Специальная теория относительности

Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея–Ньютона и электродинамики Максвелла–Лоренца. СТО часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией – релятивистским эффектом. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скорости движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем.

 

Основу СТО составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности Эйнштейна: он явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Этот принцип гласит: все физические процессы (при одних и тех же условиях) в инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе (с = 300 000 км/с).

Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

Как и в механике Ньютона, в СТО полагается, что пространство однородно и изотропно, время однородно. Но если у Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство – время (называемое часто четырехмерным миром Германа Минковского, впервые предложившего такую трактовку). Все это говорит о том, что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой при больших скоростях (сравнимых со скоростью света) должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по другим.

Ими являются преобразования Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО, вытекает ряд следствий. Рассмотрим некоторые из них.

1. Закон сложения скоростей:

,

где V₀ – скорость подвижной системы координат К' относительно неподвижной системы К; V '_x– скорость материальной точки в системе К'; V_х– скорость относительно системы К.

Из этого закона следует, что если V '_x и V₀ намного меньше с, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. А если скорость частицы относительно какой-либо инерциальной системы отсчета равна скорости света в вакууме, то она будет такой же относительно любой другой инерциальной системы. Это означает, что если одна из скоростей равна с, то сумма скоростей будет равна тоже с.

Таким образом, при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Все это находится в согласии со вторым постулатом СТО.

2. Следствием СТО явилась и зависимость массы тела от скорости его движения:

,

где m₀ – масса покоя электрона, m – его масса при скорости движения V.

Если m₀ ¹ 0, то частица не может двигаться со скоростью V³с, т. к. это соответствовало бы бесконечно большой или мнимой массе, что абсурдно. Если же масса покоя частицы m₀ = 0 (например фотон), то скорость такой частицы может быть равна только с. Таким образом, масса тела есть величина относительная, абсолютный характер имеет масса покоя.

3. Относительность промежутка времени:

,

где t₀ – время по часам, движущимся вместе с объектом со скоростью V, t– время по часам в неподвижной системе отсчета.

Как видно, собственное время является минимальным, т. е. физические процессы в движущейся системе замедляются, но это становится заметным только при больших скоростях.

В связи с релятивистским замедлением времени в свое время возникла проблема «парадокса часов» (иногда рассматриваемая как «парадокс близнецов»), вызвавшая многочисленные дискуссии.

Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности в опытах с мюонами.

4. Линейные размеры тела зависят от скорости движения.

Так, длина тела, в движущейся системе, будет наименьшей по отношению к покоящейся. По формуле:

return false">ссылка скрыта

,

где – длина тела в движущейся системе со скоростью V по отношению к неподвижной системе; ₀ – длина тела в покоящейся системе.

5. Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е=mс², нашедшая свое подтверждение в современной физике.