|
|
Все законы физики, описывающие любые физические явления, должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.Стр 1 из 3Следующая ⇒ Карточка 1 Чтоб этот довод рухнул также вдруг, Тебе бы опыт сделать не мешало; Ведь он для вас — источник всех наук. Данте Алигьери Вообще, создание специальной теории относительности исторически связано с развитием электродинамики. За два столетия, которые отделяли физику эпохи Галилея и Ньютона от физики эпохи Максвелла и Герца, в ней накопилось огромное количество новых научных фактов. Особенно бурно в это время развивались электромагнетизм и оптика. В тоже время представление о мироздании базировалось на механической картине мира, трактовавшей все явления с позиций классической механики 17 века, носившей универсальный характер. Соответственно, при построении электродинамики движущихся сред был использован принцип относительности Галилея, согласно которому электромагнитные процессы, такие как взаимодействие зарядов и токов, распространение света и т.д., должны протекать одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Однако электромагнитные процессы происходят со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, которые значительно больше скоростей различных механических тел. В связи с этим возникает вопрос: не скажется ли это на справедливости принципа относительности Галилея при описании электромагнитных явлений? Теперь, давайте вспомним, что, например, звуковые волны могут распространяться только в какой-либо упругой среде — газообразной, жидкой или твердой. Именно упругие свойства среды делают возможной передачу колебаний от одной точки среды к другой. Так, в вакууме звуковые волны распространяться не могут. Проводя аналогию между звуковыми и электромагнитными волнами, ученые пришли к выводу, что для распространения света также необходима некоторая упругая среда, которую назвали эфиром. При этом эфир должен обладать следующими уникальными свойствами: 1) невидимость и невесомость, поскольку все попытки увидеть или взвесить его оказались безрезультатными. 2) огромной жесткостью, так как скорость упругих волн в среде зависит от ее жесткости (или упругости).
Таким образом, по мере развития электродинамики во второй половине 19 века основным стал вопрос о влиянии эфира на движение света. Ответы на возникшие вопросы мог дать только эксперимент. Так, измерение скорости света в произвольной инерциальной системе отсчета позволили бы обнаружить движение этой системы относительно эфира и определить скорость этого движения, т.е. обнаружить «эфирный ветер».
В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдуард Морли провели эксперимент, точность измерений в котором была достаточной для обнаружения «эфирного ветра». Разберем принципиальную схему их экспериментальной установки. На массивной каменной платформе площадью полтора на полтора квадратных метра и толщиной более 30 сантиметров, плававшей в бассейне со ртутью, была собрана оптическая схема, получившая в последствии название интерферометра Майкельсона. Такая конструкция обеспечивала независимость наблюдаемой интерференционной картины от механических колебаний платформы.
И так, свет от источника делился на два пучка, распространявшихся в дальнейшем во взаимно перпендикулярных направлениях. Пучки отражались от зеркал, а затем сводились вместе. На детекторе при сложении этих пучков наблюдалась интерференционная картина, определяемая разностью хода взаимодействующих волн.
Если заставить один из лучей двигаться вдоль направления движения Земли, а второй — перпендикулярно, то «эфирный ветер» будет «разным» для этих лучей, что должно привести к изменению, а точнее, к сдвигу интерференционной картины. Согласно расчетам, при развороте платформы на 90 градусов относительно направления движения Земли интерференционная картина должна была сдвинуться на расстояние, приблизительно равное 0,4 интерференционной полосы. Однако ожидаемое смещение не было обнаружено, хотя интерферометр позволял наблюдать сдвиг интерференционной картины даже на одну сотую полосы. Эти эксперименты повторялись в разное время суток и в различные времена года, но движение Земли относительно эфира не было обнаружено. Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли был одной из величайших загадок физики конца 19 начала 20 веков. Хотя некоторые ученые все равно считали, что эфир существует. Например, нидерландский физик и лауреат Нобелевской премии Хендрик Лоренц заявлял, что мировой эфир существует. А отрицательные результаты опыта Майкельсона-Морли он объяснял тем, что при движении со скоростями, близкими к скорости света, происходит сокращение продольных размеров тела и замедление времени.
Карточка №2
Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы отсчета равноправны по отношению к механическим явлениям. Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли показал, что все инерциальные системы отсчета равноправны и по отношению к электромагнитным явлениям. Кроме того, посредством многочисленных экспериментов был установлен факт постоянства скорости света в вакууме в любых инерциальных системах отсчета, который не согласуется с классическим законом сложения скоростей. Для преодоления противоречий между механическими и электромагнитными явлениями Эйнштейну пришлось изменить классические представления о пространстве и времени. В основе специальной теории относительности, или в дальнейшем просто теории относительности, лежат два постулата. В первом постулате Альберт Эйнштейн зафиксировал важнейший факт равноправия всех инерциальных систем отсчета. Этот постулат представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на все физические явления. Первый постулат (его еще называют постулатом относительности) звучит так: Карточка №3 «Вы думаете, всё так просто? Да, всё просто. Но совсем не так» Альберт Эйнштейн Из постулатов Специальной теории относительности вытекает ряд важнейших следствий.
Для наблюдателя, покоящегося относительно стержня, промежуток времени между вспышками легко определить, разделив удвоенную длину стержня на значение скорости света.
Таким образом, по числу вспышек можно измерять промежутки времени, необходимые для распространения сигнала. А что будет происходить, если стержень будет двигаться с некоторой скоростью вправо перпендикулярно стержню.
Учитывая то, что такой же промежуток времени займет возвращение сигнала к лампе, окончательно получим:
Промежуток времени А вот часы, движущиеся равномерно относительно данной системы отсчета, идут медленнее неподвижных часов и показывают тем больший промежуток времени, чем больше скорость их движения. Этот эффект называют релятивистским замедлением времени. Теперь давайте рассмотрим следующую ситуацию. Пусть имеется стержень, который движется вдоль своей оси с некоторой скоростью. Если неподвижный наблюдатель включит секундомер при совмещении с ним переднего конца стержня, а выключит при совмещении с ним заднего конца стержня, то длину стержня можно будет легко определить из формулы, которая знакома из курса физики 7 класса.
В системе отсчета, связанной со стержнем, также можно определить его длину, измеряя время секундомером, однако в этом случае сам секундомер уже будет двигаться относительно стержня.
Учитывая релятивистский эффект замедления времени, получим формулу, выражающую релятивистское сокращение размеров.
Таким образом, с точки зрения наблюдателя, движущееся тело сокращается в направлении своего движения. При этом поперечные размеры тела при таком движении не изменяются. Есть еще одно следствие из теории относительности. Оно носит название относительность одновременности и звучит следующим образом: одновременность пространственно-разделенных событий относительна. Если говорить более простым языком, то относительность одновременности говорит о том, что те события, которые были одновременными в одной инерциальной системе отсчета, перестают быть таковыми в другой системе отсчета, движущейся относительно первой с некоторой постоянной скоростью. Помимо всего прочего, результаты теории относительности привели и к изменению закона сложения скоростей. Классический закон сложения скоростей не может быть справедливым, так как он противоречит постоянству скорости света в вакууме. Так, например, если автомобиль движется со скоростью Для простоты рассмотрим частный случай. Пусть тело M движется вдоль оси x’ системы отсчета K’, которая, в свою очередь, движется со скоростью
Обозначим модуль скорости тела относительно подвижной системы отсчета через Тогда, зная модуль скорости тела в одной инерциальной системе отсчета, можно найти модуль его скорости в другой инерциальной системе отсчета.
Полученная взаимосвязь и выражает релятивистский закон сложения скоростей. Стоит отметить то факт, что полученная формула применима только в том случае, если все три вектора скорости направлены вдоль одной прямой.
Карточка №4 Сформулированные Эйнштейном постулаты, положенные в основу СТО, заставили физиков пересмотреть взгляды на классическую (ньютоновскую) механику. Классические выражения для импульса и энергии нужно было изменить для новой, уточненной формы записи законов сохранения импульса и энергии. Таким образом, теория относительности потребовала пересмотра и уточнения законов механики. Уравнения динамики следует изменить так, чтобы они оставались неизменными при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую согласно принципу относительности. В случае малых скоростей, т.е. скоростей намного меньших скорости света, уравнения релятивистской динамики должны переходить в классические, ибо в этой области их справедливость подтверждается на опыте. В классической механике важной динамической величиной является масса тела. Из второго закона Ньютона следует, что масса тела является мерой его инертных свойств. В формулах, связывающих импульс тела и его скорость, а также кинетическую энергию и скорость тела, масса также выступает как мера инертности. В тоже время, масса, входящая в закон всемирного тяготения, является мерой гравитационного взаимодействия. Инертность и способность к гравитационным взаимодействиям представляют собой совершенно различные проявления свойств материи. Однако то, что меры этих различных проявлений обозначаются одним и тем же словом совсем не случайно, а обусловлено тем, что оба свойства всегда существуют совместно и всегда друг другу пропорциональны. А многочисленные опыты и экспериментальные факты доказывают, что инертная и гравитационная массы равны.
Однако в теории относительности масса тела уже не является мерой количества вещества. Это объясняется тем, что в релятивистской теории в понятие материи включается не только вещество (протоны, электроны, нейтроны), но и излучения (фотоны). Поэтому масса будет определятся не столько числом частиц, сколько их энергиями.
Карточка 1 Чтоб этот довод рухнул также вдруг, Тебе бы опыт сделать не мешало; Ведь он для вас — источник всех наук. Данте Алигьери Вообще, создание специальной теории относительности исторически связано с развитием электродинамики. За два столетия, которые отделяли физику эпохи Галилея и Ньютона от физики эпохи Максвелла и Герца, в ней накопилось огромное количество новых научных фактов. Особенно бурно в это время развивались электромагнетизм и оптика. В тоже время представление о мироздании базировалось на механической картине мира, трактовавшей все явления с позиций классической механики 17 века, носившей универсальный характер. Соответственно, при построении электродинамики движущихся сред был использован принцип относительности Галилея, согласно которому электромагнитные процессы, такие как взаимодействие зарядов и токов, распространение света и т.д., должны протекать одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Однако электромагнитные процессы происходят со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, которые значительно больше скоростей различных механических тел. В связи с этим возникает вопрос: не скажется ли это на справедливости принципа относительности Галилея при описании электромагнитных явлений? Теперь, давайте вспомним, что, например, звуковые волны могут распространяться только в какой-либо упругой среде — газообразной, жидкой или твердой. Именно упругие свойства среды делают возможной передачу колебаний от одной точки среды к другой. Так, в вакууме звуковые волны распространяться не могут. Проводя аналогию между звуковыми и электромагнитными волнами, ученые пришли к выводу, что для распространения света также необходима некоторая упругая среда, которую назвали эфиром. При этом эфир должен обладать следующими уникальными свойствами: 1) невидимость и невесомость, поскольку все попытки увидеть или взвесить его оказались безрезультатными. 2) огромной жесткостью, так как скорость упругих волн в среде зависит от ее жесткости (или упругости).
Таким образом, по мере развития электродинамики во второй половине 19 века основным стал вопрос о влиянии эфира на движение света. Ответы на возникшие вопросы мог дать только эксперимент. Так, измерение скорости света в произвольной инерциальной системе отсчета позволили бы обнаружить движение этой системы относительно эфира и определить скорость этого движения, т.е. обнаружить «эфирный ветер».
В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдуард Морли провели эксперимент, точность измерений в котором была достаточной для обнаружения «эфирного ветра». Разберем принципиальную схему их экспериментальной установки. На массивной каменной платформе площадью полтора на полтора квадратных метра и толщиной более 30 сантиметров, плававшей в бассейне со ртутью, была собрана оптическая схема, получившая в последствии название интерферометра Майкельсона. Такая конструкция обеспечивала независимость наблюдаемой интерференционной картины от механических колебаний платформы.
И так, свет от источника делился на два пучка, распространявшихся в дальнейшем во взаимно перпендикулярных направлениях. Пучки отражались от зеркал, а затем сводились вместе. На детекторе при сложении этих пучков наблюдалась интерференционная картина, определяемая разностью хода взаимодействующих волн.
Если заставить один из лучей двигаться вдоль направления движения Земли, а второй — перпендикулярно, то «эфирный ветер» будет «разным» для этих лучей, что должно привести к изменению, а точнее, к сдвигу интерференционной картины. Согласно расчетам, при развороте платформы на 90 градусов относительно направления движения Земли интерференционная картина должна была сдвинуться на расстояние, приблизительно равное 0,4 интерференционной полосы. Однако ожидаемое смещение не было обнаружено, хотя интерферометр позволял наблюдать сдвиг интерференционной картины даже на одну сотую полосы. Эти эксперименты повторялись в разное время суток и в различные времена года, но движение Земли относительно эфира не было обнаружено. Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли был одной из величайших загадок физики конца 19 начала 20 веков. Хотя некоторые ученые все равно считали, что эфир существует. Например, нидерландский физик и лауреат Нобелевской премии Хендрик Лоренц заявлял, что мировой эфир существует. А отрицательные результаты опыта Майкельсона-Морли он объяснял тем, что при движении со скоростями, близкими к скорости света, происходит сокращение продольных размеров тела и замедление времени.
Карточка №2
Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы отсчета равноправны по отношению к механическим явлениям. Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли показал, что все инерциальные системы отсчета равноправны и по отношению к электромагнитным явлениям. Кроме того, посредством многочисленных экспериментов был установлен факт постоянства скорости света в вакууме в любых инерциальных системах отсчета, который не согласуется с классическим законом сложения скоростей. Для преодоления противоречий между механическими и электромагнитными явлениями Эйнштейну пришлось изменить классические представления о пространстве и времени. В основе специальной теории относительности, или в дальнейшем просто теории относительности, лежат два постулата. В первом постулате Альберт Эйнштейн зафиксировал важнейший факт равноправия всех инерциальных систем отсчета. Этот постулат представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на все физические явления. Первый постулат (его еще называют постулатом относительности) звучит так: все законы физики, описывающие любые физические явления, должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Этот же постулат может быть переформулирован и таким образом:   Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...  Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...  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:
|
Хотя второе свойство эфира очень сомнительное. Так, например, если в воздухе скорость звука равна 330 м/с, то в воде (более упругой среде) эта скорость составляет 1450 м/с, а в стали уже 5000 м/с. Но достаточно сложно себе представить среду, упругость которой обеспечивала бы распространение света со скоростью порядка одного миллиарда километров в час.
Для разрешения проблемы эфира американский физик Альберт Майкельсон предложил схему эксперимента, позволяющего с помощью интерференции обнаружить движение Земли относительно эфира. Действительно, если бы свет распространялся в эфире, а эфир был неподвижен относительно Солнца, то при своем движении по орбите Земля должна была бы испытывать «эфирный ветер», подобно тому, как при езде на мотоцикле или велосипеде мы ощущаем встречный поток воздуха даже в безветренную погоду.
В 1905 году для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона-Морли немецкий физик Альберт Эйнштейн предложил новую теорию, получившую название специальная теория относительности (сокращенно — СТО).
Для начала рассмотрим воображаемые световые часы — это лампа и зеркало, закрепленные на противоположных концах стержня. Свет от вспышки лампы отражается от зеркала и попадает на фотоэлемент, расположенный рядом с лампой, который вновь ее включает.
Если сигнал достигает зеркала за промежуток времени 
при измерении по неподвижным часам, то зеркало за этот промежуток времени сместится из точки B в точку B’ на расстояние 
. Расстояние от места вспышки до места отражения равно 
. Тогда из прямоугольного треугольника AB’A’ следует, что
, измеренный по часам наблюдателя, покоящегося в данной ИСО, называют собственным временем наблюдателя. При этом собственное время одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
где 
– собственная длина стержня, т.е. это длина стержня в системе отсчета, относительно которой он покоится.
и в некоторый момент времени включит фары, то скорость распространения света от фар относительно Земли должна быть равна опять-таки скорости света, а не 
. Новый закон сложения скоростей и должен приводить к требуемому результату.
, а модуль скорости этого же тела относительно неподвижной системы отсчета через 
.
Известно что, в классической механике масса рассматривается и как мера количества вещества. Вспомните: чем больше отдельных частиц содержит физическая система, тем больше ее масса.
Также в теории относительности масса движущегося тела не является мерой его взаимодействия с гравитационным полем, так как это поле зависит от энергии и импульса тела.