6.4. Какие положения составляют основу специальной теории относительности?
Специальная теория относительности (СТО) А. Эйнштейна интересна тем, что она описывает поведение тел при релятивистских скоростях (т.е. близких к скорости света). Основу СТО составляют следующие положения:
1. СКОРОСТЬ СВЕТА в вакууме конечна и постоянна (в областях, где можно пренебречь гравитационными силами). Принципиальным является положение о том, что скорость света НЕ ЗАВИСИТ ОТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА И ПРИЁМНИКА СВЕТА.
2. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СПЕЦИАЛЬНЫЙ).
Таким образом, из СТО вытекают следующие следствия:
1. АБСОЛЮТНОГО ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ НЕ СУЩЕСТВУЕТ. Пространственный и временной интервалы зависят от скорости движения тела. Так:
невозможно разогнать тело, обладающее массой покоя (m0 > 0), до скорости света, т.к. при этом релятивистская масса тела и энергия, затрачиваемая на его разгон, стремятся к бесконечности. В СТО масса тела не является постоянной, а зависит от скорости v, с которой оно движется:
движущееся относительно наблюдателя тело имеет меньшую длину, чем покоящееся. Сокращение продольных размеров тела относительно размеров в состоянии покоя (l0) при движении с релятивистскими скоростями:
темп протекания времени зависит от скорости движения. Движущиеся часы идут медленнее, чем покоящиеся, т.к. в СТО темп времени замедляется по мере приближения к скорости света:
два события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, могут быть неодновременными в различных инерциальных системах отсчёта (относительность одновременности).
При этом ОСТАЮТСЯ ИНВАРИАНТНЫМИ (неизменными) относительно выбора системы отсчёта скорость света и пространственно–временной интервал между событиями.
2. ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ МАССЫ И ЭНЕРГИИ (понятие масс-энергии). Полная энергия тела составляет
E = mc2.
Энергия неподвижного тела с массой покоя m0 составляет
E = m0c2.
Рассматриваемые в СТО эффекты в принципе невозможно наблюдать в повседневной жизни, поскольку человек не имеет дела с объектами макромира, движущимися с релятивистскими скоростями. При меньших скоростях проявление этих эффектов ничтожно мало: например, в летящем самолете часы отстанут на 1 секунду за 100 тысяч лет полета.
6.5. Какие положения составляют основу квантовой теории?
В классической (неквантовой) физике движение частиц и распространение волн – принципиально различные формы движения. Но многочисленные опыты начала ХХ в. показали ограниченность такого представления. Наличие у микрочастицы волновых свойств означает отказ от одного из важнейших понятий классической механики – понятия траектории частицы.
Квантовая, или волновая механика (от лат. quantum – «сколько») – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях; один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила:
описать структуру атомов и понять их спектры;
установить природу химических связей;
объяснить периодический характер изменения свойств элементов и структуру Периодической системы.
Законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства микроскопических явлений. К основным принципам квантовой механики относятся:
принцип корпускулярно-волнового дуализма;
принцип дополнительности (п. 6.2);
принцип неопределенности (п. 6.6);
принцип суперпозиции (наложения);
принцип соответствия.
СОГЛАСНО КЛАССИЧЕСКИМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯМ, частица, двигающаяся по некоторой траектории, в каждый момент времени находится в некоторой точке пространства.
СОГЛАСНО КВАНТОВЫМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯМ, микрочастицу в силу её волновых свойств в каждый момент времени можно обнаружить в разных точках пространства. То есть, для описания движения микрочастиц утрачивает смысл понятие траектории. Некоторые экспериментальные подтверждения волновой природы микрочастиц рассматриваются в п. 6.7.