Частная теория относительности Эйнштейна

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

тема: «Частная теория относительности Эйнштейна»

Введение

Теория относительности сыграла решающую роль в физике, раскрыв качественно новую взаимосвязь материальных объектов – тел, частиц, полей – и пространства-времени как формы их существования. Сначала (в частной теории относительности) эта взаимосвязь была лишь кинематической, затем (в общей теории относительности) закономерно включила в себя и динамику.

Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Бёрну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы – и времени бы вокруг не стало [5]. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности – что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.

Говоря научным языком, в тот день Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Если пассажир трамвая, например, уронит очки, то для него они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.

И хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Как любую гипотезу, принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные (хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Основы частной (или специальной) теории относительности были даны А. Эйнштейном в 1905 г., но свое название она получила лишь в 1916 г. – после того, как было завершено построение общей теории относительности [3; 507].

1. Возникновение частной теории относительности

Осознание универсальной справедливости принципа относительности для любых физических явлений – результат сложного исторического развития. В XIX веке считалось, что принцип относительности справедлив только в механике, но несправедлив в оптике и в электродинамике. Представлялось, что электромагнитные волны (в том числе свет) – это волны в особой среде – эфире, заполняющем все пространство и определяющем привилегированную систему отсчета, покоящуюся относительно эфира, в которой только и справедливы законы оптики и уравнения электродинамики. Казалось очевидным, что в системе тел, движущихся относительно эфира, оптические и электромагнитные явления будут происходить иначе, чем в неподвижной. Но все попытки обнаружить явление такого рода, предпринимавшиеся в XIX – начале XX вв, потерпели неудачу. Объяснение неудач искали в динамике: используя конкретные динамические законы, сформулированные в системе покоя эфира, показывали, что в данной системе тел эффекты, связанные с движением относительно эфира, компенсируются. Эта программа нашла известное отражение в работах голландского физика Х. Лоренца и французского математика А. Пуанкаре, где было показано, что если принять лоренцовский вариант электродинамики электронов и предложенную Пуанкаре модель электрона, сжимаемого постоянным давлением эфира, то компенсация будет точной и принцип относительности, понимаемый как невозможность обнаружения движения относительно эфира, выполняется[3].

В 1905 году в работе Пуанкаре были исследованы групповые свойства преобразований движения и преобразований вращения с точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно эфира. Результаты этой работы поспособствовали открытиям Альберта Эйнштейна. Он создал последовательную теорию измерений времени и координат в инерциальной системе отсчета и обнаружил относительный характер релятивистского замедления времени и сокращения масштабов. Математический аппарат теории в полной форме был развит немецким ученым Г. Минковским в 1908 году.

2. Основные положения теории относительности

Частная теория относительности – это основа физического учения о пространстве, времени и движении. В её рамках пространство и время удается объединить. Таким образом, частная теория относительности позволяет в самом общем виде и весьма простыми средствами представить физическое учение о движении как проявление геометрии пространства-времени (в теоретической физике математика является разговорным языком).

Частная теория относительности изучает свойства пространства-времени, «справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения» [3; 507]. То есть специальная теория рассматривает инерциальные системы отсчета.

Инерциальной называется система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная [8].

В основе теории относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета («все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущество перед другими» [1; 82]), и закон распространения света постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света.

Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – это преобразования Лоренца (преобразования описывают связь между координатами и временем конкретного события в двух различных инерциальных системах отсчета):

   ,

где с-параметр преобразования, имеющий смысл предельной скорости движения и, соответственно, равный скорости света в вакууме.

Характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности:

~  существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме;

~  относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой);

~  замедление течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тел («Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения – напротив, сжимается»[5]).

Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.