Принцип відносності та спеціальна теорія відносності Ейнштейна
На тему: «Принцип відносності та спеціальна теорія відносності Ейнштейна»
1. Принцип відносності Ейнштейна. 3
2. Теорія відносності. 4
2.1 Поняття одночасності. 5
2.2 Відносність відстаней. 6
2.3 Відносність маси. 7
Список використаної литературы. 12
Ейнштейн узагальнив принцип відносності Галілея, сформульований для механічних явищ, попри всі явища природи. Принцип відносності Ейнштейна говорить: «Ніякими фізичними дослідами (механічними, електричними, оптичними), виробленими в будь-якій інерційній системі відліку, неможливо визначити, чи рухається ця система рівномірно і прямолінійно, чи перебуває у спокої». Не тільки механічні, а й усі фізичні закони однакові у всіх інерційних системах відліку.
Таким чином, принцип відносності Ейнштейна встановлює повну рівноправність усіх інерційних систем відліку та відкидає ідею абсолютного простору Ньютона. Теорію, створену Ейнштейном для опису явищ в інерційних системах відліку, називають спеціальною теорією відносності.
Теорія відносності і двох частин. Перша частина називається спеціальною (або приватною) теорією (скорочено – СТО). Вона досліджує швидкі рівномірні прямолінійні рухи поза гравітаційними полями. Друга частина – загальна теорія відносності (скорочено – ОТО) охоплює нерівномірні рухи та гравітаційні поля.
Почнемо зі спеціальної теорії. Постараємося коротко простежити логіку її побудови та висновків.
Головна своєрідність фізики Ейнштейна у тому, що рух речовини вона зіставляє з поведінкою світла.
Фундаментом СТО служать два постулати, що поєднують основні властивості руху речовини та світла.
Перший постулат: рівномірні прямолінійні рухи неможливо відрізнити від спокою. Те й інше фізично рівноцінно.
Другий постулат: швидкість світла залежить від руху світлового джерела.
Окремо постулати анітрохи не дивні. У закритій каюті неможливо дізнатися, чи рухається корабель (плавно, без поштовхів і тряски) чи стоїть біля пристані. Разом з тим легко повірити, що світлові хвилі поширюються однаково швидко від рухомого та нерухомого ліхтаря. Адже саме так поводяться звукові хвилі, хвилі на воді тощо.
Кожен постулат сам собою зрозумілий і логічний.
Однак з'єднані разом вони виглядають несумісними. Другим, начебто, спростовується перший. Справді: резонно думати, що рівномірний прямолінійний рух можна виявити щодо світлових хвиль і, отже, відрізнити його від спокою, що суперечить першому постулату.
Коли пілот швидкохідного літака перестає чути рев своїх двигунів, він знає, що обігнав звук і мчить швидше звукових хвиль.
Зі світлом подібне неможливо (1881 р. американський фізик Майкельсон довів це експериментом). Як би швидко не мчала ракета, світло її прожектора завжди б'є вперед із незмінною швидкістю – 300000 км/сек. Змінити свою швидкість щодо світлових хвиль неможливо. Тому, скориставшись світлом, неможливо відрізнити рівномірний прямолінійний рух ракети від спокою, незважаючи на те, що швидкість світла не залежить від джерела руху.
З постулатів Ейнштейна випливають дуже важливі наслідки.
Розглянемо тепер питання про звірянні годинника і про одночасність подій у різних системах відліку з урахуванням постулатів Ейнштейна.
У механіці Ньютона «істинний, чи стандартний, процес течії абсолютного часу не схильний до жодних змін» і залежить « від цього, швидкі руху чи повільні чи його немає взагалі». Вважалося, що такі поняття, як "момент часу", "раніше", "пізніше", "одночасність", мають самі по собі сенс, правомірний для всього Всесвіту, і дві якихось події, одночасні для однієї системи, одночасні і в всіх інших системах. З погляду теорії відносності Ейнштейна немає такого поняття, як абсолютна одночасність, як немає абсолютного часу.
Щоб вирішити, чи одночасно відбулися в різних точках дві події, необхідно мати в кожній з цих точок точний годинник, щодо якого можна бути впевненим, що вони йдуть синхронно. Для цього можна перенести цей годинник в одну точку, відрегулювати його так, щоб він ішов синхронно, і потім знову рознести його по різних приміщеннях. Також можна використовувати сигнали часу. Що дозволяють порівнювати показання годинників у різних точках. На практиці використовують обидва способи. На кораблі, наприклад, є хронометр, який йде дуже точно і відрегульований контрольним годинником в порту відправлення. Крім того, для перевірки під час плавання використовуються сигнали точного часу по радіо.
Так загальна абсолютна одночасність, можливість якої малася на увазі в класичній фізиці, пропадає. Замість неї виходить на сцену відносна одночасність подій, що існує лише для якогось конкретного спостерігача, який певним чином рухається.
Різні спостерігачі можуть встановлювати навіть неоднакову черговість тих самих подій. Але все це дуже тонко і можна відзначити лише при русі з гігантськими відносними швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла. Важливо,щоб спостерігачі встигали помітно зміститися за той крихітний час, доки світлові спалахи пробігають відстань між подіями.
Таким чином, відповідно до теорії відносності в кожній з інерційних систем, що знаходяться в відносному русі, існує власний час системи, який показує годинник, що спочиває в цій системі. Отже, щодо часу подій у різних інерційних системах події, одночасні лише у системі, можуть виявитися неодночасними у інший системі отсчета. Інакше кажучи, немає абсолютної одночасності.
Розглянемо приклад: надшвидкий пароплав рухається повз стрічку, яку розклав на березі бакенщик.
За вимірами бакенщика, довжина стрічки, припусти, 100 м. Але капітан із цим не згоден. Для капітана стрічка коротша.
Щоб виміряти довжину стрічки з корабля, що мчить, капітан одночасно (для себе) засікає на палубі крапки, що збігаються з її кінцями, і потім спокійно відмірює відстань між засічками. Але для бакенщика засічки зроблені неодночасно. Спочатку, на його думку, засічено початок стрічки (десь проти корми пароплава, що проноситься), потім – кінець. Між моментами засічок корабель встиг зрушити вперед - от і вийшло, що на пароплаві засічки ближче один до одного, ніж слід було б за відліками бакенщика.
Проте помилок у вимірі капітана не було. Його відлік виконаний точно. Різниця ж підсумків вимірів – результат відносності одночасності.
У свою чергу бакенщик, вимірюючи таким же способом довжину пароплава, знайде його коротшим, ніж капітан.
За відліками будь-яких спостерігачів, довжини предметів, що проносяться повз, скорочуються. Для кожного мандрівника скорочується довжина всієї відстані. І тим помітніше, чим ближче його швидкість до швидкостісвітла.
Відповідно до теорії Ейнштейна, маса того самого тіла є величина відносна. Вона має різні значення, залежно від вибору системи відліку, в якій проводиться її вимірювання. Або при вимірі в одній і тій же системі відліку - в залежності від швидкості тіла, що рухається. При цьому маса залежить лише від величини швидкості щодо цієї системи та не залежить від напрямку швидкості. Поки швидкості руху малі проти швидкістю світла, масу тіла вважатимуться постійної і незалежної від швидкості руху, як і виробляється у класичної механіці. По мірі того. Як швидкість руху тіла наближається до швидкості світла, величина маси стає все більше і для одного і того ж збільшення швидкості потрібна все більша і більша сила. Чим ближче швидкість тіла до швидкості світла, тим складніше її збільшити. Коли швидкість тіла досягає швидкості світла, його маса стає нескінченно великою. Звідси випливає, що неможливо змусити тіло рухатися зі швидкістю світла. Ніщо речове не може навіть наздогнати світло.
Звідси можна дійти невтішного висновку, що з повідомленні тілу кінетичної енергії його маса збільшується. Виходить, що кінетичній енергії відповідає певна маса. Розглянемо, чи справедливе це твердження щодо інших видів енергії?
Зі зростанням швидкості зростає і енергія тіла, його здатність здійснити роботу. Значить, маса та енергія зростають разом. Поблизу швидкості світла те й інше стрімко зростає. Інерція стає непереборно величезною, енергія – як завгодно великою.
Звідси робиться висновок про еквівалентність маси та енергії. Маса і енергія – дві еквівалентні характеристики тіла, що рухається. При нагріванні тіла його маса дещо збільшується. Випромінювання, що випромінюється Сонцем,містить енергію і тому має масу; Сонце та зірки при випромінюванні втрачають масу. Камінь, що лежить на долоні, лише зовні спокійний. Він нерухомий лише як ціле тіло. Усередині, у своєму мікросвіті, він насичений непомітними для ока рухами. Цей внутрішній рух обумовлює існування внутрішньої енергії каменю, яка також підпорядкована закономірностям СТО. Значить, і внутрішня енергія еквівалентна деякій масі. Це і є безліч спокою.
Знаючи масу спокою тіла, легко обчислити запас внутрішньої енергії. Підрахунок проводиться у разі знаменитої формулі Эйнштейна: Е=mc. З цього співвідношення випливає, що повна енергія тіла пропорційна його масі. У всіх тіл із втратою енергії зменшується маса і, навпаки, зі збільшенням енергії збільшується маса.
Прямолінійний і рівномірний рух систем відліку поза межами тяжіння лише окремий випадок. Зазвичай світові рухи відбуваються у гравітаційних полях та прискорених системах відліку.
Класична фізика вважала тяжіння рядовою силою серед безлічі природних сил (електричних, магнітних тощо). Тяжіння було наказано «дальнодія» (проникнення «крізь порожнечу») і дивовижна здатність надавати рівного прискорення тілам різних мас. Обидві ці властивості виглядали у класиці дуже штучними.
На думку Ейнштейна, гравітаційне поле – не силове. Насправді тяжкість – наслідок особливостей світового простору-часу. І гравітаційне поле правильніше називати метричним. Логіка, яка веде до цього незвичного висновку, така.
Спочатку обговорюється рівність прискорень вільного падіння для тіл різних мас (те, що масивний ключ і легенький сірник однаково швидко падають зі столу на підлогу). Як зауважив Ейнштейн, ця унікальна властивість робить тяжкість дуже схожою на інерцію. Унасправді, ключ і сірник поводяться так, ніби вони рухалися в невагомості за інерцією, а підлога кімнати з прискоренням присувалася до них. Досягши ключа і сірники, підлога зазнала б їх удару, та був тиск, т.к. інерція ключа і сірника далася взнаки при подальшому прискоренні статі. Цей тиск (космонавти кажуть – «навантаження») називається силою інерції. Подібна сила завжди прикладена до тіл у прискорених системах відліку.
Якщо ракета летить із прискоренням, рівним прискоренню вільного падіння на земній поверхні (9,81 м/сек), то сила інерції відіграватиме роль ваги ключа та сірника. Їхня «штучна» вага буде точно такою ж, як природна на поверхні Землі. Отже, прискорення системи відліку – це явище, подібне до гравітації.
Навпаки, у вільно падаючому ліфті природний тягар усувається прискореним рухом системи відліку кабіни «навздогін» за ключем і сірником.
Зрозуміло, класична фізика не бачить у прикладах істинного виникнення і зникнення тяжкості. Тяжіння лише імітується чи компенсується прискоренням. Але в ОТО подібність інерції та тяжкості визнається набагато глибшою.
Ейнштейн висунув локальний принцип еквівалентності інерції та тяжіння, заявивши, що у досить малих масштабах відстаней та тривалостей одне явище неможливо відрізнити від іншого жодним експериментом.
Таким чином, ВТО ще глибше змінила наукові уявлення про світ. Втратив універсальність перший закон ньютонівської динаміки – виявилося, що рух за інерцією може бути криволінійним та прискореним. Відпала потреба у понятті важкої маси. Змінилася геометрія Всесвіту: замість прямого евклідівського простору та рівномірного часу з'явився викривлений простір-час, викривлений світ. Так різкоюперебудови поглядів на фізичні першооснови всесвіту не знала історія науки.
Тим не менш, класична механіка досі широко і плідно служить фізиці, техніці, астрономії і ніколи не втратить свого величезного значення. Пояснюється це порівняльною простотою, зручністю класичних моделей та формул, їх надзвичайно високою точністю, близькістю до реальної природи.
Тільки там, де доводиться мати справу з дуже великими відносними швидкостями тіл (наприклад, у сучасних прискорювачах), або з дуже високими концентраціями енергії та маси (ядерні процеси), або з гігантськими гравітаційними полями (яви, що розвертаються в безпосередній близькості від зірок або в масштабах всієї Метагалактики), виходять на сцену ефекти СТО та ОТО.
Є астрономічні події, пояснити які вдається лише з позицій ВТО. Ці явища і довели справедливість нової теорії тяжіння.
Один із прикладів – промінь світла, що проходить біля Сонця. І ньютонівська механіка, і ОТО визнають, що він має відхилитися до Сонця (падати). Однак ОТО передбачає вдвічі більше зміщення променя. Спостереження під час сонячних затемнень довели правоту передбачення Ейнштейна.
Інший приклад. Найближча до Сонця планета Меркурій обертається навколо світила не по точному еліпсу, як наказано ньютонівською небесною механікою. Цей еліпс сам обертається дуже повільно, на 43 кутові секунди за століття. Саме таку орбіту дає обчислення за формулами ВТО.
Уповільненням часу у сильному гравітаційному полі пояснюють зменшення частоти світлових коливань у випромінюванні білих карликів – зірок дуже великої густини. А останніми роками цей ефект вдалося зареєструвати і в лабораторних умовах.
Нарешті, дуже велика роль ОТО у сучаснійкосмології - науці про будову та історію всього Всесвіту. У цій галузі знання також знайдено багато доказів ейнштейнівської теорії тяжіння.
1. С.Г. Хорошавіна «Концепції сучасного природознавства»
2. Г.А. Зісман, О.М. Тодес «Курс загальної фізики»
3. Б.М. Іванов «Закони фізики»
4. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданів «Фізика»
5. вид. «Освіта» 1970 р. «Пізнання продовжується»