Головна

Спеціальна теорія відносності.

  1.  A) Природно-правова теорія
  2.  I. ЛОГІКА А. Теорія пізнання
  3.  I. Теоріяли? с?ра?тар
  4.  VI. Теорія адекватного харчування. Уголев А. М.
  5.  А) Феномен і теорія. природний реалізм
  6.  А. Л. Єрьомін. Ноогенезе І ТЕОРІЯ ІНТЕЛЕКТУ
  7.  А. Л. Єрьомін. Ноогенезе І ТЕОРІЯ ІНТЕЛЕКТУ

У класичній фізиці до появи теорії відносності (1905 р), передбачалося, що будь-який фізичний процес, використаний (як «еталонний») для вимірювання часу, виявляє одне і те ж протягом «світового» або абсолютного часу. Передбачалося також, що протягом часу, що вимірюється за допомогою будь-якого годинника, не залежить від того, покояться або рухаються ці години щодо даної системи відліку. А. Ейнштейн насамперед вказав на недостатню обґрунтованість цих припущень і на необхідність попереднього вибору чітко визначеного (однозначного) способу вимірювання часу, придатного (без змін) для всіх умов, в яких виробляються ці вимірювання. Для того щоб більш чітко викласти його фізичні ідеї, розглянемо докладніше способи вимірювання довжин, відстаней і часу.

Припустимо, що нам необхідно виміряти відстань між точками А и В, зазначеними на якомусь твердому предметі. Вимірювання будемо відносити до системи відліку S, Пов'язаної з поверхнею Землі. Спочатку припустимо, що предмет покоїться відносно Землі. Для виробництва вимірювання необхідно перш за все вибрати еталон довжини (наприклад, металева лінійка), а потім вказати, які операції необхідно зробити з цим еталоном, щоб отримати результат вимірювання (перекладання еталона уздовж вимірюваної довжини). Якщо еталоном є довжина світлової хвилі, то необхідно вказати, яким чином має бути здійснене порівняння вимірюваної довжини з довжиною світлової хвилі; для цієї мети, очевидно, знадобляться відповідні прилади, наприклад - інтерферометри.

Однак кожен «спосіб вимірювання» повинен містити в собі вказівку про те, як слід вимірювати дану фізичну величину у всіх умовах, в яких доводиться проводити вимірювання. Зокрема, доводиться вимірювати розміри не тільки покояться (щодо системи відліку), але і рухомих тел. У цій вельми важливій частині «способу вимірювання» можливі два прийоми:

1) можна кожен раз повідомити вимірювального приладу (наприклад, еталону довжини або інтерферометра) такі ж швидкості, які має вимірюваний предмет. В цьому випадку вимірювальний прилад в процесі вимірювань завжди спочиває щодо предмета, але рухається щодо системи відліку. Нам необхідно знати, чи не змінюється еталон довжини внаслідок свого руху і не залежать результати вимірювання від швидкості цього руху;

2) можна відзначити ті точки A ' и B ' системи відліку, в яких одночасно перебувають точки А и В рухомого предмета, і потім визначити відстань між А ' и В '. В цьому випадку вимірювальний прилад в процесі його використання завжди спочиває щодо системи відліку. Це зручно, але воно пов'язане з необхідністю додатково вимірювати час, так як одночасність збіги точок А и А ', В и В ' повинна бути відзначена по годинах. Тому, якщо є однозначний спосіб вимірювання часу (а отже, спосіб встановлення одночасності збігів точок А и А ', В и В '), то другий прийом буде мати перевагу перед першим.

Зауважимо, що обидва прийому неспроможні, якщо необхідно вимірювати відстань між двома точками простору, наприклад, атомного або космічного масштабу. Відстань, що не фіксоване твердими тілами, не може бути виміряна еталонними лінійками. Тому це відстань або взагалі не може бути основною величиною (т. Е. Величиною, для якої обраний еталон), або ж для нього повинен бути зазначений новий спосіб вимірювання, який треба зробити окремий аналіз, щоб виявити всі містять в ньому припущення.

Розглянемо вимір часу; для цього необхідно вибрати годинник, т. е. фізичні системи, в яких відбувається якийсь періодичний процес. Результатом вимірювання часу в даному місці є підрахунок числа повернень годин і один і той же фіксується стан. Для вимірювання часу в різних місцях можливі два прийоми:

1) можна виготовити деякий безліч абсолютно однакових годин, відрегулювати їх хід в певному місці (і при певній орієнтуванні їх осей) і потім розставити їх в цікавлять нас місцях, де має проводитися вимір часу. При цьому необхідно знати, чи не змінюється хід годинника при їх перенесенні і працюють вони синхронно в місцях призначення. Цілком можливо, що, наприклад, в різних місцях поля тяжіння Землі годинник мають різний хід;

2) можна попередньо розставити ці години і потім вже узгодити їх хід між собою за допомогою яких-небудь «сигналів часу» - світлових спалахів і т. Д. У цьому випадку необхідно заздалегідь знати закони поширення сигналів в даній системі відліку.

Для вимірювання часу в рухомих фізичних системах можна, знову-таки, або користуватися годинником, які рухаються разом з системою і, отже, нерухомі щодо неї (в цьому випадку потрібно знати, як залежить хід годинника від швидкості їх руху); або ж користуватися «сигналами часу» (в цьому випадку необхідно знати закони поширення цих сигналів щодо будь-якої фізичної системи, в якій проводиться вимірювання часу). Немає впевненості в тому, що результати вимірювання часу за допомогою всіх цих способів будуть збігатися.

Таким чином, при розгляді способів вимірювання фізичних величин, зокрема - довжини і часу, виявляється наступна проблема: при виробництві вимірювань необхідно заздалегідь знати, як змінюються вимірювальні прилади і, зокрема, еталони фізичних величин (лінійка, годинник і т. п.) в процесі вимірювань. Самі результати вимірювань - число перекладань лінійки або підрахунок числа коливань в годинах і т. Д. - Не можуть вирішити цю проблему.

Можна було б з'ясувати поведінку еталонів в різних умовах їх застосування, якщо були б відомі необхідні для цього закони фізики, але вони можуть бути встановлені тільки після виробництва і обробки вимірювань; заздалегідь вони не можуть бути відомі. Особливо чітко виявляється виникає тут утруднення при вимірюванні часу за допомогою «сигналів», наприклад, світлових спалахів. Для вимірювання часу, що пройшов з моменту виходу сигналу з однієї точки до моменту приходу сигналу в іншу точку, повинні бути заздалегідь відомі закони поширення світла, але ці закони можуть бути отримані тільки після експериментального вивчення поширення світла, для чого спосіб вимірювання часу вже повинен бути обраний .

Очевидно, зазначену вище проблему можна вирішити, якщо вдасться знайти такі закони фізики, встановлення яких не потребує проведення вимірювань. Тоді способи вимірювання фізичних величин могли бути засновані на таких законах; інші закони фізики вийдуть в результаті обробки вимірювань. Таким (Не залежних від способів вимірювання фізичних величин) законом фізики є наступний результат:

рух фізичних систем щодо простору ( «світового ефіру») не виявляється.

Такого роду рух було б абсолютним рухом.

Обговоримо це докладніше.

Припустимо, що пасажир дивиться з вікна свого поїзда па хто проходитиме біля нього інший потяг. Якщо при цьому поїзд рухається рівномірно і в поле зору немає ніяких орієнтирів, то пасажиру не вдасться встановити, що ж насправді рухається: його власний або той, інший потяг, а може бути, обидва потяги. Его знайомий усім досвід. відносну швидкість двох поїздів можна виміряти легко, але, щоб визначити те, що ми називаємо справжньою швидкістю поїзда, необхідно бодай побіжно глянути на землю, яка послужить системою відліку для вимірювання швидкості.

Тепер припустимо, що дві повітряні кулі рухаються один щодо одного над хмарами. Спостерігачеві на одному з куль буде здаватися, що сам він стоїть на місці, а рухається інша куля. Отримавши дані спостережень із Землі, він зможе обчислити лише свою швидкість по відношенню до Землі. Астроном міг би продовжити цю роботу, повідомивши йому швидкість даної точки Землі щодо Сонця, а потім швидкість Сонця по відношенню однієї з «нерухомих зірок». Однак і це все не допоможе спостерігачеві визначити його дійсну, або абсолютну, швидкість. Чи є підстави вважати будь-які зірки нерухомими? Адже відомо, що зірки також рухаються один щодо одного. Який сенс взагалі має в дійсності слово «нерухомий»? Чи є що-небудь у Всесвіті, що можна було б вважати нерухомим? Вченим не до душі уявлення про те, що всі вимірювання, що відносяться до руху, повинні бути відносними. Це як би свідчить про те, що споруда, яка уособлює механіку Всесвіту, збудовано на хиткому фундаменті. Тому в той момент, коли фізикам потрібна була середа, що заповнює весь простір, на сцені з'явився ефір, і не тільки як дійова особа в теорії світла і електрики, по і як стандартна система відліку для вимірювання абсолютної швидкості. Вчені ж приступили до вимірювання швидкості Землі відносно ефіру. У 1887 р Майкельсон і Морлі поставили класичний досвід, який мав відношення до цієї проблеми і який можна взяти в якості вихідного пункту для викладу спеціальної теорії відносності Ейнштейна. Ідею цього досвіду легко усвідомити наступного аналогії.

Нехай швидкість води в річці з прямолінійними паралельними берегами, відстають один від одного на 90 м, становить 4 м / сек. Двоє веслярів відправляються з пункту А на одному березі, причому один Т направляється поперек річки до протилежного берега в пункт В, а інший L, кпункту С, Розташованому на 90 м нижче за течією, а потім назад в А. Кожен гребе зі швидкістю 5 м / сек по відношенню води. Порівняйте час, витрачений кожним з них.

 Отже, весляр L, щоб потрапити в пункт В, повинен направити свою човен вгору за течією вздовж лінії АР, причому якщо АР = 5 м (Шлях, який човен проходить відносно води за 1 сек), то його знесе на 4 м вниз за течією з Р в Q (Відстань, на яке зносить течія в 1 сек). При цьому точка Q лежить на прямій АВ, а кут AQP прямий. За теоремою Піфагора (AQ)2 + 42 = 52, Звідки (AQ)2 = 25-16 = 9, а AQ = 3 м. Таким чином, човен щомиті проходить уздовж А В відстань 3 м, І, щоб потрапити з А в В, весляру доведеться затратити 90/3 = 30 сек.

Аналогічно на зворотний шлях з В в А буде потрібно ще 30 сек, так що весь шлях в обидва кінці займе 60 сек.

весляр L, пливучи до пункту З, рухається щодо води зі швидкістю 5 м / ССК, течія зносить його щомиті ще на 4 м. Таким чином, він робить щомиті 9 м. Час, який буде потрібно для того, щоб потрапити з пункту А в пункт З, одно 90/9 = 10 сек. Однак, повертаючись з С проти течії, весляр буде робити все 5 - 4 = 1 м / сек. Отже, з С в А він буде плисти 90/1 = 90 сек, а повний час вниз і вгору за течією складе 10 + 90 = = 100 сек. Ставлення часу, який буде потрібно весляру L, до часу, яке витратить весляр Т, одно 100/60 = 5/3.

Таким чином, плавання вгору і вниз за течією пов'язано з витратою більшого часу, ніж плавання на таку ж відстань поперек течії. Розбір цього прикладу показує також, що якщо відомо ставлення проміжків часу, займаних поїздкою на рівну відстань в двох напрямках, то це дозволяє обчислити швидкість течії річки.

З досвіду відомо, що світло завжди поширюється в ефірі з постійною швидкістю 300000 км / сек. Припустимо, що в певний момент Земля рухається в ефірі швидкістю і км / сек в напрямку від С к А. З точки зору земного спостерігача, ефір проноситься мимо точки А в напрямку від А к С зі швидкістю і км / сек. Припустимо, що до кінців двох жорстких перпендикулярних один одному стрижнів АС и АВ прикріплені дзеркала, звернень  е до точки А. В один і той же момент часу з А надсилаються два світлових сигналу вздовж відрізків АС и АВ. Ці сигнали потрапляють на дзеркала і відбиваються назад до А. Поширення світлових сигналів аналогічно руху човнів в наведеному вище прикладі. Так як поширення світла є хвильовий процес в ефірі, то кожен сигнал поширюється зі швидкістю 300000 км / сек щодо ефіру, подібно до того як кожна з човнів рухається зі швидкістю 5 м / сек щодо води. Крім того, ефір переміщається в напрямку від А к С зі швидкістю і км / сек, аналогічно воді, яка тече зі швидкістю 4 м / сек.

Отже, щоб проплисти будь задану відстань вгору і вниз за течією, потрібно більше часу, ніж на ту ж відстань поперек течії і назад. Отже, сигнал з точки С повинен повернутися в А пізніше сигналу, посланого в точку В. Якщо потім обчислити відношення проміжків часу, витраченого обома сигналами, то це дозволить оточити швидкість ефіру і рівну але величиною і протилежний за направленням швидкість Землі в ефірі.

Досвід Майкельсона - Морлі мав виміряти ставлення цих проміжків часу. Детальний опис використаного в цьому досвіді приладу можна знайти в будь-якому підручнику з оптики. На подив експериментаторів, в цьому змаганні не виявилося переможця: обидва сигналу повернулися в А одночасно.

Так як Землі рухається по своїй орбіті навколо Сонця зі швидкістю приблизно 30 км / сек, то в моменти часу, віддалені один від одного на 6 місяців, різниця в швидкостях щодо ефіру складе 60 км / сек. Отже, якби Земля виявилася в один з моментів часу спочиває щодо ефіру, то цього вже не могло статися через півроку. Однак повторення досвіду через 6 місяців як і раніше не дало ніякого результату.

Щоб виключити можливі помилки, пов'язані з різницею довжин плечей приладу АВ и АС, досвід був повторений з поворотом плечей так, що напрямок АВ збіглося з передбачуваним напрямком потоку, а напрямок АС виявилося перпендикулярним йому. Але і в цьому випадку не вдалося виявити жодної різниці. Надалі в якості АВ були випробувані різні напрямки, і знову безрезультатно. Пізніше експеримент повторювався з удосконаленою методикою, що дозволяла. малі швидкості до 0.2 км / сек. І в цьому випадку був отриманий результат, що суперечив висновкам теорії. Стало ясно, що в теорії щось не гаразд. Вчені були змушені шукати пояснення чи внесення змін до теорії, які дозволили б узгодити розрахунки з результатами спостережень.

Повернемося до прикладу з човнами, які аналогічні світловим сигналами в досвіді Майкельсона - Морлі. В цьому випадку обидва човни вирушать одночасно і, на превеликий подив, одночасно повернуться. Як можна поєднати подібний результат з висновками, отриманими за допомогою викладок? Перше припущення полягає в тому, що L гребе швидше (щодо води), ніж T; однак його слід відкинути, бо цієї швидкості в досвіді Майкельсона - Морлі відповідає швидкість поширення звела в ефірі, яка, як ми знаємо, є сталою і дорівнює 300 000 км / сек.

Наступне припущення полягає в нерівності шляхів: довжина АС може виявитися менше довжини АВ через недбалість вимірювання. Однак воно не має сенсу, так як в досвіді Майкельсона - Морлі зміна місцями жорстких плечей АС и АВ як і раніше не приводила до появи різниці в часі.

Потім Фітцджеральд припустив, що нерівність плечей АВ и АС пов'язано не з помилкою в вимірі відстані, а з автоматичним скороченням довжини стрижня при його переміщенні з положення, перпендикулярного течією, в положення вздовж течії. Подібне скорочення можна виявити за допомогою вимірювань, оскільки лінійка, якою вимірюється довжина плеча АС, скорочується в тій же самій пропорції, що і плече.

Це гіпотетичне явище носить назву «фітцджеральдово скорочення». Величина його, звичайно, залежить від швидкості течії. Якщо швидкість течії становить 4 м / сек, а швидкість човна 5 м / сек, то коефіцієнт стиснення виявляється рівним  . З цього запису видно, якою буде величина коефіцієнта стиснення в інших випадках, Інше пояснення було запропоновано і 1905 р Ейнштейном.

Ейнштейн висунув два загальних принципу, або аксіоми:

1. Рівномірний рух через ефір не піддається виявленню.

2. При будь-якому хвильовому процесі швидкість поширення сповнені не залежить від швидкості джерела.

Зупинимося на змісті цих аксіом.

Виміряти швидкість одного тіла по відношенню іншого не становить труднощів. Всі наші уявлення про швидкість по суті є уявленнями про відносну швидкості: мова йде або про швидкостях різних предметів щодо нас самих, або про нашу власну швидкості по відношенні) до чого-небудь ще. Наприклад, водій, дивлячись на дорогу, по якій він веде машину, цілком ймовірно, оцінює свою власну швидкість відносно дороги. Але немає сенсу ставити питання про швидкість щодо ефіру, бо немає ніякої можливості відрізнити одну ділянку ефіру від іншого. Можна впізнати речовина, що знаходиться в ефірі, але сам ефір не піддається ототожнення. І оскільки ефір, образно висловлюючись, не можна розмітити верстовими стовпами, то твердження, що тіло рухається через ефір, не містить ніякої інформації про рух, або, іншими словами, не має сенсу по відношенню ефіру.

Сенс другої аксіоми, мабуть, більш прозорий. Уявімо собі паровоз, що йде по прямолінійній ділянці шляху з постійною швидкістю в абсолютно тиху погоду. Якщо машиніст кине вперед камінь, то людина, що стоїть біля залізничного полотна, побачить, що швидкість каменю дорівнює швидкості, яку йому повідомив машиніст, плюс швидкість паровоза. Чим швидше йде поїзд, тим швидше буде рухатися камінь, хоча зусилля машиніста залишиться колишнім. Таким чином, швидкість каменю в повітрі залежить від швидкості джерела, в даному випадку машиніста. Припустимо, що паровоз дає гудок який чути людині, що залишився далеко позаду. Ми знаємо, що звук поширюється в повітрі у вигляді хвиль зі швидкістю приблизно 340 м / сек. Рух звукової хвилі не схоже на рух каменю: швидкість поширення звуку в повітрі не залежить від швидкості паровоза в момент, коли дається гудок, т. Е. Не залежить від швидкості джерела. Швидкість поїзда вплине на висоту звуку, т. Е. На музичний тон. Однак час, через яке хвиля досягне спостерігача, не залежить від швидкості руху паровоза. Якщо тепер рухається тіло випромінює світло, то швидкість поширення світлових хвиль в ефірі не стане пов'язана зі швидкістю тіла.

Можна було очікувати, що рух тіл відносно «світового ефіру» вплине на форму і розміри тіл, на розподіл зарядів в них, на форму еквіпотенційних поверхонь силових полів (електричних, гравітаційних), на форму хвильових поверхонь світла, що випускається тілами, і т. Д . Велика група експериментів була поставлена ??з метою виявити вплив орбітального руху Землі на властивості тіл або на протягом фізичних процесів.

Наприклад, розрахунки показували, що при повороті інтерферометра Майкельсона повинно було спостерігатися помітне зміщення інтерференційних смуг, пропорційне швидкості руху цього приладу разом з Землею; однак це зміщення не було виявлено. Під час вимірювання опору прямолінійного провідника (наприклад, за допомогою містка Уитстона) орієнтували його у напрямку руху Землі і перпендикулярно до цього напрямку; очікувана зміна опору також не було виявлено. На підставі численних подібних експериментів було встановлено, що напрямок і швидкість руху тіл відносно «світового ефіру» виявити неможливо.

Серед інших законів фізики цей експериментально встановлений результат виділяється тим, що він не пов'язаний з виробництвом будь-яких вимірювань, в яких було б необхідно вживання еталонів або інших вимірювальних приладів.

Дійсно, для того щоб показати, що рух фізичних систем, встановлених на Землі, щодо «світового ефіру» виявити неможливо, потрібно тільки констатувати відсутність реєстрованих змін в експериментальних установках при їх повороті. Наприклад, щоб відзначити відсутність интерференционного ефекту в приладі Майкельсона при його поворотах, зовсім немає необхідності вимірювати відстані до дзеркал або час поширення світла в різних напрямках. Точно так само і в інших експериментах фіксується тільки відсутність очікуваного ефекту при русі вимірювальної установки щодо «світового ефіру»; ніяких вимірів проводити не доводиться, тому в попередньому виборі способів вимірювання фізичних величин немає необхідності.

Оточує нас ( «світової ефір»} відіграє виняткову роль у фізичних явищах, в ньому існують гравітаційні, електричні, магнітні поля, поширюються електромагнітні хвилі, через нього здійснюються усілякі взаємодії між тілами і т. Д. Тому, якщо рух тіл відносно «світового ефіру »не виявляється, то це означає, що спостерігаються нами фізичні явища відбуваються абсолютно однаково в системах покояться або як завгодно що рухаються щодо світового ефіру. З цього твердження можна зробити висновок, що закони фізики повинні мати однаковий вид по відношенню до різних систем відліку. Зокрема, якщо вимір часу проводиться за допомогою «сигналів», то закон поширення цих сигналів можна вибрати однаковим для всіх систем відліку.

Ці результати були використані А. Ейнштейном в розробленій ним теорії відносності. У першій частині цієї теорії - в так званої спеціальної теорії відносності - стверджується наступне:

1) закони фізичних явищ мають однаковий вигляд по відношенню до всіх інерціальним системам відліку (Принцип відносності);

2) швидкість поширення світла однакова в усіх напрямках для всіх інерційних систем відліку (Принцип сталості швидкості світла). Як показав А. Ейнштейн, на цих основних принципах його теорії можуть бути обгрунтовані способи вимірювання всіх фізичних величин. Найважливіша фізична величина, що характеризує всі зміни в природі, - час - вимірюється за допомогою світлових сигналів, внаслідок чого швидкість світла увійшла в усі формули теорії відносності.




 Фотони один з одним безпосередньо не взаємодіють |  Однофотонні і многофотонние переходи |  Віртуальний рівень. |  Яким чином мікрооб'єкт грає роль «посередника» в процесах перетворення «світла» в «світло»? |  Процес, що описує генерацію другої гармоніки. |  Некогерентні і когерентні процеси перетворення світла в світло |  Умова хвильового синхронизма на прикладі генерації другої гармоніки. |  Класичне пояснення явища генерації другої гармоніки. |  Теплове випромінювання. закон Кірхгофа |  Закони випромінювання абсолютно чорного тіла |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати