Постулаты СТО
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Постулаты СТО

    Определение 1

    СТО (специальная теория относительности) – это современная физическая теория пространства и времени.

    Теория относительности совместно с такой наукой как квантовая механика, является теоретической базой для развития современной физики и техники. СТО также носит название релятивистской теории; явления же, специфику которых рассматривает эта теория, называют релятивистскими эффектами. Создателем теории относительности является Альберт Эйнштейн.

    Предпосылки к появлению СТО

    Классическая механика Ньютона дает отличное описание движения макротел, движение которых происходит на малых скоростях (v<<c). Нерелятивистская физика принимала как очевидность существование единого мирового времени t, одинакового для всех систем отсчета. Основой классической механики является механический принцип относительности. 

    Определение 2

    Механический принцип относительности (называемый также принципом относительности Галилея): законы динамики едины для всех инерциальных систем отсчета.

    Иносказательно можно также назвать законы динамики инвариантными или неизменными относительно преобразований Галилея, позволяющих рассчитать координаты совершающего движение тела в одной инерциальной системе (K) при заданных координатах этого тела в другой инерциальной системе (K'). В частности, когда система K'совершает движение при скорости v вдоль положительного направления оси x системы K (рис. 4.1.1), преобразования Галилея выглядят следующим образом:

    x = x' + vt, y = y', z = z', t = t'.

    При этом изначально существует предположение о совпадении осей координат обеих систем в начальный момент.

    Рисунок 4.1.1. Две инерциальные системы отсчета K и K'.

    Следствием преобразований Галилея является классический закон преобразования скоростей при переходе из одной системы отсчета в другую:

    vx=vx'+v, vy=vy', vz=vz'

    Тело во всех инерциальных системах при этом имеет одинаковые ускорения:

    ax=ax', ay=ay', az=az' или a=a'

    Из сказанного можно заключить, что уравнение движения, являющееся одной из основ классической механики (второй закон Ньютона), ma=F сохраняет свой вид при переходе из одной инерциальной системы в другую.

    К концу XIX века уже имелся некий багаж опытных фактов, явно противоречащих законам классической механики. Вызвало большое затруднение применение механики Ньютона для объяснения распространения света. В определенный момент сформировалось предположение, что свет распространяется в особой среде – эфире; это предположение опровергли многие эксперименты. В 1881 году физик из Америки А. Майкельсон (в 1887 году к нему присоединился физик Э.Морли) начал предпринимать попытки обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») при помощи интерференционного опыта. Упрощенно схема опыта Майкельсона–Морли отображена на рис. 4.1.2.

    Рисунок 4.1.2. Упрощенная схема интерференционного опыта Майкельсона–Морли. v – орбитальная скорость Земли.

    В ходе опыта одно из плеч интерферометра Майкельсона было установлено параллельно направлению орбитальной скорости Земли (v=30 км/с), после чего прибор поворачивался на 90°. Второе плечо при этом получало ориентацию по направлению орбитальной скорости. Произведенные подсчеты давали понять, что в случае существования неподвижного эфира при повороте прибора интерференционные полосы сместились бы на расстояние, пропорциональное vc2.

    Опыт Майкельсона–Морли, в последующем повторяемый множество раз, давал однозначный отрицательный результат. В результате анализа результатов опыта Майкельсона–Морли, а также некоторых других экспериментов стало возможным утверждать ошибочность представления об эфире как среде, в которой распространяются световые волны. Т.е., для света не существует избранной (абсолютной) системы отсчета. Движение Земли по орбите не влияет на оптические явления на Земле.

    Значимое влияние на развитие представлений о пространстве и времени оказала теория Максвелла. В начале XX века данная теория являлась общепризнанной. Теория Максвелла предсказывала электромагнитные волны, которые распространялись с конечной скоростью, и эта гипотеза получила практическое применение в 1895 году, когда А. С. Попов изобрел радио. Но также теория Максвелла гласит, что скорость распространения электромагнитных волн в любой инерциальной системе отсчета обладает одним и тем же значением, равным скорости света в вакууме.

    Данное утверждение означает, что уравнения, которые описывают распространение электромагнитных волн, являются неинвариантными относительно преобразований Галилея. Когда электромагнитная волна (в частности, свет) получает распространение в системе отсчета K' (рис. 4.1.1) в положительном направлении оси x', в системе K свет должен в соответствии с кинематикой Галилея распространяться со скоростью c+v, а не c.

    Основные принципы СТО

    Таким образом, на границе XIX и XX веков в развитии физики возник серьезный кризис. Выход нашел А.Эйнштейн, отказавшись, как это часто случается в случае величайших открытий, от классического видения. В данном случае, речь шла о классических представлениях о пространстве и времени. Важнейшим шагом здесь стал иной взгляд на понятие абсолютного времени, которое использовалось в классической физике. Привычные представления, казавшиеся логичными и очевидными, по факту показали свою несостоятельность. Множество понятий и величин, в нерелятивистской физике считавшихся абсолютными или не имеющими зависимости от системы отсчета, в теории относительности оказались переведенными в разряд относительных.

    Основой специальной теории относительности являются принципы или постулаты, которые Эйнштейн сформулировал в 1905 году.

    Определение 3

    Принципы СТО:

    1. Принцип относительности: все законы природы инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой. Данный принцип означает единство формы физических законов (не только механических) во всех инерциальных системах.
      Т.е. принцип относительности классической механики является обобщенным для всех процессов природы, в частности, электромагнитных. Такой обобщенный принцип носит название принципа относительности Эйнштейна.
    2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не имеет зависимости от того, с какой скоростью движется источник света или наблюдатель, и является одинаковой во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в теории относительности находится на особом положении. Скорость света есть предельная скорость, с которой передаются взаимодействия и сигналы из одной точки пространства в другую.

    Указанные принципы необходимо расценивать в качестве обобщения всей совокупности экспериментальных фактов. Выводы и следствия из теории, основанной на данных принципах, получили подтверждение в ходе огромного количества опытных проверок. Специальная теория относительности дала возможность найти ответы на все вопросы «доэйнштейновской» физики и дать объяснение противоречивым результатам уже имеющихся тогда опытов в области электродинамики и оптики. Впоследствии теория относительности получила подкрепление в виде экспериментальных данных, которые были получены в процессе изучения движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п.

    Постулаты теории относительности явно противоречат классическим представлениям. Проведем такой мысленный эксперимент: в момент времени t=0, в который существует совпадение координатных осей двух инерциальных систем K и K', в общем начале координат произошла кратковременная вспышка света. За время t системы будут смещены относительно друг друга на расстояние vt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет обладать радиусом ct (рис. 4.1.3), поскольку системы являются равноправными, и в каждой из них скорость света равна c.

    Рисунок 4.1.3. Кажущееся противоречие постулатов СТО.

    С позиции наблюдателя в системе K центр сферы расположен в точке O, а с позиции наблюдателя в системе K' центр размещается в O'. Таким образом, получается, что центр сферического фронта одномоментно расположен в двух разных точках!

    Причиной подобного недоразумения является не противоречие между двумя постулатами теории относительности, а допущение факта, что положение фронтов сферических волн для обеих систем имеет отношение к одному и тому же моменту времени. Такое допущение содержится в формулах преобразования Галилея, в соответствии с которыми время в обеих системах течет одинаково: t=t'. Таким образом, принципы Эйнштейна противоречат не друг другу, а формулам преобразования Галилея, и в таком случае на смену галилеевых преобразований теория относительности записала иные формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую, получившие название преобразований Лоренца. Преобразования Лоренца при скоростях движения, приближенных к скорости света, дают возможность дать объяснение всем релятивистским эффектам, а при малых скоростях (υ<<c) переходят в формулы преобразования Галилея. Итак, новая теория (специальная теория относительности или СТО) не отвергает прежнюю классическую механику Ньютона, а лишь уточняет пределы ее применения. Эта взаимосвязь между прежней и новой, более общей теорией, частью которой является прежняя в качестве предельного случая, получила название принципа соответствия.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,9 из 5 (6 голосов)