Посебна теорија релативности. Ајнштајнова специјална и општа релативност

Након што су математичари створили правила у простору појмова и бројева, научници су били сигурни да све што треба да ураде је да експериментишу и објасне структуру свих ствари уз помоћ логичких конструкција. У разумним границама, закони математике раде. Али експерименти који превазилазе дневне концепте и концепте захтевају нове принципе и законе.

Идеа

Средином 19. века, погодна идеја универзалног емитовања коју је ширио већина научника и истраживача посвуда. Мистериозни етер је постао најчешћи модел који објашњава физичке процесе који су тада били познати. Али за математички опис хипотезе о етеру, постепено су додавани бројни необјашњиви подаци, који су објашњени различитим додатним условима и претпоставкама. Постепено, хармонична теорија о етеру, обраслом "штакама", постали су превише. Нове идеје су биле потребне да се објасни структура нашег света. Постулати посебне теорије релативности испунили су све захтјеве - били су кратки, конзистентни и потпуно потврђени експериментима.

Мицхелсонови експерименти

Последња сламка која је прекинула хипотезу о етеру била је истраживање у области електродинамике и Маквеллових једначина које их објашњавају. Доносећи резултате експеримената математичком решењу, Максвел је користио теорију етра.

У свом експерименту, истраживачи су приморали две греде, идући у различитим правцима, да синхроно зраче. Под условом да се светлост креће у “етеру”, један сноп светлости требало је да се креће спорије од другог. И поред бројних понављања искуства, резултат је био исти - светлост се кретала константном брзином.

Иначе је било немогуће објаснити чињеницу да је, према калкулацијама, брзина светлости у хипотетичком етеру била увек иста, без обзира на брзину којом се посматрач кретао. Али да би објаснили резултате истраживања, било је потребно да референтни оквир буде “идеалан”. То је у супротности са Галилеовим постулатом о инваријантности свих инерцијалних референтних система.

Нова теорија

Почетком двадесетог века, цела галаксија научника почела је да развија теорију која би помирила резултате истраживања електромагнетних осцилација са принципима класичне механике.

При развоју нове теорије, узето је у обзир да:

- кретање у близини брзине светлости мења формулу Невтоновог другог закона, који повезује убрзање са силом и масом;

- једначина за боди импулсе мора имати другачију, сложенију формулу;

- лигхт спеед остала константна, без обзира на изабрани референтни систем.

Напори А. Поинцареа, Г. Лоренза и А. Еинстеина довели су до стварања посебне теорије релативности која се сложила око свих недостатака и објаснила постојећа запажања.

Основни концепти

Основа специјалне теорије релативности лежи у дефиницијама с којима ова теорија функционише.

1. Референтни систем је материјално тело, које се може узети као почетак референтног система и временске координате током којих ће посматрач пратити кретање објеката.

2. Инерцијални референтни систем је онај који се креће равномерно и правоцртно.

3. Догађај. Специал анд општа теорија релативности посматрајте догађај као просторно локализовани физички процес са ограниченим трајањем. Координате објекта могу бити специфициране у тродимензионални простор као (к, и, з) и временски период т. Стандардни примјер таквог процеса је бљесак свјетла.

Посебна теорија релативности разматра инерцијалне референтне системе, у којима се први систем креће близу друге при константној брзини. У овом случају, тражење односа координата објекта у овим инерцијалним системима је приоритет за СРТ и укључено је у његове главне задатке. Посебна теорија релативности била је у стању да реши ово питање уз помоћ Лоренцових формула.

СТО постулати

У развоју теорије, Ајнштајн је одбацио све бројне претпоставке које су биле неопходне за подршку теорији етра. Једноставност и математичка провјера су два кита на којима је почивала његова посебна теорија релативности. Укратко, његови предуслови могу се свести на два постулата који су били потребни за стварање нових закона:

1. Сви физички закони у инерцијалним системима се изводе на исти начин.
2. Брзина светлости у вакууму је константна, не зависи од локације посматрача и његове брзине.

Ови постулати посебне теорије релативности учинили су теорију о митском етеру бескорисном. Уместо ове супстанце, предложен је концепт четвородимензионалног простора, који повезује време и простор заједно. Када се одређује положај тела у простору, потребно је узети у обзир и четврто координатно време. Ова идеја изгледа прилично вештачка, али треба напоменути да потврда ове тачке гледишта лежи у брзинама које су сразмерне брзини светлости, ау свакодневном свету закони класичне физике раде свој посао савршено. Галилејски принцип релативности је испуњен за све инерцијалне референтне оквире: ако је правило Ф = ма опажено у ЦО к, онда ће бити тачно у другом оквиру референтног к '. У класичној физици, време је одређена количина, а њена вредност је непроменљива и не зависи од кретања инерцијалне ФР.

Претворба у сервисну станицу

Укратко, координате тачке и времена могу се означити као:

к '= к - вт и т' = т.

Ова формула даје класичну физику. Посебна теорија релативности нуди ову формулу у компликованијем облику.

У овој једначини, величине (к, к 'и, и' з, з 'т, т') означавају координате објекта и ток времена у посматраним референтним системима, в је брзина објекта, а ц је брзина светлости у вакууму.

Брзине објеката у овом случају морају одговарати нестандардном Галилејцу

формула в = с / т, и таква Лоренцова трансформација:

Као што се може видети, на занемарљивој брзини тела, ове једначине дегенеришу кроз познате једначине класичне физике. Ако преферирамо другу екстрему и поставимо брзину објекта једнаку брзини светлости, онда се у овом ограничавајућем случају ц још увек добија. Отуда, специјална теорија релативности закључује да се ниједно тело у посматраном свету не може кретати брзином која прелази брзину светлости.

Последице СРТ

Након даљег разматрања Лоренцових трансформација, постаје јасно да се нестандардне ствари почињу дешавати са стандардним објектима. Последице специјалне теорије релативности је промена дужине објекта и протока времена. Ако ће дужина сегмента у једном референтном оквиру бити једнака л, онда ће посматрања из другог ОС-а дати следећу вредност:

Тако се испоставља да ће посматрач из другог референтног система видјети сегмент краћи од првог.

Задивљујућа трансформација дотакнута и такве величине као вријеме. Једначина за т координату ће изгледати овако:

Као што видите, време у другом референтном оквиру тече спорије него у првом. Наравно, обе ове једначине дају резултате само на брзинама које се могу упоредити са брзином светлости.

Прва која изводи формулу временске дилатације је Еинстеин. Он је такође понудио да реши такозвани "парадокс близанаца". Према стању овог задатка, ту су браћа близанци, од којих је један остао на Земљи, а други је одлетио у свемир на ракети. Према горе наведеној формули, браћа ће старити на различите начине, јер је вријеме за брата који путује спорије. Овај парадокс има решење ако се узме у обзир да је братско-кућно тело увек било у инерцијалном референтном оквиру, док је двоструки фидгет путовао у не-инерцијалном ЦО, који се кретао са убрзањем.

Промена тежине

Друга последица СРТ-а је промена масе посматраног објекта у различитим ЦО. Пошто су сви физички закони подједнако валидни у свим инерцијалним референтним системима, морају се поштовати основни закони очувања - момент, енергија и угаони момент. Али пошто је брзина за посматрача у стационарном ЦО већа од брзине у покретној, онда, према закону очувања момента, маса објекта мора да се мења за вредност: У првом референтном систему, објекат мора имати већу телесну масу него у другој.

Узимајући брзину тела једнаку брзини светлости, добијамо неочекивани закључак - маса објекта достиже бесконачну вредност. Наравно, свако материјално тело у видљивом универзуму има своју коначну масу. Једначина само каже да се ни један физички објекат не може кретати брзином светлости.

Однос масе и енергије

Када је брзина објекта много мања од брзине светлости, једначина за масу може се свести на облик:

Израз м ₀ ц је извјесно својство објекта који зависи само од његове масе. Ова вредност се зове остатак енергије. Збир енергија одмора и кретања може се написати као:

мц ² = м ₀ ц + Е _кин .

Из овога следи да се укупна енергија неког објекта може изразити формулом:

Е = мц ² .

Једноставност и елеганција формуле телесне енергије дали су комплетност,

где је Е укупна енергија тела.

Једноставност и елеганција чувене Ајнштајнове формуле дали су комплетност специјалној теорији релативности, чинећи је унутрашње конзистентном и не захтевајући много претпоставки. Тако су истраживачи објаснили многе контрадикције и дали потицај проучавању нових феномена природе.