Специальная теория относительности. В 1860-х годах Дж. Максвеллом была создана макроскопическая электродинамика, которая явилась революцией в области физических знаний и позволила обобщить

В 1860-х годах Дж. Максвеллом была создана макроскопическая электродинамика, которая явилась революцией в области физических знаний и позволила обобщить содержание принципа относительности Галилея на случай электродинамических явлений. Это означало, что все законы физики одинаковы во всех системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. Результаты многих экспериментов свидетельствовали о том, что скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. С позиций ньютоновской механики, скорости тела, совершающего два движения в одном и том же направлении, складываются, следовательно, любая скорость может быть превзойдена. Со скоростью света ситуация складывается существенно по-другому: независимо от того, испускает ли свет неподвижный или движущийся источник, скорость света в вакууме остается равной c=3·10⁸ м/c.

В 1904 году голландский ученый Х. Лоренц осуществляет преобразования, по отношению к которым уравнения классической электродинамики сохраняют свой вид. Согласно преобразованиям Лоренца, при переходе от системы отсчета К

к системе отсчета К^´ , движущейся относительно системы К с постоянной скоростью υ вдоль оси Х, преобразования координат и времени имеют следующий вид:

, y^´ =y, z´=z; t´=

Преобразования Лоренца играли важную роль для становления новых идей, выдвинутых позже Эйнштейном в виде двух постулатов:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2. Все законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Согласно СТО, инвариантом является интервал между двумя событиями и это –прямая противоположность тому, что утверждается в механике Ньютона, где постоянными считаются длины (r) и промежутки времени (t).

Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины – длина тела, промежуток времени, масса для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся:

l^´ l,

l^´- длина тела в движущейся системе со скоростью v по отношению к неподвижной системе.

l - длина тела в покоящейся системе.

Эйнштейн показал позднее, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса – наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, в которой этот процесс будет более быстрым:

t^´ =.

Релятивистское замедление является экспериментальным фактом. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами, или пионами. Собственное время жизни пионов – 10^-8с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше чем 300 см. Но приборы их регистрируют. Они проходят путь, равный 30км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности так объясняет этот факт: 10^-8с является естественным временем жизни мезона, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, т. е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни мезона намного больше, и за это время пионы в состоянии пройти земную атмосферу.

Т. о., относительными оказались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий. Иначе говоря, относительны не только всякое движение, но и пространство и время.

В заключении упомянем еще две знаменитые формулы СТО: формулу преобразования скоростей и закон взаимосвязи массы и энергии.

Если тело (частица) движется по осям Х и Х^´ , относящимся соответственносистемам К и К^´, то

,

где v – скорость движения систем К и К^´ относительно друг друга.

Допустим, что V=с и свет испускается в движущейся системе отсчета. Кажется, что относительно неподвижной системы отсчета свет будет двигаться со скоростью с + с = 2с.

Но формула преобразования скоростей дает совсем другой, не ньютонианский результат:

v ==.

Мы вновь получили независимость скоростей света от движения источника.

В случае, если величиной Vv^´ /c² можно пренебречь, налицо формула сложения скоростей из механики Ньютона.

В специальной теории относительности была получена также формула для энергии покоя частиц:

E=mc² .

Эта формула, очень простая по внешнему виду, свидетельствует об огромной энергетической емкости тел. Это обстоятельство имело важнейшее значение в деле развития ядерной энергетики.

Дата добавления: 2014-01-07