ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:

ЧАСТЬ II. Специальная теория относительности 1 страница

12 3 Следующая ⇒

2.1. Принцип относительности Галилея и электродинамика.

В классической механике вводится понятие инерциальной системы отсчета как системы, в которой законы механики имеют наиболее простой вид. Например, уравнения движения системы материальных точек в инерциальной системе отсчета будут следующими:

. (1.1)

Рассмотрим инерциальную систему отсчета К и другую систему К^', движущуюся поступательно со скоростью относительно первой. Две системы координат связаны между собой преобразованием Галилея:

(1.2)

или

(1.3)

В классической механике постулируется абсолютный характер времени, что отражено в последнем равенстве (1.3). Из преобразований Галилея следует классический закон сложения скоростей

(1.4)

и закон для ускорений

. (1.5)

Уравнения движения системы материальных точек в системе отсчета К^' могут быть получены из (1.1) с учетом (1.4) и (1.5) в виде:

. (1.6)

Таким образом, уравнения движения при преобразованиях Галилея не меняют вид и система отсчета К^' также будет инерциальной. Отсюда следует, что существует бесконечно много инерциальных систем отсчета, совершающих равномерное и прямолинейное движение или покоящихся друг относительно друга. В этих системах законы механики выполняются в простой классической форме.

Следовательно, находясь внутри инерциальной системы отсчета и проводя механические опыты, нельзя определить, движется эта система отсчета прямолинейно и равномерно или покоится. Это есть одна из формулировок известного принципа относительности Галилея. Другая формулировка этого принципа заключается в том, что уравнения механики во всех инерциальных системах отсчета имеют одинаковый вид, и значит, они инвариантны относительно преобразований Галилея. С точки зрения классической механики все инерциальные системы отсчета равноправны.

Однако уравнения Максвелла оказываются неинвариантными относительно преобразований Галилея. Решая уравнения Максвелла для излучателя, найдем в волновой зоне . Волновой фронт в момент времени определяется уравнением или . Перейдем в другую инерциальную систему отсчета с помощью преобразований Галилея и получим новое уравнение для волнового фронта . Вид уравнений, определяющий волновой фронт в новой инерциальной системе отсчета отличается от исходного и поэтому можно определить скорость новой системы отсчета К^' относительно системы К.

Скорость света измеряется относительно некоторой гипотетической среды, называемой мировым эфиром. Уравнения Максвелла справедливы в системе отсчета, связанной с мировым эфиром. Тогда скорость есть скорость подвижной системы отсчета относительно мирового эфира и ее часто называют абсолютной скоростью. Попытки обнаружения движения относительно мирового эфира (эфирного ветра) предпринимались еще до создания теории электромагнитнетизма. Опыты Араго, Физо, Хека, Маскарта, Майкельсона и Морли показали, что обнаружить эфирный ветер не удается как в опытах первого порядка по (Араго, Физо, Хек, Маскарт), так и в опытах второго порядка по (Майкельсон и Морли).

Возможны три варианта построения физической теории:

1) Принцип относительности применим только в механике и не применим к электродинамике. Отсюда следует, что должна существовать преимущественная система отсчета (мировой эфир). Однако этот путь был окончательно отвергнут опытами Майкельсона и Морли.

2) Принцип относительности применим как в механике, так и в электродинамике. При этом необходимо считать, что уравнения Максвелла неверны и должны быть заменены новыми. Однако попытки найти отклонения от законов классической электродинамики оказались безуспешными.

3) Принцип относительности применим в механике и в электродинамике, но законы механики необходимо исправить. Таким образом, новая теория должна была установить границы применимости классической ньютоновой механики. Поэтому очень важным были бы опыты, в которых наблюдались отклонения от законов классической механики.

Третий путь построения физической теории оказался единственным продуктивным путем. В работах Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна были заложены основы новой физической теории - специальной теории относительности (СТО).

2.2. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца.

Специальная теория относительности базируется на двух постулатах.

1) Принцип относительности.

Все механические и электромагнитные процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Т.е. уравнения Максвелла и модифицированные законы механики во всех инерциальных системах отсчета должны иметь одинаковый вид.

2) Принцип постоянства скорости света.

Скорость света во всех инерциальных системах одинакова и не зависит от скорости движения источника света.

Найдем закон преобразования координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Пусть . Искомое преобразование

(2.1)

Обратное преобразование

(2.2)

Здесь предполагается, что время в разных системах отсчета протекает неодинаково в отличие от классической механике.

Пусть в некоторый момент времени начала координат обеих систем отсчета совпадало и в этот момент времени из начала координат излучается сферическая электромагнитная (световая) волна. Уравнения волновых поверхностей в системе отсчета К и К' имеют вид

(2.3)

где и - пространственно - временные прямое и обратное преобразования. При записи уравнений (2.3) были использованы оба постулата теории относительности. Вначале рассмотрим преобразования Галилея

(2.4)

Тогда

= , .

Отсюда следует, что преобразования Галилея не являются преобразованиями, которые с точки зрения электродинамики связывают инерциальные системы отсчета.

Проведем диагонализацию квадратичной формы, выделив полный квадрат:

= .

Введем обозначения

, , , ,

или

, , , . (2.5)

Из (2.4) следует

. (2.6)

Подставим эти значения в (2.5) и получим

(2.7)

С учетом введенных обозначений, получим преобразования

(2.8)

которые называют преобразованиями Лоренца. Очевидно, что или . Это означает, что скорости тел не могут превышать скорости света в вакууме. В случае, когда или , преобразования Лоренца совпадают с преобразованиями Галилея.

2.3. Преобразования отрезков и промежутков времени. Интервал.

Пусть в системе отсчета К' покоится отрезок длины , которую принято называть собственной длиной отрезка (масштаба). Воспользуемся преобразованиями Лоренца и получим

В системе К измерения начала и конца масштаба должно быть проведено одновременно, т.е. . Тогда длина масштаба в системе К будет . Окончательно получим

. (3.1)

Такое сокращение длины масштаба называют лоренцевым сокращением. В поперечном направлении не происходит изменение размеров масштаба, т.е. сечение масштаба не изменяется. Найдем элементарный объем движущегося вдоль оси масштаба

или

. (3.2)

Таким образом, объем движущегося тела уменьшается.

Рассмотрим, как изменяются промежутки времени между двумя физическими событиями при переходе из системы отсчета К в систему К'. Предположим, что два события произошли одновременно в системе отсчета К. При этом предполагается, что они произошли в разных точках пространства, т.е. , . Тогда

Следовательно, события одновременные в одной системе отсчета не будут одновременными и другой системе отсчета.

Пусть в некоторой точке подвижной системы отсчета К' произошли два события с промежутком времени .Найдем промежуток времени между этими событиями в системе отсчета К

.

Так как , то

. (3.3)

Отсюда следует, что , т.е. движущиеся часы замедляют свой ход.

Таким образом, ни промежутки времени, ни пространственные интервалы не являются инвариантами при преобразованиях Лоренца. Следовательно, теория относительности требует введения вместо трехмерного евклидового пространства нового четырехмерного пространства - времени, которое является псевдоевклидовым. К трем пространственным координатам добавляют четвертую координату . Можно показать, что при преобразованиях Лоренца элементарный четырехмерный объем будет инвариантом. Действительно,

.

Введем в четырехмерном псевдоевклидовом пространстве – времени интервал как обобщение обычного пространственного интервала (расстояния) между двумя точками и временного интервала (промежутка времени) между двумя событиями. Квадрат интервала:

. (3.4)

Эта величина инвариантна относительно преобразования Лоренца, т.е.

. (3.5)

Интервал между двумя бесконечно близкими событиями

,

где - скорость движения частицы. В системе отсчета, где частица покоится, и . Введем

(3.6)

- собственное время. Оно также является инвариантом.

Интервалы бывают трех типов.

· Времениподобный интервал - интервал между событиями, для которого .

· Пространственноподобный интервал - интервал между событиями, для которого .

· Нулевой (светоподобный) интервал – интервал между событиями, для которого . Световая скорость – максимальная (предельная) скорость распространения сигналов и условие - просто уравнение распространения световой волны.

Пусть имеют место два события, для которых в системе отсчета К время и . Найдем промежуток времени между этими событиями в системе K'

. (3.7)

В системе K промежуток времени между событиями будет - , расстояние - . Если первое событие причина, а второе – следствие, то порядок следования событий не должен изменится, т.е. и . Тогда из (3.7) следует . С учетом того, что , получим . Это означает, что время прохождения светового сигнала между точками и не превышает временной промежуток между этими событиями. Действительно, предельная скорость передачи информации равна скорости света в вакууме . Если выполняется условие , то такие события не могут быть связаны причинно – следственной связью. Иначе получим из (3.7), что меняется порядок следования событий. Т.е. если в системе К, то в системе K'. Тогда или . Интервал между такими событиями пространственноподобный.

Таким образом, два события, разделенные пространственноподобным интервалом, не могут быть связаны причинно - следственной связью. Если два события, связанные пространственноподобным интервалом, одновременны в системе К, то и они разделены в пространстве.

Для событий, связанных причинно - следственной связью, выполняется условие или . Такие события разделены времениподобным интервалом.

Следовательно, только два события, разделенные времениподобным интервалом, могут быть связаны причинно - следственной связью.

Можно показать, что неодноместные события, связанные времениподобным интервалом, не могут быть одновременными. Положим . Тогда получим .

2.4. Релятивистский закон сложения скоростей. Закон преобразования углов.

Рассмотрим частицу с координатами в момент времени . Ее скорость в системе отсчета К:

.

В системе отсчета К':

.

Воспользовавшись преобразованиями Лоренца (2.6), получим

=

или

. (4.1)

Аналогично найдем

, (4.2)

. (4.3)

В нерелятивистском случае, когда , получим из (4.1) - (4.3)

(4.4)

т.е. обычный классический закон сложения скоростей. Следует отметить, что классический закон сложения скоростей отвечает обычному правилу сложения векторов в евклидовом пространстве. Релятивистский же закон сложения скоростей в специальной теории относительности совпадает с правилом сложения скоростей в геометрии Лобачевского.

Рассмотрим закон преобразования углов в специальной теории относительности. Пусть частица движется в системе отсчета К со скоростью , под углом к оси . При этом считаем, что . Тогда имеем

(4.5)

Отсюда, с учетом закона сложения скоростей в специальной теории относительности, найдем

. (4.6)

Для случая, когда , отсюда получим

. (4.7)

Если частица – фотон и , то из (4.7) следует формула

, (4.8)

объясняющая явление астрономической аберрации (аберрации света).

Брадлей (Брэдли) в 1728 году заметил, что положение звезды Дракона меняется в течение года. Он понял, что явление аберрации обусловлено движением Земли по орбите и конечностью скорости света. Исходя из ньютоновой корпускулярной теории света, Брадлей дал объяснение этому эффекту. Скорость света относительно Земли , где - скорость Земли относительно Земли. Отсюда получим

. (4.9)

В 1804 году Юнг дал объяснение этому явлению с точки зрения волновой теории, предполагая, что эфир не увлекается Землей. Волны, прошедшие через диафрагму (объектив телескопа) и распространяющиеся в неувлекаемом Землей эфире, попадут левее того места AB, куда бы они пришли в случае неподвижной Земли. При полном увлечении эфира волны попадают на отрезок AB, как и в случае неподвижной относительно эфира Земли.

Объяснение с точки зрения специальной теории относительности простое. Воспользуемся формулой (4.8). Положим угол в неподвижной системе отсчета, связанной со звездой. В системе, связанной с Землей, угол . Тогда получим классическую формулу для аберрации света: или .

В 1851 году был поставлен опыт Физо по определению увлечения эфира движущимися телами. Такое увлечение эфира телами было в виде гипотезы предложено Френелем для объяснения опыта Араго. Так как изменяется показатель преломления тела в зависимости от скорости движения его к источнику света или от него, то изменяется показатель преломления призмы в случае неувлекаемого эфира и, следовательно, угол отклонения луча призмой. Ожидаемое значение угла отклонения луча должно было составить 1'. Также изменяется фокусное расстояние линзы. Однако Араго не получил в своих опытах предсказанного теорией неувлекаемого эфира эффекта.

Френель показал, что для объяснения отрицательного результата опытов Араго необходимо предположить, что эфир частично увлекаем. Если тело движется со скоростью , то с такой же скоростью его обтекает эфир (эфирный ветер). Френель показал, что внутри вещества вследствие частичного увлечения эфира скорость эфирного ветра уменьшается до значения . Разность скоростей , где - френелевский коэффициент увлечения эфира. Так как опыты Араго не обладали достаточной точностью, то Физо поставил опыт по определению коэффициента увлечения эфира. В случае - эфир не увлекается телом, - увлекается полностью, - увлекается частично. Найденный Физо коэффициент совпал в точности с френелевским коэффициентом увлечения . Пусть скорость света в покоящейся среде . Тогда скорость света в движущейся среде в случае неувлекаемого эфира согласно классическому закону сложения скоростей будет . В опыте Физо оказалось, что эта скорость . Это интерпретировалось, как увлечение эфира движущейся средой.

Специальная теория относительности дала другое объяснение опыту Физо. В этом опыте впервые было замечено отклонение от классического закона сложения скоростей. Воспользуемся законом сложения скоростей (4.1). Тогда

. (4.10)

При выводе были отброшены члены первого и более высоких порядков по . Таким образом, опыт Физо является экспериментальным подтверждением формулы сложения скоростей специальной теории относительности.

До создания теории относительности казалось, что опыты по определению эфирного ветра дадут возможность определить скорость движения тела относительно эфира. Можно строго доказать, что вытекающее из формулы Френеля частичное увлечение эфира, автоматически компенсирует в первом порядке по эффект эфирного ветра и делает невозможной задачу определения абсолютного движения в экспериментах первого порядка по . Поэтому необходимы были опыты по определению эфирного ветра во втором порядке по . Такие опыты были поставлены Майкельсоном (1981 год) и им же совместно с Морли (1887 год). В этих опытах также не был обнаружен эфирный ветер, хотя точность эксперимента была таковой, что без труда позволяла бы это сделать. Опыты Майкельсона и Морли показали, что скорость света в вакууме остается постоянной и не зависит от скорости движения источника света и скорости наблюдателя. Различные попытки объяснения отрицательного результата опытов Майкельсона и Морли на основе классических представлений о мировом эфире оказались безуспешными. Только теория относительности, взяв в качестве одного из постулатов принцип постоянства скорости света, была в состоянии объяснить все проводимые в этой области физики эксперименты. Выводы теории относительности хорошо подтверждались в многочисленных экспериментах по ее проверке.

12 3 Следующая ⇒

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: