ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ФИНАНСОВО – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ» 
 

Кафедра естествознания

 
 
 

Реферат по теме

“ Специальная теория относительности: принцип относительности, инвариантность скорости света; следствия СТО”. 
 
 

Автор:  
 
 
 
 
 

Казань 2011 

Оглавление.

1. Введение
2. История создания специальной теории относительности.
3. Постулаты специальной теории относительности.
4. Итоги специальной теории относительности.
5. Библиографический список.

 

   Введение.

   В данной работе я хочу рассмотреть специальную теорию относительности и ее историческое развитие.

   Теория  относительности – это физическая теория, рассматривающая пространственно-временные  свойства физических процессов. Теория, описывающая свойства пространства и времени в приближении, когда  полями тяготения можно пренебречь, называется специальной (частной) теорией  относительности или релятивистской теорией.

   Данная  теория была создана знаменитым физиком  Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Именно в этом году в немецком научном журнале «Аннален дер физик» появилась небольшая статья объемом 30 печатных страниц двадцатишестилетнего Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой почти полностью была изложена специальная теория относительности. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат вначале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

   При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

   Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является верной теорией в своей области  применимости. По меткому замечанию Л. Пэйджа, «в наш век электричества вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь уметь слушать».

 

   История создания специальной  теории относительности.

   К концу XIX столетия физика считалась более или менее завершенной наукой. Казалось, еще не много усилий, и чтобы решить любую практическую задачу, нужно открыть лишь справочник, найти необходимую формулу и выполнить соответствующие вычисления. Правда, оставалось несколько необъясненных экспериментальных фактов, однако большинство ученых считали, что достаточно сделать более точные и полные расчеты – и ответ будет найден.

   В начале XX века положение резко изменилось. Проблема заключалась в том, что между двумя важнейшими разделами физики – механикой и электродинамикой – возникло серьезное противоречие. В механике утвердился принцип относительности Галилея – полное равноправие систем отсчета, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. В электродинамике основополагающее место занимала идея эфира. Так называли ненаблюдаемую среду, заполняющее мировое пространство и неподвижную относительно далеких звезд, в которых и происходят все физические процессы, в частности электромагнитные колебания. При этом движение частиц и поля следовало описывать в координатах, жестко связанных с эфиром – абсолютной системой отсчета. Иначе говоря, электродинамика выделяла одну систему отсчета, предпочитая ее всем остальным.

   Земля, двигаясь по орбите со скоростью около 30 км/с, перемещается относительно системы отдаленных звезд, а значит, и относительно эфира. Это должно не минуемо сказываться на электромагнитных явлениях, наблюдаемых на Земле. Поскольку считалось, что наша планета движется сквозь эфир, то ей на встречу должен дуть “эфирный ветер” и сносить свет, испускаемый земным источником, в направлении, обратном движению Земли. По закону сложения скоростей, выведенному из принципа относительности Галилея, скорость света, излученного в направлении движения Земли, должна уменьшаться на 30 км/с, а в обратном направлении – увеличиваться на столько же. Но в ходе экспериментов Майкельсона ничего подобного не обнаружилось.

   В  своих опытах Майкельсон рассчитывал  определить скорость движения Земли  относительно абсолютно неподвижного эфира и тем самым доказать его существование. Эту задачу еще поставил Максвел. Он считал, что движение Земли относительно эфира влияет на изменение скорости света в лаборатории. В принципе должны получаться разные результаты измерений, когда направления движения Земли и светового луча совпадают и когда они противоположны. Однако, чтобы заметить такую разницу нужно научиться фиксировать временные промежутки порядка 10^-12 с. А это вряд ли возможно. Данную проблему Майкельсон решил следующим образом. Он решил измерять не время, а расстояние, которое свет преодолеет за 10^-12с. В 1881 г. он впервые сообщил об отсутствии разницы в измерениях. В 1926 г. Майкельсон еще раз повторил эксперименты и подвел итог своего исследования:”…”эфирного ветра“ не наблюдается, а следовательно, и абсолютной системы отсчета не существует“.

   Таким образом, Майкельсон, который начал  эксперимент, стремясь доказать существование  эфира, получил блестящий результат. Но отрицательный. После открытия Майкельсона, Эйнштейн сказал ему: “Вы, уважаемый  доктор Майкельсон, начали свои исследования, когда я был еще мальчишкой. Вы открыли физикам новые пути и своими замечательными экспериментами проложили дорогу для теории относительности. Без вашей работы эта теория была бы и поныне лишь интересным предположением; она получила первое реальное подтверждение  в ваших опытах”.

   Создавая  теорию относительности, Эйнштейн взял за основу фундаментальные принципы, в сжатом виде передающие суть двух классических физических теорий: из механики – принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета (принцип относительности); из электродинамики – принцип постоянства скорости света. Из них Эйнштейн вывел преобразования Лоренца, однако придал им иной физический смысл. У Лоренца, например, “местное” время движущегося тела – некая условность, которая позволяет правильно пересчитать физические явления, перейдя от неподвижной системы отсчета к движущейся. Эйнштейн же показал, что это вполне реальное время, измеряемое реальными часами.

 

    Постулаты специальной  теории относительности.

   Специальная теория относительности основывается на двух постулатах:

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
2. Скорость света в пустоте одинакова для всех наблюдателей.

   Рассмотрим  каждый постулат по отдельности. Первый из них – принцип относительности  означает, что во всех системах отсчета  все физические явления протекают  одинаково, т.е. по одним и тем  же законам.

   Из  закона инерции и принципа относительности  следует, что любая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной с постоянной по величине и направлению  скоростью, тоже является инерциальной. Здесь возможны два варианта: либо допустимы любые скорости движения, либо скорость перемещения любого тела и скорость передачи информации не могут превышать некоторую максимальную скорость (это второй постулат). Из принципа относительности следует, что максимальная скорость, если она существует, одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Такая максимальная скорость и есть скорость света. Ее точное значение с=299 792 458 м/с.

   Существует  множество парадоксов теории относительности. Некоторые формулы из теории сложно понять. К ним нужно привыкнуть.

   Как известно, именно закон сложения скоростей  стал причиной пересмотра основных понятий  физики. Релятивистский закон является следствием преобразований Лоренца: 

как прежний, нерелятивистский закон v=v'+V был следствием преобразования Галилея. Простейший случай: корабль, движущийся со скоростью V=50 км/ч, стреляет в направлении движения снарядом, вылетающим со скоростью v'=100м/с. С точки зрения находящегося на берегу наблюдателя суммарная скорость снаряда v, только на невообразимо малую величину отличается от нерелятивистской v'+V.  Если на этом корабле включается прожектор (v'=c), то скорость фронта его световой волны, согласно формуле, 

совпадает со скоростью света и никак  не зависит от скорости судна.

   Когда речь идет не о корабле, а о разогнавшейся  в ускорителе микрочастице с V=0,9с, которая, в свою очередь, испускает не снаряд, а другую микрочастицу с v'=0,09c, то новая и старая формулы приведут к разным значениям v. По формуле обычного сложения скоростей, скорость испущенной частицы составит 0,99с, а формула Лоренца даст правильное значение – около 0,91с, которое и обнаружится на опыте.

   Другая  интересная формула – это формула Фицджеральда-Лоренца:

   l'=l.

   Если  длина ракеты, измеренная в состоянии  покоя (ее называют собственной длиной), равна l, то с точки зрения наблюдателя, мимо которого эта ракета пролетает со скоростью v, ее длина l' рассчитывается по выше указанной формуле.

   При любых условиях l' всегда меньше, чем l. Однако пока скорости “земные”, l и l' практически не различаются. Если же ракета летит, например, со скоростью, равной 0,8с, покоящийся наблюдатель зафиксирует уменьшение ее длины более чем на треть.

   Не  менее интересная формула, связывающая  время в разных системах отсчета. На борту ракеты часы идут медленнее. Если по земным часам ракета преодолела расстояние от одной точки до другой за время t, то этот же интервал по часам на ракете будет t', причем, согласно частной теории относительности,

   .

   Величина  временного интервала t' всегда больше, чем t, поэтому часто этот эффект называют замедлением хода движущихся часов.

   Именно  на этом эффекте основывается известное  противоречие: парадокс близнецов.

   Данный  парадокс заключается в следующем: на земле живут два брата-близнеца. Если бы браться жили на Земле, то они синхронно прошли бы все стадии старения. Но всё происходит не так. Один из них садится в ракету и отправляется к звезде, расположенной в нескольких десятках световых лет от Земли. Полёт совершается с околосветовой скоростью и поэтому путь туда и обратно занимает шестьдесят лет.

   Другой  брат никуда не летит, а терпеливо  ждет своего родственника дома. Когда космический брат возвращается, то земной оказывается постаревшим на шестьдесят лет. Однако, поскольку космический брат находился всё время в движении, его время шло медленнее, поэтому, по возвращении, он окажется постаревшим всего на 30 лет. Один близнец окажется старше другого!

   Многим  кажется, что данное предсказание ошибочно и эти люди называют парадоксом близнецов  само это предсказание. Но это не так. Предсказание совершенно истинно и мир устроен именно так!

   Но  возникает другой вопрос. Ведь движение относительно! Следовательно, можно  считать, что космический брат никуда не летал, а оставался всё время  неподвижным. Зато вместо него в путешествие  летал земной брат, вместе с самой  планетой Земля и всем остальным. А раз так, то значит больше постареть  должен космический брат, а земной – остаться более молодым.

   Получается  противоречие: оба рассмотрения, которые  должны быть равнозначными по теории относительности, приводят к противоположным  выводам. Вот это противоречие и называется парадоксом близнецов.