Теория относительности для чайников

6 мая 2014 Ваагн Малоян Комментариев: 5

Специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей. Сегодня мы попытаемся разобраться вместе, что это такое.

319.4K

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

 

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

 

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

 

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

 

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

 

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.  


2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

 

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

 

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных .

 

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

 

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты. 

 

Однородность пространства и времени

 

В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

 

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

 

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 

 

Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

 

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

 

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

 

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным. 

 

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее. 

 

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

 

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.
 

 

Объединение массы и энергии

 

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.

 

©deviantART/ RowanPhoenix

 

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

 

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

 

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

319.4K

Подпишись на нашу рассылку лучших статей и получи журнал бесплатно!

Комментарии

Спасибо за крутую статью)) "Лайк" :)

Правильно написано "для чайников", много всего и всё это ни о чём. Уверен все кто раньше об этом ничего не слышал и не изучал, прочитает и через 5 минут уже не сможет обьяснить суть.

заапууутаааноо, лучше поподробнее)

Тут не наука, а проблемы с воображением! Импульс света может иметь только одну траекторию (прямую линию) как раз потому что скорость света не зависит от скорости источника. Если корабль 1 находится в полном покое, импульс света отразится по прямой и попадет на детектор. Если корабль 1 в движении, луч света будет иметь такую же траекторию, но на детектор не попадет, так как корабль улетит с прямой распространения импульса. Наблюдатели в обоих кораблях будут видеть луч света в любом случае совершенно одинаково - как прямую линию. Если говорят о луче света, то следует понимать, что это поток импульсов, которые испускаются из разных точек пространства, каждый из которых распространяется строго по прямой. Таким образом эффект изменения времени и длины отменяется. Ничего не меняется, так как импульс света проходит одно и то же расстояние в любом случае и при наблюдении из любой системы отсчета.

Эйнштейн вообще тупой.
Этот тяпок запросто называет СКОРОСТЬЮ... разность скоростей.
СКОРОСТЬ - это параметр, который позволяет судить о перемещении тела в пространстве и может быть определён ТОЛЬКО и ТОЛЬКО при наличии неподвижной точки отсчёта.

Для двух движущихся тел может быть определена токмо РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ.
РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ - это параметр, который позволяет судить о изменении расстояния между телами.

Если между телами расстояние изменилось на 100 метров за 10 секунд, то...
РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ будет 10м\сек.
Именно РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ.

Значения СКОРОСТИ без неподвижной точки отсчёта неопределимо.
Понятно?

При разности скоростей 10 м\сек чему равны скорости тел?
10 м\сек и 20 м\сек?
 А может 110м\сек и 120м\сек?
Или 1010м\сек и 1020м\сек?
СКОРОСТИ тел установить таки невозможно.

При разности скоростей 10 м\сек какие расстояния преодолеют тела за 10 секунд?
100м и 200м?
А может 1100м и 1200м?
Или 10100м и 10200м?
РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ таки не позволяет судить о расстояниях преодолённых телами.

Низзя путать СКОРОСТЬ и РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ.
Это совершенно разные вещи.

Plain text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <iframe> <embed> <br/>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Comment text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <br/>

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии