SRT, TOE - näiden lyhenteiden alla on termi "suhteellisuusteoria", joka on tuttu melkein kaikille. selkeällä kielellä kaikki voidaan selittää, jopa neron lausunto, joten älä ole epätoivoinen, jos et muista koulun fysiikan kurssia, koska itse asiassa kaikki on paljon yksinkertaisempaa kuin miltä näyttää.

Teorian alkuperä

Joten aloitetaan kurssi "Suhteellisuusteoria tutille". Albert Einstein julkaisi työnsä vuonna 1905 ja se aiheutti kohua tutkijoiden keskuudessa. Tämä teoria peitti lähes täysin monet viime vuosisadan fysiikan aukot ja epäjohdonmukaisuudet, mutta lisäksi se käänsi ajatuksen tilasta ja ajasta ylösalaisin. Aikalaisten oli vaikea uskoa moniin Einsteinin lausuntoihin, mutta kokeet ja tutkimukset vain vahvistivat suuren tiedemiehen sanat.

Einsteinin suhteellisuusteoria selitti yksinkertaisesti sen, minkä kanssa ihmiset olivat kamppailleet vuosisatojen ajan. Sitä voidaan kutsua kaiken modernin fysiikan perustaksi. Ennen kuin jatkat keskustelua suhteellisuusteoriasta, on kuitenkin syytä selvittää termejä. Varmasti monet populaaritieteellisiä artikkeleita lukevat ovat törmänneet kahteen lyhenteeseen: SRT ja GRT. Itse asiassa ne tarkoittavat hieman erilaisia ​​käsitteitä. Ensimmäinen on erityinen suhteellisuusteoria, ja toinen tarkoittaa "yleistä suhteellisuusteoriaa".

Melko monimutkainen

SRT on vanhempi teoria, josta tuli myöhemmin osa GR:ää. Se voi ottaa huomioon vain tasaisella nopeudella liikkuvien esineiden fyysiset prosessit. Toisaalta yleinen teoria voi kuvata, mitä tapahtuu kiihtyville esineille, ja myös selittää, miksi gravitonihiukkaset ja painovoima ovat olemassa.

Jos sinun on kuvattava liikettä sekä tilan ja ajan suhdetta lähestyttäessä valonnopeutta - tämä voidaan tehdä erityisellä suhteellisuusteorialla. Yksinkertaisin sanoin voidaan selittää seuraavasti: esimerkiksi ystävät tulevaisuudesta antoivat sinulle avaruusaluksen, joka voi lentää suurella nopeudella. Avaruusaluksen nokassa on tykki, joka pystyy ampumaan fotoneilla kaikkeen eteen tulevaan.

Kun laukaus ammutaan alukseen nähden, nämä hiukkaset lentävät valon nopeudella, mutta loogisesti paikallaan olevan tarkkailijan tulisi nähdä kahden nopeuden (fotonit itse ja laiva) summa. Mutta ei mitään sellaista. Tarkkailija näkee fotoneja liikkuvan 300 000 m/s nopeudella, ikään kuin laivan nopeus olisi nolla.

Asia on siinä, että riippumatta siitä, kuinka nopeasti esine liikkuu, valon nopeus sille on vakioarvo.

Tämä väite on perusta hämmästyttäville loogisille johtopäätöksille, kuten hidastumiselle ja ajan vääristymille, riippuen kohteen massasta ja nopeudesta. Monien tieteiselokuvien ja -sarjojen juonet perustuvat tähän.

Yleinen suhteellisuusteoria

Laajampi yleinen suhteellisuusteoria voidaan selittää myös yksinkertaisin sanoin. Aluksi meidän pitäisi ottaa huomioon se tosiasia, että tilamme on neliulotteinen. Aika ja avaruus yhdistyvät sellaiseksi "subjektiksi" kuin "avaruus-aikajatkumous". Avaruudessamme on neljä koordinaattiakselia: x, y, z ja t.

Mutta ihmiset eivät voi suoraan havaita neljää ulottuvuutta, aivan kuten hypoteettinen tasainen mies elää kaksiulotteisessa maailmassa, ei pysty katsomaan ylöspäin. Itse asiassa maailmamme on vain neliulotteisen avaruuden projektio kolmiulotteiseksi.

Mielenkiintoinen tosiasia on, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan kappaleet eivät muutu liikkuessaan. Neliulotteisen maailman esineet ovat itse asiassa aina muuttumattomia, ja liikkuessaan vain niiden projektiot muuttuvat, minkä näemme ajan vääristymisenä, koon pienenemisenä tai lisääntymisenä ja niin edelleen.

Hissin kokeilu

Suhteellisuusteoria voidaan selittää yksinkertaisesti pienen ajatuskokeen avulla. Kuvittele, että olet hississä. Mökki alkoi liikkua, ja sinä olit painottomassa tilassa. Mitä tapahtui? Syitä voi olla kaksi: joko hissi on avaruudessa tai se on vapaassa pudotuksessa planeetan painovoiman vaikutuksesta. Mielenkiintoisin asia on, että painottomuuden syytä on mahdotonta selvittää, jos hissin hytistä ei ole mahdollista katsoa ulos, eli molemmat prosessit näyttävät samalta.

Ehkä suoritettuaan samanlaisen ajatuskokeen Albert Einstein tuli siihen tulokseen, että jos näitä kahta tilannetta ei voida erottaa toisistaan, niin itse asiassa painovoiman vaikutuksen alainen keho ei kiihdy, tämä on tasainen liike, joka on kaareva. massiivisen kappaleen (tässä tapauksessa planeetan) vaikutus. Siten kiihdytetty liike on vain projektio yhtenäinen liike kolmiulotteiseen avaruuteen.

kuvaava esimerkki

Toinen hyvä esimerkki aiheesta "Suhteellisuusteoria dummiesille". Se ei ole täysin oikein, mutta se on hyvin yksinkertainen ja selkeä. Jos jokin esine asetetaan venytetylle kankaalle, se muodostaa "poikkeutuksen", "suppilon" sen alle. Kaikki pienemmät kappaleet joutuvat vääristämään lentorataa avaruuden uuden kaarevuuden mukaan, ja jos keholla on vähän energiaa, se ei ehkä ylitä tätä suppiloa ollenkaan. Itse liikkuvan kohteen näkökulmasta rata pysyy kuitenkin suorana, he eivät tunne tilan kaarevuutta.

Painovoima "alennettu"

Yleisen suhteellisuusteorian tultua voimaan painovoima on lakannut olemasta voima ja on nyt tyytyväinen ajatuksen ja tilan kaarevuuden yksinkertaisen seurauksen asemaan. Yleinen suhteellisuusteoria voi näyttää fantastiselta, mutta se on toimiva versio ja se on vahvistettu kokeilla.

Monet uskomattomilta vaikuttavat asiat maailmassamme voidaan selittää suhteellisuusteorialla. Yksinkertaisesti sanottuna tällaisia ​​asioita kutsutaan yleisen suhteellisuusteorian seurauksiksi. Esimerkiksi massiivisista kappaleista lähietäisyydeltä lentävät valonsäteet taipuvat. Lisäksi monet kaukaisesta avaruudesta peräisin olevat esineet ovat piilossa toistensa takana, mutta koska valonsäteet kiertävät muita kappaleita, näennäisesti näkymättömät esineet ovat katseemme (tarkemmin sanoen kaukoputken katseen) ulottuvilla. Se on kuin katsoisi seinien läpi.

Mitä suurempi painovoima, sitä hitaammin aika virtaa esineen pinnalla. Tämä ei koske vain massiivisia kehoja, kuten neutronitähdet tai mustia aukkoja. Aikalaajentumisen vaikutus on havaittavissa jopa maan päällä. Esimerkiksi satelliittinavigointilaitteet on varustettu tarkimmilla atomikelloilla. Ne ovat planeettamme kiertoradalla, ja aika tikittää siellä hieman nopeammin. Sekunnin sadasosat vuorokaudessa muodostavat luvun, joka antaa jopa 10 kilometriä virhettä maan reitin laskennassa. Suhteellisuusteoria antaa meille mahdollisuuden laskea tämä virhe.

Yksinkertaisesti sanottuna se voidaan ilmaista seuraavasti: GR on monien taustalla nykyaikaiset tekniikat, ja Einsteinin ansiosta löydämme helposti pizzerian ja kirjaston vieraalta alueelta.

Luonnollinen skeptinen kysymys: "Mitkä ovat Galileon muunnosten sovellettavuuden rajat?" syntyi ihmiskunnan eteen 1800-luvun lopulla - 1900-luvun alussa. Se syntyi eetterin paradoksaalisten ominaisuuksien tutkimuksen yhteydessä - hypoteettinen ehdottoman joustava väliaine, jossa valo etenee vaimentamatta, kuten ehdottoman kiinteässä väliaineessa.

Epäilykset Galilean muunnosten äärettömästä soveltuvuudesta, mukaan vähintään, nopeuksien summauslain kannalta, syntyi analysoitaessa Michelson-Morley-kokeiden tuloksia "eetterituulen" nopeuden määrittämiseksi vertaamalla suuntaa pitkin liikkuvan lähteen lähettämän valon nopeutta. Maan liikkeestä kiertoradalla ja valon nopeudesta suunnassa, joka on kohtisuorassa kiertoradan tangenttia vastaan. Mittaukset tehtiin erittäin tarkalla laitteella, Michelson-interferometrillä. Maa valittiin nokkelasti kohteeksi, joka liikkuu 30 km/s lineaarisella nopeudella, käytännössä saavuttamattomaksi toistaiseksi. moderni teknologia massiivisille esineille.

Michelsonin vuonna 1881 ensimmäistä kertaa lavastettu ja kielteisen vastauksen antava koe asetettiin pohjimmiltaan: jopa 0,5 m paksu levy, johon kiinnitettiin peilit, tehtiin graniitista, joka laajenee hieman kuumennettaessa ja kelluu elohopeassa muodonmuutosta varten. vapaa kierto. Kokeen ensisijainen tarkkuus mahdollisti "eetterituulen" havaitsemisen nopeudella 10 km/s. Myöhemmin se toistettiin monta kertaa, tarkkuus nostettiin mahdollisuuteen havaita tuuli nopeudella 30 m/s. Mutta vastaus oli jatkuvasti nolla.

Galileon muunnoksia ei vahvistettu, kun havainnoidaan liikkeitä suurilla nopeuksilla. Esimerkiksi binääritähtien jaksollisen liikkeen rytmissä ei ollut häiriöitä, kun taas niiden liikkeen nopeuden suunta muuttuu eteenpäin ja taaksepäin kiertävillä poluilla. Valon nopeus osoittautui siis riippumattomaksi lähteen liikkeestä.

Michelsonin ja Morleyn kokeiden ajoista vuonna 1881 vuoteen 1905 - ennen SRT:n perusteiden kehittämistä - tehtiin lukuisia yrityksiä kehittää hypoteeseja, joissa avainkokeen tulokset löytäisivät selityksen. Ja samaan aikaan kaikki yrittivät säilyttää eetterin muuttaen vain sen ominaisuuksia.

Tunnetuimpia ovat irlantilaisen fyysikon George Fitzgeraldin ja hollantilaisen fyysikon Hendrik Lorentzin omituiset yritykset. Ensimmäinen ehdotti ajatusta kehon pituuden lyhentämisestä liikkeen suunnassa, mitä suurempi, sitä suurempi liikenopeus. Lorentz ehdotti paikallisen ajan ("paikallisen ajan") mahdollisuutta liikkuvassa järjestelmässä lakien mukaan, jotka eroavat kiinteän järjestelmän laeista. Lorentz ehdotti Galileon koordinaattimuunnosten muokkaamista.

Einsteinin postulaatit erityisessä suhteellisuusteoriassa

Albert Einstein teki ratkaisevan panoksen erityisen ja sitten yleisen suhteellisuusteorian luomiseen. Vuonna 1905 "Annalen fur physicist" -lehdessä 26-vuotias, tuntematon Sveitsin patenttiviraston työntekijä Albert Einstein julkaisi pienen 3-sivuisen artikkelin "Liikkuvien välineiden sähködynamiikasta". Fysiikan historioitsijoiden mukaan hän ei kuullut Michelson-Morley-kokeiden tuloksista.

Einsteinin käsitteen avulla voidaan hylätä eetterin olemassaolo ja rakentaa teoria, jota nykyään kutsutaan erityiseksi suhteellisuusteoriaksi (SRT) ja joka on vahvistettu kaikilla tunnetuilla kokeilla nykyään.

SRT perustuu kahteen oletukseen.

"Valonnopeuden pysyvyyden periaate".

Valon nopeus ei riipu valonlähteen nopeudesta, on sama kaikissa inertiakoordinaatistoissa ja on yhtä suuri kuin c=3 tyhjiössä 10 8 neiti.

Myöhemmin vuonna 1916 julkaistussa yleisessä suhteellisuusteoriassa (GR) todettiin, että valon nopeus pysyy muuttumattomana ei-inertiaalisissa koordinaattijärjestelmissä.

Erityinen suhteellisuusperiaate.

Luonnonlait ovat samat (invariantti, kovarianti) kaikissa inertiakoordinaatistoissa.

Einstein kirjoitti myöhemmin:

”Kaikissa inertiakoordinaatistoissa luonnonlait ovat yhtäpitäviä. Fyysistä todellisuutta ei hallitse piste avaruudessa eikä ajanhetki, jolloin jotain tapahtui, vaan vain tapahtuma itse. Avaruudessa ei ole absoluuttista (referenssiavaruudesta riippumatonta) suhdetta, eikä absoluuttista ajallista suhdetta ole, mutta absoluuttinen (viiteavaruudesta riippumaton) on olemassa. suhde tilassa ja ajassa" ( Einstein korosti).

Myöhemmin Einstein vakuutti tämän postulaatin pätevyyden kaikille viitekehykselle, myös ei-inertiaalisille viitekehykselle.

SRT:n matemaattinen laitteisto käyttää neliulotteista xyzt-avaruus-aikajatkuvuutta (Minkowski-avaruus) ja Lorentzin koordinaattimuunnoksia matemaattisena heijastuksena aineellisessa maailmassa objektiivisesti olemassa olevista tosiseikoista.

Valonnopeuden absoluuttisuuden oletus johtaa useisiin seurauksiin, jotka ovat epätavallisia ja joita ei havaita newtonilaisen mekaniikan olosuhteissa. Yksi valonnopeuden pysyvyyden seurauksista on ajan absoluuttisen luonteen hylkääminen, joka oli oksastettu Newtonin mekaniikkaan. Meidän on nyt myönnettävä, että aika virtaa eri tavalla erilaisia ​​järjestelmiä viite - tapahtumat, jotka ovat samanaikaisia ​​yhdessä järjestelmässä, eivät ole samanaikaisia ​​toisessa.

Tarkastellaan kahta inertiaalista viitekehystä K Ja K", liikkuvat suhteessa toisiinsa. Päästä pimeään huoneeseen liikkumaan järjestelmän mukana K", merkkivalo vilkkuu. Koska valon nopeus järjestelmässä K"on yhtä suuri (kuten missä tahansa viitekehyksessä) c, silloin valo saavuttaa huoneen molemmat vastakkaiset seinät samanaikaisesti. Näin ei tapahdu järjestelmän tarkkailijan näkökulmasta K. Valon nopeus järjestelmässä K on myös yhtä suuri c, mutta koska huoneen seinät liikkuvat suhteessa järjestelmään K, sitten järjestelmän tarkkailija K huomaa, että valo koskettaa yhtä seinää ennen toista, ts. järjestelmässä K nämä tapahtumat eivät ole samanaikaisia.

Siis Einsteinin mekaniikassa suhteellinen Ei vain tilan ominaisuudet, mutta myös ajan ominaisuudet.

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria (SRT) laajentaa klassisen newtonilaisen fysiikan rajoja, jotka toimivat ei-relativististen, valonnopeuteen c verrattuna pienten nopeuksien alueella mihin tahansa, mukaan lukien relativistiset, ts. verrattavissa c:hen, nopeudet. Kaikki relativistisen teorian tulokset siirtyvät klassisen ei-relativistisen fysiikan tuloksiksi (vastaavuusperiaate).

SRT:n postulaatit. Erityinen suhteellisuusteoria perustuu kahteen postulaattiin:

Ensimmäinen postulaatti (Einsteinin suhteellisuusperiaate): kaikilla fysikaalisilla laeilla - sekä mekaanisilla että sähkömagneettisilla - on sama muoto kaikissa inertiavertailujärjestelmissä (ISR). Toisin sanoen mitkään kokeet eivät voi erottaa yhtä viitekehystä ja kutsua sitä tarkasti levossa. Tämä postulaatti laajentaa Galileon suhteellisuusperiaatetta (katso kohta 1.3) sähkömagneettisiin prosesseihin.

Einsteinin toinen postulaatti: valon nopeus tyhjiössä on sama kaikille IFR:ille ja yhtä suuri kuin c Tämä postulaatti sisältää kaksi väitettä kerralla:

a) valon nopeus ei riipu lähteen nopeudesta,

b) valon nopeus ei riipu siitä, missä IFR:ssä välineineen tarkkailija on, ts. ei riipu vastaanottimen nopeudesta.

Valonnopeuden pysyvyys ja sen riippumattomuus lähteen liikkeestä seuraa Maxwellin sähkömagneettisen kentän yhtälöistä. Näytti ilmeiseltä, että tällainen väite voi olla totta vain yhdessä viitekehyksessä. Klassisten aika-avaruuskäsitteiden näkökulmasta minkä tahansa nopeudella liikkuvan havaitsijan on saatava vastaan ​​tulevan säteen nopeus ja eteenpäin lähetetyn säteen nopeus. Tällainen tulos tarkoittaisi, että Maxwellin yhtälöt pätevät vain yhdessä IFR:ssä, joka on täytetty liikkumattomalla "eetterillä, johon nähden valoaallot etenevät". Kuitenkin yritys havaita valonnopeuden muutos, joka liittyy Maan liikkeeseen suhteessa eetteriin, antoi negatiivisen tuloksen (Michelson-Morleyn koe). Einstein ehdotti, että Maxwellin yhtälöillä, kuten kaikilla fysiikan laeilla, on sama muoto kaikissa IFR:issä, ts. että valon nopeus missä tahansa ISO:ssa on yhtä suuri kuin c (toinen postulaatti). Tämä oletus johti tilan - ajan - peruskäsitteiden tarkistamiseen.

Lorentzin muunnoksia. Lorentz-muunnokset liittyvät toisiinsa kahdessa IFR:ssä mitattuna tapahtuman koordinaatit ja aika, joista toinen liikkuu suhteessa toiseen vakionopeudella V. Samalla koordinaattiakselien valinnalla ja aikareferenssillä kuin Galilean muunnoksissa (kaava (7)), Lorentzin muunnoksilla on näkymä:

Usein on kätevää käyttää muunnoksia kahden tapahtuman koordinaattien ja aikojen eroille:

jossa lyhennyksen vuoksi merkintä

Lorentzin muunnokset siirtyvät Galilean muunnoksiin klo . Ne on johdettu SRT:n toisesta postulaatista ja muunnosten lineaarisuuden vaatimuksesta, joka ilmaisee tilan homogeenisuuden ehtoa. Käänteiset muunnokset arvosta K voidaan saada kohdista (42), (43) korvaamalla V:llä -V:

Pituuden pienennys. Liikkuvan segmentin pituus määritellään etäisyydeksi pisteiden välillä, joissa janan päät olivat samaan aikaan (ts. kiinteä, joka liikkuu translaation mukaan nopeuden mukana ja siihen liitetään vertailukehys Yhtälöstä (43) (johon meidän täytyy laittaa se, saadaan, että liikkuvan kappaleen pituusmitat pienenevät:

missä on sen oma pituusmitta, ts. mitattuna vertailukehyksessä K, jossa keho on paikallaan. Ristimitat liikkuva keho ei muutu.

Esimerkki 1. Jos neliö liikkuu nopeudella pitkin yhtä sivuistaan, se muuttuu suorakulmioksi, jonka lävistäjien välinen kulma on yhtä suuri kuin .

Ajan kulun suhteellisuus. Lorentz-muunnosten perusteella on selvää, että aika virtaa eri tavalla eri IFR:issä. Erityisesti tapahtumat, jotka tapahtuvat järjestelmässä K samanaikaisesti, mutta

avaruuden eri pisteissä K ei välttämättä ole samanaikainen: se voi olla sekä positiivinen että negatiivinen (samanaikaisuuden suhteellisuus). Kello, joka liikkuu vertailukehyksen kanssa (eli paikallaan suhteessa tähän IFR:ään tai näyttää oikeaa aikaa. Kehyksessä A olevan tarkkailijan näkökulmasta tämä kello on jäljessä omasta (ajan hidastuminen). Ottaen huomioon kaksi lukemaa liikkuva kello kahtena tapahtumana, arvosta (45) saadaan:

missä on liikkuvan kellon oikea aika (tarkemmin sanottuna kaikkien niihin liittyvien IFR:ien yhtäläisyys ilmenee siinä, että tarkkailijan K kannalta paikallaan oleva kello viivästyy (Huomaa, että liikkuvan kellon ohjaamiseksi paikallaan oleva tarkkailija eri ajanhetkellä käyttää eri kelloja.) Kaksoisparadoksina on se, että SRT ennustaa eron kahden kaksosen iässä, joista toinen jäi maan päälle, ja toinen matkusti syvässä avaruudessa (astronautti on nuorempi); tämä näyttäisi loukkaavan heidän vertailukehysten yhtäläisyyttä. Itse asiassa vain maanpäällinen kaksos oli koko ajan samassa IFR:ssä, kun taas astronautti muutti IFR:ää palata Maahan (hänen oma viitekehyksensä on ei-inertiaalinen).

Esimerkki 2. Epästabiilin myonin keskimääräinen sisäinen elinikä, ts. Aikalaajenemisen vaikutuksesta maallisen tarkkailijan näkökulmasta valonnopeutta (7 1) lähellä olevalla nopeudella lentävä kosminen myoni lentää keskimäärin syntymäpaikastaan ylemmät kerrokset ilmakehän etäisyys järjestystä, jonka avulla voit rekisteröidä sen maan pinnalle.

Nopeuksien lisäys SRT:ssä. Jos hiukkanen liikkuu nopeudella suhteessa K:hen, voidaan löytää ilmaisemalla (45):stä ja korvaamalla

Kohdassa c tapahtuu siirtymä nopeuksien summauksen ei-relativistiseen lakiin (kaava Tärkeä omaisuus kaava (48) on, että jos V ja on pienempi kuin c, niin u on pienempi kuin c. Jos esimerkiksi kiihdyttämme hiukkasta siihen asti ja sitten sen vertailukehykseen vaihtamisen jälkeen kiihdyttämme sitä uudelleen siihen asti, tuloksena olevaa nopeutta ei näy.Valon nopeutta ei voi ylittää. Valon nopeus on suurin mahdollinen vuorovaikutuksen siirtonopeus luonnossa.

Intervalli. kausaalisuus. Lorentzin muunnokset eivät säilytä aikavälin arvoa tai spatiaalisen segmentin pituutta. Voidaan kuitenkin osoittaa, että Lorentzin muunnokset säilyttävät määrän

jossa kutsutaan väliä tapahtumien 1 ja 2 välillä. Jos silloin tapahtumien välistä väliä kutsutaan aikamaiseksi, koska tässä tapauksessa on IRF, jossa ts. tapahtumat tapahtuvat samassa paikassa, mutta eri aikoina. Tällaiset tapahtumat voivat olla syy-yhteydessä. Jos päinvastoin, niin tapahtumien välistä aikaväliä kutsutaan avaruusmaiseksi, koska tässä tapauksessa on IRF, jossa ts. Tapahtumat tapahtuvat samanaikaisesti eri pisteissä avaruudessa. Tällaisten tapahtumien välillä ei voi olla syy-yhteyttä. Ehto tarkoittaa, että aikaisemman tapahtuman hetkellä (esimerkiksi pisteestä ei ehdi päästä pisteeseen ajanhetkellä) säteilevä valonsäde. Tapahtumat, jotka on erotettu tapahtumasta 1 aikakaltaisella aikavälillä, edustavat joko absoluuttinen menneisyys tai absoluuttinen tulevaisuus sen suhteen kaikissa IFR:issä Avaruuden kaltaisella aikavälillä erotettu tapahtumasarja voi olla erilainen eri IFR:issä.

Lorentzin 4-vektorit. Suuren nelinkertainen, jotka siirtyessään järjestelmästä K järjestelmään K muuntuvat samalla tavalla kuin ts. (katso (42)):

kutsutaan Lorentzin neliulotteiseksi vektoriksi (tai lyhyesti Lorentzian -vektoriksi). Suureita kutsutaan -vektorin, - sen aikakomponentin tilakomponenteiksi. Kahden -vektorin summa ja -vektorin tulo luvulla ovat myös -vektoreita. ISO:ta muutettaessa säilyy intervallin kaltainen arvo: samoin kuin skalaaritulo Kahden -vektorin yhtälönä kirjoitettu fyysinen yhtäläisyys pysyy kaikissa ISO:issa tosi.

Vauhtia ja energiaa SRT:ssä. Nopeuskomponentit muunnetaan eri tavalla kuin 4-vektorikomponentit (vertaa yhtälöt (48) ja (50)), koska sekä osoittaja että nimittäjä muunnetaan lausekkeessa. Siksi klassista liikemäärän määritelmää vastaavaa määrää ei voida säilyttää aikana

kaikki ISOt. Relativistinen liikemäärävektori määritellään seuraavasti

missä on äärettömän pieni muutos hiukkasen oikeassa ajassa (katso (47)), ts. mitattuna IFR:ssä, jonka nopeus on yhtä suuri kuin hiukkasen nopeus tietyllä hetkellä, ei riipu siitä, mistä IFR:stä hiukkasta tarkkailemme.) -vektorin spatiaaliset komponentit muodostavat relativistisen liikemäärän

ja aikakomponentti osoittautuu missä E on hiukkasen relativistinen energia:

Relativistinen energia sisältää kaikenlaista sisäistä energiaa.

Esimerkki 3. Anna levossa olevan kappaleen energian kasvaa: Etsi tämän kappaleen liikemäärä nopeudella liikkuvassa vertailukehyksessä .

Ratkaisu. Relativististen muunnoskaavojen (54) mukaisesti liikemäärä on Voidaan nähdä, että massan kasvu vastaa kaavaa (58).

Relativistisen dynamiikan peruslaki. Hiukkaseen kohdistettu voima on, kuten klassisessa mekaniikassa, liikemäärän derivaatta:

mutta relativistinen momentti (51) eroaa klassisesta. Kohdistetun voiman vaikutuksesta liikemäärä voi kasvaa loputtomasti, mutta määritelmästä (51) on selvää, että nopeus on pienempi kuin c. Pakkotyö (59)

on yhtä suuri kuin muutos relativistisessa energiassa. Tässä käytettiin kaavoja (katso (56)) ja.

Erikoissuhteellisuusteoria (SRT) tai yksityinen suhteellisuusteoria on Albert Einsteinin teoria, joka julkaistiin vuonna 1905 teoksessa "Liikkuvien kappaleiden sähködynamiikasta" (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891- 921 kesäkuu 1905).

Se selitti liikettä eri inertiavertailukehysten välillä tai vakionopeudella toistensa suhteen liikkuvien kappaleiden liikettä. Tässä tapauksessa mitään objekteista ei pidä ottaa viitekehyksenä, vaan niitä tulee tarkastella suhteessa toisiinsa. SRT tarjoaa vain yhden tapauksen, kun 2 kappaletta eivät muuta liikkeen suuntaa ja liikkuvat tasaisesti.

Erityisen suhteellisuusteorian lait lakkaavat toimimasta, kun jokin kappaleista muuttaa liikkeen rataa tai lisää nopeutta. Tässä tapahtuu yleinen suhteellisuusteoria (GR) antaen yleinen tulkinta esineiden liikkumista.

Kaksi postulaattia, joihin suhteellisuusteoria perustuu:

1. Suhteellisuusperiaate- Hänen mukaansa kaiken kaikkiaan olemassa oleviin järjestelmiin referenssit, jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa vakionopeudella eivätkä muuta suuntaa, pätevät samat lait.
2. Valonnopeuden periaate- Valon nopeus on sama kaikille havainnoijille, eikä se riipu heidän liikkeensä nopeudesta. Tämä on suurin nopeus, eikä mikään luonnossa ole suurempaa. Valon nopeus on 3*10^8 m/s.

Albert Einstein käytti perustana pikemminkin kokeellista kuin teoreettista tietoa. Tämä oli yksi hänen menestyksensä tekijöistä. Uudet kokeelliset tiedot toimivat pohjana uuden teorian luomiselle.

1800-luvun puolivälistä lähtien fyysikot ovat etsineet uutta salaperäistä väliainetta, eetteriä. Oletettiin, että eetteri voi kulkea kaikkien esineiden läpi, mutta ei osallistu niiden liikkeeseen. Eetteriä koskevien uskomusten mukaan muuttamalla katsojan nopeutta suhteessa eetteriin myös valon nopeus muuttuu.

Einstein, luottaen kokeisiin, hylkäsi uuden eetteriväliaineen käsitteen ja oletti, että valon nopeus on aina vakio eikä riipu mistään olosuhteista, kuten ihmisen itsensä nopeudesta.

Ajanjaksot, etäisyydet ja niiden tasaisuus

Erityinen suhteellisuusteoria yhdistää ajan ja tilan. Aineellisessa universumissa avaruudessa tunnetaan kolme: oikea ja vasen, eteenpäin ja taaksepäin, ylös ja alas. Jos lisäämme niihin toisen ulottuvuuden, nimeltään aika, niin tämä muodostaa perustan aika-avaruuden jatkumolle.

Jos liikut hitaasti, havaintosi eivät lähennä nopeammin liikkuvien ihmisten kanssa.

Myöhemmät kokeet vahvistivat, että tilaa, kuten aikaa, ei voida havaita samalla tavalla: havaintomme riippuu esineiden liikkeen nopeudesta.

Energian yhteys massaan

Einstein keksi kaavan, joka yhdistää energian ja massan. Tämä kaava on yleistynyt fysiikassa, ja se on tuttu jokaiselle opiskelijalle: E=m*s², jossa E-energia; m- kehon massa, c-nopeus valon leviäminen.

Kehon massa kasvaa suhteessa valonnopeuden lisääntymiseen. Jos valon nopeus saavutetaan, kehon massa ja energia muuttuvat mittaamattomiksi.

Kohteen massaa lisäämällä sen nopeuden lisääminen on vaikeampaa, eli kappaleeseen, jolla on äärettömän suuri materiaalimassa, tarvitaan ääretöntä energiaa. Mutta todellisuudessa tämä on mahdotonta saavuttaa.

Einsteinin teoria yhdisti kaksi erillistä asemaa: massapaikan ja energian aseman yhdeksi yleiseksi laiksi. Tämä mahdollisti energian muuntamisen materiaalimassaksi ja päinvastoin.

Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 erityisen suhteellisuusteorian (STR), joka selitti kuinka tulkita liikkeitä eri inertiaalisten viitekehysten välillä - yksinkertaisesti sanottuna objektit, jotka liikkuvat tasaisella nopeudella toisiinsa nähden.

Einstein selitti, että kun kaksi esinettä liikkuu vakionopeudella, niiden liikettä tulisi harkita suhteessa toisiinsa sen sijaan, että toinen niistä otettaisiin absoluuttiseksi vertailukehykseksi.

Joten jos kaksi astronauttia, sinä ja vaikkapa Herman, lennätte kahdella avaruusaluksella ja haluat vertailla havaintojanne, ainoa asia, joka sinun on tiedettävä, on nopeussi suhteessa toisiinsa.

Erikoissuhteellisuusteoria ottaa huomioon vain yhden erikoistapauksen (siis nimi), kun liike on suoraa ja tasaista. Jos materiaalirunko kiihtyy tai kääntyy sivulle, SRT-lakeja ei enää sovelleta. Sitten tulee voimaan yleinen suhteellisuusteoria (GR), joka selittää aineellisten kappaleiden liikkeet yleisessä tapauksessa.

Einsteinin teoria perustuu kahteen pääperiaatteeseen:

1. Suhteellisuusperiaate: fyysiset lait säilyvät myös kappaleille, jotka ovat inertiaalisia vertailukehyksiä eli liikkuvat vakionopeudella toisiinsa nähden.

2. Valonnopeuden periaate: valon nopeus pysyy samana kaikille havainnoijille riippumatta heidän nopeudestaan ​​valonlähteeseen nähden. (Fyysikot kutsuvat valon nopeutta c.)

Yksi Albert Einsteinin menestyksen syistä on se, että hän asetti kokeellisen tiedon teoreettisen tiedon edelle. Kun useat kokeet osoittivat tuloksia, jotka olivat ristiriidassa yleisesti hyväksytyn teorian kanssa, monet fyysikot päättivät, että nämä kokeet olivat virheellisiä.

Albert Einstein oli yksi ensimmäisistä, jotka päättivät rakentaa uusi teoria uusien kokeellisten tietojen perusteella.

1800-luvun lopulla fyysikot etsivät salaperäistä eetteriä - väliainetta, jossa yleisesti hyväksyttyjen oletusten mukaan valoaaltojen olisi pitänyt levitä akustisten aaltojen tavoin, joiden leviämiseen tarvitaan ilmaa tai muuta väliainetta. - kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen. Usko eetterin olemassaoloon johti uskomukseen, että valon nopeuden täytyy muuttua havainnoijan nopeuden mukaan suhteessa eetteriin.

Albert Einstein hylkäsi eetterin käsitteen ja oletti, että kaikki fysikaaliset lait, mukaan lukien valon nopeus, pysyvät muuttumattomina riippumatta tarkkailijan nopeudesta - kuten kokeet osoittivat.

Ajan ja tilan homogeenisuus

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria väittää perustavanlaatuisen yhteyden tilan ja ajan välillä. Aineellisella universumilla, kuten tiedetään, on kolme avaruudellista ulottuvuutta: ylös-alas, oikealle-vasemmalle ja eteenpäin-taaksepäin. Siihen lisätään toinen ulottuvuus - aika. Yhdessä nämä neljä ulottuvuutta muodostavat aika-avaruuden jatkumon.

Jos liikut suurella nopeudella, havaintosi tilasta ja ajasta eroavat muiden hitaammin liikkuvien ihmisten havainnoista.

Alla oleva kuva on ajatuskoe, joka auttaa ymmärtämään tätä ideaa. Kuvittele, että olet päällä avaruusalus, käsissäsi on laser, jolla lähetät valonsäteitä kattoon, johon peili on kiinnitetty. Heijastunut valo putoaa ilmaisimen päälle, joka rekisteröi ne.

Ylhäältä - lähetit valonsäteen kattoon, se heijastui ja putosi pystysuoraan ilmaisimen päälle. Pohja - Hermanille valonsäde siirtyy vinosti kattoon ja sitten vinosti ilmaisimeen

Oletetaan, että aluksesi liikkuu vakionopeudella, joka on puolet valon nopeudesta (0,5c). Einsteinin SRT:n mukaan sillä ei ole sinulle väliä, et edes huomaa liikettäsi.

Kuitenkin Herman, joka katselee sinua lepäävältä tähtialuksesta, näkee täysin toisenlaisen kuvan. Hänen näkökulmastaan ​​valonsäde kulkee vinosti katossa olevaan peiliin, kimpoaa siitä ja putoaa vinosti ilmaisimen päälle.

Toisin sanoen valonsäteen liikerata sinulle ja Hermanille näyttää erilaiselta ja sen pituus on erilainen. Ja siksi aika, joka kuluu lasersäteen kulkemiseen peiliin ja ilmaisimeen, näyttää sinusta erilaiselta.

Tätä ilmiötä kutsutaan aikadilataatioksi: suurella nopeudella liikkuvalla tähtialuksella aika virtaa maan päällä olevan tarkkailijan näkökulmasta paljon hitaammin.

Tämä esimerkki, kuten monet muut, osoittaa selvästi tilan ja ajan välisen erottamattoman yhteyden. Tämä suhde näkyy tarkkailijalle selvästi vain silloin, kun me puhumme noin suurista nopeuksista lähellä valonnopeutta.

Einsteinin suuren teoriansa julkaisemisen jälkeen tehdyt kokeet ovat vahvistaneet, että avaruus ja aika todellakin havaitaan eri tavalla esineiden nopeuden mukaan.

Massan ja energian yhdistäminen

Suuren fyysikon teorian mukaan, kun materiaalin nopeus kasvaa ja lähestyy valon nopeutta, myös sen massa kasvaa. Nuo. mitä nopeammin esine liikkuu, sitä raskaammaksi se tulee. Valonnopeuden saavuttaessa kehon massa ja sen energia muuttuvat äärettömäksi. Mitä raskaampi keho, sitä vaikeampaa on lisätä sen nopeutta; äärettömän massaisen kappaleen kiihdyttämiseen tarvitaan ääretön määrä energiaa, joten aineellisten esineiden on mahdotonta saavuttaa valonnopeutta.

Ennen Einsteinia käsitteet massan ja energian fysiikan käsitteet käsiteltiin erikseen. Loistava tiedemies osoitti, että massan säilymisen laki sekä energian säilymisen laki ovat osa suurempaa yleinen laki massa-energiaa.

Näiden kahden käsitteen välisen perustavanlaatuisen yhteyden ansiosta aine voidaan muuttaa energiaksi ja päinvastoin - energia aineeksi.