, A. Einstein aligeukia dhana ya kisasa ya mvuto. Mnamo 1916, alichapisha nadharia ya jumla ya uhusiano (GTR), ambayo inaelezea nadharia ya mvuto kutoka kwa mtazamo wa kisasa. Inategemea machapisho mawili ya nadharia maalum ya uhusiano na kuunda postulate ya tatu - kanuni ya usawa wa raia wa inertial na mvuto. Hitimisho muhimu zaidi la Uhusiano Mkuu ni nafasi kuhusu mabadiliko ya kijiometri (anga) na sifa za muda katika nyanja za mvuto (na si tu wakati wa kusonga kwa kasi ya juu). Hitimisho hili linaunganisha GTR na jiometri, yaani, katika GTR jiometri ya mvuto inazingatiwa. Jiometri ya classical Euclidian haikufaa kwa hili. Jiometri mpya ilionekana katika karne ya 19. katika kazi za mwanahisabati wa Kirusi N. I. Lobachevsky, mwanahisabati wa Ujerumani B. Riemann, mwanahisabati wa Hungarian J. Bolyai.

Jiometri ya nafasi yetu iligeuka kuwa isiyo ya Euclidean.

Swali la asili la kutilia shaka: "Ni nini mipaka ya matumizi ya mabadiliko ya Galileo?" iliibuka kabla ya ubinadamu kuelekea mwisho wa 19 na mwanzoni mwa karne ya 20. Iliibuka kuhusiana na uchunguzi wa mali ya kitendawili ya etha - njia ya dhahania ya elastic kabisa ambayo mwanga huenea bila kupunguzwa, kama kwa njia thabiti kabisa.

Mashaka juu ya utumiaji usio na kipimo wa mabadiliko ya Galileo, angalau katika sehemu ya sheria ya kuongeza kasi, ilitokea wakati wa kuchambua matokeo ya majaribio ya Michelson-Morley ili kuamua kasi ya "upepo wa ethereal" kutoka kwa kulinganisha kasi ya mwanga. inayotolewa na chanzo kinachosogea kando ya mwelekeo wa mwendo wa Dunia katika obiti na kasi ya mwanga kando ya mwelekeo unaoendana na tanjiti hadi kwenye obiti. Vipimo vilifanywa kwa kutumia kifaa sahihi kabisa - interferometer ya Michelson. Dunia ilichaguliwa kwa ustadi kama kitu kinachotembea kwa kasi ya mstari wa 30 km / s, ambayo haiwezi kufikiwa na teknolojia ya kisasa ya vitu vikubwa.

Jaribio la Michelson, lililofanywa kwa mara ya kwanza mnamo 1881 na kutoa jibu hasi, lilianzishwa kimsingi: sahani yenye unene wa hadi 0.5 m ambayo vioo viliwekwa ilitengenezwa kwa granite, ambayo hupanuka kidogo na inapokanzwa, na kuelea kwenye zebaki kwa kutoharibika. mzunguko. Usahihi wa msingi wa jaribio ulifanya iwezekanavyo kuchunguza "upepo wa ethereal" kwa kasi ya kilomita 10 / s. Baadaye ilirudiwa mara nyingi, usahihi uliongezeka hadi uwezo wa kuchunguza kasi ya upepo wa 30 m / s. Lakini jibu lilikuwa sifuri mara kwa mara.

Mabadiliko ya Galileo hayakuthibitishwa kwa kutazama mienendo kwa kasi kubwa. Kwa mfano, hakukuwa na usumbufu katika rhythm ya mwendo wa mara kwa mara wa nyota mbili, wakati mwelekeo wa kasi ya harakati zao hubadilika kwenye njia za mbele na za nyuma za mapinduzi. Kasi ya mwanga hivyo iligeuka kuwa huru ya mwendo wa chanzo.

Kuanzia wakati wa majaribio ya Michelson na Morley mnamo 1881 hadi 1905 - kabla ya maendeleo ya misingi ya SRT - majaribio mengi yalifanywa kukuza nadharia ambazo zingeelezea matokeo ya jaribio kuu. Na wakati huo huo, kila mtu alijaribu kuhifadhi ether, kurekebisha mali zake tu.

Maarufu zaidi ni majaribio ya kudadisi ya mwanafizikia wa Ireland George Fitzgerald na mwanafizikia wa Uholanzi Hendrik Lorentz. Wa kwanza alipendekeza wazo la kupunguza urefu wa mwili kwa mwelekeo wa harakati, zaidi, kasi ya juu ya harakati. Lorenz alipendekeza uwezekano wa mtiririko wa ndani wa wakati ("wakati wa ndani") katika mfumo wa kusonga, kulingana na sheria ambazo zinatofautiana na sheria katika mfumo wa stationary. Lorentz alipendekeza kurekebisha mabadiliko ya kuratibu ya Galileo.

Machapisho ya Einstein katika nadharia maalum ya uhusiano

Mchango wa maamuzi katika uundaji wa maalum, na kisha nadharia ya jumla relativity ilianzishwa na Albert Einstein. Mnamo 1905, katika jarida Annalen für Physik, mwenye umri wa miaka 26, mfanyakazi asiyejulikana wa ofisi ya hakimiliki ya Uswizi, Albert Einstein, alichapisha nakala ndogo ya kurasa 3 "Juu ya mienendo ya elektroni ya media inayosonga." Kulingana na wanahistoria wa fizikia, hakuwa amesikia kuhusu matokeo ya majaribio ya Michelson-Morley.

Wazo la Einstein huturuhusu kuachana na uwepo wa etha na kujenga nadharia, ambayo sasa inaitwa nadharia maalum ya uhusiano (SRT) na kuthibitishwa na majaribio yote yanayojulikana leo.

SRT inategemea machapisho mawili.

"Kanuni ya uthabiti wa kasi ya mwanga."

Kasi ya mwanga haitegemei kasi ya mwendo wa chanzo cha mwanga, ni sawa katika mifumo yote ya uratibu wa inertial, na ni sawa na c = 3 katika utupu. 10 8 m/s.

Baadaye, nadharia ya jumla ya uhusiano (GTR), iliyochapishwa mwaka wa 1916, ilisema kwamba kasi ya mwanga inabaki mara kwa mara katika mifumo isiyo ya inertial ya kuratibu.

Kanuni maalum ya uhusiano.

Sheria za asili ni sawa (zisizobadilika, zisizobadilika) katika mifumo yote ya uratibu wa inertial.

Einstein baadaye aliandika:

"Katika mifumo yote ya uratibu wa inertial, sheria za asili zinakubaliana. Ukweli wa kimwili haumilikiwi na hatua katika nafasi au wakati katika wakati ambapo kitu kilifanyika, lakini tu na tukio lenyewe. Hakuna uhusiano kamili (huru wa nafasi ya kumbukumbu) katika nafasi, na hakuna uhusiano kamili kwa wakati, lakini kuna uhusiano kamili (huru wa nafasi ya kumbukumbu). uhusiano katika nafasi na wakati" ( imesisitizwa na Einstein).

Baadaye, Einstein alisisitiza uhalali wa barua hii kwa wote, ikiwa ni pamoja na mifumo isiyo ya inertial, ya kumbukumbu.

Kifaa cha hisabati cha SRT kinatumia mwendelezo wa muda wa nafasi wa xyzt wenye-dimensional nne (nafasi ya Minkowski) na Lorentz huratibu mabadiliko kama kiakisi cha kihisabati cha ukweli uliopo katika ulimwengu nyenzo.

Dhana ya kwamba kasi ya mwanga ni kamili husababisha matokeo kadhaa ambayo si ya kawaida na hayaonekani chini ya hali ya mechanics ya Newton. Moja ya matokeo ya uthabiti wa kasi ya mwanga ni kukataliwa kwa asili kabisa ya wakati, ambayo iliwekwa katika mechanics ya Newton. Lazima sasa tukubali kwamba wakati unapita tofauti mifumo tofauti kumbukumbu - matukio ambayo ni wakati huo huo katika mfumo mmoja yatakuwa yasiyo ya wakati huo huo katika mwingine.

Hebu tuzingatie viunzi viwili vya inertial vya marejeleo K Na K", kusonga jamaa kwa kila mmoja. Hebu katika chumba giza kusonga na mfumo K", taa inawaka. Tangu kasi ya mwanga katika mfumo K" ni sawa (kama katika muundo wowote wa kumbukumbu) c, basi mwanga hufikia kuta zote mbili za kinyume cha chumba kwa wakati mmoja. Hii sio kitakachotokea kutoka kwa mtazamo wa mwangalizi katika mfumo K. Kasi ya mwanga katika mfumo K pia sawa c, lakini tangu kuta za chumba huhamia jamaa na mfumo K, kisha mwangalizi katika mfumo K itagundua kuwa mwanga utagusa moja ya kuta kabla ya nyingine, i.e. katika mfumo K matukio haya si samtidiga.

Kwa hivyo, katika mechanics ya Einstein jamaa si tu sifa za nafasi, lakini pia sifa za wakati.