Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна (1905)

Проблемы в описании и объяснении физических явлений на основе представлений классической механики

1. Неравноправность различных ИСО по отношению к явлениям электродинамики (к покоящимся и движущимся равномерно прямолинейно заряженным частицам и постоянным магнитам).

2. Экспериментально подтвержденная конечность скорости света и ее независимость от выбора системы отсчета, от движения приемника и источника света

А) Определение скорости света: О. Ремер(1662)А. Физо (1849) Л. Фуко (1862) А. Майкельсон (1926) Б) Наблюдение интерференционной картины от двух когерентных лучей, достигших точки наблюдения различными путями. Опыт А. Майкельсона – Морли (1881 -1889) В) Наблюдения за двойными звездами, вращающимися вокруг общего центра В. де Ситтер(1913) Г) Измерение скорости двух световых волн, идущих от противоположных точек края солнечного диска. А. М. Бонч-Бруевич (1955)

Время существования покоящихся и движущихся элементарных частиц различно ( «Парадокс» μ – мезонов и замедление времени). Невозможность разгона элементарных частиц до световой скорости даже при значительных затратах энергии. Неравенство массы исходных частиц массе образованной из них частицы. Выделение огромных порций энергии в процессе ядерных реакций.

«Парадокс» μ – мезонов и замедление времени • μ – мезон в лаборатории на Земле «живет» от рождения до распада τ = 2, 2 ∙ 10 - 6 сек. • Даже при скорости, равной С = 3 ∙ 10 8 м/сек он смог бы пройти расстояние всего 660 м • «Место» его рождения на высоте 20 км над Землей. Фиксируют эти частицы на поверхности Земли. • Как разрешить противоречие? либо v >> c, либо t >> τ !!!

Задачи Объяснить на основе новых принципов факты механики, электромагнетизма, оптики, ядерной физики, которые необъяснимы на основе представлений классической механики Ньютона

Постулаты релятивистской механики (СТО) 1879 -1955 • Принцип относительности Эйнштейна • Принцип постоянства скорости света в вакууме

1. Принцип относительности Эйнштейна • обобщение принципа относительности Галилея на любые физические явления: никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. • Любые физические процессы при одних и тех же начальных условиях и законы, их описывающие, инвариантны по отношению к различным ИСО; • Все инерциальные системы отсчета равноправны.

2. Принцип постоянства скорости света Совокупность всех инерциальных систем отсчета характеризуется абсолютной, конечной и постоянной величиной с. Эта величина: • имеет размерность скорости - м/c; • равна скорости электромагнитных волн (скорости света) в вакууме - 300 000 км/с. То есть: • скорость света в вакууме постоянна; • не зависит от движения источника и приемника света; • одинакова во всех направлениях; • одинакова во всех ИСО. Скорость света в вакууме: • предельная скорость в природе; • одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых фундаментальных констант.

Границы применимости СТО применима только: • для слабых гравитационных полей • для инерциальных систем отсчета (ИСО)

Соответствие СТО и классической механики • Предсказания двух теорий совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньших скорости света) • Классическая механика является предельным случаем специальной теории относительности.

Основные модели, понятия, принципы • Инерциальная система отсчета (ИСО) • Принцип близкодействия • Единое четырехмерное пространство-время • Событие - физическое явление в определенном месте и в определенное время • Инвариантность причинно-следственных связей • Принцип симметрии (законы сохранения как проявление свойств пространства и времени) • Преобразования Лоренца

Основные релятивистские эффекты • Относительность одновременности • Сокращение длины • Замедление времени

Относительность одновременности • Несвязанные между собой причинно- следственной связью события могут в одних системах отсчета происходить одновременно, а в других нет.

Сокращение длины (Относительность отрезков длины) • Собственная длина отрезка в движущейся системе отсчета больше длины, измеренной вдоль направления движения относительно неподвижной системы отсчета.

Сокращение длины в направлении движения V~c

Замедление времени (относительность временных интервалов) • В движущейся со скоростью близкой к скорости света системе отсчета время течет медленнее.

Парадокс близнецов Сириус (α Большого Пса) – ярчайшая звезда нашего неба

Парадокс близнецов Расстояние до Сириуса 8, 7 световых лет. 1 св. год = 9460 млрд. км Пусть космический корабль движется со скоростью 12/13 скорости света. Время пути до Сириуса и обратно 19, 8 лет по часам корабля. На Земле пройдет 51, 5 лет по неподвижным часам. С другой стороны, за неподвижную систему отсчета можно считать корабль, тогда Земля удаляется со скоростью -1213 скорости света. На Земле пройдет 19, 8 лет, а по часам корабля 51, 5 лет.

Парадокс близнецов Решения в СТО нет! Эксперимент – мысленный, в реальности неосуществим. Каждый инерциальный наблюдатель имеет право считать, что часы другого замедлили ход. Ответ можно дать только с позиции ОТО: Ракета – неинерциальная система отсчета (изменяет скорость при развороте от Сириуса обратно), изменения состояния абсолютны, поэтому молодым будет брат-космонавт.

Сокращение длины и замедление времени движущегося объекта c точки зрения покоящегося наблюдателя l L, T t L>l , T

В покое изменяется только одна координата – время Если тело не изменяет своего положения, «движение» все равно происходит, но во времени время Время «течет» , Перемещения нет, покой координата Х=х0

При перемещении тела движение «распределяется» между пространственным и временным измерениями время Тело движется Время «течет» координата Перемещение происходит

• Если тело перемещается в пространстве, «часть» движения во времени сокращается. • Это можно интерпретировать как замедление времени • Если бы тело перемещалось в пространстве со скоростью света, его «движение во времени» вообще бы прекратилось. • Это происходит с фотонами в вакууме. Для них «время остановилось» , они не «стареют» .

Концепция мира событий классической картины мира Понятие события (что? где? когда? ) отражает равноправие пространственных и временных координат для описания движения любого объекта в данной неподвижной системе отсчета (СО). Существует единый четырехмерный пространственно- временной мир событий. В нем: • Скорость света является предельно возможной скоростью движения материальных объектов. • Изолированное неподвижное тело обладает энергией покоя E 0 =mc 2 • Понятия «одновременно» и в «одном месте» не являются одинаковыми для всех систем отсчета. Они зависят от скорости движения системы отсчета.

Понятия одновременности и одноместности событий • Процессы измерения расстояния и времени сопряжены. • Измерение расстояния между двумя движущимися объектами имеет смысл только в определенный момент времени. • Измерение промежутка времени между удаленными событиями требует измерения расстояния. Проблема синхронизации часов.

Проявление эффектов теории относительности Магнитное поле электрического тока – релятивистский эффект Электрический ток e- e- e- За счет скорости движения уменьшается расстояние между зарядами. Это ведет к эффективному увеличению силы их взаимодействия – появлению магнитной силы. Понятия электрического поля Е и магнитного поля В относительны, т. е. зависят от СО

Инварианты СТО S 2 = с2 t 2 – R 2 = inv Пространственно-временной интервал между событиями связывает между собой относительные интервалы времени и расстояния. Е 2 – р2 с2 = E 0 = inv Связывает между собой относительные значения энергии и импульса частиц. Е 2 – с2 В 2 = inv (для электромагнитных волн инвариант равен нулю) • Связывает между собой относительные значения вектора напряженности Е и индукции В. • Единой физической реальностью является электромагнитное поле, а не отдельно электрические или магнитные поля.

Значение теории относительности До СТО - две самостоятельные теории, противоречащие другу: • Механика - скорость объекта зависит от выбора СО • Электромагнетизм – скорость ЭМИ постоянна во всех СО СТО объединила обе теории на основе новых представлений о едином мире событий