10. Применения классического принципа относительности в технике. Новое в повседневном. В мире больших скоростей

Специальная теория относительности

10. Применения классического принципа относительности в технике. Новое   в  повседневном. В мире больших скоростей

СТО, также известная как частная теория относительности является проработанной описательной моделью для отношений пространства-времени, движения и законов механики, созданная в 1905 году лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.

Поступая на отделение теоретической физики Мюнхенского университета, Макс Планк обратился за советом к профессору Филиппу фон Жолли, руководившему в тот момент кафедрой математики этого университета. На что он получил совет: «в этой области почти всё уже открыто, и всё, что остаётся – заделать некоторые не очень важные проблемы».

Юный Планк ответил, что он не хочет открывать новые вещи, а только хочет понять и систематизировать уже известные знания. В итоге из одной такой «не очень важной проблемы» впоследствии возникла квантовая теория, а из другой – теория относительности, за которые Макс Планк и Альберт Эйнштейн получили нобелевские премии по физике.

Формирование теории

Формула теории относительности

В отличие от многих других теорий, полагавшихся на физические эксперименты, теория Эйнштейна практически полностью была основана на его мысленных экспериментах и только впоследствии была подтверждена на практике.

Так ещё в 1895 году (в возрасте всего 16 лет) он задумался о том, что будет, если двигаться параллельно лучу света с его скоростью? В такой ситуации получалось, что для стороннего наблюдателя частицы света должны были колебаться вокруг одной точки, что противоречило уравнениям Максвелла и принципу относительности (который гласил, что физические законы не зависят от места где вы находитесь и скорости с которой вы движетесь). Таким образом юный Эйнштейн пришёл к выводу, что скорость света должна быть недостижима для материального тела, а в основу будущей теории был заложен первый кирпичик.

Следующий эксперимент был проведён им в 1905 году и заключался в том, что на концах движущегося поезда находятся два импульсных источника света которые зажигаются в одно время.

Для стороннего наблюдателя, мимо которого проходит поезд, оба этих события происходят одновременно, однако для наблюдателя, находящегося в центре поезда эти события будут казаться произошедшими в разное время, так как вспышка света из начала вагона придёт раньше, чем из его конца (в следствии постоянности скорости света).

Мысленный эксперимент с поездом

Из этого он сделал весьма смелый и далеко идущий вывод, что одновременность событий является относительной. Полученные на основе этих экспериментов расчёты он опубликовал в работе «Об электродинамике движущихся тел». При этом для движущегося наблюдателя один из этих импульсов будет иметь большую энергию нежели другой.

Для того чтобы в такой ситуации не нарушался закон сохранения импульса при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой необходимо было чтобы объект одновременно с потерей энергии должен был терять и массу. Таким образом Эйнштейн пришёл к формуле характеризующую взаимосвязь массы и энергии E=mc2 – являющейся, пожалуй, самой известной физической формулой на данный момент.

Результаты этого эксперимента были опубликованы им позднее в том же году.

Основные постулаты

Уравнения теории относительности: скорость, время и длинна объекта относительно механики Ньютона

Постоянство скорости света – к 1907 году были произведены эксперименты по измерению скорости света с точностью ±30 км/с (что было больше орбитальной скорости Земли) не обнаружившие её изменения в ходе года. Это стало первым доказательством неизменности скорости света, которое в последствии было подтверждено множеством других экспериментов, как экспериментаторами на земле, так и автоматическими аппаратами в космосе.

Принцип относительности – этот принцип определяет неизменность физических законов в любой точке пространства и в любой инерциальной системе отсчёта.

То есть в независимости от того движетесь ли вы со скоростью около 30 км/с по орбите Солнца вместе с Землёй или в космическом корабле далеко за её пределами – ставя физический эксперимент вы всегда будете приходить к одним и тем же результатам (если ваш корабль в это время не ускоряется или замедляется).

Этот принцип подтверждался всеми экспериментами на Земле, и Эйнштейн разумно счёл этот принцип верным и для всей остальной Вселенной.

Следствия

Путём расчётов на основе этих двух постулатов Эйнштейн пришёл к выводу, что время для движущегося в корабле наблюдателя должно замедляться с увеличением скорости, а сам он вместе с кораблём должен сокращаться в размерах в направлении движения (для того чтобы скомпенсировать тем самым эффекты от движения и соблюсти принцип относительности).

Из условия конечности скорости для материального тела вытекало также что правило сложения скоростей (имевшее в механике Ньютона простой арифметический вид) должно быть заменено более сложными преобразованиями Лоренца – в таком случае даже если мы сложим две скорости в 99% от скорости света мы получим 99,995% от этой скорости, но не превысим её.

Статус теории

Так как формирование из частной теории её общей версии у Эйнштейна заняло только 11 лет, экспериментов для подтверждения непосредственно СТО не проводилось.

Однако в том же году, когда была опубликована ОТО Эйнштейн также опубликовал свои расчёты, объяснявшие смещение перигелия Меркурия с точностью до долей процентов, без необходимости введения новых констант и других допущений, которые требовались другим теориям, объяснявшим этот процесс.

С тех пор правильность ОТО была подтверждена экспериментально с точностью до 10-20, а на её основе было сделано множество открытий, что однозначно доказывает правильность этой теории.

Первенство в открытии

Когда Эйнштейн опубликовал свои первые работы по специальной теории относительности и приступил к написанию её общей версии, другими учёными уже была открыта значительная часть формул и идей, заложенных в основе этой теории.

Так скажем преобразования Лоренца в общем виде были впервые получены Пуанкаре в 1900 году (за 5 лет до Эйнштейна) и были названы так в честь Хендрика Лоренца получившего приближённую версию этих преобразований, хотя даже в этой роли его опередил Вольдемар Фогт.

Пуанкаре также работал над созданием теории относительности и пришёл к принципу относительности и 4-мерному пространству-времени на несколько лет раньше Эйнштейна, но так как ему не хватило смелости в своих расчётах отказаться от эфира, то прийти к верному решению ему так и не удалось.

Таким образом многие учёные сходятся к выводу что, если бы даже Эйнштейна и не было, к равенству инерционной и гравитационной массы и ряду других деталей необходимых для построения теории относительности вскоре должен был бы прийти один из других исследователей. Однако на момент публикации ОТО в 1915 году никем другим этих последних шагов не было сделано, так что первенство в создании теории относительности Эйнштейном никто из серьёзных учёных на данный момент не оспаривает.

by HyperComments

Источник: http://SpaceGid.com/special_theory_of_relativity.html

Постулаты теории относительности. Принцип относительности — Класс!ная физика

10. Применения классического принципа относительности в технике. Новое   в  повседневном. В мире больших скоростей

Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится тело или движется (длина абсолютна).

Специальная теория относительности Эйнштейна — это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Принцип относительности в механике и электродинамике

После того как во второй половине XIX в.

Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления? Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т. д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, быть может, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.

Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи — нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ.

Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 • 108 м/с.

Но в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может быть равна скорости света только в одной избранной системе отсчета.

В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе отсчета со скоростью , скорость света должна уже быть равна — . Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже была равна не , а — .

Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.

Первый способ:
объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. Лоренц.

Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы, происходящие в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, — мировом эфире. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, — это согласно Лоренцу особая, преимущественная система отсчета.

В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и наиболее просты по форме. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.

Второй способ:
считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности остается справедливым.

Третий способ:
отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла.

Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, основных представлений.

С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.

равильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, была опровергнута прямыми опытами.

Если бы скорость света была равна 300 000 км/с только в системе отсчета, связанной с эфиром, то, измеряя скорость света в произвольной инерциальной системе отсчета, можно было бы обнаружить движение этой системы отсчета по отношению к эфиру и определить скорость этого движения.

Подобно тому как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении по отношению к эфиру (если, конечно, эфир существует) должен быть обнаружен «эфирный ветер». Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э.

Мор л и по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом.

В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора — интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.

Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь, это означало, что никакой особой среды — «светоносного эфира», с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.

При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения неспособны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так.

Итак,
согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

Постулаты теории относительности

В основе теории относительности лежат два постулата.

А что такое постулат?

Постулат в физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике. Это — основное положение, которое не может быть логически доказано.

В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

1.
Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму.
Таким образом, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные.

2.
Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Скорость света занимает, таким образом, особое положение.
Более того, как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

Для того чтобы сформулировать постулаты теории относительности, нужна была большая научная смелость, так как они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

В самом деле, допустим, что в момент времени, когда начала координат инерциальных систем отсчета К и К1, движущихся относительно друг друга со скоростью , совпадают, в начале координат происходит кратковременная вспышка света.

За время t системы отсчета сместятся относительно друг друга на расстояние υt, а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус υt.

Системы отсчета К и К1 равноправны, и скорость света одинакова в той и другой системе отсчета.

Следовательно, с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К, центр сферы будет находиться в точке О, а с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К1, — в точке О1.

Но ведь не может одна и та же сферическая поверхность иметь центры в точках О и O1.
Это явное противоречие вытекает из рассуждений, основанных на постулатах теории относительности.

Итак, имеется противоречие с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях движения несправедливы.

Однако сама теория относительности не содержит противоречий и является абсолютно логичной.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Относительность одновременности»
Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Элементы теории относительности. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Законы электродинамики. Постулаты теории относительностии. Принцип относительности — Относительность одновременности — Основные следствия из постулатов теории относительности — . Элементы релятивистской динамики — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_51.html

Принцип относительности в классической механике

10. Применения классического принципа относительности в технике. Новое   в  повседневном. В мире больших скоростей

Классическая механика имеет огромное значение в истории развития науки и естествознания. На ее фундаменте появились многие научные направления, поэтому в течение длительного времени это учение является основой технического прогресса.

Особое влияние механика оказала на становление философии и формирование правильного мировоззрения.

Причем именно в мировоззренческой области данный раздел физики остается незаменимым мостом для человеческого мышления, а также ассоциативного осмысления происходящих на Земле и ее пределами явлений.

Фундаментом классической механики является базовая теория Ньютона, которая характеризует физическую реальность определениями времени, пространства, точки и силы как комплексного взаимодействия материальных тел. Все физические явления в этой концепции определяются как движение физических элементов, управляемое постоянными неизменными законами Ньютона.

Замечание 1

Закон распространения света и принцип относительности в классической механике совместимы, поэтому данное положение составляет базу специальной гипотезе относительности.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

При детальном описании физических процессов ученые всегда используют какую-либо систему отсчета. Например, движение материальных частиц чаще всего рассматривают относительно Земли, условно принимая земной шар за неподвижный элемент.

Таким образом, принцип относительности, разработанный Галилеем, показал, что в условиях нашей планеты действует закон инерции.

Согласно этому закону, влияние на тело сил проявляется в мгновенных изменениях скорости; для поддержания же взаимосвязи с неизменной по величине скоростью присутствия сил не требуется.

Концепция относительности пространства – времени

Рисунок 1. Концепция относительности пространства – времени. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В механистической картине мира определения времени и пространства всегда рассматривались вне зависимости от свойств движущейся материи.

Пространственный показатель в ней выступает в качестве универсального вместилища для движущихся материальных тел, а время — не учитывает никак реальные изменения, которые происходят с ними, и поэтому выступает обычным параметром.

Другими словами, в механике исследуются только обратимые процессы, что существенно упрощает реальность.

Недостатком такой картины выступает то, что в концепции относительности пространство и время как формы существования материи характеризуются обособленно и отдельно, в результате чего их взаимосвязь остается неопределенной.

Современная система физического пространства — времени кардинально изменила естественнонаучные представления, ставшие ближе к действительности.

Поэтому первое знакомство с классической механикой необходимо начинать с гипотезы пространства — времени в том виде, как она выглядит в настоящее время.

Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем, но окончательную версию это учение получило лишь в механике Ньютона. Для его понимания требуется ввести понятие концепции отсчета или координат. Как известно, нахождение движущегося тела в любой момент времени определяется только по отношению к другому физическому объекту, которое в физике называется системой отсчета.

С материальным телом напрямую связана соответствующая методология координат, например, известная всем декартова система. На определенной плоскости движение физической точки определяется такими основными координатами:

  • абсциссой х – демонстрирующей точное расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси;
  • координатой у — измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси.
  • показатель z – добавляется в пространстве к двум предыдущим показателям.

Среди систем отсчета исследователи особо выделяют инерциальные системы, находящиеся друг относительно друга или в равномерном движении, или в покое.

Значимая роль указанных концепций состоит в том, что для них всегда используется принцип относительности.Принцип относительности означает, что в инерциальных системах абсолютно все механические явления происходят аналогичным образом.

В таких условиях закономерности движения материальных тел выражаются математической формой и являются ковариантными.

Теория относительности и ее роль в науке

Рисунок 2. Следствия из постулатов теории относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Теория относительности – гипотеза пространства-времени, которая детально описывает все свойства физических процессов.

Когда в естествознании и науке в целом существовала тенденция сводить трактовку всех процессов природы к законам механики, принцип относительности был главным и не подвергался никакому сомнению. Положение внезапно изменилось, когда ученые вплотную начали исследовать электрические, магнитные и оптические явлений.

Максвелл смог в результате объединить все эти процессы в пределах единой электромагнитной гипотезы. С появлением данной теории для исследователей стала очевидной несовершенство классической механики для точного описания природных явлений.

В связи с этим автоматически возник вопрос: возможно ли использовать принцип относительности для электромагнитных систем?

Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два главных аргумента, которые свидетельствовали в пользу комплексности этого принципа:

  • такой метод с большой точностью выполняется в механике, поэтому его возможно считать правильным и в электродинамике;
  • если инерциальные системы отсчета неравноценны для детального описания явлений природы, то получается, что все законы проще всего описать с помощью одной концепции.

Замечание 2

Это означает, что в любой системе отсчета, которая связана с движущимся телом, механические явления описываются гораздо сложнее, чем в концепции, отнесенной к общему положению этих элементов.

Еще более показателен пример, если рассматривается движение планеты вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду.

Если бы теория относительности в таком случае не выполнялась, то законы движения физических тел непосредственно зависели бы от пространственной ориентировки Земли. Однако в физической неравноценности других направлений не было обнаружено.

Здесь и появляется несовместимость принципа относительности с хорошо установленным методом определения постоянства и скорости света в пустоте

У ученых возникла дилемма: отказаться от гипотезы постоянства световой скорости, либо от принципа относительности. Первый метод был установлен настолько однозначно и точно, что отказ от него стал бы неоправданным. Не меньшие трудности возникают и при отрицании действия теории относительности в сфере постоянных электромагнитных процессов.

Такое противоречие принципа относительности к закону постоянства появилось в результате того, что классическая механика опиралась «на две ничем не подтвержденные идеи»:

  • промежуток временного пространства между двумя определенными событиями не зависит от состояния движения материального тела;
  • пространственное расстояние между двумя физическими очками твердого вещества не зависит от состояния отсчета.

Исходя из этих гипотез, классическая механика полностью признавала, что показатели промежутка расстояния и времени имеют абсолютные значения и находятся вне зависимости от состояния движения тела отсчета.

Аналогично этому утверждению считалось, что пространственные размеры материальных тел в спокойных и движущихся системах отсчета всегда остаются одинаковыми.

И хотя эти теории с точки зрения привычного сознания и так называемого здравого разума кажутся вполне очевидными, тем не менее, они не могут согласоваться с результатами многочисленных экспериментов, подтверждающих выводы абсолютно новой теории относительности.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/princip_otnositelnosti_v_klassicheskoy_mehanike/

Глава 3. Концепция относительности пространства – времени

10. Применения классического принципа относительности в технике. Новое   в  повседневном. В мире больших скоростей

Вмеханистической картине мира понятияпространства и времени рассматривалисьвне связи и безотносительно к свойствамдвижущейся материи.

Пространство в нейвыступает в виде своеобразного вместилищадля движущихся тел, а время — никак неучитывает реальные изменения, происходящиес ними, и поэтому выступает просто какпараметр, знак которого можно менятьна обратный.

Иными словами, в механикерассматриваются лишь обратимые процессы,что значительно упрощает действительность.

Другойнедостаток этой картины состоит в том,что в ней пространство и время как формысуществования материи изучаются отдельнои обособленно, вследствие чего их связьостается невыявленной.

Современнаяконцепция физического пространства -времени значительно обогатила нашиестественно-научные представления,которые стали ближе к действительности.Поэтому знакомство с ними мы начнем стеории пространства — времени в томвиде, как она представлена в современнойфизике.

Предварительно, однако, напомнимнекоторые положения, относящиеся кклассической механике Галилея

3.1. Принцип относительности в классической механике

Впервые этот принцип был установленГалилеем, но окончательную формулировкуполучил лишь в механике Ньютона. Дляего понимания нам потребуется ввестипонятие системы отсчета,иликоординат.Как известно, положениедвижущегося тела в каждый момент времениопределяется по отношению к некоторомудругому телу, которое называется системойотсчета.

С этим телом связана соответствующаясистема координат, например, привычнаянам декартова система. На плоскостидвижение тела или материальной точкиопределяется двумя координатами:абсциссойх,показывающей расстояниеточки от начала координат по горизонтальнойоси, и ординатойу,измеряющейрасстояние точки от начала координатпо вертикальной оси.

В пространстве кэтим координатам добавляется третьякоординатаz.

Среди систем отсчета особо выделяютинерциальные системы,которыенаходятся друг относительно друга либов покое, либо в равномерном и прямолинейномдвижении. Особая роль инерциальныхсистем заключается в том, что для нихвыполняетсяпринцип относительности.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом.

В таких системах законы движения телвыражаются той же самой математическойформой, или, как принято говорить внауке, они являются ковариантными.Действительно, два разных наблюдателя,находящихся в инерциальных системах,не заметят в них никаких изменений.

3.2. Специальная теория относительности и ее роль в науке

Когда в естествознании господствоваламеханистическая картина мира исуществовала тенденция сводить объяснениевсех явлений природы к законам механики,принцип относительности не подвергалсяникакому сомнению.

Положение резкоизменилось, когда физики вплотнуюприступили к изучению электрических,магнитных и оптических явлений. Максвеллобъединил все эти явления в рамкахединой электромагнитной теории. Ссозданием этой теории для физиков сталаочевидной недостаточность классическоймеханики для описания явлений природы.

В связи с этим естественно возник вопрос:выполняется ли принцип относительностии для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждении, создательтеории относительности Альберт Эйнштейнуказывает на два аргумента, которыесвидетельствовали в пользу всеобщностипринципа относительности.

• Этот принцип с большой точностьювыполняется в механике, и поэтому можнобыло надеяться, что он окажется правильными в электродинамике.

• Если инерциальные системы неравноценныдля описания явлений природы, то разумнопредположить, что законы природы прощевсего описываются лишь в одной инерциальнойсистеме.

Например, в системе отсчета,связанной с движущимся вагоном,механические процессы описывались бысложнее, чем в системе, отнесенной кжелезнодорожному полотну. Еще болеепоказателен пример, если рассматриваетсядвижение Земли вокруг Солнца со скоростью30 километров в секунду.

Если бы принципотносительности в данном случае невыполнялся, то законы движения телзависели бы от направления и пространственнойориентировки Земли. Ничего подобного,т.е. физической неравноценности различныхнаправлений, не обнаружено.

Однако здесьвозникает кажущаяся несовместимостьпринципа относительности с хорошоустановленным принципом постоянстваскорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: отказ либо от принципапостоянства скорости света, либо отпринципа относительности. Первый принципустановлен настолько точно и однозначно,что отказ от него был бы явно неоправданными к тому же связан с чрезмерным усложнениемописания процессов природы. Не меньшиетрудности возникают и при отрицаниипринципа относительности в областиэлектромагнитных процессов.

Обратимся к мысленному эксперименту.Предположим, что по рельсам движетсяжелезнодорожный вагон со скоростью v,в направлении движения которогопосылается световой луч со скоростьюс.Процесс распространения света,как и любой физический процесс,определяется по отношению к некоторойсистеме отсчета.

В нашем примере такойсистемой будет полотно дороги.Спрашивается, какова будет скоростьсвета относительно движущегося вагона?Легко подсчитать, что она рав-наw=с -, т. е. разностискорости света по отношению к полотнудороги и к вагону.

Выходит, что она меньшепостоянного ее значения, а это противоречитпринципу относительности, согласнокоторому физические процессы происходятодинаково во всех инерциальных системахотсчета, какими являются железнодорожноеполотно и равномерно прямолинейнодвижущийся вагон.

Однако это противоречиеявляется кажущимся, потому что на самомделе скорость света не зависит от того,движется ли источник света или покоится.

В действительности, как показал А.Эйштейн:

Закон распространения света и принцип относительности совместимы. И это положение составляет основу специальной теории относительности.

Кажущееся противоречие принципаотносительности закону постоянстваскорости света возникает потому, чтоклассическая механика, по заявлениюЭйнштейна, опиралась «на две ничемне оправданные гипотезы»:

• промежуток времени между двумясобытиями не зависит от состояниядвижения тела отсчета;

• пространственное расстояние междудвумя точками твердого тела не зависитот состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполнеочевидными, гипотез классическаямеханика молчаливо признавала, чтовеличины промежутка времени и расстоянияимеют абсолютные значения,т. е. независят от состояния движения телаотсчета.

Выходило, что если человек вравномерно движущемся вагоне проходит,например, расстояние в 1 метр за однусекунду, то этот же путь по отношению кполотну дороги он пройдет тоже за однусекунду.

Аналогично этому считалось,что пространственные размеры тел впокоящихся и движущихся системах отсчетаостаются одинаковыми.

И хотя этипредположения с точки зрения обыденногосознания и так называемого здравогосмысла кажутся само собой очевидными,тем не менее они не согласуются срезультатами тщательно проведенныхэкспериментов, подтверждающих выводыновой, специальной теории относительности.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе,рассмотрим, каким условиям должныудовлетворять преобразованияпространственных координат и временипри переходе от одной системы отсчетак другой. Если принять предположениеклассической механики об абсолютномхарактере расстояний и времен, тоуравнения преобразования будут иметьследующий вид:

xi=x-t,

y=y; (3.1)

z=z,

t=t.

Эти уравнения часто называютпреобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворятьтакже требованию постоянства скоростисвета, то они описываются уравнениямиЛоренца, названного по имени нидерландскогофизика Хендрика Антона Лоренца(1853-1928). Когда одна система отсчетадвижется относительно другой равномернопрямолинейно вдоль оси абсцисс х,тогда координаты и время в движущейсясистеме выражаются уравнениями:

,

y=y, (3.2)

z=z,

Опираясь на преобразования Лоренца,легко проверить, что движущаяся твердаялинейка будет короче покоящейся, и темкороче, чем быстрее она движется. В самомделе, пусть начало линейки находится вначале координат и ее абсцисса х=0, а конецх =1. Чтобы найти длинулинейки относительно неподвижнойсистемы отсчетаК,воспользуемсяпервым уравнением преобразованияЛоренца:

х (начало линейки) = ,

х (конец линейки) = .

Таким образом, если в системе отсчетаКдлина линейки равна 1, скажем, 1метру, то в системеК*она составит,поскольку линейка движется со скоростьюв направлении ее длины.

Нетруднотакже установить связь междупреобразованиями Лоренца и Галилея.Если принять скорость света бесконечнобольшой, то при подстановке ее в уравненияЛоренца последние переходят в уравненияГалилея.

Но специальная теория, какизвестно, постулирует постоянствоскорости света и, следовательно, недопускает движений со сверхсветовойскоростью, которая считается предельнойдля всех движений. Этот постулат, какотмечалось выше, следует из уравненийМаксвелла. Для того чтобы гарантировать,что принцип относительности имеет общийхарактер, т.е.

законы электромагнитныхпроцессов имеют одинаковую форму дляинерциальных систем, Эйнштейну пришлосьотказаться от галилеевских преобразованийи принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительностивозникла из электродинамики и мало чемизменила ее содержание, но зато значительноупростила ее теоретическую конструкцию,т. е. вывод законов и, самое главное,уменьшила количество независимыхгипотез, лежащих в ее основе.

Однакочтобы согласоваться с постулатамиспециальной теории относительности,классическая механика нуждается внекоторых изменениях. Эти изменениякасаются в основном законов быстрыхдвижений, т.е. движений, скорость которыхсравнима со скоростью света.

В обычныхземных условиях мы встречаемся соскоростями, значительно меньшимискорости света, и поэтому поправки,которые требует вносить теорияотносительности, имеют крайне малуювеличину и ими во многих случаяхпрактически можно пренебречь.

Достаточно,например, отметить, что даже при скоростидвижения спутника Земли, равной примерно8 км/с, поправка к массе составит околоодной двухмиллиардной ее части.

Во втором законе Ньютона (F=та)масса считалась постоянной, в теорииотносительности она зависит от скоростидвижения и выражается формулой:

Когда скорость тела приближается кскорости света, масса его неограниченнорастет и в пределе приближается кбесконечности. Поэтому согласно теорииотносительности движения со скоростью,превышающей скорость света, невозможны.

Движения со скоростями, сравнимыми соскоростью света, впервые удалосьнаблюдать на примере электронов, а затеми других элементарных частиц.

Тщательнопоставленные эксперименты с такимичастицами действительно подтвердилипредсказания теории об увеличении ихмассы с возрастанием скорости.

Источник: https://StudFiles.net/preview/2974462/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.