Реферат Курсовая Конспект
РЕЛЯТИВИСТСКАЯ МЕХАНИКА - раздел Механика, 6. Релятивистская Механика Классическая Физика Расс...
|
6. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ МЕХАНИКА
Классическая физика рассматривает движение тел со скоростями, много меньшими скорости света . При скоростях, близких к скорости света законы классической механики не выполняются. Эти процессы и явления рассматривает релятивистская механика или специальная теория относительности.
Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном в 1905году и представляет собой физическую теорию пространства и времени. Основу этой теории образуют два постулата: принцип относительности Эйнштейна и принцип постоянства скорости света.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЛИЛЕЯ. ПОСТУЛАТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО)
Специальная теория относительности означала пересмотр всех представлений классической физики и главным образом, представлений о пространстве и времени. Поэтому она по содержанию является физической наукой о пространстве и времени. Физической – потому, что свойства пространства и времени рассматриваются в тесной связи с законами совершающихся в них физических явлений. Термин «специальная» подчеркивает, что теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета.
Дорелятивистская механика (механика Ньютона) основана на следующих представлениях:
- пространство, имеющее три измерения, подчиняется евклидовой геометрии;
- наряду с трехмерным пространством существует независимое от него время; но вместе с тем время связано с пространством законами движения, поэтому определить время безотносительно к какому-либо периодическому процессу невозможно;
- размеры твердых тел и промежутки времени между данными событиями одинаковы в разных системах отсчета, так как пространство и время одинаковы во всех ситстемах отсчета;
- признается справедливость закона инерции Галилея – Ньютона, согласно которому тело, не подверженное действию других тел, движется прямолинейно и равномерно; этот закон утверждает существование инерциальных систем отсчета, в которых выполняются законы Ньютона и принцип относительности Галилея;
- из этих представлений вытекают преобразования Галилея, из которых следует, что координаты любого события относительны, а время течет одинаковым образом во всех инерциальных системах отсчета;
- выполняется принцип относительности Галилея (все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в механическом отношении, законы механики одинаковы в этих системах отсчета, т.е. инвариантны относительно преобразований Галилея);
- соблюдается принцип дальнодействия: взаимодействия тел рассматриваются мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью.
Эти представления классической механики вполне соответствовали всей совокупности экспериментальных данных, имевшихся в то время.
Первому испытанию подвергся принцип относительности Галилея. Одно из явлений, которое по-разному протекает в разных системах отсчета - это распространение света. Согласно господствовавшей тогда теории световые волна должны распространяться с определенной скоростью по отношению к некоторой гипотетической среде- «светоносному эфиру», о природе которой не было единого мнения. Но какова бы ни была природа этой среды, она не может покоиться во всех инерциальных системах отсчета сразу. Выделяется одна из инерциальных систем – абсолютная, которая неподвижна относительно «светоносного эфира». Полагали, что только в этой системе отсчета свет распространяется с одинаковой скоростью с во всех направлениях. Если некоторая инерциальная система отсчета движется по отношению к эфиру со скоростью , то в этой системе отсчета скорость должна подчиняться обычному закону сложения скоростей: . Однако опыт, осуществленный Майкельсоном и Морли, опроверг это предположение.
Цель этого опыта заключалась в том, чтобы обнаружить «истинное» движение Земли относительно эфира. Было использовано движение Земли по ее орбите со скоростью 30км/с. Идея эксперимента состояла в следующем. Свет от источника S (рис.6.1) посылался в двух взаимно перпендикулярных направлениях, отражался от зеркал А и В , находящихся на одинаковом расстоянии от источника S, и возвращался в точку S. Сравнивалось время прохождения путей SAS и SBS .
Предположим, что установка вместе с Землей движется так, что ее скорость относительно эфира направлена вдоль SA. Если скорость света подчиняется обычному закону сложения скоростей, то на пути SA скорость света относительно установки (Земли) равна , а на обратном пути . Тогда время прохождения пути SAS
.
На пути SBS скорость света относительно установки равна (рис.6.1), и время прохождения этого пути
.
Из сравнения выражений для и видно, что свет должен проходить эти пути за разное время. Измерив разность -, можно определить скорость установки относительно эфира. Результат оказался отрицательным, = . Он противоречил преобразованиям Галилея (преобразованиям скоростей). Он показал также, что скорость света не зависит от источника света.
К началу ХХ века в теоретической и экспериментальной физике сложилась своеобразная ситуация. С одной стороны теоретически были предсказаны различные эффекты, выделяющие из множества инерциальных систем главную (абсолютную). С другой стороны, попытки обнаружить эти эффекты на опыте терпели неудачу. Опыт неуклонно подтверждал справедливость принципа относительности для всех явлений, включая и те, к которым теория считала его заведомо неприемлемым. Был сделан целый ряд попыток объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона и аналогичных ему в рамках ньютоновской механики. Однако все они оказались неудовлетворительными. Кардинальное решение этой проблемы было дано в теории относительности Эйнштейна.
Главный парадокс теории относительности заключается в том, что скорость света в пустоте должна быть одной и той же для всех наблюдателей. Экспериментально установлено значение скорости света м/с. Эйнштейн объяснил этот “странный” результат “странными “ свойствами пространства и времени. Он предположил, что с точки зрения движущегося наблюдателя пространство “сокращается” в направлении движения в раз, а время по измерению того же движущегося наблюдателя во столько же раз “замедляется”. Иными словами, Эйнштейн “поправил” пространство и время , причем так, чтобы получить правильный результат для любого светового импульса и любого наблюдателя , движущегося с постоянной скоростью ( и - координата и время, измеренные движущимся наблюдателем). Таким образом, первый принцип теории относительности – постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета.
Второй принцип теории относительности – принцип относительности Эйнштейна - является обобщением принципа относительности Галилея на релятивистский случай: законы физики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Неизменность вида уравнения при замене в нем координат и времени одной системы отсчета координатами и временем другой системы называется инвариантностью. Поэтому принцип относительности можно сформулировать следующим образом: уравнения, выражающие законы
природы, инвариантны по отношению к преобразованиям координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой.
Теория относительности Эйнштейна приводит к взаимосвязи пространства и времени. Эта взаимосвязь состоит в образовании единого пространства-времени, т.е. четырехмерного пространства, по трем осям которого откладывают пространственные координаты x,y,z, а по четвертой – временную координату . Какое-либо событие характеризуется местом x,y,z, и временем , когда оно произошло. Таким образом, событию отвечает в четырехмерном пространстве точка с координатами (x,y,z,ct). Эту точку называют мировой точкой.
Итак, пространство и время являются частями единого целого. Однако время качественно отличается от пространства. Это проявляется в отличии четырехмерного пространства от обычного трехмерного. В трехмерном пространстве используется евклидова метрика, и квадрат расстояния между точками .
Квадрат расстояния между двумя мировыми точками называется интервалом и равен
Это пространство является псевдоевклидовым.
– Конец работы –
Используемые теги: релятивистская, Механика0.049
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: РЕЛЯТИВИСТСКАЯ МЕХАНИКА
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов