Posebna teorija relativnosti. Einsteinova posebna i opća relativnost

Nakon što su matematičari stvorili pravila u prostoru pojmova i brojeva, znanstvenici su bili sigurni da sve što trebaju učiniti je eksperimentirati i objasniti strukturu svih stvari uz pomoć logičkih konstrukcija. U razumnim granicama, zakoni matematike rade. No eksperimenti koji nadilaze dnevne koncepte i koncepte zahtijevaju nova načela i zakone.

ideja

Sredinom 19. stoljeća, praktična ideja univerzalnog emitiranja proširila se na većinu znanstvenika i istraživača. Tajanstveni eter postao je najčešći model koji objašnjava fizičke procese koji su tada bili poznati. Međutim, matematičkom opisu hipoteze o eteru, postupno su se dodavale brojne neobjašnjive činjenice, koje su objašnjene raznim dodatnim uvjetima i pretpostavkama. Postupno, skladna teorija o eteru obraslom "štakama", postali su previše. Nove ideje su bile potrebne da se objasni struktura našeg svijeta. Postulati posebne teorije relativnosti ispunili su sve zahtjeve - bili su kratki, dosljedni i potpuno potvrđeni eksperimentima.

Michelsonov eksperiment

Posljednja slamka koja je prekinula hipotezu o eteru bila je istraživanje na polju elektrodinamike i Maxwellovih jednadžbi koje ih objašnjavaju. Donoseći rezultate eksperimenata matematičkom rješenju, Maxwell je koristio teoriju etera.

U svom eksperimentu, istraživači su prisilili dvije grede, idući u različitim smjerovima, da sinhrono zrače. Pod uvjetom da se svjetlo kreće u "eteru", jedan snop svjetlosti trebao bi se kretati sporije od drugog. Usprkos brojnim ponavljanjima iskustva, rezultat je bio isti - svjetlo se kretalo konstantnom brzinom.

Inače je bilo nemoguće objasniti činjenicu da je, prema kalkulacijama, brzina svjetlosti u hipotetskom eteru bila uvijek ista, bez obzira na brzinu kojom se promatrač kretao. Ali kako bi objasnili rezultate istraživanja, bilo je potrebno da referentni okvir bude "idealan". To je u suprotnosti s Galileovim postulatom o invarijantnosti svih inercijalnih referentnih sustava.

Nova teorija

Početkom dvadesetog stoljeća cijela je galaksija znanstvenika počela razvijati teoriju koja bi pomirila rezultate istraživanja elektromagnetskih oscilacija s načelima klasične mehanike.

Pri razvoju nove teorije uzeto je u obzir da:

- kretanje u blizini brzina svjetlosti mijenja formulu Newtonovog drugog zakona, koji povezuje ubrzanje sa silom i masom;

- jednadžba za impuls tijela moraju imati drugačiju, složeniju formulu;

- brzina svjetlosti ostao konstantan, bez obzira na odabrani referentni sustav.

Napori A. Poincaréa, G. Lorenza i A. Einsteina doveli su do stvaranja posebne teorije relativnosti koja se složila oko svih nedostataka i objasnila postojeća opažanja.

Osnovni pojmovi

Osnova posebne teorije relativnosti leži u definicijama s kojima ova teorija djeluje.

1. Referentni sustav je materijalno tijelo, koje se može uzeti kao početak referentnog sustava i vremenske koordinate tijekom kojih će promatrač pratiti kretanje objekata.

2. Inercijalni referentni sustav je onaj koji se kreće ravnomjerno i ravnomjerno.

3. Događaj. Posebna i opća teorija relativnosti promatrajte događaj kao prostorno lokalizirani fizički proces s ograničenim trajanjem. Koordinate objekta mogu se specificirati u trodimenzionalni prostor kao (x, y, z) i vremensko razdoblje t. Standardni primjer takvog procesa je bljesak svjetla.

Posebna teorija relativnosti razmatra inercijalne referentne sustave u kojima se prvi sustav kreće blizu druge s konstantnom brzinom. U ovom slučaju, traženje odnosa koordinata objekta u tim inercijalnim sustavima prioritet je SRT-a i uključeno je u njegove glavne zadatke. Posebna teorija relativnosti bila je u stanju riješiti ovo pitanje uz pomoć Lorentzovih formula.

STO postulati

U razvoju teorije, Einstein je odbacio sve brojne pretpostavke koje su bile nužne za podupiranje teorije etera. Jednostavnost i matematička provjerenost dva su kita na kojima je počivala njegova posebna teorija relativnosti. Ukratko, njegovi preduvjeti mogu se svesti na dva postulata koji su bili potrebni za stvaranje novih zakona:

1. Svi fizikalni zakoni u inercijskim sustavima izvršeni su na isti način.
2. Brzina svjetlosti u vakuumu je konstantna, ne ovisi o mjestu promatrača i njegovoj brzini.

Ovi postulati posebne teorije relativnosti učinili su teoriju o mitskom eteru beskorisnom. Umjesto ove supstancije, predložen je koncept četverodimenzionalnog prostora koji povezuje vrijeme i prostor. Kod određivanja položaja tijela u prostoru potrebno je uzeti u obzir četvrto koordinatno vrijeme. Ta ideja izgleda prilično umjetno, ali treba napomenuti da potvrda ove točke gledišta leži unutar brzina koje su razmjerne brzini svjetlosti, au svakodnevnom svijetu zakoni klasične fizike rade svoj posao savršeno. Galilejsko načelo relativnosti je ispunjen za sve inercijalne referentne okvire: ako je pravilo F = ma opaženo u CO k, tada će biti točno u drugom okviru referentnog k '. U klasičnoj fizici vrijeme je određena količina, a njena vrijednost je nepromjenjiva i ne ovisi o kretanju inercijalne FR.

Pretvorba u servis

Ukratko, koordinate točke i vremena mogu se označiti kao:

x '= x - vt i t' = t.

Ova formula daje klasičnu fiziku. Posebna teorija relativnosti nudi ovu formulu u složenijem obliku.

U ovoj jednadžbi, količine (x, x 'y, y' z, z 't, t') označavaju koordinate objekta i tijek vremena u promatranim referentnim sustavima, v je brzina objekta, a c je brzina svjetlosti u vakuumu.

Brzine objekata u ovom slučaju moraju odgovarati nestandardnom Galilejcu

formula v = s / t, i takva Lorentzova transformacija:

Kao što se može vidjeti, kod zanemarive tjelesne brzine te se jednadžbe degeneriraju kroz poznate jednadžbe klasične fizike. Ako preferiramo drugu ekstremu i postavimo brzinu objekta jednaku brzini svjetlosti, tada se u ovom ograničavajućem slučaju c još uvijek dobiva. Stoga, posebna teorija relativnosti zaključuje da se niti jedno tijelo u promatranom svijetu ne može kretati brzinom koja prelazi brzinu svjetlosti.

Posljedice SRT-a

Nakon daljnjeg razmatranja Lorentzovih transformacija, postaje jasno da se nestandardne stvari počinju događati sa standardnim objektima. Posljedice posebne teorije relativnosti je promjena duljine objekta i tijeka vremena. Ako će duljina segmenta u jednom referentnom okviru biti jednaka l, onda će zapažanja iz drugog OS-a dati sljedeću vrijednost:

Tako se ispostavlja da će promatrač iz drugog referentnog sustava vidjeti segment kraći od prvog.

Zadivljujuća transformacija dotaknuta i takve veličine kao vrijeme. Jednadžba za koordinatu t će izgledati ovako:

Kao što možete vidjeti, vrijeme u drugom referentnom okviru teče sporije nego u prvom. Naravno, obje ove jednadžbe daju rezultate samo na brzinama usporedivim s brzinom svjetlosti.

Prva koja izvodi formulu vremenske dilatacije je Einstein. Također je ponudio rješenje tzv. "Dvostrukog paradoksa". Prema stanju tog zadatka, tu su braća blizanci, od kojih je jedan ostao na Zemlji, a drugi je odletio u svemir na raketi. Prema gore navedenoj formuli, braća će starenje na različite načine, jer je vrijeme za brata koji putuje sporije. Ovaj paradoks ima rješenje ako se uzme u obzir da je brat-homebody uvijek bio u inercijalnom referentnom okviru, dok je twin-fidget putovao u ne-inercijalnom CO, koji se kretao s ubrzanjem.

Promjena težine

Druga posljedica SRT-a je promjena mase promatranog objekta u različitim CO. Budući da su svi fizikalni zakoni podjednako vrijedni u svim inercijalnim referentnim sustavima, moraju se poštivati ​​temeljni zakoni očuvanja - moment, energija i kutni moment. Ali budući da je brzina za promatrača u stacionarnom CO veća od brzine u pokretnoj, tada, prema zakonu očuvanja momenta, masa objekta mora se mijenjati za vrijednost: U prvom referentnom sustavu objekt mora imati veću tjelesnu masu nego u drugoj.

Uzimajući brzinu tijela jednaku brzini svjetlosti, dobivamo neočekivani zaključak - masa objekta doseže beskonačnu vrijednost. Naravno, svako materijalno tijelo u vidljivom svemiru ima svoju konačnu masu. Jednadžba samo kaže da se niti jedan fizički objekt ne može kretati brzinom svjetlosti.

Omjer mase i energije

Kada je brzina objekta mnogo niža od brzine svjetlosti, jednadžba za masu može se svesti na oblik:

Izraz m ₀ c je izvjesno svojstvo objekta koji ovisi samo o njegovoj masi. Ta se vrijednost naziva ostatak energije. Zbroj energija odmora i kretanja može se napisati kao:

mc ² = m ₀ c + E _kin .

Iz toga slijedi da se ukupna energija objekta može izraziti formulom:

E = mc ² .

Jednostavnost i elegancija formule energije tijela dali su potpunost,

gdje je E ukupna energija tijela.

Jednostavnost i elegancija poznate Einsteinove formule dala je potpunost posebnoj teoriji relativnosti, čineći je interno dosljednom i ne zahtijevajući mnoge pretpostavke. Stoga su istraživači objasnili mnoga proturječja i dali poticaj proučavanju novih fenomena prirode.