Скорость распространения взаимодействий

Этой лекцией мы начинаем изучение специальной теории относительности Эйнштейна. Она обобщает классическую нерелятивистскую механику (т.е. II закон Ньютона) на случай движений тел и частиц со скоростями, близкими к скорости света.

Как мы уже хорошо знаем, для описания процессов, происходящих в природе, необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета мы понимаем систему координат, которая служит для указания положения тел в пространстве, вместе со связанными с этой системой координат часами, необходимыми для отсчета времени. Характер движения тел при этом зависит, разумеется, от выбора системы отсчета. Преимуществом пользуются те системы, в которых движение выглядит максимально просто. Как известно в природе существуют такие системы отсчета, в которых свободное движение тела (не находящегося под воздействием внешних сил) выглядит особенно просто — оно происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы отсчета называются инерциальными.

Если одна система отсчета является инерциальной, а другая движется относительно нее равномерно и прямолинейно, то она, очевидно, тоже будет инерциальной, поскольку всякое свободное движение в ней также будет равномерным и прямолинейным. Таким образом, имеется бесконечное число инерциальных систем отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно-поступательно.

Опыт говорит о том, что справедлив так называемый принцип относительности. Согласно этому принципу все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. На математическом языке это означает, что уравнения, выражающие законы природы, инвариантны по отношению к преобразованиям координат и времени от одной инерциальной системы к другой. Другими словами, уравнение, описывающее некоторый закон природы, будучи выражено через координаты и время в различных инерциальных системах отсчета, имеет один и тот же вид.

В ньютоновской механике взаимодействие материальных частиц описывается с помощью потенциальной энергии, которая является функцией координат взаимодействующих частиц

Легко понять, что этот способ описания взаимодействия частиц неявно включает в себя гипотезу о мгновенном распространении этого взаимодействия. В самом деле, в этом описании силы, действующие на каждую из частиц со стороны остальных частиц, в каждый момент времени зависят только лишь от положения частиц в этот же момент времени:

(2)

Изменение положения какой-либо из взаимодействующих частиц отражается на остальных частицах в тот же момент времени.

Опыт, однако, свидетельствует, что мгновенных взаимодействий в природе не существует. Поэтому и механика, которая исходит из представления о мгновенном распространении взаимодействия, заключает в себе определенную неточность. В действительности, если с одним из взаимодействующих тел произошли какие-либо изменения (например, изменилось его положение в пространстве), то на другом теле это отразится лишь по истечении некоторого промежутка времени Δ t. Только по прошествии интервала Δ t со вторым телом начнут происходить процессы, вызванные этим изменением. Если разделить расстояние между обоими телами на этот промежуток времени, то мы найдем скорость распространения взаимодействия.

Как мы знаем, в природе существует четыре основных вида взаимодействий: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Можно было бы предположить, что скорость распространения у каждого из них своя, и они в принципе могли бы отличаться друг от друга. Однако в этом случае, как мы убедимся ниже, эта скорость зависела бы от выбора инерциальной системы отсчета, т.е. была бы разной в разных инерциальных системах, что противоречило бы принципу относительности. Выход из этого противоречия только один —

Эта постоянная скорость одновременно является скоростью распространения света в пустоте, поэтому ее называют скоростью света. Ее численное значение равно

Очевидно, что в природе невозможно движение тел со скоростью больше этой. Действительно, если бы такое движение могло происходить, то с его помощью можно было бы осуществить взаимодействие (отличное от уже известных четырех) со скоростью, превышающей скорость света. Такое взаимодействие, однако, до сих пор обнаружено не было. ¹

Большой величиной скорости света объясняется тот факт, что на практике в обычной ситуации достаточно точной оказывается классическая механика Ньютона. Большинство скоростей, с которыми мы сталкиваемся, настолько малы по сравнению со скоростью света, что предположение о бесконечности последней практически никак не сказывается на результате.

Объединение принципа относительности с конечностью скорости распространения взаимодействий называется принципом относительности Эйнштейна (1905 г.) в отличие от принципа относительности Галилея, исходящего из бесконечной скорости распространения взаимодействий.

Механика, которая основана на эйнштейновском принципе относительности (в дальнейшем для краткости просто принципе относительности), называется релятивистской. В предельном случае, когда скорости движущихся тел малы по сравнению со скоростью света, релятивистская механика переходит в обычную классическую механику, основанную на предположении о мгновенном распространении взаимодействий. Предельный переход от релятивистской механики к классической можно формально осуществить, устремляя скорость света c к бесконечности в формулах релятивистской механики.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: