Теория относительности эйнштейна простыми: Страница не найдена — ВикиНаука: интересно о сложном кратко простыми словами |

Содержание

общая теория, специальная и первый постулат ⋆ FutureNow

Твитнуть

Теория относительности Эйнштейна навсегда изменила наше понимание пространства и времени. Альберт Эйнштейн славился многими вещами, но его больше детище – теория относительности. Простыми словами про общую и специальную теорию относительности и первый постулат.

Что такое теория относительности Эйнштейна? Первый постулат теории относительности

Что такое относительность? Коротко говоря, это понятие того, что законы физики везде одинаковые и универсальные. Мы здесь, на Земле, придерживаемся тех же законов света и силы тяжести, как и кто-то в далеком уголке Вселенной – это и есть первый постулат теории относительности.

Первый постулат теории относительности Эйнштейна и универсальность законов физики и физических явлений означает, что восприятие является субъективным.

Различные зрители увидят время и интервал событий по-разному. Что для нас – миллион лет, может просто пройти в одну секунду для того, кто летит в скоростной ракете и попадает в черную дыру.

Все вокруг относительно.

Что такое

специальная теория относительности Эйнштейна?

Теория Эйнштейна делится на специальную и общую туорию относительности.

Специальная теория относительности возникла первой и основывается на том, что скорость света постоянна для всех. Это утверждение может показаться довольно простым, но это имеет далеко идущие последствия.

Эйнштейн пришел к этому выводу в 1905 г., осле того, как экспериментальные данные показали, что скорость света не меняется, когда Земля вращается вокруг солнца.

Этот результат удивил физиков, поскольку считалось, что скорость большинства вещей зависит от того, в каком направлении движется наблюдатель. Если вы едете в машине рядом с железнодорожными путями, поезд, движущийся к вам, кажется, движется гораздо быстрее, чем если бы вы повернули обратно и поехали за ним в том же направлении.

КАКОЙ БЫЛА ЭВОЛЮЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ?

Эйнштейн утверждал, что все наблюдатели измеряют скорость света в 186 000 миль в секунду, независимо от того, насколько быстро и в каком направлении они сами двигаются.

Это предположение побудило комика Стивена Райта спросить: “Если вы находитесь в космическом корабле, который путешествует со скоростью света, и вы включаете фары, что случится?”

Ответ – фары включаются нормально, но только с точки зрения того, кто находится внутри космического корабля. Если кто-то стоит на улице и наблюдает, как корабль пролетает, фары, кажется, не включаются: свет выходит, но оно движется с одинаковой скоростью космического корабля.

Эти противоречивые версии возникают из-за того, что время и пространство – неодинаковы для разных наблюдателей. Если скорость света должна быть постоянной, как сказал Эйнштейн, то время и пространство не могут быть абсолютными; они должны быть субъективными.

Например, космический корабль длиной 100 метров движется со скоростью 99,99%, скорости света – он будет казаться длиной в 1 метр стационарном наблюдателю, но он будет оставаться своей обычной длины для тех, кто находится на борту.

Возможны даже более странные факты – время проходит медленнее, чем быстрее вы едете. 2 , где E – энергия, m – масса и c – скорость света.

Общая теория относительности Эйнштейна

Эйнштейн НЕ намеривался нарушить наше понимание времени и пространства. Он продолжил обобщать свою теорию, включая ускорение, и обнаружил, что это искажает форму времени и пространства.

Представьте, что космический корабль ускоряется. Те, кто на борту, будут прилипать к земле так же, как если бы они были на Земле. Эйнштейн утверждал, что сила, которую мы называем гравитацией, не отличается от пребывания на корабле, ускоряется.

Это само по себе не было столь революционным, но когда Эйнштейн разработал сложную математику (на понадобилось ему 10 лет), он обнаружил, что пространство и время изогнутые вблизи массивного объекта, и эта кривизна – это то, что мы переживаем как силу притяжения.

Трудно изобразить изогнутую геометрию общей относительности, но если человек считает пространство-время как некую ткань, то массивный предмет растягивает окружающую ткань таким образом, что все, что проходит вблизи, уже не идет по прямой линии.

Уравнения общей относительности прогнозируют ряд явлений, многие из которых подтверждены:

сгибание света вокруг массивных предметов (гравитационное линзирования)
гравитационные волны
существования черных дыр, которые захватывают все, включая свет

Искривление пространства-времени вокруг черной дыры является более интенсивным. Если бы путешествующий по космосу близнец попал в черную дыру, он бы был растянут, как спагетти.

Что такое Вселенная: кратко о самом важном?

К счастью для него все закончилось бы за несколько секунд. Но его брат на Земле никогда не увидел этого конца – наблюдая, как брат в космосе постепенно приближается к черной дыре в течение огромного периода времени.

Источник: www.livescience.com

«Как бы вы максимально простыми словами объяснили теорию относительности?» — Яндекс Кью

Физика Принцип относительности.

Постулаты теории относительности

Материалы к уроку

Конспект урока

Развитие электродинамики привело к новым представлениям о пространстве и времени. Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится ли тело или движется (длина абсолютна). На смену старым, классическим представлениям о пространстве и времени пришло новое учение — специальная теория относительности Эйнштейна.

После того как во второй половине 19 века Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, ученые осознали, что принцип относительности Галилея сложно применить к электромагнитным явлениям. Возник вопрос: протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и так далее) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой или же подобно законам Ньютона они остаются неизменными. Законы электродинамики сложны. Согласно им скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна 300 млн метров в секунду. Но, с другой стороны, согласно законам механики Ньютона, эта скорость может равняться 300 миллионам только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к первой системе с некоторой другой скоростью, скорость света должна уже равняться разности этих скоростей. Значит, если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой, законы электродинамики должны меняться также как и законы механики. Мы обнаружили определенные противоречия между электродинамикой и механикой.

Обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Согласно этой теории инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, — это особая, преимущественная система, так как электромагнитные явления еще со времени Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство — «мировом эфире». Если бы скорость света была равна 300 000 км в секунду только в системе отсчета в некоторой инерциальной системе, тогда можно было бы обнаружить, как движется эта система по отношению к эфиру. Подобно тому, как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, так и при движении по отношению к эфиру некоторой системы должен быть обнаружен «эфирный ветер». Если, конечно, эфир существует. Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американскими ученными А. Майкельсоном и Э. Морли. Эту идею за 12 лет до этого высказал Максвелл. Заключалась она в наблюдении смещения интерференционных полос и измерении разности задержек света при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите. Такая попытка еще раньше была предпринята Генрихом Герцем. По его предположению эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимого от того, покоится тело или движется. Здесь принцип относительности справедлив. К примеру, согласно теории Герца, когда вода движется, она полностью увлекает за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так. Третья возможность разрешения указанных трудностей состоит в отказе от классических представлений о пространстве и времени. При этом можно сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. С данной точки зрения оказывается, что изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла. Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая именно эту теорию, Альберт Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Он создал новое учение о пространстве и времени, которое сегодня называют специальной теорией относительности. Обобщая свою теорию для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн построил общую теорию относительности. Она представляет собой современную теорию тяготения. Эйнштейн впервые ввел представление о частицах света, их называют фотонами. В своих опытах он сравнивал скорости света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения Эйнштейн проводил очень точно с помощью специального прибора интерферометра, разработанного Майкельсоном

и ныне носящим его имя. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. При этом движение Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось. Все это было похоже на то, как если бы вы, высунув голову из окна машины, при скорости 100 км/ч не заметили бы встречного ветра. Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь это означало, что никакой особой среды – «светоносного эфира», — с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует. Теперь легко можно согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. Для этого нужно отказаться от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

В основе рассматриваемой нами теории относительности лежат два постулата. Принцип относительности – первый и главный постулат теории Эйнштейна. Его можно сформулировать так: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму. Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Скорость света занимает особое положение. Как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе. В относительности одновременности кроется решение парадокса со сферическими световыми сигналами Опишем ситуацию. Свет одновременно достигает точек сферической поверхности с центром в точке О только с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое относительно системы К (ка). С точки зрения же наблюдателя, связанного с системой К1 (ка-1), свет достигает этих точек в разные моменты времени. Разумеется, справедливо и обратное: в системе К (ка) свет достигает точек поверхности сферы с центром в О1 (о-1) в различные моменты времени, а не одновременно, как это представляется наблюдателю в системе К1 (ка-1). Отсюда следует вывод, что никакого парадокса в действительности нет. До начала 20 века никто не сомневался, что время абсолютно. То есть, когда два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от структуры материи и ее движения, оказывается неправильным. «Минута — величина относительная: если у вас свидание с симпатичной девушкой, то она пролетит как мгновение, а если вы сидите на раскаленной плите, то она покажется вечностью». Так сам Эйнштейн пытался объяснить простыми словами свою теорию относительности. Действительно, если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках А и В произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов. Только располагая в точках А и В синхронизированными часами, можно судить о том произошли ли два каких-либо события в этих точках одновременно или нет. Для синхронизации часов правильнее будет, если прибегнут к световым или вообще электромагнитным сигналам, так как скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной причиной. Именно такой способ используют при проверки часов по радио. Рассмотрим подробнее один из простых методов синхронизации часов, не требующий никаких вычислений. Допустим, что космонавт хочет узнать одинаково ли идут установленные на противоположных концах космического корабля часы А и В (бэ). Для этого, с помощью источника, который расположен в середине корабля и неподвижен относительно него, космонавт производит вспышку света. Свет одновременно достигает обоих часов. Если показания часов в этот момент одинаковы, то часы идут синхронно. Но так будет лишь относительно системы отсчета, связанной с кораблем. В системе же отсчета, относительно которой корабль движется, положение иное. Часы на носу корабля будут удаляться от того места, где произошла вспышка света источника, и, чтобы достигнуть часов А, свет должен преодолеть расстояние, большее половины длины корабля. А часы (бэ) на корме приближаются к месту вспышки, и путь светового сигнала меньше половины длины корабля. Поэтому наблюдатель, находящийся в системе, связанной с кораблем, придет к выводу о том, что сигналы достигают обеих часов одновременно. Два любых события в точках А и В (бэ) одновременны в системе отсчета, связанной с кораблем, и не одновременны в системе, относительно которой корабль движется. Но в силу принципа относительности эти системы совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы должны прийти к заключению о том, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения звуковых сигналов. Из постулатов теории относительности вытекает ряд важнейших следствий, касающихся свойств пространства и времени. Наблюдается два релятивистских эффекта. Первое, в движущихся системах отсчета размеры тела сокращаются. Второе, в движущейся системе отсчета наблюдается замедление времени.

Так как в движущихся системах отсчета линейные размеры тела сокращаются, то это явление приводит к тому, что масса тела в движущейся системе соответственно увеличивается.

Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, так как он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме. Мы запишем закон сложения скоростей для частного случая, когда тело движется вдоль оси Х1 (икс-1) системы отсчета К1 (ка-1), которая, в свою очередь, движется с некоторой скоростью вэ относительно системы отсчета К. Обозначим скорость тела относительно К через вэ1, а скорость этого же тела относительно К через вэ2. Тогда релятивистский закон сложения скоростей будет иметь вид.

При движении замедляется протекание всех физических процессов, а также химических реакций в человеческом организме. Стоит рассмотреть интереснейшие следствия, вытекающие из специальной теории относительности Эйнштейна. «Парадокс часов», он же «парадокс близнецов» — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно специальной теории относительности, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. Но с другой стороны, этот же принцип относительности декларирует равноправие всех инерциальных систем отсчёта. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (далее путешественник) отправляется в космический полёт, второй (далее домосед) остаётся на Земле. Парадокс заключен в следующем: с точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому после возвращения на Землю они должны отстать от часов домоседа. Относительно путешественника же двигалась Земля, значит, и отстать должны часы домоседа. Но с третьей стороны, братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Постулаты теории относительности Эйнштейна также легко объясняют такое интересное явление космического пространства как черная дыра. Черная дыра образуется при гравитационном сжатии массивной звезды. Если масса некоторой звезды более чем в 2-3 раза больше массы Солнца, то ядро этой звезды сжимается и достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения окружающих космических тел. Эйнштейн Альберт (1879—1955) — великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени — специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинерциальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения. Впервые ввел представление о частицах света — фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Он предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна — де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Благодаря Альберту Эйнштейну в науке произошел пересмотр понимания физической сущности пространства и времени, он построил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн вместе с Планком заложили основы квантовой теории. Все эти концепции многократно подтверждены экспериментами и образуют фундамент современной физики.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Живая наука поддерживается аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Спутник GPS Навстар-2Ф
(Изображение предоставлено ВВС США)

Сформулированная Альбертом Эйнштейном начиная с 1905 года, теория относительности объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и ее можно использовать для предсказания таких вещей, как существование черных дыр , искривление света из-за гравитации и поведения планет на их орбитах.

Теория обманчиво проста. Во-первых, не существует «абсолютной» системы отсчета. Каждый раз, когда вы измеряете скорость объекта, его импульс или то, как он воспринимает время, это всегда связано с чем-то другим. Во-вторых, скорость света одинакова, независимо от того, кто ее измеряет или с какой скоростью движется измеряющий ее человек. В-третьих, ничто не может двигаться быстрее света.

Выводы из самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света всегда одинакова, это означает, что космонавт движется очень быстро относительно Земля будет измерять секунды медленнее, чем земной наблюдатель. Время существенно замедляется для космонавта — явление, называемое замедлением времени .

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Любой объект в большом гравитационном поле ускоряется, поэтому он испытывает замедление времени. Между тем, космический корабль астронавта испытывает сокращение длины на , а это означает, что если вы сфотографируете космический корабль во время его полета, он будет выглядеть так, как будто он «сплющивается» в направлении движения. Однако космонавту на борту все казалось бы нормальным. Кроме того, с точки зрения людей на Земле масса космического корабля могла бы увеличиться.

Но вам не обязательно нужен космический корабль , движущийся с околосветовой скоростью (откроется в новой вкладке), чтобы увидеть релятивистские эффекты. Действительно, есть несколько примеров относительности, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни и технологиях, которые мы используем сегодня, которые демонстрируют, что Эйнштейн был прав. Вот несколько способов увидеть относительность в действии.

Электромагниты

Крупный план рабочего, держащего электромагнитную катушку на заводе электромагнетиков. (Изображение предоставлено: Монти Ракусен через Getty Images)

Магнетизм — это релятивистский эффект, и вы можете увидеть это с помощью генераторов. Если вы возьмете проволочную петлю и проведете ее через магнитное поле, вы получите электрический ток. На заряженные частицы в проводе воздействует изменяющееся магнитное поле , которое заставляет некоторые из них двигаться и создает ток.

А теперь представьте провод в покое и вообразите, что магнит движется. В этом случае заряженные частицы в проводе (электроны и протоны) больше не двигаются, поэтому магнитное поле не должно на них влиять. Но это происходит, и ток все еще течет. Это показывает, что нет привилегированной системы отсчета.

Томас Мур, профессор физики Колледжа Помона в Клермонте, Калифорния, использует принцип относительности для демонстрации закона Фарадея , который гласит, что изменяющееся магнитное поле создает электрический ток.

«Поскольку это основной принцип трансформаторов и электрических генераторов, любой, кто использует электричество, испытывает эффекты относительности», — сказал Мур Live Science.

Электромагниты тоже работают по теории относительности. Когда постоянный ток электрического заряда течет по проводу, электроны дрейфуют через материал. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без положительного или отрицательного заряда, потому что в проводе примерно одинаковое количество протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). Но если положить рядом другой провод с постоянным током, провода притягиваются или отталкиваются друг от друга, в зависимости от направления, в котором движется ток, по данным физиков из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (открывается в новой вкладке).

Если предположить, что токи движутся в одном направлении, электроны во втором проводе неподвижны по сравнению с электронами в первом проводе. (Это предполагает, что токи примерно одинаковой силы. ) Между тем, протоны в обоих проводах движутся по сравнению с электронами в обоих проводах. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на длину провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку как заряды отталкиваются, так и два провода отталкиваются.

Токи в противоположных направлениях приводят к притяжению, потому что по сравнению с первым проводом электроны в другом проводе более скучены, что создает общий отрицательный заряд, по данным Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (открывается в новая вкладка). Тем временем протоны в первом проводе создают суммарный положительный заряд, и противоположные заряды притягиваются.

GPS-навигация

GPS-навигация — отличный пример релятивистского замедления времени. (Изображение предоставлено: BlackJack3D через Getty Images)

Согласно PhysicsCentral , чтобы GPS-навигация вашего автомобиля функционировала так точно, спутники должны учитывать релятивистские эффекты. Это потому, что хотя спутники и не движутся близко к скорости света, они все равно движутся довольно быстро. Спутники также посылают сигналы наземным станциям на Земле. Эти станции (а также технология GPS в автомобиле или смартфоне) испытывают более высокие ускорения из-за гравитации, чем спутники на орбите.

Чтобы добиться такой высокой точности, спутники используют часы с точностью до нескольких наносекунд (миллиардных долей секунды). Поскольку каждый спутник находится на высоте 12 600 миль (20 300 километров) над Землей и движется со скоростью около 6 000 миль в час (10 000 км/ч), существует релятивистское замедление времени , которое увеличивается примерно на 4 микросекунды каждый день. Добавьте сюда эффекты гравитации, и эффект замедления времени увеличится примерно до 7 микросекунд (миллионных долей секунды).

Разница весьма реальна: если бы не учитывались никакие релятивистские эффекты, устройство GPS, которое сообщает вам, что до следующей заправочной станции 0,8 км, расстояние до следующей заправки составило бы 5 миль (8 км), согласно в Центр физики.

Желтый цвет золота

(Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

Большинство металлов блестят, потому что электроны в атомах прыгают с разных энергетических уровней или «орбиталей». Некоторые фотоны, попавшие на металл, поглощаются и переизлучаются, хотя и с большей длиной волны. Однако большая часть видимого света отражается.

Золото является тяжелым элементом , поэтому внутренние электроны движутся достаточно быстро, чтобы релятивистское увеличение массы и сокращение длины было значительным, в соответствии с (открывается в новой вкладке) отчет (открывается в новой вкладке) из Гейдельбергского университета в Германии. В результате электроны вращаются вокруг ядра более короткими путями с большим импульсом. Электроны на внутренних орбиталях несут энергию, близкую к энергии внешних электронов, а длины волн, которые они поглощают и отражают, больше. Более длинные волны света означают, что часть видимого света, который обычно отражается, поглощается, и этот свет находится в синей части спектра. Белый свет это смесь всех цветов радуги , но в случае с золотом, когда свет поглощается и переизлучается, длина волны обычно больше. Это означает, что в смеси световых волн, которые мы видим, меньше синего и фиолетового. Поскольку длина волны желтого, оранжевого и красного света больше, чем у синего, золото кажется желтоватым, согласно BBC (открывается в новой вкладке).

Устойчивость золота к коррозии

Золото отлично подходит для использования в ювелирных изделиях, хотя изделия из чистого золота встречаются редко. (Изображение предоставлено Питером Дазели через Getty Images)

Релятивистский эффект на электроны золота также является одной из причин, по которой золото не подвергается коррозии и легко не реагирует ни с чем другим, согласно статье 1998 года в журнале Gold Bulletin .

У золота только один электрон на внешней оболочке, но оно не так реактивно, как кальций или литий. Вместо этого, поскольку электроны в золоте «тяжелее», чем они должны быть, поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, увеличивая свою массу, они удерживаются ближе к атомному ядру. Это означает, что самый дальний электрон вряд ли может вообще с чем-либо реагировать; с такой же вероятностью он может быть среди электронов, близких к ядру.

Жидкая ртуть

Ртуть используется в ЖК-экранах и мониторах. (Изображение предоставлено Питером Кейдом через Getty Images)

Меркурий также является тяжелым атомом, в котором электроны удерживаются близко к ядру из-за их скорости и последующего увеличения массы. Связи между атомами ртути слабы, поэтому ртуть плавится при более низких температурах и обычно является жидкостью, когда мы ее видим, согласно Chemistry World .

Ваш старый телевизор

Электронно-лучевая трубка, используемая в старом аналоговом осциллографе в лаборатории. (Изображение предоставлено: albln через Getty Images)

Примерно до начала 2000-х большинство телевизоров и мониторов имели экраны с электронно-лучевой трубкой. Электронно-лучевая трубка работает, запуская электроны на поверхность люминофора с помощью большого магнита. Каждый электрон образует подсвеченный пиксель, когда он попадает на заднюю часть экрана, и электроны вспыхивают, заставляя изображение двигаться со скоростью до 30% скорости света. Релятивистские эффекты заметны, и когда производители формировали магниты, они должны были учитывать эти эффекты, согласно PBS News Hour (открывается в новой вкладке).

Свет

Изображение гигантской галактики UGC 2885, сделанное космическим телескопом Хаббл. (Изображение предоставлено NASA/ESAB. Holwerda (Университет Луисвилля))

Исаак Ньютон предположил, что существует абсолютная система покоя или внешняя совершенная система отсчета, с которой мы могли бы сравнить все другие системы отсчета. Если бы он был прав, нам пришлось бы придумать другое объяснение света, потому что его бы вообще не было.

«Не было бы не только магнетизма, но и света, потому что относительность требует, чтобы изменения в электромагнитном поле происходили с конечной скоростью, а не мгновенно», — сказал Мур. «Если бы теория относительности не навязывала это требование… изменения в электрических полях сообщались бы мгновенно… вместо электромагнитных волн, и и магнетизм, и свет были бы не нужны». 92 — солнце и остальные звезды не светили бы. В центре нашей родительской звезды интенсивные температуры и давления постоянно сжимают четыре отдельных атома водорода в один атом гелия, согласно Университета штата Огайо . Масса одного атома гелия лишь немногим меньше массы четырех атомов водорода. Что происходит с дополнительной массой? Он напрямую преобразуется в энергию, которая проявляется в виде солнечного света на нашей планете.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о том, как теория относительности влияет на изучение далеких космических объектов (открывается в новой вкладке) , от НАСА.
См. , как теория относительности становится важной (открывается в новой вкладке) для ускорителей частиц от Fermilab.
Исследуйте историю теории относительности Эйнштейна и ее многочисленные подтвержденные предсказания от Европейского космического агентства.

Эта статья была обновлена 22 марта 2022 г. автором Live Science Адамом Манном.

Джесси Эмспак — автор статей для Live Science, Space.com и Toms Guide. Он занимается физикой, здоровьем человека и общей наукой. Джесси имеет степень магистра искусств Калифорнийского университета, Школы журналистики Беркли и степень бакалавра искусств Университета Рочестера. Джесси провел годы, освещая финансы, и набился зубами в местных газетах, работая с местными политиками и полицией. Джесси любит вести активный образ жизни и имеет черный пояс третьей степени по каратэ, что означает, что теперь он знает, как многому ему еще предстоит научиться.

При участии

Адам MannLive Science Contributor

8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Спутник GPS Навстар-2Ф
(Изображение предоставлено ВВС США)

Сформулирована Альбертом Эйнштейном начиная с 1905 года, теория относительности объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и его можно использовать для предсказания таких вещей, как существование черных дыр , искривление света из-за гравитации и поведение планет на их орбитах.

Выводы из самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света всегда одинакова, это означает, что астронавт, движущийся очень быстро относительно Земли , будет измерять секунды медленнее, чем земной наблюдатель. Время существенно замедляется для космонавта — явление, называемое замедлением времени .

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного меньше?

Любой объект в большом гравитационном поле ускоряется, поэтому он испытывает замедление времени. Тем временем космический корабль астронавта испытывает сокращение длины , что означает, что если вы сфотографируете космический корабль во время его полета, он будет выглядеть так, как будто он «сплющен» в направлении движения. Однако космонавту на борту все казалось бы нормальным. Кроме того, с точки зрения людей на Земле масса космического корабля могла бы увеличиться.

Но вам не обязательно нужен космический корабль , летящий с околосветовой скоростью (откроется в новой вкладке), чтобы увидеть релятивистские эффекты. Действительно, есть несколько примеров относительности, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни и технологиях, которые мы используем сегодня, которые демонстрируют, что Эйнштейн был прав. Вот несколько способов увидеть относительность в действии.

Электромагниты

Крупный план рабочего, держащего электромагнитную катушку на заводе по производству электромагнетиков. (Изображение предоставлено: Monty Rakusen через Getty Images)

Томас Мур, профессор физики в Колледже Помона в Клермонте, Калифорния, использует принцип относительности для демонстрации закона Фарадея , который гласит, что изменяющееся магнитное поле создает электрический ток.

GPS-навигация

Желтый цвет золота

(Изображение предоставлено Джонатаном Ноулзом через Getty Images)

Устойчивость золота к коррозии

Жидкая ртуть

Ртуть используется в ЖК-экранах и мониторах. (Изображение предоставлено Питером Кейдом через Getty Images)

Ваш старый телевизор

Свет

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о том, как теория относительности влияет на изучение далеких космических объектов (открывается в новой вкладке) , от НАСА.
См. , как теория относительности становится важной (открывается в новой вкладке) для ускорителей частиц от Fermilab.
Исследуйте историю теории относительности Эйнштейна и ее многочисленные подтвержденные предсказания от Европейского космического агентства.

Эта статья была обновлена 22 марта 2022 г. автором Live Science Адамом Манном.

При участии

Адам MannLive Science Contributor

Теория относительности Эйнштейна. Объяснил максимально просто, но нет… | Panda the Red

На основе фотографии под названием «Альберт Эйнштейн, автор Дорис Ульманн». Источник: Викисклад. Всеобщее достояние.

«Все должно быть сделано как можно проще, но не проще».

Обновление от 20 апреля 2020 г.: Вышло продолжение этой статьи: Релятивистское мышление .

Специальная теория относительности, без сомнения, является одним из самых важных открытий в истории науки и уступает только открытию законов механики Ньютоном по своему значению для физики. Несмотря на это, специальная теория относительности плохо изучена, и в Интернете и в средствах массовой информации существует множество дезинформации по этому вопросу. Этому не способствует в основном незаслуженная репутация слишком сложной для понимания большинства людей.

На самом деле, основные идеи не так уж сложны для понимания. В этой статье мы объясним некоторые из этих основных идей, пройдя прямой путь через историю физики со времен Галилея, показав, почему законы физики, как они понимались в 19 веке, должны были быть скорректированы, показав, как в результате этой корректировки возникла специальная теория относительности. и изучение некоторых следствий этой новой теории.

Системы отсчета, ковариация и теория относительности Галилея

Основная идея теории относительности заключается в том, что два разных наблюдателя, движущихся относительно друг друга, должны согласиться с законами физики. Когда два разных наблюдателя находятся в относительном движении, говорят, что они находятся в разных системах отсчета, а когда их относительная скорость постоянна, эти системы отсчета называются инерциальными. Когда все наблюдатели во всех инерциальных системах отсчета соглашаются с физической теорией, говорят, что эта теория ковариант . Мы будем рассматривать только инерциальные системы отсчета.

Предположим, что наблюдатель, покоящийся относительно системы координат S, стоит в начале системы координат (x,y,z), а наблюдатель, покоящийся относительно системы координат S′, стоит в начале координат система координат (x′,y′,z′). Если наблюдатель в S видит, что начало координат S’ движется вправо с постоянной скоростью V, то говорят, что две системы отсчета находятся в стандартной конфигурации : 9. 0003 Источник: Викисклад. Всеобщее достояние.

Мы всегда будем предполагать, что S и S’ находятся в стандартной конфигурации.

Предположим, что наблюдатель в S отмечает, что событие происходит в точке P в момент времени T₀ и что другое событие происходит в точке Q в момент времени T₁, и пусть L — расстояние между P и Q и ΔT=T₁-T₀. Предположим, что наблюдатель в S’ видит одни и те же события, разделенные расстоянием L’, и второе событие происходит через ΔT’ секунд после первого. До Эйнштейна были сделаны следующие предположения:

Расстояние абсолютное: L=L′
Время абсолютное: ΔT=ΔT′

Длины определяются по теореме Пифагора: L²=(Δx)²+(Δy)²+(Δz)², где Δx , Δy и Δz — смещения в направлениях x, y и z. Величины, которые принимают одно и то же числовое значение во всех инерциальных системах отсчета, называются -инвариантными.

Пусть x, y, z и t — координаты положения и времени в системе координат, присоединенной к S, а x’, y’, z’ и t’ — координаты положения и времени в системе координат, прикрепленной к S. ‘. Эти предположения о расстояниях и временных интервалах подразумевают, что эти системы координат связаны следующим правилом:

Это называется преобразованием Галилея . Галилеевская теория относительности — это теория, согласно которой законы физики ковариантны по отношению к преобразованию Галилея. Проверим, верно ли это для ньютоновской физики. Предположим, что известно, что закон Ньютона верен в системе отсчета S’:

. Мы игнорируем координаты y’ и z’ для простоты.

Здесь F′(x′,t′) – произвольная сила, измеренная экспериментально, а F(x,t) – выражение той же силы согласно системе S. Предположим, что наблюдатель в S′ определил F′ (x′,t′) путем проверки числовых значений x′ и t′. Чтобы найти F(x,t), наблюдатель в S проверяет те же числовые значения для x и t. Поскольку это одна и та же сила, а также поскольку S не испытывает никакого ускорения относительно S’, наблюдатель в S должен получить те же результаты, F(x,t)=F'(x’,t’). Подставляя x′=x-Vt и t′=t в производную, мы получаем:

Отсюда следует, что:

Итак, ньютоновская физика ковариантна по отношению к преобразованию Галилея. Но верно ли это для всех законов физики?

Рассмотрим уравнения Максвелла в области пространства, свободной от зарядов или токов:

Возьмите изгиб третьей линии и используйте тождество векторного исчисления ∇⨯(∇⨯ E )=∇(∇⋅ E )- ∇² E = -∇² E , потому что ∇⋅ E = 0. Тогда вектор электрического поля E подчиняется волновому уравнению:

Таким же образом можно показать, что вектор магнитного поля B также подчиняется волновому уравнению. Это уравнение предсказывает, что возмущение электрического поля будет распространяться с постоянной скоростью 90 177 c 90 178 , скоростью света. Рассмотрим электрическое поле, единственная составляющая которого находится в направлении x и которое не зависит от y или z. Предположим, что в системе S′ выполняется волновое уравнение:

Нам нужно это преобразовать в:

Давайте посмотрим, произойдет ли это с преобразованием Галилея.

Производные преобразуются в соответствии с цепным правилом:

А это означает, что при преобразовании Галилея волновое уравнение, как видно из системы S’, преобразуется в следующее, если смотреть из S:

Это представляет проблему: наблюдатели в разных инерциальные системы отсчета не согласятся с законом, управляющим распространением луча света. Чтобы решить эту проблему, у нас нет другого выбора, кроме как заключить, что хотя бы одно из следующих утверждений верно:

Уравнения Максвелла неверны.
Существует только одна особая система отсчета, в которой верны уравнения Максвелла, а именно система покоя так называемого светоносного эфира.
Преобразование Галилея неверно, а значит, и лежащие в его основе предположения о пространстве и времени неверны.

Первое предложение можно сразу отбросить. Уравнения Максвелла — это экспериментальные факты реальности. Второй можно отбросить в свете нескольких десятилетий во второй половине XIX века, в течение которых физики безуспешно пытались обнаружить эфир. Остается только третий вариант.

Преобразование Лоренца и теория относительности Эйнштейна

В 1892 году Хендрик Лоренц опубликовал статью, в которой показал, что преобразование, при котором уравнения Максвелла ковариантны, имеет вид:

Где γ называется фактором Лоренца:

Законы Ньютона имеют вид также ковариантен относительно этого преобразования с соответствующей модификацией, но об этом мы поговорим в продолжении этой статьи.

Это называется преобразованием Лоренца. К сожалению, Лоренц не дал правильной физической интерпретации, так как неправильно приписал ее движению Земли относительно светоносного эфира.

Эйнштейн дал правильную интерпретацию в своей статье 1905 года «Об электродинамике движущихся тел» , и эта интерпретация является основой того, что сейчас называется специальной теорией относительности. Он начал со следующих двух постулатов:

Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
Скорость света имеет одинаковое значение во всех инерциальных системах отсчета, то есть является инвариантной .

Мы можем использовать их для получения преобразования Лоренца, но для этого потребуется внести некоторые изменения в то, как мы понимаем пространство и время.

Замедление времени

Пусть S′ будет кадром покоя поезда в стандартной конфигурации с S, кадром покоя человека, стоящего на платформе. На поезде проводится эксперимент, в котором в течение интервала времени Δt′ происходит какой-либо физический процесс. Мы покажем, что наблюдатель на платформе увидит, что тот же самый физический процесс происходит в течение временного интервала Δt, где Δt и Δt′ связаны соотношением:

Поскольку γ>1, это называется замедлением времени . Предположим, что, по словам человека, проводившего эксперимент в поезде, лазерный импульс покидает точку А’, движется прямо вверх, затем отражается от зеркала в точке В’, а затем возвращается к детектору в точке С’, которая находится рядом с к А’.

Общее расстояние, пройденное лазерным импульсом, составило 2 часа, а скорость c , поэтому:

Теперь давайте подумаем о том, что видит наблюдатель на платформе. Пока лазерный импульс движется с постоянной скоростью от излучателя к зеркалу, а затем обратно к детектору, поезд также движется вправо. Для наблюдателя на платформе путь лазерного импульса представляет собой треугольник:

Не в масштабе.

По теореме Пифагора длина прямой AB равна:

Общая длина пути в два раза больше этой величины, а также, поскольку скорость света одинакова в обеих системах отсчета, общая длина пути должна быть равна cΔt, поэтому:

Теперь найдем Δt через Δt ′ путем исключения h. Из формулы для Δt’ мы получаем h=cΔt’/2, поэтому, подставив это и возведя в квадрат обе части формулы для Δt, мы получим:

Это показывает, что, поскольку скорость света должна быть неизменной, время расширяется между системами отсчета. Это объясняет, почему движущиеся часы кажутся медленнее: если часы в поезде тикают каждую секунду, то интервал между тактами увеличивается в зависимости от того, кто наблюдает за ними с рельсов.

Демонстрация: распад мюона

Мюон — это субатомная частица, идентичная электрону во всех отношениях, кроме массы: мюон примерно в 207 раз тяжелее. Слабое взаимодействие (одно из четырех фундаментальных взаимодействий) заставляет мюон распадаться на электрон и две другие частицы, называемые электронным антинейтрино и мюонным нейтрино: выборке из 100 мюонов потребуется около 2,2 микросекунды, чтобы половина из них распалась на электроны.

Мюоны образуются в верхних слоях атмосферы, когда космические лучи сталкиваются с молекулами газа на высоте около 15 километров. Детекторы мюонов на уровне моря обычно обнаруживают один мюон на квадратный сантиметр в минуту, а их средняя скорость при обнаружении на уровне моря составляет около 0,995 с. Если пренебречь теорией относительности, мы обнаружим, что время, необходимое мюону для достижения уровня моря, составляет 15 000 м/0,995 c~ 50 микросекунд, или около 23 периодов полураспада. Поскольку поток мюонов на уровне моря составляет 1/с∙см², это означает, что количество мюонов, производимых на высоте, будет 2²³/с∙см², что не очень реалистично.

Но давайте посмотрим, что произойдет, если мы рассмотрим специальную теорию относительности. Когда дело доходит до распада частиц, для вас, наблюдателя, не имеет значения, сколько времени проходит. Важно то, сколько времени проходит для частиц, и если эти частицы движутся намного быстрее, чем вы, то из-за замедления времени, когда для вас истекает временной интервал Δt, для частицы.

Для V=0,995c, γ~10. Итак, хотя вам кажется, что мюонам требуется около 50 микросекунд, чтобы достичь уровня моря, для мюонов требуется всего около 5 микросекунд, или около 2,3 периода полураспада. Это означает, что если поток мюонов на уровне моря составляет 1/с∙см², то поток мюонов, генерируемых на расстоянии 15 км, составляет около 4,5/с∙см², что является гораздо более разумным числом.

Мюоны, со своей стороны, видят землю, движущуюся к ним со скоростью 0,995 c. Мюоны увидят, что достигают земли (или, так сказать, земля достигает их) всего через 5 микросекунд, но как они могли пройти 15 000 метров за 5 микросекунд со скоростью всего 0,995c? Ответ заключается в том, что они этого не сделали.

Сокращение длины

Наблюдатель, находящийся в состоянии покоя в системе S, видит, как частица со скоростью V x проходит мимо столба в точке A в момент времени t=0, а затем в момент времени Δt он видит, как частица проходит мимо столба в точке B, с обеими точками на оси x, разделенными длиной L. Система покоя частицы S ‘, а в S ‘частица неподвижна, а два столба, разделенные длиной L ‘, приближаются к частице со скоростью -V х . Первый столб проходит частицу в момент времени t′=0, а второй – в момент времени Δt′=Δt/γ. Поскольку L=VΔt и L′=VΔt′, мы видим, что L′=L/γ. Это означает, что в подвижной системе отсчета длина сокращается.

Это отвечает на вопрос, поставленный в конце предыдущего раздела: мюонам не обязательно преодолевать расстояние в 15 000 метров, которое видит наблюдатель с Земли. В остальных кадрах мюонов расстояние составляет всего 1500 метров.

Это относится к сужению пространства по мнению наблюдателя в системе покоя движущегося объекта. Существует также обратная версия этого принципа, согласно которой движущиеся объекты кажутся сжатыми. Пусть S′ будет системой покоя стержня, который движется со скоростью V x в соответствии с кадром наблюдения S. Наблюдатель не может знать, движется ли он относительно стержня или стержень движется относительно него. Если бы она двигалась относительно стержня, то она увидела бы, что пространство сжимается, поэтому стержень кажется короче, чем его длина в состоянии покоя. Это в точности эквивалентно утверждению, что стержень кажется короче, потому что он движется, поскольку у нее нет возможности узнать, движется ли он или стержень.

Преобразование Лоренца

Теперь мы можем доказать, что преобразование Лоренца связывает системы координат двух систем отсчета в стандартной конфигурации. Мы покажем, что:

Так как скорость S’ относительно S постоянна и полностью в направлении x, по симметрии должно быть верно, что y’=y и z’=z.

Чтобы продолжить, определим новую величину, называемую пространственно-временным интервалом (Δs)²:

Имейте в виду, что для знаков минус существуют другие соглашения.

Мы покажем, что пространственно-временной интервал инвариантен, а это означает, что (Δs)²=(Δs′)² для всех пар систем отсчета S и S′.

Предположим, что человек, стоящий неподвижно в кадре S, посылает лазерный импульс, который проходит расстояние L за время Δt, и относительно кадра S’ импульс проходит расстояние L’ за время Δt’. Тогда c² =(L/Δt)²=(L′/Δt′)² из инвариантности c . Тогда мы имеем:

Остальная часть вывода преобразования Лоренца следует выводу, который использовал Эйнштейн в своей популярной книге по теории относительности. Отбросьте дельта-символы во второй строке выше, и, поскольку y′=y и z′=z, эти члены исключаются из уравнения. Тогда мы можем написать:

Мы можем использовать это, чтобы написать:

Добавьте второе уравнение к первому, чтобы получить уравнение для x’ и вычтите первое уравнение из второго, чтобы получить уравнение для c t’:

Затем сделайте следующее присваивания:

Таким образом, мы получаем линейную систему для x’ и c t’:

Начало системы координат со штрихом имеет скорость V x , и поэтому мы можем установить его вектор положения как (Vt,0,0 ), поэтому пусть x′=0 совпадает с x=Vt. Тогда первое уравнение дает:

Теперь система уравнений принимает вид:

Чтобы найти a , подставьте их в выражение инвариантности пространственно-временного интервала c²(t′)²-(x′)²=c²t²-x²:

Это означает, что:

Тогда мы получим преобразование Лоренца, если подставим это в формулы, которые мы нашли для x’ и ct’:

Итак, мы успешно получили преобразование Лоренца из физических принципов.

Демонстрация: классический предел

Преобразование Лоренца сильно отличается от преобразования Галилея. Как физики могли так долго ошибаться?

Рассмотрим реактивный истребитель, летящий чуть выше скорости звука относительно наблюдателя в ближайшей диспетчерской вышке, с V=350 м/с. Тогда V²/ c ²~1,4×10⁻¹². Лучший способ аппроксимировать значение γ для малых значений V²/ c ² — это использовать биномиальное приближение, которое говорит, что:

Это дает хорошую оценку для γ: Здравая, нерелятивистская физика имеет точность до триллионных долей (12 знаков после запятой). И конечно, даже эта «низкая» скорость была практически недоступна для тех, кто проводил эксперименты до 20-го века и уж точно никогда не встречалась бы никому в их повседневной жизни, так что нетрудно понять, почему со времени начала XX века прошло почти 300 лет. Галилей, прежде чем кто-либо заметил, что что-то не так.

Пространство-время

Нельзя слишком сильно подчеркнуть, что замедление времени и сокращение длины являются свойствами самих пространства и времени. Они не являются результатом действия сил, заставляющих часы идти медленнее в зависимости от того, кто на них смотрит, и движение с релятивистской скоростью не вызывает сил, растягивающих или сжимающих объекты. Это также не результат ошибки измерения или оптической иллюзии, из-за которой наблюдатели в разных кадрах неправильно оценивают длину объекта или скорость хода часов. Когда наблюдатели в разных системах отсчета сообщают о разной длине измерительных стержней или о разной частоте хода часов, все они верны, потому что длины и временные интервалы не являются инвариантными, и именно так работают пространство и время.

Классическая физика сформулирована в трехмерном евклидовом пространстве , E₃, наборе всех упорядоченных троек действительных чисел (x,y,z) в сочетании с достаточной топологической структурой, чтобы такие понятия, как «расстояние» и «точка», имели смысл , а также функцию, называемую евклидовой метрикой , которая говорит, что расстояние между двумя точками P₁=(x₁,y₁,z₁) и P₂=(x₂,y₂,z₂) равно:

Итак, в классической физике, если событие происходит в точке P₁ в момент времени t₁, а затем второе событие происходит в точке P₂ в момент времени t₂, где P₁ и P₂ разделены расстоянием L и временем Δt=t₂-t₁, лучшее, что мы можем сказать, это то, что два события произошли разместите на расстоянии L метров друг от друга, а второе произошло через Δt секунд после первого. Вот что имеется в виду, когда мы говорим, что пространство и время в классической физике «разделены»: нет последовательного способа присвоить единое число «расстоянию» между двумя событиями в классическом пространстве-времени.

Действительно ли мы живем в евклидовом пространстве? Мы не. Если бы пространство-время было евклидовым, то преобразование Галилея было бы правильным соотношением между координатами разных систем отсчета, поэтому расстояния были бы инвариантны по отношению к изменению системы отсчета. Но это неверно из-за сокращения длины. Возникает вопрос, в каком пространстве мы на самом деле живем.

Рассмотрим множество всех точек пространства-времени (x,y,z,t), но на этот раз предположим, что «расстояние» между двумя точками есть интервал пространства-времени. . Если событие s₁ происходит в позиции (x₁,y₁,z₁) и момент времени t₁, а другое событие s₂ происходит в позиции (x₂,y₂,z₂) в момент времени t₂, то «расстояние» между ними определяется как:

Названием функции, которая дает пространственно-временной интервал между двумя событиями, является метрика Минковского , в честь Германа Минковского. Минковский, который на самом деле был одним из профессоров Эйнштейна в колледже, фактически формализовал концепцию пространства-времени. Таким образом, вместо трехмерного евклидова пространства с одним «дополнительным» измерением времени мы живем в четырехмерном пространстве-времени Минковского. Последствия этого огромны, и некоторым из них придется ждать продолжения этой статьи. Но чтобы закрыть эту статью, давайте поговорим о самом известном из них.

Демонстрация: Эквивалентность массы и энергии, E=mc²

Одним из самых известных следствий специальной теории относительности является то, что масса покоя эквивалентна энергии. Масса покоя частицы — это ее масса, измеренная в системе отсчета, в которой частица не движется. Этот раздел предназначен для предоставления обоснования, но не формального доказательства этого утверждения.

Сначала я буду утверждать, исходя из физических принципов, что частица может двигаться со скоростью света тогда и только тогда, когда у нее нет массы покоя. Фактическое доказательство придется ждать после этой статьи, которая будет посвящена некоторым приложениям релятивистской физики.

Предположим, что частица движется со скоростью света в кадре S и преодолевает расстояние L за время Δt, так что c Δt=L, поэтому (Δs)²=( c Δt)²-L² =0. Но в силу неизменности пространственно-временного интервала (Δs′)²=(Δs)², поэтому в любой другой системе отсчета S′, (Δs′)²=( c Δt′)²-(L′)² =0, поэтому L′/Δt′= c , поэтому скорость частицы составляет c в на каждые инерциальных систем отсчета. Это означает, что у него нет системы покоя, и поэтому физически бессмысленно говорить, что у него есть масса покоя. Это удовлетворяет части утверждения «только если».

Теперь предположим, что имеется система отсчета, в которой частица покоится и имеет нулевую массу. Тогда частица может также и не существовать: она покоится, поэтому у нее нет импульса, чтобы передать ее другим частицам, и у нее нет массы, поэтому никакая другая частица не может передать ей импульс, поэтому для этого нет никакого способа. частица для взаимодействия с чем-либо во Вселенной. Поскольку нас интересуют только частицы, существование которых имеет физический смысл, мы можем сказать, что не существует системы отсчета, в которой безмассовая частица покоится, поэтому все безмассовые частицы должны двигаться со скоростью света. Это удовлетворяет части «если» утверждения.

В дальнейшем мы увидим, что теория относительности заставляет импульс и энергию работать не так, как мы привыкли думать о них, но основные законы сохранения остаются в силе: импульс и энергия по-прежнему сохраняются в каждой системе отсчета.

Позитрон — субатомная частица, античастица по отношению к электрону. Он идентичен электрону во всех отношениях, за исключением того, что имеет противоположный заряд. Из опыта известно, что когда частица и античастица сталкиваются друг с другом, они аннигилируют друг с другом и производят излучение. Формула для этого:

Где e⁺ означает позитрон, e⁻ означает электрон, а γ означает фотон, поэтому получается два фотона. Рассмотрим случай, когда электрон и позитрон покоятся и находятся в контакте друг с другом за мгновение до того, как произойдет аннигиляция. Общая масса системы равна 2mₑ, что в два раза больше массы электрона, а полный импульс системы равен нулю. Но после аннигиляции полная масса покоя равна нулю, потому что образовавшиеся фотоны движутся со скоростью света. Куда уходит масса и откуда берется энергия?

Поскольку импульс сохраняется, после аннигиляции общий импульс по-прежнему равен нулю, поэтому два фотона имеют импульс с одинаковой величиной p и противоположными направлениями. Хотя у фотонов нет массы покоя, у них все же есть кинетическая энергия, которую мы можем записать как E = пк .

Эксперименты показали, что после аннигиляции полная кинетическая энергия двух фотонов составляет около 1,637×10⁻¹³ Джоулей. Суммарная масса покоя двух электронов составляет около 1,829×10⁻³⁰ кг. Когда эта общая масса покоя умножается на c², мы получаем (2mₑ) c ²=1,644×10⁻¹³ Джоулей, что соответствует общей выделившейся энергии с точностью до ошибки округления. Такое же соотношение между энергией и массой покоя возникает, когда этот эксперимент повторяется с протонами и антипротонами, нейтронами и антинейтронами, мюонами и антимюонами и так далее.