Relativitatea intervalelor de timp

În consecință, ecuația de mișcare a mecanicii clasice (a doua lege a lui Newton) nu își schimbă forma când trece de la un sistem inerțial la altul.







Un rol excepțional în dezvoltarea ideilor despre spațiu și timp a fost jucat de teoria lui Maxwell. Până la începutul secolului al XX-lea, această teorie a devenit general acceptată. Undele electromagnetice prezise de teoria lui Maxwell și propagate cu viteză finită au găsit deja aplicații practice - în 1895 AS Popov a inventat radioul. Dar din teoria lui Maxwell rezultă că viteza de propagare a undelor electromagnetice în orice cadru de referință inerțial are aceeași valoare egală cu viteza luminii într-un vid. Aceasta înseamnă că ecuațiile care descriu propagarea undelor electromagnetice nu sunt invariabile în ceea ce privește transformările galileene. Dacă undele electromagnetice (în special lumina) se propagă în cadrul de referință K '(Figura 4.1.1) în direcția pozitivă a axei x'. atunci în sistemul K lumina trebuie, în conformitate cu cinematica galileană, să se propagă cu viteza c + # 965; nu c.

Deci, la începutul secolului al XIX-lea și al XX-lea, fizica se confrunta cu o criză profundă. Ieșirea a fost găsită de Einstein cu prețul renunțării la noțiunile clasice de spațiu și timp. Cel mai important pas în această direcție a fost revizuirea conceptului de timp absolut utilizat în fizica clasică. Reprezentările clasice, care păreau evidente și evidente, s-au dovedit a fi de neconceput. Multe dintre conceptele și valorile care sunt în fizica non-relativiste au fost considerate ca fiind absolut, adică. E. Nu depinde de sistemul de referință, în teoria relativității a lui Einstein traduse în categoria relativă.

Deoarece toate fenomenele fizice apar în spațiu și timp, noul concept de regularitate spațiu-timp nu a putut decât să afecteze toată fizica în cele din urmă.

Baza teoriei speciale a relativității se bazează pe două principii sau postulate formulate de Einstein în 1905.

  1. Principiul relativității. toate legile naturii sunt invariabile în ceea ce privește tranziția de la un cadru de referință inerțial la altul. Aceasta înseamnă că în toate sistemele inerțiale legile fizice (nu numai cele mecanice) au aceeași formă. Astfel, principiul relativității mecanicii clasice este generalizat la toate procesele naturii, inclusiv cele electromagnetice. Acest principiu generalizat se numește principiul relativității lui Einstein.
  2. Principiul constanței vitezei luminii. viteza luminii într-un vid nu depinde de viteza de mișcare a sursei de lumină sau de observator și este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii din SRT ocupă o poziție specială. Aceasta este viteza limitată de transmitere a interacțiunilor și a semnalelor de la un punct de spațiu la altul.

Aceste principii ar trebui considerate ca o generalizare a totalității faptelor experimentale. Consecințele teoriei, create pe baza acestor principii, au fost confirmate de testele nesfârșite ale experților. SRT a permis rezolvarea tuturor problemelor fizicii "pre-Einstein" și explicarea rezultatelor "contradictorii" ale experimentelor cunoscute la acel moment în domeniul electrodinamicii și al opticii. În perioada ulterioară, SRT a fost susținută de date experimentale obținute în studiul mișcării particulelor rapide în acceleratoare, procese atomice, reacții nucleare și așa mai departe.

Postulatele SRT sunt în contradicție clară cu noțiunile clasice. Luați în considerare acest experiment de gândire: la momentul t = 0 când axele de coordonate ale celor două K inerțial și K coincid“, în general, originea sa produs fulger scurt de lumină. În timpul t, sistemele se vor deplasa relativ una de cealaltă pe o distanță # 965; t. și frontul valurilor sferice în fiecare sistem va avea o rază ct (Figura 4.1.3), deoarece sistemele sunt egale, iar în fiecare dintre ele viteza luminii este c.

Figura 4.1.3. Controversa aparentă a postulatelor SRT

Din punctul de vedere al observatorului din sistemul K, centrul sferei este în punctul O. și din punctul de vedere al observatorului din sistemul K, el va fi la punctul O '. În consecință, centrul frontului sferic este simultan în două puncte diferite!

Motivul pentru neînțelegeri este nici o contradicție între cele două principii ale serviciului, și ipoteza că poziția marginilor undelor sferice pentru ambele sisteme se referă la același punct în timp. Această ipoteză este cuprinsă în formulele de transformare Galileo, conform cărora timpul în ambele sisteme curge în același mod: t = t '. În consecință, postulatele lui Einstein nu sunt în contradicție între ele, ci cu formulele pentru transformarea galileană. Prin urmare, înlocuirea transformările galileene propuse SRT altă formulă de transformare în tranziția de la un sistem la altul inerțial - Lorentz nazyvaemyepreobrazovaniya, astfel încât la viteze apropiate de viteza luminii, este posibil să se explice toate efectele relativiste și la viteză mică (# 965; <

Relativitatea intervalelor de timp

Pentru a măsura intervalul de timp dintre două evenimente (de exemplu, începutul și sfârșitul unui proces) care apar în același punct din spațiu în cadrul de referință selectat. este suficient să aveți un ceas de referință. Ceasul cel mai precis se bazează acum pe utilizarea oscilațiilor naturale ale moleculelor de amoniac (ceasuri moleculare) sau atomi de cesiu (ceasuri atomice). Măsurarea intervalului de timp se bazează pe conceptul de simultaneitate. durata oricărui proces este determinată prin compararea cu intervalul de timp care separă ceasul, care este simultan cu sfârșitul procesului. din aceleași ore, simultan cu începutul procesului. Dacă ambele evenimente apar în diferite puncte din cadrul de referință, atunci pentru a măsura intervalele de timp dintre ele în aceste puncte este necesar să aveți un ceas sincronizat.







Definiția Einstein a sincronizării ceasului se bazează pe independența vitezei luminii din vid în direcția propagării. Permiteți trimiterea unui puls scurt de lumină din punctul A la ora t1 în ceasul A (Figura 4.2.1). Fie timpul de sosire al impulsului în B și reflexia sa înapoi pe ceasul B. În cele din urmă, permiteți revenirii semnalului reflectat la A la momentul t2 de către ceasul A. Apoi, prin definiție, ceasul în A și B merge sincron, dacă t '= (t1 + t2) / 2.

Figura 4.2.1. Sincronizarea ceasului în stația de service

Existența unui singur timp global, nu în funcție de cadrul de referință, care este considerat ca un fapt evident în fizica clasică, presupunerea implicită este echivalentă cu posibilitatea sincronizării ceasului cu semnalul de înmulțire cu infinit de mare viteză.

Deci, în diferite puncte din cadrul de referință selectat, puteți aranja ceasul sincronizat. Acum putem defini conceptul de simultaneitate a evenimentelor care apar în punctele separate spațial: aceste evenimente sunt simultane dacă ceasul sincronizat arată același timp.

Considerăm acum cel de-al doilea sistem inerțial K '. care se mișcă cu o anumită viteză # 965; în direcția pozitivă a axei x a sistemului K. În diferite puncte ale acestui nou cadru de referință, puteți, de asemenea, să aranjați ceasul și să-l sincronizați între ele folosind procedura descrisă mai sus. Acum, intervalul de timp dintre două evenimente poate fi măsurat atât cu ceasul din sistemul K., cât și cu ceasul din sistemul K '. Aceste intervale vor fi aceleași? Răspunsul la această întrebare trebuie să fie în conformitate cu postulațiile SRT.

Fie ca ambele evenimente din sistemul K să apară în același punct, iar intervalul de timp dintre ele este egal cu # 964; 0 de către ceasul de sistem K '. Acest interval de timp se numește timpul potrivit. Care va fi intervalul dintre aceleasi evenimente daca este masurat prin ceasul sistemului K?

Pentru a răspunde la această întrebare, ia în considerare următorul experiment de gândire. La un capăt al unei tije solide de lungime l flashlamp B. situată la celălalt capăt - (. Figura 4.2.2) oglinda de reflexie M. Tija este aranjată în sistemul fix K „și este orientat paralel cu axa y“. Evenimentul 1 - blițul lămpii, evenimentul 2 - întoarce un puls de lumină scurt la lampă.

Figura 4.2.2. Relativitatea intervalelor de timp. Momentele de apariție a evenimentelor în sistemul K 'sunt fixate pentru același ceas C. și în sistemul K - pentru două ceasuri separate C1 și C2 sincronizate spațial. Sistemul K 'se mișcă cu viteză # 965; în direcția pozitivă a axei x a sistemului K

În sistemul K, ambele evenimente considerate apar în același punct. Intervalul de timp dintre ele (timpul corespunzător) este egal cu # 964; = 2 l / c. Din punctul de vedere al observatorului situat în sistemul K., pulsul luminos se deplasează între oglinzi într-un model zig-zag și trece calea 2L. egal

unde # 964; - intervalul de timp dintre trimiterea impulsului luminos și întoarcerea acestuia, măsurată pe ceasurile sincronizate C1 și C2. situată în diferite puncte ale sistemului K. Dar, conform celui de-al doilea postulat al STR, pulsul luminos sa deplasat în sistemul K cu aceeași viteză c. ca în sistemul K '. Prin urmare, # 964; = 2L / c.

Din aceste relații se poate găsi relația dintre # 964; și # 964; 0:

Astfel, intervalul de timp dintre două evenimente depinde de cadrul de referință, adică este relativ. Timpul propriu # 964; 0 este întotdeauna mai mică decât intervalul de timp dintre aceleași evenimente, măsurat în orice alt cadru de referință. Acest efect se numește întârziere relativistă. Încetinirea timpului este o consecință a invarianței vitezei luminii.

Efectul dilatării timpului este reciproc, în concordanță cu postulatul privind egalitatea sistemelor inerțiale K și K '. pentru orice observator din K sau K ', ceasul asociat cu sistemul care se deplasează în raport cu observatorul este mai lent. Această concluzie a SRT constată confirmarea directă experimentală. De exemplu, în studiul razelor cosmice în compoziția lor, Mesele sunt particule elementare cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa de electroni. Aceste particule sunt instabile, durata lor medie de viață este # 964; 0 = 2,2; 10-6 s. Dar în razele cosmice - mesele se mișcă cu o viteză apropiată de viteza luminii. Fără a ține seama de efectul relativ de întârziere, ei ar zbura în medie în atmosferă o cale egală cu c # 964; 0 ≈ 660 m. De fapt, după cum arată experiența, mezonii reușesc să zboare pe distanțe mult mai lungi, fără a se descompune în timpul vieții. Potrivit SRT, durata medie de viață a mezonilor de către ceasul observatorului este. deoarece # 946; = # 965; / c este aproape de unul. Prin urmare, calea de mijloc # 965; # 964; traversat de mezon în sistemul de referință terestră, este mult mai mare de 660 m.

Cu efectul relativist al dilatării timpului, așa-numitul "paradox gemeni" este conectat. Se presupune că unul dintre gemeni rămâne pe Pământ, iar cel de-al doilea este trimis într-o călătorie spațială lungă cu viteză subluminată. Din punctul de vedere al observatorului terestru, timpul din nava spațială curge mai încet, iar când astronautul se va întoarce pe Pământ, va fi mult mai tânăr decât fratele său geamăn care a rămas pe Pământ. Paradoxul este că o astfel de concluzie poate face și a doua dintre gemeni, mergând într-o călătorie spațială. Pentru el, timpul curge mai încet pe Pământ și se poate aștepta ca, după ce se va întoarce după o lungă călătorie pe Pământ, va afla că fratele său geaman, lăsat pe Pământ, este mult mai tânăr decât el.

Pentru a rezolva "paradoxul gemenilor", ar trebui să se țină seama de sistemele de referință inegale în care se află ambii frați gemeni. Primul dintre ele rămânând pe Pământ, tot timpul se află în cadrul de referință inerțial, în timp ce cadrul de referință asociat cu nava spațială este, în esență, neinerțial. Nava spatiala are o acceleratie in timpul accelerarii in timpul inceperii, cu o schimbare in directia miscarii in punctul distant al traiectoriei si in timpul frânarii inainte de a ateriza pe Pamant. Prin urmare, concluzia fratelui-astronaut este incorectă. SRT prezice că, revenind pe Pământ, va fi într-adevăr mai tânăr decât fratele său, care a rămas pe Pământ.

Efectele dilatării timpului sunt neglijabile dacă viteza navei spațiale este mult mai mică decât viteza luminii c. Cu toate acestea, a fost posibilă obținerea confirmării directe a acestui efect în experimente cu ceasuri macroscopice. Ceasul cel mai precis este atomic care lucrează pe un fascicul de atomi de cesiu. Acest ceas "bifați" 9192631770 de ori pe secundă. Fizicienii americani au comparat două astfel de ceasuri în 1971, dintre care unele au fost în zbor în jurul Pământului pe o linie convențională cu jet, în timp ce altele au rămas pe Pământ la Observatorul Naval al SUA. Conform previziunilor SRT, ceasurile care călătoresc pe căptușeli ar fi trebuit să se afle în spatele ceasului de pe Pământ la (184 ± 23) · 10-9 s. Deviația observată a fost (203 ± 10) · 10-9 s, adică în limitele erorilor de măsurare. După câțiva ani, experimentul a fost repetat și a dat un rezultat consistent cu STR cu o precizie de 1%.

În prezent, este deja necesar să se ia în considerare efectul relativist al încetinirii cursului de ore în timpul transportului ceasurilor atomice pe distanțe lungi.

Modelul. Relativitatea intervalelor de timp







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: