КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Специальная теория относительности
Лекция 4
Естественнонаучные причины создания специальной теории относительности. Согласно электромагнитной теории Дж. Максвелла скорость передачи электромагнитного взаимодействия (скорость света) не зависит от скорости источника и приёмника света, а также одинакова для всех длин волн в вакууме. Это накладывает определённые требования к свойствам эфира – среды, в которой распространяются электромагнитные волны. В частности, почему скорость света одинакова для всех длин волн именно в вакууме? Кроме того, величина скорости света входит в уравнения Максвелла и по этой причине они изменяют свой вид (оказываются неинвариантными) при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Значит ли это, что для уравнений Максвелла несправедлив принцип относительности? Поиск ответов на эти вопросы привёл, в конечном счёте, к созданию специальной теории относительности. Принцип относительности (суть формулировки Г. Галилея) – если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы в любой другой системе координат, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Другой вариант формулировки этого принципа – в любых инерциальных системах отсчёта физические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях. Для установления справедливости принципа относительности необходимо выяснить основные свойства эфира, как среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Эфир в принципе может быть или совершенно неподвижным (и тогда при движении тел в пространстве они должны ощущать «эфирный ветер», например, как бегущий в воздухе человек), или полностью увлекаться телами при их движении (как воздух в каюте движущегося корабля). Хотя последний вариант противоречит давно известному экспериментальному факту изменения видимого с Земли положения звёзд на небосводе (это вызвано вращением Земли вокруг Солнца).
В результате исследований, проведенных в 1851 г. французским учёным Арманом Физо (1819–1896), получалось, что свет изменяет свою скорость при распространении через движущуюся среду в зависимости от её оптической плотности. Это означало, что эфир частично увлекается движущимися телами. Позднее историческим экспериментом американских исследователей Алберта Майкельсона (1852–1931) и Эдварда Морли (1839–1923) в 1887 г. был дан окончательный ответ на вопрос о том, как ведёт себя эфир при взаимодействии с подвижными телами. В результате тщательных многократных экспериментов им не удалось обнаружить никакого намёка на «эфирный ветер». Это означало, что эфир не является некоей совершенно неподвижной субстанцией (для физики неподвижность эфира позволяла отождествить его с абсолютной инерциальной системой отсчёта, относительно которой все остальные движутся с какой-то скоростью) и не может даже частично увлекаться движущимися телами. В результате оформилась научная проблема, заключающаяся в невозможности объединить в одну систему 3 утверждения: 1) скорость света не зависит от скорости источника и приёмника; 2) справедливость принципа относительности; 3) справедливость классических преобразований координат и скоростей (по Г. Галилею). В целях выхода из этой ситуации предлагалась гипотеза: «Преобразования Галилея являются частным случаем других, более общих, преобразований координат и скоростей при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую». В 1887 г. (В. Фогт) было показано, что действительно существуют такие преобразования координат и скоростей, при которых уравнения Максвелла могут быть инвариантными в случае перехода из одной инерциальной системы отсчёта в другую.
Позже (в 1892 г.) Хендрик Лоренц (1853–1928) показал, что применение преобразований координат и скоростей, отличных от классических преобразований Г. Галилея, приводит к уменьшению длины движущегося тела. Этот эффект получил название «лоренцево сокращение длины тел». В работах этого учёного, а также Анри Пуанкаре (1854–1912) были фактически сформулированы основные тезисы будущей специальной теории относительности. В частности, в 1898 г. А. Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света и указал на условный характер одновременности двух событий: «Не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, … не имеет смысла и можно применять его только условно.» Основные положения специальной теории относительности. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955) публикует статью, в которой с иных позиций решает проблему распространения в пространстве электромагнитных волн. Во многом благодаря математической простоте и физической наглядности объяснений (в отличие от работ Х. Лоренца и А. Пуанкаре), эта работа стала фактическим оформлением новой теории. Постулаты, на которых базируется специальная теория относительности: 1) Скорость света постоянна, не зависит от скорости источника и/или приёмника. 2) Принцип относительности справедлив. 3) При переходе между инерциальными системами отсчёта необходимо пользоваться преобразованиями Лоренца. Основные выводы из специальной теории относительности. Из большого количества новых важных результатов, к которым приводит специальная теория относительности, следует выделить несколько, поскольку они значительно изменяли сложившиеся представления. - Время не абсолютно. В разных системах отсчета оно течет по-разному. Время течет медленнее в системе отсчета, которая движется с более высокой скоростью. - Скорость света превзойти нельзя. - С ростом скорости движения масса тела возрастает. Это объясняет, почему тело не может двигаться со скоростью больше скорости света. - Масса и энергия взаимосвязаны (E=mc 2). Существует единая субстанция – масса-энергия и один закон сохранения. - Законы Ньютона (и, как следствие, классическая механика) являются частным случаем более общих законов при малых, в сравнении со скоростью света, скоростями движения тел.
Научно-мировоззренческое значение специальной теории относительности заключается в следующем: соответствует базовым принципам механицизма; формулирует более общие физические законы (для любых скоростей); объединяет массу и энергию в единую субстанцию, что способствовало дальнейшему построению единой физической картины мира; изменяет классическое представление об абсолютности времени; не использует концепцию эфира, как абсолютной инерциальной системы отсчёта (все инерциальные системы отсчёта равноправны); устанавливает невозможность превысить скорость света, что имеет важное философское значение.
Дата добавления: 2014-12-07; Просмотров: 645; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |