Teoria relativității

1. Originea teoriei relativității

În mecanica clasică, se consideră că lungimea și timpul sunt valori absolute, iar viteza și deplasarea sunt relative. Principiul relativității mecanice (principiul Galileo) a constă în faptul că toate fenomenele mecanice apar în mod egal în orice sistem de referință inerțial (legile mecanice formă de înregistrare nu este schimbat în timpul tranziției de la una la alta ISO). În cadrul de referință inerțial, este imposibil să distingem restul de mișcarea uniformă rectilinie. Pentru orice fenomen mecanic, toate cadrele inerțiale de referință se dovedesc a fi egale. Galileo nu sa gândit la alte fenomene; în acele zile mecanica a fost, în esență, toată fizica. Până la mijlocul secolului XIX. a crezut că toate fenomenele fizice pot fi explicate pe baza mecanicii lui Newton.







La mijlocul secolului al XIX-lea. Teoria fenomenelor electromagnetice (teoria lui Maxwell) a fost creată. Sa dovedit că ecuațiile lui Maxwell își schimbă aspectul sub transformările galileene ale tranziției de la un ISO la altul. A apărut întrebarea cu privire la modul în care mișcarea uniformă rectilinie afectează toate fenomenele fizice. Oamenii de știință s-au confruntat cu problema reconcilierii teoriilor electromagnetismului și mecanicii.

Sarcina a fost dificilă, pentru că legile mecanicii clasice au fost perfect confirmate într-un vast câmp de fenomene (de la statica la mecanica cerească), au servit remarcabil practica, iar schimbarea ei părea absurdă. Prin urmare, mulți oameni de știință au încercat să construiască o teorie a electrodinamicii, astfel încât să corespundă mecanicii clasice.

Conform teoriei lui Maxwell, lumina călătorește cu o viteză de 300.000 km / s. Întrebarea este: de ce lumina se mișcă la această viteză? (Dacă aeronava zboară prin direcția vântului, viteza este de 100 km / h și viteza aerului propriu de 500 km / h aeronava zboară în raport cu pământul cu 600 km viteză / h).

În raport cu ceea ce lumina se mișcă cu viteza c. Răspunsul la această întrebare nu este conținut nici în teoria lui Maxwell, nici în teoria lui Jung. Dacă lumina este o undă și dacă undele se propagă în mediu, atunci lumina se mișcă cu o viteză c în raport cu mediul. Acest mediu luminifer este numit eter. Dezbaterea asupra eterului luminos până la sfârșitul secolului al XIX-lea. au atins claritate deosebită. Interesul pentru eter a crescut atunci când a devenit clar că teoria creată de Maxwell a avut succes și pare să indice că eterul poate fi observat.

În 1905, A.Einstein, respingând ipoteza eterului, a propus o teorie specială (privată) a relativității. pe baza căruia este posibilă combinarea mecanicii și a electrodinamicii. În 1905 a publicat lucrarea "Despre electrodinamica corpurilor în mișcare". În el, Einstein a formulat două principii (postulate) ale teoriei relativității.

Postulez. toate legile naturii au aceeași formă în toate formele de referință inerțiale.

II postulate. Viteza luminii în vid este aceeași în toate cadrele inerțiale de referință. Nu depinde nici de viteza sursei, nici de viteza receptorului semnalului luminos.

Pentru a formula aceste postulate, de atunci a fost nevoie de un mare curaj științific ele au contrazis în mod evident conceptele clasice de spațiu și timp.

Deci, fizica modernă este împărțită în:
  • mecanica clasică, care studiază mișcarea corpurilor macroscopice cu viteze reduse (v<
  • mecanica relativistă, care studiază mișcarea corpurilor macroscopice cu viteze mari (v
  • mecanica cuantică, care studiază mișcarea corpurilor microscopice cu viteze reduse (v <
  • relativist fizica cuantică, care studiază mișcarea corpurilor microscopice cu viteze arbitrare (v e c).

CONSEQUENȚELE DIN POSTULATELE STR

1. Relativitatea simultană a evenimentelor

Se presupune că evenimentele de la punctele A și B au apărut simultan dacă semnalele luminoase emise de ele vin simultan la punctul C situat în mijlocul dintre punctele A și B.







Să presupunem că la punctul C există o fotocelulă în repaus cu privire la A și B, conectate la osciloscop. Atunci când lămpile sunt aprinse, semnalele luminoase către fotocelule apar simultan după o anumită perioadă de timp, iar pe ecranul osciloscopului se observă o stropire.

Să se muta fotocelula osciloscop uniform cu viteza v la stânga, apoi unda de lumina de bec drept ar trebui să meargă la o distanță mai mare de fotocelulei (l + s), decât valul de la stânga lampă (l - s), unde s = v Dt. Acest lucru va face ca undele de lumină de la lampa stângă să ajungă la celula fotografică înainte de cea dreaptă, iar două afișări vor apărea pe ecran. În consecință, evenimentele care sunt simultane într-un cadru de referință inerțial nu sunt simultane într-un alt cadru de referință, adică simultanitatea evenimentelor este relativă.

2. Relativitatea intervalelor de timp

Astăzi, la prânz, se lansează racheta.
Acesta zboară mult mai repede decât lumina
Iar obiectivul va ajunge exact la șapte dimineața.
ieri *.
S. Ya Marshak

Fie ca cadrul de referință inerțial K să fie în repaus, iar cadrul de referință K0 se deplasează relativ la sistemul K cu viteza v.

Permiteți intervalul de timp dintre două evenimente care au loc în același punct al sistemului inerțial K0. este egal cu t0.

Apoi intervalul de timp dintre aceleași evenimente în sistemul K va fi exprimat prin formula:

Acesta este efectul încetinirii timpului în mișcarea cadrelor de referință. Dacă v <

Încetinirea timpului permite, în principiu, realizarea unei "călătorii cu viitorul". Permiteți navei spațiale, care se deplasează cu viteza v relativă la Pământ, să zboare de la Pământ la steaua și spate. În timpul timpului t 0 lumină călătorește de la Pământ la stea:

Durata zborului în funcție de orele observatorului este următoarea:

Deci, oamenii de pe Pământ vor deveni bătrâni când se vor întoarce cosmonauturile. De orele stabilite pe nava spatiala, zborul va lua mai putin timp:

Conform principiului relativității, toate procesele unei nave spațiale, inclusiv îmbătrânirea astronauți, au loc în același mod ca și pe Pământ, dar nu pe pământ limitele și limitele stabilite de navă. În consecință, în momentul revenirii pe Pământ, astronauții vor îmbătrâni doar pentru un timp t 0.

Dacă, de exemplu, t0 = 500 ani și v2 / c2 = 0.9999, atunci formulele dau t = 1000.1 ani, t 0 = 14.1 ani.

Astronauții se vor întoarce pe Pământ pe pământ după 10 secole după zbor și vor îmbătrâni doar cu 14,1 ani.

3. Relativitatea distanțelor

Distanța nu este o valoare absolută, ci depinde de viteza de mișcare a corpului față de un cadru de referință dat. Să luăm în considerare două cadre de referință.

Denumim cu 10 lungimea tijei în cadrul de referință K0. în raport cu care tija este în repaus. Apoi, lungimea l a acestei tije, măsurată în cadrul de referință K. în raport cu care tija se mișcă cu viteza v. este definit de formula:

Lungimea barei depinde de cadrul de referință în care este măsurată. Aceeași tija are diferite lungimi în diferite cadre de referință. Tija are o lungime maximă 10 în cadrul de referință în care este în repaus. În sistemele care se deplasează în raport cu tija, are o lungime mai mică, cu atât viteza de mișcare este mai mare. Dacă luăm în considerare un corp în mișcare, dimensiunile sale longitudinale sunt reduse numai.

4. Adăugarea vitezelor în SRT

Legea clasică de adăugare a vitezelor nu poate fi adevărată, deoarece contrazice afirmația despre constanța vitezei luminii într-un vid. Dacă trenul se deplasează la o viteză v și o undă luminoasă se propagă în tren în direcția trenului, viteza sa este oricum relativă la Pământ. și nu v + c.

Să luăm în considerare două cadre de referință.

În sistemul K0, corpul se mișcă cu viteza v1. În ceea ce privește sistemul K, acesta se mișcă cu viteza v2. Conform legii de adunare a vitezelor în SRT:

Dacă v <

Pentru v1 = c, viteza v2 este c. așa cum este cerut de al doilea postulat al teoriei relativității:

O proprietate remarcabilă a legii de adunare este aceea că, pentru orice viteză v1 și v (nu mai mult de c), viteza rezultantă v2 nu depășește c. Viteza de mișcare a corpurilor reale este mai mare decât viteza luminii, este imposibilă. Să presupunem că două corpuri se deplasează unul cu celălalt la viteze de 200.000 km / s, după care, conform formulei clasice de adăugare a vitezelor, ajungem:

v2 = 200,000 km / c + 200 000 km / c = 400,000 km / s, iar viteza legii plus în v2 SRT = 277,000 km / s.

5. Legea lui Newton în formă relativistă

În mecanica clasică, legea fundamentală a dinamicii este cea de-a doua lege a lui Newton:

Această lege poate fi scrisă și într-o altă formă printr-o schimbare a momentului:

unde p = m × v este impulsul corpului.

Legea fundamentală a mecanicii relativiste este scrisă în aceeași formă:

dar acum este un impuls relativist.

6. Relația dintre energie și masă

A. Einstein a stabilit formula de bază care corelează energia, impulsul și masa unui corp în mișcare. E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4.

Această formulă include energia și impulsul relativist:

Din formula de bază urmează relația dintre masa corporală și energia de odihnă E0:

Această formulă poate fi scrisă și în direcția opusă:

Această formulă ne permite să traducem schimbările în energia corpurilor interacționate în timpul încălzirii, reacțiilor chimice sau transformărilor radioactive într-o schimbare echivalentă a masei corpurilor. Deoarece coeficientul 1 / c 2 este foarte mic, schimbările vizibile în masă sunt posibile doar cu modificări foarte mari ale energiei. În reacțiile chimice sau în încălzirea corpurilor în condiții normale, schimbările de energie sunt mici și, prin urmare, nu se poate detecta o modificare a masei.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: