Специальная теория относительности

Специальная теория относительности. Специальная и общая теория относительности Эйнштейна

=== Скачать файл ===

В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО, с учётом влияния электромагнитных и гравитационных полей на наблюдаемые и измеряемые пространственно-временные отношения, делается в общей теории относительности ОТО , а также в метрической теории относительности МТО. Известна также версия СТО — расширенная специальная теория относительности РСТО , выведенная в другой аксиоматике и ограничивающая абсолютизацию относительности инерциальных систем отсчёта, присущую СТО. Отклонения в протекании физических процессов, описываемые теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой, называют релятивистскими эффектами , а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями. Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла , описывающие все проявления электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света. В связи с этим появляется новый вопрос — относительно чего постоянна скорость света? В максвелловой электродинамике скорость распространения электромагнитных волн при условии измерения этой скорости с помощью электромагнитных часов и положения часов с помощью света оказалась не зависящей от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя. Аналогичной оказалась и ситуация с магнитостатическими решениями , вытекающими из уравнений Максвелла: Специальная теория относительности была разработана в конце IXX — начале XX века усилиями Г. Пуанкаре , Лармора и А. Эйнштейна , и затем представлена Минковским в четырёхмерном формализме, объединяющем пространство и время. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: Пуанкаре в работе г. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории — преобразований Лоренца , из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе г. Однако Лармор ещё в г. Он также даёт релятивистскую формулу сложения скоростей смотри Larmor J. Основой для создания СТО и предшествующих теорий послужил опыт Майкельсона, который дал результат измерения, неожиданный для классической физики своего времени. Попытка проинтерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений механики, и создание Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном релятивистских физических теорий. Однако в своих опытах Майкельсон и др. Они пытались определить разность скорости распространения эл. Формулировка второго постулата может быть шире: Некоторые постулаты сформулированы явно, а другие предполагаются неявным образом как в работах Эйнштейна, так и Пуанкаре, хотя и в разной степени. Иногда пятый постулат СТО записывают как синхронизацию часов по А. Эйнштейну, но принципиального значения это не имеет: Пятый постулат СТО является ключевым, так как без него скорость света не смогла бы появиться в преобразованиях Лоренца для координат и времени и в других формулах. Раньше можно было встретить утверждение о том, что СТО обосновывает существование скорости света как предельной скорости распространения сигналов. Естественно, что это не может быть доказано в рамках СТО, которая не является теорией о распространении сигналов, а лишь использует свет в процессе измерений. Вместе с тем, одно из основных положений СТО — отсутствие Абсолютного пространства общего для всех инерциальных систем опровергается вторым постулатом Эйнштейна скорость света не зависит от скорости движения как источников, так и приёмников во всех инерциальных системах отсчёта. Абсолютность пространства легко подтверждается экспериментально. Анализ постулатов и результатов СТО показывает следующее. Все инерциальные системы отсчёта в СТО являются полностью эквивалентными. Все эффекты СТО в конечном итоге являются следствием того, что скорость света ограничена. Преобразования Лоренца могут быть выведены разными способами, в разной аксиоматике, в том числе путём использования представлений о математических группах. Однако стандартная аксиоматика СТО является слишком жёсткой. Она крайне релятивистична, доводя принцип относительности инерциальных систем отсчёта до абсолюта. Из её постулатов нельзя представить себе существование хотя бы одной каким-то образом выделенной инерциальной системы. Принцип независимости скорости света парадоксален и потому с трудом играет роль исходной аксиомы СТО. Действительно, аксиомой, по определению, считается утверждение, не требующее доказательства ввиду своей очевидности. Но с самого начала принцип независимости скорости света от скорости наблюдателя был малопонятен и плохо сочетался с принципом относительности следует отдать здесь должное гениальным первооткрывателям СТО. В то же время, до сих пор остаётся неизвестной истинная причина постоянства скорости света в вакууме. Также не определена структура физического вакуума, в котором распространяются электромагнитные волны. Являются ли кванты света самостоятельными автономными объектами, движущимися по инерции в пустом пространстве, или они всё-таки переносят свою энергию и импульс через колебания среды вакуума посредством волнового взаимодействия? Как бы то ни было, теория должна иметь возможность учесть любые эффекты взаимодействия вакуума как некоторой среды с электромагнитным полем и с веществом. Не исключены также и перекрёстные эффекты при движении тел в вакууме, когда внутри этих тел распространяется электромагнитная волна, а вещество тел взаимодействует с вакуумом. Однако стандартная аксиоматика СТО не позволяет учесть подобные эффекты — эфира в СТО, как известно, нет из-за крайней релятивистичности теории. Поэтому в СТО нельзя и говорить о сущностном влиянии вакуума на распространение электромагнитных волн. В аксиоматике расширенной СТО находятся внутренне непротиворечивые, логически понятные аксиомы теории, преодолевается абсолютизация релятивизма, расширяются возможности теории в описании действительности, с сохранением всех ранее достигнутых в СТО результатов, многократно проверенных на практике. В расширенной специальной теории относительности РСТО система аксиом имеет следующий вид:. По сравнению с СТО, в РСТО делается замена второго постулата СТО о независимости скорости света для любого наблюдателя на аксиому об изотропности пространства. В результате, формулы СТО и его постулат о постоянстве скорости света для всех наблюдателей оказываются выведенными в другой аксиоматике, исходя из РСТО. Но в чём же ещё заключается преимущество РСТО перед СТО? Для ответа на этот вопрос рассматривается распространение света внутри движущихся тел. Последнее вытекает из того, что движение тела в S 0 может изменить скорости распространения света внутри тела, например, подобно эффекту увлечения эфира. С точки зрения S 0 , скорости света внутри тела будут равны с 5 и с 6. Из вычислений возникают соотношения между направленными в одну сторону скоростями с 4 и с 6 , с 3 и с 5. Эти соотношения при упрощающих предположениях переходят в стандартные формулы сложения скоростей в опыте Физо, когда движущаяся вода увлекает свет и эффективно увеличивает его скорость. Но если не делать никаких упрощений, РСТО предполагает возможность появления дополнительных эффектов, за счёт неравенства скоростей с 3 и с 4. Такое неравенство скоростей вполне возможно при больших скоростях или ускорениях движения тела в изотропной системе отсчёта. Подобных предсказаний СТО сделать не может, ввиду излишней жёсткости своих постулатов. За счёт возможного влияния физического вакуума на показатели преломления света, измерения внутри движущихся и ускоряющихся тел могут привести к другим результатам по сравнению с внешними измерениями промежутков времени и длин этих же тел и по сравнению с измерениями внутри покоящихся в изотропной системе тел. В теории РСТО преобразования координат и времени имеют вид: В общем случае в преобразования Лоренца вместо скорости распространения света в вакууме следует подставить групповую скорость света в веществе, равную с учётом 2: В РСТО допускается, что пространственно-временные измерения могут производиться не только с помощью электромагнитных, но и гравитационных или иных волн. В результате выбора той или иной волны соответственно изменяется ход наблюдаемых явлений, по-другому интерпретируются результаты экспериментов. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий , наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта. В СТО видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона , связывающий силу и ускорение , должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. По меткому замечанию Л. С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно интерпретировать как результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют единый четырёхмерный континуум — пространство-время Минковского , которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов , выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Именно инвариантная структура этого пространства, задаваемая постулатами СТО, не меняется при переходах от одного события к другому, и гарантирует независимость результатов экспериментов от используемой инерциальной системы отсчёта. Аналог расстояния между событиями в пространстве Минковского, называемый интервалом , при введении наиболее простых координат, аналогичных декартовым координатам трёхмерного пространства, даётся выражением: Именно незнакоопределённость метрики определяет свойства пространства-времени, делая его геометрию псевдоевклидовой см. Для учёта влияния гравитации и электромагнитного поля на результаты измерений вначале была разработана теория ОТО как особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Следующим шагом стало включение специальной и общей относительности в метрическую теорию относительности МТО. В некоторых случаях специальная теория относительности перестает работать и в масштабах звёздных и галактических систем , требуя замены на ОТО или МТО. В частности, это необходимо при расчёте явлений в нейтронных звёздах, в ядрах галактик, при попытке распространить теорию относительности на Метагалактику и более крупные объекты. Теория относительности входит в существенное противоречие с некоторыми аспектами классической механики. Например, парадокс Эренфеста показывает несовместимость СТО с понятием абсолютно твёрдого тела. Надо отметить, что даже в классической физике предполагается, что механическое воздействие на твёрдое тело распространяется со скоростью звука , а отнюдь не с бесконечной скоростью как должно быть в воображаемой абсолютно твёрдой среде. Специальная теория относительности в отличие от общей полностью совместима с квантовой механикой. Их синтезом является квантовая теория поля. Более того, такое квантовомеханическое явление как спин без привлечения теории относительности не имеет разумного объяснения. Однако обе эти теории вполне независимы друг от друга. Возможно построение как квантовой механики, основанной на нерелятивистском принципе относительности Галилея см. Развитие квантовой теории всё ещё продолжается, и многие физики считают, что будущая полная теория ответит на все вопросы, имеющие физический смысл, давая их в пределах как СТО в сочетании с квантовой теорией поля, так и с учётом ОТО. Скорее всего СТО ожидает такая же судьба, как и механику Ньютона — будут точно очерчены пределы её применимости. В то же время такая максимально общая теория пока является очень отдалённой перспективой, и не все учёные считают, что её построение вообще возможно. Время в движущейся системе отсчета течет медленнее: С этим эффектом связан так называемый парадокс близнецов. Линейные размеры тел в движущейся системе отсчета сокращаются: Такое сокращение размеров еще называют лоренцевым сокращением. Релятивистская масса движущегося объекта больше массы покоя: Следует подчеркнуть обратимость эффектов СТО. Например, эффект замедления времени в движущейся системе отсчёта 2 относительно неподвижной системы 1 отсчёта справедлив и для наблюдателя в движущейся системе — для него его собственная система отсчёта 2 неподвижна, и с его точки зрения замедляться время будет в системе отсчёта 1, движущейся в противоположную сторону. Это же касается и видимого сокращения размеров движущихся тел. Данные эффекты являются следствием принятой в СТО процедуры измерения времени и размеров посредством электромагнитной волны и процедуры установления одновременности, то есть связи между пространственной координатой тех или иных часов и временем регистрации события этими часами. Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции , кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности то, как мы видим либо хотим видеть окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок. О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки 'опровергнуть СТО' обречены на провал потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея которые несколько расширены , на основе которых построена ньютонова механика, а также на дополнительные постулаты. Результаты СТО не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных измерений: Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра — единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями и при обязательном использовании стандартной процедуры измерений на основе электромагнитных волн. Физика Теория относительности Метрическая теория относительности Специальная теория относительности. Навигация Персональные инструменты русский Вы не представились системе Обсуждение Вклад Создать учётную запись Войти. Пространства имён Статья Обсуждение. Просмотры Читать Править История. Чтение Главная Летопись Новые статьи Случайная статья. Созидание Портал сообщества Справка Техподдержка Статистика Активность Пожертвования Сувениры Свежие правки. Последнее изменение этой страницы:

Каталог игр наруто

Adobe photoshop cs5 ключ

Цемент м500 технические характеристики

Специальная теория относительности