Теория относительности

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Октября 2011 в 12:28, контрольная работа

Краткое описание

Теория относительности (ТО) — физическая теория пространства и времени, сформулированная Эйнштейном в 1905 (специальная теория) и в 1916. (общая теория). Она исходит из так называемого классического принципа относительности Галилея — Ньютона, согласно которому механические процессы происходят единообразно в инерциальных системах отсчета, движущихся одна относительно другой прямолинейно и равномерно. Р

Содержимое работы - 1 файл

ксе.doc

— 185.50 Кб (Скачать файл)

    Прямая  проверка независимости скорости света от скорости источника была выполнена А.М. Бонч-Бруевичем в 1956 г. с использованием света, испускаемого экваториальными краями солнечного диска. Скорости диаметрально противоположных участков диска (за счет вращения Солнца) отличаются на 3,5·103м/с, а скорость испущенного ими света изменялась на 65 ±240м/c. В пределах точности эксперимента, зависимость скорости света от скорости источника не наблюдалось.

    Таким образом, все физические явления, включая  распространение света (и, следовательно, все законы природы), в различных инерциальных системах отсчета выглядят совершенно одинаково. Такая особенность Законов Природы носит название лоренцевой инвариантности (от латинского invariantis - неизменяющийся).

    Согласно  СТО, если скорость частицы меньше скорости света в вакууме в некоторой инерциальной системе отсчета, в данный момент времени, то она не может быть сделана равной или большей c ни кинематически - переходом в другую систему отсчета, ни динамически - изменением скорости частицы, приложенными к ней силами. Поэтому распространение электромагнитных волн в вакууме является самым быстрым способом распространения взаимодействия в физических системах.

    Это положение принято распространять на все типы частиц и взаимодействий, хотя прямая проверка осуществлена только для электромагнитного взаимодействия.

    Существование предельной скорости распространения  взаимодействия приводит к ограничениям на модели в релятивистской физике. Оказывается, например, недопустимой модель абсолютно твердого тела, так как  под воздействием приложенной к нему силы, все точки тела мгновенно изменяют свои механические состояния.

    3.2 Синхронизация часов

    В упомянутой статье Эйнштейн проанализировал  свойства времени и кажущееся "очевидным" понятие одновременности. Он показал, что классическая механика приписывает времени такие свойства, которые, вообще говоря, не согласуются с опытом и являются правильными только при малых скоростях движения. Одним из центральных пунктов эйнштейновского анализа понятия времени является синхронизация часов, т.е. установление единого времени в пределах одной инерциальной системы отсчета. Если двое часов находятся в одной точке пространства (т.е. в непосредственной близости), то их синхронизация производится непосредственно - стрелки ставятся в одно и то же положение (полагают, что часы совершенно одинаковы и абсолютно точны).

    Синхронизацию часов, находящихся в двух разных точках пространства, Эйнштейн предложил  проводить с помощью световых сигналов. Испустим из точки A в момент t1 короткий световой сигнал, который отразится от некоторого зеркала B и вернется в точку A в момент t2. Времена распространения сигнала туда и обратно конечны (скорость сигнала конечна!) и одинаковы (изотропия пространства!). Поэтому часы в точке B будут согласованы с показаниями часов в точке A в моменты испускания (t1) и возвращения (t2) сигнала соотношениями

t1 = tB - h/c,       t2 = tB + h/c,
 

    где h = rAB - расстояние между точками A и B. Отсюда положение, в которое нужно поставить стрелки часов B в момент прихода сигнала: tb = (t1 + t2)/2. Таким способом можно синхронизовать показания всех часов, неподвижных друг относительно друга в некоторой инерциальной системе отсчета S.

       

       Рис. 4

       

       Рис. 4

    Мысленные эксперименты с движущимися часами, аналогичные только что описанному, показывают, что здесь синхронизация  невозможна и единого для всех инерциальных систем времени не существует. Рассмотрим пример с "эйнштейновским поездом" (см. Рис. 4).

    Пусть наблюдатель A находится посередине длинного поезда, движущегося со скоростью  сравнимой со скоростью света, а  наблюдатель B стоит на земле вблизи железнодорожного полотна. Устройства, находящиеся в хвосте и в голове поезда на одинаковых расстояниях от A, испускают две короткие вспышки света, которые достигают наблюдателей A и B одновременно - в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы сделают из одновременного прихода к ним световых сигналов наблюдатели в поезде и на земле?

    Наблюдатель A: Сигналы испущены из точек, удаленных  от меня на равные расстояния, следовательно, они и испущены были одновременно.

    Наблюдатель B: Сигналы пришли ко мне одновременно, но в момент испускания голова поезда была ко мне ближе, поэтому сигнал от хвоста поезда прошел больший путь, следовательно он и был испущен раньше, чем сигнал от головы.

    Этот  пример показывает, что часы в системе "поезд" синхронизованы только с точки зрения наблюдателя, который в ней неподвижен. С точки зрения наблюдателя на земле, часы, расположенные на поезде в разных точках (в голове, в хвосте и в середине поезда) показывают разное время. События, одновременные в одной системе отсчета (световые вспышки в системе отсчета поезда), не являются одновременными в другой системе отсчета земли. Синхронизация часов находящихся в разных системах отсчета невозможна. Этот вывод не исключает совпадения показаний часов в отдельный момент времени - например, наблюдатели A и B в момент встречи могут установить одинаковые показания своих часов. Но уже в любой последующий момент показания часов разойдутся.

    3.3 Преобразования Лоренца

    Преобразования  Лоренца, обобщающие формулы Галилея  перехода от одной инерциальной системы отсчета в другую, можно получить из анализа еще одного мысленного эксперимента. Пусть начала координат систем отсчета S и S¢ в начальный момент t = t¢ совпадают и оси координат в них имеют одинаковую ориентацию. В этот момент времени в их общем начале координат пусть произошла световая вспышка. С точки зрения наблюдателя, находящегося в системе S, в ней распространяется сферическая электромагнитная волна, которая за время t пройдет расстояние r = c t   (   ) от начала координат.

    Но  наблюдатель в движущейся системе S¢ также регистрирует сферическую световую волну, распространяющуюся из начала координат этой системы (точки 0¢) со скоростью света в вакууме c. По его часам за время t¢ волна пройдет расстояние r¢ = c t¢, где . Это связано с тем, что физические явления в инерциальных системах происходят одинаковым образом. Иначе, регистрируя различия, можно было бы найти "истинно" покоящуюся систему отсчета, что невозможно.

    Теперь  ясно, что координаты точек волнового  фронта в системе S и S¢ связаны уравнением

ct2 - (x2 + y2 + z2) = 0 = ct¢2 - (x¢2 + y¢2 + z¢2),
 
       
        

    решение которого и является искомым обобщением преобразований перехода из одной инерциальной системы координат в другую.

    Опуская сам формальный вывод, который использует общие соображения об однородности и изотропии пространства и однородности времени (из которых, например, следует, что связь "штрихованных" и "нештрихованных" координат должна быть линейной), можно получить, что в условиях рассматриваемого мысленного эксперимента, параметры {x¢,y¢,z¢,t¢} связаны с параметрами {x,y,z,t} соотношениями

x¢ = x - V t 
    ________ 
Ö1 - (V/c)2 
 
 
 
,     y¢ = y,   z¢ = z,   t¢ = t - x V/c2 
    ________ 
Ö1 - (V/c)2 
 
 
 
       .
 
       
        

    

П

р

е

о

б

р

а

з

о

в

а

н

и

я

 

Л

о

р

е

н

ц

а

 

о

с

т

а

в

л

я

ю

т

 

н

е

и

з

м

е

н

н

ы

м

и

 

у

р

а

в

н

е

н

и

я

 

М

а

к

с

в

е

л

л

а

,

о

д

н

а

к

о

п

р

о

в

е

р

к

а

э

т

о

г

о

 

у

т

в

е

р

ж

д

е

н

и

я

 

в

ы

х

о

д

и

т

 

з

а

р

а

м

к

и

ш

к

о

л

ь

н

о

й

п

р

о

г

р

а

м

м

ы

 

п

о

ф

и

з

и

к

е.

    

Л

е

г

к

о

в

и

д

е

т

ь,

ч

т

о

 

у

р

а

в

н

е

н

и

я

 

Н

ь

ю

т

о

н

а

 

т

е

п

е

р

ь

н

е

с

о

х

р

а

н

я

ю

т

 

с

в

о

й

в

и

д

 

п

р

и

 

п

р

е

о

б

р

а

з

о

в

а

н

и

и

.

П

о

э

т

о

м

у

 

в

т

о

р

о

й

 

з

а

к

о

н

 

Н

ь

ю

т

о

н

а

 

н

е

о

б

х

о

д

и

м

о

 

м

о

д

и

ф

и

ц

и

р

о

в

а

т

ь

.

Н

о

в

а

я

 

м

е

х

а

н

и

к

а

,

о

с

н

о

в

а

н

н

а

я

 

н

а

 

п

р

и

н

ц

и

п

е

 

о

т

н

о

с

и

т

е

л

ь

н

о

с

т

и

 

Э

й

н

ш

т

е

й

н

а

,

 

н

а

з

ы

в

а

е

т

с

я

 

релятивистской

(

о

т

 

л

а

т

и

н

с

к

о

г

о

relativus -

о

т

н

о

с

и

т

е

л

ь

н

ы

й

)

.

    

В

т

е

о

р

и

и

 

о

т

н

о

с

и

т

е

л

ь

н

о

с

т

и

 

в

ы

п

о

л

н

я

е

т

с

я

 

принцип соответствия

-

п

р

и

 

м

а

л

ы

х

 

с

к

о

р

о

с

т

я

х

 

д

в

и

ж

е

н

и

я

 

ч

а

с

т

и

ц

 

и

 

с

и

с

т

е

м

 

о

т

с

ч

е

т

а

 

р

е

л

я

т

и

в

и

с

т

с

к

и

е

 

в

ы

р

а

ж

е

н

и

я

 

п

е

р

е

х

о

д

я

т

 

в

 

ф

о

р

м

у

л

ы

 

н

ь

ю

т

о

н

о

в

о

й

 

м

е

х

а

н

и

к

и

.

Э

т

о

т

 

п

е

р

е

х

о

д

 

я

в

л

я

е

т

с

я

х

а

р

а

к

т

е

р

н

о

й

 

ч

е

р

т

о

й

л

ю

б

о

й

 

ф

и

з

и

ч

е

с

к

о

й

т

е

о

р

и

и:

с

т

а

р

ы

е

з

н

а

н

и

я

н

е

п

е

р

е

ч

е

р

к

и

в

а

ю

т

с

я

 

н

о

в

ы

м

и

д

о

с

т

и

ж

е

н

и

я

м

и,

а

 

в

к

л

ю

ч

а

ю

т

с

я

н

и

х

 

к

а

к

 

п

р

е

д

е

л

ь

н

ы

й

ч

а

с

т

н

ы

й

 

с

л

у

ч

а

й.

    

О

б

р

а

т

н

о

е

 

п

р

е

о

б

р

а

з

о

в

а

н

и

е

к

о

о

р

д

и

н

а

т

 

с

и

с

т

е

м

ы

S

в

 

к

о

о

р

д

и

н

а

т

ы

с

и

с

т

е

м

ы

S

¢

м

о

ж

н

о

 

п

о

л

у

ч

и

т

ь

,

п

о

м

е

н

я

в

 

м

е

с

т

а

м

и

 

ш

т

р

и

х

о

в

а

н

н

ы

е

и

 

н

е

ш

т

р

и

х

о

в

а

н

н

ы

е

к

о

о

р

д

и

н

а

т

ы

и

 

п

р

о

в

е

д

я

 

з

а

м

е

н

у V

®

- V:

x = x¢ + V t¢ 
    ________ 
Ö1 - (V/c)2 
 
 
 
,     y = y¢,    z = z¢,    t = t¢ + x¢ V/c2 
    ________ 
Ö1 - (V/c)2 
 
 
 
.
 
  

Информация о работе Теория относительности