Основные идеи, понятия и принципы специальной теории относительности

 

 

На тему: Основные идеи, понятия и принципы специальной теории относительности

 

 

 

 

Содержание

 

Ведение                                                                                                             3

Переход от электромагнитной теории Максвелла к специальной

 теории относительности Эйнштейна                                                            4

Принцип относительности  А. Эйнштейна                                                    9

Заключение                                                                                                    15

Список используемой литературы                                                               16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как  реальной

среде, являющейся носителем определенных сил. Но с возникновением  волновой  теории  света  формировалась  совершенно  новая парадигма физического исследования  —  полевая  концепция  в  физике.  Здесь особая заслуга принадлежит великому английскому физику М. Фарадею.  Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный  авторитет  и  славу.  Однако  к  его  теоретическим взглядам современники  в  лучшем  случае  оставались  безразличными. 

Первым обратил  на  них  серьезное  внимание  Дж.К.Максвелл. Работы  Максвелла привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнитного  поля, которое  не  совместимо  с  материальными  точками  и  вещественной   массой классической  физики.  Вместо  принципа дальнодействия она выдвинула  и  обосновала  прямо  противоположный  принцип близкодействия, согласно которому силовое действие  передается  от  точки  к точке.

С конца XIX - начала XX века ученые приступили к изучению качественно новых объектов в сравнении с классической физикой,  и  на  этой  основе  был получен целый ряд принципиально новых результатов,  позволивших  дать  новое истолкование некоторым базисным  понятиям.       Первое и  самое мощное  влияние  на  перестройку научной картины мира оказала теория  относительности  выдающегося  физика-теоретика  XX  столетия Альберта Эйнштейна (1879-1955).

 

 

 

 

 

 

Переход от электромагнитной теории Максвелла к специальной теории относительности Эйнштейна

 

В теории  относительности Эйнштейна большую роль  играет принцип относительности движения в формулировке Ньютона. Впервые этот принцип ввел Галилей, с учетом идей Декарта  Ньютон  уточнил  и  расширил  формулировку  Галилея.  В частности, в качестве систем отсчета он брал не тела,  а  декартову  систему координат. [8]

Принцип относительности  Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки  зрения механики совершенно равноправны  (эквивалентны). Переход от одной  ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея (см. рис.1).

Рисунок 1

 

Пусть имеется ИСО XYZ, относительно ее вдоль оси движется равномерно со скоростью V₀ система X’Y’Z’. Пусть в момент t = 0 начала координат О и О’ совпадают. Тогда координаты т. М в этих двух системах в некоторый момент времени t будут связаны соотношениями:

Время везде  течет одинаково, т.е. t = t', масса тел  остается неизменной, т.е. m =  m'.  Для  скоростей: 

Если время  и скорости одинаковы и V₀  - величина поcтоянная (из условия), то a_x = a'_x, и, следовательно, силы в обеих системах одинаковы (ma_x = ma_x), значит, что все механические явления в ИСО протекают одинаково. Принцип относительности движения означает, что во  всех  инерциальных системах  отсчета  механические  процессы  инвариантны.  Иначе  говоря,  два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что  в  их системах физические процессы протекают одинаково. Это  означает  также,  что переход от одной инерциальной системы отсчета  к  другой  осуществляется  по правилам галилеевых преобразований, рассмотренных  выше.  И  наоборот,  если при  переходе  от  одной  системы отсчета к другой   правила  галилеевых преобразований не выполняются, то  и  принцип  относительности  движения  не выполняется, поэтому такие системы отсчета  не  будут  инерциальными.  Таким смыслом наполнен принцип относительности движения в классической механике. [5]

Физики-теоретики  того времени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и логически  упорядочить электродинамику Максвелла.  В  итоге  таких  усилий  возникли  новые  теории специальная и общая теория относительности Эйнштейна.

Теории электромагнитного  поля Максвелла были присущи два  недостатка:

1.Она  не  совмещалась  с   принципом   относительности   движения классической  физики,  поскольку  ее  уравнения  оказались   неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это был существенный  изъян,  поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая  теория  не опровергает его.

2.Полевая картина  физической  реальности   Максвелла  оказалась теоретически  неполной  и  логически  противоречивой,  так   как   трактовка электрического поля и электрически заряженных  частиц  (носителей  поля)  не была увязана  концептуально.  Эйнштейн  отмечал:  теория  Максвелла  хотя  и правильно описывает поведение электрически заряженных  частиц,  но  не  дает теории этих частиц. Следовательно, они должны  рассматриваться  на  основе классической механики как материальные точки, расположенные  в  пространстве дискретно, что противоречит понятию поля.  Последовательная  полевая  теория требует непрерывности всех элементов теории. [5]

Объектом изучения в классической механике были или  материальные  точки,  или точки  пространства,   или   моменты   времени.   Он   отвергает   все   эти разделительные «или».Объектом теории относительности выступают  «физические  события»  как целостные  объекты,  в  которых  объединены   понятия   материи,   движения, пространства, времени. Физической реальностью,  отмечал Эйнштейн,  обладают не  точки  пространства  и  не  моменты  времени,  а  только  сами  события, определенные четырьмя числами х, у, z, t. «Законы  природы  примут  наиболее удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как  законы  в четырехмерном пространственно-временном континууме» [9].

Остановимся  теперь  на  рассмотрении  первого   недостатка.   Анализ показал,  что  уравнения  Максвелла  неинвариантны  относительно  галилеевых преобразований. Это значит, что при переходе от одной инерциальной  системы отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это  равносильно  тому, что  в  разных  системах  отсчета  один  и   тот   же   физический   процесс осуществлялся по разным законам, что  противоречит  науке.  Как  же  уберечь теорию Максвелла от этого недостатка?

В  1890  году  Г.  Герц  искусственно  подобрал  систему   уравнений, инвариантных  относительно  галилеевых  преобразований,  которые  в  частном случае покоящегося тела обращаются в уравнения Максвелла.  Однако  уравнения Герца противоречили опытно установленному постоянству  скорости  света  (300 000 км/с).

Еще  один   вариант   переработки   уравнений   Максвола   предпринял голландский  физик-теоретик  Г.Лоренц,  но   и   его   уравнения  оказались неинвариантными относительно галилеевых преобразований.

И тогда поскольку  не  удалось  переформулировать уравнения  Максвелла  так,  чтобы  они  стали   инвариантными   относительно галилеевых преобразований, то Лоренц предпринял  обратный  ход:  решил  сами правила галилеевых преобразований  видоизменить. Он  предложил преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, носящие его имя и являющиеся основой специальной (частной) теории относительности:

где v - скорость объекта. При v << с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, но если скорость v сопоставима со скоростью света с, то:

а) события, которые происходят  одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой; причем физические процессы в теел, движущимся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы, протекают в раз медленнее, чем в данной инерциальной системе отсчета; также происходит сокращение продольных — в направлении движения размеров тел ( во столькоже раз);

б) при переходе из одной  системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v, длинны сокращаются ( в направлении движения в  раз и в такоеже число раз « растягиваются» промежутки времени.

Позднее А. Эйнштейн показал, что в преобразованиях Лоренца  отражаются не реальные изменения размеров тел при движении, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время.

Таким образом, Лоренц искусственно получил новые правила перехода  от  одной инерциальной системы к другой.  При этом  уравнения Максвелла  оказываются  инвариантными в любых  инерциальных  системах  отсчета.  Поскольку эти правила получены искусственно,  то  сам  Лоренц  отказывался придавать им физический смысл.  Над  ним  довлели  представления классической физики о неизменности пространства и времени. [1]

Иначе  подошел  к  этому  вопросу  А.  Эйнштейн.  За  фактом  хорошей согласованности лоренцевых преобразований  с  теорией  Максвелла  он  угадал реальный физический смысл самих  преобразований.  Для  этого  он  предпринял попытку дедуктивного построения теории, которая бы наполнила  преобразования Лоренца  физическим  смыслом.  Иначе  говоря,  он  задался целью   углубить понимание  принципа  относительности  путем  его  развертывания   в   теорию относительности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Принцип относительности А. Эйнштейна

В 1905 г. Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника. Принцип относительности Эйнштейна является расширением принципа относительности Г. Галилея на любые физические явления (механические, оптические, тепловые и др.), которые, согласно этому принципу, протекают одинаково (при одинаковых условиях) во всех инерциальных системах отсчета. Любая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной системы отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, также является инерциальной системой отсчета.

При этом все  инерциальные системы отсчета равноправны, т.е. во всех таких системах законы физики одинаковы. Заметим, что французский  ученый А. Пуанкаре в 1905 г. (опубликовано в 1906 г.) независимо от Эйнштейна также развил математические следствия «постулата относительности». Эйнштейн так иллюстрировал замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной. Пусть мимо железнодорожной платформы движется поезд со скоростью, близкой к скорости света (рис. 2).

Рисунок 2

 

В точке А₁ на платформе находится наблюдатель N₁. На полу вагона в точке А размещен фонарик. Когда происходит совмещение точки А в вагоне с точкой А₁ на платформе, фонарик включается и появляется луч света. Так как скорость его конечная, хотя и большая, то луч достигнет потолка вагона, где расположено зеркало, и отразится за определенное время, за которое поезд уйдет вперед. Для наблюдателя в вагоне луч света пройдет путь 2АВ, а для наблюдателя на платформе -2АС. Ясно, что чем больше скорость поезда, тем длиннее линия АС. Очевидно, что 2АС > 2AB. Это как раз и говорит о замедлении течения времени внутри движущейся системы по отношению к неподвижной. Необходимо подчеркнуть, что отрезки длин и промежутки времени изменяются в отношении определенных пространственных координат. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как при отлете.

В механике Ньютона  «истинный, или стандартный, процесс  течения абсолютного времени не подвержен никаким изменениям» и не зависит « от того, быстры движения или медленны или их нет вообще». Считалось, что такие понятия, как «момент времени», «раньше», «позже», «одновременность», имеют сами по себе смысл, правомерный для всей Вселенной, и два каких-нибудь события, одновременные для одной системы, одновременны и во всех других системах. С точки зрения же теории относительности Эйнштейна нет такого понятия, как абсолютная одновременность, как нет абсолютного времени. Вместо нее выходит на сцену относительная одновременность событий, существующая лишь для какого-то конкретного, определенным образом движущегося наблюдателя.

Время в теории относительности необратимо. Отсюда следует широко известный парадокс близнецов: после путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он увидит, что его брат стал старше его. Приведем еще один парадокс. Представим, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Согласно теории относительности, по часам корабля этот полет продолжался бы один год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын повстречается с 26-летним отцом. Следует заметить, что физиологические процессы здесь абсолютно ни при чем. Нельзя сказать, что за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Дело в том, что в соответствии с теорией относительности не существует абсолютного времени и пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, а в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.