15. Элементы теории относительности
Во второй половине XIX в.
Максвелл, развивая свою теорию электромагнетизма, показал, что свет -
электромагнитная волна. Уравнения Максвелла показали, что скорость света с≈3·10
8
м/с. Предсказанная
скорость света
совпала с экспериментально измеренным значением в пределах погрешности. Но в какой системе отсчета (СО)
с≈3·10
8
м/с? Опыты А.Майкельсона и Э. Морли обнаружили независимость скорости света от выбора СО. Противоречия
между механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла послужили стимулом для создания А. Эйнштейном теории
относительности (1905). Отдельные следствия специальной теории относительности (СТО) были получены еще до
А.Эйнштейна голландским физиком Г.А.Лоренцем, англичанином Д.Фицджеральдом. Большой вклад в развитие идей
СТО внесли А.Пуанкаре, Г.Минковский, Дж.Лармор и другие. Заслугой Эйнштейна является то,
что он сумел найти
истоки этих явлений, сформулировав их в виде постулатов, и на их основе получить новые следствия.
ПОСТУЛАТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
А. Эйнштейн пришел к выводу, что обнаруженные им в электромагнитной теории
противоречия обусловлены
предположением существования абсолютного пространства.
Первый постулат:
законы физики имеют одинаковую форму во всех
инерциальных системах отсчета
. Этот постулат явился обобщением
принципа относительности Ньютона не только на законы механики, но и на
законы остальной физики. Первый постулат —
принцип относительности
.
Иначе его можно сформулировать следующим образом:
законы,
описывающие любые физические явления, во всех инерциальных системах
отсчета (ИСО) должны иметь одинаковый вид
. Этот вывод называется
релятивистской инвариантностью законов физики.
Второй постулат:
свет распространяется в вакууме с постоянной и
одинаковой скоростью с, не зависящей от скорости источника или
наблюдателя
.
Эти два постулата образуют основу теории относительности А. Эйнштейна.
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ
СЛЕДСТВИЯ
СТО.
ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ
ОДНОВРЕМЕННОСТИ(ЗАМЕДЛЕНИЕ
ВРЕМЕНИ)
Согласно представлениям классической механики два события, происходящие одновременно в какой-либо ИСО,
являются одновременными и в любой другой ИСО. Это следует из ньютоновской концепции абсолютного времени. Из
второго постулата теории относительности, согласно которому скорость распространения сигналов является величиной
конечной, следует, что в разных ИСО время течет по-разному. Поэтому согласно теории относительности события,
являющиеся одновременными в одной ИСО, неодновременны в
другой ИСО, движущейся относительно первой.
Например, для наблюдателя внутри ракеты будильники А и В, срабатывающие по световому сигналу от
источника, находящегося от них на одинаковом удалении, зазвонят одновременно.
Для наблюдателя, относительно
которого ракета движется, будильник А удаляется от точки вспышки, а будильник В - приближается.
Следовательно,
будильник А зазвенит позже (скорость света во всех ИСО одинакова, а до А свету надо пройти большее расстояние, чем
до В).
Промежуток времени между двумя событиями имеет наименьшее значение в системе отсчета, связанной с
движущимся объектом, где происходит исследуемое явление, которое определяется по формуле:
Из этой формулы следует, что длительность одного и того же процесса различна в системах K и K
1
,
движущейся
относительно системы К. В системе K
1
длительность процесса Δt больше. Следовательно, он протекает медленнее, чем в
системе К. Время Δt
0
, отсчитываемое по часам, которые движутся вместе с телом, называют собственным временем. Оно
самое короткое; наблюдается релятивистский