Зміст

Вступ

1. Досліди Майкельсона-Морлі

2. Перетворення Лоренца

3. Постулати СТВ

4. Елементи релятивістської динаміки 

5. Відносність проміжків часу 

а) Лабораторна робота № 1

6. Відносність відстаней 

б) Лабораторна робота № 2

Висновок

Література

ВСТУП

Актуальність теми

Традиційно-філософське визначення простору завжди базувалося на постулатах евклідової геометрії, тобто мало розмірність: вимір довжини, площини тощо. З початком космічної ери, практичним використанням теорій А.Ейнштейна, геометрії М. Лобачевського появою засобів електронної комунікації з’явилось нове розуміння Простору - без меж і кордонів.

За законами Ньютона, якщо на тіло діє сила, то воно рухається з прискоренням. Якщо напрямок дії сили збігається з напрямком руху, то швидкість тіла має необмежено зростати. Проте це твердження суперечить принципу СТВ, згідно з яким існує гранична швидкість передачі взаємодії— швидкість світла.

Як з'ясував А. Ейнштейн, щоб закони Ньютона були інваріантними в усіх інерціальних системах відліку і відповідали положенням СТВ, слід переглянути деякі класичні уявлення про рух і взаємодію тіл. Зокрема, за допомогою математичних перетворень формули другого закону Ньютона він встановив, що маса тіла залежить від швидкості його руху.

• Сучасна фізика ґрунтується переважно на двох теоретичних узагальненнях: квантовій гіпотезі М. Планка, висунутій ним у 1900 році, і постулатах теорії відносності, сформульованих у 1905 році А. Ейнштейном. Спеціальна теорія відносності переглянула насамперед спрощені класичні уявлення про простір і час як незалежні абсолютні субстанції. Вона дала більш глибоке, узагальнене їх тлумачення, об'єднавши в єдиний континуум — простір—час. Завдяки цьому в СТВ інакше характеризується одночасність події: дві події, що відбуваються в різних точках простору і є одночасними в одній системі відліку, не будуть одночасними в інших. Буття матерії характеризується не тільки системністю, рухом, але й формами її існування - простором і часом. У чому ж суть простору і часу?

Простір - є форма буття матерії, що характеризує її протяжність, структурність, співіснування і взаємодію елементів у всіх матеріальних системах. Загальне розуміння простору формується у людини в емпіричному досвіді при характеристиці матеріального об'єкту або множини таких об'єктів, що займають різне положення в просторі.

Час - є форма буття матерії, що виражає тривалість ЇЇ існування, послідовність зміни станів у змінюванні і розвитку всіх матеріальних систем. У природно-науковій літературі поняття час нерідко вживається як синонім поняття тривалість. На це звертав увагу англійський фізик і філософ Ісаак Ньютон. Поняття час виникає з порівняння різних станів одного і того ж об'єкту, який змінює свої властивості.

Створення сучасної теорії тяжіння було немислимим без спеціальної теорії відносності, без глибокого розуміння структури класичної електродинаміки , без усвідомлення єдності простору-часу.

Об'єкт дослідження: спеціальна теорія відносності.

Предмет дослідження:зміна довжини і часу в спеціальній теорії відносності.

Мета: дослідити відносність проміжків часу і відстані.

Завдання:

1)Вивчити досліди Майкельсона-Морлі, перетворення Лоренца і наслідки із них.

2)Дослідити відносність проміжків часу.

3) Дослідити відносність відстаней

Область застосовності класичного закону додавання швидкостей обмежена. Він, зокрема, непридатний для опису явищ, пов’язаних із розповсюдженням світла. Але, класичний закон додавання швидкостей являється наслідком із перетворень Галілея. Отже, і ці перетворення мають обмежену область використання.  Відмова від необґрунтованого використання положень ньютонівської механіки дала можливість Ейнштейну розробити нову теорію – спеціальну теорію відносності, в основу якої покладені два принципи, які являються постулатами:  а) принцип відносності;  б) принцип інваріантності швидкості світла відносно інерційних систем відліку.  Ці постулати надійно підтверджені експериментально. 

Спеціальна теорія відносності (СТВ) — фізична теорія, опублікована Альбертом Ейнштейном 1905 року. Вона фактично замінює класичну механіку Ньютона, яка на той час була несумісною з рівняннями Максвелла з теорії електромагнетизму.

Спеціальна теорія відносності не поширює дію своїх принципів на гравітаційні сили, тому в 1916 році Ейнштейн опублікував нову — загальну теорію відносності, яка пояснювала природу гравітації.

Передумови до виникнення теорії.

Принцип відносності був вперше сформульований Галілеєм. Відкидаючи застарілу концепцію руху Аристотеля, він стверджував, що рух, принаймні рівномірний та прямолінійний, відбувається «відносно чогось», і немає ніякої абсолютної системи відліку, відносно якої можна було б відштовхуватись в проведенні фізичних вимірювань. Галілей сформулював певний набір перетворень, які дозволяли переходити між системами відліку, та отримали назву перетворень Галілея. Галілей також сформулював п'ять законів руху.

Після Галілея був Ньютон, який зменшив цей перелік до трьох законів. Все це добре працювало для матеріальних тіл, але залишалась проблема — світло. Ньютон вірив, що світло є «корпускулярним», тобто складається з частинок, але пізніше фізики зрозуміли, що адекватнішим поясненням природи світла є модель поперечних хвиль. Аналогічно тому, як механічні хвилі розповсюджуються в певному середовищі, так і хвилі світла повинні були мати його для свого розповсюдження. Це гіпотетичне середовище отримало назву «світлового ефіру». Але воно повинно було б мати дещо незвичні властивості, зокрема бути надзвичайно жорстким, для того щоби забезпечити світлові таку велику швидкість, і в той же самий час бути майже невагомим та непомітним, адже інакше Земля повинна була б при русі відчувати його протидію. Ідея ефіру була в якомусь розумінні відродженням ідеї абсолютної системи відліку — стаціонарної відносно ефіру.

На початку 19 століття, світло, електрику та магнетизм стали розуміти як різні аспекти електромагнитного ефірного поля. Рівняння Максвелла доводили, що рух заряджених об'єктів продукує електромагнітне випромінювання, швидкість розповсюдження якого завжди є швидкістю світла. Ці рівняння базувалися на ідеї існування ефіру, в якому швидкість розповсюдження такого випромінювання не змінюється зі зміною швидкості джерела. Зрозуміло, що фізики намагались виміряти швидкість Землі відносно ефіру. Найвідоміша з таких спроб — експеримент Майкельсона-Морлі. Результати цих експериментів зійшлись в одному: швидкість світла не змінюється зі зміною швидкості спостерігача, тобто має бути інваріантною для всіх спостерігачів.

Ще до появи СТВ, Хендрік Лоренц та інші вже помітили, що прояви електромагнітного поля можуть бути різними в залежності від стану спостерігача. Наприклад, один може не спостерігати магнітного поля в тому ж місці де інший, який рухається відносно першого, може.

У кінцевому підсумку, коли Лоренц запропонував свої правила перетворень, як альтернативу Галілеєвим, завданням Ейнштейна було вивести їх з фундаментальніших закономірностей без урахування існування ефіру. Ейнштейну хотілось знати, що є інваріантним відносно кожного спостерігача. В спеціальній теорії відносності формули перетворень Лоренца виводяться просто з основ геометрії та теореми Піфагора. Оригінальна теорія була опублікована в праці «До електродинаміки тіл, що рухаються» (1905). Термін «відносність» був запропонований Максом Планком для визначення процесів зміни фізичних законів для спостерігачів, які рухаються один відносно одного.

СТВ зосереджується на дослідженні поведінки об'єктів та спостерігачів (інерціальних систем відліку), які зостаються в спокої або рухаються з постійною швидкістю. В цьому випадку говорять, що спостерігач перебуває в інерційній системі відліку. Зміни геометричних розмірів та швидкості плину часу в системах різних спостерігачів можуть бути порівняні за допомогою перетворень Лоренца.

Розповсюджена помилка полягає в тому, що СТВ не може передбачити поведінку тіл, які рухаються з прискоренням (тобто для неінерціальних систем відліку). Але це не зовсім так. СТВ може передбачувати поведінку таких об'єктів за умов нульового або постійного гравітаційного поля, а також у системах відліку, які обертаються. В загальному ж випадку повинна застосовуватись загальна теорія відносності.

Основи спеціальної теорії відносності  Спеціальна (чи приватна) теорія відносності (СТВ) представляє собою сучасну фізичну теорію простору і часу. Поряд з квантовою механікою, СТВ є теоретичною базою сучасної фізики і техніки. СТВ часто називають релятивістської теорією, а специфічні явища, описувані цією теорією, - релятивістськими ефектами. Ці ефекти найбільш чітко проявляються при швидкостях руху тіл, близьких до швидкості світла у вакуумі c ≈ 3·10⁸ м/с.Спеціальна теорія відносності була створена А. Ейнштейном (1905 р.).Попередниками Ейнштейна, дуже близько підійшли до вирішення проблеми, були нідерландський фізик Х. Лоренц і видатний французький фізик А. Пуанкаре. 

2. Досліди Майкельсона-Морлі

Класична механіка Ньютона прекрасно описує рух макротіл, що рухаються з малими швидкостями (υ <<c). У нерелятивистской фізики приймалося як очевидний факт існування єдиного світового часу t, однакового у всіх системах відліку. В основі класичної механіки лежить механічний принцип відносності (або принцип відносності Галілея): закони динаміки однакові у всіх інерціальних системах відліку. Цей принцип означає, що закони динаміки інваріантні (тобто незмінні) відносно перетворень Галілея, які дозволяють обчислити координати рухомого тіла в одній інерціальній системі (K), якщо задані координати цього тіла в іншій інерціальній системі (K '). В окремому випадку, коли система K 'рухається зі швидкістю υ вздовж позитивного напрямку осі x системи K (рис. 1.1), перетворення Галілея мають вигляд:  x = x '+ υt, y = y', z = z ', t = t'.  Передбачається, що в початковий момент осі координат обох систем збігаються.    Рис. 1.1.  Дві інерціальні системи відліку K і K '  З перетворень Галілея слід класичний закон перетворення швидкостей при переході від однієї системи відліку до іншої: 

u_x = u'_x + υ,   u_y = u'_y,   u_z = u'_z..  Прискорення тіла у всіх інерціальних системах виявляються однаковими: 

  Отже, рівняння руху класичної механіки (другий закон Ньютона) не змінює свого вигляду при переході від однієї інерціальної системи до іншої.  До кінця XIX століття почали накопичуватися досвідчені факти, які вступали в протиріччя із законами класичної механіки. Великі труднощі виникли при спробах застосувати механіку Ньютона до пояснення поширення світла. Припущення про те, що світло поширюється в особливій середовищі - ефірі, було спростовано численними експериментами. Американський фізик А. Майкельсон спочатку самостійно в 1881 році, а потім спільно з Е. Морлі (теж американець) в 1887 році намагався виявити рух Землі відносно ефіру («ефірний вітер») за допомогою інтерференційного досвіду. Спрощена схема досліду Майкельсона-Морлі представлена ​​на рис. 1.2. 

   Рис. 1.2.  Спрощена схема інтерференційного досвіду Майкельсона-Морлі. - Орбітальна швидкість Землі  У цьому досвіді одне з плечей інтерферометра Майкельсона встановлювалося паралельно напрямку орбітальної швидкості Землі (υ = 30 км / с). Потім прилад повертався на 90 °, і друге плече виявлялося орієнтованим по напрямку орбітальної швидкості. Розрахунки показували, що якщо б нерухомий ефір існував, то при повороті приладу інтерференційні смуги повинні були зміститися на відстань, пропорційне. Досвід Майкельсона-Морлі, неодноразово повторений згодом зі все більш зростаючої точністю, дав негативний результат.Аналіз результатів досвіду Майкельсона-Морлі і ряду інших експериментів дозволив зробити висновок про те, що уявлення про ефір як середовищі, в якому розповсюджуються світлові хвилі, помилково. Отже, для світла не існує обраної (абсолютної) системи відліку. Рух Землі по орбіті не впливає на оптичні явища на Землі.  Виняткову роль у розвитку уявлень про простір і час відіграла теорія Максвелла. До початку XX століття ця теорія стала загальновизнаною.Передбачені теорією Максвелла електромагнітні хвилі, що поширюються з кінцевою швидкістю, вже знайшли практичне застосування - в 1895 році А. С. Поповим було винайдено радіо. Але з теорії Максвелла випливає, що швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль у будь-який інерціальній системі відліку має одне і те ж значення, рівне швидкості світла у вакуумі. Це означає, що рівняння, що описують розповсюдження електромагнітних хвиль, не інваріантні відносно перетворень Галілея. Якщо електромагнітна хвиля (зокрема, світло) поширюється в системі відліку K '(рис. 1.1) в позитивному напрямку осі x', то в системі K світло повинен, згідно галилеевской кінематиці поширюватися зі швидкістю c + υ, а не c. 

Отже, на рубежі XIX і XX століть фізика переживала глибоку кризу. Вихід був знайдений Ейнштейном ціною відмови від класичних уявлень про простір і час.Найбільш важливим кроком на цьому шляху з'явився перегляд використовуваного в класичній фізиці поняття абсолютного часу. Класичні уявлення, що здаються наочними і очевидними, насправді виявилися неспроможними. Багато понять і величини, які в нерелятивистской фізики вважалися абсолютними, тобто не залежними від системи відліку, в ейнштейнівської теорії відносності переведені в розряд відносних.  Так як всі фізичні явища відбуваються в просторі і в часі, нова концепція просторово-часових закономірностей не могла не торкнутися в результаті всю фізику.