Теория относительности

Специальная теория

относительности

Эйнштейна

Жукова Е.В.

МКОУ «СОШ №1

Г. Олонца

Противоречия между механикой Ньютона

и электродинамикой Максвелла .

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям, является константой и равна с = 3·10 8 м / с.

Вторая половина XIX века, Дж.К. Максвелл сформулировал основные законы электродинамики.

Распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, на электромагнитные явления?

Принцип относительности Галилея .

В 1632 году Г. Галилеем было установлено, что все механические явления в различных инерциальных системах протекают одинаково , т.е. никакими механическими опытами, проводимыми «внутри» данной инерциальной системы, невозможно установить, покоится данная система или движется прямолинейно и равномерно. Это положение названо принципом относительности Галилея. все законы механики инвариантны по отношению к любым инерциальным системам отсчета.

Принцип относительности Галилея является обобщением многочисленных опытов . По принципу Галилея, все системы отсчета, которые относительно инерциальной движутся равномерно и прямолинейно, также являются инерциальными. Систему, движущуюся ускоренно относительно инерциальной, называют неинерциальной.

Таким образом, классические представления о пространстве, времени и движении заключаются в следующем:

пространство и время абсолютны, а фундаментальная скорость – бесконечно большая.

Фундаментальной называют скорость с , имеющую во всех системах отсчета одно и то же значение.

В классической механике считается, что с = ∞, ибо только бесконечно большая скорость обладает свойством инвариантности по отношению к преобразованиям Галилея.

(Инвариантность - неизменность, постоянство, независимость от каких-либо условий, изменений и т. п.)

Представления о пространстве, времени и движении, лежащие в основе механики Ньютона, соответствуют повседневному опыту, очень привычны и понятны. Поэтому на протяжении веков они не вызывали ни у кого сомнений.

«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки!» - улыбался Эйнштейн, думая о том времени.

Принцип относительности в механике и электродинамике

Распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления?

• Если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже равнялась не с , а с- v или с+ v

Противоречия между электродинамикой Максвелла и механикой Ньютона пытались преодолеть различными способами.

• Лоренц.

Объявить несостоятельным принцип

относительности в применении к

электромагнитным явлениям.

Предположение существования особой системы – «мирового эфира».

Электромагнитные явления рассматривались как

процессы в особой, всепроникающей среде –

«мировом эфире». Инерциальная система отсчета – особая преимущественная система, она покоится относительно эфира и в ней законы Максвелла имеют наиболее простую форму.

На опытах требовалось обнаружить эфир.

Опыт Майкельсона (1881 г.)

• Цель

измерить скорость

движения Земли по орбите

относительно мирового эфира

• Средство

опыты со светом

• Способ

измерение разности задержек света

при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите

Альберт Майкельсон (1852 – 1931)

«Эфирный ветер» не обнаружен»

Если бы скорость света была равна 300 000 км/с только в системе отсчета, связанной с эфиром, то, измеряя скорость света в произвольной инерциальной системе, можно было бы обнаружить движение этой системы по отношению к эфиру и определить скорость этого движения. Подобно тому, как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении по отношению к эфиру (если, конечно, эфир существует) должен быть обнаружен «эфирный ветер». Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э. Морли и дан отрицательный результат.

А. Майкельсон.

2. Считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они не менялись при переходе от одной инерциальной

системы к другой.

Изменённые уравнения противоречили фактам

«Эфир» движется за телами?

Г.Герц попытался изменить уравнения Максвелла . В его предположении «эфир» полностью увлекается движущимися телами, поэтому электромагнитным явлениям «всё равно» покоится тело или нет.

Опровержение теории Герца

Согласно теории Герца, движущая вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет. Опыт показал, что в действительности это не так.

ВЫВОДЫ:

не существует

отказавшись от классических представлений

Эйнштейн Альберт

Великий физик XX века. Им создано новое учение о пространстве и времени — специальная теория относительности. Обобщая эту теорию на случай неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн построил общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения. Эйнштейн впервые ввел представление о частицах света - фотонах. Работа Эйнштейна по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Первый постулат – все процессы природы протекают одинаково во всех ИСО.

Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

ПЕРВЫЙ ПОСТУЛАТ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.

• Нет никакого различия между состоянием покоя и равномерным прямолинейным движением.
• Во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму.

ВТОРОЙ ПОСТУЛАТ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчёта. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника светового сигнала.

• Скорость света (с= 300 000 000 м/с) - максимально возможная скорость передачи взаимодействия в природе

ОСНОВНЫЕ СЛЕДСТВИЯ, ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ ПОСТУЛАТОВ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Основные выводы из специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.)

1. Сокращение продольных размеров

(при движении с околосветовой скоростью)

2. Замедление времени

(при движении с околосветовой скоростью)

3. Увеличение массы

4. Запрет скоростей, больших скорости света

Линейный размер движущегося

тела уменьшается по сравнению

с линейным размером тела,

покоящегося в данной ИСО.

В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, происходит сокращение длины вдоль направления движения.

Темп хода времени в

движущихся системах по

сравнению с неподвижной

системой замедляется.

В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, время движется медленнее.

Y

Y

Y’

Y’

v

v

X

X

X’

X’

O

O

O’

O’

Z

Z

Z’

Z’

Основные выводы из общей теории относительности Эйнштейна (1915 г.)

• Искривление пространства

вблизи тяготеющих масс

• Замедление времени

вблизи тяготеющих масс