Следствия из постулатов специальной теории относительности

Постулаты специальной теории относительности

Инерциальные системы отсчета

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Движение тел можно определить только по отношению к другим телам. Для этого в физике вводится понятие системы отсчета.

Система отсчета – это тело, которое условно считается неподвижным и по отношению к которому рассматривается движение других тел, а также связанные с этим телом система координат и часы.

Важнейшим положением физики является принцип инерции, который еще называется первым законом Ньютона.

Принцип инерции. Существуют системы отсчета, относительно которых все тела, не взаимодействующие с другими телами, движутся равномерно и прямолинейно.

Системы отсчета, которые удовлетворяют принципу инерции, называются инерциальными.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879 – 1955) разработал новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО).

Основу специальной теории относительности составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности Эйнштейна. Все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой инерциальной системы отсчета, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальных систем отсчета. Иными словами, уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света.

Принцип постоянства скорости света Эйнштейн сформулировал на основе опыта Майкельсона. В 1881 г. американский физик Альберт Майкельсон произвел опыт, который с весьма высокой точностью измерил скорость света в различных направлениях относительно Земли. Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью.

Глубокий анализ постулатов специальной теории относительности показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона.

Из постулатов специальной теории относительности вытекает ряд следствий.

1. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе.

Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант.

2. Понятие одновременности имеет относительный смысл.

Представим себе поезд, который движется прямолинейно и равномерно. Пусть в середине одного из вагонов на равном расстоянии от дверей находится лампочка, а автоматические двери устроены так, что они открываются в тот момент, когда на них падает свет. Пусть в некоторый момент времени зажглась лампочка. Что увидят люди в поезде, и что увидят люди на платформе? Люди, сидящие в середине вагона увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью, то он дойдет одновременно до задней и передней двери, и обе двери откроются одновременно. Что же увидят люди на платформе? Задняя дверь идет навстречу лучу света. Переднюю дверь луч света должен догонять. Поэтому людям на платформе покажется, что двери в вагоне откроются не одновременно.

Пока мы имели дело со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы не могли обнаружить относительность понятия одновременности. И лишь изучая движения со скоростями, близкими к скорости света, мы вынуждены были пересмотреть понятие одновременности.

3. В разных инерциальных системах отсчета время протекает по-разному.

Пусть имеется очень длинная железная дорога, по которой движется поезд Эйнштейна. На огромном расстоянии друг от друга находятся две станции. На обеих станциях имеются часы. На первой станции в вагон садится путешественник и перед отходом поезда проверяет свои часы по станционным. По приезде на другую станцию он с удивлением замечает, что его часы отстали. В мастерской путешественника заверили, что его часы в полном порядке.

Чтобы разобраться в этом, представим, что пассажир направляет к потолку луч света из фонарика, поставленного на пол вагона. На потолке расположено зеркало, от которого луч света отражается обратно к лампочке фонарика. Путь луча, каким его видит пассажир в вагоне, таков:

Совсем иначе выглядит этот путь для наблюдателя, который находится на платформе. За то время, что луч света пройдет от лампочки до зеркала, само зеркало вследствие движения поезда переместится. Пока луч будет возвращаться, лампочка переместится на такое же расстояние.

Мы видим, что для наблюдателей на платформе свет прошел явно большее расстояние. С другой стороны, мы знаем, что скорость света есть абсолютная скорость, она одинакова и для едущих в поезде, и для тех, кто стоит на платформе. Это заставляет нас сделать вывод: на станции между отправлением и возвращением луча прошло больше времени, чем в поезде!

Отставание часов будет тем значительнее, чем больше скорость поезда.

Физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются относительно неподвижной системы.

Разумеется, это становится заметно только при скоростях, соизмеримых со скоростью света.

Отсюда следует так называемый «парадокс близнецов». Он заключается в том, что если один близнец остается на Земле, а другой улетает на ракете, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, то, возвратившись на Землю, он обнаруживает, что его брат-близнец стал намного старше его.

4. Длина стержня сокращается в направлении движения. В теории относительности оказывается, что бессмысленно говорить о длине стержня, не указав системы отсчета, относительно которой эта длина измеряется.

5. Масса тела увеличивается с увеличением его скорости. Зависимость массы от скорости была обнаружена в конце XIX в. в опытах с быстрыми электронами. Тогда же была предложена эмпирическая формула для этой зависимости:

,

где m₀ – масса покоя тела,

m – его масса при скорости движения V,

с – скорость света.

6. Масса и энергия связаны соотношением:

Е = mc².

Это соотношение подтверждено многочисленными экспериментами.

Дата добавления: 2015-05-10