Специальная теория относительности. Принцип относительности А.Эйнштейна

Специальная теория относительности. Принцип относительности  А.Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Предельный переход преобразований в преобразования Галилея

Волкова М.С.

Студентка ДГЛ-301

Специальность «Лингвистика»

Научный руководитель: Цуркин А.П.

Принцип относительности - фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояния движения или покоя определяются по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчета. Принцип относительности лежит в основе специальной теории относительности Эйнштейна. ^[1]

Рассмотрим  последовательное развитие этих теорий.

Относительность движения по Галилею

Важную роль в создании научной картины мира сыграл принцип  относительности одного из основоположников современного естествознания Галилея - принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета в классической механике, который утверждает, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-то инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

Математически принцип  относительности Галилея выражает инвариантность уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой - преобразований Галилея.

Впервые положение об относительности  механического движения было высказано  Галилео Галилеем в 1638 г. в его труде «Диалог о двух основных системах мира - птоломеевой и коперниковой». Там же сформулирован один из фундаментальных принципов физики - принцип относительности. Галилей использовал наглядный и образный метод изложения. Он писал, что находясь «в помещении под палубой корабля» и проводя опыты и наблюдения над всем, что там происходит, нельзя определить, покоится ли корабль, или же он движется «без толчков», то есть равномерно и прямолинейно. При этом подчеркивались два положения, составляющие суть принципа относительности:

1) движение относительно: по отношению к наблюдателю  «в помещении под палубой»  и к тому, кто смотрит с берега, движение выглядит по-разному;

2) физические законы, управляющие  движением тел в этом помещении,  не зависят от того, как движется корабль (если только это движение равномерно). Иначе говоря, никакие опыты в «закрытой кабине» не позволяют определить, покоится кабина или движется равномерно и прямолинейно.

Таким образом, Галилей  сделал вывод, что механическое движение относительно, а законы, которые его определяют, абсолютны, то есть безотносительны. Эти положения коренным образом отличались от общепринятых в то время представлений Аристотеля о существовании «абсолютного покоя» и «абсолютного движения». ^[2]

Преобразования Лоренца

Подобно тому, как математической формулировкой  законов механики являются уравнения  Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов  электродинамики. Вид этих уравнений  также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными: x'= g(x-vt); y'= y; z'=z; t'=g(t-vx/c²), где g = (1-v²/ c²)-1/2, а с - скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При vc они переходят в преобразования Галилея, но если v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства - времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей. ^[3]

Наибольшую  известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы  физики одинаково применимы в  любой инерциальной системе отчета  и не должны меняться при  преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда  распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн  выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что  скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E² = М²c⁴ + P²с² (где с - скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии. ^[4]

Список литературы

1) http://freescb.info/sites/freescb.info/files/specialnaya_teoriya_otnositelnosti.pdf

2) Григорьев В.Н. Альберт Эйнштейн // Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. - М., 2001.

3) Данилова В.С., Кожевников Н.Н.  Основные концепции естествознания. - М.: Аспект Пресс, 2000. - 256 с.

4) Концепции  современного естествознания / Под  ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ, 2000. - 203 с.

Итоговая оценка оригинальности:  89,92%