Специальное предложение

Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.

Относительность промежутков времени

Содержание:

Выполнение физических измерений предусматривает пространственно-временные соотношения между событиями. В СТО их определяют в качестве физических явлений, происходящих в какой-либо точке пространства в определенный момент времени в выбранной системе отсчета.

Для полной характеристики события необходимо обратиться не только за выяснениями его физических свойств, но и знать его место и время. Для этого нужно применять процедуры измерения временных расстояний и промежутков. Это стало возможным после того, как Эйнштейн показал необходимость их строгого определения.

Синхронизация часов в СТО

Чтобы выбранная система отсчета выполняла точные измерения между двумя событиями, находящимися в одной точке пространства, необходимо иметь эталонные часы. Самыми точными считаются молекулярные и атомные часы. Они показывают четкие промежутки времени, так как их работа опирается на понятие одновременности.

Определение 1

Длительность какого-либо процесса определяется путем сравнения с интервалами времени, отделяющим показание часов, одновременное с концом процесса, от показания тех же часов, одновременного с началом процесса. Когда оба события происходят в разных точках системы отсчета, то для того, чтобы измерить промежутки времени между ними в этих точках, следует использовать синхронизированные часы.

Процедура синхронизации часов по Эйнштейну основана на независимости скорости света в пустоте от направления распространения.

Пример 1

Дано, что из точки А с моментом времени t1 при помощи часов А посылается короткий световой импульс, как показано на рисунке 4.2.1. Если время его прихода в В и отражение назад на часах В обозначить как t', тогда отраженный сигнал возвращается в А момент t2 по часам А. Из определения видно, что часы А и В работают синхронно при t'=(t1+t2)2.

Синхронизация часов в СТО

Рисунок 4.2.1. Синхронизация часов в СТО.

Мировое время не зависит от системы отсчета, которая принимается как факт из классической физики. Оно эквивалентно неявному допущению о возможности синхронизации часов при помощи сигнала, распространяющегося с бесконечно большой скоростью.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Относительность промежутков времени

Расположение синхронизированных часов должно быть в разных точках выбранной системы.

Определение 2

События считаются одновременными, если синхронизированные часы показывают одинаковое время.

Имеется еще одна инерциальная система K', движущаяся со скоростью υ в положительном направлении оси х предложенной системы. Расположение часов и их синхронизация, описанная выше, выполняются в разных точках системы отсчета. Интервал времени теперь можно измерить как по часам из системы К, так и по K'. Для определения эквивалентности промежутков необходимо обращаться к постулатам СТО.

Пример 2

Дано, что оба события системы K' происходят в одной и той же точке, а временной интервал между ними равняется τ0 по часам заданной системы. Он получил название собственного времени. Чтобы знать, существует ли промежуток времени между этими же событиями по измерению с помощью часов К, нужно провести мысленный эксперимент.

Один конец твердого стержня с длиной l имеет импульсную лампу В, другой – отражающее зеркало М. В системе K' стержень неподвижен и располагается параллельно относительно оси y', как изображено на рисунке 4.2.2. Событие 1 характеризует вспышку лампы, а событие 2 – вращение короткого светового импульса к лампе.

Относительность промежутков времени

Рисунок 4.2.2. Относительность промежутков времени. Моменты наступлений событий в системе K' фиксируются по одним и тем же часам C, а в системе К – по двум синхронизованным пространственно-разнесенным часам C1 и C2. Система K' движется со скоростью υ в положительном направлении оси x системы К.

Система K' объясняет, что рассматриваемые события происходят в одной точке. Собственное время или промежуток времени между ними равняется τ=2lc. Если посмотреть со стороны наблюдателя, который находится в системе К, то можно отметить движение светового импульса между зеркалами зигзагообразно с прохождением расстояния 2L, равного 2L=2l2+υτ22, τ является интервалом времени между отправлением и возвращением светового импульса, который измерили с помощью синхронизированных часов C1 и C2, располагаемых в разных точках системы К. Исходя из второго постулата СТО, движение светового импульса в системе К производится с той же скоростью, что и в системе K'. Отсюда следует τ=2Lc.

Преобразуя соотношения, получаем связь между τ и τ0:

τ=τ01-υ2с2=τ01-β2, где β=υс.

Определение 3

Промежуток времени, который зависит от системы отсчета, является относительным. Значение собственного времени τ0 всегда меньше, чем интервал между заданными событиями, измеренными в другой системе отсчета. Данный эффект получил название релятивистского замедления времени.

Оно является следствием инвариантности скорости света.

Замедление времени считается взаимным, так как, основываясь на постулате о равноправии инерциальных систем K' и К, для наблюдателя в К или K' идут медленнее часы, которые связаны с системой, движущейся по отношению к наблюдателю. Такой вывод СТО нашел подтверждение при помощи опыта.

Пример 3

Во время исследования космических лучей обнаружили, что в их состав входят μ - мезоны - элементарные частицы с массой в 200 раз больше массы электрона. Они нестабильны, время жизни равняется τ0=2,2·10-6 с. Движение μ- мезонов в космических лучах достигает скорости света. Не учитывая релятивистский эффект замедления времени, их путь пролета в атмосфере равнялся бы сτ660 м. Из опыта известно, что они способны пролететь без распада большие расстояния. Исходя из СТО, средняя продолжительность жизни мезонов, согласно земным часам, равняется τ=τ01-β2τ0, потому как значение β=υс близко к 1.

Усредненный путь υτ, который проходит мезон в земной системе отсчета, имеет более 660 м.

Парадокс близнецов

«Парадокс близнецов» связан с релятивистским эффектом замедления.

Определение 4

Суть парадокса близнецов:

Один из близнецов отправляется в космос с субсветовой скоростью. Так как, с точки зрения наблюдателя на Земле, время на космическом корабле идет медленнее, то по возвращению космонавт будет гораздо моложе оставшегося на Земле близнеца. Такое же заключение может сделать и другой брат, совершающий путешествие в космос. Для него оставшийся на Земле брат будет моложе после космического полета.

Для разрешения такого парадокса следует учитывать наличие неравноправных систем отсчета времени.

Тот, кто остается на Земле, находится в инерциальной системе отсчета, а тот, кто на корабле, – в принципиально инерциальной. При разгоне во время старта корабля с Земли он испытывает ускорение. Это же происходит во время изменения направления движения в дальней точке траектории или при торможении перед посадкой на Землю. Отсюда следует вывод, что вернувшийся брат-астронавт окажется моложе, исходя из СТО.

Эффекты замедления практически не уловимы при скорости корабля намного меньше, чем скорость света с. Ученые получили прямое подтверждение эффекта в экспериментах с макроскопическими часами.

Атомные часы работают с помощью пучков атомов цезия. Они способны тикать 9192631770 раз в секунду. При проведении сравнения их значения на Земле и на реактивном лайнере по предсказаниям СТО получили, что на лайнере происходило отставание на 184±23·10-9 с. Значение (203±10)·10-9 с считалось ошибочным. Спустя время повтор эксперимента показал результат, удовлетворяющий СТО с точностью до 1%.

На данный момент принимают во внимание релятивистский эффект замедления хода часов при переносе атомных на большие расстояния.

Парадокс близнецов

Рисунок 4.2.3. Модель относительности промежутков времени.

Навигация по статьям

Выполненные работы по физике
  • Физика

    Скорость реакции у взрослых и подростков

    • Вид работы:

      Презентации (PPT, PPS)

    • Выполнена:

      19 октября 2017 г.

    • Стоимость:

      400 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    курсовая работа: "расчет тепловой защиты помещения"

    • Вид работы:

      Курсовая

    • Выполнена:

      4 ноября 2015 г.

    • Стоимость:

      1 000 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Дыхание с точки зрения физики

    • Вид работы:

      Курсовая

    • Выполнена:

      12 марта 2018 г.

    • Стоимость:

      900 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Метод меченых атомов. Заказ: 856363

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      5 февраля 2018 г.

    • Стоимость:

      500 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Реферат по книги Перельмана Занимательная физика

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      14 декабря 2014 г.

    • Стоимость:

      1 100 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Применение низких температур в медицине. Заказ: 1069544

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      2 декабря 2014 г.

    • Стоимость:

      600 руб

    Заказать такую же работу
  • Не получается написать работу самому?

    Доверь это кандидату наук!