V septembri 1905 Objavila sa práca A. Einsteina „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“, v ktorej boli načrtnuté hlavné ustanovenia špeciálnej teórie relativity (STR). Táto teória znamenala revíziu klasických pojmov fyziky o vlastnostiach priestoru a času. Preto možno túto teóriu vo svojom obsahu nazvať fyzikálnou doktrínou priestoru a času . Fyzické pretože vlastnosti priestoru a času sa v tejto teórii zvažujú v úzkej súvislosti so zákonitosťami fyzikálnych javov, ktoré sa v nich vyskytujú. Termín " špeciálne"zdôrazňuje skutočnosť, že táto teória zvažuje javy iba v inerciálnych vzťažných sústavách.
Ako východiskové body špeciálnej teórie relativity prijal Einstein dva postuláty alebo princípy:
1) princíp relativity;
2) princíp nezávislosti rýchlosti svetla od rýchlosti svetelného zdroja.
Prvý postulát je zovšeobecnením Galileovho princípu relativity na akékoľvek fyzikálne procesy: všetky fyzikálne javy prebiehajú rovnako vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. Všetky zákony prírody a rovnice, ktoré ich opisujú sú invariantné, t.j. nemenia pri prechode z jedného inerciálneho referenčného systému do druhého.
Inými slovami, všetky inerciálne vzťažné sústavy sú ekvivalentné (nerozoznateľné) vo svojich fyzikálnych vlastnostiach.Žiadne množstvo skúseností nemôže vybrať žiadnu z nich ako preferovanú.
Druhý postulát tvrdí, že rýchlosť svetla vo vákuu nezávisí od pohybu svetelného zdroja a je vo všetkých smeroch rovnaká.
Znamená to, že rýchlosť svetla vo vákuu je rovnaká vo všetkých inerciálnych referenčných sústavách. Rýchlosť svetla teda zaujíma v prírode osobitné postavenie.
Z Einsteinových postulátov vyplýva, že rýchlosť svetla vo vákuu je limitujúca: žiadny signál, žiadny vplyv jedného telesa na druhé sa nemôže šíriť rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla vo vákuu. Práve obmedzujúca povaha tejto rýchlosti vysvetľuje rovnakú rýchlosť svetla vo všetkých referenčných systémoch. Prítomnosť obmedzujúcej rýchlosti automaticky znamená obmedzenie rýchlosti častíc o hodnotu „c“. V opačnom prípade by tieto častice mohli prenášať signály (alebo interakcie medzi telesami) rýchlosťou presahujúcou limit. Podľa Einsteinových postulátov je teda hodnota všetkých možných rýchlostí pohybu telies a šírenia interakcií obmedzená hodnotou „c“. Toto odmieta princíp pôsobenia newtonovskej mechaniky na veľké vzdialenosti.
Zaujímavé závery vyplývajú zo SRT:
1) ZNÍŽENIE DĹŽKY: Pohyb akéhokoľvek predmetu ovplyvňuje nameranú hodnotu jeho dĺžky.
2) SPOMALENIE ČASU: s príchodom SRT vzniklo tvrdenie, že absolútny čas nemá absolútny význam, je to len ideálne matematické zobrazenie, pretože v prírode neexistuje skutočný fyzikálny proces vhodný na meranie absolútneho času.
Priebeh času závisí od rýchlosti pohybu referenčného rámca. Pri dostatočne vysokej rýchlosti, blízkej rýchlosti svetla, sa čas spomalí, t.j. nastáva relativistická dilatácia času.
V rýchlo sa pohybujúcom systéme teda čas plynie pomalšie ako v laboratóriu stacionárneho pozorovateľa: ak by pozorovateľ na Zemi dokázal sledovať hodiny v rakete letiacej vysokou rýchlosťou, dospel by k záveru, že beží pomalšie ako jeho vlastné. Efekt dilatácie času znamená, že obyvatelia vesmírnej lode starnú pomalšie. Ak by jedno z dvoch dvojčiat podniklo dlhú vesmírnu cestu, po návrate na Zem by zistil, že jeho brat dvojča, ktorý zostal doma, je oveľa starší ako on.
V niektorých systémoch môžeme hovoriť len o miestnom čase. V tomto ohľade čas nie je entitou nezávislou od hmoty, plynie rôznou rýchlosťou za rôznych fyzikálnych podmienok. Čas je vždy relatívny.
3) ZVÝŠENIE HMOTNOSTI: Hmotnosť telesa je tiež relatívna veličina v závislosti od rýchlosti jeho pohybu. Čím väčšia je rýchlosť telesa, tým väčšia je jeho hmotnosť.
Einstein tiež objavil spojenie medzi hmotou a energiou. Formuluje nasledujúci zákon: „hmotnosť telesa je mierou energie v ňom obsiahnutej: E=mс 2". Ak do tohto vzorca dosadíme m=1 kg a c=300 000 km/s, dostaneme obrovskú energiu 9·10 16 J, ktorá by stačila na horenie elektrickej žiarovky 30 miliónov rokov. Ale množstvo energie v hmotnosti látky je obmedzené rýchlosťou svetla a množstvom hmoty.
Svet okolo nás má tri rozmery. SRT tvrdí, že čas nemožno považovať za niečo samostatné a nemenné. V roku 1907 nemecký matematik Minkowski vyvinul matematický aparát SRT. Navrhol, že tri priestorové a jedna časová dimenzia spolu úzko súvisia. Všetky udalosti vo vesmíre sa odohrávajú v štvorrozmernom časopriestore. Z matematického hľadiska je SRT geometriou štvorrozmerného Minkowského priestoročasu.
SRT bola potvrdená na rozsiahlom materiáli mnohými faktami a experimentmi (napríklad dilatácia času je pozorovaná pri rozpade elementárnych častíc v kozmickom žiarení alebo vo vysokoenergetických urýchľovačoch) a je základom teoretických popisov všetkých procesov prebiehajúcich pri relativistických rýchlostiach.
Takže popis fyzikálnych procesov v SRT je v podstate spojený so súradnicovým systémom. Fyzikálna teória nepopisuje samotný fyzikálny proces, ale výsledok interakcie fyzikálneho procesu s prostriedkami výskumu. Preto sa po prvý raz v dejinách fyziky priamo prejavila činnosť subjektu poznania, neoddeliteľná interakcia subjektu a predmetu poznania.
Špeciálna teória relativity (STR)– fyzikálna teória, ktorá uvažuje o časopriestorových vlastnostiach fyzikálnych procesov. Zákony SRT sa objavujú pri vysokých rýchlostiach (porovnateľných s rýchlosťou svetla). Zákony klasickej mechaniky v tomto prípade nefungujú. Dôvodom je, že k prenosu interakcií nedochádza okamžite, ale pri konečnej rýchlosti (rýchlosti svetla).
Klasická mechanika je špeciálny prípad SRT pri nízkych rýchlostiach. Javy opísané SRT a v rozpore so zákonmi klasickej fyziky sú tzv relativistický. Simultánnosť udalostí, vzdialenosti a časové intervaly sú podľa SRT relatívne.
V akýchkoľvek inerciálnych vzťažných sústavách za rovnakých podmienok prebiehajú všetky mechanické javy rovnako (Galileov princíp relativity). V klasickej mechanike sa meranie času a vzdialenosti v dvoch referenčných sústavách a porovnávanie týchto veličín považujú za samozrejmé. Na čerpacej stanici to tak nie je.
Udalosti sú simultánne, ak sa vyskytujú pri rovnakých synchronizovaných hodinách. Dve udalosti, ktoré sú súčasné v jednej inerciálnej sústave, nie sú súčasné v inej inerciálnej sústave.
V roku 1905 Einstein vytvoril špeciálnu teóriu relativity (STR). Jadrom toho teória relativity existujú dva postuláty:
- Akékoľvek fyzikálne javy vo všetkých inerciálnych referenčných sústavách za rovnakých podmienok prebiehajú rovnakým spôsobom (Einsteinov princíp relativity).
- Rýchlosť svetla vo vákuu vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách je rovnaká a nezávisí od rýchlosti zdroja a prijímača svetla (princíp stálosti rýchlosti svetla).
Prvý postulát rozširuje princíp relativity na všetky javy, vrátane elektromagnetických. Problém použiteľnosti princípu relativity vznikol s objavom elektromagnetických vĺn a elektromagnetickej povahy svetla. Stálosť rýchlosti svetla vedie k nesúladu so zákonom sčítania rýchlostí klasickej mechaniky. Podľa Einsteina by pri zmene referenčného systému nemalo dôjsť k zmene charakteru interakcie. Prvý Einsteinov postulát priamo vyplýva z Michelsonovho-Morleyho experimentu, ktorý dokázal absenciu absolútneho referenčného rámca v prírode. V tomto experimente sa merala rýchlosť svetla v závislosti od rýchlosti svetelného prijímača. Z výsledkov tohto experimentu vyplýva druhý Einsteinov postulát o stálosti rýchlosti svetla vo vákuu, ktorý je v rozpore s prvým postulátom, ak na elektromagnetické javy rozšírime nielen samotný princíp Galileovej relativity, ale aj pravidlo sčítania rýchlosti. V dôsledku toho Galileove transformácie pre súradnice a čas, ako aj jeho pravidlo pre sčítanie rýchlostí, nie sú použiteľné pre elektromagnetické javy.
Dôsledky postulátov SRT
Ak porovnáme vzdialenosti a hodiny v rôznych referenčných systémoch pomocou svetelných signálov, môžeme ukázať, že vzdialenosť medzi dvoma bodmi a trvanie časového intervalu medzi dvoma udalosťami závisia od výberu referenčného systému.
Relativita vzdialeností:
kde \(I_0 \) je dĺžka telesa v referenčnom systéme, vzhľadom na ktorú je teleso v pokoji, \(l \) je dĺžka telesa v referenčnom systéme, voči ktorému je teleso pohyb, \(v \) je rýchlosť telesa.
To znamená, že lineárna veľkosť rámu pohybujúceho sa vzhľadom k inerciálnemu rámu sa v smere pohybu zmenšuje.
Relativita časových intervalov:
kde \(\tau_0 \) je časový interval medzi dvoma udalosťami vyskytujúcimi sa v jednom bode inerciálnej referenčnej sústavy, \(\tau \) je časový interval medzi rovnakými udalosťami v pohybujúcej sa sústave s rýchlosťou \ (v \) referenčný systém.
To znamená, že hodiny pohybujúce sa vzhľadom k inerciálnej referenčnej sústave bežia pomalšie ako stacionárne hodiny a ukazujú kratší čas medzi udalosťami (dilatácia času).
Zákon pridávania rýchlostí na čerpacích staniciach sa píše takto:
kde \(v \) – rýchlosť telesa vzhľadom na pevnú referenčnú sústavu, \(v' \) – rýchlosť telesa vzhľadom na pohyblivú referenčnú sústavu, \(u \) – rýchlosť pohybujúceho sa referenčného rámca vzhľadom na pevný, \( c \) – rýchlosť svetla.
Pri rýchlostiach oveľa nižších ako je rýchlosť svetla sa relativistický zákon sčítania rýchlostí mení na klasický zákon a dĺžka telesa a časový interval sa stávajú rovnakými v stacionárnych a pohyblivých referenčných systémoch (princíp korešpondencie).
Na popis procesov v mikrokozme nie je použiteľný klasický zákon sčítania, ale funguje relativistický zákon sčítania rýchlostí.
Celková energia
Celková energia \(E\) tela v stave pohybu sa nazýva relativistická energia tela:
Celková energia, hmotnosť a hybnosť telesa spolu súvisia – nemôžu sa nezávisle meniť.
Zákon proporcionality hmotnosti a energie je jedným z najdôležitejších záverov SRT. Hmotnosť a energia sú rôzne vlastnosti hmoty. Hmotnosť telesa charakterizuje jeho zotrvačnosť, ako aj schopnosť tela vstúpiť do gravitačnej interakcie s inými telesami.
Dôležité!
Najdôležitejšou vlastnosťou energie je jej schopnosť premieňať sa z jednej formy na druhú v ekvivalentných množstvách počas rôznych fyzikálnych procesov – to je obsah zákona zachovania energie. Úmernosť hmoty a energie je vyjadrením vnútornej podstaty hmoty.
Odpočinková energia
Teleso má najmenšiu energiu \(E_0\) v referenčnom rámci, v porovnaní s ktorým je v pokoji. Táto energia sa nazýva oddychová energia:
Energia odpočinku je vnútorná energia tela.
V SRT sa hmotnosť systému interagujúcich telies nerovná súčtu hmotností telies zahrnutých v systéme. Rozdiel medzi súčtom hmotností voľných telies a hmotnosťou sústavy interagujúcich telies sa nazýva hromadný defekt– \(\Delta m \) . Hromadný defekt je pozitívny, ak sa telesá navzájom priťahujú. Zmena vlastnej energie systému, t. j. počas akýchkoľvek interakcií týchto telies v ňom, sa rovná súčinu hmotnostného defektu krát druhá mocnina rýchlosti svetla vo vákuu:
Experimentálne potvrdenie vzťahu medzi hmotnosťou a energiou bolo získané porovnaním energie uvoľnenej počas rádioaktívneho rozpadu s rozdielom v hmotnosti počiatočného jadra a konečných produktov.
Toto tvrdenie má rôzne praktické aplikácie, vrátane využitia jadrovej energie. Ak sa hmotnosť častice alebo systému častíc znížila o \(\Delta m\), potom by sa mala uvoľniť energia \(\Delta E=\Delta m\cdot c^2 \).
Kinetická energia telesa (častice) sa rovná:
Dôležité!
V klasickej mechanike je pokojová energia nulová.
Relativistický impulz
Relativistický impulz telo je fyzikálna veličina rovnajúca sa:
kde \(E\) je relativistická energia tela.
Pre teleso s hmotnosťou \(m\) môžete použiť vzorec:
V experimentoch na štúdium interakcií elementárnych častíc pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla sa potvrdila predpoveď teórie relativity o zachovaní relativistickej hybnosti pri akýchkoľvek interakciách.
Dôležité!
Zákon zachovania relativistickej hybnosti je základným prírodným zákonom.
Klasický zákon zachovania hybnosti je špeciálnym prípadom univerzálneho zákona zachovania relativistickej hybnosti.
Celková energia \(E \) relativistickej častice, zvyšná energia \(E_0\) a hybnosť \(p \) súvisia podľa vzťahu:
Z toho vyplýva, že pre častice s pokojovou hmotnosťou rovnou nule platí \(E_0 \) = 0 a \(E=pc \) .
Sedíte oproti smeru vesmírnej lode a pozeráte sa na žiarovku, ktorá sa nachádza v jej prove. Svetlo zo žiarovky sa bez ohľadu na jej pohyb pohybuje voči hviezdam rýchlosťou C = 300 000 km/s. Pohybujete sa smerom k svetlu rýchlosťou, preto vzhľadom na vás svetlo musí mať rýchlosť
Zmeriate túto rýchlosť, porovnáte ju so známou hodnotou C a prídete na to, že sa pohybujete rýchlosťou 50 000 km/s, takže elektromagnetické javy vám zrejme umožňujú rozlíšiť pokoj od rovnomerného priamočiareho pohybu. To znamená, že vzniká paradox: na jednej strane rýchlosť svetla 300 000 km/s by nemala závisieť od toho, či sa svetelný zdroj pohybuje alebo je v pokoji, na druhej strane podľa klasického zákona o sčítaní rýchlostí, napr. malo by to závisieť od výberu referenčného systému.
Boli navrhnuté rôzne riešenia, jeden z názorov podporovaný Lorentzom hovoril: inerciálne referenčné systémy, ktoré sú rovnaké v mechanických javoch, nie sú rovnaké v zákonoch elektrodynamiky.
To znamená, že v elektrodynamike existuje určitý privilegovaný, hlavný, absolútny referenčný rámec, ktorý vedci spájali s takzvaným éterom.
Americkí vedci Michelson a Morley sa pokúsili overiť platnosť prítomnosti referenčného systému spojeného s éterom a prítomnosť tohto éteru samotného. Skontrolovali, či existuje takzvaný absolútny referenčný systém spojený s éterom a všetky ostatné referenčné systémy, ktoré sa voči nemu pohybujú, teda takzvaný éterický vietor, ktorý by mohol ovplyvňovať rýchlosť svetla. A ako ste práve videli, neexistuje žiadny éterický vietor. Fyzika v tom čase stála pred neriešiteľným paradoxom: čo je pravda - klasická mechanika, maxwellovská elektrodynamika alebo niečo iné.
Albert Einstein nebol v čase vydania svojej práce uznávaným svetovým vedcom, myšlienky, ktoré vyslovil, sa zdali natoľko revolučné, že spočiatku nemali prakticky žiadnych priaznivcov. Napriek tomu veľké množstvo experimentov a meraní, ktoré sa potom uskutočnilo, ukázalo platnosť pohľadu Alberta Einsteina.
Sformulujme ešte raz problémy, ktorým fyzika v tom čase čelila a porozprávajme sa o riešeniach, ktoré navrhol Einstein.
Nie je možné odhaliť privilegovaný referenčný rámec spojený s nehybným svetovým éterom.
Znamená to, že vôbec neexistuje, tento privilegovaný absolútny referenčný rámec neexistuje? Albert Einstein rozšíril pôsobenie Galileovho princípu v mechanike na celú fyziku a takto dopadol Einsteinov princíp relativity: každý fyzikálny jav za rovnakých počiatočných podmienok prebieha rovnako v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave.
Teda nie akýkoľvek mechanický jav, ale akýkoľvek fyzikálny jav.
Ďalší problém: elektrodynamika je v rozpore s mechanikou v tom, že Maxwellove rovnice nie sú pri Galileových transformáciách nemenné, to znamená, že práve toto je problém spojený s rýchlosťou svetla.
Možno sa Maxwell mýli? Nič také, Maxwellova elektrodynamika je celkom spravodlivá. Znamená to, že všetky ostatné oblasti fyziky sú nespravodlivé, galileovské transformácie, ktoré spájajú tieto časti fyziky, sú nesprávne? Veď z nich vyplýva klasický zákon sčítania rýchlostí, ktorý používame pri riešení problémov ako: vlak ide rýchlosťou 40 km/h a cestujúci ide po vozni rýchlosťou 5 km/ h a vzhľadom na pozorovateľa na zemi sa tento cestujúci bude pohybovať rýchlosťou 45 km/h (obr. 2).
Ryža. 2. Príklad klasického sčítania rýchlostí ()
Einstein v skutočnosti tvrdí: keďže Galileove transformácie sú nespravodlivé, potom je nespravodlivý aj tento zákon sčítania rýchlostí. Úplný rozpad základov, absolútne zrejmý životný príklad, absolútne zrejmý životný zákon sa ukazuje ako nespravodlivý, v čom je problém? Problém je hlboko v základoch klasickej mechaniky, ktoré položil Newton. Ukazuje sa, že hlavným problémom klasickej mechaniky je, že sa predpokladá, že všetky interakcie v rámci mechaniky sa šíria okamžite. Zoberme si napríklad gravitačnú príťažlivosť telies.
Ak posuniete jedno z telies na stranu, potom podľa zákona univerzálnej gravitácie druhé teleso pocíti túto skutočnosť okamžite, akonáhle sa zmení vzdialenosť od neho k prvému telesu, to znamená, že interakcia sa prenáša pri nekonečná rýchlosť. V skutočnosti je mechanizmus interakcie nasledovný: zmenou polohy prvého telesa sa zmení gravitačné pole okolo neho. Táto zmena v poli sa začne nejakou rýchlosťou pohybovať do všetkých bodov v priestore a keď dosiahne bod, v ktorom sa nachádza druhé teleso, zodpovedajúcim spôsobom sa zmení aj interakcia prvého a druhého telesa. To znamená, že rýchlosť šírenia interakcie má určitú konečnú hodnotu. Ale ak sa interakcie prenášajú nejakou konečnou rýchlosťou, potom v prírode musí existovať nejaká maximálna povolená rýchlosť šírenia týchto interakcií, maximálna rýchlosť, s akou sa interakcia môže prenášať. Uvádza to druhý postulát, ktorý prisudzuje výlučnú úlohu rýchlosti svetla, princíp invariantnosti rýchlosti svetla: v každej inerciálnej vzťažnej sústave sa svetlo pohybuje vo vákuu rovnakou rýchlosťou. Veľkosť tejto rýchlosti nezávisí od toho, či je svetelný zdroj v pokoji alebo v pohybe.
Vyššie opísaný príklad teda s žiarovkou v hviezdnej lodi v skutočnosti nebudeme môcť uskutočniť, čo bude v rozpore s týmto postulátom Einsteinovej teórie. Rýchlosť svetla vo vzťahu k pozorovateľovi v kozmickej lodi sa bude rovnať C, a nie C + V, ako sme už povedali, a pozorovateľ si nebude môcť všimnúť skutočnosť, že sa kozmická loď pohybuje. Klasický zákon pridávania rýchlostí v pomere k rýchlosti svetla nefunguje, akokoľvek sa nám to môže zdať zvláštne, ale rýchlosť svetla pre pozorovateľa na Zemi a pre astronauta bude úplne rovnaká a rovná sa 300 000 km/ s. Práve táto pozícia je základom teórie relativity a bola celkom úspešne dokázaná obrovským množstvom experimentov.
Mechanika, ktorá bola postavená na základe týchto dvoch postulátov, sa nazýva relativistická mechanika (z anglického relativity - „relativita“). Môže sa zdať, že relativistická mechanika ruší klasickú newtonovskú mechaniku, keďže je založená na rôznych postulátoch, ale faktom je, že klasická newtonovská mechanika je špeciálnym prípadom Einsteinovej relativistickej mechaniky, ktorá sa prejavuje pri rýchlostiach oveľa nižších ako je rýchlosť svetla. Vo svete okolo nás žijeme takýmito rýchlosťami; rýchlosti, s ktorými sa stretávame, sú oveľa menšie ako rýchlosť svetla. Preto klasická newtonovská mechanika postačuje na opis nášho života.
Pre malé rýchlosti, podstatne menšie ako je rýchlosť svetla, celkom úspešne používame klasickú mechaniku, ale ak pracujeme s rýchlosťami blízkymi rýchlosti svetla, alebo chceme veľkú presnosť pri popise javov, musíme použiť špeciálnu teóriu relativity, že je relativistická mechanika.
Bibliografia
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základná úroveň) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fyzika 10. ročník. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika - 9, Moskva, Vzdelávanie, 1990.
- Pppa.ru ().
- Sfiz.ru ().
- Eduspb.com ().
Domáca úloha
- Definujte Einsteinov princíp relativity.
- Definujte Galileov princíp relativity.
- Definujte Einsteinov princíp invariantnosti.
O Základné pojmy
Galileov princíp relativity
Princíp relativity (prvý Einsteinov postulát): prírodné zákony sú invariantné vzhľadom na zmeny v referenčnom rámci
Invariantnosť rýchlosti svetla (druhý Einsteinov postulát)
Einsteinove postuláty ako prejav symetrie priestoru a času
Základné relativistické efekty (dôsledky z Einsteinových postulátov).
Korešpondencia medzi SRT a klasickou mechanikou: ich predpovede sa zhodujú pri nízkych rýchlostiach pohybu (oveľa menších ako rýchlosť svetla)
& Zhrnutie
Princíp relativity- základný fyzikálny princíp. Existujú:
Princíp relativity klasickej mechaniky-postulát G. Galilea, podľa ktorého v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave všetky mechanické javy prebiehajú rovnako za rovnakých podmienok. Zákony mechaniky sú rovnaké vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách.
Princíp relativity relativistickej mechaniky - Postulát A. Einsteina, podľa ktorého v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave prebiehajú všetky fyzikálne javy rovnako. Tie. všetky prírodné zákony sú rovnaké vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách.
Inerciálna referenčná sústava(ISO) - vzťažná sústava, v ktorej platí zákon zotrvačnosti: teleso, na ktoré nepôsobia vonkajšie sily, je v stave pokoja alebo rovnomerného lineárneho pohybu.
Akýkoľvek referenčný systém, ktorý sa pohybuje vzhľadom na ISO rovnomerne a priamočiaro, je tiež ISO. Podľa princípu relativity sú všetky ISO rovnaké a všetky fyzikálne zákony v nich platia rovnako.
Predpoklad existencie aspoň dvoch ISO v izotropnom priestore vedie k záveru, že existuje nekonečné množstvo takýchto systémov, ktoré sa voči sebe pohybujú konštantnou rýchlosťou.
Ak môžu rýchlosti relatívneho pohybu ISO nadobudnúť akékoľvek hodnoty, spojenie medzi súradnicami a časovými momentmi akejkoľvek „udalosti“ v rôznych ISO sa vykonáva pomocou Galileových transformácií.
Ak rýchlosti relatívneho pohybu ISO nemôžu prekročiť určitú konečnú rýchlosť „c“, spojenie medzi súradnicami a časovými momentmi akejkoľvek „udalosti“ v rôznych ISO sa vykonáva pomocou Lorentzových transformácií. Postulovaním linearity týchto transformácií získame stálosť rýchlosti „c“ vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách.
Považuje sa za otca princípu relativity Galileo Galilei, ktorý upozornil na skutočnosť, že v uzavretom fyzickom systéme nie je možné určiť, či je tento systém v pokoji alebo rovnomerne sa pohybuje. V Galileových časoch sa ľudia zaoberali najmä čisto mechanickými javmi. Galileove myšlienky boli vyvinuté v newtonovskej mechanike. S rozvojom elektrodynamiky sa však ukázalo, že zákony elektromagnetizmu a zákony mechaniky (najmä mechanická formulácia princípu relativity) sa navzájom nezhodujú. Tieto rozpory viedli k Einsteinovmu vytvoreniu špeciálnej teórie relativity. Potom sa zovšeobecnený princíp relativity začal nazývať „Einsteinov princíp relativity“ a jeho mechanická formulácia – „Galileov princíp relativity“.
A. Einstein ukázali, že princíp relativity môže byť zachovaný, ak sa zásadne zrevidujú základné pojmy priestoru a času, nespochybniteľné po stáročia. Einsteinova práca sa stala súčasťou vzdelávania brilantnej novej generácie fyzikov, ktorá vyrástla v 20. rokoch 20. storočia. Nasledujúce roky neodhalili žiadne slabé miesta v čiastkovej teórii relativity.
Einsteina však prenasledovala skutočnosť, ktorú predtým poznamenal Newton, že celá myšlienka relativity pohybu sa zrúti, ak sa zavedie zrýchlenie; v tomto prípade vstupujú do hry zotrvačné sily, ktoré chýbajú pri rovnomernom a priamočiarom pohybe. Desať rokov po vytvorení špeciálnej teórie relativity Einstein navrhol novú, veľmi originálnu teóriu, v ktorej hrá hlavnú úlohu hypotéza zakriveného priestoru a ktorá poskytuje jednotný obraz javov zotrvačnosti a gravitácie. V tejto teórii bol princíp relativity zachovaný, ale prezentovaný v oveľa všeobecnejšej forme a Einstein dokázal ukázať, že jeho všeobecná teória relativity zahŕňala s malými úpravami väčšinu Newtonovej teórie gravitácie, jednu z týchto modifikácií vysvetľujúcich slávnu anomália v pohybe Merkúra.
Viac ako 50 rokov po objavení sa všeobecnej teórie relativity vo fyzike sa jej neprikladal veľký význam. Faktom je, že výpočty uskutočnené na základe všeobecnej teórie relativity dávajú takmer rovnaké odpovede ako výpočty v rámci Newtonovej teórie a matematický aparát všeobecnej teórie relativity je oveľa zložitejší. Oplatilo sa vykonávať dlhé a prácne výpočty, len aby sme pochopili možné javy v gravitačných poliach neslýchanej vysokej intenzity. Ale v šesťdesiatych rokoch, s príchodom vesmírnych letov, si astronómovia začali uvedomovať, že vesmír je oveľa rozmanitejší, ako sa pôvodne predpokladalo, a že môžu existovať kompaktné objekty s vysokou hustotou, ako sú neutrónové hviezdy a čierne diery, v ktorých gravitačné pole skutočne funguje. dosahuje nezvyčajne vysokú intenzitu. Rozvoj výpočtovej techniky zároveň čiastočne odstránil z pliec vedca bremeno únavných výpočtov. V dôsledku toho začala všeobecná relativita priťahovať pozornosť mnohých výskumníkov a v tejto oblasti sa začal rýchly pokrok. Získali sa nové presné riešenia Einsteinových rovníc a našli sa nové spôsoby interpretácie ich nezvyčajných vlastností. Teória čiernych dier bola rozpracovaná podrobnejšie. Aplikácie tejto teórie, hraničiace s fantastikou, naznačujú, že topológia nášho vesmíru je oveľa zložitejšia, ako by sa mohlo zdať, a že môžu existovať aj iné vesmíry umiestnené v obrovských vzdialenostiach od nášho a spojené s ním úzkymi mostíkmi zakriveného priestoru. Je samozrejme možné, že sa tento predpoklad ukáže ako nesprávny, ale jedna vec je jasná: teória a fenomenológia gravitácie je matematickou a fyzikálnou krajinou zázrakov, ktorú sme sotva začali skúmať.
Dva základné princípy SRT:
Einsteinov prvý postulát(princíp relativity): prírodné zákony sú invariantné vzhľadom na zmenu referenčného systému (všetky prírodné zákony sú rovnaké vo všetkých súradnicových systémoch pohybujúcich sa priamočiaro a rovnomerne voči sebe navzájom. Inými slovami, žiadne experimenty nedokážu rozlíšiť pohyblivý referenčný systém zo stojaceho. Napríklad pocity, ktoré zažíva človek v stojacom aute na križovatke, keď sa auto najbližšie k nemu začne pomaly vzďaľovať, človek má ilúziu, že sa jeho auto cúva.)
Einsteinov druhý postulát:nemennosť rýchlosti svetla(princíp konštantnej rýchlosti svetla: rýchlosť svetla vo vákuu je rovnaká vo všetkých referenčných sústavách, ktoré sa pohybujú priamočiaro a rovnomerne voči sebe (c=konst=3 10 8 m/s). Rýchlosť svetla vo vákuu nezávisí od pohybu alebo zvyšku svetelného zdroja. Rýchlosť svetla je maximálna možná rýchlosť šírenia hmotných objektov).
Korešpondencia medzi SRT a klasickou mechanikou: ich predpovede sa zhodujú pri nízkych rýchlostiach (oveľa menších ako rýchlosť svetla).
Einstein opustil Newtonove koncepcie priestoru a času.
Neexistuje priestor bez hmoty, ako čistej nádoby, a geometria (zakrivenie) sveta a spomalenie plynutia času sú dané rozložením a pohybom hmoty.
Základné relativistické efekty(dôsledky Einsteinových postulátov):
časpomerne, t.j. rýchlosť hodín je určená rýchlosťou samotných hodín vzhľadom na pozorovateľa.
priestor je relatívny, t.j. vzdialenosť medzi bodmi v priestore závisí od rýchlosti pozorovateľa.
relativita simultánnosti (ak sú pre stacionárneho pozorovateľa dve udalosti simultánne, potom pre pozorovateľa, ktorý sa pohybuje, to neplatí)
relativita vzdialeností ( relativistická kontrakcia dĺžky: v pohyblivom referenčnom rámci sa priestorové mierky skracujú v smere pohybu)
relativita časových intervalov ( relativistická dilatácia času: v pohyblivom referenčnom rámci sa čas pohybuje pomalšie). Tento efekt sa prejavuje napríklad potrebou upraviť hodiny na satelitoch Zeme.
invariantnosť časopriestorového intervalu medzi udalosťami (interval medzi dvoma udalosťami má rovnakú hodnotu v jednom referenčnom rámci ako v inom)
nemennosť vzťahov príčina-následok
jednota časopriestoru (Priestor a čas predstavujú jedinú štvorrozmernú realitu – svet vždy vnímame ako časopriestorový.)
ekvivalencia hmotnosti a energie
Teda ,v Einsteinovej teórii sú priestor a čas relatívne- výsledky merania dĺžky a času závisia od toho, či sa pozorovateľ pohybuje alebo nie.
Úvod
2. Einsteinova všeobecná teória relativity
Záver
Zoznam použitých zdrojov
Úvod
Ešte na konci 19. storočia sa väčšina vedcov prikláňala k názoru, že fyzikálny obraz sveta je v podstate skonštruovaný a v budúcnosti zostane neotrasiteľný – zostávalo len objasniť detaily. Ale v prvých desaťročiach dvadsiateho storočia sa fyzické názory radikálne zmenili. Bol to dôsledok „kaskády“ vedeckých objavov uskutočnených počas extrémne krátkeho historického obdobia, ktoré zahŕňalo posledné roky 19. storočia a prvé desaťročia 20. storočia, z ktorých mnohé boli úplne v rozpore s chápaním bežnej ľudskej skúsenosti. Pozoruhodným príkladom je teória relativity, ktorú vytvoril Albert Einstein (1879-1955).
Princíp relativity prvýkrát zaviedol Galileo, ale svoju konečnú formuláciu dostal až v newtonovskej mechanike.
Princíp relativity znamená, že vo všetkých inerciálnych sústavách prebiehajú všetky mechanické procesy rovnakým spôsobom.
Keď v prírodných vedách dominoval mechanistický obraz sveta, princíp relativity nebol predmetom žiadnych pochybností. Situácia sa dramaticky zmenila, keď fyzici začali vážne študovať elektrické, magnetické a optické javy. Nedostatočnosť klasickej mechaniky na opis prírodných javov bola pre fyzikov zrejmá. Vznikla otázka: platí princíp relativity aj pre elektromagnetické javy?
Keď Albert Einstein opisuje priebeh svojich úvah, poukazuje na dva argumenty, ktoré svedčili v prospech univerzálnosti princípu relativity:
Tento princíp sa v mechanike vykonáva s veľkou presnosťou, a preto možno dúfať, že bude správny aj v elektrodynamike.
Ak inerciálne sústavy nie sú ekvivalentné na opis prírodných javov, potom je rozumné predpokladať, že prírodné zákony možno najľahšie opísať iba v jednej inerciálnej sústave.
Uvažujme napríklad o pohybe Zeme okolo Slnka rýchlosťou 30 kilometrov za sekundu. Ak by v tomto prípade nebol naplnený princíp relativity, potom by zákony pohybu telies záviseli od smeru a priestorovej orientácie Zeme. Nič také, t.j. fyzikálna nerovnosť rôznych smerov nebola zistená. Tu je však zjavná nezlučiteľnosť princípu relativity s osvedčeným princípom stálosti rýchlosti svetla vo vákuu (300 000 km/s).
Vzniká dilema: odmietnutie buď princípu stálosti rýchlosti svetla, alebo princípu relativity. Prvý princíp je stanovený tak presne a jednoznačne, že jeho opustenie by bolo zjavne neopodstatnené; nemenej ťažkosti vznikajú pri popieraní princípu relativity v oblasti elektromagnetických procesov. V skutočnosti, ako ukázal Einstein:
"Zákon šírenia svetla a princíp relativity sú kompatibilné."
Zjavný rozpor princípu relativity so zákonom o stálosti rýchlosti svetla vzniká preto, že klasická mechanika bola podľa Einsteina založená „na dvoch neopodstatnených hypotézach“: časový interval medzi dvoma udalosťami nezávisí od stavu pohybu. referenčného telesa a priestorová vzdialenosť medzi dvoma bodmi tuhého telesa nezávisí od stavu pohybu referenčného telesa. V priebehu rozvíjania svojej teórie musel opustiť: Galilejské transformácie a prijať Lorentzove transformácie; z Newtonovho konceptu absolútneho priestoru a definície pohybu telesa voči tomuto absolútnemu priestoru.
Každý pohyb telesa nastáva vzhľadom na konkrétne referenčné teleso a preto všetky fyzikálne procesy a zákony musia byť formulované vo vzťahu k presne špecifikovanému referenčnému systému alebo súradniciam. Preto neexistuje absolútna vzdialenosť, dĺžka alebo predĺženie, rovnako ako nemôže existovať absolútny čas.
Nové koncepty a princípy teórie relativity výrazne zmenili fyzikálne a všeobecne vedecké koncepty priestoru, času a pohybu, ktoré dominovali vede na viac ako dvesto rokov.
Všetky vyššie uvedené skutočnosti odôvodňujú relevantnosť zvolenej témy.
Cieľom tejto práce je komplexná štúdia a analýza tvorby špeciálnych a všeobecných teórií relativity Alberta Einsteina.
Práca pozostáva z úvodu, dvoch častí, záveru a zoznamu literatúry. Celkový objem práce je 16 strán.
1. Einsteinova špeciálna teória relativity
V roku 1905 Albert Einstein na základe nemožnosti detekovať absolútny pohyb dospel k záveru, že všetky inerciálne referenčné systémy sú rovnaké. Sformuloval dva najdôležitejšie postuláty, ktoré tvorili základ novej teórie priestoru a času, nazvanej Špeciálna teória relativity (STR):
1. Einsteinov princíp relativity – tento princíp bol zovšeobecnením Galileovho princípu relativity na akékoľvek fyzikálne javy. Hovorí: všetky fyzikálne procesy za rovnakých podmienok v inerciálnych referenčných sústavách (IRS) prebiehajú rovnakým spôsobom. To znamená, že žiadne fyzikálne experimenty uskutočnené v uzavretom ISO nedokážu určiť, či je v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro. Všetky IFR sú teda úplne rovnaké a fyzikálne zákony sú invariantné vzhľadom na výber IFR (t. j. rovnice vyjadrujúce tieto zákony majú rovnaký tvar vo všetkých inerciálnych referenčných systémoch).
2. Princíp stálosti rýchlosti svetla - rýchlosť svetla vo vákuu je konštantná a nezávisí od pohybu zdroja a prijímača svetla. Je rovnaký vo všetkých smeroch a vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. Rýchlosť svetla vo vákuu – hraničná rýchlosť v prírode – je jednou z najdôležitejších fyzikálnych konštánt, takzvaných svetových konštánt.
Hlboká analýza týchto postulátov ukazuje, že sú v rozpore s predstavami o priestore a čase, ktoré akceptuje newtonovská mechanika a ktoré sa odrážajú v Galileových transformáciách. Podľa princípu 1 musia byť všetky prírodné zákony, vrátane zákonov mechaniky a elektrodynamiky, invariantné vzhľadom na rovnaké transformácie súradníc a času, ktoré sa vykonávajú pri prechode z jedného referenčného systému do druhého. Newtonove rovnice túto požiadavku spĺňajú, ale Maxwellove rovnice elektrodynamiky nie, t.j. sa ukážu ako neinvariantné. Táto okolnosť viedla Einsteina k záveru, že Newtonove rovnice potrebujú objasnenie, v dôsledku čoho by sa rovnice mechaniky aj rovnice elektrodynamiky ukázali ako invariantné vzhľadom na rovnaké transformácie. Nevyhnutnú úpravu zákonov mechaniky vykonal Einstein. V dôsledku toho vznikla mechanika, ktorá bola v súlade s Einsteinovým princípom relativity – relativistická mechanika.
Tvorca teórie relativity sformuloval zovšeobecnený princíp relativity, ktorý sa dnes rozširuje aj na elektromagnetické javy vrátane pohybu svetla. Tento princíp uvádza, že žiadne fyzikálne experimenty (mechanické, elektromagnetické atď.) uskutočnené v rámci daného referenčného rámca nemôžu určiť rozdiel medzi stavmi pokoja a rovnomerného lineárneho pohybu. Klasické sčítanie rýchlostí nie je použiteľné pre šírenie elektromagnetických vĺn a svetla. Pre všetky fyzikálne procesy má rýchlosť svetla vlastnosť nekonečnej rýchlosti. Aby bolo teleso udelené rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti svetla, je potrebné nekonečné množstvo energie, a preto je pre akékoľvek teleso fyzicky nemožné dosiahnuť túto rýchlosť. Tento výsledok potvrdili merania uskutočnené na elektrónoch. Kinetická energia hmoty bodu rastie rýchlejšie ako druhá mocnina jeho rýchlosti a stáva sa nekonečnou pri rýchlosti rovnajúcej sa rýchlosti svetla.
Rýchlosť svetla je maximálna rýchlosť šírenia hmotných vplyvov. Nemôže sa sčítať pri žiadnej rýchlosti a ukazuje sa, že je konštantná pre všetky inerciálne sústavy. Všetky pohybujúce sa telesá na Zemi majú rýchlosť nulovú vzhľadom na rýchlosť svetla. V skutočnosti je rýchlosť zvuku iba 340 m/s. Toto je ticho v porovnaní s rýchlosťou svetla.
Z týchto dvoch princípov – stálosti rýchlosti svetla a Galileiho rozšíreného princípu relativity – matematicky vyplývajú všetky ustanovenia špeciálnej teórie relativity. Ak je rýchlosť svetla konštantná pre všetky inerciálne systémy a všetky sú rovnaké, potom fyzikálne veličiny dĺžka tela, časový interval, hmotnosť budú pre rôzne referenčné systémy odlišné. Dĺžka telesa v pohyblivom systéme bude teda najmenšia v porovnaní so stacionárnym. Podľa vzorca:
kde /" je dĺžka telesa v pohyblivom systéme s rýchlosťou V vzhľadom na stacionárny systém; / je dĺžka telesa v stacionárnom systéme.
Pre určité časové obdobie, trvanie procesu, je opak pravdou. Čas sa bude akoby naťahovať, plynúť pomalšie v pohyblivom systéme v porovnaní so stacionárnym, v ktorom bude tento proces rýchlejší. Podľa vzorca:
Pripomeňme si, že účinky špeciálnej teórie relativity budú detekované pri rýchlostiach blízkych svetlu. Pri rýchlostiach výrazne menších ako je rýchlosť svetla sa vzorce SRT transformujú na vzorce klasickej mechaniky.
Obr.1. Experiment "Einsteinov vlak"
Einstein sa snažil názorne ukázať, ako sa tok času spomaľuje v pohybujúcom sa systéme v porovnaní so stacionárnym. Predstavme si železničné nástupište, popri ktorom prechádza vlak rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla (obr. 1).
