Legile electrodinamicii sunt îndeplinite pe Lună? Transformarea mărimilor fizice în teoria relativistă. Principalele consecințe care decurg din postulatele teoriei relativității

Dezvoltarea electrodinamicii a condus la noi idei despre spațiu și timp. Conform conceptelor clasice de spațiu și timp, considerate de secole neclintite, mișcarea nu are efect asupra trecerii timpului (timpul este absolut), iar dimensiunile liniare ale oricărui corp nu depind de faptul dacă corpul este în repaus sau în mișcare ( lungimea este absolută). Vechile idei clasice despre spațiu și timp au fost înlocuite cu o nouă doctrină - teoria relativității speciale a lui Einstein.
După ce Maxwell a formulat legile de bază ale electrodinamicii în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, oamenii de știință și-au dat seama că principiul relativității lui Galileo era greu de aplicat fenomenelor electromagnetice. A apărut întrebarea: au loc procese electromagnetice (interacțiunea sarcinilor și curenților, propagarea undele electromagneticeși așa mai departe) la fel în toate cadrele de referință inerțiale? Pentru a răspunde la această întrebare, este necesar să aflăm dacă legile de bază ale electrodinamicii se modifică la trecerea de la un sistem inerțial la altul sau, la fel ca legile lui Newton, rămân neschimbate. Legile electrodinamicii sunt complexe. Potrivit acestora, viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este aceeași în toate direcțiile și este egală cu 300 de milioane de metri pe secundă. Dar, pe de altă parte, conform legilor mecanicii lui Newton, această viteză poate fi egală cu 300 de milioane într-un singur cadru de referință ales. În orice alt cadru de referință, deplasându-se în raport cu primul cadru cu o altă viteză, viteza luminii ar trebui să fie deja egală cu diferența acestor viteze. Aceasta înseamnă că, dacă legea obișnuită a adunării vitezelor este valabilă, atunci când se trece de la un sistem inerțial la altul, legile electrodinamicii ar trebui să se schimbe în același mod ca și legile mecanicii. Am descoperit anumite contradicții între electrodinamică și mecanică.
Au fost descoperite anumite contradicții între electrodinamică și mecanica newtoniană, ale căror legi sunt în concordanță cu principiul relativității. Prima posibilitate a fost de a declara insuportabil principiul relativității aplicat fenomenelor electromagnetice. Acest punct de vedere a fost împărtășit de marele fizician olandez, fondatorul teoriei electronice, H. Lorentz. Conform acestei teorii, cadrul inerțial de referință, în repaus față de eter, este un sistem special, preferențial, deoarece fenomenele electromagnetice, încă de pe vremea lui Faraday, au fost considerate procese într-un mediu special, atotpervaziv, care umple tot spațiul - „eterul lumii”. Dacă viteza luminii ar fi egală cu 300.000 km pe secundă numai în cadrul de referință într-un cadru inerțial, atunci ar fi posibil să se detecteze modul în care acest cadru se mișcă în raport cu eterul. Așa cum vântul apare într-un sistem de referință care se mișcă în raport cu aerul, la fel atunci când se mișcă în raport cu eterul unui anumit sistem, ar trebui detectat un „vânt eteric”. Dacă, desigur, eterul există. A doua posibilitate este de a considera incorecte ecuațiile lui Maxwell și de a încerca să le modifici în așa fel încât să nu se schimbe la trecerea de la un sistem inerțial la altul (în conformitate cu ideile obișnuite, clasice despre spațiu și timp). Un experiment pentru detectarea „vântului eteric” a fost efectuat în 1881 de oamenii de știință americani A. Michelson și E. Morley. Această idee a fost exprimată de Maxwell cu 12 ani mai devreme. Acesta a constat în observarea deplasării franjelor de interferență și măsurarea diferenței de întârziere a luminii pe măsură ce se propaga de-a lungul și de-a lungul mișcării orbitale a Pământului. O astfel de încercare a fost făcută chiar mai devreme de Heinrich Hertz. Conform presupunerii sale, eterul este complet purtat de corpurile în mișcare și, prin urmare, fenomenele electromagnetice se desfășoară în același mod, indiferent dacă corpul este în repaus sau în mișcare. Aici principiul relativității este valabil. De exemplu, conform teoriei lui Hertz, atunci când apa se mișcă, ea poartă complet cu ea lumina care se propagă în ea, deoarece duce departe eterul în care se propagă lumina. Experiența a arătat că în realitate nu este cazul. A treia posibilitate de rezolvare a acestor dificultăți este abandonarea conceptelor clasice de spațiu și timp. În acest caz, atât principiul relativității, cât și legile lui Maxwell pot fi păstrate. Din acest punct de vedere, se dovedește că legile mecanicii sunt cele care trebuie schimbate și nu legile electrodinamicii lui Maxwell. A treia posibilitate s-a dovedit a fi singura corectă. Dezvoltând în mod constant această teorie, Albert Einstein a venit la noi idei despre spațiu și timp. El a creat o nouă teorie a spațiului și timpului, care astăzi se numește teoria specială a relativității. Generalizându-și teoria pentru cadrele de referință non-inerțiale, Einstein a construit teoria generală a relativității. Reprezintă teoria modernă a gravitației. Einstein a introdus pentru prima dată conceptul de particule de lumină, ele se numesc fotoni. În experimentele sale, el a comparat viteza luminii în direcția de mișcare a Pământului și în direcția perpendiculară. Einstein a efectuat măsurători foarte precis folosind un dispozitiv special de interferometru dezvoltat de Michelson
iar acum poartă numele lui. Experimentele au fost efectuate în diferite momente ale zilei și în diferite anotimpuri. În același timp, nu a fost posibilă detectarea mișcării Pământului în raport cu eterul. Totul a fost ca și cum ai scoate capul pe geamul unei mașini și nu ai observa vântul în față cu 100 km/h. Astfel, ideea existenței unui cadru preferențial de referință nu a rezistat testării experimentale. La rândul său, aceasta însemna că nu a existat niciun mediu special - „eterul luminifer” - cu care să poată fi asociat un astfel de cadru preferenţial de referinţă. Acum este ușor să reconciliezi principiul relativității cu electrodinamica lui Maxwell. Pentru a face acest lucru, trebuie să renunțăm la ideile clasice despre spațiu și timp, conform cărora distanțele și trecerea timpului nu depind de sistemul de referință.
Teoria relativității pe care o luăm în considerare se bazează pe două postulate. Principiul relativității este primul și principalul postulat al teoriei lui Einstein. Poate fi formulat astfel: toate procesele naturii decurg identic în toate cadrele de referință inerțiale. Aceasta înseamnă că în toate sistemele inerțiale legile fizice au aceeași formă. Al doilea postulat: viteza luminii în vid este aceeași pentru toate cadrele de referință inerțiale. Viteza luminii are o poziție specială. După cum rezultă din postulatele teoriei relativității, viteza luminii în vid este viteza maximă posibilă de transmitere a interacțiunilor în natură. În relativitatea simultaneităţii se află soluţia paradoxului cu semnale luminoase sferice.Să descriem situaţia. Lumina ajunge simultan în puncte de pe o suprafață sferică cu un centru în punctul O numai din punctul de vedere al unui observator care se află în repaus în raport cu sistemul K (ka). Din punctul de vedere al unui observator asociat cu sistemul K1 (ka-1), lumina ajunge în aceste puncte în momente diferite. Desigur, opusul este și adevărat: în sistemul K (ka), lumina ajunge la punctele de pe suprafața unei sfere cu un centru la O1 (o-1) în momente diferite și nu simultan, așa cum i se pare observatorului. în sistemul K1 (ka-1). De aici rezultă că în realitate nu există paradox. Până la începutul secolului al XX-lea, nimeni nu se îndoia că timpul este absolut. Adică atunci când două evenimente, simultane pentru locuitorii Pământului, sunt simultane pentru locuitorii oricărei civilizații spațiale. Crearea teoriei relativității a arătat că nu este așa. Ideea timpului absolut, care curge odată pentru totdeauna într-un ritm dat, complet independent de structura materiei și de mișcarea ei, se dovedește a fi incorectă. „Un minut este o valoare relativă: dacă ești la o întâlnire cu o fată drăguță, atunci va zbura ca o clipă, dar dacă stai pe o sobă încinsă, atunci va părea o eternitate.” Așa a încercat să explice însuși Einstein în cuvinte simple teoria sa a relativității. Într-adevăr, dacă presupunem propagarea instantanee a semnalelor, atunci afirmația că evenimentele din două puncte separate spațial A și B au avut loc simultan va avea sens absolut. Orice evenimente, de exemplu două fulgere, sunt simultane dacă au loc la aceleași citiri ale ceasurilor sincronizate. Doar având ceasuri sincronizate în punctele A și B se poate judeca dacă două evenimente au avut loc în aceste puncte simultan sau nu. Pentru a sincroniza ceasurile, ar fi mai corect să recurgem la semnale luminoase sau electromagnetice în general, deoarece viteza undelor electromagnetice în vid este strict definită, motiv permanent. Aceasta este exact metoda folosită la verificarea ceasurilor prin radio. Să aruncăm o privire mai atentă la unul dintre metode simple sincronizarea ceasului, care nu necesită calcule. Să presupunem că un astronaut dorește să afle dacă ceasurile A și B (fi) instalate la capetele opuse ale navei spațiale funcționează în același mod. Pentru a face acest lucru, folosind o sursă care este situată în mijlocul navei și nemișcată în raport cu aceasta, astronautul produce un fulger de lumină. Lumina ajunge la ambele ceasuri în același timp. Dacă citirile ceasului sunt aceleași în acest moment, atunci ceasurile sunt sincrone. Dar acest lucru va fi adevărat numai în ceea ce privește cadrul de referință asociat cu nava. În sistemul de referință față de care se mișcă nava, situația este diferită. Ceasul de pe prova navei se va îndepărta de locul în care s-a produs fulgerul de lumină de la sursă, iar pentru a ajunge la ceasul A, lumina trebuie să parcurgă o distanță mai mare de jumătate din lungimea navei. Și ceasul (fi) de pe pupa se apropie de punctul de aprindere, iar calea semnalului luminos este mai mică de jumătate din lungimea navei. Prin urmare, un observator situat în sistemul asociat navei va concluziona că semnalele ajung la ambele ceasuri simultan. Orice două evenimente de la punctele A și B (be) sunt simultane în cadrul de referință asociat navei și nu simultane în cadrul în raport cu care se deplasează nava. Dar, datorită principiului relativității, aceste sisteme sunt complet egale. Niciunul dintre aceste sisteme nu poate fi preferat. Prin urmare, trebuie să ajungem la concluzia că simultaneitatea evenimentelor separate spațial este relativă. Motivul relativității simultaneității este, după cum vedem, viteza finită de propagare a semnalelor sonore. O serie de consecințe importante privind proprietățile spațiului și timpului decurg din postulatele teoriei relativității. Se observă două efecte relativiste. În primul rând, în cadrele de referință în mișcare, dimensiunile corpului sunt reduse. În al doilea rând, dilatarea timpului este observată într-un cadru de referință în mișcare.
Deoarece dimensiunile liniare ale unui corp sunt reduse în sistemele de referință în mișcare, acest fenomen duce la faptul că masa corpului în cadrul în mișcare crește în mod corespunzător.
În mod evident, legea clasică a adunării vitezelor nu poate fi valabilă, deoarece contrazice afirmația despre constanța vitezei luminii în vid. Vom scrie legea adunării vitezelor pentru cazul particular când corpul se mișcă de-a lungul axei X1 (x-1) a cadrului de referință K1 (ka-1), care, la rândul său, se mișcă cu o anumită viteză ve relativă. la cadrul de referință K. Să notăm viteza corpului relativ la K prin ve1 și viteza aceluiași corp relativ la K prin ve2. Atunci legea relativistă a adunării vitezelor va arăta astfel:
La mișcare, fluxul tuturor proceselor fizice încetinește, la fel și reacții chimice V corpul uman. Merită luate în considerare cele mai interesante consecințe care decurg din teoria relativității speciale a lui Einstein. „Paradoxul ceasului”, cunoscut și sub denumirea de „paradoxul geamănului”, este un experiment de gândire cu ajutorul căruia încearcă să „demonstreze” inconsecvența teoriei relativității speciale. Conform teoriei speciale a relativității, din punct de vedere din punctul de vedere al observatorilor „staționari”, toate procesele în obiectele în mișcare încetinesc. Dar, pe de altă parte, același principiu al relativității declară egalitatea tuturor cadrelor de referință inerțiale. Pe baza acestuia, se construiește un raționament care duce la un aparent contradicție. Pentru claritate, se ia în considerare povestea a doi frați gemeni. Unul dintre ei (denumit în continuare călătorul) pleacă într-un zbor spațial, al doilea (denumit în continuare „corpul de origine)” rămâne pe Pământ. Paradoxul constă în următoarele: din punctul de vedere al cartofului de canapea, ceasul călătorului în mișcare are o trecere lentă a timpului, prin urmare, după întoarcerea pe Pământ, ar trebui să rămână în urma ceasului cartofului de canapea. În raport cu călătorul, Pământul se mișca , ceea ce înseamnă că ceasul cartofului de canapea ar trebui să rămână în urmă, dar pe a treia latură, frații au drepturi egale, prin urmare, după întoarcere, ceasurile lor ar trebui să arate aceeași oră. De asemenea, postulatele teoriei relativității a lui Einstein explică cu ușurință un fenomen atât de interesant al spațiului cosmic ca o gaură neagră. O gaură neagră se formează prin compresia gravitațională a unei stele masive. Dacă masa unei anumite stele este mai mare de 2-3 ori masa Soarelui, atunci nucleul acestei stele se contractă și atinge o astfel de densitate încât nici măcar lumina nu poate depăși forța gravitațională a corpurilor cosmice din jur. Einstein Albert (1879-1955) - mare fizician al secolului al XX-lea. El a creat o nouă teorie a spațiului și timpului - teoria specială a relativității. Generalizând această teorie pentru sistemele de referință non-inerțiale, el a dezvoltat teoria generală a relativității, care este teoria modernă a gravitației. Pentru prima dată a introdus conceptul de particule de lumină - fotoni. Lucrările sale privind teoria mișcării browniene au condus la victoria finală a teoriei cinetice moleculare a structurii materiei. El a prezis " teleportarea cuantică„și efectul giromagnetic Einstein-de Haas. Din 1933, a lucrat la probleme de cosmologie și teoria unificată a câmpului. Datorită lui Albert Einstein, știința a suferit o revizuire a înțelegerii esenței fizice a spațiului și a timpului; el a construit o nouă teorie a gravitației care să o înlocuiască pe cea a lui Newton. Einstein și Planck au pus bazele teoriei cuantice. Toate aceste concepte au fost confirmate în mod repetat de experimente și formează fundamentul fizicii moderne.

Subiect: „Legile electrodinamicii și principiul relativității. Postulate ale teoriei relativității”.

Scop: formarea înțelegerii elevilor asupra modului în care conceptele de spațiu și timp s-au schimbat sub influența prevederilor teoriei speciale a relativității a lui Einstein. Pentru a familiariza studenții cu teoria specială a relativității, a introduce concepte de bază, a dezvălui conținutul principalelor prevederi ale SRT, a introduce concluziile SRT și a faptelor experimentale care le confirmă.

Echipament: calculator, proiector, prezentare.

În timpul orelor.

I. Moment organizatoric.

II. Analiza lucrărilor de testare.

III. Învățarea de materiale noi.

La sfârșitul secolului al XIX-lea au fost formulate principiile de bază ale electrodinamicii. A apărut o întrebare cu privire la validitatea principiului relativității lui Galileo în raport cu fenomenele electromagnetice. Fenomenele electromagnetice apar în același mod în diferite sisteme inerțiale: cum se propagă undele electromagnetice, cum interacționează sarcinile și curenții atunci când se deplasează de la un sistem inerțial la altul?

Inerțialul este un sistem de referință în raport cu care corpurile libere se mișcă cu o viteză constantă. Mișcarea rectilinie uniformă are efect asupra proceselor electromagnetice (nu afectează fenomenele mecanice)? Când treceți de la un cadru inerțial la altul, se schimbă legile electrodinamicii sau legile lui Newton rămân constante?

De exemplu, conform legilor adunării vitezelor în mecanică, viteza poate fi egală cu c = 3·10 8 m/s într-un singur sistem de referință. Într-un alt cadru de referință, care el însuși se mișcă cu viteza V, viteza luminii ar trebui să fie egală cu с̄-V̄. Dar, conform legilor electrodinamicii, viteza undelor electromagnetice în vid în diferite direcții este egală cu c = 3 10 8 m/s

Între electrodinamică și mecanica newtoniană au apărut contradicții. Pentru a rezolva contradicțiile apărute, au fost propuse trei metode diferite.

Prima cale a fost de a abandona principiul relativității aplicat fenomenelor electromagnetice. Această posibilitate a fost susținută de fondatorul teoriei electronice, H. Lorenz (olandez). Apoi s-a crezut că fenomenele electromagnetice apar în „eterul lumii” - acesta este un mediu omniprezent care umple întreg spațiul lumii. Sistemul de referință inerțial a fost considerat de Lorentz ca un sistem în repaus în raport cu eterul. În acest sistem, legile electrodinamicii sunt respectate cu strictețe și în acest sistem de referință viteza luminii în vid este aceeași în toate direcțiile.

A doua cale a fost să declarăm incorecte ecuațiile lui Maxwell. G. Hertz a încercat să le rescrie în așa fel încât să nu se schimbe la trecerea de la un sistem inerțial la altul, adică. ca legile mecanicii. Hertz credea că eterul se mișcă împreună cu corpurile în mișcare și, prin urmare, procesele electromagnetice au loc în același mod, indiferent de mișcarea sau restul corpurilor. Adică G. Hertz a păstrat principiul relativității. A treia cale a fost abandonarea ideilor tradiționale despre spațiu și timp. Ecuațiile lui Maxwell și principiul relativității au fost păstrate, dar cele mai evidente, cele mai de bază concepte ale mecanicii clasice au trebuit să fie abandonate. Această metodă de rezolvare a contradicțiilor s-a dovedit a fi corectă în cele din urmă. Experimentul a respins atât prima, cât și a doua încercare de a corecta contradicțiile apărute între electrodinamică și mecanică, lăsând neschimbat principiul relativității. Dezvoltând a treia cale de rezolvare a problemei, A. Einstein a demonstrat că ideile despre spațiu și timp erau depășite și le-a înlocuit cu altele noi. Ecuațiile lui Maxwell, corectate de Hertz, nu au putut explica fenomenele observate. Experiența a arătat că mediul nu poate transporta lumina, deoarece va duce departe eterul în care se propagă lumina. Experimentele oamenilor de știință americani A. Michelson și E. Morley au demonstrat că nu există niciun mediu precum „eterul luminifer”. S-a dovedit a fi posibil să se combine electrodinamica lui Maxwell și principiul relativității prin abandonarea ideilor tradiționale despre spațiu și timp, i.e. Nici distanța și nici trecerea timpului nu depind de sistemul de referință.

Teoria specială a relativității (STR; de asemenea teorie privată relativitatea) este o teorie care descrie mișcarea, legile mecanicii și relațiile spațiu-timp la viteze arbitrare de mișcare mai mici decât viteza luminii în vid, inclusiv cele apropiate de viteza luminii. În cadrul relativității speciale, mecanica newtoniană clasică este o aproximare cu viteză mică. O generalizare a STR pentru câmpurile gravitaționale se numește relativitate generală.

Abaterile în cursul proceselor fizice de la predicțiile mecanicii clasice descrise de teoria relativității speciale se numesc efecte relativiste, iar vitezele la care astfel de efecte devin semnificative se numesc viteze relativiste.

Teoria specială a relativității a fost dezvoltată la începutul secolului al XX-lea prin eforturile lui G. A. Lorentz, A. Poincaré, A. Einstein și alți oameni de știință. Baza experimentală pentru crearea SRT a fost experimentul lui Michelson. Rezultatele sale au fost neașteptate pentru fizica clasică a timpului său: independența vitezei luminii față de direcție (izotropie) și mișcarea orbitală a Pământului în jurul Soarelui. O încercare de a interpreta acest rezultat la începutul secolului al XX-lea a avut ca rezultat o revizuire a conceptelor clasice și a condus la crearea teoriei relativității speciale.

Când vă deplasați la viteze apropiate de lumina, legile dinamicii se schimbă. A doua lege a lui Newton, care raportează forța și accelerația, trebuie modificată pentru corpurile cu viteze apropiate de viteza luminii. În plus, expresia pentru impulsul și energia cinetică a corpului are o dependență mai complexă de viteză decât în ​​cazul non-relativist. Teoria specială a relativității a primit numeroase confirmări experimentale și este o teorie corectă în domeniul său de aplicabilitate.

Natura fundamentală a teoriei relativității speciale pentru teoriile fizice construite pe baza ei a condus acum la faptul că termenul „teoria specială a relativității” în sine nu este folosit practic în articolele științifice moderne; de ​​obicei, ei vorbesc doar despre invarianța relativistă a relativității. o teorie separată.

Teoria specială a relativității, ca orice altă teorie fizică, poate fi formulată pe baza unor concepte și postulate de bază (axiome) plus regulile de corespondență cu obiectele sale fizice.

Cadru de referință reprezintă un anumit corp material ales ca început al acestui sistem, o metodă de determinare a poziției obiectelor față de începutul sistemului de referință și o metodă de măsurare a timpului. De obicei, se face o distincție între sistemele de referință și sistemele de coordonate. Adăugarea unei proceduri de măsurare a timpului unui sistem de coordonate îl „transformă” într-un sistem de referință.

Sistem de referință inerțial (IRS)) - acesta este un sistem în raport cu care nu este supus un obiect influente externe, se mișcă uniform și rectiliniu.

Eveniment este orice proces fizic care poate fi localizat în spațiu și, în același timp, are o durată foarte scurtă. Cu alte cuvinte, evenimentul este complet caracterizat de coordonatele (x, y, z) și timpul t.

Exemple de evenimente sunt: ​​un fulger de lumină, poziția unui punct material la un moment dat etc. De obicei sunt luate în considerare două sisteme inerțiale S și S.” Timpul și coordonatele unui eveniment măsurate în raport cu sistemul S sunt notate ca (t, x, y, z) și coordonatele și timpul aceluiași eveniment, măsurate în raport cu sistemul S" ca (t", x", y", z"). Este convenabil să presupunem că axele de coordonate ale sistemelor sunt paralele între ele și sistemul S" se deplasează de-a lungul axei x a sistemului S cu viteza v. Una dintre problemele SRT este căutarea relațiilor de conectare (t „, x”, y”, z”) și (t, x, y, z), care se numesc transformări Lorentz.

De obicei sunt luate în considerare două sisteme inerțiale S și S." Timpul și coordonatele unui eveniment măsurate în raport cu sistemul S sunt notate ca (t, x, y, z), iar coordonatele și timpul aceluiași eveniment măsurate în raport cu sistemul S. Sistemele S sunt desemnate ca (t" , x", y", z"). Este convenabil să presupunem că axele de coordonate ale sistemelor sunt paralele între ele și sistemul S" se deplasează de-a lungul axei x a sistemului S cu viteza v. Una dintre problemele SRT este căutarea relațiilor de conectare (t „, x”, y”, z”) și (t, x, y, z), care se numesc transformări Lorentz.

1 principiul relativității.

Toate legile naturii sunt invariante în ceea ce privește tranziția de la un cadru de referință inerțial la altul (acestea procedează identic în toate cadrele de referință inerțiale).

Aceasta înseamnă că în toate sistemele inerțiale legile fizice (nu doar cele mecanice) au aceeași formă. Astfel, principiul relativității mecanicii clasice este generalizat la toate procesele naturii, inclusiv la cele electromagnetice. Acest principiu generalizat se numește principiul relativității lui Einstein.

2 principiul relativității.

Viteza luminii în vid nu depinde de viteza de mișcare a sursei de lumină sau a observatorului și este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale.

Viteza luminii ocupă o poziție specială în SRT. Aceasta este viteza maximă de transmitere a interacțiunilor și a semnalelor dintr-un punct în spațiu în altul.

Consecințele teoriei create pe baza acestor principii au fost confirmate de teste experimentale nesfârșite. SRT a făcut posibilă rezolvarea tuturor problemelor fizicii „pre-Einstein” și explicarea rezultatelor „contradictorii” ale experimentelor din domeniul electrodinamicii și opticii cunoscute la acea vreme. Ulterior, STR a fost susținută de date experimentale obținute din studierea mișcării particulelor rapide în acceleratoare, procese atomice, reacții nucleare etc.

Exemplu. Postulatele SRT sunt în contradicție clară cu ideile clasice. Să luăm în considerare următorul experiment de gândire: în momentul de timp t = 0, când axele de coordonate ale două sisteme inerțiale K și K" coincid, la originea comună a coordonatelor a avut loc o fulgerare de scurtă durată. sistemele se vor mișca unele față de altele cu o distanță υt, iar frontul de undă sferică va avea fiecare sistem o rază ct, deoarece sistemele sunt egale și în fiecare dintre ele viteza luminii este egală cu c. Din punct de vedere al unui observator din sistemul K, centrul sferei este în punctul O, iar din punctul de vedere al unui observator din sistemul K" va fi în punctul O". În consecință, centrul frontului sferic este situat simultan la doua puncte diferite!

Explicarea contradicțiilor.

Motivul neînțelegerii care apare nu constă în contradicția dintre cele două principii ale SRT, ci în presupunerea că poziția fronturilor undelor sferice pentru ambele sisteme se referă la același moment în timp. Această ipoteză este cuprinsă în formulele de transformare galileene, conform cărora timpul curge la fel în ambele sisteme: t = t". În consecință, postulatele lui Einstein sunt în conflict nu între ele, ci cu formulele de transformare galileene. Prin urmare, pentru a înlocuiesc transformările galileene, SRT a propus alte formule de transformare la trecerea de la un sistem inerțial la altul - așa-numitele transformări Lorentz, care la viteze de mișcare apropiate de viteza luminii ne permit să explicăm toate efectele relativiste, și la viteze mici (υ

IV. Consolidarea materialului învățat

1. Rezolvarea carei probleme a condus la noi idei despre spatiu si timp.

2. Trei moduri de a rezolva această problemă.

3. Care metodă s-a dovedit a fi corectă?

4. Care dintre următoarele afirmații corespund postulatelor teoriei relativității: 1 - toate procesele naturii decurg identic în orice cadru de referință inerțial; 2 - viteza luminii în vid este aceeași în toate sistemele de referință; 3 - toate procesele naturii sunt relative și procedează diferit în diferite cadre de referință?

A. Doar 1 B. Doar 2 ÎN. Doar 3 G. 1 și 2 D. 1 și 3

5. Din ecuațiile lui Maxwell rezultă că viteza de propagare a undelor luminoase în vid în toate direcțiile este (aceeași).

VI. Teme pentru acasă: §75.76.

« Fizica - clasa a XI-a"

Legile electrodinamicii și principiul relativității

Conform conceptelor clasice de spațiu și timp, considerate de secole neclintite, mișcarea nu are efect asupra trecerii timpului (timpul este absolut), iar dimensiunile liniare ale oricărui corp nu depind de faptul dacă corpul este în repaus sau în mișcare ( lungimea este absolută).

Teoria specială a relativității a lui Einstein este o nouă doctrină a spațiului și timpului, care a înlocuit vechile idei (clasice).

Principiul relativității în mecanică și electrodinamică

După ce în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Maxwell a formulat legile de bază ale electrodinamicii; a apărut întrebarea: principiul relativității, care este valabil pentru fenomenele mecanice, se aplică și fenomenelor electromagnetice? Cu alte cuvinte, procesele electromagnetice (interacțiunea sarcinilor și curenților, propagarea undelor electromagnetice etc.) decurg în același mod în toate cadrele de referință inerțiale? Sau, poate, mișcarea rectilinie uniformă, fără a afecta fenomenele mecanice, are un anumit efect asupra proceselor electromagnetice?

Pentru a răspunde la aceste întrebări, a fost necesar să se afle dacă legile de bază ale electrodinamicii se modifică atunci când se trece de la un cadru inerțial de referință la altul sau, ca și legile lui Newton, rămân neschimbate. Numai în acest din urmă caz ​​putem lăsa deoparte îndoielile cu privire la validitatea principiului relativității în raport cu procesele electromagnetice și putem considera acest principiu drept o lege generală a naturii.

Legile electrodinamicii sunt complexe, iar o soluție riguroasă a acestei probleme nu este o sarcină ușoară. Cu toate acestea, considerații simple ar părea să ne permită să găsim răspunsul corect. Conform legilor electrodinamicii, viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este aceeași în toate direcțiile și este egală cu s = 3 10 8 m/s. Dar, în conformitate cu legea adunării vitezelor a mecanicii newtoniene, viteza poate fi egală cu viteza luminii doar într-un cadru de referință selectat. În orice alt cadru de referință, deplasându-se față de acest cadru de referință ales cu viteza , viteza luminii trebuie să fie deja egală cu - . Aceasta înseamnă că, dacă legea obișnuită a adunării vitezelor este valabilă, atunci când se trece de la un cadru inerțial de referință la altul, legile electrodinamicii trebuie să se schimbe astfel încât în ​​acest nou cadru de referință viteza luminii să nu mai fie egală cu , dar - .

Astfel, s-au descoperit anumite contradicții între electrodinamică și mecanica newtoniană, ale căror legi sunt în concordanță cu principiul relativității. Au încercat să depășească dificultățile care au apărut în trei moduri diferite.

Prima cale:
să declare invalid principiul relativității aplicat fenomenelor electromagnetice. Acest punct de vedere a fost împărtășit de marele fizician olandez, fondatorul teoriei electronice, X. Lorentz. Încă din vremea lui Faraday, fenomenele electromagnetice au fost considerate procese care au loc într-un mediu special, omniprezent, care umple tot spațiul - eterul lumii. Cadrul de referință inerțial, în repaus în raport cu eterul, este, după Lorentz, un cadru de referință special, preferențial. În ea, legile electrodinamicii lui Maxwell sunt valide și cele mai simple ca formă. Numai în acest cadru de referință viteza luminii în vid este aceeași în toate direcțiile.

A doua cale:
considerați incorecte ecuațiile lui Maxwell și încercați să le modificați în așa fel încât să nu se schimbe atunci când treceți de la un sistem de referință inerțial la altul (în conformitate cu conceptele obișnuite, clasice de spațiu și timp). O astfel de încercare, în special, a fost făcută de G. Hertz. Potrivit lui Hertz, eterul este complet antrenat de corpurile în mișcare și, prin urmare, fenomenele electromagnetice se desfășoară în același mod, indiferent dacă corpul este în repaus sau în mișcare. Principiul relativității rămâne valabil.

A treia cale:
abandonează conceptele clasice de spațiu și timp pentru a păstra atât principiul relativității, cât și legile lui Maxwell. Aceasta este calea cea mai revoluționară, pentru că înseamnă o revizuire a celor mai profunde și de bază concepte din fizică. Din acest punct de vedere, nu ecuațiile se dovedesc a fi inexacte câmp electromagnetic, și legile mecanicii lui Newton, în concordanță cu vechile idei despre spațiu și timp. Legile mecanicii sunt cele care trebuie schimbate, nu legile electrodinamicii lui Maxwell.

A treia metodă s-a dovedit a fi corectă. Dezvoltându-l în mod constant, A. Einstein a venit la noi idei despre spațiu și timp. Primele două moduri, după cum se dovedește, sunt respinse prin experiment.

Punctul de vedere al lui Lorentz, conform căruia trebuie să existe un cadru de referință ales asociat cu eterul mondial, care este în repaus absolut, a fost infirmat prin experimente directe.

Dacă viteza luminii ar fi egală cu 300.000 km/s numai în cadrul de referință asociat cu eterul, atunci prin măsurarea vitezei luminii într-un cadru de referință inerțial arbitrar, ar fi posibil să se detecteze mișcarea acestui sistem de referință în raport cu eterul și determinați viteza acestei mișcări. La fel cum vântul apare într-un cadru de referință care se mișcă în raport cu aerul, atunci când se mișcă în raport cu eterul (dacă, desigur, eterul există), ar trebui detectat un „vânt eteric”. Experimentul de detectare a „vântului eteric” a fost realizat în 1881 de oamenii de știință americani A. Michelson și E. Morl și se bazează pe o idee exprimată cu 12 ani mai devreme de Maxwell.

Acest experiment a comparat viteza luminii în direcția de mișcare a Pământului și în direcția perpendiculară. Măsurătorile au fost efectuate foarte precis folosind un dispozitiv special - un interferometru Michelson. Experimentele au fost efectuate în diferite momente ale zilei și în diferite anotimpuri. Dar întotdeauna a ieșit rezultat negativ: mișcarea Pământului în raport cu eterul nu a putut fi detectată.

Astfel, ideea existenței unui cadru preferențial de referință nu a rezistat testării experimentale. La rândul său, aceasta însemna că nu a existat un mediu special, „eterul luminifer”, cu care să poată fi asociat un astfel de cadru preferenţial de referinţă.

Când Hertz a încercat să schimbe legile electrodinamicii lui Maxwell, s-a dovedit că noile ecuații nu au putut explica o serie de fapte observate. Astfel, conform teoriei lui Hertz, apa în mișcare ar trebui să antreneze complet lumina care se propagă în ea, deoarece antrenează eterul în care se propagă lumina. Experiența a arătat că în realitate nu este cazul.

Asa de,
S-a dovedit a fi posibilă reconcilierea principiului relativității cu electrodinamica lui Maxwell doar renunțând la conceptele clasice de spațiu și timp, conform cărora distanța și trecerea timpului nu depind de sistemul de referință.

Postulatele teoriei relativității

Teoria relativității se bazează pe două postulate.

Ce este un postulat?

Postulează în teoria fizică joacă același rol ca o axiomă în matematică.
Aceasta este o propoziție de bază care nu poate fi dovedită logic.
În fizică, un postulat este rezultatul unei generalizări a faptelor experimentale.

1.
Toate procesele din natură decurg identic în toate cadrele de referință inerțiale.

Aceasta înseamnă că în toate cadrele de referință inerțiale legile fizice au aceeași formă.
Astfel, principiul relativității mecanicii clasice se aplică tuturor proceselor din natură, inclusiv celor electromagnetice.

2.
Viteza luminii în vid este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale și nu depinde nici de viteza sursei, nici de viteza receptorului semnalului luminos.

Viteza luminii ocupă astfel o poziţie specială.
Mai mult, după cum reiese din postulatele teoriei relativității, viteza luminii în vid este viteza maximă posibilă de transmitere a interacțiunilor în natură.

Pentru a formula postulatele teoriei relativității a fost nevoie de un mare curaj științific, deoarece acestea contraziceau ideile clasice despre spațiu și timp.

De fapt, să presupunem că în momentul de timp în care originea coordonatelor sistemelor de referință inerțiale LAȘi K 1, deplasându-se unul față de celălalt cu o viteză , coincid, la originea coordonatelor are loc un fulger de lumină pe termen scurt.
Pe parcursul t sistemele de referință se vor deplasa unul față de celălalt cu o distanță υt, iar suprafața undei sferice va avea o rază υt.
Sisteme de referință LAȘi K 1 sunt egale, iar viteza luminii este aceeași în ambele cadre de referință.

Prin urmare, din punctul de vedere al observatorului asociat cadrului de referință LA, centrul sferei va fi în punct DESPRE, și din punctul de vedere al observatorului asociat cu sistemul de referință K 1, - la punct O 1.

Dar aceeași suprafață sferică nu poate avea centre în punctele O și O 1.
Această contradicție evidentă decurge din raționamentul bazat pe postulatele teoriei relativității.

Asa de,
există o contradicție cu ideile clasice despre spațiu și timp, care sunt nedrepte la viteze mari de mișcare.
Totuși, teoria relativității în sine nu conține contradicții și este absolut logică.

Rezumat pe tema Conceptelor științelor naturale moderne

Teoria relativitatii

Dezvoltarea electrodinamicii a condus la o revizuire a ideilor despre spațiu și timp. Conform conceptelor clasice de spațiu și timp, considerate de secole neclintite, mișcarea nu are efect asupra trecerii timpului (timpul este absolut), iar dimensiunile liniare ale oricărui corp nu depind de faptul dacă corpul este în repaus sau în mișcare ( lungimea este absolută).

Teoria specială a relativității a lui Einstein este o nouă teorie a spațiului și timpului care a înlocuit vechile idei (clasice).

Legile electrodinamicii și principiul relativității

După crearea electrodinamicii, au apărut îndoieli cu privire la validitatea principiului relativității lui Galileo aplicat fenomenelor electromagnetice.

Principiul relativității în mecanică și electrodinamică . După ce Maxwell a formulat legile de bază ale electrodinamicii în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, a apărut întrebarea dacă principiul relativității se aplică și fenomenelor electromagnetice. Cu alte cuvinte, procesele electromagnetice (interacțiunea sarcinilor și curenților, propagarea undelor electromagnetice etc.) decurg în același mod în toate cadrele de referință inerțiale? Sau, poate, mișcarea rectilinie uniformă, fără a afecta fenomenele mecanice, are un anumit efect asupra proceselor electromagnetice?

Pentru a răspunde la această întrebare, a fost necesar să aflăm dacă legile de bază ale electrodinamicii se schimbă atunci când se trece de la un sistem inerțial la altul sau, ca și legile lui Newton, rămân neschimbate. Numai în acest din urmă caz ​​putem arunca deoparte îndoielile cu privire la validitatea principiului relativității în raport cu procesele electromagnetice și putem considera acest principiu drept o lege generală a naturii.

Legile electrodinamicii sunt complexe, iar o soluție riguroasă a acestei probleme nu este o sarcină ușoară. Cu toate acestea, considerații simple ar părea să ne permită să găsim răspunsul corect. Conform legilor electrodinamicii, viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este aceeași în toate direcțiile și este egală cu: c = 3 · 10 8 m/s. Dar, pe de altă parte, în conformitate cu legea adunării vitezelor a mecanicii lui Newton, viteza poate fi egală cu c numai într-un singur cadru de referință selectat. În orice alt cadru de referință se deplasează în raport cu acest cadru ales cu viteză v, viteza luminii ar trebui să fie deja egală c ─ v. Aceasta înseamnă că, dacă legea obișnuită a adunării vitezelor este valabilă, atunci când se trece de la un cadru inerțial la altul, legile electrodinamicii ar trebui să se schimbe astfel încât în ​​acest nou cadru de referință viteza luminii să nu mai fie egală cu Cu, A c ─ v.

Astfel, s-au descoperit anumite contradicții între electrodinamică și mecanica newtoniană, ale căror legi sunt în concordanță cu principiul relativității. Au încercat să depășească dificultățile care au apărut în trei moduri diferite.

Prima posibilitate a fost de a declara insuportabil principiul relativității aplicat fenomenelor electromagnetice. Această poziție a fost susținută de marele fizician olandez, fondatorul teoriei electronice, H. Lorentz. Încă din vremea lui Faraday, fenomenele electromagnetice au fost considerate procese într-un mediu special, omniprezent, care a umplut tot spațiul, „eterul lumii”. Cadrul de referință inerțial, în repaus față de eter, este, conform lui Lorentz, un sistem preferențial special. În ea, legile electrodinamicii lui Maxwell sunt valabile și au cea mai simplă formă. Numai în acest cadru de referință viteza luminii în vid este aceeași în toate direcțiile.

A doua posibilitate este de a considera incorecte ecuațiile lui Maxwell și de a încerca să le modifici în așa fel încât să nu se schimbe la trecerea de la un sistem inerțial la altul (în conformitate cu ideile obișnuite, clasice despre spațiu și timp). O astfel de încercare, în special, a fost făcută de G. Hertz. Potrivit lui Hertz, eterul este antrenat complet de corpurile în mișcare și, prin urmare, fenomenele electromagnetice se desfășoară în același mod, indiferent dacă corpul este în repaus sau în mișcare. Principiul relativității este corect.

În cele din urmă, a treia posibilitate de rezolvare a acestor dificultăți este abandonarea conceptelor clasice de spațiu și timp pentru a păstra atât principiul relativității, cât și legile lui Maxwell. Aceasta este calea cea mai revoluționară, pentru că înseamnă o revizuire a celor mai profunde și de bază concepte din fizică. Din acest punct de vedere, nu ecuațiile câmpului electromagnetic se dovedesc a fi inexacte, ci legile mecanicii lui Newton, în concordanță cu vechile idei despre spațiu și timp. Legile mecanicii sunt cele care trebuie schimbate, nu legile electrodinamicii lui Maxwell.

A treia posibilitate s-a dovedit a fi singura corectă. Dezvoltându-l în mod constant, A. Einstein a venit la noi idei despre spațiu și timp. Primele două moduri, după cum se dovedește, sunt respinse prin experiment.

Când Hertz a încercat să schimbe legile electrodinamicii lui Maxwell, s-a dovedit că noile ecuații nu au putut explica o serie de fapte observate. Astfel, conform teoriei lui Hertz, apa în mișcare ar trebui să elimine complet lumina care se propagă în ea, deoarece duce eterul în care călătorește lumina. Experiența a arătat că în realitate nu este cazul.

Punctul de vedere al lui Lorentz, conform căruia trebuie să existe un cadru de referință ales asociat cu eterul mondial, care este în repaus absolut, a fost de asemenea infirmat de experimente directe.

Dacă viteza luminii ar fi egală cu 300.000 km/s numai în cadrul de referință asociat cu eterul, atunci prin măsurarea vitezei luminii într-un cadru inerțial arbitrar, ar fi posibilă detectarea mișcării acestui sistem în raport cu eter și determinați viteza acestei mișcări. La fel cum vântul apare într-un cadru de referință care se mișcă în raport cu aerul, atunci când se mișcă în raport cu eterul (dacă, desigur, eterul există), ar trebui detectat un „vânt eteric”. Un experiment pentru detectarea „vântului eteric” a fost efectuat în 1881 de oamenii de știință americani A. Michelson și E. Morley, pe baza unei idei exprimate cu 12 ani mai devreme de Maxwell.

Acest experiment a comparat viteza luminii în direcția de mișcare a Pământului și în direcția perpendiculară. Măsurătorile au fost efectuate foarte precis folosind un dispozitiv special - un interferometru Michelson. Experimentele au fost efectuate în diferite momente ale zilei și în diferite anotimpuri. Dar rezultatul a fost întotdeauna negativ: mișcarea Pământului în raport cu eterul nu a putut fi detectată.

Astfel, ideea existenței unui cadru preferențial de referință nu a rezistat testării experimentale. La rândul său, aceasta însemna că nu exista niciun mediu special – „eterul luminos” – cu care să poată fi asociat un astfel de cadru preferenţial de referinţă.

S-a dovedit a fi posibilă reconcilierea principiului relativității cu electrodinamica lui Maxwell doar renunțând la conceptele clasice de spațiu și timp, conform cărora distanța și trecerea timpului nu depind de sistemul de referință.

Postulatele teoriei relativității

Teoria relativității se bazează pe două postulate.

Pentru a explica rezultatele negative ale experimentului lui Michelson și ale altor experimente, care ar fi trebuit să detecteze mișcarea Pământului în raport cu eterul, au fost introduse diverse ipoteze. Cu ajutorul acestor ipoteze, ei au încercat să explice de ce nu a fost posibil să se detecteze un cadru preferenţial de referinţă (se credea că un astfel de sistem se presupune că există în realitate).

Einstein a abordat problema într-un mod complet diferit: nu are rost să inventăm diverse ipoteze pentru a explica rezultatele negative ale tuturor încercărilor de a descoperi diferența dintre sistemele inerțiale. Legea naturii este egalitatea completă a tuturor sistemelor de referință inerțiale în raport cu procesele nu numai mecanice, ci și electromagnetice. Nu există nicio diferență între starea de repaus și mișcarea uniformă în linie dreaptă.

Principiul relativității este postulatul principal al teoriei lui Einstein. Poate fi formulat astfel: toate procesele naturii decurg identic în toate cadrele de referință inerțiale.

Aceasta înseamnă că în toate sistemele inerțiale legile fizice au aceeași formă. Astfel, principiul relativității al mecanicii clasice este generalizat la toate procesele din natură, inclusiv la cele electromagnetice. Dar teoria relativității se bazează nu numai pe principiul relativității. Există și un al doilea postulat: viteza luminii în vid este aceeași pentru toate cadrele de referință inerțiale. Nu depinde nici de viteza sursei, nici de viteza receptorului semnalului luminos.

Viteza luminii ocupă astfel o poziţie specială. Mai mult, după cum reiese din postulatele teoriei relativității, viteza luminii în vid este viteza maximă posibilă de transmitere a interacțiunii în natură.

Pentru a decide formularea postulatelor teoriei relativității a fost nevoie de o mare gândire științifică, deoarece au contrazis ideile clasice despre spațiu și timp.

De fapt, să presupunem că în momentul de timp în care originea coordonatelor sistemelor de referință inerțiale LAȘi LA 1 , deplasându-se unul față de celălalt cu o viteză v, coincid, la origine apare o străfulgerare de scurtă durată. Pe parcursul t sistemele se vor deplasa unul față de celălalt cu o distanță vt, iar suprafața undei sferice va avea o rază CT:

o contradicție cu ideile clasice despre spațiu și timp, care nu mai sunt corecte la viteze mari.

Relativitatea simultaneității

Până la începutul secolului al XX-lea, nimeni nu se îndoia că timpul este absolut. Două evenimente care sunt simultane pentru locuitorii Pământului sunt simultane pentru locuitorii oricărei civilizații spațiale. Crearea teoriei relativității a arătat că nu este așa.

Motivul eșecului ideilor clasice despre spațiu și timp este presupunerea incorectă despre posibilitatea transmiterii instantanee a interacțiunilor și semnalelor dintr-un punct în spațiu în altul. Existența ultimei viteze finite de transmitere a interacțiunilor necesită o schimbare profundă a conceptelor uzuale de spațiu și timp, bazate pe experiența de zi cu zi. Ideea timpului absolut, care curge odată pentru totdeauna într-un ritm dat, complet independent de materie și de mișcarea ei, se dovedește a fi incorectă.

Dacă presupunem propagarea instantanee a semnalelor, atunci afirmația că evenimentele au loc în două puncte separate spațial AȘi ÎNîntâmplat în același timp ar avea absolut sens. Poate fi plasat în puncte AȘi ÎN ceas și sincronizați-le folosind semnale instantanee. Dacă un astfel de semnal este trimis de la A, de exemplu, la 0 ore 45 minute si in acelasi moment in timp conform ceasului B a ajuns in punctul B, apoi ceasurile arata aceeasi ora, i.e. mergi în sincronizare. Dacă nu există o astfel de coincidență, atunci ceasurile pot fi sincronizate deplasând înainte acele ceasuri care arată timpul mai scurt în momentul trimiterii semnalului.

Orice evenimente, de exemplu, două fulgere, sunt simultane dacă au loc la aceleași citiri ale ceasurilor sincronizate.

Doar punându-l în puncte AȘi ÎN ceasuri sincronizate, se poate judeca dacă două evenimente au avut loc în aceste puncte simultan sau nu. Dar cum puteți sincroniza ceasurile situate la o anumită distanță unul de celălalt dacă viteza de propagare a semnalului nu este infinită?

Pentru a sincroniza ceasurile, este firesc să apelezi la lumină sau chiar la un semnal electromagnetic, deoarece viteza undelor electromagnetice în vid este o valoare constantă strict definită.

Să aruncăm o privire mai atentă la o metodă simplă de sincronizare a ceasului care nu necesită calcule. Să presupunem că un astronaut vrea să știe dacă ceasurile ticăie în același timp. AȘi ÎN, instalat la capetele opuse ale navei spațiale.

se mișcă, poziția este diferită. Ceasul de pe prova navei se îndepărtează de locul unde a avut loc fulgerul de lumină de la sursă (punctul cu coordonatele OS), și pentru a ajunge la ceas A, lumina trebuie să parcurgă o distanță mai mare de jumătate din lungimea navei.

Simultaneitatea evenimentelor este relativă. Nu suntem capabili să vizualizăm acest lucru, să-l „simțim”, din cauza faptului că viteza luminii este mult mai mare decât viteza cu care ne mișcăm.

Principalele consecințe care decurg din postulatele teoriei relativității.

O serie de consecințe importante privind proprietățile spațiului și timpului decurg din postulatele teoriei relativității.

Relativitatea distanțelor . Distanța nu este o valoare absolută, ci depinde de viteza de mișcare a corpului față de un anumit sistem de referință.

Să notăm prin l o lungimea tijei cu sistem de referință LA, față de care tija este în repaus. Apoi lungimea l a acestei lansete în sistemul de referinţă LA 1 , față de care tija se mișcă cu o viteză determinată de formula:

După cum se poate observa din această formulă, l l 0 . Aceasta este reducerea relativistă a dimensiunii unui corp în cadre de referință în mișcare (efectele relativiste sunt cele observate la viteze de mișcare apropiate de viteza luminii).

Relativitatea intervalelor de timp . Fie intervalul de timp dintre două evenimente care au loc în același punct în sistemul inerțial LA, egal cu τ 0. Aceste evenimente, de exemplu, ar putea fi două bătăi ale unui metronom care numără secundele.

Apoi intervalul τ dintre aceleași evenimente din sistemul de referință LA 1, deplasându-se relativ la sistem LA se exprimă astfel:

Este evident că τ > τ o . Acesta este efectul relativist al dilatării timpului în cadrele de referință în mișcare.

Dacă v c, atunci în formule putem neglija cantitatea v 2 / c 2 . Apoi l ≈ uiteși τ ≈ τ o , adică reducerea relativistă a dimensiunii corpurilor și încetinirea timpului într-un cadru de referință în mișcare pot fi ignorate.

Legea relativistă a adunării vitezelor . Noua lege a adunării vitezelor corespunde noilor idei relativiste despre spațiu și timp. În mod evident, legea clasică a adunării vitezelor nu poate fi valabilă, deoarece contrazice afirmația despre constanța vitezei luminii în vid.

Dacă trenul se deplasează cu o viteză vși o undă luminoasă se propagă în vagon în direcția de mișcare a trenului, apoi viteza sa față de Pământ ar trebui să fie din nou egală cu Cu, dar nu v + c. Noua lege pentru adăugarea vitezei ar trebui să conducă la rezultatul cerut.

Dacă și, atunci fracția din numitor poate fi neglijată și în loc de acest gunoi din stânga obținem legea clasică a adunării vitezelor: v 2 = v 1 +v. La v 1 =c viteză v 2 este de asemenea egal c, așa cum este cerut de al doilea postulat al teoriei relativității. Într-adevăr,

O proprietate remarcabilă a legii relativiste a adunării vitezelor este aceea că la orice viteză v electrodinamicăȘi principiu relativitatea. Postulatele teoriei speciale a relativității...

După crearea electrodinamicii, au apărut îndoieli cu privire la validitatea principiului relativității lui Galileo aplicat fenomenelor electromagnetice.

După ce în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Maxwell a formulat legile de bază ale electrodinamicii; a apărut întrebarea dacă principiul relativității, care este valabil pentru fenomenele mecanice, se aplică și fenomenelor electromagnetice. Cu alte cuvinte, procesele electromagnetice (interacțiunea sarcinilor și curenților, propagarea undelor electromagnetice etc.) decurg în același mod în toate cadrele de referință inerțiale? Sau, poate, mișcarea rectilinie uniformă, fără a afecta fenomenele mecanice, are un anumit efect asupra proceselor electromagnetice?

Pentru a răspunde la această întrebare, a fost necesar să aflăm dacă legile de bază ale electrodinamicii (ecuațiile lui Maxwell) se modifică la trecerea de la un sistem inerțial la altul sau, ca și legile lui Newton, rămân neschimbate. Numai în acest din urmă caz ​​putem lăsa deoparte îndoielile cu privire la validitatea principiului relativității în raport cu procesele electromagnetice și putem considera acest principiu drept o lege generală a naturii.

Valorile coordonatelor și ale timpului în două sisteme de referință inerțiale sunt legate între ele prin transformări galileene. Transformările lui Galileo exprimă ideile clasice despre spațiu și timp. Ecuațiile lui Newton sunt invariante sub transformările galileene, iar acest fapt exprimă principiul relativității în mecanică.

Legile electrodinamicii sunt complexe, iar a afla dacă aceste legi sunt sau nu invariante sub transformările galileene nu este o sarcină ușoară. Cu toate acestea, considerații simple ne permit deja să găsim răspunsul. În electrodinamica lui Maxwell, viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este aceeași în toate direcțiile și este egală cu Cu= 3⋅10 10 cm/s. Dar, pe de altă parte, în conformitate cu legea adunării vitezelor, rezultată din transformările lui Galileo, viteza poate fi egală cu c numai într-un cadru de referință selectat. În orice alt cadru de referință care se deplasează față de acest cadru ales cu viteza \(\vec(\upsilon ),\) viteza luminii trebuie să fie egală cu \(\vec(c)-\vec(\upsilon )\) . Aceasta înseamnă că, dacă legea obișnuită a adunării vitezelor este valabilă, atunci când se trece de la un cadru inerțial la altul, legile electrodinamicii ar trebui să se schimbe astfel încât în ​​acest nou cadru de referință viteza luminii să nu fie egală cu \(\vec (c)\), dar \(\ vec(c)-\vec(\upsilon).\)

Astfel, s-au descoperit anumite contradicții între electrodinamică și mecanica newtoniană, ale căror legi sunt în concordanță cu principiul relativității. Dificultățile apărute au putut fi depășite în trei moduri diferite.

Prima posibilitate a fost de a declara insuportabil principiul relativității aplicat fenomenelor electromagnetice. În acest punct de vedere a ajuns marele fizician olandez, fondatorul teoriei electronice, H. Lorentz. Încă din vremea lui Faraday, fenomenele electromagnetice au fost considerate procese într-un mediu special, omniprezent, care umple tot spațiul - „eterul lumii”. Cadrul de referință inerțial, în repaus față de eter, este, conform lui Lorentz, un sistem preferențial special. În ea, legile electrodinamicii lui Maxwell sunt valabile și au cele mai multe formă simplă. Numai în acest cadru de referință viteza luminii în vid este aceeași în toate direcțiile.

A doua posibilitate este să considerați ecuațiile lui Maxwell în sine incorecte și să încercați să le schimbați în așa fel încât să nu se schimbe atunci când treceți de la un sistem inerțial la altul (în conformitate cu conceptele obișnuite, clasice de spațiu și timp). O astfel de încercare, în special, a fost făcută de G. Hertz. Potrivit lui Hertz, eterul este complet purtat de corpurile în mișcare și, prin urmare, fenomenele electromagnetice care au loc în eter decurg în același mod, indiferent dacă corpul este în repaus sau în mișcare. Principiul relativității este corect.

În cele din urmă, a treia posibilitate de rezolvare a acestor dificultăți este abandonarea conceptelor clasice de spațiu și timp pentru a păstra atât principiul relativității, cât și ecuațiile lui Maxwell. Aceasta este calea cea mai revoluționară, pentru că înseamnă revizuirea celor mai profunde și de bază idei din fizică. Din acest punct de vedere, nu ecuațiile câmpului electromagnetic se dovedesc a fi inexacte, ci legile mecanicii lui Newton, în concordanță cu vechile idei despre spațiu și timp, exprimate prin transformările lui Galileo. Legile mecanicii sunt cele care trebuie schimbate, nu legile electrodinamicii lui Maxwell.

A treia posibilitate s-a dovedit a fi singura corectă. Dezvoltându-l în mod constant, Einstein a venit la noi idei despre spațiu și timp. Primele două moduri, după cum se dovedește, sunt respinse prin experiment.

Când Hertz a încercat să schimbe legile electrodinamicii lui Maxwell, s-a dovedit că noile ecuații nu au putut explica o serie de fapte observate. Astfel, conform teoriei lui Hertz, apa în mișcare ar trebui să antreneze complet lumina care se propagă în ea, deoarece antrenează eterul în care se propagă lumina. Experiența a arătat că în realitate nu este cazul.

Punctul de vedere al lui Lorentz, conform căruia trebuie să existe un cadru de referință ales asociat cu eterul mondial, care este în repaus absolut, a fost de asemenea infirmat de experimente directe.

Literatură

Myakishev G.Ya. Fizica: Optica. Fizica cuantică. Clasa a XI-a: Educațional. pentru studiul aprofundat al fizicii. - M.: Butarda, 2002. - P. 189-191.