Специальная теория относительности
Принципиальное значение для развития механики больших скоростей, сравнимых
со скоростью 300 000 км/с, имеют исследования Альберта Эйнштейна. В своей
работе "К электродинамике движущихся тел", опубликованной в 1905 г., Эйнштейн
сформулировал более точную теорию механики быстродвижущихся тел - специальную
теорию относительности.
В классической механике (или, как часто говорят, в дорелятивистской
физике) считалось, что если мы знаем декартовы координаты х, у и
время t события в некоторой неподвижной (приближенно) системе координат,
то можем легко вычислить координаты х1, у1 и
время t1 в инерциальной системе (х1, у1),
движущейся относительно неподвижной системы поступательно (т. е. без
вращения относительно центра масс), прямолинейно и равномерно. В самом
деле, если начало системы (х1, у1) в момент
t = 0 имело координаты х0 = 0, у0 = 0 и
система (х1, у1) движется вдоль оси Ох
со скоростью v0, то в момент t координаты
точки х1, у1 будут относительно системы (х,
у) следующими :
При этом чисто интуитивно предполагалось: время t в системе (х,
у) течет так же, как и в системе (х1, у1),
т. е. t= t1; таким образом, допускалось, что течение
времени не зависит от состояния движения тела. Длина масштабной линейки
абсолютна, и если в покоящейся системе (х, у) некоторый отрезок
имеет длину l, то он будет иметь ту же длину и в движущейся системе
(х1, у1), иначе говоря l = l1.
В классической механике течение времени и пространственные интервалы
считались независимыми друг от друга и не зависели от состояния движения
системы (тела) отсчета.
В конце XIX в. накопилось достаточно большое число фактов (главным образом
экспериментальных), относящихся к движению частиц со скоростями, сравнимыми
со скоростью света, которые не могли быть объяснены исходя из законов классической
механики.
Оказалось, что при скоростях порядка скорости света пространственные
соотношения (длины отрезков) и течение времени зависят от скорости движения
системы (х1, у1).
Исходными для построения теории относительности являются два закона
природы, получившие подтверждение в самых различных явлениях движения.
Эти законы были сформулированы Эйнштейном в следующем виде:
1. "Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят
от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно
друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния
относятся".
2. "Каждый луч света движется в "покоящейся" системе координат с определенной
скоростью, независимо от того, испускается этот луч света покоящимся или
движущимся телом".
Первый закон распространяет закон эквивалентности инерциальных систем
(закон относительности классической механики Галилея - Ньютона) на широкий
класс физических явлений. Второй закон устанавливает постоянство скорости
света независимо от скорости движения источника света.
Второй закон кажется наиболее парадоксальным. В самом деле, при изучении
движения тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы
убеждаемся и теоретически, и экспериментально, что скорость тела относительно
неподвижной системы координат зависит от движения "платформы", с которой
бросание тела производится. Так мяч, брошенный в направлении движения поезда,
будет иметь по отношению к Земле большую скорость, нежели мяч, брошенный
с неподвижного поезда. Для случая прямолинейного движения результирующая
скорость будет равна алгебраической сумме слагаемых скоростей. При движении
платформы и тела в одну сторону результирующая скорость будет равна арифметической
сумме скоростей и будет подсчитываться по формуле:
где vрез есть результирующая скорость тела по отношению
к Земле, v1 — скорость платформы, v2 —
скорость тела по отношению к платформе. Например, при стрельбе с летящего
самолета к скорости пули по отношению к корпусу самолета нужно прибавить
скорость самолета, и тогда получится скорость пули по отношению к Земле
(рис. 13).
Закон сложения скоростей в теории Эйнштейна записывается иначе:
где с - скорость света.
Галилео Галилей (1564-1642).
Из уравнения (44) следует, что результирующая скорость всегда меньше
скорости света. Даже в предельном случае, когда v1 = с и
v2 = с, мы из уравнения (44) получим,что
Существенные изменения претерпевают и другие основные понятия механики.
Масса тела в задачах специальной теории относительности зависит от скорости
движения тела:
В формуле (46) т0 — масса тела при v = 0 (масса
«покоя»),т—масса тела, движущегося со скоростью V, И
Как видно из формулы (46), масса тела неограниченно возрастает, если
его скорость приближается к скорости света.
Время в теории относительности не является универсальным; для движущегося
наблюдателя время течет медленнее, чем для неподвижного. Связь времен,
показываемых покоящимися и движущимися часами, определяется формулой:
где to — время, отсчитываемое неподвижными часами (время в неподвижной
системе координат), a t — время, показываемое часами, движущимися
со скоростью v относительно неподвижной системы. Для обычных задач
механики величина бета2 очень мала по сравнению с единицей,
и механика Ньютона дает весьма точные результаты. Так, например, если взять
движение со скоростью v = 30 км/с (это примерно скорость движения
Земли вокруг Солнца), то
что трудно обнаружить даже весьма точными приборами. Заметим, что при
скоростях, близких к скорости света, уточнения, даваемые теорией относительности,
приобретают принципиальный характер и в настоящее время, например, конструирование
ускорителей, определение времени жизни элементарных частиц и экспериментальное
определение массы быстродвижущихся тел не могут быть произведены без учета
результатов, вытекающих из специальной теории относительности.
|