Специальная теория относительности утверждает относительный характер


Подрабатываю репетитором.

Сколько изучаю физику, столько мечтаю найти такую книгу, которая бы идеально сочетала в себе интересное повествование и объяснение физических явлений. Чтоб она могла заинтересовать даже ребенка, но при этом не опускалась до оленя или не уходила в слишком глубокие и сложные рассуждения. Ииии… нашел даже несколько! Поэтому хочу написать краткую рецензию по тем книгам, что я прочитал во время поиска. Сразу скажу – мнение мое, родное, субъективное.

В конце ссылка на архив с частью книг.

Для ЛЛ: 1,2,3 – читать всем, 6,7 – нормально, 8, 9 – хорошо, 4,5,10 – будет чем разжигать камин.

1) Я.И. Перельман – Занимательная физика.

Две легендарные книги от не менее легендарного автора, максимально близкие к идеалу. Они состоят из мини-рассказов на пол странички, каждый из которых дает качественное решение небольшой физической задаче. Как поставить яйцо, не ломая его? А как вскипятить воду, используя бумажную кастрюлю? А как отрубленная голова могла говорить? Да, все это есть в этих книгах. Яро рекомендую как взрослым, так и детям. 10+/10.


2) Ричард Фейнман – Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!

С первых строчек понятно, что человек, который писал эту книгу, жил. Не прозябал, не сидел в уголке, а именно жил, жил физикой. Как будто разговор с жизнерадостным студентом, для которого физика стала горячо любимой спутницей по жизни. Тут вроде и про жизнь, и про девушек, и про развлечения, но как-то незаметно во все это вкраплена физика. Великолепно! 10+/10

3) М. И. Блудов – Беседы по физике.

Добавить сюда больше задач – получится лучший учебник по физике в истории. Что-то между Перышкиным и Перельманом. Вся книга напоминает мне ответ ученика на уроке – вроде, сплошная физика, однако есть и элемент живого повествования. Но все же это действительно больше учебник, чем книга для захватывающего чтения – здесь есть довольно сложные для начинающего читателя математические выкладки, сложные темы и прочее. Однако для увлеченного хоть на каплю человека подойдет идеально. 10/10.

4) Вольфганг Рёслер – Физика, рассказанная на ночь.

Эта книга – красиво написанная биография невероятно сложной для понимания … науки: физики. Здесь нет ни одной формулы…” – вот что пишут про эту книгу. Я ее прочел и это… зеленая тоска. Вся книга напоминает курсовую работу студента, который понатырил с Википедии текст и огромное количество цитаток, а потом решил еще и разбавить все это своим повествованием. Повествование неимоверно рваное и больше какое-то энциклопедическое, что ли. Просто некий набор информации, есть даже определения терминов, взятые из учебника. Красная цена такому сборнику – 50 рублей за старание, не больше. А еще здесь есть формулы, нас обманывали!


Да и вообще от книги с таким названием ждешь какой-то сказки, а получаешь “Клаузиус говорит о величине, энтропии, которая может только либо увеличиваться, либо оставаться прежней, но никогда не уменьшается”.

Есть ощущение, правда, что книга много потеряла при переводе, но вряд ли даже шикарный перевод что-то изменит. Детям – категорически нет, взрослым на свой страх и риск. Оценка: См.

5) Камиль Фадель — Вы сказали “физика”?

Вот вроде и картинки приятные, и читать интересно, и слог приятный, но на 14 странице писать про кварки, мезоны и глюоны? Вы серьезно? Рассказы из серии “Короче, вот стена, стена состоит из атомов, в каждом атоме есть нейтроны, протоны и электроны, а электроны участвуют в бета-распаде, там еще нарушался ЗСЭ, но Паули открыл нейтрино и все наладилось, вооот…” В общем, не знаю, книга на любителя, причем уже понимающего физику. Да и дороговато опять же. 5/10.

6) Кирилл Домровский – Остров неопытных физиков.

Весьма приятная сказка о приключении четырех мальчишек, делающая фантастические предположения из разряда “А что если б можно было…”. Хороший сюжет, повествование, а связь с физикой хоть и небольшая, но вполне ощутимая. По крайней мере, читатель косвенно узнает о плотности, различных взаимодействиях, законах сохранения. Для маленьких детей подойдет идеально, ребятам постарше же будет скучновато. 8/10.


7) Хельмут Затц – Бог играет невидимыми кубиками. Физика на грани познаваемого.

Вот есть умная книга, а есть книга с умными словами. Как по мне, эта книга относится к разряду первых, но иногда все же соскальзывает в разряд вторых. Но в целом очень понравилось – приятное повествование, плавный заход в историю физики, красота! Подарите эту книгу своему умному племяннику на день рождения, я серьезно.

Но вот редактору минус балл однозначно. “Ну а сейчас давайте поподробнее рассмотрим строение адронов” – это уж для печатного издания перебор. 8/10.

8) Елена Качур – Увлекательная физика.

-Тетенька, тетенька! А напишите нам учебник по физике, только чтоб читать было интересно!

-Да без проблем, мальчик!

Итак, мы наблюдаем самый реалистичный диалог между мужчиной и маленьким мальчиком:

-Дядя Кузя, а кататься (на катке) уже можно?

-Нет, придется подождать пока вода замерзнет на морозе.

-У-у-у, так неинтересно.

-Не согласен. Пока каток застывает мы можем наблюдать за очень интересным физическим явлением! (как застывает вода)

И вот стоят они там с мальчиком, смотрят, как вода застывает, всем весело… Здорово…


Но если убрать мой этот придирчивый взгляд, то для детей книга очень хороша! Картинки, текст приятный, есть мини-задания по выполнению простых опытов. Отдельный плюс за то, что повествование не скатывается в перечисление сложных терминов. Советую, 10/10.

9) Александр Леонович – Физика без формул.

Очень приятная книжечка. Небольшая, интересная, легко читается и в то же время как-то говорит о довольно умных вещах. По минимуму использованы сложные термины и все очень к месту. Очень понравились достаточно толковые примеры – автор хочет именно разъяснить, а не отвязаться от назойливого читателя. Подойдет для начальной и средней школы великолепно. 10/10.

10) Вордерман Кэрол – Как объяснить ребенку науку.

Ээээ… Боюсь, сначала придется объяснить родителю, потому что книга в объяснении не особо помогает. Да и тут столько ляпов… “Физики нашли объяснение тому, почему мы видим различные цвета света. Волны красного цвета длиннее, чем фиолетовые. Все остальные цвета находятся между ними.” – я вот понимаю, что хочет сказать автор, но в этом высказывании ни смысла, ни связности.

Физики считают, что сила притяжения вызвана гравитонами – частицами, которых пока обнаружить не удалось” – мало того, что голову дурят, так еще и текст вычитать не суждено.

В общем, сборник красивых картинок за 1500 р. К такой книге нужно давать в подарок родителя-физика, тогда получится неплохо. 4/10.


Все, хватит пока на этом. Продолжу поиски позже. Может, пора и математику поискать…

Ссылка на архив.

P.S. Периодически спрашивают мэйл – [email protected]

Источник: pikabu.ru

За два столетия, которые отделяли физику эпохи Галилея и Ньютона от физики эпохи Максвелла и Герца, в ней накопилось огромное количество новых научных фактов. Особенно бурно в это время развивались электромагнетизм и оптика. В то же время представление о мироздании базировалось на механической картине мира, трактовавшей все явления с позиций классической механики XVII века и носившей, казалось бы, универсальный характер.

Так, согласно классическим представлениям, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, пространство и время — абсолютные величины. То есть их свойства постоянны и не зависят от движения материальных тел и не связаны друг с другом.

Основным принципом классической механики является принцип относительности Галилея, согласно которому все инерциальные системы отсчёта равноправны по отношению к механическим явлениям. Благодаря этому равноправию формулировки законов механики во всех инерциальных системах отсчёта одинаковы.

Однако, после того как во второй половине XIX века Джеймс Максвелл сформулировал основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея, справедливый для механических явлений, и на явления электромагнитные?


Как известно, в классической механике такие понятия, как координата, скорость, траектория тела, являются относительными — они изменяются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. В то же время, некоторые понятия и величины в классической физике считались абсолютными. Например, как само собой разумеющееся принималось положение об абсолютности времени (ход времени везде одинаков). Очевидным следствием этих представлений является классический закон сложения скоростей, из которого следовало, что не существует максимально возможной (предельной) скорости. И такие представления согласовывались как с повседневным опытом, так и с экспериментами в механике, акустике, гидродинамике и так далее.

Но электромагнитные процессы происходят со скоростями, сравнимыми со скоростью света, то есть гораздо большими, чем скорости движения тел, с которыми имеет дело механика. В связи с этим возник вопрос: меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно рассматривать принцип относительности, как общий закон природы.

Рассматривая проблему распространения электромагнитных волн (и, в частности, света), полезно обратиться к хорошо изученным закономерностям поведения звуковых волн. Как показали опыты Роберта Бойля, звуковые волны могут распространяться только в упругой среде. Именно упругие свойства среды делают возможной передачу колебаний от одной точки среды к другой.


Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Проводя аналогию между звуковыми и электромагнитными волнами, учёные пришли к выводу о том, что для распространения света также необходима упругая среда, которую назвали мировым эфиром.

Таким образом, по мере развития электродинамики основным стал вопрос о влиянии эфира на движение света. Если считать, что Земля при своём обращении вокруг Солнца движется сквозь неподвижный эфир, то в лаборатории, находящейся на Земле, следует ожидать появления так называемого «эфирного ветра» (подобно тому, как возникает встречный поток воздуха при езде на мотоцикле в безветренную погоду).

Ответы на возникшие вопросы мог дать только эксперимент, который и был проведён в 1887 году американцами Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. Они решили раз и навсегда доказать скептикам, что «светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны».

Разберём принципиальную схему их экспериментальной установки, названной позднее интерферометром Майкельсона. Он состоял из оптического устройства, расположенного на массивной каменной платформе, плавающей в бассейне со ртутью.


Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Такая конструкция практически исключала влияние механических колебаний платформы на оптические процессы. Свет от источника с помощью полупрозрачной пластины расщепляется и два когерентных луча, которые расходятся под прямым углом друг к другу. Лучи отражались от зеркал, а затем сводились вместе с помощью той же полупрозрачной пластинки и попадали на детектор. В результате сложения этих лучей получалась интерференционная картина. Ожидалось, что она будет существенно зависеть от ориентации интерферометра по отношению к его скорости относительно «неподвижного» эфира.

Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую, то есть появится дополнительная «разность хода» интерферирующих световых волн.

При повороте платформы на 90° лучи «менялись местами» и соответственно должна была измениться разность хода. Как показывали расчёты, это привело бы к смещению интерференционной картины на 0,4 ширины интерференционной полосы. Однако ожидаемое смещение обнаружено не было, хотя интерферометр Майкельсона позволял наблюдать сдвиг картины даже на одну сотую полосы. Это было настолько же невероятно, как если при езде на мотоцикле вы не почувствовали бы встречного воздушного потока.


Данный факт был одной из величайших загадок физики конца XIX — начала XX века. Обнаружилось явное противоречие между экспериментом и классическими представлениями. Так, при переходе от одной ИСО к другой, согласно классическому закону сложения скоростей, к скорости света должна векторно прибавляться скорость движения этих ИСО друг относительно друга. Однако эксперимент упрямо утверждал, что скорость света в вакууме постоянна и во всех ИСО одинакова. Это был вызов механической картине мира, которая складывалась веками.

Возникшее противоречие между электродинамикой и классической механикой можно устранить, если принять одну из трёх гипотез:

·                   считать, что принцип относительности неприменим к электромагнитным явлениям (эту точку зрения разделял великий голландец Хендрик Лоренц);

·                   считать, что неверны уравнения Максвелла и их нужно соответствующим образом изменить, чтобы они удовлетворяли преобразованиям Галилея (такую попытку предпринимал Генрих Герц);


·                   и, наконец, считать, что неверны преобразования Галилея и их следует заменить другими.

Третья гипотеза была самой революционной, так как она предполагала пересмотр всех основных законов классической механики Ньютона. Решающий шаг был сделан в 1905 году, когда в научном журнале «Анналы физики» были опубликованы три выдающиеся статьи 25-летнего учёного Альберта Эйнштейна. В одной из статей — «К электродинамике движущихся тел» — Эйнштейн показал, что преобразования Галилея верны лишь в том случае, когда скорости движения тел и систем отсчёта много меньше скорости света в вакууме.  Если же эти скорости близки к скорости света, то законы классической механики должны быть заменены более общими законами, учитывающими особенности такого движения.

Пересмотр классических представлений позволил Эйнштейну создать новое учение о пространстве, времени и движении — специальную теорию относительности (сокращённо СТО). В основу данной теории учёный положил два постулата, являющихся обобщением экспериментальных фактов.

Первый постулат (постулат относительности):

во всех инерциальных системах отсчёта все физические явления при одинаковых начальных условиях происходят одинаковым образом.

Данный постулат представляет собой обобщение механического принципа относительности на все физические явления. Он говорит о том, что никакими экспериментами, проведёнными внутри ИСО, невозможно установить, покоится она или движется.

Для примера, представим, что мы находимся в вагоне поезда, который движется равномерно и прямолинейно без толчков и покачиваний. Как с помощью экспериментов (механических, электромагнитных и любых других), проводимых внутри него узнать, движется вагон или нет? Весь накопленный в физике опыт показывает, что это сделать невозможно в полном соответствии с первым постулатом.

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Второй постулат называют принципом постоянства (или принципом инвариантности) скорости света. Он может быть сформулирован так: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников и приёмников света и во всех инерциальных системах отсчёта одинакова.

Как мы уже упоминали ранее, этот постулат полностью соответствует результатам множества экспериментов, но противоречит классическому закону сложения скоростей.

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Эйнштейн разрешил это противоречие, проведя глубокий анализ представлений о времени и пространстве. В основе этого анализа лежит понятие событие. Под событием понимают некоторое явление, происходящее в определенной точке пространства в определенный момент времени.

Примером события может служить вспышка света, выстрел орудия, соударение двух частиц и так далее. События, произошедшие в один и тот же момент времени, называются одновременными. В классической физике принималось положение об абсолютности одновременности: если два события произошли одновременно в некоторой ИСО, то они одновременны и в любой другой ИСО.

Но Эйнштейн обратил внимание на то, что это вовсе не очевидно. Для решения вопроса об одновременности (или неодновременности) двух событий, происходящих в разных местах некоторой инерциальной системы отсчёта, необходимо в каждом месте иметь часы, покоящиеся относительно этой ИСО, синхронизованные между собой следующим способом.

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Итак, пусть в некоторой точке А инерциальной системы отсчёта находятся часы 1, а в точке В — часы 2. Световой сигнал посылают из точки А в точку В. Там он мгновенно отражается и возвращается обратно в точку А. Поскольку скорость света постоянна, то часы следует считать идущими синхронно, если разность показания часов два в момент прихода сигнала в точку В и показания часов один в момент старта сигнала из точки А равна разности показания часов один в момент возвращения сигнала в точку А и показания часов два в момент прихода сигнала в точку В:

t2t1 = t3t2.

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Таким образом можно провести синхронизацию для любой пары часов, покоящихся в некоторой ИСО. Ход такой совокупности синхронизированных часов и есть ход времени в данной инерциальной системе отсчёта.

Теперь можно приступить к проверке абсолютности (или относительности) одновременности. Представим себе вагон, в центре которого находится источник света, и двоих наблюдателей. Пусть один наблюдатель стоит на платформе, а второй находится в вагоне. На правой и левой стенке вагона (по отношению к нам) укрепим фотоэлементы, позволяющие определять момент прихода светового сигнала. Понятно, что если световая вспышка произойдёт в середине неподвижного вагона, то световой сигнал будет зарегистрирован фотоэлементами одновременно как по часам, находящимся в вагоне, так и по часам системы отсчёта, связанной с платформой.

Что произойдёт, если вагон начнёт двигаться вправо равномерно и прямолинейно? С точки зрения наблюдателя, находящегося внутри вагона, ничего не измениться, так как для него вагон по-прежнему покоится. Поэтому световые сигналы от вспышки вновь достигнут фотоэлементов одновременно.

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Однако абсолютно иную картину видит наблюдатель на платформе. Относительно него вагон движется. В результате этого правая стенка вагона удаляется от того места, где произошла вспышка, а левая — приближается к нему. Значит, относительно платформы свету придётся пройти от места вспышки до левого фотоэлемента меньший путь, чем до правого. При этом согласно второму постулату скорость света относительно платформы равна с и для сигнала, движущегося вправо, и для сигнала, движущегося влево. В итоге свет сначала достигнет левого фотоэлемента и только потом — правого. Для наблюдателя на платформе эти события неодновременны.

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Кто же прав? Оба, так как события, одновременные в одной ИСО, могут оказаться не одновременными в другой ИСО, движущейся относительно первой.

Поэтому мы вынуждены заключить, что одновременность пространственно разделённых событий относительна.

Представить себе это наглядно, «почувствовать» мы не в состоянии из-за того, что скорость света много больше тех скоростей, с которыми привыкли двигаться мы. Отметим, однако, что одновре́менные события, произошедшие в одном месте, одновре́менны в любой инерциальной системе отсчёта. Их одновре́менность абсолютна.

Источник: videouroki.net

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Прежде чем идти дальше, нужно сначала понять, что движение относительно. Например, представьте, что вы стоите на пешеходной дорожке и видите проезжающий по дороге автобус с некоторой постоянной скоростью «v». Теперь для людей в автобусе каждый из них отдыхает по отношению друг к другу. Но для вас все они движутся вместе с автобусом с некоторой скоростью «v». Человек, который кажется наблюдателю неподвижным в одной системе отсчета, не обязательно может показаться неподвижным другому наблюдателю в другой системе отсчета. Следовательно, движение не абсолютное, а относительное.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛОРЕНЦА

Поскольку скорость света должна оставаться одинаковой во всех системах отсчета, необходимо, чтобы координаты длины и времени в движущейся системе отсчета изменялись. Соотношение между пространственными и временными координатами между двумя системами отсчета в относительном движении задается преобразованием Лоренца.

Рассмотрим событие в системе отсчета S, имеющей пространственно-временные координаты (x, y, z, t) и пространственно-временные координаты (x ', y', z ', t') в другой системе отсчета S ', движущейся с скорость 'v' в направлении X относительно S. Тогда эти координаты связаны следующим образом:

X'= Y(x-vt)

t'=y(t-vx/c^2)

где ϒ (гамма) — коэффициент Лоренца, определяемый как

Это будет в равной степени справедливо для направлений Y и Z, если движение происходит вдоль осей Y и Z соответственно. Используя преобразование Лоренца, можно получить ряд следствий в специальной теории относительности, таких как замедление времени, сокращение длины, релятивистское сложение скоростей и т. Д.

1. ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ:

Согласно специальной теории относительности, скорость света 'c' является максимальным пределом скорости. По мере приближения к скорости света время в вашей системе отсчета будет замедляться. Это можно выразить как

Δt '= ϒ Δt где

где Δt ' — время между двумя тактами движущихся часов, Δt — время между двумя тактами для часов в покое, а ϒ — коэффициент Лоренца, формула которого приведена выше. Можно видеть, что с увеличением скорости 'v' значение ϒ также увеличивается и, следовательно, Δt ' также увеличивается, т.е. время замедляется с увеличением скорости. Подставляя v = 99,999% скорости света, мы получаем, что время между двумя тактами (одна секунда) часов в движущемся кадре соответствует 224 секундам!

2. СОКРАЩЕНИЕ ДЛИНЫ:

Подобно времени, даже длина влияет. Длина сокращается в направлении движения рамы. Это может быть задано как Δx '= Δx / ϒ .

Здесь Δx ' — это длина, наблюдаемая наблюдателем в относительном движении к объекту; Δx — это длина объекта в кадре покоя (правильная длина).

Следовательно, с увеличением скорости длина сокращается. Например, космический корабль, движущийся со скоростью 86,5% скорости света, может показаться, что для стационарного наблюдателя он сократился вдвое по длине из-за сокращения длины (Примечание: другие его размеры не изменятся. Размер только в направлении движения будет подвержен

3. РЕЛЯТИВИСТСКОЕ СЛОЖЕНИЕ СКОРОСТЕЙ:

Вы должны знать, что, когда две машины движутся со скоростями v 1 и v 2 соответственно в одном и том же направлении , человек в автомобиле 1 увидит автомобиль 2, движущийся со скоростью (v 2 — v 1 ) . Если автомобили движутся в противоположном направлении , то относительная скорость определяется как (v 2 + v 1 ) .

Это будет означать, что если два космических корабля движутся со скоростью 99% скорости света в противоположных направлениях, то человек на одном космическом корабле должен видеть, что другой космический корабль движется со скоростью (v 2 + v 1 ), т. Е. (99% + 99%) скорости света, которая равна 198% скорости света. Это невозможно, потому что скорость света не может быть превышена. Специальная теория относительности решает эту проблему. Согласно специальной теории относительности, относительная скорость между двумя системами отсчета определяется как:

Подставляя 0.99c (99% скорости света) для v 1 и v 2 , мы получаем относительную скорость как u = 0.99995 c, которая меньше скорости света. Когда v 1 и v 2 намного меньше по сравнению со скоростью света, знаменатель исчезает, и остается только числитель (v 2 + v 1 ) . Но на скоростях, близких к скорости света, знаменатель имеет значительное значение и не может быть проигнорирован.

4. МАССОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ:

Другим важным следствием специальной теории относительности является то, что энергия и масса эквивалентны. Объект в состоянии покоя с массой m o имеет энергосодержание m o c 2, где «c» — скорость света. Подобно отношению массы к энергии (E o = m o c 2 ), отношение энергии-импульса связывает полную энергию тела с его массой покоя (m o ) и импульсом (p) следующим образом:

E 2 = P 2 C 2 + (M O C 2 ) 2

Для таких частиц, как фотоны (частицы света), чья масса покоя m o равна нулю, уравнение сводится к E = pc, что означает, что энергия, связанная с фотонами, обусловлена ​​их импульсом.

Это некоторые из наиболее важных последствий специальной теории относительности. Теперь давайте перейдем к общей теории относительности.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Общая теория относительности описывает гравитацию как кривизну пространства-времени. Общая теория относительности предсказывала существование черных дыр и их свойства еще до того, как они были открыты. Общая теория относительности основана на полевых уравнениях Эйнштейна, которые являются нелинейными и очень трудными для решения. Согласно общей теории относительности, объекты, имеющие массу, изгибают ткань пространства-времени. Чем больше масса, тем больше изгиб. Общая теория относительности приводит к ряду последствий, которые обсуждаются ниже.

1. ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ:

Время замедления происходит не только из-за высоких скоростей, но и в присутствии силы тяжести. Время замедляется при наличии гравитационного поля. Время замедления из-за силы тяжести может быть дано как:

Здесь To — время, измеренное в гравитационном поле, а T — время, измеренное вдали от гравитационного поля. Приведенное выше уравнение показывает, что чем больше масса тела, тем больше замедление времени. Удивительно отметить, что замедление времени в черной дыре настолько сильно, что время останавливается на горизонте событий. Замедление времени в гравитационном поле также приводит к явлению, известному как гравитационное красное смещение. Свет, распространяющийся за пределами гравитационной ямы, оказывается смещенным в красную сторону (длина волны увеличивается) при наблюдении из точки в более низком гравитационном поле.

2. ГРАВИТАЦИОННОЕ ЛИНЗИРОВАНИЕ:

Мы знаем, что пространство-время изгибается вокруг массивных объектов. Согласно общей теории относительности, свет следует кривизне пространства-времени. В результате свет огибает массивные объекты. Изгиб света вокруг тяжелых объектов, таких как галактики, квазары, скопления галактик и т. Д., Заставляет их вести себя как линза.

Гравитационное линзирование галактическим скоплением (Изображение: STScI, Источник: Wikimedia Commons )

Как видно на рисунке выше, белая стрелка показывает путь света, исходящего из фоновой галактики. Свет, исходящий из фоновой галактики, огибает галактическое скопление между Землей и фоновой галактикой (подобно линзе), и мы видим многочисленные изображения фоновой галактики. Оранжевая стрелка показывает видимое положение фоновой галактики. Это явление называется гравитационным линзированием .

3. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ:

Гравитационные волны — это пульсации в пространстве-времени, которые распространяются с той же скоростью, что и скорость света. Эйнштейн предсказал их существование за 100 лет до того, как они были обнаружены в 2016 году командой Advanced LIGO из двух сливающихся черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет.

Многочисленные другие наблюдения гравитационных волн, исходящих как от сливающихся черных дыр, так и от сливающихся нейтронных звезд, были сделаны после первой, что подтверждает их существование.

Общая теория относительности была проверена несколько раз и оказалась успешной в большинстве случаев. Общая теория относительности может объяснить несколько наблюдений, что закон тяготения Ньютона не может быть таким, как аномальный сдвиг перигелия Меркурия, когда он вращается вокруг Солнца, существование черных дыр, особенности и т.д. Следовательно, сегодня это самая принятая теория гравитации.

Таким образом, теория относительности оказывается одной из самых красивых теорий всех времен. Теория неполна и имеет определенные ограничения, но она делает некоторые очень смелые предсказания о нашей Вселенной, которые, кажется, согласуются с наблюдениями.

Эта статья дает упрощенное объяснение теории относительности Эйнштейна и охватывает большинство важных тем без большого участия математики. Если я увижу интерес к этой теме я более подробно займусь написанием статей.

Источник: zen.yandex.ru

  1. абсолютны
  2. существуют независимо друг от друг
  3. существуют как единая четырёхмерная структура
  4. относительны

Специальная теория относительности утверждает относительный характер…

1. одновременности событий

2. массы, длины

3. заряда электрона

4. скорости света в вакууме

В специальной теории относительности справедливы следующие утверждения:

  1. пространственно-временной интервал между событиями является инвариантным относительно изменения системы отсчета
  2. невозможна передача взаимодействий со скоростью, превышающей скорость света
  3. физические процессы в движущейся системе отсчета ускоряются относительно неподвижной системы
  4. инвариантами относительно изменения системы отсчета являются время и масса

Согласно специальной теории относительности…

  1. при увеличении скорости движения тела его длина относительно неподвижной системы отсчета растет
  2. переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется с помощью преобразований Галилея
  3. невозможно разогнать тело с массой покоя отличной от нуля до скорости света
  4. передача физических взаимодействий со сверхсветовой скоростью привела бы к нарушению причинно-следственной связи

Из специальной теории относительности следует, что …

  1. когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер стремится к нулю
  2. когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер становится бесконечно большим
  3. с ростом скорости размер тела сокращается в направлении движения
  4. линейный размер тела не зависит от скорости его движения

Из специальной теории относительности следует, что с возрастанием скорости движения тела его …

  1. масса уменьшается, а временные процессы замедляются
  2. масса увеличивается, а временные процессы замедляются
  3. масса увеличивается, а временные процессы ускоряются
  4. масса уменьшается, а временные процессы ускоряются

Из специальной теории относительности следует, что при приближении к скорости света …

  1. масса тела стремится к нулю, а его линейный размер становится бесконечно большим
  2. линейный размер и масса тела становятся бесконечно большими
  3. линейный размер тела стремится к нулю, а масса становится бесконечно большой
  4. линейный размер и масса тела стремятся к нулю

В теории относительности Эйнштейна утверждается, что пространство и время …

  1. неразрывно связаны и относительны
  2. существуют как единая структура и абсолютны
  3. существуют независимо друг от друга и абсолютны
  4. существуют независимо друг от друга и относительны

В специальной теории относительности Эйнштейна утверждается, что …

  1. пространственные размеры тел изменяются в зависимости от скорости движения, а время течет одинаково во всех системах отсчета
  2. пространственные размеры тел не зависят от скорости движения, а темп времени изменяется
  3. пространственные размеры тел и интервалы времени неизменны во всех системах отсчета
  4. пространственные размеры тел и временные интервалы изменяются в зависимости от скорости движения

В специальной теории относительности Эйнштейна утверждается, что…

  1. масса тел и временные интервалы изменяются в зависимости от скорости движения
  2. масса тел не зависит от скорости движения, а темп времени изменяется
  3. массы тел изменяются в зависимости от скорости движения, а время течет одинаково во всех системах отсчета
  4. масса тел и временные интервалы неизменны во всех системах отсчета

Из специальной теории относительности следует, что …

  1. в движущейся относительно наблюдателя системе отсчета часы идут быстрее, чем в неподвижной
  2. в движущейся относительно наблюдателя системе отсчета часы идут медленнее, чем в неподвижной
  3. в инерциальных системах отсчета с увеличением скорости движения темп времени замедляется
  4. при приближении к скорости света все процессы в системе ускоряются

Из специальной теории относительности следует, что …

  1. с возрастанием скорости движения тела его линейный размер уменьшается
  2. движущееся относительно наблюдатель тело имеет меньший размер, чем покоящееся
  3. движущееся относительно наблюдателя тело имеет больший размер, чем покоящееся
  4. с возрастанием скорости движения тела его линейный размер увеличивается

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

  1. расстояний
  2. заряда электрона
  3. интервалов времени
  4. скорости света в вакууме

Следствием специальной теории относительности являются

  1. инвариантность промежутка времени относительно изменения системы отсчёта
  2. эквивалентность массы и энергии
  3. искривление светового пуча в поле тяготения
  4. относительность понятия одновременности событий

Основу специальной теории относительности составляют постулаты

  1. Все механические процессы во всех инерциальных системах отсчёта протекают одинаково
  2. Скорость света постоянна в областях, где можно пренебречь гравитационными силами.
  3. Все физические процессы во всех инерциальных системах отсчёта протекают одинаково
  4. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света

 

Из специальной теории относительности следует, что понятия _________ и _________носят относительный характер

Источник: megalektsii.ru

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

Важно!
В классической механике энергия покоя равна нулю.

Релятивистский импульс

Релятивистским импульсом тела называется физическая величина, равная:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

где ​( E )​ – релятивистская энергия тела.

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

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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:

Специальная теория относительности утверждает относительный характер

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

Источник: fizi4ka.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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