3. Специальная теория относительности. Преобразования Лоренса. Следствие.

Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) (нем. spezielle Relativitätstheorie; ча́стная тео́рия относи́тельности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей образует общую теорию относительности.

Отклонения в протекании физических процессов, описываемые теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой, называют релятивистскими эффектами, скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями. Классические преобразования Галилея несовместимы с постулатами СТО и, следовательно, должны быть заменены. Эти новые преобразования должны установить связь между координатами (x, y, z) и моментом времени t события, наблюдаемого в системе отсчета K, и координатами (x', y', z') и моментом времени t' этого же события, наблюдаемого в системе отсчета K'. Кинематические формулы преобразования координат и времени в СТО называются преобразованиями Лоренца. Они были предложены в 1904 году еще до появления СТО как преобразования, относительно которых инвариантны уравнения электродинамики. Для случая, когда система K' движется относительно K со скоростью υ вдоль оси x, преобразования Лоренца имеют вид:

Кинематические следствия из преобразований Лоренца. Рассмотрим линейку, неподвижную в I, размещенную параллельно оси абсцисс. Длина линейки , где и - координаты концов линейки в этой системе I.В системе II длина этой линейки , где и следует брать в один и тот же момент. По преобразованию Лоренца Вычитая, находимДлина предмета в системе отсчета, в которой он покоится, называется собственной длиной (здесь - ). Она наибольшая. В системе, относительно которой линейка движется, она короче, и тем короче, чем больше ее скорость V. Следовательно, длина не является понятием абсолютным (безотносительным к системам отсчета), как принимается в ньютоновой механике.Пусть в неподвижной точке системы II произошли два события: первое - в момент , второе - в момент . Промежуток времени между этими событиями . По формулам Лоренца Вычитая значения моментов времени , находим Видно, что здесь больше, чем . В системе отсчета, в которой часы покоятся, промежуток времени наименьший. Его называют собственным временем. Иногда этот результат выражают словами: в движущемся теле процессы замедляются.

4.Релятивиская кинематика. Интервал. Собственное время.

Различают классическую кинематику, в которой пространственные (длины отрезков) и временные (промежутки времени) характеристики движения считаются абсолютными, то есть не зависящими от выбора системы отсчёта, и релятивистскую (Связанную с теорией относительности). В последней длины отрезков и промежутки времени между двумя событиями могут изменяться при переходе от одной системы отсчёта к другой. Относительной становится так же одновременность. В релятивистской механике вместо отдельных понятий пространство и время вводится понятие пространства-времени, в котором инвариантным относительно преобразований Лоренца является величина, называемая интервалом.

Теория относительности — термин, введённый в 1908 году Максом Планком с целью показать, как специальная теория относительности (и, позже, общая теория относительности) использует принцип относительности. Часто используется просто как эквивалент понятия «релятивистская физика». В узком смысле включает в себя специальную и общую теорию относительности.

В истории физики термин теория относительности часто используется для отграничения взглядов Эйнштейна, Минковского и их последователей, характеризовавшихся аксиоматическим пуризмом и полным исключением из рассмотрения концепции электромагнитного эфира, от взглядов и результатов (последние количественно точно совпадали с результатами специальной теории относительности) таких их предшественников, как Лоренц и Пуанкаре (не говоря уж об отграничении от работ других физиков, совсем расходящихся с ней).

Интервал в теории относительности — расстояние между двумя событиями в пространстве-времени, являющееся обобщением евклидового расстояния между двумя точками. Интервал лоренц-инвариантен, то есть не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, и, даже более, является инвариантом (скаляром) в специальной и общей теории относительности.Это свойство интервала делает его фундаментальным понятием, на основе которого может, в соответствии с принципом относительности, быть осуществлена ковариантная формулировка физических законов. В частности, преобразования Лоренца (преобразования координат, включая время, оставляющие неизменной запись всех фундаментальных уравнений физики при замене системы отсчёта) могут быть формально найдены как группа преобразований, сохраняющих интервал инвариантным. Инвариантность интервала послужила основой для введения пространства Минковского, в котором смене инерциальных систем отсчёта соответствуют «вращения» этого пространства, что явилось первой явной формулировкой концепции пространства-времени.

Собственное время в теории относительности, время, измеряемое часами в собственной системе отсчёта движущегося тела, т. е. часами, жёстко связанными с телом (покоящимися относительно него и находящегося в том же месте). Время протекания какого-либо процесса, измеряемое наблюдателем вне тела, в котором происходит процесс, зависит от относительной скорости наблюдателя и тела. При измерениях вдали от тяготеющих тел можно пользоваться частной (специальной) теорией относительности (см. Относительности теория). Если измерения производятся в некоторой инерциальной системе отсчета («лабораторной системе»), а тело движется относительно неё с постоянной скоростью u, то промежуток Собственное время Dt связан с промежутком времени Dt наблюдателя соотношением: , где c - скорость света в вакууме; если u меняется со временем то для конечного интервала времени t1, t2 Собственное время

При наличии полей тяготения следует пользоваться общей теорией относительности (см. Тяготение). Собственное время процесса в поле тяготения течёт тем медленнее с точки зрения наблюдателя вне поля, чем сильнее гравитационное поле, т. е. чем больше модуль гравитационного потенциала j (потенциал j отрицателен, вне поля полагают j = 0). Для не слишком сильных полей, когда |j|/с2 << 1, Собственное время Dt по неподвижным часам в точке с потенциалом j связано с временем Dt неподвижного наблюдателя вне поля соотношением: Dt = (1 - |j|/c2)/Dt. Как видно из формул, Собственное время всегда меньше времени, измеренного в любой др. системе отсчёта.