Элементы специальной теории относительности

Теория относительности была создана Эйнштейном в 1905 году. Максвелл разработал классическую электродинамику. В основе теории Максвелла – предположение об абсолютности скорости света.

Некая физическая величина называется абсолютной, если она не изменяется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Относительная величина – та, которая изменяется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Правило сложения скоростей Галилея в теории Максвелла не работает. Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он в своей теории изменил наши представления о пространстве и времени, и тем самым сумел примирить и классическую механику Галилея, и электродинамическую теорию Максвелла.

Если С – скорость света относительно неподвижной системы К. Если применять механику Галилея, то скорость относительно подвижной системы - С’. Тогда свет может быть быстрым и может быть медленным.

Из этого можно понять, что в электродинамике правило сложения скоростей не работает. Новый подход был предложен Эйнштейном в специальной теории относительности.

Если в механике скорость движения тела относительна, то в электродинамике скорость распространения электромагнитного излучения, в частности света, абсолютна.

Опыт Мейхельсона-Морля

Цель: обнаружение «эфирного ветра»

Они пробовали использовать тот факт, что земля движет и обнаружить этот ветер.

Идея: расстояние от пункта А до пунктов В и С одинаково. Пусть два самолета вылетают из А один в В, другой в С. Каждый должен долететь и вернуться. Ветер направлен от А в В, а пункт С расположен перпендикулярно ветру. Понадобится ли им одинаковое время, чтобы преодолеть одинаковое расстояние. Легко понять, что второй самолет затратит больше времени, потому что его сносит ветром.

Однако никакой разницы во времени прохождения светом своего пути они не обнаружили. Вывод: относительно эфира и относительно земли скорость света одинакова. Этот эксперимент подтверждал теорию Максвелла.

Анализируя это и другие исследования, Эйнштейн выдвигает два постулата:

1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы в любой инерциальной системе отсчета.

2. Принцип абсолютности скорости света: скорость света в вакууме одинакова в любой инерциальной системе отсчета.

Противоречие между теорией Эйнштейна и системой Галилея Ньютона.

Пусть в двух системах отсчета в начальный момент времени, когда О и О’ совпадали, в О’ произошла вспышка. Есть два наблюдателя: один неподвижен на К, а другой движется вместе с К’. Поскольку скорость света абсолютна, она одинакова что в системе К, что в системе К’. Каждый из наблюдателей будет видеть фронт волны от вспышки на расстоянии равном произведению скорости света и времени. Получается, что наблюдателю, который находится в системе К кажется, что вспышка произошла в О, а тому, который стоит в К’ кажется, что вспышка произошла в О’. Но это не так, так как центр сферического фронта волны не может находиться в двух разных точках. Все становится понятно, если отказаться от преобразований Галилея. На смену им пришли преобразования Лоренца. Постулаты Эйнштейна как раз полностью соответствуют преобразованиям Лоренца.

Преобразования Лоренца:

1. в разных инерциальных системах отсчета время течет по-разному.

2. Преобразования координат зависят от времени6 а преобразования времени зависят от координат.

При скоростях много меньше скорости света преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Поэтому теория Эйнштейна не противоречит преобразованиям Галилея, а лишь развивает ее, создавая механику больших скоростей. Релятивистская механика – механика, которая связана со специальной теорией относительности.

Правило сложения скоростей по Лоренцу: (v’+v0)/(1+v’v0/c2)

Если v’=c, то скорость движения тела относительно неподвижной системы координат тоже будет равно скорости света, а не 2с.