Po to, kai matematikai suk?r? taisykles s?vok? ir skai?i? erdv?je, mokslininkai buvo tikri, kad jie gali atlikti tik eksperimentus ir, naudodami logines konstrukcijas, paai?kinti vis? dalyk? strukt?r?. Protingose ribose veikia matematikos d?sniai. Ta?iau eksperimentams, kurie per?engia kasdienes s?vokas ir id?jas, reikia nauj? princip? ir d?sni?.

Id?ja

XIX am?iaus viduryje visur paplito patogi universalaus eterio id?ja, kuri tiko daugumai mokslinink? ir tyrin?toj?. Paslaptingasis eteris tapo labiausiai paplitusiu modeliu, paai?kinan?iu tuo metu ?inomus fizinius procesus. Bet prie matematinio eterio hipotez?s apra?ymo pama?u buvo prid?ta daug nepaai?kinam? fakt?, kurie buvo paai?kinti ?vairiomis papildomomis s?lygomis ir prielaidomis. Palaipsniui nuoseklioji eterio teorija ?gavo „ramentus“ j? buvo per daug. Reik?jo nauj? id?j?, kad paai?kintume m?s? pasaulio sandar?. Specialiosios reliatyvumo teorijos postulatai atitiko visus reikalavimus – buvo glausti, nuosekl?s ir visi?kai patvirtinti eksperimentais.

Michelsono eksperimentai

Paskutinis la?as, „sulau??s nugar?“ eterio hipotezei, buvo elektrodinamikos srities tyrimai ir jas paai?kinan?ios Maksvelo lygtys. Priversdamas eksperiment? rezultatus prie matematinio sprendimo, Maxwellas panaudojo eterio teorij?.

Savo eksperimento metu mokslininkai privert? sinchroni?kai skleisti du skirtingomis kryptimis einan?ius pluo?tus. Atsi?velgiant ? tai, kad ?viesa juda „eteryje“, vienas ?viesos spindulys tur?jo jud?ti l??iau nei kitas. Nepaisant daugyb?s eksperimento pakartojim?, rezultatas buvo toks pat – ?viesa jud?jo pastoviu grei?iu.

Kitaip buvo ne?manoma paai?kinti fakto, kad, remiantis skai?iavimais, ?viesos greitis hipotetiniame eteryje visada buvo vienodas, nepaisant to, kaip greitai steb?tojas jud?jo. Ta?iau norint paai?kinti tyrimo rezultatus, buvo reikalaujama, kad atskaitos sistema b?t? „ideali“. Ir tai prie?taravo Galil?jaus postulatui apie vis? inercini? atskaitos sistem? nekintamum?.

Nauja teorija

prad?ioje visa mokslinink? galaktika prad?jo kurti teorij?, kuri derint? elektromagnetini? virpesi? tyrim? rezultatus su klasikin?s mechanikos principais.

Kuriant nauj? teorij? buvo atsi?velgta ? tai, kad:

Jud?jimas artimu ?viesos grei?iu pakei?ia antrojo Niutono d?snio formul?, kuri sieja pagreit? su j?ga ir mase;

K?no impulso lygtis turi tur?ti kitoki?, sud?tingesn? formul?;

?viesos greitis i?liko pastovus, nepaisant pasirinktos atskaitos sistemos.

A. Poincar?, G. Lorentz ir A. Einstein pastangomis buvo sukurta specialioji reliatyvumo teorija, kuri sutaik? visus tr?kumus ir paai?kino esamus steb?jimus.

Pagrindin?s s?vokos

Specialiosios reliatyvumo teorijos pagrindai slypi apibr??imuose, kuriais ?i teorija veikia

1. Atskaitos sistema – materialus k?nas, kur? galima laikyti atskaitos sistemos prad?ia ir laiko koordinat?s, per kuri? steb?tojas steb?s objekt? jud?jim?.

2. Inercin? atskaitos sistema yra ta, kuri juda tolygiai ir tiesia linija.

3. Renginys. Specialiosios ir bendrosios reliatyvumo teorijos ?vyk? laiko ribotos trukm?s fiziniu procesu, lokalizuotu erdv?je. Objekto koordinates trimat?je erdv?je galima nurodyti kaip (x, y, z) ir laiko period? t. Standartinis tokio proceso pavyzdys yra ?viesos blyksnis.

Specialioji reliatyvumo teorija nagrin?ja inercines atskaitos sistemas, kuriose pirmasis kadras juda ?alia antrojo pastoviu grei?iu. ?iuo atveju ry?i? tarp objekt? koordina?i? paie?ka ?iose inercin?se sistemose yra SRT prioritetas ir ?traukta ? pagrindines jo u?duotis. Specialioji reliatyvumo teorija sugeb?jo i?spr?sti ?i? problem?, naudodama Lorenco formules.

SRT postulatai

Kurdamas teorij? Ein?teinas atmet? visas daugyb? prielaid?, kurios buvo b?tinos eterio teorijai paremti. Paprastumas ir matematinis ?rodomumas buvo du rams?iai, ant kuri? r?m?si jo specialioji reliatyvumo teorija. Trumpai tariant, jos prielaidas galima suma?inti iki dviej? postulat?, kurie buvo b?tini naujiems ?statymams sukurti:

1. Visi fizikiniai d?sniai inercin?se sistemose vykdomi vienodai.
2. ?viesos greitis vakuume yra pastovus, jis nepriklauso nuo steb?tojo buvimo vietos ir jo grei?io.

D?l ?i? specialiosios reliatyvumo teorijos postulat? mitinio eterio teorija tapo nenaudinga. Vietoj ?ios substancijos buvo pasi?lyta keturmat?s erdv?s koncepcija, susiejanti laik? ir erdv?. Nurodant k?no viet? erdv?je, b?tina atsi?velgti ? ketvirt?j? koordinat? – laik?. ?i id?ja atrodo gana dirbtin?, ta?iau reikia atsi?velgti ? tai, kad ?io po?i?rio patvirtinimas slypi ?viesos grei?iui proporcing? grei?i? ribose, o kasdieniame pasaulyje klasikin?s fizikos d?sniai savo darb? atlieka puikiai. Galil?jaus reliatyvumo principas galioja visoms inercin?ms atskaitos sistemoms: jei taisykl? F = ma laikomasi CO k, tada ji bus teisinga kitoje atskaitos sistemoje k’. Klasikin?je fizikoje laikas yra apibr??tas dydis, o jo reik?m? nekinta ir nepriklauso nuo inercin?s atskaitos jud?jimo.

Pertvarkymas ? degalines

Trumpai tariant, ta?ko ir laiko koordinates galima pa?ym?ti taip:

x" = x - vt ir t" = t.

?i? formul? pateikia klasikin? fizika. Specialioji reliatyvumo teorija si?lo ?i? formul? sud?tingesne forma.

?ioje lygtyje dyd?iai (x,x'y,y'z,z't,t') ?ymi objekto koordinates ir laiko pra?jim? stebimose atskaitos sistemose, v yra objekto greitis, ir c yra ?viesos greitis vakuume.

Objekt? grei?iai ?iuo atveju turi atitikti nestandartin? Galil?j?

formul? v = s/t, ir ?i Lorenco transformacija:

Kaip matyti, esant ne?ymiai ma?am k?no grei?iui, ?ios lygtys i?sigimsta ? gerai ?inomas klasikin?s fizikos lygtis. Jei imtume kit? kra?tutinum? ir objekto greit? nustatytume lyg? ?viesos grei?iui, tai ?iuo ribiniu atveju vis tiek gautume c. I? ?ia specialioji reliatyvumo teorija daro i?vad?, kad n? vienas k?nas stebimame pasaulyje negali jud?ti grei?iu, vir?ijan?iu ?viesos greit?.

STO pasekm?s

Toliau nagrin?jant Lorenco transformacijas, tampa ai?ku, kad standartiniams objektams pradeda d?tis nestandartiniai dalykai. Specialiosios reliatyvumo teorijos pasekm?s yra objekto ilgio ir laiko t?km?s poky?iai. Jei segmento ilgis vienoje atskaitos sistemoje yra lygus l, tada kitos OS steb?jimai duos toki? reik?m?:

Taigi paai?k?ja, kad steb?tojas i? antrojo atskaitos r?mo matys segment?, trumpesn? nei pirmasis.

Nuostabios transformacijos paveik? ir tok? kiek? kaip laikas. T koordinat?s lygtis atrodys taip:

Kaip matote, antroje atskaitos sistemoje laikas teka l??iau nei pirmajame. Nat?ralu, kad abi ?ios lygtys duos rezultatus tik grei?iu, pana?iu ? ?viesos greit?.

Ein?teinas pirmasis i?ved? laiko i?sipl?timo formul?. Jis taip pat pasi?l? i?spr?sti vadinam?j? „dvyni? paradoks?“. Pagal ?ios problemos s?lygas yra broliai dvyniai, kuri? vienas liko ?em?je, o antrasis skrido raketa ? kosmos?. Pagal auk??iau para?yt? formul?, broliai sensta skirtingai, nes keliaujan?iam broliui laikas b?ga l??iau. ?is paradoksas turi sprendim?, jei atsi?velgsime ? tai, kad namuose esantis brolis visada buvo inercin?je atskaitos sistemoje, o neramus dvynys keliavo neinercin?je atskaitos sistemoje, kuri jud?jo su pagrei?iu.

Masinis pasikeitimas

Kita STR pasekm? – stebimo objekto mas?s pokytis skirtinguose FR. Kadangi visi fiziniai d?sniai veikia vienodai visose inercin?se atskaitos sistemose, reikia laikytis pagrindini? i?saugojimo d?sni? – impulso, energijos ir kampinio momento. Bet kadangi steb?tojo greitis stacionariame CO yra didesnis nei judan?iame, tada pagal impulso i?saugojimo ?statym? objekto mas? tur?t? pasikeisti tokiu dyd?iu:

Pirmoje atskaitos sistemoje objektas turi tur?ti didesn? k?no mas? nei antrojoje.

Pa?m? k?no greit?, lyg? ?viesos grei?iui, gauname netik?t? i?vad? – objekto mas? pasiekia begalin? reik?m?. ?inoma, bet koks materialus k?nas stebimoje visatoje turi savo baigtin? mas?. Lygtis tik sako, kad joks fizinis objektas negali jud?ti ?viesos grei?iu.

Mas?s/Energijos santykis

Kai objekto greitis yra daug ma?esnis u? ?viesos greit?, mas?s lygtis gali b?ti suma?inta iki formos:

I?rai?ka m 0 c rei?kia tam tikr? objekto savyb?, kuri priklauso tik nuo jo mas?s. ?is kiekis vadinamas poilsio energija. Poilsio ir jud?jimo energij? sum? galima u?ra?yti taip:

mc 2 = m 0 c + E kin.

I? to i?plaukia, kad visa objekto energija gali b?ti i?reik?ta formule:

K?no energijos formul?s paprastumas ir elegancija suteik? i?baigtumo,

kur E yra visa k?no energija.

Garsiosios Ein?teino formul?s paprastumas ir elegancija suteik? ypatingai reliatyvumo teorijai i?baigtumo, tod?l ji buvo nuosekli i? vidaus ir nereikalaujanti daugyb?s prielaid?. Taigi mokslininkai paai?kino daugyb? prie?taravim? ir dav? impuls? nauj? gamtos rei?kini? tyrin?jimams.

3.5. Specialioji reliatyvumo teorija (STR)

?vadas ? degalin?

Su reliatyvumo teorija susipa??stame vidurin?je mokykloje. ?i teorija mums paai?kina supan?io pasaulio rei?kinius taip, kad prie?tarauja „sveikai protui“. Tiesa, tas pats A. Ein?teinas kart? yra pasteb?j?s: „Sveikas protas yra i?ankstiniai nusistatymai, kurie susiformuoja iki a?tuoniolikos met?“.

Dar XVIII a. mokslininkai band? atsakyti ? klausimus, kaip perduodama gravitacin? s?veika ir kaip sklinda ?viesa (v?liau bet kokios elektromagnetin?s bangos). Atsakym? ? ?iuos klausimus paie?ka buvo reliatyvumo teorijos raidos prie?astis.

XIX am?iuje fizikai buvo ?sitikin?, kad egzistuoja vadinamasis eteris (pasaulio eteris, ?vie?iantis eteris). Pagal pra?jusi? am?i? id?jas, tai savoti?ka visk? persmelkianti, visk? u?pildanti aplinka. Fizikos raida XIX am?iaus antroje pus?je. pareikalavo, kad mokslininkai kiek ?manoma labiau sukonkretint? savo id?jas apie eter?. Jeigu darytume prielaid?, kad eteris yra kaip dujos, tai jame gal?t? sklisti tik i?ilgin?s bangos, o skersai – sklisti elektromagnetin?s. Neai?ku, kaip tokiame eteryje gal?t? jud?ti dangaus k?nai. Buvo ir kit? rimt? prie?taravim? transliacijai. Tuo pa?iu metu ?kot? fizikas Jamesas Maxwellas (1831–1879) suk?r? elektromagnetinio lauko teorij?, i? kurios vis? pirma buvo i?plaukia, kad galutinis ?io lauko sklidimo greitis erdv?je yra 300 000 km/s. Vokie?i? fizikas Heinrichas Hercas (1857–1894) eksperimenti?kai ?rod? ?viesos, ?ilumos spinduli? ir elektromagnetinio „bang? jud?jimo“ tapatyb?. Jis nustat?, kad elektromagnetin? j?ga veikia 300 000 km/s grei?iu. Be to, Hertzas nustat?, kad „elektrin?s j?gos gali b?ti atskirtos nuo sunki? k?n? ir toliau egzistuoti nepriklausomai kaip b?sena ar pokytis erdv?je“. Ta?iau situacija su eteriu k?l? daug klausim?, tod?l ?iai koncepcijai panaikinti reik?jo tiesioginio eksperimento. Id?j? suformulavo Maksvelas, si?l?s ?em? naudoti kaip judant? k?n?, kuris orbitoje juda 30 km/s grei?iu. ?i patirtis reikalavo itin didelio matavimo tikslumo. ?i? sunkiausi? problem? 1881 metais i?sprend? amerikie?i? fizikai A. Michelsonas ir E. Morley. Remiantis „stacionaraus eterio“ hipoteze, galima steb?ti „eterin? v?j?“, kai ?em? juda per „eter?“, o ?viesos greitis ?em?s at?vilgiu tur?t? priklausyti nuo ?viesos spindulio krypties krypties at?vilgiu. ?em?s jud?jimo eteryje (tai yra, ?viesa nukreipta palei ?em?s jud?jim? ir prie? ). Grei?iai esant eteriui tur?jo b?ti skirtingi. Ta?iau jie pasirod? nepakit?. Tai parod?, kad n?ra oro. ?is neigiamas rezultatas patvirtino reliatyvumo teorij?. Michelsono ir Morley eksperimentas, skirtas ?viesos grei?iui nustatyti, v?liau, 1885–1887 m., buvo pakartotas kelis kartus su tuo pa?iu rezultatu.

1904 m. mokslo kongrese pranc?z? matematikas Anri Puankar? (1854–1912) i?rei?k? nuomon?, kad gamtoje negali b?ti didesni? grei?i? u? ?viesos greit?. Kartu A. Poincar? suformulavo reliatyvumo princip? kaip universal? gamtos d?sn?. 1905 m. jis ra??: „Ne?manomyb? eksperimentu ?rodyti absoliutaus ?em?s jud?jimo akivaizd?iai yra bendras gamtos d?snis. ?ia jis atkreipia d?mes? ? Lorentzo transformacijas ir bendr? ry?? tarp erdvini? ir laiko koordina?i?.

Albertas Ein?teinas (1879–1955), kurdamas speciali?j? reliatyvumo teorij?, dar ne?inojo apie Puankar?s rezultatus. V?liau Ein?teinas ra??: „Visi?kai nesuprantu, kod?l esu i?auk?tintas kaip reliatyvumo teorijos k?r?jas. Jei ne a?, Poincar? tai b?t? padar?s per metus, Minkowskis b?t? padar?s per dvejus metus, juk daugiau nei pus? ?io verslo priklauso Lorentzui. Mano nuopelnai yra perd?ti“. Ta?iau Lorentzas savo ruo?tu 1912 m. ra??: „Ein?teino nuopelnas slypi tame, kad jis pirmasis i?rei?k? reliatyvumo princip? universalaus grie?to ?statymo forma“.

Du Ein?teino postulatai SRT

Nor?dami apib?dinti fizikinius rei?kinius, Galil?jus pristat? inercinio r?mo s?vok?. Tokioje sistemoje k?nas, kurio neveikia jokia j?ga, yra ramyb?s b?senoje arba vienodo tiesinio jud?jimo b?senoje. Mechanin? jud?jim? apib?dinantys d?sniai vienodai galioja skirtingose inercin?se sistemose, tai yra, jie nekinta pereinant i? vienos koordina?i? sistemos ? kit?. Pavyzd?iui, jei keleivis judan?iu traukinio vagonu eina jo jud?jimo kryptimi grei?iu v 1 = 4 km/h, o traukinys va?iuoja dideliu grei?iu v 2 = 46 km/h, tada keleivio greitis gele?inkelio b?gi? at?vilgiu bus v= v 1 +v 2 = 50 km/h, tai yra, yra grei?i? priedas. Remiantis „sveiku protu“, tai yra nepakei?iamas faktas:

v= v 1 +v 2

Ta?iau didelio grei?io, palyginamo su ?viesos grei?iu, pasaulyje nurodyta grei?i? prid?jimo formul? yra tiesiog neteisinga. Gamtoje ?viesa sklinda dideliu grei?iu Su= 300 000 km/s, nepriklausomai nuo to, kuria kryptimi juda ?viesos ?altinis steb?tojo at?vilgiu.

1905 m. 26 met? Albertas Ein?teinas paskelb? straipsn? „Apie judan?i? k?n? elektrodinamik?“ Vokietijos mokslo ?urnale „Annals of Physics“. ?iame straipsnyje jis suformulavo du garsius postulatus, kurie sudar? dalin?s arba specialiosios reliatyvumo teorijos (STR) pagrind?, pakeitusi? klasikines erdv?s ir laiko id?jas.

Pirmajame postulate Ein?teinas suk?r? klasikin? Galil?jaus reliatyvumo princip?. Jis parod?, kad ?is principas yra universalus, taip pat ir elektrodinamikai (ir ne tik mechanin?ms sistemoms). ?i pozicija nebuvo vienareik?mi?ka, nes reik?jo atsisakyti Niutono ilgo nuotolio veiksm?.

Ein?teino apibendrintas reliatyvumo principas teigia, kad jokie fiziniai eksperimentai (mechaniniai ir elektromagnetiniai) tam tikroje atskaitos sistemoje negali nustatyti, ar ?i sistema juda tolygiai, ar yra ramyb?s b?senoje. Tuo pa?iu metu erdv? ir laikas yra susij? vienas su kitu, priklausomi vienas nuo kito (Galileo ir Niutono atveju erdv? ir laikas yra nepriklausomi vienas nuo kito).

Ein?teinas pasi?l? antr?j? specialiosios reliatyvumo teorijos postulat?, i?analizav?s Maksvelo elektrodinamik? - tai yra ?viesos grei?io pastovumo vakuume principas, kuris yra ma?daug lygus 300 000 km/s.

?viesos greitis yra did?iausias greitis m?s? Visatoje. Aplinkiniame pasaulyje negali b?ti didesnio nei 300 000 km/s grei?io.

?iuolaikiniuose greitintuvuose mikrodalel?s ?sib?g?ja iki did?iulio grei?io. Pavyzd?iui, elektronas ?sib?g?ja iki grei?io v e = 0,9999999 C, kur v e, C yra atitinkamai elektrono ir ?viesos greitis. ?iuo atveju, steb?tojo po?i?riu, elektrono mas? padid?ja 2500 kart?:

?ia m e0 yra likusioji elektrono mas?, m e– elektron? mas? grei?iu v e .

Elektronas negali pasiekti ?viesos grei?io. Ta?iau yra mikrodaleli?, kurios turi ?viesos greit?, jos vadinamos „liuksonais“.

Tai apima fotonus ir neutrinus. Jie prakti?kai neturi ramyb?s mas?s, j? negalima sul?tinti, jie visada juda ?viesos grei?iu Su. Visos kitos mikrodalel?s (tardyonai) juda ma?esniu nei ?viesos greitis. Mikrodalel?s, kuri? jud?jimo greitis gali b?ti didesnis u? ?viesos greit?, vadinamos tachionais. M?s? realiame pasaulyje toki? daleli? n?ra.

Itin svarbus reliatyvumo teorijos rezultatas yra energijos ir k?no mas?s ry?io nustatymas. Esant ma?am grei?iui

Kur E = m 0 c 2 – ramyb?s mas?s dalel?s ramyb?s energija m 0,a E K– judan?ios dalel?s kinetin? energija.

Did?iulis reliatyvumo teorijos pasiekimas yra tai, kad ji nustat? mas?s ir energijos ekvivalenti?kum? (E = m 0 c 2). Ta?iau kalbame ne apie mas?s virsm? energija ir atvirk??iai, o apie tai, kad energijos virtimas i? vienos r??ies ? kit? atitinka mas?s per?jim? i? vienos formos ? kit?. Energijos negalima pakeisti mase, nes energija apib?dina k?no geb?jim? dirbti, o mas? yra inercijos matas.

Esant reliatyvistiniam grei?iui, artimam ?viesos grei?iui:

Kur E- energija, m- daleli? mas?, m– dalel?s ramyb?s mas?, Su– ?viesos greitis vakuume.

I? auk??iau pateiktos formul?s ai?ku, kad norint pasiekti ?viesos greit?, dalelei turi b?ti suteiktas be galo didelis energijos kiekis. Fotonams ir neutrinams ?i formul? n?ra teisinga, nes jie turi v= c.

Reliatyvistiniai efektai

Reliatyvumo teorijoje reliatyvistiniai efektai rei?kia k?n? erdv?s ir laiko charakteristik? poky?ius grei?iais, pana?iais ? ?viesos greit?.

Kaip pavyzdys paprastai laikomas erdv?laivis, toks kaip foton? raketa, kuris skrenda erdv?je grei?iu, atitinkan?iu ?viesos greit?. ?iuo atveju nejudantis steb?tojas gali pasteb?ti tris reliatyvistinius efektus:

1. Mas?s padid?jimas, palyginti su ramyb?s mase. Did?jant grei?iui, did?ja ir mas?. Jei k?nas gal?t? jud?ti ?viesos grei?iu, jo mas? padid?t? iki begalyb?s, o tai ne?manoma. Ein?teinas ?rod?, kad k?no mas? yra jame esan?ios energijos matas (E = mc 2 ). Ne?manoma suteikti k?nui begalin?s energijos.

2. Linijini? k?no matmen? suma?inimas jo jud?jimo kryptimi. Kuo didesnis erdv?laivio greitis, praskriejantis pro stacionar? steb?toj?, ir kuo jis ar?iau ?viesos grei?io, tuo ma?esnis ?io laivo dydis bus stacionariam steb?tojui. Laivui pasiekus ?viesos greit?, jo stebimas ilgis bus lygus nuliui, ko negali b?ti. Pa?iame laive astronautai ?i? poky?i? nepasteb?s. 3. Laiko i?sipl?timas. Erdv?laivyje, judan?iame artimu ?viesos grei?iu, laikas teka l??iau nei stacionariam steb?tojui.

Laiko i?sipl?timo efektas paveikt? ne tik laikrod? laivo viduje, bet ir visus jame vykstan?ius procesus, taip pat ir astronaut? biologinius ritmus. Ta?iau foton? raketos negalima laikyti inercine sistema, nes greit?jimo ir l?t?jimo metu ji juda su pagrei?iu (o ne tolygiai ir tiesi?kai).

Reliatyvumo teorija si?lo i? esm?s naujus erdv?s ir laiko santyki? tarp fizini? objekt? ?ver?ius. Klasikin?je fizikoje, pereinant i? vienos inercin?s sistemos (Nr. 1) ? kit? (Nr. 2), laikas i?lieka toks pat – t 2 = t L o erdvin? koordinat? kinta pagal lygt? x 2 = x 1 – vt. Reliatyvumo teorija naudoja vadinam?sias Lorenco transformacijas:

I? santyki? ai?ku, kad erdvin?s ir laiko koordinat?s priklauso viena nuo kitos. Kalbant apie ilgio suma?inim? jud?jimo kryptimi, tada

ir laikas sul?t?ja:

1971 metais JAV buvo atliktas eksperimentas, skirtas nustatyti laiko i?sipl?tim?. Jie pagamino du visi?kai vienodus tikslius laikrod?ius. Kai kurie laikrod?iai liko ant ?em?s, o kiti buvo patalpinti ? l?ktuv?, kuris skrido aplink ?em?. L?ktuvas, skraidantis apskritimu aplink ?em?, juda su tam tikru pagrei?iu, o tai rei?kia, kad l?ktuve esantis laikrodis yra kitokioje pad?tyje, palyginti su laikrod?iu, stovin?iu ant ?em?s. Remiantis reliatyvumo d?sniais, va?iuojantis laikrodis tur?jo atsilikti nuo ramyb?s b?senos 184 ns, ta?iau i? tikr?j? atsilikimas buvo 203 ns. Buvo ir kit? eksperiment?, kurie tikrino laiko i?sipl?timo poveik?, ir visi jie patvirtino l?t?jimo fakt?. Taigi, skirtingas laiko srautas koordina?i? sistemose, judan?iose tolygiai ir tiesia linija viena kitos at?vilgiu, yra nekintantis eksperimenti?kai nustatytas faktas.

Bendroji reliatyvumo teorija

1905 metais paskelbus speciali?j? reliatyvumo teorij?, A. Ein?teinas atsigr??? ? ?iuolaikin? gravitacijos samprat?. 1916 m. jis paskelb? bendr?j? reliatyvumo teorij? (GTR), kuri paai?kina gravitacijos teorij? ?iuolaikiniu po?i?riu. Jis remiasi dviem specialiosios reliatyvumo teorijos postulatais ir suformuluoja tre?i?j? postulat? – inercini? ir gravitacini? masi? ekvivalenti?kumo princip?. Svarbiausia Bendrosios reliatyvumo teorijos i?vada – pozicija apie geometrini? (erdvini?) ir laiko charakteristik? poky?ius gravitaciniuose laukuose (ir ne tik judant dideliu grei?iu). ?i i?vada susieja GTR su geometrija, tai yra, GTR stebima gravitacijos geometrizacija. Klasikin? euklido geometrija tam netiko. Nauja geometrija atsirado XIX a. rus? matematiko N. I. Loba?evskio, vokie?i? matematiko B. Riemanno, vengr? matematiko J. Bolyai darbuose.

M?s? erdv?s geometrija pasirod? neeuklidi?ka.

Jo praktinis pritaikymas ir pagrindiniai dalykai. Dabar pakalb?sime apie pagrindinius Specialiosios reliatyvumo teorijos postulatus ir i?vadas, suprasime jos pagrindus ir pasekmes.

SRT, dar vadinamas specialiuoju reliatyvumu, yra sud?tingas apra?omasis mechanikos, jud?jimo ir erdv?s ir laiko santyki? d?sni? modelis, sukurtas Nobelio premijos laureato Alberto Ein?teino 1905 m.

Specialioji reliatyvumo teorija yra bendrosios reliatyvumo teorijos dalis. Pa?i?r?kime ir pabandykime paprasta kalba nustatyti pagrindines jo pasekmes:

1. Laiko i?sipl?timas

?sivaizduokite, kad vien? dien? jums ir j?s? draugui pasisek? tapti dviej? erdv?laivi? savininkais. J?s skrendate tuo pa?iu grei?iu arti vienas kito. Taigi, nor?dami pasilinksminti, nusprend?iate ?vystel?ti lazeriniu ?ymekliu tiesiai ? savo draugo akis.

Tada, j?s? po?i?riu, jei ?viesos greitis padauginamas i? ?viesos impulso kelion?s laiko, gausite atstum? tarp j?s? laiv?.

Ta?iau nejudan?io steb?tojo po?i?riu, ?viesa jud?jo pasvirusiu keliu ir ap?m? didesn? atstum?. Ir svarbiausia: ?viesa jud?jo tuo pa?iu grei?iu. Tai rei?kia, kad jam u?truko ilgiau.

Atkreipkite d?mes?, kad taip gaunamas sta?iakampis trikampis ir galime naudoti sen? ger? Pitagoro teorem?. Gauta formul? i?reik? kart? santyk?.

Pasirodo, kad tas pats veiksmas judan?i? objekt? po?i?riu reikalauja ma?iau laiko nei stacionariems. Kai judame, laikas sul?t?ja, o kuo grei?iau judame, tuo ?is poveikis stipresnis.

Darydami prielaid?, kad ?viesos greitis yra pastovus, ir naudojant tik Pitagoro teorem?, mes ?rod?me tai, kas prie? 100 met? tiesiog „sup?t?“ geriausi? planetos fizik? mintis!

?inoma, netur?tume pamir?ti, kad esant ma?am grei?iui laiko i?sipl?timo efektas yra ne?ymiai silpnas. Ta?iau labai tiksl?s eksperimentai (Hafele-Keatinga, 1971), kai atominiai laikrod?iai paromis skraido aplink ?em?, patvirtina ?? efekt?.

2. I?ilginis susitraukimas

Judant objektai ma??ja, o laikui b?gant – tiek pat kart?.

Pavyzd?iui, jei ?mogus juda 280 000 km/s grei?iu, jis bus 3 kartus lieknesnis nei ?prastai. Tad patarimas merginoms: b?kite grei?iau ir b?site lieknesn?s!

3. Vienalaiki?kumas

?vykiai, vykstantys vienu metu judan?io steb?tojo po?i?riu, ?vyks skirtingais laiko momentais, palyginti su nejudan?iu.

I? ties?, v?l ?sivaizduokite erdv?laiv?, kurio priekyje ir u? jo yra ?oniniai ?ibintai, kurie u?sidega, kai gauna ?viesos signal?, siun?iam? i? laivo centro.

Erdv?laivio at?vilgiu lemput?s u?sidegs vienu metu, ta?iau nejudan?io steb?tojo at?vilgiu ?viesos signalas juda ? kair? ir ? de?in? tuo pa?iu grei?iu, o tai rei?kia, kad galin? lemput? u?sidegs grei?iau nei priekin?.

Taigi vienalaiki?kumas taip pat yra santykin? s?voka.

4. Mas? ir energija

Remiantis reliatyvumo teorija, judant k?n? mas? did?ja, o esant beveik ?viesos grei?iui, ji i?auga iki begalyb?s!

Tod?l ne?manoma masinio objekto pagreitinti iki ?viesos grei?io, nes nebus pakankamai energijos atsarg? ?iam tikslui pasiekti.

Tik bemas?s dalel?s, tokios kaip fotonai arba .

Kalbant apie energij?, reliatyvumo teorija neskirsto jos ? kinetin? ir potencialin?. Yra vadinamoji visa k?no energija, apskai?iuojama pagal speciali? formul?.

Jei k?nas ilsisi, tada ?i formul? paver?iama ramyb?s energija (E=mc^2) – Ein?teino reliatyvumo teorijos simboliu. Jis egzistuoja absoliu?iai kiekviename k?ne, net ir tavo. Galite j? apskai?iuoti ir para?yti rezultat? straipsnio komentaruose.

I?gauti poilsio energij? gana sunku, nes tam mas? turi ka?kur dingti. Ta?iau b?tent taip nutinka branduolin?se reakcijose.

Ten reakcijos produkt? mas? yra ?iek tiek ma?esn? u? pradini? reagent? mas? (64 kg VS 63,9994 kg). ?is mas?s praradimas virsta mil?ini?ka energija: 54*10^12 J nuo ma?daug 0,0006 kg.

Taigi mes ai?kiai mat?me, kokius nuostabius atradimus mums suteik? genialusis Albertas Ein?teinas su savo reliatyvumo teorija. Beje, visai neseniai tai ?rod? ir sensacingas atradimas. Jei jums patinka mokslas, skaitykite „WikiScience“!

SRT, TOE - ?ios santrumpos slepia ?inom? termin? „reliatyvumo teorija“, kuris yra ?inomas beveik visiems. Paprasta kalba visk? galima paai?kinti, net ir genijaus parei?kim?, tod?l nenusiminkite, jei neprisimenate savo mokyklinio fizikos kurso, nes i? tikr?j? viskas yra daug papras?iau nei atrodo.

Teorijos kilm?

Taigi, prad?kime kurs? „Reliatyvumo teorija manekenams“. Albertas Ein?teinas paskelb? savo darb? 1905 m. ir suk?l? mokslinink? a?iota??. ?i teorija beveik visi?kai ap?m? daugel? pra?jusio am?iaus fizikos sprag? ir neatitikim?, ta?iau, be viso kito, ji pakeit? erdv?s ir laiko id?j?. Daugeliu Ein?teino teigini? jo am?ininkams buvo sunku patik?ti, ta?iau eksperimentai ir tyrimai tik patvirtino did?iojo mokslininko ?od?ius.

Ein?teino reliatyvumo teorija paprastai paai?kino, su kuo ?mon?s kovojo ?imtme?ius. Tai galima vadinti visos ?iuolaikin?s fizikos pagrindu. Ta?iau prie? t?siant pokalb? apie reliatyvumo teorij?, reik?t? i?siai?kinti termin? klausim?. Tikrai daugelis, skaitydami populiarius mokslo straipsnius, susid?r? su dviem santrumpos: STO ir GTO. Ties? sakant, jie rei?kia ?iek tiek skirtingas s?vokas. Pirmoji yra specialioji reliatyvumo teorija, o antroji rei?kia „bendr?j? reliatyvum?“.

Tiesiog ka?kas sud?tingo

STR yra senesn? teorija, v?liau tapusi GTR dalimi. Jis gali atsi?velgti tik ? fizinius procesus objektams, judantiems vienodu grei?iu. Bendroji teorija gali apib?dinti, kas atsitinka su greit?jan?iais objektais, taip pat paai?kinti, kod?l egzistuoja gravitonin?s dalel?s ir gravitacija.

Jei reikia apib?dinti jud?jim?, taip pat erdv?s ir laiko santyk? art?jant prie ?viesos grei?io, specialioji reliatyvumo teorija gali tai padaryti. Paprastais ?od?iais tai galima paai?kinti taip: pavyzd?iui, draugai i? ateities jums padovanojo erdv?laiv?, galint? skristi dideliu grei?iu. Ant erdv?laivio nosies yra patranka, galinti ?audyti fotonais ? visk?, kas ateina prie?ais.

Kai i??aunamas ??vis, ?ios dalel?s laivo at?vilgiu skrenda ?viesos grei?iu, ta?iau, logi?kai m?stant, stovintis steb?tojas tur?t? matyti dviej? grei?i? (pa?i? foton? ir laivo) sum?. Bet nieko tokio. Steb?tojas matys fotonus, judan?ius 300 000 m/s grei?iu, tarsi laivo greitis b?t? lygus nuliui.

Reikalas tas, kad nesvarbu, kaip greitai juda objektas, ?viesos greitis jam yra pastovi vert?.

?is teiginys yra nuostabi? logini? i?vad?, toki? kaip laiko sul?t?jimas ir i?kraipymas, priklausomai nuo objekto mas?s ir grei?io, pagrindas. Tuo paremti daugelio mokslin?s fantastikos film? ir serial? siu?etai.

Bendroji reliatyvumo teorija

Paprasta kalba galima paai?kinti platesn? bendr?j? reliatyvum?. Pirmiausia tur?tume atsi?velgti ? tai, kad m?s? erdv? yra keturmat?. Laikas ir erdv? susijungia ? tok? „subjekt?“ kaip „erdv?s-laiko kontinuumas“. M?s? erdv?je yra keturios koordina?i? a?ys: x, y, z ir t.

Ta?iau ?mon?s negali tiesiogiai suvokti keturi? dimensij?, kaip hipotetinis plok??ias ?mogus, gyvenantis dvima?iame pasaulyje, negali pa?velgti ? vir??. Ties? sakant, m?s? pasaulis yra tik keturmat?s erdv?s projekcija ? trimat? erdv?.

?domus faktas yra tai, kad pagal bendr?j? reliatyvumo teorij? k?nai jud?dami nesikei?ia. Keturma?io pasaulio objektai i? tikr?j? visada yra nepakit?, o jiems judant kei?iasi tik j? projekcijos, kurias suvokiame kaip laiko i?kraipym?, dyd?io suma?inim? ar padid?jim? ir pan.

Lifto eksperimentas

Reliatyvumo teorij? galima paai?kinti paprastais ?od?iais, naudojant nedidel? minties eksperiment?. ?sivaizduokite, kad esate lifte. Kabina prad?jo jud?ti, ir j?s atsid?r?te nesvarumo b?senoje. Kas atsitiko? Prie?astys gali b?ti dvi: arba liftas yra erdv?je, arba jis laisvai krinta, veikiamas planetos gravitacijos. ?domiausia tai, kad nesvarumo prie?asties ne?manoma i?siai?kinti, jei n?ra galimyb?s pa?i?r?ti i? lifto kabinos, tai yra, abu procesai atrodo vienodai.

Galb?t atlik?s pana?? minties eksperiment? Albertas Ein?teinas pri?jo prie i?vados, kad jei ?ios dvi situacijos nesiskiria viena nuo kitos, tai i? tikr?j? k?nas, veikiamas gravitacijos, ne?sib?g?ja, tai yra tolygus jud?jimas, kuris veikiamas i?lenktas. masyvaus k?no (?iuo atveju planetos). Taigi pagreitintas jud?jimas yra tik vienodo jud?jimo projekcija ? trimat? erdv?.

Geras pavyzdys

Kitas geras pavyzdys tema „Reliatyvumas manekenams“. Tai n?ra visi?kai teisinga, bet labai paprasta ir ai?ku. Jei ant i?tempto audinio u?dedate kok? nors daikt?, po juo susidaro „nukrypimas“ arba „piltuvas“. Visi smulkesni k?nai bus priversti i?kraipyti savo trajektorij? pagal nauj? erdv?s ving?, o jei k?nas tur?s ma?ai energijos, ?io piltuvo jis gali ir ne?veikti. Ta?iau, ?i?rint i? paties judan?io objekto, trajektorija i?lieka tiesi, erdv?s lenkimo jie nepajus.

Gravitacija „pa?eminta“

Atsiradus bendrajai reliatyvumo teorijai, gravitacija nustojo b?ti j?ga ir dabar pasitenkina papras?iausia laiko ir erdv?s kreivumo pasekm?. Bendroji reliatyvumo teorija gali atrodyti fantasti?ka, ta?iau tai yra veikianti versija ir patvirtinta eksperimentais.

Reliatyvumo teorija gali paai?kinti daugyb?, atrodyt?, ne?tik?tin? dalyk? m?s? pasaulyje. Paprastais ?od?iais tariant, tokie dalykai vadinami bendrosios reliatyvumo teorijos pasekm?mis. Pavyzd?iui, arti masyvi? k?n? skrendantys ?viesos spinduliai yra sulenkti. Be to, daugelis objekt? i? gilios erdv?s yra pasl?pti vienas u? kito, ta?iau d?l to, kad ?viesos spinduliai lenkiasi aplink kitus k?nus, m?s? akims (tiksliau – teleskopo akims) pasiekiami i? pa?i?ros nematomi objektai. Tai tarsi ?i?r?jimas pro sienas.

Kuo didesn? gravitacija, tuo l??iau laikas teka objekto pavir?iumi. Tai taikoma ne tik dideliems k?nams, tokiems kaip neutronin?s ?vaig?d?s ar juodosios skyl?s. Laiko i?sipl?timo poveik? galima pasteb?ti net ?em?je. Pavyzd?iui, palydovin?s navigacijos ?renginiai apr?pinti itin tiksliais atominiais laikrod?iais. Jie yra m?s? planetos orbitoje, o laikas ten slenka ?iek tiek grei?iau. ?imtos sekund?s per dien? sud?s iki 10 km paklaid? skai?iuojant mar?rut? ?em?je. B?tent reliatyvumo teorija leid?ia apskai?iuoti ?i? paklaid?.

Paprastais ?od?iais tariant, galime pasakyti taip: bendrasis reliatyvumas yra daugelio ?iuolaikini? technologij? pagrindas, o Ein?teino d?ka mes galime nesunkiai rasti picerij? ir bibliotek? nepa??stamoje vietoje.

1905 met? rugs?jo m?n pasirod? A. Ein?teino veikalas „Apie judan?i? k?n? elektrodinamik?“, kuriame buvo i?d?stytos pagrindin?s Specialiosios reliatyvumo teorijos (STR) nuostatos. ?i teorija rei?k? klasikini? fizikos samprat? apie erdv?s ir laiko savybes per?i?r?. Tod?l ?i? teorij? savo turiniu galima pavadinti fizine erdv?s ir laiko doktrina . Fizinis nes erdv?s ir laiko savyb?s ?ioje teorijoje nagrin?jamos glaud?iai susijusios su juose vykstan?i? fizikini? rei?kini? d?sniais. Terminas " ypatingas"pabr??ia fakt?, kad ?i teorija rei?kinius nagrin?ja tik inercin?se atskaitos sistemose.

Kaip specialiosios reliatyvumo teorijos atspirties ta?kai, Ein?teinas pri?m? du postulatus arba principus:

1) reliatyvumo principas;

2) ?viesos grei?io nepriklausomumo nuo ?viesos ?altinio grei?io principas.

Pirmasis postulatas yra Galil?jaus reliatyvumo principo apibendrinimas bet kokiems fiziniams procesams: visi fiziniai rei?kiniai vyksta vienodai visose inercin?se atskaitos sistemose. Visi gamtos d?sniai ir juos apib?dinan?ios lygtys yra nekintami, t.y. nesikei?ia pereinant i? vienos inercin?s atskaitos sistemos ? kit?.

Kitaip tariant, visos inercin?s atskaitos sistemos yra lygiavert?s (neatskiriamos) savo fizin?mis savyb?mis. Jokia patirtis negali i?skirti n? vieno i? j? kaip pageidaujam?.

Antrasis postulatas teigia, kad ?viesos greitis vakuume nepriklauso nuo ?viesos ?altinio jud?jimo ir yra vienodas visomis kryptimis.

Tai rei?kia, kad ?viesos greitis vakuume yra vienodas visose inercin?se atskaitos sistemose. Taigi ?viesos greitis gamtoje u?ima ypating? viet?.

I? Ein?teino postulat? i?plaukia, kad ?viesos greitis vakuume yra ribojamas: joks signalas, jokia vieno k?no ?taka kitam negali sklisti grei?iu, vir?ijan?iu ?viesos greit? vakuume. B?tent ?io grei?io ribojimas paai?kina t? pat? ?viesos greit? visose atskaitos sistemose. Ribojamojo grei?io buvimas automati?kai rei?kia daleli? grei?io apribojim? „c“ reik?me. Prie?ingu atveju ?ios dalel?s gali perduoti signalus (arba s?veik? tarp k?n?) grei?iu, vir?ijan?iu rib?. Taigi, pagal Ein?teino postulatus, vis? galim? k?n? jud?jimo ir s?veikos sklidimo grei?i? reik?m? riboja „c“ reik?m?. Tai atmeta Niutono mechanikos ilgalaikio veikimo princip?.

I? SRT daromos ?domios i?vados:

1) ILGIO SUMA?INIMAS: Bet kurio objekto jud?jimas turi ?takos i?matuotai jo ilgio vertei.

2) LAIKO L?T?JIMAS: atsiradus SRT, i?kilo teiginys, kad absoliutus laikas neturi absoliu?ios reik?m?s, tai tik idealus matematinis vaizdavimas, nes gamtoje n?ra realaus fizikinio proceso, tinkamo absoliu?iam laikui matuoti.

Laiko eiga priklauso nuo atskaitos r?mo jud?jimo grei?io. Esant pakankamai dideliu grei?iu, artimu ?viesos grei?iui, laikas sul?t?ja, t.y. atsiranda reliatyvistin? laiko i?sipl?timas.

Taigi greitai judan?ioje sistemoje laikas teka l??iau nei nejudan?io steb?tojo laboratorijoje: jei steb?tojas ?em?je sugeb?t? sekti dideliu grei?iu skriejan?ios raketos laikrod?, jis padaryt? i?vad?, kad ji b?ga. l??iau nei jo paties. Laiko i?sipl?timo efektas rei?kia, kad erdv?laivio gyventojai sensta l??iau. Jei vienas i? dviej? dvyni? nukeliaut? ? ilg? kosmin? kelion?, gr???s ? ?em? pasteb?t?, kad jo namuose paliktas brolis dvynys buvo u? j? daug vyresnis.

Kai kuriose sistemose galime kalb?ti tik apie vietos laik?. ?iuo at?vilgiu laikas n?ra nuo materijos nepriklausomas subjektas, jis teka skirtingu grei?iu skirtingomis fizin?mis s?lygomis. Laikas visada yra santykinis.

3) SVORIO PADID?JIMAS: k?no mas? taip pat yra santykin? reik?m?, priklausanti nuo jo jud?jimo grei?io. Kuo didesnis k?no greitis, tuo didesn? jo mas?.

Ein?teinas taip pat atrado ry?? tarp mas?s ir energijos. Jis suformuluoja tok? d?sn?: „k?no mas? yra jame esan?ios energijos matas: E=mс 2". Jei ? ?i? formul? pakeistume m=1 kg ir c=300 000 km/s, gautume did?iul? 9·10 16 J energij?, kurios u?tekt? elektros lemputei degti 30 milijon? met?. Bet energijos kiek? med?iagos mas?je riboja ?viesos greitis ir med?iagos mas?s kiekis.

Mus supantis pasaulis turi tris matmenis. SRT tvirtina, kad laikas negali b?ti laikomas ka?kuo atskiru ir nekintan?iu. 1907 metais vokie?i? matematikas Minkowskis suk?r? SRT matematin? aparat?. Jis pasi?l?, kad trys erdviniai ir vienas laiko matmenys yra glaud?iai susij?. Visi ?vykiai Visatoje vyksta keturi? dimensij? erdv?laikyje. Matematiniu po?i?riu SRT yra keturi? dimensij? Minkovskio erdv?s laiko geometrija.

STR buvo patvirtintas daugybe fakt? ir eksperiment? (pavyzd?iui, laiko i?sipl?timas stebimas elementari?j? daleli? skilimo metu kosminiuose spinduliuose arba didel?s energijos greitintuvuose) ir yra vis? proces?, vykstan?i? reliatyvistiniu grei?iu, teoriniais apra?ymais.

Taigi, fizini? proces? apra?ymas SRT i? esm?s yra susij?s su koordina?i? sistema. Fizikin? teorija apra?o ne pat? fizikin? proces?, o fizikinio proceso s?veikos su tyrimo priemon?mis rezultat?. Tod?l pirm? kart? fizikos istorijoje tiesiogiai pasirei?k? pa?inimo subjekto veikla, neatsiejama pa?inimo subjekto ir objekto s?veika.