Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Постулаты СТО

    Определение 1

    СТО (специальная теория относительности) – это современная физическая теория пространства и времени.

    Теория относительности совместно с такой наукой как квантовая механика, является теоретической базой для развития современной физики и техники. СТО также носит название релятивистской теории; явления же, специфику которых рассматривает эта теория, называют релятивистскими эффектами. Создателем теории относительности является Альберт Эйнштейн.

    Предпосылки к появлению СТО

    Классическая механика Ньютона дает отличное описание движения макротел, движение которых происходит на малых скоростях (v<<c). Нерелятивистская физика принимала как очевидность существование единого мирового времени t, одинакового для всех систем отсчета. Основой классической механики является механический принцип относительности. 

    Определение 2

    Механический принцип относительности (называемый также принципом относительности Галилея): законы динамики едины для всех инерциальных систем отсчета.

    Иносказательно можно также назвать законы динамики инвариантными или неизменными относительно преобразований Галилея, позволяющих рассчитать координаты совершающего движение тела в одной инерциальной системе (K) при заданных координатах этого тела в другой инерциальной системе (K'). В частности, когда система K'совершает движение при скорости v вдоль положительного направления оси x системы K (рис. 4.1.1), преобразования Галилея выглядят следующим образом:

    x = x' + vt, y = y', z = z', t = t'.

    При этом изначально существует предположение о совпадении осей координат обеих систем в начальный момент.

    Предпосылки к появлению СТО

    Рисунок 4.1.1. Две инерциальные системы отсчета K и K'.

    Следствием преобразований Галилея является классический закон преобразования скоростей при переходе из одной системы отсчета в другую:

    vx=vx'+v, vy=vy', vz=vz'

    Тело во всех инерциальных системах при этом имеет одинаковые ускорения:

    ax=ax', ay=ay', az=az' или a=a'

    Из сказанного можно заключить, что уравнение движения, являющееся одной из основ классической механики (второй закон Ньютона), ma=F сохраняет свой вид при переходе из одной инерциальной системы в другую.

    К концу XIX века уже имелся некий багаж опытных фактов, явно противоречащих законам классической механики. Вызвало большое затруднение применение механики Ньютона для объяснения распространения света. В определенный момент сформировалось предположение, что свет распространяется в особой среде – эфире; это предположение опровергли многие эксперименты. В 1881 году физик из Америки А. Майкельсон (в 1887 году к нему присоединился физик Э.Морли) начал предпринимать попытки обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») при помощи интерференционного опыта. Упрощенно схема опыта Майкельсона–Морли отображена на рис. 4.1.2.

    Предпосылки к появлению СТО

    Рисунок 4.1.2. Упрощенная схема интерференционного опыта Майкельсона–Морли. v – орбитальная скорость Земли.

    В ходе опыта одно из плеч интерферометра Майкельсона было установлено параллельно направлению орбитальной скорости Земли (v=30 км/с), после чего прибор поворачивался на 90°. Второе плечо при этом получало ориентацию по направлению орбитальной скорости. Произведенные подсчеты давали понять, что в случае существования неподвижного эфира при повороте прибора интерференционные полосы сместились бы на расстояние, пропорциональное vc2.

    Опыт Майкельсона–Морли, в последующем повторяемый множество раз, давал однозначный отрицательный результат. В результате анализа результатов опыта Майкельсона–Морли, а также некоторых других экспериментов стало возможным утверждать ошибочность представления об эфире как среде, в которой распространяются световые волны. Т.е., для света не существует избранной (абсолютной) системы отсчета. Движение Земли по орбите не влияет на оптические явления на Земле.

    Значимое влияние на развитие представлений о пространстве и времени оказала теория Максвелла. В начале XX века данная теория являлась общепризнанной. Теория Максвелла предсказывала электромагнитные волны, которые распространялись с конечной скоростью, и эта гипотеза получила практическое применение в 1895 году, когда А. С. Попов изобрел радио. Но также теория Максвелла гласит, что скорость распространения электромагнитных волн в любой инерциальной системе отсчета обладает одним и тем же значением, равным скорости света в вакууме.

    Данное утверждение означает, что уравнения, которые описывают распространение электромагнитных волн, являются неинвариантными относительно преобразований Галилея. Когда электромагнитная волна (в частности, свет) получает распространение в системе отсчета K' (рис. 4.1.1) в положительном направлении оси x', в системе K свет должен в соответствии с кинематикой Галилея распространяться со скоростью c+v, а не c.

    Основные принципы СТО

    Таким образом, на границе XIX и XX веков в развитии физики возник серьезный кризис. Выход нашел А.Эйнштейн, отказавшись, как это часто случается в случае величайших открытий, от классического видения. В данном случае, речь шла о классических представлениях о пространстве и времени. Важнейшим шагом здесь стал иной взгляд на понятие абсолютного времени, которое использовалось в классической физике. Привычные представления, казавшиеся логичными и очевидными, по факту показали свою несостоятельность. Множество понятий и величин, в нерелятивистской физике считавшихся абсолютными или не имеющими зависимости от системы отсчета, в теории относительности оказались переведенными в разряд относительных.

    Основой специальной теории относительности являются принципы или постулаты, которые Эйнштейн сформулировал в 1905 году.

    Определение 3

    Принципы СТО:

    1. Принцип относительности: все законы природы инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой. Данный принцип означает единство формы физических законов (не только механических) во всех инерциальных системах.
      Т.е. принцип относительности классической механики является обобщенным для всех процессов природы, в частности, электромагнитных. Такой обобщенный принцип носит название принципа относительности Эйнштейна.
    2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не имеет зависимости от того, с какой скоростью движется источник света или наблюдатель, и является одинаковой во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в теории относительности находится на особом положении. Скорость света есть предельная скорость, с которой передаются взаимодействия и сигналы из одной точки пространства в другую.

    Указанные принципы необходимо расценивать в качестве обобщения всей совокупности экспериментальных фактов. Выводы и следствия из теории, основанной на данных принципах, получили подтверждение в ходе огромного количества опытных проверок. Специальная теория относительности дала возможность найти ответы на все вопросы «доэйнштейновской» физики и дать объяснение противоречивым результатам уже имеющихся тогда опытов в области электродинамики и оптики. Впоследствии теория относительности получила подкрепление в виде экспериментальных данных, которые были получены в процессе изучения движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п.

    Постулаты теории относительности явно противоречат классическим представлениям. Проведем такой мысленный эксперимент: в момент времени t=0, в который существует совпадение координатных осей двух инерциальных систем K и K', в общем начале координат произошла кратковременная вспышка света. За время t системы будут смещены относительно друг друга на расстояние vt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет обладать радиусом ct (рис. 4.1.3), поскольку системы являются равноправными, и в каждой из них скорость света равна c.

    Основные принципы СТО

    Рисунок 4.1.3. Кажущееся противоречие постулатов СТО.

    С позиции наблюдателя в системе K центр сферы расположен в точке O, а с позиции наблюдателя в системе K' центр размещается в O'. Таким образом, получается, что центр сферического фронта одномоментно расположен в двух разных точках!

    Причиной подобного недоразумения является не противоречие между двумя постулатами теории относительности, а допущение факта, что положение фронтов сферических волн для обеих систем имеет отношение к одному и тому же моменту времени. Такое допущение содержится в формулах преобразования Галилея, в соответствии с которыми время в обеих системах течет одинаково: t=t'. Таким образом, принципы Эйнштейна противоречат не друг другу, а формулам преобразования Галилея, и в таком случае на смену галилеевых преобразований теория относительности записала иные формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую, получившие название преобразований Лоренца. Преобразования Лоренца при скоростях движения, приближенных к скорости света, дают возможность дать объяснение всем релятивистским эффектам, а при малых скоростях (υ<<c) переходят в формулы преобразования Галилея. Итак, новая теория (специальная теория относительности или СТО) не отвергает прежнюю классическую механику Ньютона, а лишь уточняет пределы ее применения. Эта взаимосвязь между прежней и новой, более общей теорией, частью которой является прежняя в качестве предельного случая, получила название принципа соответствия.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,9 из 5 (6 голосов)