Начнем мы с первого закона Ньютона и понятия инерциальная система отсчета. Инерциальная система отсчета - система, относительно которой тело либо покоится, либо движется равномерно,прямолинейно.
Проиллюстрируем это на следующем примере: представьте человека, который находится в вагоне поезда, а поезд движется со скоростью 50 км/ч. Вагон у нас не простой: он идеально герметичен, там звукоизоляция, нет окон, да ещё и сам поезд, и рельсы у нас идеальный, т.е. поезд не качает и ничто не может помешать его идеально ровному движению. При это человек не знает, что находится в вагоне поезда.
Итак, перейдем теперь к постулатам теории относительности... Эта теория базируется не на гипотезах, а на твердо установленных на опыте принципах. В её основе лежат два принципа, которые нужно рассматривать как обобщение большого числа экспериментальных данных:
- принцип относительности, распространенный на все явления.
- принцип существования предельной скорости распространения взаимодействия.
Собственно, первый постулат мы уже обсудили, он говорит об эквивалентности ИСО, также стоит сказать, что он распространяется на все физические явления, на всю физику. Просто раньше физики считали, что этот принцип работает только на механические явления, но это не так. Второй же постулат говорит нам о том, что любые взаимодействия между телами распространяются в пустоте с универсальной конечной скоростью, не зависящей от движения тел и равной скорости света в вакууме С=3*10^8 м/с. И в соответствии с первым постулатом эта скорость одинакова во всех ИСО. Соответственно, теперь у нас существует тот минимальный промежуток времени, за который сигнал от одного объекта может дойти до другого. Это очень важный постулат, т.к. он отражает фундаментальное свойство пространства-времени. Также мы делаем вывод, что невозможно движение тел, со скоростью большей чем С. Таким образом, если вы думали, что взаимодействие может распространяться мгновенно - что ж знакомьтесь: второй постулат теории относительности.
Теперь продолжим обсуждать радикальные изменения, которые внесла теория относительности: любое физическое понятие, относящееся к пространству и времени (например, одновременность событий) и любая измерительная операция (например, измерение промежутков времени и расстояний) нуждается в определении...
Поговорим о одновременности событий, думаю определение одновременности для того, что произошло рядом с нами - не нуждается в определении. Поговорим, о удаленных событиях, произошедших в разных местах. Для измерения промежутка времени между такими событиями нужно иметь в тех точках где они происходят, синхронно идущие идентичные часы. А как узнать, что находящиеся в разных точках, допустим в точке А и В часы идут синхронно или, что два события вАи В происходят одновременно? Узнать - нельзя. Нужно сначала дать определение.
Эйнштейновское определение одновременности событий основано на независимости скорости сигнала от направления. Пусть в точке А часы и из точки А в момент времени t1 по часам А отправляется сигнал. Пусть момент прихода сигнала в точку В и его отражения назад есть t' по часам в точке В. Наконец , пусть отраженный сигнал приходит обратно в А в момент времени t2 .Тогда введем определение часы в точках А и В идут синхронно, если
Здесь стоит отметить, что раньше принималось как нечто само собой разумеющееся существование единого мирового времени, не зависящего от системы отсчета, и поэтому понятие одновременности событий не нуждалось в определении.
- Опишем такой эксперимент:
Представьте, что вы находитесь в вагоне поезда и передняя и задняя дверь открываются автоматически через передачу светового сигнала. Световой сигнал вылетает ровно из середины вагона. Какая дверь откроется раньше? - Двери откроются одновременно, т.к. стоят одинаково от источника света, а скорость света во всех направлениях одинакова. Но это с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе отсчета поезда. А что увидит человек, находящийся на перроне? - Скорость света не зависит от скорости поезда, а значит лучи пойдут с одинаковой скоростью к обеим дверям, но задняя дверь идет навстречу сигналу и откроется раньше, а передняя уходит от сигнала, а значит откроется позже. Ну и, следовательно, события, произошедшие одновременно для одних людей, будут происходить не одновременно для других людей, что свидетельствует об относительном характере понятия одновременности событий. Давайте продолжим мысль, чтобы достичь передней двери луч должен пройти путь равный длине вагона, с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри вагона. Рассмотрим этот процесс с точки зрения наблюдателя на перроне : тогда, передняя дверь уходит от сигнала и луч должен пройти больший путь. Следовательно, для наблюдателей в разных системах отсчета свет, двигаясь с постоянно скоростью, за одно время, прошел разное расстояние. На самом деле, величина промежутка времени между событиями зависит от системы отсчета, в которой она измеряется, т.е. представляет величину относительную. Вернемся в систему отсчета вагона и рассматриваем следующее событие: сигнал из середины вагона вылетает и фиксируется приемником - промежуток времени между этими двумя событиями в данной системе отсчета называется собственным временем. И дело в том, что собственное время всегда меньше, чем промежуток времени между этими же событиями, измеренный в любой другой системе отсчета. Этот кинематический релятивистский эффект называют замедлением времени. С точки зрения наблюдателя, стоящего на перроне , идентичные по устройству движущиеся часы (т.е. часы в поезде) идут медленнее, чем его собственные.
Рассмотренный релятивистский эффект замедления времени является взаимным, как того требует принцип относительности, т.е. постулат о равноправии инерциальных систем отсчета: с точки зрения наблюдателя в поезде медленнее идут часы, связанные с наблюдателем на перроне .
Где в природе наблюдаются такие эффекты? Приведу в пример опыты Дарбина, Лоара и Хевенса, проведенный в 1952 году, в которых изучался распад движущихся л"-мезонов(пионов). Среднеевремя жизни покоящегося пиона равно (, = 0,00000002 сек. Если бы замедления времени не было, то движущийся мезон при скорости, даже близкой к световой, проходил бы до распада в среднем расстояние всего:v•t0~с•t0 7,5 м. В описываемых опытах приемник находился на расстоянии около 100 м от источника, в котором пионы образовывались бомбардировка мишени пучком протонов высокой энергии} и вылетали из ускорителя. Получаемые таким способом пионы, движутся с очень близкой к скорости света скоростью и благодаря эффекту замедления времени, среднее время жизни такого быстрого пиона: ( = 100%, ‚ т.е. в 100 раз больше, чем время жизни покоящегося пиона. Ну и, следовательно, расстояние, проходимое пионами до распада, уже составляет 750 м. Полученные данные стоит рассматривать, как данные полученные в системе отсчета лаборатории. Теперь рассмотрим процесс находясь в системе отсчета пиона этой системе среднее время жизни пиона есть собственное время 1, но тогда лабораториядвижется относительно пиона с льтрарелятивистской скоростью. А, следовательно, расстояние между источником и приемником в результате эффекта сокращения длины оказывается меньше, чем собственное расстояние, т.е. лаборатория сжимается и пиону нужно лететь меньшее расстояние, во сколько раз меньшее? Также в 100 раз, т.е. для пиона лаборатория сжалась в 100 раз.
Исходя их абсолютности скорости света, Эйнштейн вывел изящное заключение, и суть его в том, что, если мы с Вами движемся друг относительно друга, то то, что я называю пространством, оказывается смесью вашего пространства и вашего времени, а то, что вы считаете пространством, есть смесь моего пространства и моего времени.
продолжение будет чуть позже..
