Лекция 6 Теория относительности План 1 Специальная

Лекция № 6 Теория относительности. План: 1. Специальная теория относительности (СТО). 2. Общая теория относительности (ОТО).

1. Специальная теория относительности.

• Максвелловская электродинамика представляла ту картину мира, которая сложилась в физике к 20 веку. В ней не удавалось, несмотря на обилие экспериментальных данных, непротиворечиво согласовать некоторые черты. • А. ЭЙНШТЕЙН показал, что все противоречия можно устранить, если н й построить теорию на основе едвух т постулатов. Теория вошла в историю нш как специальная Эй теория относительности (СТО).

В СТО из всех систем отсчета особо выделяются инерциальные системы отсчета (ИСО). ИСО – система отсчета, в которой справедлив закон инерции Ньютона. Любая СО, движущаяся относительно ИСО поступательно, равномерно и прямолинейно также является ИСО.

Физики XVII – XIX в. считали, что взаимодействия в природе и в том числе распространение света осуществляется всемирной средой эфиром. Из теории поля Максвелла следовало, что свет – это электромагнитная волна. В XIXв. проводились эксперименты по определению скорости света и влиянию движения среды на скорость света (Физо, Лоренц…).

В 1881 г. А. Майкельсон и Э. Морли пытались экспериментально обнаружить «эфирный ветер» , следствием которого было бы различие в скорости света в разных направлениях по отношению к движению Земли. Опыты А. Майкельсона и Э. Морли выявили независимость скорости света от движения Земли и опровергли гипотезу «мирового эфира» . Из опытов следовало, что для света не выполняется принцип сложения скоростей класссической механики.

Постулаты СТО: 1. Принцип относительности: все ИСО равноправны между собой т. е во всех таких системах законы физики одинаковы. 2. Принцип инвариантности (неизменности) скорости света: скорость света в пустоте одинакова с точки зрения наблюдателя независимо от движения источника света относительно наблюдателя.

Относительность в ТО означает, что все СО одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущество перед другими. Первым принцип относительности для механических систем сформулировал в 1636 году ГАЛИЛЕЙ. В механике использовались преобразования Галилея. Они дают неизменность законов механики при переходе от одной ИСО к другой.

Преобразования Галилея не сохраняли инвариантность уравнений Максвелла. Тогда в 1904 г. голландский физик Х. ЛОРЕНЦ осуществляет преобразования, по отношению к которым уравнения классической электродинамики сохраняют свой вид. В СТО преобразования Галилея заменяются преобразованиями Лоренца, которые связывают значения пространственных координат и времени в двух системах, движущихся равномерно друг относительно друга.

Z Z‘ K K’ V X Y X’ Y’ Преобразования ЛОРЕНЦА

Если Преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея т. е при справедливы законы классической механики. Явления, предсказываемые СТО становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света.

Следствия СТО: 1. Сокращение длины движущегося тела. Наблюдатель, движущийся относительно тела, увидит его более коротким ( ), чем тот, кто находится в состоянии покоя относительно этого тела.

2. Замедление течения времени. Движущиеся часы идут медленнее неподвижных, а длительность событий разная в разных СО: - длительность события в системе отсчета, относительно которой тело покоится(собственное время, ) - длительность события в неподвижной СО ( )

3. Относительность одновременности. Если один наблюдатель считает одновременными два события, которые пространственно разобщены в той СО относительно которой он неподвижен, то другой наблюдатель, участвующий в равномерном прямолинейном движении относительно первой СО, не считает их одновременными. Одновременность становится понятием относительным, зависящим от наблюдателя.

▪ А ☼ ▪ О В точке О происходит вспышка света. АО = ОВ ▪ В

4. Зависимость массы от скорости движения тела. Масса тела, измеренная в той системе отсчета, относительно которой тело покоится называется массой покоя m 0. Тогда масса m , измеренная наблюдателем движущимся относительно тела со скоростью V равна:

Отсюда следует, что скорость материального тела не может достичь скорости света или превысить ее т. к. при ∞

5. Закон Эйнштейна – связь между энергией и массой тела. Это означает, что любой перенос энергии(E) связан с переносом массы m. Можно говорить и о «превращении массы в энергию» . Таким путем объясняется т. н. «дефект масс» в микромире ( сумма масс отдельных составных частей ядра всегда больше, чем масса образованного из них атомного ядра).

В 1908 г. Герман Минковский предложил объединить пространство и время в четырехмерный пространственно – временной континуум событий (мировых событий). При этом каждому мировому событию соответствует т. н. мировая линия, определяющая координаты объекта во все моменты времени.

Из СТО следует неразрывность пространства и времени, в своем единстве они абсолютны. Пространственно-временной интервал между двумя событиями (интервал Минковского) инвариантен т. е во всех СО неизменен:

Выводы: • СТО внесла революционные изменения в фундаментальные понятия пространства и времени; • Пространство, время, масса не отделимы друг от друга; • Теории, применяющие СТО, называют релятивистскими.

2. Общая теория относительности (ОТО). В СТО говорится об одинаковости законов природы лишь для инерциальных систем отсчета (ИСО). Но, строго говоря, таких систем не существует. ОТО, называемая теорией гравитации, распространяет законы природы на все, в том числе неинерциальные системы (движущиеся с ускорением).

Эйнштейн предположил, что все физические законы одинаковы для всех возможных СО – это т. н. принцип общей относительности: «Все СО равноправны, во всех действуют одни и те же законы» . В 1907 г. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности инертной и тяготеющей масс т. е тяготение эквивалентно ускоренно движущимся системам отсчета.

Из ОТО следует, что структура пространствавремени может быть более сложной , чем евклидова. Материя создает и формирует свойства пространствавремени, любая масса искривляет пространство – время.

ОТО заменила ньютонов механический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения- тяготение определяется искривлением пространства- времени.

«Вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу, как тому двигаться» . Американский физик А. Уилер.

Экспериментальные доказательства ОТО 1. Искривление лучей света вблизи тяжелых масс (1919 г). 2. Смещение перигелия Меркурия (поворот орбиты целиком). 3. Гравитационное красное смещение (замедление времени). Понижение частоты в сторону красного света.