- •Основеые понятия и определения
- •Тема 1.02. Естествознание и его роль в культуре
- •Тема 1.03. Этика научных исследований. Псевдонаука.
- •Тема 1.04. Формирование научных программ (математическая, атомистическая, континуальная)
- •Тема 1.06. Развитие представлений о материи
- •Тема 1.07. Развитие представлений о движении
- •Тема 1.08. Развитие представлений о взаимодействии
- •2 Пространство, время, симметрия
- •Тема 2.01. Принципы симметрии, законы сохранения
- •Тема 2.02. Эволюция представлений о пространстве и времени.
- •Тема 2.03. Специальная теория относительности
- •Пространственно-временной интервал между событиями, его инвариантность
- •Тема 2.04. Общая теория относительности
- •Что такое черная дыра?
- •3. Структурные уровни и системная организация материи
- •Тема 3.01. Микро-, макро-, мегамиры
- •Тема 3.02. Взаимосвязь структурных уровней организации материи
- •3.03. Организация материи на физическом уровне
- •Тема 3.04. Процессы на физическом уровне организации материи
- •Тема 3.05. Организация материи на химическом уровне
- •Тема 3.06. Процессы на химическом уровне организации материи
- •Тема 3.07. Особенности биологического уровня организации материи
- •Тема 3.08. Молекулярные основы жизни
- •4. Порядок и беспорядок в природе
- •Тема 4.01. Механический детерминизм. Хаотическое поведение динамических систем
- •Тема 4.02. Динамические и статистические теории
- •Тема 4.03. Корпускулярно-волновой дуализм. Соотношения неопределенностей Волновые свойства света:
- •Тема 4.04. Принцип дополнительности Корпускулярно-волновой дуализм – наличие корпукулярных свойств у физических полей и волновых свойств у элементарных частиц.
- •Тема 4.06. Закономерности самоорганизации
- •5. Эволюционное естествознание Тема 5.01. Космология
- •Тема 5.02. Космогония. Геологическая эволюция
- •Магнитосфера Земли
- •Земной магнетизм
- •Строение Земли
- •Тема 5.03. Происхождение жизни
- •Тема 5.04. Биологический эволюционизм
- •Тема 5.05. История жизни на земле и методы исследования эволюции
- •Тема 5.06. Генетика и эволюция
- •6. Биосфера и человек Тема 6.01. Экосистемы
- •Тема 6.02. Биосфера
- •Тема 6.03. Человек в биосфере
- •Тема 6.04. Глобальный экологический кризис
Тема 2.03. Специальная теория относительности
Динамические симметрии пространства и времени
К динамической форме относятся симметрии, выражающиесвойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т.п. (внутренние симметрии). Современная физика, однако, раскрывает возможность сведения всех симметрий к геометрическим симметриям.
К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства – времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д.
Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как время, масса, ускорение, силаостаются неизменными, т.е.инвариантными. В то же время координата, скорость, импульс, кинетическая энергия изменяются, т.е. являются вариантными. Инвариантность времени, массы, ускорения и силы при переходе от одной ИСО к другой и отражено впринципе относительности Галилея (механический принцип относительности): все механические явления происходят одинаково в различных инерциальных системах отсчета.
Возникает вопрос: будут ли ИСО равноправны не только с точки зрения механики, но и с точки зрения физики в целом? Всегда ли верны представления классической механики и, в частности, преобразования Галилея?
Большой вклад в решение этого вопроса внесли исследования природы света и законов его распространения. В середине 19 в. были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме с =3×108 м/с. Сразу же возник вопрос: в какой системе отсчета? В результате опытов Майкельсона было установлено, что скорость света в вакууме во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения оставалась такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света. Это означало, что классический закон сложения скоростей для света не выполняется. Ведь из механики Галилея-Ньютона следовало, что .
Кроме того, возник вопрос: не является ли эфир, среда в которой распространяется свет «самой лучшей», «абсолютной системой отсчета»? Были выдвинуты и проверены гипотезы абсолютно неподвижного эфира, полного и частичного увлечения эфира движущимися телами. Однако при этом возникли большие трудности не только в разработке и постановке экспериментов, но и в истолковании их результатов.
Принципы СТО: принцип относительности, инвариантность скорости света
Принципиально новый подход к вышеупомянутым вопросам предложил Эйнштейн (1879-1955), разработавший в 1905 г. новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО).
Основу СТО составляют два постулата (принципа):
1. Принцип относительности Эйнштейна.Этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит:все физические процессы при одних и тех же условиях в ИСО протекают одинаково.Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).
2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемыхмировых констант.
Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что Уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна –релятивистская механика.
Итак, согласно релятивистской механике переход от одной ИСО к другой должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по другим. Ими стали преобразования Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО вытекает ряд следствий. Рассмотрим некоторые из них.
Следствия СТО:
Относительность одновременности:
Два события, происшедшие в различных точках x1иx2системы координат, называются одновременными, если они происходят в один и тот же момент времени по часам этой системы координат. Понятие одновременности не имеет абсолютного значения, независимого от системы координат. Чтобы утверждение об одновременности каких-либо событий имело определенное содержание, необходимо указать, в какой системе координат это утверждение относится.
События одновременные в одной системе координат перестают быть такими с точки зрения наблюдателя, находящегося в другой системе координат.
Закон сложения скоростей:
, гдеV0– скорость подвижной системы координатК’относительно неподвижной системы координатК;Vx’– скорость материальной точки в системеК’;Vx– скорость материальной точки относительно системыК,с– скорость света в вакууме.
Если Vx’иV0намного меньшес, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. Из этого закона следует также, что если скорость частицы относительно какой-либо инерциальной системы отсчета равна скорости света в вакууме, то она будет такой же относительно любой другой ИСО. Таким образом, при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Это находится в соответствии со 2-м постулатом СТО.
Следствием СТО явилось и понятие релятивистской массы тела.
,
где m0 – масса покоя электрона, а m – его масса при скорости движения V.
Эффект замедления хода движущихся часов:
,
где t0– собственное время, т.е. промежуток времени по часам, движущимся вместе с объектом со скоростью V, t – промежуток времени по часам в неподвижной системе отсчета. Таким образом, собственное время меньше времени по часам в неподвижной системе отсчета, т.е. физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы!). Это становится заметно, только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности, в опытах с мюонами.
Релятивистское сокращение длины тела в направлении движения:
,
гдеl’- длина движущегося стержня в направлении движения,l – длина покоящегося стержня.