Принцип относительности а современной физике. Принцип относительности в классической механике
Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности , сформулированный Галилеем в рамках классической механики, не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?
В 1905 г. французский математик и физик А. Пуанкаре (1854–1912) сформулировал принцип относительности как общий физический закон, справедливый и для механических и электромагнитных явлений. Согласно этому принципу, законы физических явлений должны быть одинаковы как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения. На основе принципа относительности развилась новая физическая теория пространства и времени – специальная теория относительности .
А. Пуанкаре первым высказал мысль о том, что принцип равноправия всех инерциальных координатных систем должен распространяться и на электромагнитные явления, т.е. принцип относительности применим ко всем явлениям природы. Это вело к необходимости пересмотра представлений о пространстве ивремени . Однако Пуанкаре не указал на необходимость этого. Это было впервые сделано А. Эйнштейном (1979–1955).
Специальная теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространство и время как тесно связанные между собой формы существования материи. Специальная теория относительности была создана в 1905–1908 гг. трудами Х. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского на основе анализа опытных данных, относящихся к оптическим и электромагнитным явлениям, обобщением которых являются постулаты:
принцип относительности , согласно которому все законы природы должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;
принцип постоянства скорости света , согласно которому скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Принцип относительности в формулировке Эйнштейна представляет собой обобщение принципа относительности Галилея, сформулированного лишь для механического движения. Этот принцип следует из целого ряда опытов, относящихся к электродинамике и оптике движущихся тел.
Точные опыты Майкельсона в 80-х годах XIX в. показали, что при распространении электромагнитных волн скорости не суммируются. Например, если вдоль направления движения поезда, скорость которого равна v 1 , послать световой сигнал со скоростьюv 2 , близкой к скорости света в вакууме, то скорость перемещения сигнала по отношению к платформе оказывается меньше суммыv 1 +v 2 и вообще не может превышать скорость света в вакууме. Скорость распространения светового сигнала не зависит от скорости движения источника света. Этот факт вступил в противоречие с принципом относительности Галилея.
Принцип постоянства скорости света может быть, например, проверен при измерении скорости света от противоположных сторон вращающегося Солнца: один край Солнца всегда движется к нам, а другой – в противоположную сторону. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова и равна с=300000 км/с .
Эти два принцип противоречат друг другу с точки зрения основных представлений классической физики.
Возникла дилемма: отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным и к тому же связан с чрезмерным усложнением описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.
Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась "на две ничем не оправданные гипотезы":
промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения системы отсчета;
пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения системы отсчета.
Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез классическая механика молчаливо признавала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т.е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее, они не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности.
Великий ученый эпохи Возрождения, изобретатель первого телескопа, Галилео Галилей за свою жизнь совершил немало научных открытий, как в астрономии, так и физике, математике, других науках. И среди них, в том числе, один из краеугольных камней современной физики – классический принцип относительности Галилея, о нем наша сегодняшняя статья.
В чем состоит принцип относительности Галилея
Попробуем же сформулировать принцип относительности Галилея максимально кратко и доходчиво. Итак, он утверждает, что все механические процессы и явления протекают одинаково в инерциальных системах отсчета. Теперь давайте немножко расшифруем, начнем с инерциальных систем отсчета.
Что такое инерциальная система отсчета? Под ней в классической физике понимается система, где все тела движутся линейно и прямолинейно. Простым примером инерциальной системы может быть поезд, двигающийся по рельсам, или в глобальном масштабе – наша планета, вращающаяся вокруг Солнца. К слову все также относятся к инерциальной системе отсчета.
Для каких физических явлений применим принцип относительности Галилея
Но вернемся к принципу относительности Галилея, а точнее к его практическому применению. Представьте, что Вы едете в поезде или плывете на корабле. Если вы при этом в каюте корабля, либо вагоне поезда будет совершать какие-то простые физические опыты, даже банально подкидывать шарик, вы увидите, что результаты этих действий будут точно такими же как если бы Вы просто стояли на земле (тот же шарик в вагоне поезда будет падать вниз с такой же траекторией как и просто на земле). Иными словами, и каюта корабля и вагон поезда являются закрытыми инерциальными системами отсчета, и механические процессы внутри них протекают по одним и тем же законам.
Как мы уже говорили выше, наша планета Земля также является большой инерциальной системой, она движется вокруг Солнца, так и вращается вокруг своей оси, но мы ведь не ощущаем этого движения. А все потому, что для движения, как нашей Земли, так и других планет действенен принцип относительности Галилея, все механические процессы, несмотря на движение Земли, протекают одинаково.
История открытия принципа относительности Галилея
В далекие времена Галилея когда в науке того времени господствовали ложные идеи Аристотеля, считалось что именно Земля находится в центре Вселенной и пребывает в недвижимом положении. Идея же о том, что это именно Земля движется вокруг Солнца, вызывала у людей того времени смех, так как если она движется то почему мы не ощущаем этого движения, недоумевали они.
Опыты Галилея в области механики привели его к тому, что мы и зовем «принципом относительности», иными словами, главный физический смысл принципа относительности Галилея заключается в том, чтобы объяснить людям средневековья (ну и нам жителям 21-го века заодно) почему, несмотря на движение Земли, мы сами не замечаем и никак не ощущаем этого движения, почему все тела всегда падают перпендикулярно вниз, а не под наклоном и так далее.
Принцип относительности Галилея, видео
И в дополнение полезный видео урок об принципе относительности Галилея.
Протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея , который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея , оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике .
В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).
История
С исторической точки зрения, к открытию принципа относительности привела гипотеза о движении Земли, особенно о её вращении вокруг оси . Вопрос заключался в следующем: если Земля вращается, то почему мы этого не наблюдаем в экспериментах, совершённых на её поверхности? Обсуждение этой проблемы привело ещё средневековых учёных Николая Орема (XIV в.) и Ала ад-Дина Али ал-Кушчи (XV в.) к выводу, что вращение Земли не может оказать никакого влияние на какие-либо опыты на её поверхности. Эти идеи получили в эпоху Возрождения . Так, в сочинении «Об учёном незнании» Николай Кузанский писал:
Наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным... Каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а все остальное движется.
Аналогичные мысли содержатся и в диалоге Джордано Бруно «О бесконечности, Вселенной и мирах»:
Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы и как это показывает тысячью способов чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течет, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звездах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается все окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь.
Однако «отцом» принципа относительности заслуженно считается Галилео Галилей , который придал ему чёткую физическую формулировку, обратив внимание, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:
Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.
Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона . В своих «Математических началах натуральной философии» (том I, следствие V) Ньютон так сформулировал принцип относительности:
Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Во времена Галилея и Ньютона люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (в частности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуются друг с другом, так как уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований к ним самим или к их решениям - меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания (например, измененную скорость света). Эти противоречия привели к открытию преобразований Лоренца , которые делали применимым принцип относительности к электродинамике (сохраняя инвариантной скорость света), и к постулированию их применимости также к механике , что затем было использовано для исправления механики с их учетом, что выразилось, в частности, в созданной Эйнштейном Специальной теории относительности . После этого обобщённый принцип относительности (подразумевающий применимость и к механике, и к электродинамике, а также к возможным новым теориям, подразумевающий также преобразования Лоренца для перехода между инерциальными системами отсчета) стал называться «принципом относительности Эйнштейна», а его механическая формулировка - «принципом относительности Галилея».
Принцип относительности, включающий явно все электромагнитные явления, был, по-видимому, впервые введен Анри Пуанкаре начиная с 1889 года (когда им впервые высказано предположение о принципиальной ненаблюдаемости движения относительно эфира) до работ , , , когда принцип относительности был сформулирован детально, практически в современном виде, в том числе введено его современное название и получены многие принципиальные результаты, повторенные позже другими авторами, такие, как, например, детальный анализ относительности одновременности, практически повторенный в работе Эйнштейна . Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного (а не приближённого) принципа в работе Лоренца , а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.
В этой принципиальной статье Х. А. Лоренца (1904 г.), содержавшей вывод преобразований Лоренца и другие революционные физические результаты в достаточно завершённой форме (за исключением упомянутых технических ошибок, не следовавших из метода, исправленных Пуанкаре), он, в частности, писал: «Положение вещей было бы удовлетворительным, если бы можно было с помощью определенных основных допущений показать, что многие электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы. … На скорость налагается только то ограничение, что она должна быть меньше скорости света» . Затем, в работе 1904 года Пуанкаре дополнительно углубил результаты Лоренца, донеся значение принципа относительности до довольно широких кругов физиков и математиков. Дальнейшее развитие практического использования принципа относительности для построения новой физической теории было в 1905 г. в статье А. Пуанкаре «О динамике электрона» (), называвшего его в этой работе «постулатом относительности Лоренца», и в практически одновременной статье А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» .
Очевидно, принцип относительности Эйнштейна и выросшая из него идея геометризации пространства-времени сыграли важную роль при распространении на неинерциальные системы отсчета (учитывая принцип эквивалентности), то есть в создании новой теории гравитации - общей теории относительности Эйнштейна . Остальная теоретическая физика также ощутила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям .
Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружится, что принцип относительности не выполняется точно, его огромная конструктивная роль в науке своего времени (длящаяся по меньшей мере до сих пор) настолько велика, что ее даже трудно с чем-нибудь сравнить. Опора на принцип относительности (а потом также ещё и на некоторые его расширения) позволила открыть, сформулировать и продуктивно разработать такое количество первостепенных теоретических результатов, практически не мыслимых без его применения, во всяком случае, если говорить о реальном пути развития физики, что его можно назвать основой, на которой построена физика.
Примечания
Литература
- Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Теория поля. - Издание 7-е, исправленное. - М .: Наука , 1988. - 512 с. - («Теоретическая физика» , том II). - ISBN 5-02-014420-7
Оригинальные источники и исторические обзоры в русском переводе
- http://ivanik3.narod.ru/linksPrincipOtnositelnosty.html Принцип относительности. Сборник работ классиков релятивизма. Под редакцией В. К. Фредерикса и Д. Д. Иваненко . ОНТИ. Ленинград 1935 г. (pdf, русск.).
- http://www.krelib.com/sborniki__obzory/4413 Принцип относительности. Сборник работ по специальной теории относительности. М., Атомиздат, 1973. 332 с. (djvu, русск.)
Оригинальные источники
Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper , Annalen der Physik 17(1905), 891-921. Received June 30, published September 26, 1905. Reprinted with comments in , p. 276-306 English translation, with footnotes not present in the 1905 paper, available on the net Albert Einstein: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? , Annalen der Physik 18(1905), 639-641, Reprinted with comments in , Document 24 English translation available on the net Lorentz, H. A. (1899) «Simplified Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Systems», , I , 427-43. Lorentz, H. A. (1904) «Electromagnetic Phenomena in a System Moving with Any Velocity Less Than That of Light», Proc. Acad. Science Amsterdam , IV , 669-78. Poincaré, H. (1889) Théorie mathématique de la lumière , Carré & C. Naud, Paris. Partly reprinted in , Ch. 12. Poincaré, H. (1897) «The Relativity of Space» , article in English translation Poincaré, Henri (1900), "«La théorie de Lorentz et le principe de réaction» ", Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles Т. 5: 252–278,См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Одной из важнейших физических постоянных является скорость света в вакууме с, то есть скорость распространения электромагнитных волн в свободном от вещества пространстве. Эта скорость не зависит от частоты электромагнитных волн, и принятое сейчас ее начение равно с = 299 792 458 м/с.
В громадном большинстве случаев эту величину с достаточной точностью можно принять равной с = 3 108 м/с - погрешность при этом менее 0,001.
И именно «триста тысяч километров в секунду» для скорости света запоминается большинством из нас на всю жизнь. Напомним, что 300 000 км - это, по порядку величины, расстояние от Земли до Луны (точнее, 380 000 км).
Таким образом, радиосигнал с Земли достигает Луны через время немного большее, чем одна секунда.
Предположение о том, что свет распространяется не с бесконечной, а с конечной скоростью, высказывались за много столетий до того, как люди смогли доказать это экспериментально. Впервые это было сделано в XVII веке, когда астрономические наблюдения странных «нерегулярностей» в движении спутника Юпитера Ио удалось объяснить только на основе предположения о конечной скорости распространения света (кстати, эта первая попытка определить скорость света дала заниженный результат с ~ 214 300 км/с).
Вплоть до конца XIX столетия скорость света интересовала исследователей, главным образом, с точки зрения понимания природы электромагнитного излучения - физикам тогда было не ясно, могут ли электромагнитные волны распространяться в вакууме, или они распространяются в особой заполняющей пространство субстанции - эфире. Однако итогом исследования этой проблемы явилось открытие, перевернувшее все существовавшие до тех пор представления о пространстве и времени. В 1881 г. в результате знаменитых опытов американского ученого Альберта Майкельсона был
установлен удивительный факт - величина скорости света не зависит от того, относительно какой системы отсчета она определяется!
Этот опытный факт противоречит закону сложения скоростей Галилея, который мы рассматривали в предыдущей главе и который кажется очевидным и подтверждается нашими повседневными наблюдениями. Но свет не подчиняется этому естественному, казалось бы, правилу сложения скоростей - относительно всех наблюдателей, как бы они ни двигались, свет распространяется с одной и той же скоростью с = 299 793 км/с. И то, что распространение света - это движение электромагнитного поля, а не частиц,
состоящих из атомов, не играет здесь роли. При выводе закона сложения скоростей (9.2) не имела значения природа движущегося объекта.
И хотя невозможно отыскать что-либо подобное в накопленных нами ранее опыте и знаниях, тем не менее, мы должны признать этот опытный факт, помня, что именно опыт является решающим критерием истины. Вспомним, что мы сталкивались с подобной ситуацией в самом начале курса, когда обсуждали свойства пространства. Тогда мы отмечали, что представить себе кривизну трехмерного пространства нам - трехмерным существам -невозможно. Но мы поняли, что факт «наличия или отсутствия» кривизны можно установить опытным путем: измеряя, например, сумму углов треугольника.
Какие же изменения необходимо внести в наше понимание свойств пространства и времени? И как в свете этих фактов относиться к преобразованиям Галилея? Можно ли их изменить так, чтобы они по-прежнему не противоречили здравому смыслу при их применении к привычным движениям окружающих нас тел и в то же время не противоречили факту постоянства скорости света во всех системах отсчета?
Принципиальное решение этих вопросов принадлежит Альберту Эйнштейну, создавшему в начале XX в. специальную теорию относительности (СТО), связавшую необычный характер распространения света с фундаментальными свойствами пространства и времени, проявляющимися при движениях со скоростями, сравнимыми со скоростью света. В современной физической литературе ее чаще называют просто релятивистской механикой.
Впоследствии Эйнштейн построил общую теорию относительности (ОТО), где исследуется связь свойств пространства и времени с гравитационными взаимодействиями.
Основу СТО составляют два постулата , которые носят название принципа относительности Эйнштейна и принципа постоянства скорости света .
Принцип относительности Эйнштейна является обобщением принципа относительности Галилея, рассмотренного в предыдущей главе, на все без исключения (а не только механические) явления природы. Согласно этому принципу, все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности Эйнштейна можно сформулировать следующим образом: все уравнения, выражающие законы природы, инвариантны по отношению к преобразованиям координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой. (Напомним, что инвариантностью
уравнений называется неизменность их вида при замене в них координат и времени одной системы отсчета координатами и временем другой). Понятно, что в соответствии с эйнштейновым принципом относительности никакими вообще опытами нельзя установить, движется «наша» система отсчета с постоянной скоростью или она неподвижна, точнее говоря, между этими состояниями нет никакого различия. Галилей эту невозможность постулировал в принципе только для механических опытов.
Принцип постоянства (точнее, инвариантности) скорости света утверждает, что скорость света в пустоте одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Как мы вскоре убедимся, из этого следует, что с - максимальная из всех возможных физических скоростей.
Оба постулата являются отражением опытных фактов: скорость света не зависит от движения источника или приемника; она не зависит также от движения системы отсчета, в которой производятся эксперименты по ее измерению. В принципе относительности это отражено в признании того факта, что не только механические, но и электромагнитные (распространение света) явления, подчиняются во всех инерциальных системах отсчета
одним и тем же законам.
Из сформулированных выше положений вытекает ряд важных выводов, касающихся свойств пространства и времени. Прежде всего, из них следуют новые правила перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, в рамках которых «очевидные» преобразования Галилея являются лишь некоторым частным случаем, реализуемым только при движениях со скоростями, много меньшими с. Для определения этих новых правил рассмотрим свет, распространяющийся от точечного источника, расположенного в начале неподвижной системы отсчета К (рис. 10.1 а).
Распространение света можно представить как распространение светового фронта, имеющего форму сферической поверхности в системе отсчета, относительно которой источник света неподвижен. Но согласно принципу относительности Эйнштейна световой фронт должен быть сферическим также и тогда, когда он наблюдается в системе отсчета, находящейся в равномерном и прямолинейном движении относительно источника.
Рис. 10.1 Свет, распространяющийся от точечного источника, расположенного в начале неподвижной системы отсчета К световой фронт должен быть сферическим также и тогда, когда он наблюдается в системе отсчета, находящейся в равномерном и прямолинейном движении относительно источника.
Из этого условия мы и определим сейчас, каковы должны быть правила преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой.
Если источник света находится в начале координат системы отсчета К, то для света, испускаемого в момент t = 0, уравнение сферического светового фронта имеет вид
x 2 + у 2 + z 2 = (ct) 2 (10.1)
Это уравнение описывает сферическую поверхность, радиус которой R = ct
увеличивается во времени со скоростью с.
Координаты и время, измеряемые наблюдателем в движущейся системе отсчета К", обозначим буквами со штрихами: х", у", z", t" . Положим, что начало отсчета времени t" совпадает с началом отсчета t и что в этот совпадающий нулевой момент времени начало координат системы К1 совпадает с положением источника света в системе К. Пусть, для определенности, система К" движется в направлении +х с постоянной скоростью V относительно системы К (рис. 10.1 б).
Как мы уже говорили, согласно второму постулату Эйнштейна, для наблюдателя в «штрихованной» системе световой фронт должен быть также сферическим, то есть уравнение светового фронта в движущейся системе должно иметь вид
x" 2 + у" 2 + z" 2 =c 2 t" 2 (10.2)
причем величина скорости света с здесь та же, что и в системе отсчета К. Таким образом, преобразования координат и времени от одной нашей системы отсчета к другой обязаны обладать таким свойством, что, например, после замены с помощью этих преобразований в (10.2) «штрихованных» величин на «не штрихованные» мы должны вновь получить уравнение сферического фронта (10.1).
Легко убедиться, что преобразования Галилея (9.3) не удовлетворяют этому требованию. Напомним, что эти преобразования связывают координаты и время в двух разных системах отсчета следующими соотношениями:
х" = х - Vt, у" = у, z" = z, t" = t. (10.3)
Если мы подставим (10.3) в (10.2), то получим
х 2 - 2xVt + V 2 t 2 + у 2 + z 2 = c 2 t 2 , (10.4)
что, конечно, не согласуется с уравнением (10.1). Какими же должны быть новые преобразования? Во-первых, так как все системы равноправны, переход из некоторой системы в любую другую должен описываться одними и теми же формулами (со своим значением V), а двукратное применение преобразований с заменой на втором шаге +V на
V должно возвращать нас в исходную систему. Таким свойством могут обладать только линейные по х и t преобразования. Бесполезно испытывать для этого соотношения типа
х" = x l/2 t 1/2 , х" = sin x
или им подобные.
Во-вторых, при V/с -> 0 эти преобразования должны переходить в преобразования Галилея, справедливость которых для малых скоростей не может быть подвергнута сомнению.
Из уравнения (10.4) ясно видно, что мы не можем оставить без изменения преобразование t" = t, если хотим уничтожить в этом уравнении нежелательные слагаемые -2xVt + V 2 t 2 , потому что для их уничтожения необходимо обязательно что-то прибавить к t.
Попробуем сначала преобразование вида:
x" = x-Vt, y" = y, z"= z, t" = t + bx, (10.5)
где b - постоянная, значение которой надо определить. Тогда уравнение (10.2) принимает вид
х 2 - 2Vxt + V 2 t 2 +y 2 + z 2 = c 2 t 2 + 2c 2 bxt + c 2 b 2 x 2 . (10.6)
Заметим, что члены в левой и правой частях равенства, содержащие произведение xt, взаимно уничтожаются, если принять
b= -V/c 2 , или t"= t-Vx/c 2 . (10.7)
При этом значении b уравнение (10.6) можно переписать следующим образом:
x 2 (1 - V 2 /с 2) + у 2 + z 2 = c 2 t 2 (l - V 2 /с 2) . (10.8)
Это уже ближе к уравнению (10.1), но еще остается нежелательный множитель 1 - (V 2 /с 2), на который умножаются х 2 и t 2 .
Мы можем исключить и этот множитель, если окончательно запишем преобразование координат и времени в следующем виде:
Это и есть знаменитые преобразования Лоренца, названные по имени голландского физика-теоретика Хендрика Лоренца, который в 1904 году вывел формулы (10.9) и тем самым подготовил переход к теории относительности.
Нетрудно проверить, что при подстановке (10.9) в уравнение (10.2) преобразования Лоренца, как и должно быть, преобразуют это уравнение в уравнение сферической поверхности (10.1) в неподвижной системе координат. Также легко убедиться, что при
V/с -> 0 преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея (9.2).
Принцип относительности Галилея был сформулирован для классической механики и заключается в следующем:
Физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Для справки сразу же нужно отметить, что физические величины не изменяющие своих значений при переходе из одной системы координат в другую с использованием какого-либо преобразования называются инвариантами относительно примененного преобразования.
Уравнения, которые остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, называются инвариантными .
Пусть есть инерциальная система S и движущаяся относительно ее с постоянной скоростью система S’. Предположим, что известен закон движения материальной точки в системе S. Задача нахождения движения этой точки в системе S’ решается с помощью преобразования Галилея . В момент времени точки начала координат О и О’ совпадают и оси координат (X,Y,Z и X’,Y’,Z’) параллельны друг другу. Система S’ движется вдоль оси Z. В момент времени t точка М и системы координат S и S’ расположены так, как показано на рисунке.
В проекциях примет вид , , , . В обратной форме . А в проекциях , , — эти формулы и являются преобразованием Галилея .
Преобразование Галилея справедливо в случае, если .
Если продифференцировать уравнение по времени, то можно получить нерелятивистский закон сложения скоростей , который имеет следующий вид:
Ускорение инвариантно относительно преобразования Галилея
Если это уравнение продифференцировать по времени еще раз, то полученный результат покажет, что ускорение инвариантно относительно проеобразования Галилея.
Из чего действительно видно, что , где — ускорение в системе S, а — ускорение в системе S’.
Т.е. при переходе из одной системы отсчета к другой мы использовали преобразование Галилея. Ускорение при этом не измениловь. Значит можно сделать вывод, что ускорение инвариантно относительно примененного преобразования.
Принцип относительности Эйнштейна
Формулировка 1
Законы природы, по которым изменятся состояния физических систем, не зависят от того, к какой из инерциальных систем отсчета относятся эти изменения.
Формулировка 2
Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Принцип относительности Энштейна представляет собой более общее определение принципа относительности Галилея. Если принцип относительности галилея был сформулирован только для класической механики, то принцип относительности Энштейна касается всех физических процессов происходящих в природе.
Каждому событию соответствует точка пространства Минковского, в лоренцевых (или галилеевых) координатах. Координаты этой точки задаются тремя декартовыми координаты трёхмерного евклидова пространства. — четвертая координата, в которой ― скорость света, а ― время события. Связь между пространственными расстояниями и промежутками времени, разделяющими события, характеризуется квадратом интервала:
Интервал в пространстве Минковского играет роль, аналогичную роли расстояния в геометрии евклидовых пространств. Он инвариантен при замене одной инерциальной системы отсчета на другую, так же, как расстояние инвариантно при поворотах, отражениях и сдвигах начала координат в евклидовом пространстве. Роль, аналогичную роли вращений координат в случае евклидова пространства, играют для пространства Минковского преобразования Лоренца. Квадрат интервала аналогичен квадрату расстояния в евклидовом пространстве. В отличие от последнего квадрат интервала не всегда положителен, также между различными событиями интервал может быть равен нулю.
Инвариантность интервала между событиями.
В дорелятивистской физике пространство и время считались независимыми друг от друга. Расстояние между двумя точками и время между двумя событиями считались постоянными, независимо от системы отсчета, т.е. эти величины были инвариантными при переходе от одной системы к другой. В релятивистской физике появилась зависимость между временем и пространством и остался лишь один пространственно-временной инвариант :
Его можно получиить применив преобразования Лоренца.
Вводим переменную , теперь время как бы имеет те же единицы измерения, что и расстояние и можно записать
Афоризмы про Величие Ярослав Гашек
Шум как фактор окружающей среды
Ударение в английском языке