Тема 4: Релятивістська механіка

Тема уроку: Основні положення спеціальної теорії відносності

План уроку

1.Джерела і основи теорії відносності .Передумови теорії відносності

2. Постулати теорії відносності

3. Принцип відносності Галілея

4. Досліди Галілея.

1.Джерела і основи теорії відносності

Інерціальними системами відліку називають такі системи від­ліку, у яких виконується перший закон Ньютона.

Американські фізики А. Майкельсон і Е. Морлі наприкінці ХІХ ст. вирішили порівняти швидкість світла, що поширюється за напрямком руху Землі її орбітою й у протилежному напрямку. До­сліди, проведені вченими, переконливо довели, що світло у вакуу­мі поширюється завжди з однією і тією ж швидкістю (близькою до 300 000 км/с).

Після того як у другій половині ХІХ ст. Максвеллом були сформульовані основні закони електродинаміки, постало запитання, чи поширюється принцип відносності, справедливий у механіці, на електромагнітні явища. Іншими словами, чи однаково протікають електромагнітні процеси у всіх інерціальних системах відліку? Але відповідь на це запитання виявила низку суперечностей між класичною і ньютонівською механікою.

Так, за законами електродинаміки швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі однакова по всіх напрямах і дорівнює c = 3∙10⁸ м/с. Але відповідно до ньютонівської механіки швидкість може дорівнювати с тільки у вибраній системі відліку. У будь-якій іншій, яка рухається зі швидкістю , швидкість світла повинна дорівнювати . А це означає, що при переході з однієї до іншої інерціальної системи відліку закони електродинаміки мають змінюватися так, щоб у новій системі відліку швидкість світла булла уже не , а .

Суперечності, які виникли між теоріями, намагалися подолати трьома способами:

1) оголосити недоречним принцип відносності стосовно електромагнітних явищ;

2) оголосити неправильними рівняння Максвелла і змінити їх так, щоб вони не змінювались при переході з однієї до іншої інерціальної системи відліку;

3) відмовитися від класичних уявлень про простір і час з тим, щоб зберегти як принцип відносності, так і закони Максвелла.

Щоб правильно пояснити досліди А. Майкельсона й Е. Морлі, необхідно було відмовитися від звичних уявлень про простір і час. Виникла суперечність, розв’язати яку на початку ХХ ст. намага­лося багато видатних фізиків. Але зробити це вдалося скромному службовцеві патентного бюро у швейцарському місті Берні Альбер­ту Ейнштейну.

Усі суперечності були блискуче розв’язані 26-річним Альбертом Ейнштейном, який видав невелику, всього на 30 сторінок, роботу під назвою «До електродинаміки рухомих середовищ». І вона за короткий термін викликала справжню революцію у фізиці, вивела її з глухого кута і збагатила ідеями, практична значущість яких безмежна. У ній Ейнштейн без жодного нового експерименту, проаналізувавши й узагальнивши уже відомі дослідні факти, вперше виклав ідеї теорії відносності.

Теорія відносності — це фізична теорія, яка описує властивості простору і часу, а також закономірності відносного руху тіл, зумовленого цими властивостями.

Особливий інтерес становлять міркування Ейнштейна щодо різного перебігу часу відносно різних систем відліку. У рухомій системі відліку час сповільнюється, порівняно з нерухомою системою, залежно від значення швидкості. З цього приводу можна навести приклад, який у фізиці називається „парадоксом близнюків”. Парадокс полягає ось у чому. На Землі живуть два брати-близнюки. Один із них залишається на космодромі, а другий вирушає до далекої зорі на космічному кораблі, здатному розвинути швидкість, близьку до швидкості світла. З погляду брата, який залишився на Землі, час тече швидко. Проходить 10, 20, 30 років, і він, нарешті, з радістю дізнається, що корабель з його братом повертається. Коли космічний корабель приземлився і брати зустрілися, близнюк, який залишився на Землі, побачив, що його брат залишився майже таким, яким був 30 років тому.

Це тому, що він, рухаючись із такою швидкістю, прожив за своїм годинником усього 5 років. Ці розрахунки підтверджуються фізичними дослідами.