Podsumowanie szczególnej teorii względności. Teoria względności - co to jest? Postulaty teorii względności

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, wszystkie inercjalne układy 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 znaczenia absolutnego, jest jedynie idealną reprezentacją matematyczną, ponieważ w przyrodzie nie ma prawdziwego procesu fizycznego odpowiedniego do pomiaru czasu absolutnego.

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. Gdyby jeden z dwóch bliźniaków odbył długą podróż kosmiczną, to po powrocie na Ziemię odkryłby, że pozostawiony w domu brat bliźniak był znacznie starszy od niego.

W niektórych systemach możemy mówić jedynie o czasie lokalnym. Pod tym względem czas nie jest bytem niezależnym od materii; płynie 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=mс 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.

SRT została potwierdzona na obszernym materiale, wieloma faktami i eksperymentami (np. dylatację czasu obserwuje się podczas rozpadu cząstek elementarnych w promieniach kosmicznych czy w wysokoenergetycznych akceleratorach) 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.

Szczególna teoria względności (STR)– teoria fizyczna, która uwzględnia czasoprzestrzenne właściwości procesów fizycznych. Prawa SRT pojawiają się przy dużych prędkościach (porównywalnych z prędkością światła). Prawa mechaniki klasycznej w tym przypadku nie działają. Dzieje się tak dlatego, że transfer oddziaływań nie następuje natychmiastowo, lecz ze skończoną prędkością (prędkość światła).

Mechanika klasyczna jest szczególnym przypadkiem SRT przy niskich prędkościach. Zjawiska opisywane przez SRT i sprzeczne z prawami fizyki klasycznej to tzw relatywistyczny. Według SRT jednoczesność zdarzeń, odległości i odstępy czasu są względne.

W dowolnych inercjalnych układach odniesienia w tych samych warunkach wszystkie zjawiska mechaniczne przebiegają w ten sam sposób (zasada względności Galileusza). W mechanice klasycznej pomiar czasu i odległości w dwóch układach odniesienia oraz porównywanie tych wielkości uważa się za oczywiste. Na stacji obsługi tak się nie dzieje.

Wydarzenia są jednoczesny, jeżeli występują przy tych samych zsynchronizowanych odczytach zegara. Dwa zdarzenia, które występują jednocześnie w jednym układzie inercjalnym, nie są jednoczesne w innym układzie inercjalnym.

W 1905 roku Einstein stworzył szczególną teorię względności (STR). W samym sercu tego teoria względności są dwa postulaty:

• Wszelkie zjawiska fizyczne we wszystkich inercjalnych układach odniesienia w tych samych warunkach przebiegają w ten sam sposób (zasada względności Einsteina).
• Prędkość światła w próżni we wszystkich inercjalnych układach odniesienia jest taka sama i nie zależy od prędkości źródła i odbiornika światła (zasada stałości prędkości światła).

Postulat pierwszy rozszerza zasadę względności na wszystkie zjawiska, w tym także elektromagnetyczne. Problem stosowalności zasady względności pojawił się wraz z odkryciem fal elektromagnetycznych i elektromagnetycznej natury światła. Stałość prędkości światła prowadzi do niezgodności z prawem dodawania prędkości mechaniki klasycznej. Według Einsteina zmiana układu odniesienia nie powinna zmieniać charakteru interakcji. Pierwszy postulat Einsteina wynika bezpośrednio z eksperymentu Michelsona-Morleya, który dowiódł braku absolutnego układu odniesienia w przyrodzie. W tym eksperymencie mierzono prędkość światła w zależności od prędkości odbiornika światła. Z wyników tego doświadczenia wynika drugi postulat Einsteina o stałości prędkości światła w próżni, który jest sprzeczny z pierwszym postulatem, jeśli na zjawiska elektromagnetyczne rozciągniemy nie tylko samą zasadę względności Galileusza, ale także zasadę dodawania prędkości. W konsekwencji przekształcenia Galileusza dotyczące współrzędnych i czasu, a także jego zasada dodawania prędkości, nie mają zastosowania do zjawisk elektromagnetycznych.

Wnioski z postulatów SRT

Jeśli porównamy odległości i odczyty zegarów w różnych układach odniesienia za pomocą sygnałów świetlnych, możemy wykazać, że odległość między dwoma punktami i długość odstępu czasu między dwoma zdarzeniami zależą od wyboru układu odniesienia.

Względność odległości:

gdzie \(I_0 \) ​ to długość ciała w układzie odniesienia, względem którego ciało znajduje się w spoczynku, \(l \) ​ to długość ciała w układzie odniesienia, względem którego ciało się znajduje się porusza, \(v \) ​ jest prędkością ciała.

Oznacza to, że rozmiar liniowy ramy poruszającej się względem ramy inercyjnej maleje w kierunku ruchu.

Względność przedziałów czasowych:

gdzie \(\tau_0 \) ​ to odstęp czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami zachodzącymi w jednym punkcie inercjalnego układu odniesienia, ​\(\tau \) ​ to odstęp czasu pomiędzy tymi samymi zdarzeniami w poruszającym się z prędkością ​\ (v \) ​układ odniesienia.

Oznacza to, że zegary poruszające się względem inercyjnego układu odniesienia działają wolniej niż zegary stacjonarne i pokazują mniej czasu pomiędzy zdarzeniami (dylatacja czasu).

Prawo dodawania prędkości na stacjach paliw jest napisane tak:

gdzie ​\(v \) ​ – prędkość ciała względem nieruchomego układu odniesienia, ​\(v' \) ​ – prędkość ciała względem poruszającego się układu odniesienia, ​\(u \) ​ – prędkość poruszającego się układu odniesienia względem nieruchomego, \( c \) ​ – prędkość światła.

Przy prędkościach ruchu znacznie mniejszych od prędkości światła relatywistyczne prawo dodawania prędkości zamienia się w prawo klasyczne, a długość ciała i odstęp czasu stają się takie same w stacjonarnym i ruchomym układzie odniesienia (zasada zgodności).

Do opisu procesów zachodzących w mikrokosmosie nie ma zastosowania klasyczne prawo dodawania, natomiast działa relatywistyczne prawo dodawania prędkości.

Całkowita Energia

Całkowita energia \(E\) ciała w stanie ruchu nazywa się relatywistyczną energią ciała:

Energia całkowita, masa i pęd ciała są ze sobą powiązane – nie mogą zmieniać się niezależnie.

Prawo proporcjonalności masy i energii jest jednym z najważniejszych wniosków SRT. Masa i energia to różne właściwości materii. Masa ciała charakteryzuje jego bezwładność, a także zdolność ciała do wchodzenia w interakcję grawitacyjną z innymi ciałami.

Ważny!
Najważniejszą właściwością energii jest jej zdolność do przekształcania się z jednej formy w drugą w równoważnych ilościach podczas różnych procesów fizycznych - taka jest treść prawa zachowania energii. Proporcjonalność masy i energii jest wyrazem wewnętrznej istoty materii.

Energia odpoczynku

Ciało ma najmniejszą energię \(E_0 \) ​ w układzie odniesienia, względem którego znajduje się w spoczynku. Ta energia nazywa się energia odpoczynku:

Energia spoczynkowa to energia wewnętrzna ciała.

W SRT masa układu oddziałujących ze sobą ciał nie jest równa sumie mas ciał wchodzących w skład układu. Nazywa się różnicę między sumą mas wolnych ciał a masą układu oddziałujących ciał defekt masy– \(\Delta m \) ​. Wada masy jest dodatnia, jeśli ciała przyciągają się. Zmiana energii własnej układu, czyli podczas jakichkolwiek oddziaływań tych ciał w jego wnętrzu, jest równa iloczynowi wady masy razy kwadrat prędkości światła w próżni:

Eksperymentalne potwierdzenie zależności masy od energii uzyskano porównując energię uwolnioną podczas rozpadu promieniotwórczego z różnicą mas początkowego jądra i produktów końcowych.

Stwierdzenie to ma różnorodne zastosowania praktyczne, w tym wykorzystanie energii jądrowej. Jeżeli masa cząstki lub układu cząstek zmniejszyła się o \(\Delta m\), wówczas należy uwolnić energię \(\Delta E=\Delta m\cdot c^2 \)​.

Energia kinetyczna ciała (cząstki) jest równa:

Ważny!
W mechanice klasycznej energia spoczynkowa wynosi zero.

Impuls relatywistyczny

Impuls relatywistyczny ciało jest wielkością fizyczną równą:

gdzie \(E\) ​ jest relatywistyczną energią ciała.

Dla ciała o masie \(m\) ​ można skorzystać ze wzoru:

W eksperymentach mających na celu badanie oddziaływań cząstek elementarnych poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła, potwierdzono przewidywania teorii względności o zachowaniu pędu relatywistycznego podczas dowolnych oddziaływań.

Ważny!
Prawo zachowania pędu relatywistycznego jest podstawowym prawem natury.

Klasyczne prawo zachowania pędu jest szczególnym przypadkiem uniwersalnego prawa zachowania relatywistycznego pędu.

Całkowita energia \(E \) cząstki relatywistycznej, energia spoczynkowa \(E_0 \) ​ i pęd ​\(p \) ​ są powiązane zależnością:

Wynika z tego, że dla cząstek o masie spoczynkowej równej zero \(E_0 \) ​ = 0 i ​\(E=pc \) ​.

Siedzisz twarzą w stronę statku kosmicznego i patrzysz na żarówkę znajdującą się na jego dziobie. Światło żarówki, niezależnie od jej ruchu, porusza się względem gwiazd z prędkością C = 300 000 km/s. Zbliżasz się do światła z pewną prędkością, zatem względem ciebie światło musi mieć prędkość

Mierzysz tę prędkość, porównujesz ją ze znaną wartością C i dochodzisz do wniosku, że poruszasz się z prędkością 50 000 km/s, zatem zjawiska elektromagnetyczne wydają się pozwalać odróżnić spoczynek od jednostajnego ruchu prostoliniowego. Czyli powstaje paradoks: z jednej strony prędkość światła wynosząca 300 000 km/s nie powinna zależeć od tego, czy źródło światła jest w ruchu, czy w spoczynku, z drugiej strony, zgodnie z klasycznym prawem dodawania prędkości, powinno to zależeć od wyboru układu odniesienia.

Proponowano różne rozwiązania, jedna z opinii, popierana przez Lorentza, głosiła: inercyjne układy odniesienia, które są równe w zjawiskach mechanicznych, nie są równe w prawach elektrodynamiki.

Oznacza to, że w elektrodynamice istnieje pewien uprzywilejowany, główny, absolutny układ odniesienia, który naukowcy kojarzyli z tzw. eterem.

Amerykańscy naukowcy Michelson i Morley próbowali zweryfikować zasadność obecności układu odniesienia związanego z eterem i obecności samego eteru. Sprawdzali, czy z eterem i wszystkimi innymi układami odniesienia poruszającymi się względem niego związany jest tzw. absolutny układ odniesienia, czyli tzw. wiatr eteryczny, który może wpływać na prędkość światła. I, jak właśnie widzieliście, nie ma eterycznego wiatru. Fizyka tamtych czasów stanęła przed nierozwiązalnym paradoksem: co jest prawdą - mechanika klasyczna, elektrodynamika Maxwella, czy coś innego.

W momencie publikacji swojej pracy Albert Einstein nie był uznanym światowym naukowcem, a idee, które wyrażał, wydawały się tak rewolucyjne, że początkowo nie miały praktycznie żadnych zwolenników. Niemniej jednak ogromna liczba eksperymentów i pomiarów, które przeprowadzono później, wykazała słuszność punktu widzenia Alberta Einsteina.

Sformułujmy jeszcze raz problemy, przed którymi stanęła wówczas fizyka i porozmawiajmy o rozwiązaniach zaproponowanych przez Einsteina.

Nie da się wykryć uprzywilejowanego układu odniesienia związanego z nieruchomym eterem świata.

Czy to znaczy, że w ogóle nie istnieje, że nie ma tego uprzywilejowanego absolutnego układu odniesienia? Albert Einstein rozszerzył działanie zasady Galileusza w mechanice na całą fizykę i tak powstała zasada względności Einsteina: każde zjawisko fizyczne w tych samych warunkach początkowych przebiega w ten sam sposób w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia.

To znaczy nie jest to żadne zjawisko mechaniczne, ale jakiekolwiek zjawisko fizyczne.

Następna trudność: elektrodynamika zaprzecza mechanice w tym sensie, że równania Maxwella nie są niezmienne w przypadku transformacji Galileusza, czyli jest to właśnie trudność związana z prędkością światła.

Może Maxwell się myli? Nic podobnego, elektrodynamika Maxwella jest całkiem uczciwa. Czy to oznacza, że ​​wszystkie inne dziedziny fizyki są niesprawiedliwe, a przekształcenia galileuszowe łączące te działy fizyki są błędne? Przecież z nich wynika klasyczne prawo dodawania prędkości, które wykorzystujemy przy rozwiązywaniu problemów, takich jak: pociąg jedzie z prędkością 40 km/h, a pasażer idzie wzdłuż wagonu z prędkością 5 km/h h, a względem obserwatora na ziemi pasażer ten będzie poruszał się z prędkością 45 km/h (rys. 2).

Ryż. 2. Przykład klasycznego dodawania prędkości ()

Einstein faktycznie stwierdza: skoro transformacje Galileusza są niesprawiedliwe, to i to prawo dodawania prędkości jest również niesprawiedliwe. Kompletne załamanie fundamentów, absolutnie oczywisty przykład życia, absolutnie oczywiste prawo życia okazuje się niesprawiedliwe, w czym tu problem? Problem tkwi głęboko w podstawach mechaniki klasycznej, które założył Newton. Okazuje się, że głównym problemem mechaniki klasycznej jest to, że zakłada się, że wszystkie interakcje w mechanice rozchodzą się natychmiast. Rozważmy na przykład przyciąganie grawitacyjne ciał.

Jeśli przesuniesz jedno z ciał na bok, to zgodnie z prawem powszechnego ciążenia drugie ciało natychmiast odczuje ten fakt, gdy tylko zmieni się odległość od niego do pierwszego ciała, to znaczy interakcja zostanie przeniesiona na nieskończona prędkość. W rzeczywistości mechanizm interakcji jest następujący: zmiana położenia pierwszego ciała powoduje zmianę otaczającego go pola grawitacyjnego. Ta zmiana w polu zaczyna rozprzestrzeniać się z pewną prędkością do wszystkich punktów przestrzeni, a kiedy dociera do punktu, w którym znajduje się drugie ciało, odpowiednio zmienia się wzajemne oddziaływanie pierwszego i drugiego ciała. Oznacza to, że prędkość propagacji interakcji ma pewną skończoną wartość. Jeśli jednak interakcje transmitowane są z pewną skończoną szybkością, to w przyrodzie musi istnieć pewna maksymalna dopuszczalna prędkość propagacji tych interakcji, czyli maksymalna prędkość, z jaką interakcja może być transmitowana. Stwierdza to drugi postulat, który przypisuje wyłączną rolę prędkości światła, zasadzie niezmienności prędkości światła: w każdym inercjalnym układzie odniesienia światło porusza się w próżni z tą samą prędkością. Wielkość tej prędkości nie zależy od tego, czy źródło światła jest w spoczynku, czy w ruchu.

Tym samym nie będziemy mogli w rzeczywistości zrealizować opisanego powyżej przykładu z żarówką w statku kosmicznym, co przeczy temu postulatowi teorii Einsteina. Prędkość światła względem obserwatora w statku kosmicznym będzie równa C, a nie C + V, jak powiedzieliśmy wcześniej, a obserwator nie będzie w stanie zauważyć, że statek kosmiczny się porusza. Klasyczne prawo dodawania prędkości w stosunku do prędkości światła nie działa, choć może nam się to wydawać dziwne, ale prędkość światła dla obserwatora na Ziemi i dla astronauty będzie dokładnie taka sama i równa 300 000 km/ S. To właśnie stanowisko leży u podstaw teorii względności i zostało skutecznie udowodnione w ogromnej liczbie eksperymentów.

Mechanika zbudowana na podstawie tych dwóch postulatów nazywana jest mechaniką relatywistyczną (od angielskiej teorii względności - „relativity”). Może się wydawać, że mechanika relatywistyczna unieważnia klasyczną mechanikę Newtona, gdyż opiera się na innych postulatach, jednak faktem jest, że klasyczna mechanika Newtona jest szczególnym przypadkiem mechaniki relatywistycznej Einsteina, która objawia się przy prędkościach znacznie mniejszych od prędkości światła. W otaczającym nas świecie żyjemy z takimi prędkościami, prędkości, które napotykamy, są znacznie mniejsze od prędkości światła. Dlatego do opisu naszego życia wystarczy klasyczna mechanika Newtona.

Dla małych prędkości, znacznie mniejszych od prędkości światła, z powodzeniem stosujemy mechanikę klasyczną, natomiast jeśli pracujemy z prędkościami bliskimi prędkości światła lub zależy nam na dużej dokładności w opisywaniu zjawisk, musimy skorzystać ze szczególnej teorii względności, że czyli mechanika relatywistyczna.

Bibliografia

1. Tikhomirova SA, Yavorsky B.M. Fizyka (poziom podstawowy) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizyka, klasa 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizyka - 9, Moskwa, Edukacja, 1990.

1. Pppa.ru ().
2. Sfiz.ru ().
3. Eduspb.com ().

Praca domowa

1. Zdefiniuj zasadę względności Einsteina.
2. Zdefiniuj zasadę względności Galileusza.
3. Zdefiniuj zasadę niezmienności Einsteina.

O Podstawowe koncepcje

Zasada względności Galileusza

Zasada względności (pierwszy postulat Einsteina): prawa natury są niezmienne względem zmian układu odniesienia

Niezmienniczość prędkości światła (drugi postulat Einsteina)

Postulaty Einsteina jako przejaw symetrii przestrzeni i czasu

Podstawowe efekty relatywistyczne (konsekwencje z postulatów Einsteina).

Zgodność SRT z mechaniką klasyczną: ich przewidywania pokrywają się przy małych prędkościach ruchu (znacznie mniejszych niż prędkość światła)

& Streszczenie

Zasada względności- podstawowa zasada fizyczna. Tam są:

Zasada względności mechaniki klasycznej-postulat G. Galileusza, zgodnie z którym w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia wszystkie zjawiska mechaniczne przebiegają w ten sam sposób i w tych samych warunkach. Prawa mechaniki są takie same we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.

Zasada względności mechaniki relatywistycznej - A. Postulat Einsteina, zgodnie z którym w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia wszystkie zjawiska fizyczne przebiegają w ten sam sposób. Te. wszystkie prawa natury są takie same we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.

Inercyjny układ odniesienia(ISO) - układ odniesienia, w którym obowiązuje zasada bezwładności: ciało, na które nie działają siły zewnętrzne, znajduje się w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego liniowego.

Każdy układ odniesienia poruszający się względem ISO równomiernie i prostoliniowo jest również ISO. Zgodnie z zasadą względności wszystkie ISO są równe i wszystkie prawa fizyki obowiązują w nich jednakowo.

Założenie o istnieniu co najmniej dwóch ISO w przestrzeni izotropowej prowadzi do wniosku, że istnieje nieskończona liczba takich układów poruszających się względem siebie ze stałymi prędkościami.

Jeśli prędkości względnego ruchu ISO mogą przyjmować dowolne wartości, połączenie między współrzędnymi i momentami czasu dowolnego „zdarzenia” w różnych ISO odbywa się za pomocą transformacji Galileusza.

Jeżeli prędkości względnego ruchu ISO nie mogą przekroczyć określonej prędkości końcowej „c”, połączenie między współrzędnymi i momentami dowolnego „zdarzenia” w różnych ISO odbywa się za pomocą transformacji Lorentza. Postulując liniowość tych przekształceń, uzyskujemy stałość prędkości „c” we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.

Rozważany jest ojciec zasady względności Galileo Galilei, który zwrócił uwagę na fakt, że będąc w zamkniętym układzie fizycznym, nie można określić, czy układ ten jest w spoczynku, czy porusza się jednostajnie. W czasach Galileusza ludzie zajmowali się głównie zjawiskami czysto mechanicznymi. Idee Galileusza rozwinęły się w mechanice Newtona. Jednak wraz z rozwojem elektrodynamiki okazało się, że prawa elektromagnetyzmu i prawa mechaniki (w szczególności mechaniczne sformułowanie zasady względności) nie są ze sobą dobrze zgodne. Te sprzeczności doprowadziły do ​​stworzenia przez Einsteina szczególnej teorii względności. Następnie uogólnioną zasadę względności zaczęto nazywać „zasadą względności Einsteina”, a jej mechaniczne sformułowanie - „zasadą względności Galileusza”.

A. Einsteina pokazał, że zasadę względności można zachować, jeśli podstawowe pojęcia przestrzeni i czasu, niekwestionowane od wieków, zostaną radykalnie zrewidowane. Prace Einsteina stały się częścią edukacji nowego, genialnego pokolenia fizyków, które dorastało w latach dwudziestych XX wieku. Kolejne lata nie ujawniły żadnych słabych punktów częściowej teorii względności.

Jednak Einsteina niepokoił fakt, odnotowany wcześniej przez Newtona, że ​​cała idea względności ruchu załamuje się, jeśli wprowadzone zostanie przyspieszenie; w tym przypadku w grę wchodzą siły bezwładności, których nie ma w ruchu jednostajnym i prostoliniowym. Dziesięć lat po stworzeniu szczególnej teorii względności Einstein zaproponował nową, niezwykle oryginalną teorię, w której główną rolę odgrywa hipoteza zakrzywionej przestrzeni i która zapewnia jednolity obraz zjawisk bezwładności i grawitacji. W tej teorii zasada względności została zachowana, ale przedstawiona w znacznie bardziej ogólnej formie, a Einstein był w stanie wykazać, że jego ogólna teoria względności obejmowała, z niewielkimi modyfikacjami, większość teorii grawitacji Newtona, przy czym jedna z tych modyfikacji wyjaśniała słynne anomalia w ruchu Merkurego.

Przez ponad 50 lat od pojawienia się ogólnej teorii względności w fizyce nie przywiązywano do niej większego znaczenia. Faktem jest, że obliczenia dokonywane na podstawie ogólnej teorii względności dają niemal takie same odpowiedzi, jak obliczenia w ramach teorii Newtona, a aparat matematyczny ogólnej teorii względności jest znacznie bardziej złożony. Tylko po to, aby zrozumieć zjawiska możliwe w polach grawitacyjnych o niespotykanym dotąd natężeniu, warto było przeprowadzać długie i pracochłonne obliczenia. Jednak w latach sześćdziesiątych, wraz z pojawieniem się lotów kosmicznych, astronomowie zaczęli zdawać sobie sprawę, że Wszechświat jest znacznie bardziej zróżnicowany niż początkowo sądzono i że mogą istnieć zwarte obiekty o dużej gęstości, takie jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury, w których pole grawitacyjne faktycznie osiąga niezwykle dużą intensywność. Jednocześnie rozwój technologii komputerowej częściowo zdjął z ramion naukowca ciężar żmudnych obliczeń. W rezultacie ogólna teoria względności zaczęła przyciągać uwagę wielu badaczy i rozpoczął się szybki postęp w tej dziedzinie. Uzyskano nowe dokładne rozwiązania równań Einsteina i odkryto nowe sposoby interpretacji ich niezwykłych właściwości. Bardziej szczegółowo rozwinięto teorię czarnych dziur. Graniczące z fantastyką zastosowania tej teorii wskazują, że topologia naszego Wszechświata jest znacznie bardziej złożona, niż mogłoby się wydawać, i że mogą istnieć inne wszechświaty położone w ogromnych odległościach od naszego i połączone z nim wąskimi mostami zakrzywionej przestrzeni. Możliwe jest oczywiście, że założenie to okaże się błędne, ale jedno jest jasne: teoria i fenomenologia grawitacji to matematyczna i fizyczna kraina czarów, którą dopiero zaczęliśmy badać.

Dwie podstawowe zasady SRT:

Pierwszy postulat Einsteina(zasada względności): prawa natury są niezmienne ze względu na zmianę układu odniesienia (wszystkie prawa natury są takie same we wszystkich układach współrzędnych poruszających się względem siebie prostoliniowo i równomiernie. Innymi słowy, żadne eksperymenty nie są w stanie rozróżnić ruchomego układu odniesienia od stacjonarnego.Na przykład wrażenia odczuwane przez osobę w stojącym samochodzie na skrzyżowaniu, gdy najbliższy mu samochód zaczyna powoli się oddalać, osoba ma złudzenie, że jego samochód się cofa.)

Drugi postulat Einsteina:niezmienność prędkości światła(zasada stałej prędkości światła: prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich układach odniesienia poruszających się względem siebie prostoliniowo i równomiernie (c=const=3 10 8 m/s). Prędkość światła w próżni nie zależy od ruchu ani od reszty źródła światła. Prędkość światła to maksymalna możliwa prędkość propagacji obiektów materialnych).

Korespondencja SRT z mechaniką klasyczną: ich przewidywania pokrywają się przy małych prędkościach (znacznie mniejszych niż prędkość światła).

Einstein porzucił Newtonowskie koncepcje przestrzeni i czasu.

Nie ma przestrzeni bez materii, jako czystego pojemnika, a geometria (krzywizna) świata i spowolnienie upływu czasu są zdeterminowane rozmieszczeniem i ruchem materii.

Podstawowe efekty relatywistyczne(konsekwencje postulatów Einsteina):

czasstosunkowo, tj. prędkość zegara zależy od prędkości samego zegara względem obserwatora.

przestrzeń jest względna, tj. odległość między punktami w przestrzeni zależy od prędkości obserwatora.

teoria względności jednoczesności (jeśli dla obserwatora nieruchomego dwa zdarzenia zachodzą jednocześnie, to dla obserwatora poruszającego się tak nie jest)

względność odległości ( relatywistyczne skrócenie długości: w ruchomym układzie odniesienia skale przestrzenne ulegają skróceniu wzdłuż kierunku ruchu)

względność przedziałów czasu ( relatywistyczna dylatacja czasu: w ruchomym układzie odniesienia czas płynie wolniej). Efekt ten objawia się np. koniecznością regulacji zegarów na satelitach Ziemi.

niezmienność odstępu czasoprzestrzennego pomiędzy zdarzeniami (odstęp pomiędzy dwoma zdarzeniami ma taką samą wartość w jednym układzie odniesienia, jak i w innym)

niezmienność związków przyczynowo-skutkowych

jedność czasoprzestrzeni (przestrzeń i czas reprezentują pojedynczą czterowymiarową rzeczywistość - zawsze postrzegamy świat jako czasoprzestrzenny.)

równoważność masy i energii

Zatem ,w teorii Einsteina przestrzeń i czas są względne- wyniki pomiaru długości i czasu zależą od tego, czy obserwator się porusza, czy nie.

Wstęp

2. Ogólna teoria względności Einsteina

Wniosek

Lista wykorzystanych źródeł

Wstęp

Już pod koniec XIX wieku większość naukowców skłaniała się do poglądu, że fizyczny obraz świata jest w zasadzie skonstruowany i pozostanie niezmienny w przyszłości – do wyjaśnienia pozostały jedynie szczegóły. Jednak w pierwszych dekadach XX wieku poglądy na temat fizyki zmieniły się radykalnie. Było to konsekwencją „kaskady” odkryć naukowych dokonanych w niezwykle krótkim okresie historycznym, obejmującym ostatnie lata XIX wieku i pierwsze dekady XX wieku, z których wiele było całkowicie niezgodnych z rozumieniem zwykłego ludzkiego doświadczenia. Uderzającym przykładem jest teoria względności stworzona przez Alberta Einsteina (1879-1955).

Zasada względności została po raz pierwszy ustanowiona przez Galileusza, ale ostateczne sformułowanie otrzymała dopiero w mechanice Newtona.

Zasada względności oznacza, że ​​we wszystkich układach inercjalnych wszystkie procesy mechaniczne zachodzą w ten sam sposób.

Kiedy w naukach przyrodniczych dominował mechanistyczny obraz świata, zasada względności nie podlegała żadnym wątpliwościom. Sytuacja zmieniła się radykalnie, gdy fizycy zaczęli poważnie badać zjawiska elektryczne, magnetyczne i optyczne. Dla fizyków stała się oczywista niewystarczalność mechaniki klasycznej do opisu zjawisk naturalnych. Pojawiło się pytanie: czy zasada względności ma zastosowanie także do zjawisk elektromagnetycznych?

Opisując przebieg swojego rozumowania, Albert Einstein wskazuje na dwa argumenty, które świadczyły na rzecz uniwersalności zasady względności:

Zasada ta jest realizowana z dużą dokładnością w mechanice, dlatego można mieć nadzieję, że sprawdzi się także w elektrodynamice.

Jeżeli układy inercjalne nie są równoważne do opisu zjawisk naturalnych, wówczas zasadne jest założenie, że prawa natury najłatwiej opisać tylko w jednym układzie inercjalnym.

Rozważmy na przykład ruch Ziemi wokół Słońca z prędkością 30 kilometrów na sekundę. Gdyby w tym przypadku nie była spełniona zasada względności, wówczas prawa ruchu ciał zależałyby od kierunku i orientacji przestrzennej Ziemi. Nic takiego, tj. nie wykryto fizycznej nierówności w różnych kierunkach. Występuje tu jednak wyraźna niezgodność zasady względności z ugruntowaną zasadą stałości prędkości światła w próżni (300 000 km/s).

Powstaje dylemat: odrzucenie albo zasady stałości prędkości światła, albo zasady względności. Pierwsza zasada jest ustalona na tyle precyzyjnie i jednoznacznie, że porzucenie jej byłoby w sposób oczywisty nieuzasadnione; nie mniej trudności pojawiają się przy zaprzeczaniu zasadzie względności w dziedzinie procesów elektromagnetycznych. W rzeczywistości, jak pokazał Einstein:

„Prawo propagacji światła i zasada względności są zgodne”.

Pozorna sprzeczność zasady względności z prawem stałości prędkości światła powstaje dlatego, że mechanika klasyczna, zdaniem Einsteina, opierała się „na dwóch nieuzasadnionych hipotezach”: odstęp czasu między dwoma zdarzeniami nie zależy od stanu ruchu ciała odniesienia, a odległość przestrzenna pomiędzy dwoma punktami ciała sztywnego nie zależy od stanu ruchu ciała odniesienia. W trakcie rozwijania swojej teorii musiał porzucić: transformacje Galileusza i przyjąć transformacje Lorentza; z koncepcji przestrzeni absolutnej Newtona i definicji ruchu ciała względem tej przestrzeni absolutnej.

Każdy ruch ciała następuje względem określonego ciała odniesienia, dlatego też wszystkie procesy i prawa fizyczne muszą być formułowane w odniesieniu do ściśle określonego układu odniesienia lub współrzędnych. Dlatego nie ma absolutnej odległości, długości ani rozciągłości, tak jak nie może być absolutnego czasu.

Nowe koncepcje i zasady teorii względności znacząco zmieniły fizyczne i ogólnonaukowe koncepcje przestrzeni, czasu i ruchu, które dominowały w nauce przez ponad dwieście lat.

Wszystko powyższe uzasadnia istotność wybranego tematu.

Celem tej pracy jest kompleksowe badanie i analiza powstania szczególnej i ogólnej teorii względności przez Alberta Einsteina.

Praca składa się ze wstępu, dwóch części, zakończenia oraz spisu literatury. Całkowita objętość pracy wynosi 16 stron.

1. Szczególna teoria względności Einsteina

W 1905 roku Albert Einstein, opierając się na niemożności wykrycia ruchu absolutnego, doszedł do wniosku, że wszystkie inercyjne układy odniesienia są równe. Sformułował dwa najważniejsze postulaty, które stały się podstawą nowej teorii przestrzeni i czasu, zwanej Szczególną Teorią Względności (STR):

1. Zasada względności Einsteina - zasada ta była uogólnieniem zasady względności Galileusza na wszelkie zjawiska fizyczne. Mówi ona: wszystkie procesy fizyczne w tych samych warunkach w inercjalnych układach odniesienia (IRS) przebiegają w ten sam sposób. Oznacza to, że żadne eksperymenty fizyczne przeprowadzone wewnątrz zamkniętej ISO nie mogą ustalić, czy znajduje się ona w spoczynku, czy też porusza się równomiernie i prostoliniowo. Zatem wszystkie IFR są całkowicie równe, a prawa fizyczne są niezmienne w odniesieniu do wyboru IFR (tj. równania wyrażające te prawa mają tę samą postać we wszystkich inercyjnych układach odniesienia).

2. Zasada stałości prędkości światła - prędkość światła w próżni jest stała i nie zależy od ruchu źródła i odbiornika światła. Jest tak samo we wszystkich kierunkach i we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Prędkość światła w próżni – graniczna prędkość w przyrodzie – to jedna z najważniejszych stałych fizycznych, tzw. stałych światowych.

Dogłębna analiza tych postulatów pokazuje, że stoją one w sprzeczności z koncepcjami przestrzeni i czasu przyjętymi w mechanice Newtona i odzwierciedlonymi w przemianach Galileusza. Rzeczywiście, zgodnie z zasadą 1, wszystkie prawa natury, w tym prawa mechaniki i elektrodynamiki, muszą być niezmienne w odniesieniu do tych samych transformacji współrzędnych i czasu, jakie przeprowadza się przy przechodzeniu z jednego układu odniesienia do drugiego. Równania Newtona spełniają ten wymóg, ale równania elektrodynamiki Maxwella nie, tj. okazują się niezmiennicze. Ta okoliczność doprowadziła Einsteina do wniosku, że równania Newtona wymagają doprecyzowania, w wyniku czego zarówno równania mechaniki, jak i równania elektrodynamiki okażą się niezmiennicze względem tych samych przekształceń. Niezbędnej modyfikacji praw mechaniki dokonał Einstein. W efekcie powstała mechanika zgodna z zasadą względności Einsteina – mechanika relatywistyczna.

Twórca teorii względności sformułował uogólnioną zasadę względności, która obecnie rozciąga się na zjawiska elektromagnetyczne, w tym na ruch światła. Zasada ta głosi, że żadne eksperymenty fizyczne (mechaniczne, elektromagnetyczne itp.) przeprowadzane w danym układzie odniesienia nie są w stanie ustalić różnicy pomiędzy stanami spoczynku a jednostajnym ruchem liniowym. Klasyczne dodawanie prędkości nie ma zastosowania w przypadku propagacji fal elektromagnetycznych i światła. Dla wszystkich procesów fizycznych prędkość światła ma właściwość prędkości nieskończonej. Aby nadać ciału prędkość równą prędkości światła, potrzeba nieskończonej ilości energii i dlatego osiągnięcie tej prędkości przez jakiekolwiek ciało jest fizycznie niemożliwe. Wynik ten potwierdziły pomiary przeprowadzone na elektronach. Energia kinetyczna masy punktowej rośnie szybciej niż kwadrat jej prędkości i staje się nieskończona dla prędkości równej prędkości światła.

Prędkość światła jest maksymalną prędkością rozprzestrzeniania się wpływów materialnych. Nie może się sumować przy żadnej prędkości i okazuje się być stała dla wszystkich układów inercjalnych. Wszystkie poruszające się ciała na Ziemi mają prędkość zerową w stosunku do prędkości światła. Rzeczywiście prędkość dźwięku wynosi tylko 340 m/s. To bezruch w porównaniu z prędkością światła.

Z tych dwóch zasad – stałości prędkości światła i rozszerzonej zasady względności Galileusza – wynikają matematycznie wszystkie postanowienia szczególnej teorii względności. Jeśli prędkość światła jest stała dla wszystkich układów inercjalnych i wszystkie są równe, to wielkości fizyczne długości ciała, przedziału czasu i masy będą różne dla różnych układów odniesienia. Zatem długość ciała w układzie ruchomym będzie najmniejsza w stosunku do stacjonarnego. Zgodnie ze wzorem:

gdzie /” to długość ciała w układzie poruszającym się z prędkością V względem układu stacjonarnego; / to długość ciała w układzie stacjonarnym.

Przez pewien okres czasu, czas trwania procesu, jest odwrotnie. Czas będzie się jakby rozciągał, płynął wolniej w układzie ruchomym w porównaniu do stacjonarnego, w którym proces ten będzie szybszy. Zgodnie ze wzorem:

Przypomnijmy, że skutki szczególnej teorii względności będą wykrywane przy prędkościach bliskich światłu. Przy prędkościach znacznie mniejszych od prędkości światła wzory SRT przekształcają się we wzory mechaniki klasycznej.

Ryc.1. Eksperyment „Pociąg Einsteina”

Einstein starał się jasno pokazać, jak upływ czasu zwalnia w układzie poruszającym się w stosunku do nieruchomego. Wyobraźmy sobie peron kolejowy, obok którego przejeżdża pociąg z prędkością bliską prędkości światła (rys. 1).