Спеціальна теорія відносності. Теорія відносності. Основні поняття СТО.

Спеціальна теорія відносностіВиконавстудент І курсу. Ковальчук Арсен

СТОСпеціальна теорія відносності (СTO) – це теорія, яка описує рух, закони механіки та космічні відносини на довільній швидкості руху, нижчу швидкість світла у вакуумі, в тому числі близькі до швидкості світла. В рамках спеціальної теорії відносності, класична механіка Ньютона є наближення низьких швидкостей. Узагальненням СТО гравітаційного поля називається загальна теорія відносності. Описана особлива теорія теорії відносності в ході фізичних процесів від прогнозів класичної механіки називаються релятивістські ефекти, а швидкості, при яких такі ефекти стають значними-релятивістські швидкості.

З історії СТО. Спеціальна теорія відносності була розроблена на початку 20 століття зусиллями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, Енштейна та інших вчених. Експериментальною основою для створення сто був досвід Майкельсона. Його результати виявилися несподіваними для класичної фізики свого часу: незалежність від швидкості світла від напряму (ізотропія) і орбітального руху Землі навколо Сонця. Спроба інтерпретувати цей результат на початку ХХ століття призвела до перегляду класичних уявлень, і призвело до створення спеціальної теорії відносності.

Г. А. Лоренц А. Енштейн

При русі з швидкостю наближеною до швидкості світла видозмінюються закони динаміки. Другий закон Ньютона, який пов'язує силу і прискорення, повинен бути змінений зі швидкістю тіл, близьких до швидкості світла. Крім того, вираз для імпульсу і кінетичної енергії тіла мають більш складну залежність від швидкості, ніж у нерелятивському випадку.

Основні поняття СТО. Система відліку є деяким матеріальним тілом, вибраним як початок цієї системи, спосіб визначення положення об'єктів відносно початку системи зворотного відліку та спосіб вимірювання часу. Зазвичай існують різні системи відліку і систем координат. Додавання процедури вимірювання часу до системи координат "перетворює" її в систему відліку. Інерційною системою відліку (IСВ) є система, в якій об'єкт, який не піддається зовнішнім впливам, рухається рівномірно і прямочесно. Подія називається будь-який фізичний процес, який може бути локалізований в космосі, і має дуже коротку тривалість. Іншими словами, ця подія повністю характеризується координатами (x, y, z) і часом t.

Зазвичай розглядаються дві інерційні системи S і S. Час і координати певної події, виміряні відносно системи S, позначаються як (t, x, y, z), а також координати та час тієї ж події, виміряні відносно системи S як (t ', x ', y ', z ‘). Зручно припустити, що координатна вісь систем паралельно один одному і система S ' рухається вздовж осі х системи S зі швидкістю v. Одою з задач СТО є пошук коефіцієнтів прив'язки (t ', x ', y ', z ') і (t, x, y, z), які називаються перетвореннями Лоренца.

1 принцип відносності. Всі закони природи інваріантні по відношенню до переходу від однієї інерційної системи відліку до іншої (вони відбуваються однаково в усіх інерційних системах відліку). Це означає, що у всіх інерційних системах фізичні закони (не тільки механічні) мають однакову форму. Таким чином, принцип відносності класичної механіки узагальнено на всі процеси природи, в тому числі і електромагнітні. Цей узагальнений принцип називається принципом відносності Енштейна.

2 принцип відносності. Швидкість світла у вакуумі не залежить від швидкості пересування джерела світла або спостерігача і є однаковою у всіх інерційних системах відліку. Швидкість світла в СТО займає особливе місце. Це межа швидкості передачі взаємодій і сигналів від однієї точки простору до іншої.

СТО СТО дозволила вирішити всі проблеми фізики «доенштейнівської» фізики і пояснити «суперечливі» результати експериментів, відомих в той час в області електродинаміки і оптики. В наступний час СТО була підкріплена експериментальними даними, отриманими в дослідженні руху швидких частинок в прискорювачі, атомних процесах, ядерних реакціях тощо.

Приклад. На момент t=0, коли координатні осі двох інерційних систем K і K ' збігаються, в спільному початку координат відбувся короткостроковий спалах світла. Під час t часу, системи будуть зміщені відносно один одного на відстані υt, і сферичнs хвилі фронту в кожній системі буде мати радіус ct, так як системи рівні і в кожному з них швидкість світла рівна c. З точки зору спостерігача в системі К центр сфери знаходиться в точці О, і з точки зору спостерігача в системі K ', вона буде на O '.

Пояснення протиріччя. На зміну галілеєвих перетворень СТО запропонувала інші формули перетворення при переході з однієї інерціальної системи до іншої - так звані перетворення Лоренц, які зі швидкістю наближеного до швидкості світла, дозволяє пояснити всі релятивістські ефекти, а при низьких швидкостях переходять в формули перетворення Галілея. Таким чином, нова теорія (СTO) не відкинула стару класичну механіку Ньютона, а лише уточнила межі своєї застосовності. Цей зв'язок між старою і новою, більш загальною теорією, яка включає в себе стару теорію як кінцевий випадок, називається принципом відповідності.