20 юли 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Специалната теория на относителността

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 17 януари 2015 в 15:35103480

За електродинамиката на движещите се тела

Специалната теория на относителността (СТО) е несъмнено най-известната физична теория. Ражда се преди повече от сто години (1905). Млад (по това време е само на 26) и амбициозен физик на име Алберт Айнщайн публикува своя труд "За електродинамиката на движещите се тела" (Zur Elektrodynamik bewegter Koerper). Заглавието може да се нарече дори и скучно и с нищо не подсказващо, че това съчинение поставя началото на нова физика.

Алберт АйнщайнСнимка: Historical Museum of Berne

Теорията на относителността донася световна слава на създателя си и го превръща в най-авторитетния учен на последното столетие.

След Специалната теория на относителността идва и квантовата механика, в чието създаване Айнщайн също активно участва. Но за разлика от нея, която изисква специална математическа подготовка, за да те допусне до себе си, теорията на относителността изглежда ясна и понятна. Популярността й се дължи както на простотата на нейните основни принципи, така и на поразяващите въображението парадоксални изводи.

Когато я създава през 1905 година, Алберт Айнщайн работи като чиновник в патентното бюро на Берн. И ако в началото се броели на пръсти физиците, които я разбирали, днес СТО се изучава във всяка общообразователна гимназия по света.

Основни понятия:

1. Механично движение - това е промяната на взаимното положение на телата в пространството един спрямо друго с течение на времето.

Механичното движение може да бъде праволинейно или криволинейно, равномерно или неравномерно.

2. Материална точка имаме, когато размерите и формата на тялото може да се пренебрегнат при решаването на конкретен проблем.

Условията, при които едно тяло може да се смята за материална точка:

  • ако размерите му са малки в сравнение с разстоянието, което изминава.
  • ако се движи постъпателно.

3. Постъпателно движение - ако всички точки на едно тяло се движат по един и същи начин. Едно тяло се движи постъпателно, ако права линия, която преминава през двете точки от тялото при движението му остава успоредна на първоначалното си положение. 

4. Траектория - въображаемата линия, по която се движи тялото.

Траекториите могат да са праволинейни или криволинейни.

5. Изминат път - дължината на траекторията на движещо се тяло. Пътят е скаларна величина, има стойност, но не и посока. Той не определя еднозначно крайното положение тялото.

6. Преместване - вектор, свързващ първоначална и следващата позиция на тялото. Векторът е величина, която има големина и посока. Преместването еднозначно определя крайната позиция на тялото.

На схемата вляво се вижда разликата между траектория, изминат път и преместване. Преместването от т. А до т. В е обозначено с вектора S. 

7. Отправно тяло -  тяло, спрямо което се определя е позицията или движението на друго тяло.

8. Отправна система - образува се от отправно тяло, свързано с координатна система и часовник за отчитане на времето. Отправната система обозначава гледната точка на наблюдателя. Спрямо тази система се изучава движението или равновесието на други тела и системи.

9. Отправна инерциална система - отправна система, в която действа Законът за инерцията, който гласи: "Материална точка, върху която не действат никакви сили или действащите сили взаимно се уравновесяват, която се намира в състояние на покой или равномерно праволинейно движение".

Всяка отправна система, движеща се спрямо друга инерциална система равномерно и праволинейно е също инерциална система.

Инерциалната система е абстракция, тя трябва да се намира безкрайно далече от всякаква гравитация, без никакви външни влияния, а такива места в природата няма. Тя е идеализирана координатна система.

Един космически кораб на орбита около Земята не е инерциална система, макар и да се движи с постоянна скорост, защото кръговото (също и криволинейното) движение е ускорително. 

10. Събитие

Събитие е всеки физически процес, който може да се локализира в пространството, като в същото време е с много кратка продължителност. Например - светлинен сигнал, положение на материална точка в даден момент и др. С други думи, събитието напълно се характеризира с координати (x, y, z) и момент от времето  t.

Принцип на относителността, Галилееви и Лоренцови трансформации

Това са основни понятия, по-подробно разгледани в Лоренцовите трансформации – сърцето на релативизма.

СТО и ОТО

Физиците обикновено делят теорията на относителността на две части.

  • Първата от тях е специалната (наричана и частна) теория на относителността (СТО), която се занимава с инерциални системи, движещи се без ускорение и с ефектите от принципа на относителността на Айнщайн.
  • Втората е общата теория на относителността (ОТО), която разглежда неинерциални системи, т. е. ускоряващи се, гравитацията и представянето й като кривина на пространство-времето.

Предпоставки

СТО се основава на два постулата:

  • Първи постулат - Принцип на относителността - законите на физиката са едни и същи във всички инерциални системи. . С други думи, няма привилегирована инерциална отправна рамка, която да е абсолютна. Този постулат много прилича на принципа на Галилей. Разликата е, че Айнщайн го разширява не само за механични, а и за всякакви други физични явления - топлинни, електромагнитни, оптични и т. н.
  • Втори постулат - Скоростта на светлината във вакуум e инвариантна, тя е  универсална константа, независима от движението на източника на светлина. Скоростта на светлината заема особено положение в природата. Тя определя максимално възможната скорост на взаимодействията.

Друго важно допускане е изотропността и еднородността на пространството. След първото представяне на теорията си, по-късно Айнщайн. като верен последовател на принципа на Окам, въвежда в нея и концепцията за простота: „Ако координатната система K е избрана така, че спрямо нея физичните закони се изпълняват в своята най-проста форма, то същите закони са изпълнени спрямо всяка друга координатна система K', извършваща равномерно транслационно движение спрямо K".

Времето не е това, което беше

Лесно е да се каже "има максимално възможна скорост и това е скоростта на светлината". Но доколко можем да осмислим това? Представите ни за пространство и време, особено за времето все още не се различават много от тези на хората от каменната ера.  

Ето един пример:

Последици, произтичащи от трансформацията на Лоренц

Можем да си представим движението на светлината (и времето) като разширяваща се сфера. По тази повърхност на времето събитията стават едновременно. Ограничението на скоростта на светлината предполага обаче да имаме сферична повърхност с два центъра. Защо е така?

Струва ни се невъзможно, защото си мислим, че времето в K и K' тече по един и същи начин. Представите ни за пространство и време за големи скорости вече не вършат работа. Имаме две инерциални системи K и K', като втората се движи спрямо първата с постоянна скорост v . Да приемем, че в точно определен момент, когато началото на едната и началото на другата система си съвпаднат, се пуска кратковременен светлинен сигнал. За време t системата K' ще се премести спрямо K на разстояние v.t, а сферичната вълнова повърхност на светлинния сигнал ще има радиус c.t .

K и K' са равнопоставени и скоростта на светлината е една и съща и в двете системи, а съгласно принципа на относителността е все едно е дали сме избрали K да се движи спрямо K' или обратното. Следователно, от гледна точка на наблюдател, свързан със системата K , центърът на сферата ще бъде в т. O , а според наблюдател, свързан със системата K' - тя ще бъде в точка O'.

Относителност на едновременността

До началото на ХХ век, никой не се съмнявал, че времето е абсолютно. Ако за хората на Земята две събития се случват едновременно, те би трябвало да са едновременни и за жителите на Алфа Центавър. Да, ама не! Теорията на относителността показа, че не е така.

Да сверим часовниците

В СТО може да се определи единно време в рамките на дадена инерциална система. Тази синхронизация, за два часовника може да стане, ако източник, разположен на равно разстояние между тях, изпрати сигнал, който те да засекат. Подобна процедура в дадена инерциална система може да се приложи към всички неподвижни един спрямо друг часовници. За разлика от класическата механика, единно време може да се въведе само в рамките на дадена инерциална система. В СТО времето не е общо за всички системи и това именно е основната разлика между нея и класическата механика, съгласно която не съществува единно (абсолютно) време за всички инерциални отправни системи.

Пример

Отново имаме две инерциални системи - K, която приемаме, че е в покой, и K ',  която се движи спрямо K с постоянна скорост. В точка С на система K има светлинен източник, а на равни разстояния от него са контролните точки A и B. Съответно в система K' има светлинен източник C' и на равни разстояния - контролни точки A' и B'. В даден момент C' съвпада с C, съответно A' с A и B' с B. Ясно е, че след като A'C' = B'C' , то и AC = BC. Нека в K и K ' има напълно еднакви часовници, които показват време t=0 в K и t'=0 в K' , когато C съвпада с C'. В момент t=t'=0 светва крушка в C ≡ C'. Според втория постулат на Айнщайн светлината с еднаква скорост се разпространява в движещата се система K' във всички посоки. В K' бихме забелязали, че сигналът достига до A' и B' едновременно. За наблюдател в K (натиснете клавиш Относителност на едновременността) също сигналът достига до A и B едновременно, но ако сравни с K' сигналът вече е минал през A' преди да достигне A , а до B' пътува още известно време, след като е достигнал B , защото K' се е преместила. Едновременното пристигане на сигнала в A'и B' , което съвсем точно установява наблюдател от K' , за наблюдател от K съвсем не изглежда едновременно. И обратното, за наблюдател от K' (натиснете клавиш Относителност на едновременността), събитията в K също не са едновременни. Но събития, чието местоположение е точно перпендикулярно на посоката на движение, са едновременни и в двете системи.

Изводите

Щом две събития, едновременни за дадена система, са разновременни, в друга, то тогава времето в тях тече с различна скорост. В различните системи времето тече с различен темп и за наблюдател от една система, часовниците в друга система ще му се струват неточни. 

Постоянната скорост на светлината в различни системи води до извода, че едновременността на две събития, които се случват на различни места, зависи от състоянието на движение на наблюдателя, както и от факта, че времето е относително.

Тогава Галилеевите трансформации, в които е заложено t=t' (абсолютно време) са неточни. Това се избягва с Лоренцовите преобразувания.Те се използват в Айнщайновата теория, но ще ги разгледаме в следващата тема.

Основни понятия и лексика:

  • Специалната теория на относителността (СТО)
  • Отправна система
  • Отправна инерциална система
  • Събитие
  • Обща теория на относителността (ОТО)
  • Принцип на относителността
  • принцип на Галилей
  • инвариантност на скоростта на светлината във вакуум
  • Време
  • Относителност на едновременността
  • Алберт Айнщайн

Източници:

Теория на Айнщайн, Дочо Г. Факиров, София, 1961, ДИ "Народна просвета"

Relativitätstheorie, de.wikipedia.org

Элементы теории относительности Теория относительности: прямой эксперимент с кривым пучком Евгений Борисович Александров, академик РАН

Теория относительности, lurkmore.to

Идея относительности


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.