У дома · Инструмент · Специална теория на относителността. Специална теория на относителността

Специална теория на относителността. Специална теория на относителността

След като математиците създадоха правила в пространството на понятията и числата, учените бяха сигурни, че могат само да провеждат експерименти и с помощта на логически конструкции да обяснят структурата на всички неща. В разумни граници законите на математиката работят. Но експериментите, които надхвърлят ежедневните концепции и идеи, изискват нови принципи и закони.

Идея

В средата на 19 век удобната идея за универсален етер се разпространява навсякъде, което устройва повечето учени и изследователи. Мистериозният етер се превърна в най-разпространения модел, обясняващ физическите процеси, известни по това време. Но към математическото описание на хипотезата за етера постепенно бяха добавени много необясними факти, които бяха обяснени с различни допълнителни условия и предположения. Постепенно последователната теория за етера придоби „патерици“, те бяха твърде много. Бяха необходими нови идеи, за да се обясни структурата на нашия свят. Постулатите на специалната теория на относителността отговаряха на всички изисквания - те бяха кратки, последователни и напълно потвърдени от експериментите.

Опитите на Майкелсън

Последната капка, която „преля чашата“ на хипотезата за етера, бяха изследванията в областта на електродинамиката и обясняващите ги уравнения на Максуел. Когато довежда резултатите от експериментите до математическо решение, Максуел използва теорията на етера.

В своя експеримент изследователите предизвикаха синхронно излъчване на два лъча, идващи в различни посоки. Като се има предвид, че светлината се движи в "етера", един светлинен лъч трябва да се движи по-бавно от другия. Въпреки многобройните повторения на експеримента резултатът беше същият – светлината се движеше с постоянна скорост.

По друг начин не можеше да се обясни фактът, че според изчисленията скоростта на светлината в хипотетичния етер е винаги една и съща, независимо от това колко бързо се движи наблюдателят. Но за да се обяснят резултатите от изследването, се изисква референтната рамка да бъде „идеална“. И това противоречи на постулата на Галилей за инвариантността на всички инерциални референтни системи.

Нова теория

В началото на двадесети век цяла плеяда учени започнаха да развиват теория, която да съгласува резултатите от изследванията на електромагнитните трептения с принципите на класическата механика.

При разработването на новата теория беше взето предвид, че:

Движението със скорост, близка до светлинната, променя формулата на втория закон на Нютон, който свързва ускорението със силата и масата;

Уравнението за импулса на тялото трябва да има различна, по-сложна формула;

Скоростта на светлината остава постоянна, независимо от избраната отправна система.

Усилията на А. Поанкаре, Г. Лоренц и А. Айнщайн доведоха до създаването на специалната теория на относителността, която примири всички недостатъци и обясни съществуващите наблюдения.

Основни понятия

Основите на специалната теория на относителността са в дефинициите, с които оперира тази теория

1. Отправна система - материално тяло, което може да се приеме за начало на отправната система и времевата координата, през което наблюдателят ще наблюдава движението на обектите.

2. Инерциална отправна система е тази, която се движи равномерно и праволинейно.

3. Събитие. Специалната и общата теория на относителността разглеждат събитието като локализиран в пространството физически процес с ограничена продължителност. Координатите на даден обект могат да бъдат зададени в триизмерното пространство като (x, y, z) и период от време t. Стандартен пример за такъв процес е светкавицата.

Специалната теория на относителността разглежда инерционни отправни системи, в които първата система се движи близо до втората с постоянна скорост. В този случай търсенето на връзки между координатите на обектите в тези инерциални системи е приоритет за SRT и е включено в основните му задачи. Специалната теория на относителността успя да реши този проблем с помощта на формулите на Лоренц.

Постулати на SRT

При разработването на теорията Айнщайн отхвърли всички многобройни предположения, които бяха необходими в подкрепа на теорията за етера. Простотата и математическата доказуемост бяха двата стълба, на които се крепеше неговата специална теория на относителността. Накратко, неговите предпоставки могат да бъдат сведени до два постулата, които са били необходими за създаването на нови закони:

  1. Всички физически закони в инерциалните системи се изпълняват еднакво.
  2. Скоростта на светлината във вакуум е постоянна, не зависи от местоположението на наблюдателя и неговата скорост.

Тези постулати на специалната теория на относителността направиха теорията за митичния етер безполезна. Вместо тази субстанция беше предложена концепцията за четириизмерно пространство, свързващо времето и пространството. При посочване на местоположението на тялото в пространството е необходимо да се вземе предвид четвъртата координата - времето. Тази идея изглежда доста изкуствена, но трябва да се има предвид, че потвърждението на тази гледна точка е в границите на скоростите, съизмерими със скоростта на светлината, а в ежедневието законите на класическата физика вършат своята работа перфектно. Принципът на относителността на Галилей е валиден за всички инерциални отправни системи: ако правилото F = ma се спазва в CO k, тогава то ще бъде правилно в друга отправна система k’. В класическата физика времето е определена величина и стойността му е непроменена и не зависи от движението на инерционния референт.

Преустройства в сервизи

Накратко координатите на точката и времето могат да бъдат обозначени по следния начин:

x" = x - vt и t" = t.

Тази формула е дадена от класическата физика. Специалната теория на относителността предлага тази формула в по-сложна форма.

В това уравнение величините (x,x' y,y' z,z' t,t') означават координатите на обекта и протичането на времето в наблюдаваните отправни системи, v е скоростта на обекта, и c е скоростта на светлината във вакуум.

Скоростите на обектите в този случай трябва да съответстват на нестандартните Галилееви

формула v= s/t и тази трансформация на Лоренц:

Както се вижда, при пренебрежимо малка скорост на тялото тези уравнения се израждат в добре познатите уравнения на класическата физика. Ако вземем другата крайност и зададем скоростта на обекта да бъде равна на скоростта на светлината, тогава в този граничен случай пак получаваме c. От тук специалната теория на относителността заключава, че нито едно тяло в наблюдавания свят не може да се движи със скорост, по-голяма от скоростта на светлината.

Последици от STO

При по-нататъшно разглеждане на трансформациите на Лоренц става ясно, че нестандартни неща започват да се случват със стандартни обекти. Последиците от специалната теория на относителността са промени в дължината на даден обект и изтичането на времето. Ако дължината на сегмент в една референтна система е равна на l, тогава наблюденията от друга операционна система ще дадат следната стойност:

Така се оказва, че наблюдател от втората референтна система ще види сегмент, по-къс от първия.

Удивителните трансформации засегнаха и такава величина като времето. Уравнението за t координатата ще изглежда така:

Както можете да видите, времето тече по-бавно във втората отправна система, отколкото в първата. Естествено, и двете уравнения ще дадат резултати само при скорости, сравними със скоростта на светлината.

Айнщайн е първият, който извежда формулата за забавяне на времето. Той също така предложи да се реши така нареченият „парадокс на близнаците“. Според условията на този проблем има братя близнаци, единият от които остана на Земята, а вторият излетя на ракета в космоса. Според формулата, написана по-горе, братята ще остаряват по различен начин, тъй като времето тече по-бавно за пътуващия брат. Този парадокс има решение, ако вземем предвид, че братът, който си оставаше вкъщи, винаги беше в инерционна отправна система, а неспокойният близнак пътуваше в неинерциална отправна система, която се движеше с ускорение.

Масова промяна

Друго следствие от STR е промяната в масата на наблюдавания обект в различни FR. Тъй като всички физични закони действат еднакво във всички инерционни отправни системи, трябва да се спазват основните закони за запазване - импулс, енергия и ъглов момент. Но тъй като скоростта на наблюдател в неподвижен СО е по-голяма, отколкото в движещ се, тогава, съгласно закона за запазване на импулса, масата на обекта трябва да се промени със сумата:

В първата отправна система обектът трябва да има по-голяма телесна маса, отколкото във втората.

Приемайки скоростта на тялото, равна на скоростта на светлината, получаваме неочаквано заключение - масата на обекта достига безкрайна стойност. Разбира се, всяко материално тяло в наблюдаваната вселена има своя собствена крайна маса. Уравнението казва само, че никой физически обект не може да се движи със скоростта на светлината.

Връзка маса/енергия

Когато скоростта на обект е много по-малка от скоростта на светлината, уравнението за маса може да се сведе до формата:

Изразът m 0 c представлява определено свойство на обект, което зависи само от неговата маса. Това количество се нарича енергия на покой. Сумата от енергиите на покой и движение може да бъде записана по следния начин:

mc 2 = m 0 c + E кин.

От това следва, че общата енергия на даден обект може да се изрази с формулата:

Простотата и елегантността на енергийната формула на тялото придават завършеност,

където E е общата енергия на тялото.

Простотата и елегантността на известната формула на Айнщайн придават завършеност на специалната теория на относителността, правейки я вътрешно последователна и не изискваща много предположения. Така изследователите обясниха много противоречия и дадоха тласък на изучаването на нови природни явления.

Специалната теория на относителността (STR) на Айнщайн разширява границите на класическата Нютонова физика, която работи в областта на нерелативистичните скорости, малки в сравнение със скоростта на светлината c, до всякакви, включително релативистични, т.е. сравними с c, скорости. Всички резултати от релативистката теория се трансформират в резултати от класическата нерелативистка физика (принцип на съответствието).

Постулати на SRT.Специалната теория на относителността се основава на два постулата:

Първият постулат (принципът на относителността на Айнщайн): всички физични закони - както механични, така и електромагнитни - имат една и съща форма във всички инерциални отправни системи (IRS). С други думи, никакви експерименти не могат да отделят една отправна система и да я нарекат в покой. Този постулат е разширение на принципа на относителността на Галилей (виж раздел 1.3) към електромагнитните процеси.

Вторият постулат на Айнщайн: скоростта на светлината във вакуум е еднаква за всички ISO и е равна на c. Този постулат съдържа две твърдения едновременно:

а) скоростта на светлината не зависи от скоростта на източника,

б) скоростта на светлината не зависи от ISO, в която се намира наблюдателят с инструменти, т.е. не зависи от скоростта на приемника.

Постоянството на скоростта на светлината и нейната независимост от движението на източника следват от уравненията на Максуел за електромагнитното поле. Изглеждаше очевидно, че такова твърдение може да бъде вярно само в една референтна система. От гледна точка на класическите представи за пространство-време, всеки друг наблюдател, движещ се със скорост, трябва да получи скорост за идващ лъч, а за излъчен напред лъч - скорост. Такъв резултат би означавал, че уравненията на Максуел са изпълнени само в една ISO, изпълнена с неподвижен етер, спрямо който се разпространяват светлинни вълни. Въпреки това опитът да се открие промяна в скоростта на светлината, свързана с движението на Земята спрямо етера, даде отрицателен резултат (експеримент на Майкълсън-Морли). Айнщайн предполага, че уравненията на Максуел, както всички закони на физиката, имат една и съща форма във всички ISO, т.е. че скоростта на светлината във всеки ISO е равна на c (втори постулат). Това предположение доведе до преразглеждане на основните понятия за пространство и време.

Трансформации на Лоренц.Трансформациите на Лоренц свързват координатите и времето на събитие, измерено в две ISO, едната от които се движи спрямо другата с постоянна скорост V. Със същия избор на координатни оси и времева референция, както при трансформациите на Галилей (формула (7 )), трансформациите на Лоренц имат изглед:

Често е удобно да се използват трансформации за разликата между координатите и времената на две събития:

където за краткост е въведено обозначението

Трансформациите на Лоренц се трансформират в трансформациите на Галилей при . Те се извеждат от втория постулат на СТО и от изискването за линейност на трансформациите, изразяващи условието за еднородност на пространството. Обратните трансформации от към K могат да бъдат получени от (42), (43) чрез заместване на V с -V:

Намаляване на дължината.Дължината на движещ се сегмент се определя като разстоянието между точките, където краищата на сегмента са били разположени едновременно (т.е. разгледайте твърдо тяло, което се движи транслационно със скорост и асоциирайте референтна система с него. От уравнение (43) (в което трябва да кажем, че получаваме, че надлъжните размери на движещите се тела се свиват:

където е собственият надлъжен размер, т.е. измерено в отправна система К, в която тялото е неподвижно. Напречните размери на движещо се тяло не се променят.

Пример 1. Ако квадрат се движи със скорост по една от страните си, то той се превръща в правоъгълник с ъгъл между диагоналите, равен на .

Относителност на хода на времето.От трансформациите на Лоренц става ясно, че времето тече по различен начин в различните ISO. По-специално, събития, случващи се в система K едновременно, но

в различни точки на пространството, в K може да не е едновременно: то може да бъде както положително, така и отрицателно (относителността на едновременността). Часовник, който се движи с референтната рамка (т.е. неподвижен спрямо или показващ правилното време на тази ISO. От гледна точка на наблюдател в рамка А, тези часовници изостават от неговите собствени (забавяне на времето). Имайки предвид две показания на движещ се часовник като две събития, от (45) получаваме:

където е правилното време на движещия се часовник (по-точно, свързаното равенство на всички ISO се проявява във факта, че от гледна точка на наблюдателя K, часовниците, неподвижни спрямо , ще изостават от неговите собствени. (Имайте предвид, че в ред за да управлява движещ се часовник, стационарен наблюдател в различни моменти от времето използва различни часовници.) ​​Парадоксът на близнаците е, че SRT предсказва разлика във възрастта между двама близнаци, единият от които е останал на Земята, а другият е пътувал в дълбокия космос ( астронавтът ще бъде по-млад); това изглежда нарушава равенството на техните референтни системи. Всъщност само земният близнак беше в една и съща ISO през цялото време, докато астронавтът промени ISO, за да се върне на Земята (неговата собствена система от справката е неинерционна).

Пример 2. Средно собствено време на живот на нестабилен мюон, т.е. Поради ефекта на забавяне на времето, от гледна точка на земен наблюдател, космически мюон, летящ със скорост, близка до скоростта на светлината (7 1), живее средно и лети от родното си място в горната атмосфера на разстояние от порядъка на величината, което позволява да бъде записано на повърхността на Земята.

Добавяне на скорости в сервиза.Ако една частица се движи със скорост спрямо тогава нейната скорост спрямо K може да се намери чрез изразяване от (45) и заместване в

При c има преход към нерелативистичния закон за събиране на скоростите (формула). Важно свойство на формула (48) е, че ако V и е по-малко от c, то ще бъде по-малко от c. Например, ако ние ускоряваме частица до и след това, придвижвайки се до нейната референтна система, Нека я ускорим отново, докато получената скорост се окаже не. Вижда се, че не е възможно да се надвиши скоростта на светлината. Скоростта на светлината е максимално възможна скорост на предаване на взаимодействията в природата.

Интервал. Причинност.Трансформациите на Лоренц не запазват нито стойността на времевия интервал, нито дължината на пространствения сегмент. Въпреки това може да се покаже, че при преобразувания на Лоренц количеството

където се нарича интервал между събития 1 и 2. Ако тогава интервалът между събитията се нарича времеподобен, тъй като в този случай има ISO, в което т.е. събитията се случват на едно място, но по различно време. Такива събития може да са причинно-следствени. Ако, напротив, тогава интервалът между събитията се нарича космически, тъй като в този случай има ISO, в който, т.е. събитията се случват едновременно в различни точки на пространството. Не може да има причинно-следствена връзка между такива събития. Условието означава, че светлинен лъч, излъчен в момента на по-ранно събитие (например, от точка, няма време да достигне точката до момента на времето. Събитията, разделени от събитие 1 с времеподобен интервал, представляват в във връзка с него или абсолютното минало, или абсолютното бъдеще, последователността на тези събития е една и съща във всички ISO. Последователността от събития, разделени от интервал, подобен на интервал, може да бъде различна в различните ISO.

4-вектора на Лоренц.Четири величини, които при преминаване от система K към система K се трансформират по същия начин, както т.е. (виж (42)):

се нарича четириизмерен вектор на Лоренц (или накратко Лоренц-вектор). Величините се наричат ​​пространствени компоненти на вектора и неговата времева компонента. Сборът от два -вектора и произведението на -вектор и число също са -вектори. При промяна на ISO се запазва стойност, подобна на интервала: както и скаларното произведение Физическото равенство, написано като равенство на два -вектора, остава вярно във всички ISO.

Инерция и енергия в бензиностанциите.Компонентите на скоростта се трансформират по различен начин от 4-векторните компоненти (сравнете уравнения (48) и (50)), тъй като и числителят, и знаменателят се трансформират в израза. Следователно стойността, съответстваща на класическата дефиниция на импулса, не може да бъде запазена в

всички ISO. Релативисткият вектор на импулса се определя като

където е безкрайно малката промяна в собственото време на частицата (виж (47)), т.е. измерена в ISO, чиято скорост е равна на скоростта на частицата в даден момент, не зависи от коя ISO наблюдаваме частицата.) Пространствените компоненти на -вектора образуват релативистичния импулс

и времевата компонента се оказва равна на където E е релативистката енергия на частицата:

Релативистката енергия включва всички видове вътрешна енергия.

Пример 3. Нека енергията на тяло в покой нараства с Намерете импулса на това тяло в отправна система, движеща се със скорост .

Решение. В съответствие с формулите за релативистично преобразуване (54) импулсът е равен на Вижда се, че нарастването на масата съответства на формула (58).

Основен закон на релативистката динамика.Силата, приложена към частицата, е равна, както в класическата механика, на производната на импулса:

но релативистичният импулс (51) се различава от класическия. Под действието на приложена сила импулсът може да нараства неограничено, но от определението (51) става ясно, че скоростта ще бъде по-малка от c. Работа на силата (59)

равна на промяната в релативистката енергия. Тук бяха използвани формулите (виж (56)) и .

През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува своята специална теория на относителността (STR), която обяснява как да се интерпретират движенията между различни инерционни референтни системи - просто казано, обекти, които се движат с постоянна скорост един спрямо друг.

Айнщайн обясни, че когато два обекта се движат с постоянна скорост, трябва да се вземе предвид тяхното движение един спрямо друг, вместо да се приема един от тях като абсолютна референтна система.

Така че, ако двама астронавти, вие и, да речем, Херман, летите на два космически кораба и искате да сравните вашите наблюдения, единственото нещо, което трябва да знаете, е скоростта ви един спрямо друг.

Специалната теория на относителността разглежда само един частен случай (откъдето и името), когато движението е праволинейно и равномерно. Ако материално тяло се ускори или се завърти настрани, законите на STR вече не важат. Тогава влиза в сила общата теория на относителността (ОТО), която обяснява движенията на материалните тела в общия случай.

Теорията на Айнщайн се основава на два основни принципа:

1. Принципът на относителността: физическите закони се запазват дори за тела, които са инерционни референтни системи, т.е. движещи се с постоянна скорост едно спрямо друго.

2. Принцип на скоростта на светлината: Скоростта на светлината остава една и съща за всички наблюдатели, независимо от тяхната скорост спрямо източника на светлина. (Физиците обозначават скоростта на светлината като c).

Една от причините за успеха на Алберт Айнщайн е, че той цени експерименталните данни пред теоретичните. Когато редица експерименти разкриха резултати, които противоречат на общоприетата теория, много физици решиха, че тези експерименти са грешни.

Алберт Айнщайн е един от първите, които решават да изградят нова теория, базирана на нови експериментални данни.

В края на 19-ти век физиците са в търсене на мистериозния етер - среда, в която според общоприетите предположения трябва да се разпространяват светлинни вълни, подобно на акустичните вълни, за чието разпространение е необходим въздух или друга среда - твърдо вещество, течни или газообразни. Вярата в съществуването на етера доведе до убеждението, че скоростта на светлината трябва да варира в зависимост от скоростта на наблюдателя по отношение на етера.

Алберт Айнщайн изоставя концепцията за етера и приема, че всички физически закони, включително скоростта на светлината, остават непроменени независимо от скоростта на наблюдателя - както показват експериментите.

Хомогенност на пространството и времето

SRT на Айнщайн постулира фундаментална връзка между пространството и времето. Материалната Вселена, както знаем, има три пространствени измерения: горе-долу, дясно-ляво и напред-назад. Към нея се добавя още едно измерение – времето. Заедно тези четири измерения образуват пространствено-времевия континуум.

Ако се движите с висока скорост, вашите наблюдения на пространството и времето ще бъдат различни от тези на други хора, движещи се с по-бавна скорост.

Картината по-долу е мисловен експеримент, който ще ви помогне да разберете тази идея. Представете си, че сте на космически кораб, в ръцете ви е лазер, с който изпращате лъчи светлина към тавана, на който е монтирано огледало. Светлината, отразена, попада върху детектора, който ги регистрира.

Отгоре - изпратихте лъч светлина към тавана, той се отрази и падна вертикално върху детектора. Отдолу - За Херман вашият лъч светлина се движи диагонално към тавана и след това диагонално към детектора

Да приемем, че вашият кораб се движи с постоянна скорост, равна на половината от скоростта на светлината (0,5c). Според SRT на Айнщайн това няма значение за вас; вие дори не забелязвате движението си.

Но Херман, който ви наблюдава от почиващ звезден кораб, ще види съвсем различна картина. От негова гледна точка лъч светлина ще премине диагонално към огледалото на тавана, ще се отрази от него и ще падне диагонално върху детектора.

С други думи, пътят на светлинния лъч ще изглежда различно за вас и за Херман и неговата дължина ще бъде различна. И следователно продължителността на времето, необходимо на лазерния лъч да измине разстоянието до огледалото и до детектора, ще ви изглежда различно.

Това явление се нарича забавяне на времето: времето на звезден кораб, движещ се с висока скорост, тече много по-бавно от гледна точка на наблюдател на Земята.

Този пример, както и много други, ясно демонстрират неразривната връзка между пространството и времето. Тази връзка ясно се вижда от наблюдателя само когато говорим за високи скорости, близки до скоростта на светлината.

Експериментите, проведени откакто Айнщайн публикува великата си теория, потвърдиха, че пространството и времето наистина се възприемат по различен начин в зависимост от скоростта на обектите.

Комбиниране на маса и енергия

Според теорията на великия физик, когато скоростта на едно материално тяло се увеличава, доближавайки скоростта на светлината, се увеличава и неговата маса. Тези. Колкото по-бързо се движи един обект, толкова по-тежък става. При достигане на скоростта на светлината масата на тялото, както и енергията му стават безкрайни. Колкото по-тежко е тялото, толкова по-трудно е да се увеличи скоростта му; Ускоряването на тяло с безкрайна маса изисква безкрайно количество енергия, така че е невъзможно материалните обекти да достигнат скоростта на светлината.

Преди Айнщайн понятията маса и енергия се разглеждат отделно във физиката. Брилянтният учен доказа, че законът за запазване на масата, както и законът за запазване на енергията, са част от по-общия закон за маса-енергия.

Благодарение на фундаменталната връзка между тези две понятия, материята може да се превърне в енергия и обратно – енергията в материя.

Съдържанието на статията

СПЕЦИАЛНА ТЕОРИЯ НА ОТНОСИТЕЛНОСТТА –съвременна теория за пространството и времето, в най-обща форма установяваща връзка между събитията в пространство-времето и определяща формата на запис на физическите закони, която не се променя при преминаване от една инерционна референтна система към друга. Ключът към теорията е новото разбиране на концепцията за едновременност на събитията, формулирана в основополагащия труд на А. Айнщайн За електродинамиката на движещите се среди(1905) и се основава на постулата за съществуването на максимална скорост на разпространение на сигнала - скоростта на светлината във вакуум. Специалната теория на относителността обобщава идеите на класическата механика на Галилей-Нютон за случая на тела, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината.

Спорове за излъчване.

Откакто беше установена вълновата природа на светлината, физиците бяха убедени, че трябва да има среда (наречена е етер), в която се разпространяват светлинните вълни. Тази гледна точка беше потвърдена от целия опит на класическата физика, примери за акустични вълни, вълни на повърхността на водата и др. Когато J.C. Maxwell доказа, че трябва да има електромагнитни вълни, които се движат през празното пространство със скоростта на светлината ° С, той не се съмняваше, че тези вълни трябва да се разпространяват в някаква среда. Г. Херц, който пръв регистрира излъчването на електромагнитни вълни, се придържа към същата гледна точка. Тъй като електромагнитните вълни се оказаха напречни (това следва от уравненията на Максуел), Максуел трябваше да изгради гениален механичен модел на среда, в която напречните вълни могат да се разпространяват (това е възможно само в много еластични твърди тела) и която в същото време би да е напълно пропусклива и да не пречи на движението на тела през нея. Тези две изисквания си противоречат, но до началото на този век не беше възможно да се предложи по-разумна теория за разпространението на светлината във вакуум.

Хипотезата за съществуването на етера води до редица очевидни следствия. Най-простият от тях: ако приемникът на светлинна вълна се движи към източника със скорост vспрямо етера, тогава според законите на класическата физика скоростта на светлината спрямо приемника трябва да бъде равна на скоростта на светлината спрямо етера (която естествено се счита за постоянна) плюс скоростта на приемника спрямо етера етер (законът на Галилей за събиране на скоростите): сў = ° С + v. По същия начин, ако източникът се движи със скорост vкъм приемника, тогава относителната скорост на светлината трябва да бъде равна на сў = ° С - v. По този начин, ако етерът съществува, тогава има определена абсолютна референтна система, спрямо която (и само спрямо нея) скоростта на светлината е равна с, и във всички други отправни системи, движещи се равномерно спрямо етера, скоростта на светлината не е равна с. Дали това е вярно или не може да се реши само с помощта на директен експеримент, който се състои в измерване на скоростта на светлината в различни референтни системи. Ясно е, че е необходимо да се намерят такива референтни рамки, които се движат с максимална скорост, особено след като може да се докаже, че всички наблюдавани ефекти от отклонението на скоростта на светлината от стойността с, свързани с движението на една референтна система спрямо друга, трябва да са от порядъка v 2/° С 2. Подходящ обект изглежда Земята, която се върти около Слънцето с линейна скорост v~ 10 4 m/s, така че корекциите трябва да са от порядъка на ( v/° С) 2 ~ 10 –8 . Тази стойност изглежда изключително малка, но А. Майкелсън успява да създаде устройство - интерферометъра на Майкелсън, което е в състояние да регистрира такива отклонения.

През 1887 г. А. Майкелсън, заедно с колегата си Ю. Морли, измерва скоростта на светлината в подвижна референтна система. Идеята за преживяване напомня за измерване на времето, което един плувец прекарва в пресичане на река по течението и обратно и плуване на същото разстояние по и срещу течението. Отговорът беше зашеметяващ: движението на референтната система спрямо етера не оказва никакво влияние върху скоростта на светлината.

Най-общо казано, от това могат да се направят два извода. Може би етерът съществува, но когато телата се движат през него, той се увлича изцяло от движещите се тела, така че скоростта на телата спрямо етера е нула. Тази хипотеза за увличане е тествана експериментално в експериментите на Физо и самия Майкелсън и се оказва, че противоречи на експеримента. Джон Бърнал нарече известния експеримент Майкелсън-Морли най-забележителният отрицателен експеримент в историята на науката. Остана втората възможност: не съществува етер, който може да бъде открит експериментално, с други думи, няма разграничена абсолютна отправна система, в която скоростта на светлината е равна на с; напротив, тази скорост е еднаква във всички инерциални отправни системи. Именно тази гледна точка стана основата на новата теория.

Специалната (частна) теория на относителността (STR), която успешно разреши всички противоречия, свързани с проблема за съществуването на етера, е създадена от А. Айнщайн през 1905 г. Важен принос за развитието на SRT е направен от H.A. Лоренц, А. Поанкаре и Г. Минковски.

Специалната теория на относителността оказва революционно влияние върху физиката, отбелязвайки края на класическия етап от развитието на тази наука и прехода към съвременната физика на 20 век. На първо място, специалната теория на относителността напълно промени възгледите за пространството и времето, които съществуваха преди нейното създаване, показвайки неразривната връзка на тези понятия. В рамките на SRT за първи път беше ясно формулирана концепцията за едновременност на събитията и беше показана относителността на тази концепция и нейната зависимост от избора на конкретна референтна система. Второ, STR напълно разреши всички проблеми, свързани с хипотезата за съществуването на етера, и направи възможно формулирането на хармонична и последователна система от уравнения на класическата физика, която замени уравненията на Нютон. Трето, STR стана основа за изграждането на фундаментални теории за взаимодействията на елементарните частици, преди всичко квантовата електродинамика. Точността на експериментално проверените прогнози на квантовата електродинамика е 10 –12, което характеризира точността, с която можем да говорим за валидността на SRT.

Четвърто, SRT се превърна в основа за изчисляване на освобождаването на енергия при ядрен разпад и реакции на синтез, т.е. основа за създаването както на атомни електроцентрали, така и на атомни оръжия. И накрая, анализът на данните, получени от ускорителите на частици, както и дизайнът на самите ускорители, се основават на SRT формули. В този смисъл SRT отдавна се е превърнал в инженерна дисциплина.

Четириизмерен свят.

Човек не съществува в триизмерен пространствен свят, а в четириизмерен свят на събития (под събитие се разбира физическо явление в дадена точка от пространството в даден момент от времето). Едно събитие се характеризира със задаване на три пространствени координати и една времева. Така всяко събитие има четири координати: ( T; х, г, z). Тук х, г, z– пространствени координати (например декартови). За да определите координатите на дадено събитие, трябва да зададете (или да можете да зададете): 1) началото на координатите; 2) безкрайна твърда решетка от взаимно перпендикулярни пръти с единична дължина, запълващи цялото пространство; освен това, вие трябва: 3) да поставите идентичен часовник във всеки възел на решетката (т.е. устройство, способно да отчита еднакви периоди от време; конкретното устройство няма значение); 4) синхронизиране на часовници. Тогава всяка точка в пространството, разположена близо до решетъчен възел, има като пространствени координати броя на възлите по всяка от осите от началото и времева координата, равна на показанията на часовника в най-близкия възел. Всички точки с четири координати запълват четириизмерно пространство, наречено пространство-време. Ключовият въпрос за физиката е въпросът за геометриятова пространство.

За описване на събития в пространство-времето е удобно да се използват пространствено-времеви диаграми, които изобразяват последователността от събития за дадено тяло. Ако (за илюстрация) се ограничим до двуизмерни ( х,T)-пространство, тогава типичната пространствено-времева диаграма на събитията в класическата физика изглежда както е показано на фиг. 1.

Хоризонтална ос хсъответства и на трите пространствени координати ( х, г, z), вертикално – време T, а посоката от „минало” към „бъдеще” съответства на движението отдолу нагоре по оста T.

Всяка точка на хоризонтална линия, пресичаща ос Tпод нулата, съответства на позицията на някакъв обект в пространството в даден момент от времето (в миналото спрямо произволно избрана точка от времето T= 0). И така, на фиг. 1 тяло беше на мястото А 1 интервал наведнъж T 1. Точки от хоризонтална линия, съвпадащи с оста х, изобразяват пространственото положение на телата в даден момент от времето T= 0 (точка А 0). Права линия, начертана над оста х, съответства на позицията на телата в бъдещето (точка А 2 – позицията, която тялото ще заеме в момента T 2). Ако свържете точките А 1, А 0, А 2, получавате световна линия тела. Очевидно положението на тялото в пространството не се променя (пространствените координати остават постоянни), така че тази световна линия представлява тяло в покой.

Ако световната линия е права, наклонена под определен ъгъл (права IN 1IN 0IN 2 на фиг. 1), това означава, че тялото се движи с постоянна скорост. Колкото по-малък е ъгълът между световната линия и хоризонталната равнина, толкова по-голяма е скоростта на тялото. В рамките на класическата физика наклонът на световната линия може да бъде всякакъв, тъй като скоростта на тялото не е ограничена от нищо.

Това твърдение за липсата на ограничение на скоростта на движение на телата имплицитно се съдържа в Нютоновата механика. Позволява ни да придадем смисъл на концепцията за едновременност на събитията без позоваване на конкретен наблюдател. Наистина, движейки се с крайна скорост, от всяка точка СЪС 0 върху повърхност за еднакво време може да се стигне до точка СЪС 1, съответстващ на по-късен момент. Възможно от по-ранна точка СЪС 2 стигна до точката СЪС 0. Невъзможно е обаче, движейки се с крайна скорост, да се преместите от точката СЪС 0 до всякакви точки А, IN,...на същата повърхност. Всички събития на тази повърхност са едновременни (фиг. 2). Можете да го кажете по друг начин. Нека във всяка точка на триизмерното пространство има еднакви часовници. Възможност за предаване на сигнали сбезкрайно висока скорост означава, че е възможно едновременно да се синхронизират всички часовници, без значение колко далеч един от друг са и без значение колко бързо се движат (всъщност сигналът за точното време достига незабавно до всички часовници). С други думи, в рамките на класическата механика ходът на часовника не зависи от това дали се движи или не.

Концепцията за едновременност на събитията според Айнщайн.

В рамките на Нютоновата механика всички едновременни събития лежат в „равнината“ на фиксираното време T, заемащи изцяло триизмерното пространство (фиг. 2). Геометричните връзки между точките в триизмерното пространство се подчиняват на законите на обикновената евклидова геометрия. Така пространство-времето на класическата механика е разделено на пространство и време, независими едно от друго.

Ключът към разбирането на основите на STR е, че е невъзможно да си представим пространство-времето като независими едно от друго. Ходът на часовниците в различни точки на едно пространство-време е различен и зависи от скоростта на наблюдателя. Този удивителен факт се основава на факта, че сигналите не могат да се разпространяват с безкрайна скорост (невъзможност за работа на разстояние).

Следният мисловен експеримент ни позволява да разберем по-добре значението на концепцията за едновременност. Да предположим, че при две противоположни стени на вагон се движи с постоянна скорост v, едновременно бяха произведени проблясъци от светлина. За наблюдател, разположен в средата на колата, проблясъци от светлина от източниците ще пристигнат едновременно. От гледна точка на външен наблюдател, стоящ на платформата, светкавицата ще дойде по-рано от източника, който се приближава към наблюдателя. Всички тези съображения предполагат, че светлината се движи с ограничена скорост.

По този начин, ако изоставим действието на дълги разстояния, с други думи, възможността за предаване на сигнали с безкрайно висока скорост, тогава понятието за едновременност на събитията става относително, зависимо от наблюдателя. Тази промяна във възгледа за едновременността е най-фундаменталната разлика между STR и предрелативистката физика.

За да дефинира концепцията за едновременност и синхронизация на часовници, разположени в различни пространствени точки, Айнщайн предложи следната процедура. Нека от точката Авъв вакуум се изпраща много къс светлинен сигнал; при подаване на сигнал часовникът е в точката Авреме за шоу T 1 . Сигналът пристига в точката INв момента, когато часовникът е в точката INвреме за шоу T". След размисъл в точка INсигналът се връща към точката А, така че в момента часовникът пристига Авреме за шоу T 2. По дефиниция часове в АИ INсинхронизирано, ако е в точка INчасовникът е настроен така, че T" = (T 1 + T 2)/2.

Постулати на специалната теория на относителността.

1. Първият постулат е принципът на относителността, който гласи, че от всички възможни движения на тела може да се разграничи (без препратка към движението на други тела) определен клас движения, наречени неускорени или инерционни. Отправните системи, свързани с тези движения, се наричат ​​инерционни отправни системи. В класа на инерциалните системи няма как да се разграничи движеща се система от неподвижна. Физическото съдържание на първия закон на Нютон е твърдение за съществуването на инерционни референтни системи.

Ако има една инерциална система, това означава, че те са безкрайно много. Всяка отправна система, движеща се спрямо първата с постоянна скорост, също е инерционна.

Принципът на относителността гласи, че всички уравнения на всички физични закони имат една и съща форма във всички инерционни референтни системи, т.е. физическите закони са инвариантни по отношение на прехода от една инерционна референтна система към друга. Важно е да се установи какви формули определят трансформацията на координатите и времето на събитие по време на такъв преход.

В класическата Нютонова физика вторият постулат е имплицитно твърдение за възможността сигналите да се разпространяват с безкрайно висока скорост. Това води до възможността за едновременна синхронизация на всички часовници в космоса и до независимост на часовника от скоростта на тяхното движение. С други думи, при преминаване от една инерционна система към друга времето не се променя: Tў = T. Тогава формулите за трансформиране на координатите при преминаване от една инерциална референтна система към друга (галилееви трансформации) стават очевидни:

хў = х – vt, гў = г, zў = z, Tў = T.

Уравненията, изразяващи законите на класическата механика, са инвариантни спрямо Галилеевите трансформации, т.е. не променят формата си при преминаване от една инерционна референтна система към друга.

В специалната теория на относителността принципът на относителността се прилага за всички физически явления и може да се изрази по следния начин: никакви експерименти (механични, електрически, оптични, топлинни и т.н.) не позволяват да се разграничи една инерциална отправна система от друга, т.е. Няма абсолютен (независим от наблюдателя) начин да се знае скоростта на инерциална отправна система.

2. Вторият постулат на класическата механика за неограничената скорост на разпространение на сигналите или движението на телата е заменен в STR с постулата за съществуването на пределна скорост на разпространение на физически сигнали, числено равна на скоростта на разпространение на светлината във вакуум

с= 2,99792458·10 8 m/s.

По-точно, STR постулира независимостта на скоростта на светлината от скоростта на движение на източника или приемника на тази светлина. След това може да се докаже, че се максималната възможна скорост на разпространение на сигнала и тази скорост е една и съща във всички инерциални референтни системи.

Как ще изглеждат пространствено-времевите диаграми сега? За да разберем това, трябва да се обърнем към уравнението, което описва разпространението на фронта на сферична светлинна вълна във вакуум. Нека в момента T= 0 имаше проблясък на светлина от източник, разположен в началото ( х, г, z) = 0. Във всеки следващ момент T> 0 фронтът на светлинната вълна ще бъде сфера с радиус л = ct, като се разширява равномерно във всички посоки. Уравнението на такава сфера в триизмерното пространство има формата:

х 2 + г 2 + z 2 = ° С 2T 2 .

На пространствено-времевата диаграма световната линия на светлинната вълна ще бъде изобразена като прави линии, наклонени под ъгъл 45° спрямо оста х. Ако вземем предвид, че координатната хдиаграмата всъщност съответства на съвкупността от трите пространствени координати, тогава уравнението на фронта на светлинната вълна определя определена повърхност в четиримерното пространство на събитията, която обикновено се нарича светлинен конус.

Всяка точка от пространствено-времевата диаграма е събитие, случило се на определено място в определен момент от времето. Нека точката ОТНОСНОна фиг. 3 съответства на някакво събитие. Във връзка с това събитие всички останали събития (всички останали точки на диаграмата) са разделени на три области, условно наречени конуси на миналото и бъдещето и пространствоподобна област. Всички събития в рамките на конуса на миналото (например събитието Ана диаграмата) се случват в такива моменти във времето и на такова разстояние от ОТНОСНОза да можете да стигнете до точката ОТНОСНО, движейки се със скорост, която не надвишава скоростта на светлината (от геометрични съображения е ясно, че ако v > ° С, след това наклонът на световната линия спрямо оста хнамалява, т.е. ъгълът на наклон става по-малък от 45 °; и обратно, ако v c, след това ъгълът на наклон спрямо оста хстава повече от 45°). По същия начин събитието INлежи в конуса на бъдещето, тъй като тази точка може да бъде достигната чрез движение със скорост v° С.

Различна ситуация със събития в регион, подобен на пространство (например събитието СЪС). За тези събития връзката между пространственото разстояние до точката ОТНОСНОа времето е такова, че да се стигне до ОТНОСНОе възможно само при движение със свръхсветлинна скорост (пунктираната линия на диаграмата изобразява световната линия на такова забранено движение; може да се види, че наклонът на тази световна линия спрямо оста x е по-малък от 45°, т.е. v > ° С).

И така, всички събития по отношение на дадено се разделят на два нееквивалентни класа: тези, които се намират вътре в светлинния конус и извън него. Първите събития могат да бъдат реализирани от реални тела, движещи се със скорост vв, второто - не.

Трансформации на Лоренц.

Формулата, описваща разпространението на фронта на сферична светлинна вълна, може да бъде пренаписана като:

° С 2T 2 – х 2 – г 2 – z 2 = 0.

Позволявам с 2 = ° С 2T 2 – х 2 – г 2 – z 2. Големина снаречен интервал. Тогава уравнението за разпространение на светлинна вълна (уравнението на светлинен конус върху пространствено-времева диаграма) ще приеме формата:

От геометрични съображения в областите на абсолютното минало и абсолютното бъдеще (в противен случай те се наричат ​​времеподобни области) с 2 > 0 и в пространствоподобната област с 2 s е инвариантно по отношение на прехода от една инерциална отправна система към друга. Според принципа на относителността уравнението с 2 = 0, който изразява физическия закон за разпространение на светлината, трябва да има една и съща форма във всички инерционни отправни системи.

величина с 2 не е инвариантна спрямо Галилеевите трансформации (проверено чрез заместване) и можем да заключим, че трябва да има други трансформации на координати и време при преминаване от една инерциална система към друга. В същото време, като се вземе предвид относителният характер на едновременността, вече не е възможно да се разгледа Tў = T, т.е. считат времето за абсолютно, движещо се независимо от наблюдателя и като цяло отделят времето от пространството, както може да се направи в Нютоновата механика.

Трансформации на координатите и времето на събитие по време на прехода от една инерциална референтна система към друга, без промяна на стойността на интервала с 2, се наричат ​​трансформации на Лоренц . В случай, че една инерционна референтна система се движи спрямо друга по оста хсъс скорост v, тези трансформации изглеждат така:

Тук те са записани като трансформации на Лоренц от нешрифирана координатна система ДА СЕ(условно се счита за стационарна или лабораторна система) към щрихована система ДА СЕу и обратно. Тези формули се различават по знака за скорост v, което съответства на принципа на относителността на Айнщайн: ако ДА СЕў се движи спрямо ДА СЕсъс скорост vпо оста х, Че ДА СЕсе движи спрямо ДА СЕу със скорост – v, а в останалото и двете системи са напълно равностойни.

Интервалът в новата нотация приема формата:

Чрез директно заместване можете да проверите дали този израз не променя формата си при преобразувания на Лоренц, т.е. сў 2 = с 2.

Часовници и линийки.

Най-изненадващите (от гледна точка на класическата физика) последствия от трансформациите на Лоренц са твърденията, че наблюдателите в две различни инерционни референтни системи ще получат различни резултати при измерване на дължината на прът или интервала от време между две настъпили събития на същото място.

Намаляване на дължината на пръта.

Нека прътът е разположен по оста хв референтни системи Сў и почива в тази система. Дължината му Лў = ху 2 – хў 1 се записва от наблюдател в тази система. Преминаване към произволна система С, можем да напишем изрази за координатите на края и началото на пръта, измерени в един и същи момент от времето според часовника на наблюдателя в тази система:

хў 1 = g ( х 1 – б х 0), хў 2 = g ( х 2 – б х 0).

Лў = ху 2 – хў 1 = g ( х 2 – х 1) = g Л.

Тази формула обикновено се записва като:

Л = Лў /g .

Тъй като g > 1, това означава, че дължината на пръта Лв референтната система Ссе оказва по-малко от дължината на същия прът Лў в системата Сў , при което пръчката е в покой (лоренцианско свиване на дължината).

Забавяне на темпото на времето.

Нека две събития се случват на едно и също място в системата Сў , а интервалът от време между тези събития според часовника на наблюдател в покой в ​​тази система е равен на

Dt = Tу 2 – Tв 1.

Правилното време обикновено се нарича време t, измерено от часовника на наблюдател в покой в ​​дадена референтна система. правилното време и времето, измерено от часовника на движещ се наблюдател, са свързани. защото

Където хў е пространствената координата на събитието, след което изваждаме едното равенство от другото, намираме:

D t = g Dt.

От тази формула следва, че часовникът в системата Споказва по-дълъг интервал от време между две събития от часовника в системата Сў , движейки се спрямо С. С други думи, интервалът на собственото време между две събития, който се показва от часовник, движещ се с наблюдателя, винаги е по-малък от интервала от време между същите събития, който се показва от часовника на неподвижен наблюдател.

Ефектът на забавяне на времето се наблюдава пряко в експерименти с елементарни частици. Повечето от тези частици са нестабилни и се разпадат след определен интервал от време t (по-точно времето на полуразпад или средното време на живот на частицата е известно). Ясно е, че това време се измерва от часовник в покой спрямо частицата, т.е. това е собственият живот на частицата. Но частицата лети покрай наблюдателя с висока скорост, понякога близка до скоростта на светлината. Следователно неговият живот по часовниковата стрелка в лабораторията става равен на T= gt и за g >> 1 път T>> т. За първи път изследователите се сблъскаха с този ефект, когато изучаваха мюони, произведени в горните слоеве на земната атмосфера в резултат на взаимодействието на частици от космическа радиация с атомни ядра в атмосферата. Установени са следните факти:

мюоните се раждат на височина около 100 км над земната повърхност;

собственото време на живот на мюона t @ 2H 10 –6 s;

поток от мюони, генерирани в горните слоеве на атмосферата, достига земната повърхност.

Но това изглежда невъзможно. В края на краищата, дори мюоните да се движат със скорост, равна на скоростта на светлината, те пак биха могли да прелетят разстояние, равно само на ° С t » 3H 10 8 H 2H 10 –6 m = 600 м. По този начин фактът, че мюоните, без да се разпадат, прелитат 100 km, т.е. разстояние 200 пъти по-голямо, и се записват близо до повърхността на Земята, може да се обясни само с едно нещо: от гледна точка на земен наблюдател, животът на мюона се е увеличил. Изчисленията напълно потвърждават релативистката формула. Същият ефект се наблюдава експериментално в ускорителите на частици.

Трябва да се подчертае, че основната същност на SRT не са изводите за намаляване на дължината и забавяне на времето. Най-важното в специалната теория на относителността не е относителността на понятията за пространствени координати и време, а неизменността (инвариантността) на някои комбинации от тези величини (например интервал) в едно пространство-време, следователно , в известен смисъл SRT трябва да се нарича не теория на относителността, а теория за абсолютността (инвариантността) на законите на природата и физическите величини по отношение на трансформациите на прехода от една инерциална референтна система към друга.

Добавяне на скорости.

Нека референтните системи СИ Сў се движат един спрямо друг със скорост, насочена по оста х (хў ). Преобразувания на Лоренц за промяна на координатите на тяло D х, Д y V има само един компонент по оста х, така че скаларното произведение Vvў = Vvў х):

В граничния случай, когато всички скорости са много по-малки от скоростта на светлината, V c и vў c (нерелативистичен случай), можем да пренебрегнем втория член в знаменателя и това води до закона за събиране на скоростите на класическата механика

v = vў + V.

В обратния, релативистичен случай (скорости, близки до скоростта на светлината), лесно се вижда, че противно на наивната идея, при добавяне на скорости е невъзможно да се получи скорост, по-голяма от скоростта на светлината във вакуум. Нека например всички скорости са насочени по оста хИ vў = c, тогава е ясно, че v = ° С.

Не трябва да се мисли, че при добавяне на скорости в рамките на SRT никога не могат да се получат скорости, по-големи от скоростта на светлината. Ето един прост пример: два звездни кораба се приближават един към друг със скорост 0,8 свсеки спрямо земен наблюдател. Тогава скоростта на приближаване на звездните кораби спрямо същия наблюдател ще бъде равна на 1,6 с. И това по никакъв начин не противоречи на принципите на SRT, тъй като не говорим за скоростта на предаване на сигнал (информация). Ако обаче зададете въпроса каква е скоростта на приближаване на един звезден кораб към друг от гледна точка на наблюдател в звезден кораб, тогава правилният отговор се получава чрез прилагане на релативистичната формула за добавяне на скорости: скоростта на звезден кораб спрямо Земята (0,8 с) се добавя към скоростта на Земята спрямо втория космически кораб (също 0,8 с), и като резултат v = 1,6/(1+0,64)° С = 1,6/1,64° С = 0,96° С.

Връзката на Айнщайн.

Основната прилагана формула на SRT е връзката на Айнщайн между енергията д, импулс стри маса мсвободно движеща се частица:

Тази формула заменя формулата на Нютон, свързваща кинетичната енергия с импулса:

дроднина = стр 2/(2м).

От формулата на Айнщайн следва, че когато стр = 0

д 0 = mc 2.

Значението на тази известна формула е, че масивна частица в съпътстваща отправна система (т.е. в инерционна отправна система, движеща се заедно с частицата, така че частицата е в покой спрямо нея) има определена енергия на покой д 0, което е уникално свързано с масата на тази частица. Айнщайн постулира, че тази енергия е съвсем реална и когато масата на една частица се промени, тя може да се трансформира в други видове енергия и това е в основата на ядрените реакции.

Може да се покаже, че от гледна точка на наблюдател, спрямо когото частицата се движи със скорост v , енергията и импулса на промяната на частицата:

По този начин стойностите на енергията и импулса на една частица зависят от референтната рамка, в която се измерват тези количества. Отношението на Айнщайн изразява универсалния закон за еквивалентност и взаимопреобразуемост на масата и енергията. Откритието на Айнщайн става основа не само за много технически постижения на 20 век, но и за разбирането на раждането и еволюцията на Вселената.

Александър Берков

SRT, известна още като специалната теория на относителността, е усъвършенстван описателен модел за връзките между пространство-времето, движението и законите на механиката, създаден през 1905 г. от носителя на Нобелова награда Алберт Айнщайн.

Влизайки в катедрата по теоретична физика в Мюнхенския университет, Макс Планк се обръща за съвет към професор Филип фон Джоли, който по това време ръководи катедрата по математика в този университет. На което той получи съвет: „в тази област почти всичко вече е отворено и остава само да се закърпят някои не много важни проблеми“. Младият Планк отговорил, че не иска да открива нови неща, а само да разбере и систематизира вече познатите знания. В резултат от един такъв „не много важен проблем“ впоследствие се появи квантовата теория, а от друг – теорията на относителността, за която Макс Планк и Алберт Айнщайн получиха Нобелова награда по физика.

За разлика от много други теории, които се основават на физически експерименти, теорията на Айнщайн се основава почти изцяло на неговите мисловни експерименти и едва по-късно е потвърдена на практика. И така, през 1895 г. (на възраст само 16 години) той се замисли какво ще се случи, ако се движи успоредно на светлинен лъч с неговата скорост? В такава ситуация се оказа, че за външен наблюдател частиците светлина трябва да осцилират около една точка, което противоречи на уравненията на Максуел и принципа на относителността (който гласи, че физическите закони не зависят от мястото, където се намирате и от скоростта, с която се движите). Така младият Айнщайн стига до извода, че скоростта на светлината трябва да е недостижима за материално тяло и първата тухла е положена в основата на бъдещата теория.

Следващият експеримент е извършен от него през 1905 г. и се състои в това, че в краищата на движещ се влак има два импулсни източника на светлина, които светят едновременно. За външен наблюдател, минаващ покрай влак, и двете събития се случват едновременно, но за наблюдател, намиращ се в центъра на влака, тези събития ще изглеждат като че ли са се случили по различно време, тъй като светкавицата от началото на вагона ще пристигне по-рано от своя край (поради постоянната скорост на светлината).

От това той направи много смело и широкообхватно заключение, че едновременността на събитията е относителна. Той публикува изчисленията, получени въз основа на тези експерименти, в работата „За електродинамиката на движещите се тела“. Освен това, за движещ се наблюдател един от тези импулси ще има по-голяма енергия от другия. За да не се нарушава законът за запазване на импулса в такава ситуация при преминаване от една инерциална референтна система към друга, беше необходимо обектът едновременно със загубата на енергия да губи и маса. Така Айнщайн стига до формула, характеризираща връзката между маса и енергия E=mc 2 - която е може би най-известната физична формула в момента. Резултатите от този експеримент са публикувани от него по-късно същата година.

Основни постулати

Постоянство на скоростта на светлината– до 1907 г. са проведени експерименти за измерване с точност ±30 km/s (което е по-голямо от орбиталната скорост на Земята) и не са открили нейните промени през годината. Това беше първото доказателство за неизменността на скоростта на светлината, което впоследствие беше потвърдено от много други експерименти, както от експериментатори на земята, така и от автоматични устройства в космоса.

Принципът на относителността– този принцип определя неизменността на физичните закони във всяка точка на пространството и във всяка инерционна отправна система. Тоест, независимо дали се движите със скорост от около 30 km/s в орбитата на Слънцето заедно със Земята или в космически кораб далеч отвъд нейните граници - когато извършвате физически експеримент, винаги ще стигнете до същите резултати (ако вашият кораб е в това време не ускорява или забавя). Този принцип е потвърден от всички експерименти на Земята и Айнщайн мъдро смята, че този принцип е верен за останалата част от Вселената.

Последствия

Чрез изчисления, базирани на тези два постулата, Айнщайн стига до извода, че времето за наблюдател, който се движи в кораб, трябва да се забавя с увеличаване на скоростта и той, заедно с кораба, трябва да намалява по размер в посоката на движение (за да по този начин компенсира ефектите от движението и поддържа принципа на относителността). От условието за крайна скорост за материално тяло следва също така, че правилото за събиране на скорости (което имаше проста аритметична форма в механиката на Нютон) трябва да бъде заменено с по-сложни трансформации на Лоренц - в този случай, дори ако добавим две скорости до 99% от скоростта на светлината, ще получим 99,995% от тази скорост, но няма да я надвишим.

Състояние на теорията

Тъй като на Айнщайн му бяха необходими само 11 години, за да формира обща версия от определена теория, не бяха проведени експерименти, които директно да потвърдят SRT. Въпреки това, през същата година, когато беше публикувано, Айнщайн също публикува своите изчисления, които обясняват изместването на перихелия на Меркурий до част от процента, без да е необходимо да се въвеждат нови константи и други допускания, които се изискват от други теории, че обясни този процес. Оттогава правилността на общата теория на относителността е потвърдена експериментално с точност до 10 -20 и на нейна основа са направени много открития, което ясно доказва правилността на тази теория.

Първенство в отварянето

Когато Айнщайн публикува първите си трудове по специалната теория на относителността и започва да пише нейната обща версия, други учени вече са открили значителна част от формулите и идеите, залегнали в основата на тази теория. Така че да кажем, че трансформациите на Лоренц в обща форма са получени за първи път от Поанкаре през 1900 г. (5 години преди Айнщайн) и са кръстени на Хендрик Лоренц, който е получил приблизителна версия на тези трансформации, въпреки че дори в тази роля той е изпреварил Валдемар Фогт.