Принцип относительности. Постулаты теории относительности
Материалы к уроку
Конспект урока
Развитие электродинамики привело к новым представлениям о пространстве и времени. Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится ли тело или движется (длина абсолютна). На смену старым, классическим представлениям о пространстве и времени пришло новое учение - специальная теория относительности Эйнштейна.
После того как во второй половине 19 века Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, ученые осознали, что принцип относительности Галилея сложно применить к электромагнитным явлениям. Возник вопрос: протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и так далее) одинаково во всех инерциальных системах отсчета?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой или же подобно законам Ньютона они остаются неизменными. Законы электродинамики сложны. Согласно им скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна 300 млн метров в секунду. Но, с другой стороны, согласно законам механики Ньютона, эта скорость может равняться 300 миллионам только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к первой системе с некоторой другой скоростью, скорость света должна уже равняться разности этих скоростей. Значит, если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой, законы электродинамики должны меняться также как и законы механики. Мы обнаружили определенные противоречия между электродинамикой и механикой.
Обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Согласно этой теории инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая, преимущественная система, так как электромагнитные явления еще со времени Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство - «мировом эфире». Если бы скорость света была равна 300 000 км в секунду только в системе отсчета в некоторой инерциальной системе, тогда можно было бы обнаружить, как движется эта система по отношению к эфиру. Подобно тому, как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, так и при движении по отношению к эфиру некоторой системы должен быть обнаружен «эфирный ветер». Если, конечно, эфир существует. Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американскими ученными А. Майкельсоном и Э. Морли. Эту идею за 12 лет до этого высказал Максвелл. Заключалась она в наблюдении смещения интерференционных полос и измерении разности задержек света при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите. Такая попытка еще раньше была предпринята Генрихом Герцем. По его предположению эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимого от того, покоится тело или движется. Здесь принцип относительности справедлив. К примеру, согласно теории Герца, когда вода движется, она полностью увлекает за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так. Третья возможность разрешения указанных трудностей состоит в отказе от классических представлений о пространстве и времени. При этом можно сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. С данной точки зрения оказывается, что изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла. Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая именно эту теорию, Альберт Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Он создал новое учение о пространстве и времени, которое сегодня называют специальной теорией относительности. Обобщая свою теорию для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн построил общую теорию относительности. Она представляет собой современную теорию тяготения. Эйнштейн впервые ввел представление о частицах света, их называют фотонами. В своих опытах он сравнивал скорости света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения Эйнштейн проводил очень точно с помощью специального прибора интерферометра, разработанного Майкельсоном
и ныне носящим его имя. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. При этом движение Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось. Все это было похоже на то, как если бы вы, высунув голову из окна машины, при скорости 100 км/ч не заметили бы встречного ветра. Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь это означало, что никакой особой среды – «светоносного эфира», - с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует. Теперь легко можно согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. Для этого нужно отказаться от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
В основе рассматриваемой нами теории относительности лежат два постулата. Принцип относительности – первый и главный постулат теории Эйнштейна. Его можно сформулировать так: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Согласно этой теории инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая, преимущественная система, так как электромагнитные явления еще со времени Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство - «мировом эфире». Если бы скорость света была равна 300 000 км в секунду только в системе отсчета в некоторой инерциальной системе, тогда можно было бы обнаружить, как движется эта система по отношению к эфиру. Подобно тому, как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, так и при движении по отношению к эфиру некоторой системы должен быть обнаружен «эфирный ветер». Если, конечно, эфир существует. Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американскими ученными А. Майкельсоном и Э. Морли. Эту идею за 12 лет до этого высказал Максвелл. Заключалась она в наблюдении смещения интерференционных полос и измерении разности задержек света при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите. Такая попытка еще раньше была предпринята Генрихом Герцем. По его предположению эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимого от того, покоится тело или движется. Здесь принцип относительности справедлив. К примеру, согласно теории Герца, когда вода движется, она полностью увлекает за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так. Третья возможность разрешения указанных трудностей состоит в отказе от классических представлений о пространстве и времени. При этом можно сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. С данной точки зрения оказывается, что изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла. Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая именно эту теорию, Альберт Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Он создал новое учение о пространстве и времени, которое сегодня называют специальной теорией относительности. Обобщая свою теорию для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн построил общую теорию относительности. Она представляет собой современную теорию тяготения. Эйнштейн впервые ввел представление о частицах света, их называют фотонами. В своих опытах он сравнивал скорости света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения Эйнштейн проводил очень точно с помощью специального прибора интерферометра, разработанного Майкельсоном
и ныне носящим его имя. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. При этом движение Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось. Все это было похоже на то, как если бы вы, высунув голову из окна машины, при скорости 100 км/ч не заметили бы встречного ветра. Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь это означало, что никакой особой среды – «светоносного эфира», - с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует. Теперь легко можно согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. Для этого нужно отказаться от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
В основе рассматриваемой нами теории относительности лежат два постулата. Принцип относительности – первый и главный постулат теории Эйнштейна. Его можно сформулировать так: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму. Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Скорость света занимает особое положение. Как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе. В относительности одновременности кроется решение парадокса со сферическими световыми сигналами Опишем ситуацию. Свет одновременно достигает точек сферической поверхности с центром в точке О только с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое относительно системы К (ка). С точки зрения же наблюдателя, связанного с системой К1 (ка-1), свет достигает этих точек в разные моменты времени. Разумеется, справедливо и обратное: в системе К (ка) свет достигает точек поверхности сферы с центром в О1 (о-1) в различные моменты времени, а не одновременно, как это представляется наблюдателю в системе К1 (ка-1). Отсюда следует вывод, что никакого парадокса в действительности нет. До начала 20 века никто не сомневался, что время абсолютно. То есть, когда два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от структуры материи и ее движения, оказывается неправильным. «Минута — величина относительная: если у вас свидание с симпатичной девушкой, то она пролетит как мгновение, а если вы сидите на раскаленной плите, то она покажется вечностью». Так сам Эйнштейн пытался объяснить простыми словами свою теорию относительности. Действительно, если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках А и В произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов. Только располагая в точках А и В синхронизированными часами, можно судить о том произошли ли два каких-либо события в этих точках одновременно или нет. Для синхронизации часов правильнее будет, если прибегнут к световым или вообще электромагнитным сигналам, так как скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной причиной.
Именно такой способ используют при проверки часов по радио. Рассмотрим подробнее один из простых методов синхронизации часов, не требующий никаких вычислений. Допустим, что космонавт хочет узнать одинаково ли идут установленные на противоположных концах космического корабля часы А и В (бэ). Для этого, с помощью источника, который расположен в середине корабля и неподвижен относительно него, космонавт производит вспышку света. Свет одновременно достигает обоих часов. Если показания часов в этот момент одинаковы, то часы идут синхронно. Но так будет лишь относительно системы отсчета, связанной с кораблем. В системе же отсчета, относительно которой корабль движется, положение иное. Часы на носу корабля будут удаляться от того места, где произошла вспышка света источника, и, чтобы достигнуть часов А, свет должен преодолеть расстояние, большее половины длины корабля. А часы (бэ) на корме приближаются к месту вспышки, и путь светового сигнала меньше половины длины корабля. Поэтому наблюдатель, находящийся в системе, связанной с кораблем, придет к выводу о том, что сигналы достигают обеих часов одновременно. Два любых события в точках А и В (бэ) одновременны в системе отсчета, связанной с кораблем, и не одновременны в системе, относительно которой корабль движется. Но в силу принципа относительности эти системы совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы должны прийти к заключению о том, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения звуковых сигналов. Из постулатов теории относительности вытекает ряд важнейших следствий, касающихся свойств пространства и времени. Наблюдается два релятивистских эффекта. Первое, в движущихся системах отсчета размеры тела сокращаются. Второе, в движущейся системе отсчета наблюдается замедление времени.
Так как в движущихся системах отсчета линейные размеры тела сокращаются, то это явление приводит к тому, что масса тела в движущейся системе соответственно увеличивается.
Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, так как он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме. Мы запишем закон сложения скоростей для частного случая, когда тело движется вдоль оси Х1 (икс-1) системы отсчета К1 (ка-1), которая, в свою очередь, движется с некоторой скоростью вэ относительно системы отсчета К. Обозначим скорость тела относительно К через вэ1, а скорость этого же тела относительно К через вэ2. Тогда релятивистский закон сложения скоростей будет иметь вид.
При движении замедляется протекание всех физических процессов, а также химических реакций в человеческом организме. Стоит рассмотреть интереснейшие следствия, вытекающие из специальной теории относительности Эйнштейна. «Парадокс часов", он же «парадокс близнецов» — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно специальной теории относительности, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. Но с другой стороны, этот же принцип относительности декларирует равноправие всех инерциальных систем отсчёта. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (далее путешественник) отправляется в космический полёт, второй (далее домосед) остаётся на Земле. Парадокс заключен в следующем: с точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому после возвращения на Землю они должны отстать от часов домоседа. Относительно путешественника же двигалась Земля, значит, и отстать должны часы домоседа. Но с третьей стороны, братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Постулаты теории относительности Эйнштейна также легко объясняют такое интересное явление космического пространства как черная дыра. Черная дыра образуется при гравитационном сжатии массивной звезды. Если масса некоторой звезды более чем в 2-3 раза больше массы Солнца, то ядро этой звезды сжимается и достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения окружающих космических тел. Эйнштейн Альберт (1879—1955) — великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени — специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинерциальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения. Впервые ввел представление о частицах света — фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Он предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна — де Хааза.
Так как в движущихся системах отсчета линейные размеры тела сокращаются, то это явление приводит к тому, что масса тела в движущейся системе соответственно увеличивается.
Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, так как он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме. Мы запишем закон сложения скоростей для частного случая, когда тело движется вдоль оси Х1 (икс-1) системы отсчета К1 (ка-1), которая, в свою очередь, движется с некоторой скоростью вэ относительно системы отсчета К. Обозначим скорость тела относительно К через вэ1, а скорость этого же тела относительно К через вэ2. Тогда релятивистский закон сложения скоростей будет иметь вид.
При движении замедляется протекание всех физических процессов, а также химических реакций в человеческом организме. Стоит рассмотреть интереснейшие следствия, вытекающие из специальной теории относительности Эйнштейна. «Парадокс часов", он же «парадокс близнецов» — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно специальной теории относительности, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. Но с другой стороны, этот же принцип относительности декларирует равноправие всех инерциальных систем отсчёта. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (далее путешественник) отправляется в космический полёт, второй (далее домосед) остаётся на Земле. Парадокс заключен в следующем: с точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому после возвращения на Землю они должны отстать от часов домоседа. Относительно путешественника же двигалась Земля, значит, и отстать должны часы домоседа. Но с третьей стороны, братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Постулаты теории относительности Эйнштейна также легко объясняют такое интересное явление космического пространства как черная дыра. Черная дыра образуется при гравитационном сжатии массивной звезды. Если масса некоторой звезды более чем в 2-3 раза больше массы Солнца, то ядро этой звезды сжимается и достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения окружающих космических тел. Эйнштейн Альберт (1879—1955) — великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени — специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинерциальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения. Впервые ввел представление о частицах света — фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Он предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна — де Хааза.
С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Благодаря Альберту Эйнштейну в науке произошел пересмотр понимания физической сущности пространства и времени, он построил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн вместе с Планком заложили основы квантовой теории. Все эти концепции многократно подтверждены экспериментами и образуют фундамент современной физики.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ