Абсолюты теории относительности

В 60-х годах XIX века великий английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) разработал теорию электромагнитного поля. Математической интерпретацией этой теории является система дифференциальных уравнений (уравнения Максвелла), выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений. В своей теории Максвелл дал определение электромагнитного поля и предсказал существование в свободном пространстве электромагнитного излучения и его распространение со скоростью света, что позволило считать свет одним из видов электромагнитного излучения.

Максвелловская электродинамика опиралась на экспериментальные факты и представляла ту физическую картину мира, которая сложилась в физике в канун XX века. Однако и приводила к некоторым противоречиям.

В частности, преобразования Галилея не сохраняли инвариантность уравнений Максвелла.^*

В 1904 г. Лоренц (см. п. 9.2) вывел преобразования, по отношению к которым уравнения Максвелла сохраняют свой вид. Эйнштейн использовал их в известной работе «К электродинамике движущихся сред» (1905 г), в которой, по сути говорится о том, что сейчас называют специальной теорией относительности (СТО).

В основу СТО были положены два постулата, которые уже были приведены выше (п.п. 9.1, 9.2):

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных

* Инвариант – выражение, остающееся неизменным при определенном преобразовании переменных, связанных с этим выражением, например, при переходе от одной системы координат к другой. Инвариантность – неизменность какой–либо величины по отношению к некоторым преобразованиям.

системах отсчета.

2. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Верность этих постулатов была впоследствии подтверждена в экспериментах.

В соответствии с преобразованиями Лоренца и СТО получается, что в природе существует максимальное значение скорости, а величины, значения которых в преобразованиях Галилея считались неизменными, таковыми не являются. Рассмотрим такие величины.

В преобразованиях Галилея размеры (длина) тела не зависит от выбора инерциальной системы отсчета: l = l ¢. Но по (43):

или

l ^, (44)

Это означает, что длина предмета l ¢ в движущейся системе меньше, чем в неподвижной l.

Закон сложения скоростей в соответствии с преобразованиями Лоренца принимает вид:

(45)

В соответствии с преобразованиями Галилея интервалы времени между двумя событиями, происшедшими в оном и том же месте, одинаковы (Dt¢=Dt). Но по (43):

Dt=t₂ - t₁

или

Dt¢ =Dt (46)

Получается, что длительность события, происходящего в некоторой точке, наименьшая в той инерциальной системе отсчета, относительно которой эта точка неподвижна, т.е. темп времени в движущейся системе замедляется.

Конечно, заметить рассмотренные эффекты можно лишь при скоростях, близких к скорости распространения света в вакууме (V ® с).

Представим полет в систему звезды Бетельгейзе (a Ориона), находящуюся на расстоянии 650 световых лет от Солнца .*

По земным часам на полет звездолёта «туда» около световой скоростью, потребуется несколько более 650 лет, столько же - на обратный путь. Всего: Dt = 1300 лет.

Пусть скорость звездолета столь близка к скорости света, что = 0,01. Тогда, в соответствии (46):

Dt¢ - 1300 ·0,01 = 13 лет.

Следовательно, космонавты, вернувшиеся на Землю, над которой «прошелестело» 13 веков, постареют всего лишь на 13 лет.

Следует отметить, что релятивистский эффект замедления времени совершенно реален и получил экспериментальное подтверждение в опытах с элементарными частицами p-мезонами.

Масса тела, которая в классической физике считается постоянной, в СТО выражается следующим образом:

* Световой год – расстояние, проходимое светом в вакууме за год, равное примерно 9,5×10¹² км.

(47)

где m ₀ – масса покоя, т.е. масса тела в системе отсчета относительно которой тело покоится; m - масса тела в системе, относительно которой тело движется со скоростью V.

Следовательно, масса движущего тела больше массы неподвижного.

Но это может стать заметным, опять же, лишь при скоростях движения, близких к скорости света. Например, при движении элементарных частиц в ускорителях.

Таким образом, значения величин, которые в классической физике (физике Галилея и Ньютона) считались не зависящими от выбора инерциальной системы, в СТО оказываются зависящими, а значение скорости света в вакууме является пределом скорости движения материальных объектов и не зависит от выбора системы отсчета.

Дата добавления: 2014-12-27