Тема 9. Специальная теория относительности

Теория относительности – теория, сформулированная А.Эйнштейном, которая стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла. ТО состоит из двух частей: 1) специальной ТО (1905), в которой было обнаружен относительный характер одновременности событий и относительность к скорости пространственно-временных характеристик тел (длины, массы и времени протекания процессов); 2) общей ТО (1906-1916), в которой были сформулированы представления об относительности материи, пространства и времени и обосновано существование пространства и времени как единой четырехмерной структуры. Предпосылками создания ТО выступили преобразования Лоренца и опыт Майкельсона– Морли.

Преобразования Лоренца – математические уравнения, выведенные нидерландским физиком Х.Лоренцом, для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на этих телах, в зависимости от скорости движения. Из преобразований Лоренца следует, что при увеличении скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной а) длина отрезка в направлении движения уменьшается относительно неподвижной системы и б) ход времени относительно неподвижной системы замедляется.

Опыт Майкельсона–Морли – эксперимент, проведенный в 1887 г. А. Майкельсоном и Э.Морли, в котором было обнаружено, что скорость света является постоянной величиной для всех наблюдателей, как бы они ни двигались. Этот опыт опроверг гипотезу существования "мирового эфира", который порождал бы "эфирный ветер" при движении Земли и сносил бы свет, испускаемый источником на Земле, в направлении против движения нашей планеты.

Принцип относительности – а) классический ПО, сформулированный Г.Галилеем в XVII в., гласит: никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно; между покоем и движением нет никакой разницы, они описываются одними и теми же законами (равноправие движения и покоя, т.е. инерциальных систем); б) неклассический (расширенный) ПО, сформулированный в теории относительности А.Эйнштейна, утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением.

Специальная теория относительности – теория, сформулированная в 1905 г. А.Эйнштейном, в которой произошел отказ от ньютоновской концепции абсолютного пространства и времени как противоречащему принципу относительности Галилея и не имеющей реального физического содержания. В основе СТО лежат два постулата: 1) расширенный принцип относительности – все физические процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково; 2) принцип постоянства скорости света – скорость света в вакууме постоянна (инвариантна) и не зависит от движения источника и приемника света; передача физических взаимодействий со сверхсветовой скоростью невозможна, т.к. привела бы к нарушению причинно-следственной связи во Вселенной, в мире воцарился бы хаос и случайность. В мысленном эксперименте Эйнштейн обнаружил, что понятие одновременности событий всегда относительно, что привело к пониманию того, что относительным характером обладают пространственно-временные характеристики тел – длина, масса и время протекания процессов, которые зависят от скорости движения тел. Из СТО следуют три релятивистских эффекта – изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света: 1) движущееся относительно наблюдателя тело имеет меньший размер, чем покоящееся, т.е. с ростом скорости тела его размер сокращается в направлении движения и когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер стремится к нулю; 2) движущееся относительно наблюдателя тело имеет большую массу, чем покоящееся, т.е. с возрастанием скорости движения тела его масса увеличивается; поэтому невозможно разогнать тело с массой покоя отличной от нуля до скорости света, т.к. это потребовало бы бесконечной энергии; отсюда форма эквивалентности массы и энергии: E = mc² (масса тела есть мера содержащейся в нем энергии); 3) в движущейся относительно наблюдателя системе отсчета часы идут медленнее, чем в неподвижной, т.е. в инерциальных системах отсчета с увеличением скорости движения темп времени замедляется.

Скорость света – самая большая из всех скоростей в природе (с примерно равна 300 000 км/с), предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира. СС абсолютна, т.е. не складывается с другими скоростями (как скорости всех тел), а всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. СС – это верхний предел, максимум для скорости перемещения любых тел в природе и распространения любых волн и сигналов

Инерциальные системы – это системы, покоящиеся или дви­жущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.