Слайд 2
Постулаты СТО
В основе классической механики лежит механический принцип относительности (или принцип
относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
В
частном случае, когда система K' движется со скоростью υ вдоль положительного направления оси x системы K (рис. 4.1.1), преобразования Галилея имеют вид:
x = x' + υt, y = y', z = z', t = t'.
Слайд 3
.
Предполагается, что в начальный момент оси координат обеих
систем совпадают
Слайд 4
.
Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе
от одной системы отсчета к другой:
ux = u'x + υ, uy = u'y, uz = u'z.
Ускорения тела во всех
инерциальных системах оказываются одинаковыми:
Слайд 5
.
Следовательно, уравнение движения классической механики (второй закон Ньютона)
не меняет своего вида при переходе от одной инерциальной
системы к другой.
Слайд 6
.
Предположение о том, что свет распространяется в особой
среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. Американский физик А. МайкельсонПредположение
о том, что свет распространяется в особой среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. Американский физик А. Майкельсон сначала самостоятельно в 1881 году, а затем совместно с Э. Морли (тоже американец) в 1887 году пытался обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») с помощью интерференционного опыта. Упрощенная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рис. 4.1.2.
Слайд 7
.
В этом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона
устанавливалось параллельно направлению орбитальной скорости Земли (υ = 30 км/с). Затем прибор
поворачивался на 90°, и второе плечо оказывалось ориентированным по направлению орбитальной скорости. Расчеты показывали, что если бы неподвижный эфир существовал, то при повороте прибора интерференционные полосы должны были сместиться на расстояние, пропорциональное (υ / c)2.
Слайд 8
.
В этом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона
устанавливалось параллельно направлению орбитальной скорости Земли (υ = 30 км/с). Затем прибор
поворачивался на 90°, и второе плечо оказывалось ориентированным по направлению орбитальной скорости. Расчеты показывали, что если бы неподвижный эфир существовал, то при повороте прибора интерференционные полосы должны были сместиться на расстояние, пропорциональное (υ / c)2.
Слайд 9
.
Исключительную роль в развитии представлений о пространстве и
времени сыграла теория МаксвеллаИсключительную роль в развитии представлений о пространстве
и времени сыграла теория Максвелла. К началу XX века эта теория стала общепризнанной. Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волныИсключительную роль в развитии представлений о пространстве и времени сыграла теория Максвелла. К началу XX века эта теория стала общепризнанной. Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, распространяющиеся с конечной скоростью, уже нашли практическое применение – в 1895 году А. С. Поповым было изобретено радио. Но из теории Максвелла следует, что скорость распространения электромагнитных волн в любой инерциальной системе отсчета имеет одно и то же значение, равное скорости света в вакууме. Это значит, что уравнения, описывающие распространение электромагнитных волн, не инвариантны относительно преобразований Галилея. Если электромагнитная волна (в частности, свет) распространяется в системе отсчета K' (рис. 4.1.1) в положительном направлении оси x', то в системе K свет должен, согласно галилеевской кинематике распространяться со скоростью c + υ, а не c.
Слайд 10
.
Итак, на рубеже XIX и XX веков физика переживала
глубокий кризис. Выход был найден Эйнштейном ценой отказа от классических представлений
о пространстве и времени.
Наиболее важным шагом на этом пути явился пересмотр используемого в классической физике понятия абсолютного времени. Классические представления, кажущиеся наглядными и очевидными, в действительности оказались несостоятельными. Многие понятия и величины, которые в нерелятивистской физике считались абсолютными, т. е. не зависящими от системы отсчета, в эйнштейновской теории относительности переведены в разряд относительных.
Слайд 11
.
В основе специальной теории относительности лежат два принципа
или постулата, сформулированные Эйнштейном в 1905 г.
Принцип относительности: все законы природы
инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.
Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.
Слайд 12
.
Постулаты СТО находятся в явном противоречии с классическими
представлениями. Рассмотрим такой мысленный эксперимент: в момент времени t = 0, когда
координатные оси двух инерциальных систем K и K' совпадают, в общем начале координат произошла кратковременная вспышка света. За время t системы сместятся относительно друг друга на расстояние υt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет иметь радиус ct (рис. 4.1.3), так как системы равноправны и в каждой из них скорость света равна c.
Слайд 13
.
С точки зрения наблюдателя в системе K центр сферы находится
в точке O, а с точки зрения наблюдателя в системе K' он
будет находиться в точке O'. Следовательно, центр сферического фронта одновременно находится в двух разных точках!
Причина возникающего недоразумения лежит не в противоречии между двумя принципами СТО, а в допущении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к одному и тому же моменту времени.
Слайд 14
.
Это допущение заключено в формулах преобразования Галилея, согласно
которым время в обеих системах течет одинаково: t = t'. Следовательно, постулаты
Эйнштейна находятся в противоречии не друг с другом, а с формулами преобразования Галилея. Поэтому на смену галилеевых преобразований СТО предложила другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую – так называемые преобразования Лоренца, которые при скоростях движения, близких к скорости света, позволяют объяснить все релятивистские эффекты, а при малых скоростях (υ << c) переходят в формулы преобразования Галилея.
