Закон относительности движения


Специальная теория относительности (СТО) – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Закономерности СТО проявляются при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях. Законы классической механики в этом случае не работают. Причина этого заключается в том, что передача взаимодействий происходит не мгновенно, а с конечной скоростью (скоростью света).

Классическая механика является частным случаем СТО при небольших скоростях. Явления, описываемые СТО и противоречащие законам классической физики, называют релятивистскими. Согласно СТО одновременность событий, расстояния и промежутки времени являются относительными.

В любых инерциальных системах отсчета при одинаковых условиях все механические явления протекают одинаково (принцип относительности Галилея). В классической механике измерение времени и расстояний в двух системах отсчета и сравнение этих величин считаются очевидными. В СТО это не так.

События являются одновременными, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов. Два события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, не являются одновременными в другой инерциальной системе отсчета.

Инвариантность скорости света. Принцип относительности Эйнштейна

В 1905 г. Эйнштейн создал специальную теорию относительности (СТО). В основе его теории относительности лежат два постулата:


  • Любые физические явления во всех инерциальных системах отсчета при одинаковых условиях протекают одинаково (принцип относительности Эйнштейна).
  • Скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчета одинакова и не зависит от скорости источника и приемника света (принцип постоянства скорости света).

Первый постулат распространяет принцип относительности на все явления, включая электромагнитные. Проблема применимости принципа относительности возникла с открытием электромагнитных волн и электромагнитной природы света. Постоянство скорости света приводит к несоответствию с законом сложения скоростей классической механики. По мысли Эйнштейна, изменения характера взаимодействия при смене системы отсчета не должно происходить. Первый постулат Эйнштейна непосредственно вытекает из опыта Майкельсона–Морли, доказавшего отсутствие в природе абсолютной системы отсчета. В этом опыте измерялась скорость света в зависимости от скорости движения приемника света. Из результатов этого опыта следует и второй постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в вакууме, который вступает в противоречие с первым постулатом, если распространить на электромагнитные явления не только сам принцип относительности Галилея, но и правило сложения скоростей. Следовательно, преобразования Галилея для координат и времени, а также его правило сложения скоростей к электромагнитным явлениям неприменимы.


Следствия из постулатов СТО

Если проводить сравнение расстояний и показаний часов в разных системах отсчета с помощью световых сигналов, то можно показать, что расстояние между двумя точками и длительность интервала времени между двумя событиями зависят от выбора системы отсчета.

Относительность расстояний:

Закон относительности движения

где ​( I_0 )​ – длина тела в системе отсчета, относительно которой тело покоится, ​( l )​ – длина тела в системе отсчета, относительно которой тело движется, ​( v )​ – скорость тела.

Это означает, что линейный размер движущегося относительно инерциальной системы отсчета уменьшается в направлении движения.

Относительность промежутков времени:

Закон относительности движения

где ​( tau_0 )​ – промежуток времени между двумя событиями, происходящими в одной точке инерциальной системы отсчета, ​( tau )​ – промежуток времени между этими же событиями в движущейся со скоростью ​( v )​ системе отсчета.

Это означает, что часы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета, идут медленнее неподвижных часов и показывают меньший промежуток времени между событиями (замедление времени).

Закон сложения скоростей в СТО записывается так:


Закон относительности движения

где ​( v )​ – скорость тела относительно неподвижной системы отсчета, ​( v’ )​ – скорость тела относительно подвижной системы отсчета, ​( u )​ – скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной, ​( c )​ – скорость света.

При скоростях движения, много меньших скорости света, релятивистский закон сложения скоростей переходит в классический, а длина тела и интервал времени становятся одинаковыми в неподвижной и движущейся системах отсчета (принцип соответствия).

Для описания процессов в микромире классический закон сложения неприменим, а релятивистский закон сложения скоростей работает.

Полная энергия

Полная энергия ​( E )​ тела в состоянии движения называется релятивистской энергией тела:

Закон относительности движения

Полная энергия, масса и импульс тела связаны друг с другом – они не могут меняться независимо.

Закон пропорциональности массы и энергии – один из самых важных выводов СТО. Масса и энергия являются различными свойствами материи. Масса тела характеризует его инертность, а также способность тела вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами.


Важно!
Важнейшим свойством энергии является ее способность превращаться из одной формы в другую в эквивалентных количествах при различных физических процессах – в этом заключается содержание закона сохранения энергии. Пропорциональность массы и энергии является выражением внутренней сущности материи.

Энергия покоя

Наименьшей энергией ​( E_0 )​ тело обладает в системе отсчета, относительно которой оно покоится. Эта энергия называется энергией покоя:

Закон относительности движения

Энергия покоя является внутренней энергией тела.

В СТО масса системы взаимодействующих тел не равна сумме масс тел, входящих в систему. Разность суммы масс свободных тел и массы системы взаимодействующих тел называется дефектом масс – ​( Delta m )​. Дефект масс положителен, если тела притягиваются друг к другу. Изменение собственной энергии системы, т. е. при любых взаимодействиях этих тел внутри нее, равно произведению дефекта масс на квадрат скорости света в вакууме:

Закон относительности движения

Экспериментальное подтверждение связи массы с энергией было получено при сравнении энергии, высвобождающейся при радиоактивном распаде, с разностью масс исходного ядра и конечных продуктов.

Это утверждение имеет разнообразные практические применения, включая использование ядерной энергии. Если масса частицы или системы частиц уменьшилась на ( Delta m ), то при этом должна выделиться энергия ​( Delta E=Delta mcdot c^2 )​.

Кинетическая энергия тела (частицы) равна:


Закон относительности движения

Важно!
В классической механике энергия покоя равна нулю.

Релятивистский импульс

Релятивистским импульсом тела называется физическая величина, равная:

Закон относительности движения

где ​( E )​ – релятивистская энергия тела.

Для тела массой ​( m )​ можно использовать формулу:

Закон относительности движения

В экспериментах по исследованию взаимодействий элементарных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, подтвердилось предсказание теории относительности о сохранении релятивистского импульса при любых взаимодействиях.

Важно!
Закон сохранения релятивистского импульса является фундаментальным законом природы.

Классический закон сохранения импульса является частным случаем универсального закона сохранения релятивистского импульса.

Полная энергия ​( E )​ релятивистской частицы, энергия покоя ​( E_0 )​ и импульс ​( p )​ связаны соотношением:


Закон относительности движения

Из него следует, что для частиц с массой покоя, равной нулю, ​( E_0 )​ = 0 и ​( E=pc )​.

Источник: fizi4ka.ru

§ 1  Относительность движения. Закон Инерции. Масса и сила

Основной задачей динамики является изучение движения тел с учетом причин этого движения. Чтобы определить характеристики движения, нам следует выбрать систему отсчета. В качестве тела отсчета примем Землю, а начало координат свяжем с центром Земли. Мальчик тянет санки, груз сжимает пружину весов, чашка весов смещается, яблоко падает с ветки, оно притягивается Землей.

Изменение скорости тела, ускорение всегда вызывается воздействием на тело каких-либо других тел. То есть в механике действует принцип причинности.

Всякому изменению состояния тела должно предшествовать некоторое воздействие со стороны других тел. Шайба остановится даже на очень гладком льду вследствие трения. Опытным путем Галилей и Ньютон пришли к выводу, что если действий со стороны других тел на данное тело нет, ускорение тела равно нулю, то есть тело будет покоиться или двигаться с постоянной скоростью. Получается, что в системе отсчета, связанной с Землей, ускорение тела определяется только действием на него других тел. Системы отсчета, в которых тело приобретает ускорение лишь под некомпенсированным воздействием других тел, называются инерциальными. Существуют системы отсчета, в которых тела движутся с ускорением без воздействия на них других тел.


Рассмотрим систему отсчета, связанную с поездом. При равномерном движении поезда, чемодан лежит на краю полки. Действие со стороны вагона уравновешивается взаимодействием с Землей. При резком торможении чемодан может упасть с полки, приобретая ускорение относительно стен вагона. Это ускорение не обусловлено новыми воздействиями непосредственно на чемодан. Относительно Земли чемодан продолжит сохранять свою постоянную скорость, но поезд начинает двигаться с ускорением и чемодан относительно вагона также движется с ускорением. То есть ускорение чемодана не связано со взаимодействием чемодана с какими-либо телами, но появляется по причине рассмотрения движения чемодана относительно движущегося с ускорением вагона (относительно тела отсчета, движущегося с ускорением). Подобная ситуация складывается для человека на карусели. Относительно вращающейся карусели любое тело, находящееся на Земле, будет описывать окружность, то есть будет двигаться с ускорением, хотя никаких внешних действий, вызывающих это ускорение, обнаружить нельзя.

Если относительно какой-нибудь системы отсчета тело движется с ускорением, не вызванным действием на него других тел, то такую систему называют неинерциальной.


Строго говоря, Земля также не является инерциальной системой, так как движется по орбите и вокруг собственной оси, но это движение столь медленно относительно протекания рассмотренных явлений, что с достаточной степенью точности можно считать систему отсчета, связанную с Землей инерциальной.

Суммируя наши рассуждения, можно сформулировать первый закон динамики: существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

Рассмотрим равномерное движение человека в вагоне со скоростью

Закон относительности движения

относительно вокзала, вдоль вагона при равномерном движении поезда со скоростью

Закон относительности движения

Согласно закону сложения скоростей, скорость человека относительно вагона составит Закон относительности движения

И останется постоянной величиной. Если какая-либо система будет двигаться равномерно и сонаправленно с выбранной инерциальной системой отсчета, то первая система так же будет инерциальной.

Закон относительности движения

Если же вагон резко тормозит,


Закон относительности движения

а человек продолжает идти с прежней постоянной скоростью

его скорость относительно вагона перестает быть постоянной:

Закон относительности движения

и вагон перестает быть инерциальной системой отсчета. В системе отсчета, связанной с вагоном, человек приобретает ускорение, а значит, характер движения изменяется! Следовательно, механические процессы протекают по-разному в инерциальных и неинерциальных системах. Закон инерции гласит, что если воздействие на тело со стороны внешних тел скомпенсировано, тело движется равномерно и прямолинейно. Можно сделать вывод, что характеристики движения тел будут иметь одинаковый характер во всех инерциальных системах отсчета.

В этом состоит принцип относительности Галилея: все механические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Рассмотрим теперь случай, когда под каким-либо некомпенсированным воздействием в инерциальной системе координат тело изменяет свою скорость и приобретает ускорение а. Тело начинает двигаться в том направлении, куда действие других тел не скомпенсировано.


лучается, что некомпенсированное действие тел на выбранное тело характеризуется точкой приложения (исследуемое тело), величиной и направлением. Математически такое действие можно описать с помощью вектора, который получил название сила. Например, на движущиеся санки действует сила трения, приложенная к полозьям, направленная против движения санок и обладающая некоторой величиной. Как измерить силу? Представим яблоко на чашке весов. Земля притягивает яблоко и, если бы не было чашки, яблоко продолжало бы падать к центру Земли. Если же чашка весов, на которую мы положили яблоко, неподвижна, действие Земли на яблоко уравновешивается действием чашки весов. У нас появилась возможность сравнить действие Земли на яблоко с действием опоры. Две силы независимо от их природы считаются равными и противоположно направленными, если их одновременное действие на тело не меняет его скорости. Используя определение равенства сил и задав значение эталона силы, можно измерить силы, кратные эталону: к телу, на которое действует измеряемая сила, прикладывают в сторону, противоположную действию исследуемой силы, такое количество эталонных сил, чтобы тело не получило ускорения.

Если на тело одновременно действуют несколько сил, то по причине векторного характера сил мы можем заменить их коллективное действие действием одной силы, направленной вдоль геометрической суммы всех сил, действующих на тело, равной по величине модулю этой геометрической суммы и называемой равнодействующей силой:

Закон относительности движения

В системе СИ сила измеряется в единицах Ньютон:

Закон относительности движения

Заметим, что очень тяжелый чемодан может и не упасть с полки, то есть изменение скорости вагона может не повлечь за собой изменение скорости чемодана, если чемодан очень тяжелый, а торможение происходит не достаточно резко. Заметим аналогичный случай в тормозящем автобусе: как правило, мужчины меньше, чем дети, наклоняются по ходу движения автобуса при торможении. То есть, чем большей массой обладает тело, тем оно медленнее изменяет свою скорость. Обратите внимание, легковой автомобиль быстрее тормозит, чем троллейбус. Физическое свойство, характеризующее способность тела изменять скорость как по модулю, так и по направлению, называется инертность. Примеры о чемодане и пассажирах в автобусе свидетельствуют, что модуль ускорения тела зависит не только от прикладываемого усилия, но и от свойств тела. Величину

Закон относительности движения

равную отношению модуля силы к модулю ускорения, называют инертной массой. Масса является мерой инертности тела. В системе СИ масса измеряется в килограммах.

Источник: znaika.ru

Однородность пространства и времени

В Специальной теории относительности Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 

Закон относительности движения
Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным. 

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее. 

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

Объединение массы и энергии

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.

Закон относительности движения
©deviantART/ RowanPhoenix

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Источник: naked-science.ru

Споры об эфире.

С тех пор, как была установлена волновая природа света, физики были уверены, что должна существовать среда (ее назвали эфиром), в которой распространяются световые волны. Эта точка зрения подтверждалась всем опытом классической физики, примерами акустических волн, волн на поверхности воды и т.п. Когда Дж.К.Максвелл доказал, что должны существовать электромагнитные волны, распространяющиеся в пустом пространстве со скоростью света c, у него не вызывало сомнений, что эти волны должны распространяться в какой-то среде. Этой же точки зрения придерживался и Г.Герц, впервые зарегистрировавший излучение электромагнитных волн. Так как электромагнитные волны оказались поперечными (это следует из уравнений Максвелла), то Максвеллу пришлось построить хитроумную механическую модель такой среды, в которой могли бы распространяться поперечные волны (такое возможно только в очень упругих твердых телах) и которая в то же время была бы полностью проницаемой и не препятствовала движению тел сквозь нее. Эти два требования противоречат друг другу, однако вплоть до начала нынешнего столетия не удавалось предложить более разумной теории распространения света в пустоте.

Гипотеза о существовании эфира влечет за собой ряд очевидных следствий. Самое простое из них: если приемник световой волны движется навстречу источнику со скоростью v относительно эфира, то по законам классической физики скорость света относительно приемника должна равняться скорости света относительно эфира (которую естественно считать постоянной) плюс скорость приемника относительно эфира (закон сложения скоростей Галилея): сў = c + v. Аналогично, если источник движется со скоростью v навстречу приемнику, то относительная скорость света должна равняться сў = c v. Таким образом, если эфир существует, то существует и некая абсолютная система отсчета, относительно которой (и только относительно нее) скорость света равна с, а во всех других системах отсчета, равномерно движущихся относительно эфира, скорость света не равна с. Так это или не так, можно решить только с помощью прямого эксперимента, заключающегося в измерении скорости света в различных системах отсчета. Ясно, что нужно найти такие системы отсчета, которые движутся с максимальной скоростью, тем более, что можно доказать, что все наблюдаемые эффекты отклонения скорости света от значения с, связанные с движением одной системы отсчета относительно другой, должны быть порядка v2/c2. Подходящим объектом представляется Земля, которая обращается вокруг Солнца с линейной скоростью v ~ 104 м/с, так что поправки должны иметь порядок (v/c)2~ 10–8. Эта величина кажется чрезвычайно малой, однако А.Майкельсон сумел создать прибор – интерферометр Майкельсона, который был способен зарегистрировать такие отклонения.

В 1887 А.Майкельсон вместе со своим коллегой Ю.Морли измерил скорость света в движущейся системе отсчета. Идея опыта напоминает измерение времени, которое тратит пловец, переплывая реку поперек течения и обратно и проплывая такое же расстояние вдоль и против течения. Ответ был ошеломительный: движение системы отсчета относительно эфира не оказывает никакого влияния на скорость света.

Из этого можно сделать, вообще говоря, два вывода. Возможно, эфир существует, но при движении тел сквозь него полностью увлекается движущимися телами, так что скорость тел по отношению к эфиру равна нулю. Эта гипотеза увлечения была проверена экспериментально в опытах Физо и самого Майкельсона и оказалась противоречащей эксперименту. Джон Бернал назвал знаменитый опыт Майкельсона – Морли самым выдающимся отрицательным опытом в истории науки. Оставалась вторая возможность: никакой эфир, который можно было бы экспериментально обнаружить, не существует, иными словами, нет никакой выделенной абсолютной системы отсчета, в которой скорость света равна с; напротив, эта скорость одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Именно эта точка зрения и стала фундаментом новой теории.

Специальная (частная) теория относительности (СТО), успешно разрешившая все противоречия, связанные с проблемой существования эфира, была создана А.Эйнштейном в 1905. Важный вклад в развитие СТО внесли Х.А. Лоренц, А.Пуанкаре и Г.Минковский.

Специальная теория относительности оказала революционное воздействие на физику, ознаменовав завершение классического этапа развития этой науки и переход к современной физике 20 в. Прежде всего, специальная теория относительности полностью изменила существовавшие до ее создания взгляды на пространство и время, показав неразрывную связь этих понятий. В рамках СТО впервые было четко сформулировано понятие об одновременности событий и показана относительность этого понятия, его зависимость от выбора конкретной системы отсчета. Во-вторых, СТО полностью разрешила все проблемы, связанные с гипотезой о существовании эфира, и позволила сформулировать стройную и непротиворечивую систему уравнений классической физики, которая пришла на смену ньютоновским уравнениям. В-третьих, СТО стала основой построения фундаментальных теорий взаимодействий элементарных частиц, прежде всего, квантовой электродинамики. Точность экспериментально проверяемых предсказаний квантовой электродинамики составляет 10–12, что характеризует точность, с которой можно говорить о справедливости СТО.

В-четвертых, СТО стала основой расчетов энерговыделения в ядерных реакциях распада и синтеза, т.е. основой создания как атомных электростанций, так и атомного оружия. Наконец, анализ данных, получаемых на ускорителях элементарных частиц, равно как и конструирование самих ускорителей основаны на формулах СТО. В этом смысле СТО давно стала инженерной дисциплиной.

Четырехмерный мир.

Человек существует не в трехмерном пространственном мире, а в четырехмерном мире событий (под событием понимается физическое явление в данной точке пространства в данный момент времени). Событие характеризуется заданием трех пространственных координат и одной временнóй. Таким образом, у всякого события – четыре координаты: (t; x, y, z). Здесь x, y, z – пространственные координаты (например, декартовы). Чтобы определить координаты события, следует задать (или иметь возможность задать): 1) начало отсчета координат; 2) заполняющую все пространство бесконечную жесткую решетку взаимно перпендикулярных стержней единичной длины; далее, следует: 3) поместить в каждом узле решетки тождественные часы (т.е. прибор, способный отсчитывать равные промежутки времени; конкретное устройство не имеет значения); 4) синхронизировать часы. Тогда любая точка в пространстве, находящаяся вблизи узла решетки, имеет в качестве пространственных координат число узлов по каждой из осей от начала координат и временную координату, равную показаниям часов в ближайшем узле. Все точки с четырьмя координатами заполняют четырехмерное пространство, называемое пространством-временем. Ключевым для физики является вопрос о геометрии этого пространства.

Для описания событий в пространстве-времени удобно использовать пространственно-временные диаграммы, на которых изображается последовательность событий для данного тела. Если (для иллюстрации) ограничиться двумерным (x,t)-пространством, то типичная простпанственно- временнáя диаграмма событий в классической физике выглядит так, как показано на рис. 1.

Рис. 1. МИРОВЫЕ ЛИНИИ покоящегося наблюдателя А и наблюдателя В, движущегося с некоторой скоростью, величина которой определяется углом наклона мировой линии: чем больше наклон к оси x, тем больше скорость

Горизонтальная ось x соответствует всем трем пространственным координатам (x, y, z), вертикальная – времени t, причем направление из «прошлого» в «будущее» отвечает движению снизу вверх по оси t.

Любая точка на горизонтальной прямой, пересекающей ось t ниже нуля, отвечает положению какого-то объекта в пространстве в момент времени (в прошлом относительно произвольно выбранного момента времени t = 0). Так, на рис. 1 тело находилось в точке А1 пространства в момент времени t1. Точки горизонтальной прямой, совпадающие с осью x, изображают пространственное положение тел в данный момент времени t = 0 (точка А0). Прямая, проведенная выше оси x, соответствует положению тел в будущем (точка А2 – положение, которое займет тело в момент времени t2). Если соединить точки А1, A0, A2, получится мировая линия тела. Очевидно, положение тела в пространстве не меняется (пространственные координаты остаются постоянными), так что эта мировая линия изображает покоящееся тело.

Если мировая линия – прямая, наклоненная под определенным углом (прямая В1В0В2 на рис. 1), это означает, что тело движется с постоянной скоростью. Чем меньше угол между мировой линией и горизонтальной плоскостью, тем больше скорость движения тела. В рамках классической физики наклон мировой линии может быть любым, так как скорость тела ничем не ограничена.

Это утверждение об отсутствии предела скорости движения тел неявно содержится в механике Ньютона. Оно позволяет придать смысл понятию одновременности событий без ссылок на конкретного наблюдателя. Действительно, двигаясь с конечной скоростью, из любой точки С0 на поверхности равного времени можно попасть в точку С1, соответствующую более позднему времени. Можно из более ранней точки С2 попасть в точку С0. Однако невозможно, двигаясь с конечной скоростью, перейти из точки С0 в любые точки А, В,… на той же поверхности. Все события на этой поверхности одновременны (рис. 2). Можно выразиться иначе. Пусть в каждой точке трехмерного пространства находятся одинаковые часы. Возможность передавать сигналы с бесконечно большой скоростью означает, что можно одновременно синхронизовать все часы, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились и с какой бы скоростью при этом ни двигались (действительно, сигнал точного времени доходит до всех часов мгновенно). Иными словами, в рамках классической механики ход часов не зависит от того, движутся они или нет.

Рис. 2. ПОВЕРХНОСТЬ РАВНОГО ВРЕМЕНИ. Все события на этой поверхности одновременны

Понятие одновременности событий по Эйнштейну.

В рамках ньютоновской механики все одновременные события лежат в «плоскости» фиксированного времени t, полностью занимая трехмерное пространство (рис. 2). Геометрические соотношения между точками трехмерного пространства подчиняются законам обычной евклидовой геометрии. Таким образом, пространство-время классической механики разделяется на независимые друг от друга пространство и время.

Ключевым для понимания основ СТО является то, что в ней невозможно представить пространство-время независимыми друг от друга. Ход часов в разных точках единого пространства-времени разный и зависит от скорости наблюдателя. Этот удивительный факт основан на том, что сигналы не могут распространяться с бесконечной скоростью, (отказ от дальнодействия).

Следующий мысленный эксперимент позволяет лучше понять смысл понятия одновременности. Пусть у двух противоположных стенок вагона поезда, движущегося с постоянной скоростью v, одновременно произведены вспышки света. Для наблюдателя, находящегося посередине вагона, вспышки света от источников придут одновременно. С точки же зрения внешнего наблюдателя, стоящего на платформе, придет раньше вспышка от того источника, который приближается к наблюдателю. Все эти рассуждения подразумевают, что свет распространяется с конечной скоростью.

Таким образом, если отказаться от дальнодействия, иначе, от возможности передачи сигналов с бесконечно большой скоростью, то понятие одновременности событий становится относительным, зависимым от наблюдателя. В этом изменении взгляда на одновременность – самое фундаментальное отличие СТО от дорелятивистской физики.

Для определения понятия одновременности и синхронизации часов, находящихся в разных пространственных точках, Эйнштейн предложил следующую процедуру. Пусть из точки А посылается очень короткий световой сигнал в вакууме; при отправлении сигнала часы в точке А показывают время t1. Сигнал приходит в точку В в тот момент, когда часы в точке В показывают время t‘. После отражения в точке В сигнал возвращается в точку А, так что в момент прихода часы в А показывают время t2. По определению, часы в А и В синхронизованы, если в точке В часы установлены так, что t‘ = (t1 + t2)/2.

Постулаты специальной теории относительности.

1. Первый постулат – принцип относительности, утверждающий, что из всех мыслимых движений тел можно выделить (без ссылок на движение других тел) определенный класс движений, называемых неускоренными, или инерциальными. Системы отсчета, связанные с этими движениями, называются инерциальными системами отсчета. В классе инерциальных систем нет способа отличить движущуюся систему от покоящейся. Физическое содержание первого закона Ньютона – утверждение о существовании инерциальных систем отсчета.

Если есть одна инерциальная система, это значит, что их бесконечно много. Любая система отсчета, движущаяся относительно первой с постоянной скоростью, также инерциальна.

Принцип относительности гласит, что все уравнения всех физических законов имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета, т.е. физические законы инвариантны относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую. Важно установить, какими формулами определяется преобразование координат и времени события при таком переходе.

В классической ньютоновской физике вторым постулатом является неявное утверждение о возможности распространения сигналов с бесконечно большой скоростью. Это приводит к возможности одновременной синхронизации всех часов в пространстве и к независимости хода часов от скорости их движения. Иными словами, при переходе от одной инерциальной системы к другой время не меняется: tў = t. Тогда становятся очевидными формулы преобразования координат при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (преобразования Галилея):

xў = xvt, yў = y, zў = z, tў = t.

Уравнения, выражающие законы классической механики, инвариантны относительно преобразований Галилея, т.е. не изменяют свою форму при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

В специальной теории относительности принцип относительности распространяется на все физические явления и может быть выражен так: никакие эксперименты (механические, электрические, оптические, тепловые и т.п.) не позволяют отличить одну инерциальную систему отсчета от другой, т.е. не существует абсолютного (не зависящего от наблюдателя) способа узнать скорость инерциальной системы отсчета.

2. Второй постулат классической механики о неограниченности скорости распространения сигналов или движения тел заменяется в СТО постулатом о существовании предельной скорости распространения физических сигналов, численно равной скорости распространения света в вакууме

с = 2,99792458·108 м/с.

Более точно, в СТО постулируется независимость скорости света от скорости движения источника или приемника этого света. После этого можно доказать, что с является максимально возможной скоростью распространения сигналов, причем эта скорость одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Как будут теперь выглядеть пространственно-временные диаграммы? Чтобы понять это, следует обратиться к уравнению, описывающему распространение фронта сферической световой волны в пустоте. Пусть в момент t = 0 произошла вспышка света от источника, расположенного в начале координат (x, y, z) = 0. В любой последующий момент времени t > 0 фронт световой волны будет представлять собой сферу радиусом l = ct, равномерно расширяющуюся во все стороны. Уравнение такой сферы в трехмерном пространстве имеет вид:

x2 + y2 + z2 = c2t2 .

На пространственно-временной диаграмме мировая линия световой волны изобразится в виде прямых, наклоненных под углом 45° к оси x. Если учесть, что координате x на диаграмме соответствует на самом деле совокупность всех трех пространственных координат, то уравнение фронта световой волны определяет некоторую поверхность в четырехмерном пространстве событий, которую принято называть световым конусом.

Каждая точка на пространственно-временной диаграмме – это некоторое событие, произошедшее в определенном месте в определенный момент времени. Пусть точка О на рис. 3 отвечает некоторому событию. По отношению к этому событию все другие события (все другие точки на диаграмме) разделяются на три области, условно называемые конусами прошлого и будущего и пространственно-подобной областью. Все события внутри конуса прошлого (например, событие А на диаграмме) происходят в такие моменты времени и на таком расстоянии от О, чтобы можно было успеть достичь точки О, двигаясь со скоростью, не превышающей скорости света (из геометрических соображений ясно, что если v > c, то наклон мировой линии к оси x уменьшается, т. е. угол наклона становится меньше 45°; и наоборот, если v < c, то угол наклона к оси x становится больше 45°). Аналогично, событие В лежит в конусе будущего, так как до этой точки можно добраться, двигаясь со скоростью v < c.

Рис. 3. СВЕТОВОЙ КОНУС И ТИПЫ СОБЫТИЙ

Иное положение с событиями в пространственно-подобной области (например, событие С). Для этих событий соотношение между пространственным расстоянием до точки О и временем таково, что добраться до О можно, только двигаясь со сверхсветовой скоростью (пунктирная линия на диаграмме изображает мировую линию такого запрещенного движения; видно, что наклон этой мировой линии к оси x меньше 45°, т.е. v > c).

Итак, все события по отношению к данному делятся на два неэквивалентных класса: лежащие внутри светового конуса и вне него. Первые события могут быть реализованы реальными телами, движущимися со скоростью v < c, вторые – нет.

Преобразования Лоренца.

Формула, описывающая распространение фронта сферической световой волны, может быть переписана в виде:

c2t2 – x2 – y2 – z2 = 0.

Пусть s2 = c2t2 – x2 – y2 – z2. Величина s называется интервалом. Тогда уравнение распространения световой волны (уравнение светового конуса на пространственно-временной диаграмме) примет вид:

s2 = 0.

Из геометрических соображений в областях абсолютного прошлого и абсолютного будущего (иначе их называют временно-подобными областями) s2 > 0, а в пространственно-подобной области s2 < 0. Поскольку скорость света не зависит от выбора инерциальной системы, то разделение всех событий по отношению к данному на те, которые лежат во временно-подобной или пространственно-подобной областях, не зависит от системы отсчета или интервал s инвариантен относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую. Согласно принципу относительности, уравнение s2 = 0, выражающее физический закон распространения света, обязано иметь один и тот же вид во всех инерциальных системах отсчета.

Величина s2 не инвариантна относительно преобразований Галилея (проверяется подстановкой) и можно сделать вывод, что должны существовать иные преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой. При этом, учитывая относительный характер одновременности, уже нельзя считать tў = t, т.е. считать время абсолютным, идущим независимо от наблюдателя, и вообще отделить время от пространства, как это можно было сделать в ньютоновской механике.

Преобразования координат и времени события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, не изменяющие величины интервала s2, носят название преобразований Лоренца. В случае, когда одна инерциальная система отсчета движется относительно другой вдоль оси x со скоростью v, эти преобразования имеют вид:

Закон относительности движения

Величина носит название лоренц-фактора. При изменении скорости v от 0 до c лоренц-фактор меняется от 1 до Ґ .

Преобразования Лоренца удобно переписать, вводя вместо времени t другую величину x0 = ct, имеющую размерность длины, и обозначив x = x1, y = x2, z = x3. Тогда, после умножения четвертое равенство на c справа и слева и введения обозначений

b = v/c, g = (1 – b2)–1/2,

получим:

Закон относительности движения

Здесь выписаны как преобразования Лоренца от нештрихованной системы координат К (условно ее принято считать неподвижной, или лабораторной системой) к штрихованной системе Кў и обратно. Эти формулы отличаются знаком скорости v, что соответствует принципу относительности Эйнштейна: если Кў движется относительно К со скоростью v вдоль оси x, то К движется относительно Кў со скоростью –v, а в остальном обе системы полностью равноправны.

Интервал в новых обозначениях принимает вид:

.

Прямой подстановкой можно проверить, что это выражение не меняет вид при преобразованиях Лоренца, т. е. sў2 = s2.

Часы и линейки.

Наиболее удивительными (с точки зрения классической физики) следствиями преобразований Лоренца являются утверждения, что наблюдатели в двух разных инерциальных системах отсчета будут получать разные результаты при измерении длины какого-то стержня или интервала времени между двумя событиями, произошедшими в одном месте.

Сокращение длины стержня.

Пусть стержень расположен вдоль оси xў системы отсчета Sў и покоится в этой системе. Его длина Lў = xў2 – xў1 фиксируется наблюдателем в этой системе. Переходя в произвольную систему S, можно записать выражения для координат конца и начала стержня, измеренных в один и тот же момент времени по часам наблюдателя в этой системе:

xў1 = g (x1 – bx0), xў2 = g (x2 – bx0).

Отсюда

Lў = xў2 – xў1 = g (x2 – x1) = g L.

Эту формулу обычно записывают в виде:

L = Lў/g .

Так как g > 1, то это означает, что длина стержня L в системе отсчета S оказывается меньше длины этого же стержня Lў в системе Sў, в которой стержень покоится (лоренцовское сокращение длины).

Замедление темпа хода времени.

Пусть два события происходят в одном и том же месте в системе Sў, и интервал времени между этими событиями по часам наблюдателя, покоящегося в этой системе, равен

Dt = tў2 – tў1.

Собственным временем принято называть время t, измеренное по часам наблюдателя, покоящегося в данной системе отсчета. ует Собственное время и время, измеренное по часам движущегося наблюдателя, связаны. Так как

где xў – пространственная координата события, то вычитая одно равенство из другого, находим:

Dt = g Dt.

Из этой формулы следует, что часы в системе S показывают бóльший интервал времени между двумя событиями, чем часы в системе Sў, движущейся относительно S. Иными словами, интервал собственного времени между двумя событиями, который показывают часы, движущиеся вместе с наблюдателем, всегда меньше интервала времени между этими же событиями, который показывают часы неподвижного наблюдателя.

Эффект замедления времени непосредственно наблюдается в экспериментах с элементарными частицами. Большинство этих частиц нестабильно и распадается через определенный интервал времени t (точнее, известны период полураспада или среднее время жизни частицы). Ясно, что это время измеряется по покоящимся относительно частицы часам, т.е. это собственное время жизни частицы. Но частица пролетает мимо наблюдателя с большой скоростью, иногда близкой к скорости света. Поэтому время ее жизни по часам в лаборатории становится равным t = gt, и при g >> 1 время t >> t. Впервые с этим эффектом исследователи столкнулись при изучении мюонов, рождавшихся в верхних слоях атмосферы Земли в результате взаимодействия частиц космического излучения с ядрами атомов в атмосфере. Были установлены следующие факты:

мюоны рождаются на высоте порядка 100 км над поверхностью Земли;

собственное время жизни мюона t @ 2Ч10–6 с;

поток мюонов, рожденных в верхних слоях атмосферы, доходит до поверхности Земли.

Но это кажется невозможным. Ведь даже если бы мюоны двигались со скоростью, равной скорости света, они все равно могли бы за время своей жизни пролететь расстояние, равное всего ct » 3Ч108Ч2Ч10–6 м = 600 м. Таким образом, тот факт, что мюоны, не распавшись, пролетают 100 км, т. е. расстояние, в 200 раз большее, и регистрируются вблизи поверхности Земли, может быть объяснен только одним: с точки зрения земного наблюдателя, время жизни мюона возросло. Расчеты полностью подтверждают релятивистскую формулу. Тот же эффект экспериментально наблюдается в ускорителях элементарных частиц.

Следует подчеркнуть, что не в выводах о сокращении длины и замедлении времени главная суть СТО. Самым существенным в специальной теории относительности является не относительность понятий пространственных координат и времени, а неизменность (инвариантность) некоторых комбинаций этих величин (например, интервала) в едином пространстве-времени, поэтому в определенном смысле СТО следовало бы именовать не теорией относительности, а теорией абсолютности (инвариантности) законов природы и физических величин по отношению к преобразованиям перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Сложение скоростей.

Пусть системы отсчета S и Sў движутся относительно друг друга со скоростью, направленной вдоль оси x (xў). Преобразования Лоренца для изменения координат тела Dx, Dy, Dz за промежуток времени Dt имеют вид:

Здесь V – направленная вдоль оси x (xў) скорость движения одной системы относительно другой.

Скорость тела в системе S равна v = Dr/Dt, а скорость этого же тела в системе Sў, движущейся вдоль оси x со скоростью V относительно системы S, равна vў = Drў/Dtў. Поэтому

Закон относительности движения

Эти формулы легко записываются в векторной форме (с учетом того, что у вектора V есть только одна компонента вдоль оси x, так что скалярное произведение Vvў = Vvўx):

.

В предельном случае, когда все скорости много меньше скорости света, V << c и vў << c (нерелятивистский случай), можно пренебречь в знаменателе вторым слагаемым и это приводит к закону сложения скоростей классической механики

v = vў + V.

В противоположном, релятивистском случае (скорости близки к скорости света) легко убедиться, что вопреки наивному представлению, при сложении скоростей невозможно получить скорость, превышающую скорость света в вакууме. Пусть, например, все скорости направлены вдоль оси x и vў = c, тогда видно, что и v = c.

Не следует думать, что при сложении скоростей в рамках СТО вообще никогда не могут получиться скорости, большие скорости света. Вот простой пример: два звездолета сближаются со скоростью 0,8с каждый относительно земного наблюдателя. Тогда скорость сближения звездолетов относительно того же наблюдателя будет равна 1,6с. И это никак не противоречит принципам СТО, т. к. речь не идет о скорости передачи сигнала (информации). Однако, если задать вопрос, какова скорость приближения одного звездолета к другому с точки зрения наблюдателя в звездолете, то правильный ответ получается применением релятивистской формулы сложения скоростей: скорость звездолета относительно Земли (0,8с) складывается со скоростью движения Земли относительно второго звездолета (тоже 0,8с), и в результате v = 1,6/(1+0,64)c = 1,6/1,64c = 0,96c.

Соотношение Эйнштейна.

Главной прикладной формулой СТО является соотношение Эйнштейна между энергией E, импульсом p и массой m свободно движущейся частицы:

.

Эта формула заменяет ньютоновскую формулу, связывающую кинетическую энергию с импульсом:

Eкин = p2/(2m).

Из формулы Эйнштейна следует, что при p = 0

E0 = mc2.

Смысл этой знаменитой формулы в том, что массивная частица в сопутствующей системе отсчета (т. е. в инерциальной системе отсчета, движущейся вместе с частицей, так что относительно нее частица покоится) обладает определенной энергией покоя Е0, однозначно связанной с массой этой частицы. Эйнштейн постулировал, ято эта энергия вполне реальна и при изменении массы частицы может переходить в другие виды энергии и это является основой ядерных реакций.

Можно показать, что с точки зрения наблюдателя, относительно которого частица движется со скоростью v, энергия и импульс частицы изменяются:

Таким образом, значения энергии и импульса частицы зависят от той системы отсчета, в которой измеряются эти величины. Соотношение Эйнштейна выражает всеобщий закон эквивалентности и взаимопревращаемости массы и энергии. Открытие Эйнштейна стало основой не только многих технических достижений 20 в., но и понимания рождения и эволюции Вселенной.

Александр Берков

Источник: www.krugosvet.ru

Однородность пространства и времени

В Специальной теории относительности Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 

Закон относительности движения
Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным. 

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее. 

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

Объединение массы и энергии

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.

Закон относительности движения
©deviantART/ RowanPhoenix

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Источник: naked-science.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.