Принцип относительности А. Эйнштейна

     Когда пилот быстроходного самолета перестает  слышать рев собственных двигателей, он знает, что обогнал звук и мчится быстрее звуковых волн.

     Со  светом подобное невозможно (в 1881 г. американский физик Майкельсон доказал это  экспериментом). Как бы быстро ни мчалась  ракета, свет ее прожектора всегда бьет вперед с неизменной скоростью – 300000 км/сек. Изменить свою скорость относительно световых волн невозможно. Поэтому, воспользовавшись светом, невозможно отличить равномерное  прямолинейное движение ракеты от покоя, несмотря на то, что скорость света  не зависит от движения источника. Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия. 

       Эйнштейновское понятие одновременности

      В свете новых представлений меняются соотношения, связывающие две равномерно движущиеся системы отсчета. Будут ли, например, два события одновременными, если их наблюдать из различных систем отсчета?

   Рассмотрим  случай, изображенный на рис. 1. Точно  посредине, определенной с помощью  геометрии Евклида, между двумя  часами, расстояние между которыми равно  , стоит человек. В момент , зафиксированный левыми часами, эти часы испускают световой сигнал. Такое же событие происходит с правыми часами в момент по их показаниям. Если оба сигнала достигают человека одновременно, то он заключает, что время . Этот вывод делается из предположения, что промежуток времени равен расстоянию, пройденному сигналом ( ), деленному на скорость света c, одинаковую во всех системах отсчета.

    Второй наблюдатель, движущийся вместе с часами относительного первого  наблюдателя, видит совсем иную картину (рис. 2). Если первый наблюдатель кажется  второму движущимся вправо, то он будет  видеть, что первый наблюдатель движется навстречу световому сигналу, испущенному  правыми часами, и удаляется от сигнала, испущенного левыми часами. Таким образом, сигналы проходят различные расстояния, а их скорость (скорость света) остается постоянной. Поскольку сигналы достигают  «центра» одновременно, промежуток времени  с точки зрения второго наблюдателя  между моментом испусканием сигнала  левыми часами и моментом его приема отличается от временного промежутка между моментами испускания сигнала  правыми часами и его приема. Поэтому  с точки зрения движущегося наблюдателя  не равно .

   Таким образом, Эйнштейн делает вывод, что  два события, происходящие в разных точках пространства и одновременные  в одной системе отсчета, уже  не являются одновременными в другой:

    «Мы видим, что не следует придавать  абсолютного значения понятию одновременности. Два события, одновременные при  наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные  из системы, движущейся относительно данной системы».

   Удивительно здесь следующее. Эйнштейн выдвинул понятие кривизны пространства, а  для определения понятия одновременности  использует геометрию Евклида.

    Рассмотрим случай, изображенный на рис. 3. Точно посредине, определенной с помощью сферической геометрии  Римана, между двумя часами, расстояние между которыми равно радиусу  видимости Вселенной в статической  модели ( ), стоит человек. В момент , зафиксированный левыми часами, эти часы испускают световой сигнал. Такое же событие происходит с правыми часами в момент по их показаниям. Если оба сигнала достигают человека одновременно, то он заключает, что время . 

   Второй  наблюдатель, движущийся вместе с часами относительного первого наблюдателя, видит точно такую же  картину (рис. 4). Таким образом, с точки  зрения движущегося наблюдателя  .

   Следовательно, два события, происходящие в разных точках пространства и одновременные  в одной системе отсчета, являются одновременными в другой. Поэтому  понятию одновременности мы придаем  абсолютный характер. Плотность вещества и плотность вакуума на расстоянии гравитационного радиуса Вселенной  постоянна, поскольку два события, происходящие в разных точках пространства и одновременные в одной системе  отсчета, являются одновременными в  другой. В противном случае любой  наблюдатель мог бы удаляться  от одного «края» Вселенной и приближаться к ее другому «краю».

                    Преобразования Лоренца

      В соответствии с двумя постулатами специальной теории относительности между координатами и временем в двух инерциальных системах К и К' существуют отношения, которые называются преобразованиями Лоренца.

В простейшем  случае, когда система К’ движется относительно системы К со скоростью v так, как показано на рисунке (см ниже), преобразования Лоренца для координат и времени имеют следующий вид:

,        ,     ,         , 
             ,         ,    ,         .

    Из преобразований Лоренца вытекает тесная связь между пространственными и временными координатами в теории относительности; не только пространственные координаты зависят от времени (как в кинематике), но и время в обеих системах отсчёта зависит от пространственных координат, а также от скорости   движения системы отсчёта K’.

Формулы преобразований  Лоренца переходят в формулы кинематики при v/c<<1. В этом случае

,            ,     ,      ,

,             ,    ,      .

Переход формул теории относительности в формулы  кинематики при условии v/c <<1  является проверкой справедливости этих формул.

        Зависимость массы тела от скорости

Зависимость свойств пространства  и времени от движения системы отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях  тел является величина

,называемая релятивистским импульсом,  а не классический импульс.

Классический  закон сложения скоростей и классический закон сохранения импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости света в вакууме.

      Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы т тела на скорость его движения. Релятивистская масса т тела возрастает с увеличением скорости по закону

,где   — масса покоя тела,   — скорость его движения.

Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может  достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме, или превысить  эту скорость. Скорость  , большая  , приводит для обычных частиц к мнимой массе и мнимому импульсу, что физически бессмысленно. Зависимость массы от скорости начинает сказываться лишь при скоростях, весьма близких к  (См рисунок №2). Приведённые в этом пункте формулы неприменимы к фотону, так как у него отсутствует масса покоя ( ). Фотон всегда движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, и является ультрарелятивистской частицей. Тем не менее, отсюда не следует постоянство скорости света во всех веществах.

При  выражение для импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона  , где под   понимается масса покоя ( ), ибо при   различие  и  несущественно.

Рисунок №2

               Закон взаимосвязи массы и энергии

Полная энергия Е тела (или частицы) пропорциональна релятивистской массе  (закон взаимосвязи массы и энергии):

,

где с - скорость света в вакууме. Релятивистская масса зависит от скорости  , с которой тело (частица) движется в данной системе отсчета. Поэтому полная энергия различна в разных системах отсчета[2].

Наименьшей  энергией  тело (частица) обладает в системе отсчета, относительно которой оно покоится ( ). Энергия   называется собственной энергией или энергией покоя тела(частицы):

.

Энергия покоя  тела является его внутренней энергией. Она состоит из суммы энергий покоя всех частиц тела  , кинетической энергии всех частиц относительно общего центра масс и потенциальной энергии их взаимодействия. Поэтому

 
         и          

где  — масса покоя  - й частицы.

В релятивистской механике несправедлив закон сохранения массы покоя. Например, масса покоя   атомного ядра меньше, чем сумма собственных масс частиц, входящих в ядро. Наоборот масса  покоя частицы, способной к самопроизвольному распаду, больше суммы собственных масс продуктов распада   и  :   .

    Не сохранение массы покоя не означает нарушения закона сохранения массы вообще. В теории относительности справедлив закон сохранения релятивистской массы. Он вытекает из формулы закона взаимосвязи массы и энергии  . В изолированной системе тел сохраняется полная энергия. Следовательно, сохраняется и релятивистская масса. В теории относительности законы сохранения энергии и релятивистской массы взаимосвязаны и представляют собой единый закон сохранения массы и энергии. Однако из этого закона отнюдь не следует возможность преобразования массы в энергию и обратно. Масса и энергия представляют собой два качественно различных свойства материи, отнюдь не «эквивалентных» друг другу. Ни один из известных опытных фактов не дает оснований для вывода о «переходе массы в энергию». Превращение энергии системы из одной формы в другую сопровождается превращением массы. Например, в явлении рождения и уничтожения пары электрон — позитрон, в полном соответствии с законом сохранения релятивистской массы и энергии, масса не переходит в энергию. Масса покоя частиц (электрона и позитрона) преобразуется в массу фотонов, то есть в массу электромагнитного поля.

       Гипотеза Эйнштейна о существовании собственной энергии тела подтверждается многочисленными экспериментами. На основе использования закона взаимосвязи массы и энергии ведутся расчеты выхода энергии в различных ядерных энергетических установках. 
 
 
 
 
 
 
 

               

                   Заключение 

     Сорок - пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к теории относительности со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда в книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от повседневного опыта и очень абстрактных вещах. Широкие круги проявили удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким производственно - техническим и культурным последствиям. Это предчувствие не обмануло людей. Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а следовательно, и всей теории относительности в целом является атомная эра, которая расширяет власть человека над природой больше, чем это сделали

предшествующие  научные и технические революции.

    Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической картины мира. Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся представления о пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их взаимодействиях. Можно указать только на некоторые проблемы современной физики, которые, видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической картине мира.

Теория  относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности. Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и

обобщение этой теории. Теория относительности ждет дальнейшего развития и обобщения и в другом направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмутаций элементарных частиц в областях порядка 10^-13 см, Она все в большей степени становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению с которыми исчезающее малы расстояния между звездами и даже

расстояния  между галактиками. 
 
 
 
 

                    Список использованной литературы 

1. С.Г. Хорошавина «Концепции современного естествознания»
2. Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс общей физики»
3. Б.Н. Иванов «Законы физики»
4. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов «Физика»
5. изд. «Просвещение» 1970 г. «Познание продолжается»
6. Б.Г. Кузнецов  «Беседы о теории относительности»
7. О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы»
8. Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнёв «Справочное руководство по физике»
9. Б.Г. Кузнецов  «Беседы о теории относительности»
10. Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника. Издательство “Аванта+”