وفق نظرية النسبية الخاصة. أساسيات النسبية الخاصة

النسبية الخاصة ، والمعروفة أيضًا باسم النسبية الخاصة ، هي نموذج وصفي مفصل لعلاقات الزمان والمكان ، والحركة ، وقوانين الميكانيكا ، تم إنشاؤه في عام 1905 من قبل الحائز على جائزة نوبل ألبرت أينشتاين.

التحق ماكس بلانك بقسم الفيزياء النظرية بجامعة ميونيخ ، وطلب النصيحة من الأستاذ فيليب فون جولي ، الذي كان في ذلك الوقت مسؤولاً عن قسم الرياضيات في هذه الجامعة. الذي تلقى النصيحة له: "في هذا المجال ، كل شيء تقريبًا مفتوح بالفعل ، وكل ما تبقى هو إغلاق بعض المشاكل غير المهمة جدًا". أجاب يونغ بلانك أنه لا يريد اكتشاف أشياء جديدة ، لكنه أراد فقط فهم المعرفة المعروفة بالفعل وتنظيمها. نتيجة لذلك ، ظهرت لاحقًا نظرية الكم من إحدى هذه "المشكلات غير المهمة جدًا" ، ومن أخرى - نظرية النسبية ، التي حصل عليها ماكس بلانك وألبرت أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء.

على عكس العديد من النظريات الأخرى التي اعتمدت على التجارب الفيزيائية ، استندت نظرية أينشتاين بالكامل تقريبًا على تجاربه الفكرية وتم تأكيدها في وقت لاحق فقط في الممارسة. لذا بالعودة إلى عام 1895 (عندما كان يبلغ من العمر 16 عامًا فقط) فكر في ما سيحدث إذا تحرك موازيًا لشعاع من الضوء بسرعته؟ في مثل هذه الحالة ، اتضح أنه بالنسبة للمراقب الخارجي ، يجب أن تتأرجح جسيمات الضوء حول نقطة واحدة ، وهو ما يتعارض مع معادلات ماكسويل ومبدأ النسبية (التي تنص على أن القوانين الفيزيائية لا تعتمد على مكانك والسرعة. الذي تنتقل به). وهكذا ، توصل أينشتاين الشاب إلى استنتاج مفاده أن سرعة الضوء يجب أن تكون بعيدة المنال بالنسبة لجسم مادي ، وأن اللبنة الأولى وُضعت في أساس النظرية المستقبلية.

تم إجراء التجربة التالية من قبله في عام 1905 وتمثلت في حقيقة أنه يوجد في نهايات قطار متحرك مصدران للضوء النبضي يتم إشعالهما في نفس الوقت. بالنسبة للمراقب الخارجي الذي يمر بالقطار ، فإن كلا الحدثين يحدثان في وقت واحد ، ومع ذلك ، بالنسبة للمراقب الموجود في وسط القطار ، يبدو أن هذه الأحداث قد حدثت في أوقات مختلفة ، منذ وميض الضوء من البداية سيأتي من السيارة في وقت أبكر من نهايتها (بسبب سرعة الضوء الثابتة).

من هذا توصل إلى نتيجة جريئة وبعيدة المدى مفادها أن تزامن الأحداث نسبي. نشر الحسابات التي تم الحصول عليها على أساس هذه التجارب في العمل "في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة". في هذه الحالة ، بالنسبة للمراقب المتحرك ، سيكون لإحدى هذه النبضات طاقة أكبر من الأخرى. من أجل عدم انتهاك قانون الحفاظ على الزخم في مثل هذه الحالة أثناء الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر ، كان من الضروري أن يفقد الجسم كتلته في نفس الوقت مع فقدان الطاقة. وهكذا ، توصل أينشتاين إلى معادلة تميز العلاقة بين الكتلة والطاقة E = mc 2 - والتي ربما تكون أشهر صيغة فيزيائية في الوقت الحالي. تم نشر نتائج هذه التجربة من قبله في وقت لاحق من ذلك العام.

المسلمات الأساسية

ثبات سرعة الضوء- بحلول عام 1907 ، أجريت تجارب للقياس بدقة ± 30 كم / ثانية (والتي كانت أكثر من السرعة المدارية للأرض) ، والتي لم تكشف عن تغيراتها خلال العام. كان هذا أول دليل على ثبات سرعة الضوء ، وهو ما تم تأكيده لاحقًا من خلال العديد من التجارب الأخرى ، سواء من قبل المجربين على الأرض أو من خلال الأجهزة الآلية في الفضاء.

مبدأ النسبية- يحدد هذا المبدأ ثبات القوانين الفيزيائية في أي نقطة في الفضاء وفي أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي. أي ، بغض النظر عما إذا كنت تتحرك بسرعة حوالي 30 كم / ثانية على طول مدار الشمس مع الأرض أو في مركبة فضائية خارج حدودها - من خلال إعداد تجربة فيزيائية ، ستأتي دائمًا إلى نفس الشيء النتائج (إذا كانت سفينتك في هذا الوقت لا تسرع أو تبطئ). تم تأكيد هذا المبدأ من خلال جميع التجارب على الأرض ، واعتبر أينشتاين هذا المبدأ صحيحًا بالنسبة لبقية الكون أيضًا.

الآثار

من خلال الحسابات القائمة على هذين الافتراضين ، توصل أينشتاين إلى استنتاج مفاده أن الوقت الذي يتحرك فيه المراقب في السفينة يجب أن يتباطأ مع زيادة السرعة ، ويجب أن يتقلص هو نفسه ، جنبًا إلى جنب مع السفينة ، في اتجاه الحركة (بالترتيب) للتعويض عن آثار الحركة ومراعاة مبدأ النسبية). من حالة محدودية السرعة لجسم مادي ، فقد اتبعت أيضًا أن قاعدة إضافة السرعات (التي لها شكل حسابي بسيط في ميكانيكا نيوتن) يجب استبدالها بتحولات لورينتز الأكثر تعقيدًا - في هذه الحالة ، حتى لو أضفنا اثنين سرعات تصل إلى 99٪ من سرعة الضوء ، سنحصل على 99.995٪ من هذه السرعة ، لكننا لن نتجاوزها.

مكانة النظرية

نظرًا لأن أينشتاين استغرق 11 عامًا فقط لتشكيل نسخته العامة من نظرية معينة ، لم يتم إجراء تجارب مباشرة لتأكيد SRT. ومع ذلك ، في نفس العام الذي نُشر فيه ، نشر أينشتاين أيضًا حساباته ، والتي أوضحت تحول الحضيض الشمسي لعطارد إلى كسور من نسبة مئوية ، دون الحاجة إلى ثوابت جديدة وافتراضات أخرى تطلبها النظريات الأخرى لشرح هذه العملية. منذ ذلك الحين ، تم تأكيد صحة النسبية العامة تجريبياً بدقة 10-20 ، وتم إجراء العديد من الاكتشافات على أساسها ، مما يثبت بشكل لا لبس فيه صحة هذه النظرية.

بطولة الافتتاح

عندما نشر أينشتاين أوراقه الأولى عن النسبية الخاصة وبدأ في كتابة نسختها العامة ، اكتشف علماء آخرون بالفعل جزءًا مهمًا من الصيغ والأفكار الكامنة وراء هذه النظرية. لنفترض أن تحويلات لورنتز بشكل عام حصل عليها بوانكاريه لأول مرة في عام 1900 (قبل 5 سنوات من أينشتاين) وتم تسميتها تكريماً لهندريك لورنتز الذي تلقى نسخة تقريبية من هذه التحولات ، على الرغم من أن فولديمار فوغت كان متقدمًا في هذا الدور. له.

التعريف 1

SRT (النسبية الخاصة)هي النظرية الفيزيائية الحديثة للمكان والزمان.

تعد نظرية النسبية ، جنبًا إلى جنب مع علم مثل ميكانيكا الكم ، الأساس النظري لتطوير الفيزياء والتكنولوجيا الحديثة. يُطلق على SRT أيضًا اسم النظرية النسبية. تسمى الظواهر ، الخصائص التي تعتبرها هذه النظرية ، التأثيرات النسبية. مبتكر نظرية النسبية هو ألبرت أينشتاين.

تقدم ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية وصفًا ممتازًا لحركة الأجسام الكبيرة ، التي تتحرك بسرعات منخفضة (v< < c) . Нерелятивистская физика принимала как очевидность существование единого мирового времени ر، وهو نفس الشيء بالنسبة لجميع الأنظمة المرجعية. أساس الميكانيكا الكلاسيكية هو المبدأ الميكانيكي للنسبية.

التعريف 2

مبدأ النسبية الميكانيكية(يسمى أيضًا مبدأ غاليليو للنسبية): قوانين الديناميكيات هي نفسها لجميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

بشكل مجازي ، يمكن للمرء أيضًا استدعاء قوانين الديناميات الثابتة أو غير المتغيرة فيما يتعلق بتحولات جاليليو ، مما يجعل من الممكن حساب إحداثيات جسم متحرك في إطار بالقصور الذاتي (K) لإحداثيات معينة لهذا الجسم في إطار بالقصور الذاتي آخر (K على وجه الخصوص ، عندما يتحرك النظام K بسرعة v على طول الاتجاه الإيجابي للمحور xأنظمة ك(الشكل 4 .1 .1) ، تبدو التحولات الجليلية كما يلي:

x = x "+ v t، y = y"، z = z "، t = t".

في هذه الحالة ، يوجد في البداية افتراض حول تزامن محاور الإحداثيات لكلا النظامين في اللحظة الأولى.

الشكل 4. واحد . واحد . إطاران مرجعيان بالقصور الذاتيكوك" .

نتيجة تحولات الجليل هي القانون الكلاسيكي لتحويل السرعات عند الانتقال من إطار مرجعي إلى آخر:

v x = v x "+ v ، v y = v y" ، v z = v z "

الجسم في جميع أنظمة القصور الذاتي له نفس التسارع:

a x = a x "، a y = a y" ، a z = a z "أو a → = a" →

مما قيل ، يمكننا أن نستنتج أن معادلة الحركة ، وهي أحد أسس الميكانيكا الكلاسيكية (قانون نيوتن الثاني) ، م a → = F → تحتفظ بشكلها عند الانتقال من إطار بالقصور الذاتي إلى آخر.

بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، كان هناك بالفعل مجموعة معينة من الحقائق التجريبية التي تناقض بوضوح قوانين الميكانيكا الكلاسيكية. تسبب تطبيق ميكانيكا نيوتن لشرح انتشار الضوء في صعوبة كبيرة. في لحظة معينة ، تم تشكيل افتراض أن الضوء ينتشر في وسط خاص - الأثير ؛ تم دحض هذا الافتراض من قبل العديد من التجارب. في عام 1881 ، بدأ الفيزيائي الأمريكي أ.ميشلسون (في عام 1887 انضم إليه الفيزيائي إي مورلي) في محاولة اكتشاف حركة الأرض بالنسبة للأثير ("الريح الأثير") باستخدام تجربة التداخل. يظهر رسم تخطيطي مبسط لتجربة ميكلسون مورلي في الشكل. 4. واحد . 2.

الشكل 4. واحد . 2. مخطط مبسط لتجربة تداخل ميكلسون مورلي. v → هي السرعة المدارية للأرض.

أثناء التجربة ، تم ضبط أحد أذرع مقياس تداخل ميكلسون بالتوازي مع اتجاه السرعة المدارية للأرض (ع = 30 كم / ث) ، وبعد ذلك تم تدوير الجهاز بمقدار 90 درجة. في هذه الحالة ، تم توجيه الذراع الثانية في اتجاه السرعة المدارية. أوضحت الحسابات أنه في حالة وجود إيثر ثابت ، عندما يتم تشغيل الجهاز ، فإن أطراف التداخل كانت ستتحرك بمسافة تتناسب مع v c 2.

أعطت تجربة ميشيلسون مورلي ، التي تكررت لاحقًا عدة مرات ، نتيجة سلبية لا لبس فيها. نتيجة لتحليل نتائج تجربة ميكلسون مورلي ، وكذلك بعض التجارب الأخرى ، أصبح من الممكن تأكيد مغالطة مفهوم الأثير كوسيط تنتشر فيه موجات الضوء. أي أنه لا يوجد إطار مرجعي (مطلق) مختار للضوء. لا تؤثر حركة الأرض في المدار على الظواهر البصرية على الأرض.

كان لنظرية ماكسويل تأثير كبير على تطور الأفكار حول المكان والزمان. في بداية القرن العشرين ، كانت هذه النظرية مقبولة بشكل عام. تنبأت نظرية ماكسويل بالموجات الكهرومغناطيسية التي انتشرت بسرعة محدودة ، وتم وضع هذه الفرضية موضع التنفيذ في عام 1895 ، عندما اخترع أ.س. بوبوف الراديو. لكن نظرية ماكسويل تقول أيضًا أن سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي لها نفس القيمة ، مساوية لسرعة الضوء في الفراغ.

هذا البيان يعني أن المعادلات التي تصف انتشار الموجات الكهرومغناطيسية هي غير ثابتة في ظل التحولات الجليل. عندما تنتشر موجة كهرومغناطيسية (خاصة الضوء) في إطار مرجعي ك"(الشكل 4. 1. 1) في الاتجاه الإيجابي للمحور x "، في النظام كيجب أن ينتشر الضوء ، وفقًا لحركية جاليليو ، بسرعة c + v ، وليس كذلك ج.

وهكذا ، على حدود القرنين التاسع عشر والعشرين ، نشأت أزمة خطيرة في تطور الفيزياء. وجد أينشتاين مخرجًا من الرؤية الكلاسيكية ، كما يحدث غالبًا في حالة أعظم الاكتشافات. في هذه الحالة ، كان الأمر يتعلق بالأفكار الكلاسيكية حول المكان والزمان. كانت أهم خطوة هنا هي نظرة مختلفة لمفهوم الوقت المطلق ، والذي تم استخدامه في الفيزياء الكلاسيكية. الأفكار المعتادة ، التي بدت منطقية وواضحة ، أظهرت في الواقع عدم تناسقها. العديد من المفاهيم والكميات ، والتي كانت تعتبر في الفيزياء غير النسبية مطلقة أو لا تعتمد على الإطار المرجعي ، في نظرية النسبية تحولت إلى فئة النسبية.

أساس نظرية النسبية الخاصة هي المبادئ أو الافتراضات التي صاغها أينشتاين عام 1905.

التعريف 3

مبادئ SRT:

1. مبدأ النسبية:جميع قوانين الطبيعة ثابتة فيما يتعلق بالانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر. هذا المبدأ يعني وحدة شكل القوانين الفيزيائية (وليس فقط القوانين الميكانيكية) في جميع أنظمة القصور الذاتي.
   هؤلاء. مبدأ النسبية للميكانيكا الكلاسيكية معمم لجميع عمليات الطبيعة ، ولا سيما العمليات الكهرومغناطيسية. يسمى هذا المبدأ المعمم مبدأ النسبية لأينشتاين.
2. مبدأ ثبات سرعة الضوء:لا تعتمد سرعة الضوء في الفراغ على السرعة التي يتحرك بها مصدر الضوء أو المراقب ، وهي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. إن سرعة الضوء في نظرية النسبية في وضع خاص. سرعة الضوء هي السرعة القصوى التي تنتقل بها التفاعلات والإشارات من نقطة في الفضاء إلى أخرى.

يجب اعتبار هذه المبادئ بمثابة تعميم لمجموعة كاملة من الحقائق التجريبية. تم تأكيد استنتاجات ونتائج النظرية القائمة على هذه المبادئ في سياق عدد كبير من الاختبارات التجريبية. جعلت نظرية النسبية الخاصة من الممكن العثور على إجابات لجميع أسئلة فيزياء "ما قبل أينشتاين" وشرح النتائج المتناقضة للتجارب المتاحة بالفعل في ذلك الوقت في مجال الديناميكا الكهربائية والبصريات. بعد ذلك ، تم تعزيز نظرية النسبية في شكل بيانات تجريبية ، والتي تم الحصول عليها في عملية دراسة حركة الجسيمات السريعة في المعجلات ، والعمليات الذرية ، والتفاعلات النووية ، إلخ.

تتعارض افتراضات نظرية النسبية بشكل واضح مع الأفكار الكلاسيكية. دعونا نجري التجربة الفكرية التالية: في الوقت الذي تكون فيه t = 0 ، حيث توجد مصادفة بين محاور إحداثيات نظامين بالقصور الذاتي كو K "، حدث وميض قصير من الضوء في الأصل المشترك. خلال ذلك الوقت رسيتم إزاحة الأنظمة بالنسبة لبعضها البعض بمسافة v t ، وسيكون لجبهة الموجة الكروية في كل نظام نصف قطر ج ر(الشكل 4 .1 .3) ، لأن الأنظمة متساوية ، وفي كل منها سرعة الضوء تساوي ج.

الشكل 4. واحد . 3. التناقض الظاهر في افتراضات SRT.

من موقع مراقب في النظام كيقع مركز الكرة عند النقطة اومن موقع المراقب في النظام K "يقع المركز فيه أوه". وهكذا ، اتضح أن مركز الجبهة الكروية يقع في نفس الوقت عند نقطتين مختلفتين!

سبب سوء الفهم هذا ليس التناقض بين افتراضين لنظرية النسبية ، ولكن افتراض حقيقة أن موضع جبهات الموجات الكروية لكلا النظامين مرتبط بنفس اللحظة في الوقت المناسب. يوجد مثل هذا الافتراض في صيغ التحويل الجليل ، والتي وفقًا لها يتدفق الوقت بنفس الطريقة في كلا النظامين: t \ u003d t ". وبالتالي ، لا تتعارض مبادئ أينشتاين مع بعضها البعض ، ولكن مع صيغ التحويل الجليل ، وفي هذه الحالة ، كتبت نظرية النسبية لتحل محل التحولات الجليل الصيغ الأخرى للتحول أثناء الانتقال من إطار بالقصور الذاتي إلى آخر ، تسمى تحويلات لورنتز ، تجعل تحويلات لورنتز بسرعات قريبة من سرعة الضوء من الممكن شرح جميع التأثيرات النسبية ، و بسرعات منخفضة (υ< < c) переходят в формулы преобразования Галилея. Итак, новая теория (специальная теория относительности или СТО) не отвергает прежнюю классическую механику Ньютона, а лишь уточняет пределы ее применения. Эта взаимосвязь между прежней и новой, более общей теорией, частью которой является прежняя в качестве предельного случая, получила название принципа соответствия.

إذا لاحظت وجود خطأ في النص ، فيرجى تمييزه والضغط على Ctrl + Enter

في سبتمبر 1905 ظهر عمل آينشتاين "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" ، حيث تم تحديد البنود الرئيسية للنظرية النسبية الخاصة (SRT). تعني هذه النظرية مراجعة الأفكار الكلاسيكية للفيزياء حول خصائص الزمان والمكان. لذلك ، يمكن تسمية هذه النظرية في محتواها بالعقيدة الفيزيائية للمكان والزمان. . بدنيلأن خصائص المكان والزمان في هذه النظرية تعتبر مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بقوانين الظواهر الفيزيائية التي تحدث فيها. على المدى " مميز"يؤكد حقيقة أن هذه النظرية تنظر في الظواهر فقط في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

كنقاط انطلاق لنظرية النسبية الخاصة ، تبنى أينشتاين افتراضين أو مبدأين:

1) مبدأ النسبية.

2) مبدأ استقلالية سرعة الضوء عن سرعة مصدر الضوء.

الفرضية الأولى هي تعميم مبدأ النسبية في جاليليو على أي عمليات فيزيائية: كل الظواهر الفيزيائية تتقدم بنفس الطريقة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. جميع قوانين الطبيعة والمعادلات التي تصفها ثابتة ، أي لا تتغير عند الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.

بعبارات أخرى، جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي متكافئة (لا يمكن تمييزها) في خواصها الفيزيائية.لا يمكن لأي خبرة أن تميز أيًا منهم على أنه الأفضل.

تنص الفرضية الثانية على ذلك سرعة الضوء في الفراغ لا تعتمد على حركة مصدر الضوء وهي واحدة في كل الاتجاهات.

هذا يعني انه سرعة الضوء في الفراغ هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.وبالتالي ، فإن سرعة الضوء تحتل مكانة خاصة في الطبيعة.

ويترتب على ذلك من افتراضات أينشتاين أن سرعة الضوء في الفراغ هي الحد الأقصى: لا يمكن لأي إشارة أو تأثير لجسم على آخر أن ينتشر بسرعة تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. إن الطبيعة المحدودة لهذه السرعة هي التي تفسر تشابه سرعة الضوء في جميع الأطر المرجعية. إن وجود السرعة المحددة يعني تلقائيًا تقييد سرعة حركة الجسيمات بالقيمة "c". خلاف ذلك ، يمكن لهذه الجسيمات أن تقوم بنقل الإشارات (أو التفاعلات بين الأجسام) بسرعة تتجاوز الحد المسموح به. وهكذا ، وفقًا لمسلمات أينشتاين ، فإن قيمة جميع السرعات الممكنة لحركة الأجسام وانتشار التفاعلات محدودة بقيمة "ج". هذا يرفض مبدأ المدى البعيد للميكانيكا النيوتونية.

استنتاجات مثيرة للاهتمام تتبع من SRT:

1) خفض الطول:تؤثر حركة أي جسم على القيمة المقاسة لطوله.

2) الوقت البطيء:مع ظهور SRT ، نشأ التأكيد على أن الوقت المطلق ليس له معنى مطلق ، إنه مجرد تمثيل رياضي مثالي ، لأنه في الطبيعة لا توجد عملية فيزيائية حقيقية مناسبة لقياس الوقت المطلق.

يعتمد مرور الوقت على سرعة الإطار المرجعي. بسرعة عالية بما فيه الكفاية ، قريبة من سرعة الضوء ، يتباطأ الوقت ، أي تمدد الوقت النسبي يحدث.

وهكذا ، في نظام سريع الحركة ، يتدفق الوقت بشكل أبطأ مما هو عليه في مختبر مراقب ثابت: إذا تمكن مراقب على الأرض من تتبع الساعة في صاروخ يطير بسرعة عالية ، فسيصل إلى استنتاج مفاده أنها تسير أبطأ من نظيره. ملك. يعني تأثير تمدد الوقت أن ركاب المركبة الفضائية يتقدمون في العمر بشكل أبطأ. إذا قام أحد التوأمين برحلة فضائية طويلة ، فعند عودته إلى الأرض ، سيجد أن شقيقه التوأم ، الذي بقي في المنزل ، أكبر منه بكثير.

في بعض الأنظمة ، لا يمكننا التحدث إلا عن التوقيت المحلي. في هذا الصدد ، الوقت ليس كيانًا لا يعتمد على المادة ، إنه يتدفق بسرعات مختلفة في ظروف مادية مختلفة. الوقت دائما نسبي.

3) زيادة الوزن:كتلة الجسم هي أيضًا قيمة نسبية ، اعتمادًا على سرعة حركتها. كلما زادت سرعة الجسم ، زادت كتلته.

وجد أينشتاين أيضًا علاقة بين الكتلة والطاقة. لقد صاغ القانون الآتي: "كتلة الجسم هي مقياس للطاقة التي يحتويها: E \ u003d mc 2 ". إذا استبدلنا m = 1 kg و c = 300،000 km / s في هذه الصيغة ، فسنحصل على طاقة ضخمة 9 · 10 16 J ، والتي ستكون كافية لحرق مصباح كهربائي لمدة 30 مليون سنة. لكن كمية الطاقة في كتلة مادة ما محدودة بسرعة الضوء وكمية كتلة المادة.

العالم من حولنا له ثلاثة أبعاد. تنص SRT على أنه لا يمكن اعتبار الوقت شيئًا يتم تناوله بشكل منفصل ولا يتغير. في عام 1907 ، طور عالم الرياضيات الألماني مينكوفسكي الجهاز الرياضي SRT. واقترح أن الأبعاد المكانية الثلاثة والأبعاد الزمنية ترتبط ارتباطًا وثيقًا. كل الأحداث في الكون تحدث في زمكان رباعي الأبعاد. من وجهة نظر رياضية ، SRT هي هندسة الزمكان Minkowski رباعي الأبعاد.

تم تأكيد SRT على مواد واسعة النطاق ، من خلال العديد من الحقائق والتجارب (على سبيل المثال ، لوحظ تمدد الوقت أثناء تحلل الجسيمات الأولية في الأشعة الكونية أو في مسرعات الطاقة العالية) وهو أساس الأوصاف النظرية لجميع العمليات التي تحدث بسرعات نسبية.

لذا ، فإن وصف العمليات الفيزيائية في SRT مرتبط بشكل أساسي بنظام الإحداثيات. لا تصف النظرية الفيزيائية العملية الفيزيائية في حد ذاتها ، ولكن نتيجة تفاعل العملية الفيزيائية مع وسائل التحقيق. لذلك ، ولأول مرة في تاريخ الفيزياء ، يتجلى نشاط موضوع الإدراك ، والتفاعل غير المنفصل للموضوع وموضوع الإدراك ، بشكل مباشر.

في الميكانيكا الكلاسيكية ، كان من المسلم به أن الوقت يتدفق بنفس الطريقة في جميع الإطارات بالقصور الذاتي ، وأن المقاييس المكانية وكتل الأجسام في جميع الإطارات بالقصور الذاتي تظل كما هي.

قدم نيوتن افتراضات الوقت المطلق والفضاء المطلق إلى الفيزياء. عن الوقت كتب: "الوقت المطلق ، الحقيقي أو الرياضي في حد ذاته ، وبحكم طبيعته الداخلية يتدفق بنفس الطريقة". علاوة على ذلك ، كتب نيوتن أنه بدلاً من الوقت الحقيقي ، يتم استخدام مقاييسه ، ويتم تحديدها بمساعدة الحركة - الساعة ، اليوم ، السنة. ومع ذلك ، فإن الأيام لا تتساوى تمامًا مع بعضها البعض. ربما لا يوجد شيء اسمه حركة قياسية يمكن من خلالها قياس الوقت بدقة. يمكن تسريع كل الحركات أو إبطائها ، لكن العملية الحقيقية لمرور الوقت لا تخضع لأية تغييرات. وهكذا ، اعتقد نيوتن أن مسار الوقت لا يرتبط بأي حال بالإطار المرجعي وهو مطلق.

كما أشرنا سابقًا ، لا يمكن دائمًا الخلط بين الإطار المرجعي المرتبط بالأرض وإطار القصور الذاتي. حتى في الصورة الكوبرنيكية للكون ، كان يُفترض أن الإطار المرجعي الذي من أجله يتم الوفاء بقانون القصور الذاتي ليس الأرض ، ولكنه نظام ثابت بطريقة ما في الفضاء الفلكي.

صاغ نيوتن افتراض الفضاء المطلق على النحو التالي: "الفضاء المطلق ، بحكم طبيعته ، بغض النظر عن أي شيء خارجي ، يظل دائمًا كما هو بلا حراك". كتب نيوتن أنه بدلاً من المواقف الحقيقية المطلقة لأجسام معينة وحركاتها ، في أنشطتنا العملية ، نستخدم المواقف النسبية أو الظاهرية ، والتي نحددها من خلال الترتيب المتبادل للأجساد. نفس "الفضاء الثابت الذي تتم فيه الحركة لا يمكن بأي حال من الأحوال الوصول إليه للمراقبة".

يحتوي افتراض نيوتن للفضاء المطلق على فكرة إطار مرجعي ثابت تمامًا. كان يعتقد أنه من بين العديد من أنظمة القصور الذاتي التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض ، كل منها ، كما نعلم ، يمكن اعتباره بلا حراك ، هناك واحد ، سائد ، مرتبط بالفضاء المطلق ، وهو حقًا بلا حراك. حركات جميع الأجسام بالنسبة لها هي حركات حقيقية ومطلقة.

لا يمكن تحديد حركة أنظمة القصور الذاتي في الفضاء النيوتوني المطلق من خلال أي تجارب. كوننا في نظام بالقصور الذاتي ونراقب حركة جميع الأجسام الأخرى في الكون تتحرك بشكل مستقل عن نظامنا ، لا يمكننا إلا أن نستنتج حول حركتنا بالنسبة لهذه الأجسام.

الأجسام ، ولكن ليس عن الحركة المطلقة. الفضاء الفارغ ، الخالي من كل المواد ، سيكون بشكل عام غير متاح للمراقبة.

إذا كان من المستحيل إنشاء حركة نظام بالقصور الذاتي بمساعدة الظواهر الميكانيكية ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان يمكن القيام بذلك ، على سبيل المثال ، بمساعدة الظواهر البصرية. حدثت مثل هذه المحاولات في نهاية القرن الماضي.

نظرًا لأن الأرض تتحرك في مدار في الفضاء العالمي (والذي كان يعتبر ثابتًا تمامًا ، وسرعة الضوء فيه هي نفسها في جميع الاتجاهات وتساوي ج) ، إذن يجب أن تتأثر سرعة الضوء على الأرض بحركة الأرض نفسها. يجب ألا تكون سرعة انتشار الضوء على طول خط اتجاه حركة الأرض وفي الاتجاه العمودي هي نفسها.

قام A. Michelson و E. Morley ، باستخدام التداخل ، بمقارنة سرعات انتشار الضوء في هذين الاتجاهين. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن اكتشاف تأثير حركة الأرض على سرعة انتشار الضوء. تكررت هذه التجارب عدة مرات ، لكن تبين أن سرعة الضوء في الإطار المرجعي المرتبط بالأرض هي نفسها في جميع الاتجاهات ، وهذا يعني أن حركة الأرض لا تؤثر على سرعة انتشار الضوء بأي شكل من الأشكال. ، ولا ينطبق في هذه الحالة قانون إضافة السرعات المعتمد في الميكانيكا الكلاسيكية.

علاوة على ذلك ، نشأت شكوك في أن كتلة الجسم ثابتة دائمًا. عند قياس نسبة الإلكترونات في أشعة الكاثود (أين شحنة الإلكترون ، كتلته) ، اتضح أنه عند السرعات العالية لحركة الإلكترون يتناقص مع زيادة السرعة. من وجهة نظر ميكانيكا نيوتن ، كان هذا غير مفهوم ، حيث يجب أن تظل شحنة الإلكترون وكتلته دون تغيير ، لأنهما لا يعتمدان على سرعة حركتهما.

لشرح كل هذه التناقضات ، كانت هناك حاجة إلى نظرية جديدة ، تستند إلى مقدمات مختلفة عن تلك المقبولة في ميكانيكا نيوتن. تم إنشاؤه في بداية هذا القرن من قبل أ. أينشتاين من خلال تقديم افتراضات جديدة تتوافق مع تجربة ميكلسون ومع جميع التجارب الأخرى.

مما رأيناه ، لا يمكننا أن نستنتج أن ميكانيكا نيوتن خاطئة. فقط التجارب المرتبطة بتحديد سرعة الضوء أو حركة الجسيمات بسرعة قريبة من سرعة الضوء ج تتعارض معها. في جميع الحالات الأخرى ، عندما نتعامل مع سرعات أقل بكثير من سرعة الضوء ، تتوافق الميكانيكا الكلاسيكية مع الخبرة. هذا يعني أنه عند إنشاء ميكانيكا جديدة ، يجب مراعاة مبدأ المطابقة ، أي أن الميكانيكا الجديدة يجب أن تتضمن ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية القديمة كحالة خاصة ومحدودة ، أي أن قوانين الميكانيكا الجديدة يجب أن تنتقل إلى قوانين نيوتن بسرعات تبلغ صغيرة مقارنة بسرعة الضوء ج. سميت هذه الميكانيكا الجديدة بالميكانيكا النسبية. وهكذا ، فإن الميكانيكا النسبية لا تلغي الميكانيكا الكلاسيكية ، ولكنها تحدد فقط حدود قابليتها للتطبيق.

لنتأمل الآن فرضيات أينشتاين.

1. مبدأ ثبات سرعة الضوء! سرعة الضوء في الفراغ (ج) هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي في جميع الاتجاهات. لا تعتمد على حركة مصدر الضوء أو المراقب.

2. مبدأ النسبية: لم يتم إجراء تجارب فيزيائية (ميكانيكية ، كهربائية ، بصرية) في أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي ، ومن المستحيل تحديد ما إذا كان هذا الإطار في حالة سكون أم أنه يتحرك بشكل موحد ومستقيم. القوانين الفيزيائية هي نفسها تمامًا في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

وهكذا ، فإن الافتراض الثاني لأينشتاين يعمم مبدأ غاليليو للنسبية ، المصاغ للظواهر الميكانيكية ، على جميع الظواهر الطبيعية. يؤسس مبدأ النسبية لأينشتاين المساواة الكاملة لجميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ويرفض فكرة الفضاء المطلق لنيوتن. النظرية التي أنشأها أينشتاين لوصف الظواهر في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي على أساس المسلمات المذكورة أعلاه تسمى النظرية النسبية الخاصة. ننتقل الآن إلى تحليل أسسها.

في النظرية النسبية الخاصة ، كان علينا التخلي عن مفاهيم المكان والزمان المألوفة في تفكيرنا ، والتي تم تبنيها في الميكانيكا الكلاسيكية ، لأنها تتعارض مع مبدأ ثبات سرعة الضوء ، والذي تم تأسيسه تجريبيًا.

فقدت معناها ليس فقط المساحة المطلقة ، التي لا تعتمد خصائصها على الإطار المرجعي والمادة ، ولكن أيضًا على الوقت المطلق. اتضح أن الوقت نسبي أيضًا ، حيث يمكن للمرء أن يتحدث عن لحظات معينة من الوقت أو فترات زمنية فقط فيما يتعلق بإطار مرجعي معين. علاوة على ذلك ، اتضح أن أحجام الجثث التي تم العثور عليها بمساعدة القياسات نسبية أيضًا ويجب أن ترتبط أيضًا بإطار مرجعي محدد.

محتوى المقال

نظرية النسبية خاص -النظرية الحديثة للمكان والزمان ، في الشكل الأكثر عمومية ، إقامة صلة بين الأحداث في الزمكان وتحديد شكل تسجيل القوانين الفيزيائية ، والتي لا تتغير عند الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر. مفتاح النظرية هو فهم جديد لمفهوم التزامن للأحداث ، تمت صياغته في العمل الأساسي لأينشتاين. على الديناميكا الكهربائية للوسائط المتحركة(1905) واستناداً إلى افتراض وجود السرعة القصوى لانتشار الإشارة - سرعة الضوء في الفراغ. تُعمم نظرية النسبية الخاصة أفكار ميكانيكا جاليليو نيوتن الكلاسيكية على حالة الأجسام التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء.

الجدل الجوي.

منذ تأسيس الطبيعة الموجية للضوء ، اقتنع الفيزيائيون بضرورة وجود وسط (يسمى الأثير) تنتشر فيه موجات الضوء. تم تأكيد وجهة النظر هذه من خلال جميع تجارب الفيزياء الكلاسيكية ، أمثلة على الموجات الصوتية ، والأمواج على سطح الماء ، إلخ. عندما أثبت جي كي ماكسويل أنه لا بد من وجود موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء الفارغ بسرعة الضوء ج، لم يكن لديه شك في أن هذه الموجات يجب أن تنتشر في وسط ما. هيرتز ، الذي سجل لأول مرة إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية ، التزم بنفس وجهة النظر. نظرًا لأن الموجات الكهرومغناطيسية تحولت إلى عرضية (وهذا يتبع معادلات ماكسويل) ، كان على ماكسويل أن يبني نموذجًا ميكانيكيًا بارعًا لمثل هذا الوسط الذي يمكن أن تنتشر فيه الموجات المستعرضة (هذا ممكن فقط في المواد الصلبة المرنة جدًا) والتي في نفس الوقت تكون قابلة للاختراق بشكل كامل ولا تمنع حركة الجثث من خلالها. يتعارض هذان الادعاءان مع بعضهما البعض ، ولكن حتى بداية هذا القرن لم يكن من الممكن اقتراح نظرية أكثر منطقية حول انتشار الضوء في الفراغ.

تستلزم فرضية وجود الأثير عددًا من النتائج الواضحة. أبسطها: إذا تحرك مستقبل موجة ضوئية نحو المصدر بسرعة الخامسبالنسبة إلى الأثير ، ثم وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية ، يجب أن تكون سرعة الضوء بالنسبة إلى المستقبل مساوية لسرعة الضوء بالنسبة للأثير (الذي يعتبر بشكل طبيعي ثابتًا) بالإضافة إلى سرعة المستقبل بالنسبة إلى الأثير (قانون الجليل لإضافة السرعات): معў = ج + الخامس. وبالمثل ، إذا كان المصدر يتحرك بسرعة الخامسنحو المستقبل ، يجب أن تكون السرعة النسبية للضوء مساوية لـ معў = ج - الخامس. وبالتالي ، إذا كان الأثير موجودًا ، فهناك أيضًا نظام مرجعي مطلق ، بالنسبة له (وبالنسبية إليه فقط) تكون سرعة الضوء مساوية لـ مع، وفي جميع الأطر المرجعية الأخرى ، تتحرك بشكل موحد بالنسبة إلى الأثير ، فإن سرعة الضوء لا تساوي مع. سواء أعجبك ذلك أم لا ، لا يمكن تحديده إلا بمساعدة تجربة مباشرة ، والتي تتمثل في قياس سرعة الضوء في إطارات مرجعية مختلفة. من الواضح أنه من الضروري إيجاد مثل هذه الأطر المرجعية التي تتحرك بأقصى سرعة ، خاصة أنه يمكن إثبات أن جميع التأثيرات الملحوظة لانحراف سرعة الضوء عن القيمة معالمرتبطة بحركة إطار مرجعي بالنسبة لآخر يجب أن تكون من الترتيب الخامس 2/ج 2. الجسم المناسب هو الأرض التي تدور حول الشمس بسرعة خطية الخامس~ 10 4 م / ث ، لذلك يجب أن تكون التصحيحات بالترتيب ( الخامس/ج) 2 ~ 10 –8. تبدو هذه القيمة صغيرة للغاية ، ولكن تمكن A. Michelson من إنشاء جهاز - مقياس تداخل Michelson ، والذي كان قادرًا على تسجيل مثل هذه الانحرافات.

في عام 1887 ، قاس A. Michelson ، مع زميله Y. Morley ، سرعة الضوء في إطار مرجعي متحرك. تشبه فكرة التجربة قياس الوقت الذي يستغرقه السباح للسباحة عبر النهر عبر التيار والعودة ، والسباحة على نفس المسافة أعلى التيار وأسفله. كانت الإجابة مذهلة: حركة الإطار المرجعي بالنسبة إلى الأثير ليس لها تأثير على سرعة الضوء.

بشكل عام ، يمكن استخلاص استنتاجين من هذا. من الممكن أن يكون الأثير موجودًا ، ولكن عندما تتحرك الأجسام خلاله ، فإنه يتم إبعاده تمامًا عن طريق الأجسام المتحركة ، بحيث تكون سرعة الأجسام بالنسبة إلى الأثير صفرًا. تم اختبار فرضية الانجراف هذه تجريبياً في تجارب Fizeau و Michelson نفسه وتبين أنها تتعارض مع التجربة. وصف جون برنال تجربة ميشيلسون مورلي الشهيرة بأنها التجربة السلبية الأكثر بروزًا في تاريخ العلم. بقي الاحتمال الثاني: لا يوجد أثير يمكن اكتشافه تجريبياً ، بمعنى آخر ، لا يوجد إطار مرجعي مطلق محدد تكون فيه سرعة الضوء مساوية مع؛ على العكس من ذلك ، هذه السرعة هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. كانت وجهة النظر هذه هي أساس النظرية الجديدة.

تم إنشاء نظرية النسبية الخاصة (الخاصة) (SRT) ، التي نجحت في حل جميع التناقضات المرتبطة بمشكلة وجود الأثير ، بواسطة أ. أينشتاين في عام 1905. وقد قدم H.A. مساهمة مهمة في تطوير SRT. لورينز ، أ. بوانكاريه وج. مينكوفسكي.

كان للنظرية النسبية الخاصة تأثير ثوري على الفيزياء ، إيذانا بنهاية المرحلة الكلاسيكية في تطور هذا العلم والانتقال إلى الفيزياء الحديثة في القرن العشرين. بادئ ذي بدء ، غيرت نظرية النسبية الخاصة تمامًا وجهات النظر حول المكان والزمان التي كانت موجودة قبل إنشائها ، مما يدل على الارتباط الذي لا ينفصل بين هذه المفاهيم. في إطار SRT ، ولأول مرة ، تمت صياغة مفهوم تزامن الأحداث بوضوح وتم عرض نسبية هذا المفهوم ، واعتماده على اختيار إطار مرجعي معين. ثانيًا ، حلت SRT تمامًا جميع المشكلات المرتبطة بفرضية وجود الأثير ، وجعلت من الممكن صياغة نظام متماسك ومتسق من المعادلات في الفيزياء الكلاسيكية ، والتي حلت محل المعادلات النيوتونية. ثالثًا ، أصبح SRT أساسًا لبناء النظريات الأساسية لتفاعلات الجسيمات الأولية ، وبشكل أساسي الديناميكا الكهربية الكمية. تبلغ دقة التنبؤات التي تم التحقق منها تجريبياً للديناميكا الكهربية الكمية 10-12 ، والتي تميز الدقة التي يمكن للمرء أن يتحدث بها عن صحة SRT.

رابعًا ، أصبح SRT أساسًا لحساب إطلاق الطاقة في تفاعلات الانشطار والاندماج النووي ، أي الأساس لإنشاء كل من محطات الطاقة النووية والأسلحة الذرية. أخيرًا ، يعتمد تحليل البيانات التي تم الحصول عليها في مسرعات الجسيمات الأولية ، وكذلك تصميم المعجلات نفسها ، على صيغ SRT. بهذا المعنى ، لطالما كانت SRT تخصصًا هندسيًا.

عالم رباعي الأبعاد.

لا يوجد شخص في عالم مكاني ثلاثي الأبعاد ، ولكن في عالم أحداث رباعي الأبعاد (يُفهم الحدث على أنه ظاهرة فيزيائية في نقطة معينة في الفضاء في لحظة معينة من الزمن). يتميز الحدث بتعيين ثلاثة إحداثيات مكانية وواحد زمني. وهكذا فإن كل حدث له أربعة إحداثيات: ( ر; x, ذ, ض). هنا x, ذ, ض- الإحداثيات المكانية (على سبيل المثال ، الديكارتية). لتحديد إحداثيات حدث ما ، يجب على المرء أن يحدد (أو أن يكون قادرًا على تحديد): 1) أصل الإحداثيات ؛ 2) شبكة صلبة لانهائية من قضبان متعامدة بشكل متبادل بطول الوحدة تملأ الفراغ بأكمله ؛ علاوة على ذلك ، يجب على المرء: 3) وضع ساعة متطابقة في كل عقدة من الشبكة (أي جهاز قادر على حساب فترات زمنية متساوية ؛ الجهاز المحدد غير مهم) ؛ 4) مزامنة الساعة. ثم أي نقطة في الفضاء تقع بالقرب من عقدة شعرية لها إحداثيات مكانية عدد العقد على طول كل من المحاور من الأصل وإحداثيات زمنية مساوية لقراءات الساعة في أقرب عقدة. تملأ جميع النقاط ذات الإحداثيات الأربعة مساحة رباعية الأبعاد تسمى الزمكان. مفتاح الفيزياء هو السؤال الهندسةهذه المساحة.

لوصف الأحداث في الزمكان ، من الملائم استخدام مخططات الزمكان ، التي تصور تسلسل الأحداث لجسم معين. إذا (للتوضيح) اقتصرنا على ثنائي الأبعاد ( x,ر) - فضاء ، فإن مخطط الزمكان النموذجي للأحداث في الفيزياء الكلاسيكية يبدو مثل الرسم الموضح في الشكل. واحد.

المحور الافقي xيتوافق مع جميع الإحداثيات المكانية الثلاثة ( x, ذ, ض) ، عمودي - الوقت ر، والاتجاه من "الماضي" إلى "المستقبل" يتوافق مع الحركة من الأسفل إلى الأعلى على طول المحور ر.

أي نقطة على خط أفقي تتقاطع مع محور رتحت الصفر ، يتوافق مع موضع كائن ما في الفضاء في نقطة زمنية (في الماضي بالنسبة إلى نقطة زمنية تم اختيارها عشوائيًا ر= 0). لذلك ، في الشكل. 1 كان الجسد في نقطة معينة لكنمسافة واحدة في الوقت المحدد ر 1. نقاط خط أفقي تتزامن مع المحور x، تصور الموقع المكاني للأجسام في وقت معين ر= 0 (نقطة لكن 0). خط مستقيم مرسوم فوق المحور x، يتوافق مع موقف الهيئات في المستقبل (النقطة لكن 2 - المنصب الذي سيشغله الجسد في الوقت الحالي ر 2). إذا وصلنا النقاط لكن 1, أ 0, أ 2 ، احصل على خط عالمي هيئة. من الواضح أن موضع الجسم في الفضاء لا يتغير (تظل الإحداثيات المكانية ثابتة) ، لذا فإن هذا الخط العالمي يصور جسمًا في حالة سكون.

إذا كان خط العالم هو خط مستقيم يميل بزاوية معينة (مستقيم في 1في 0في 2 في الشكل. 1) ، مما يعني أن الجسم يتحرك بسرعة ثابتة. كلما كانت الزاوية بين خط العالم والمستوى الأفقي أصغر ، زادت سرعة الجسم. في إطار الفيزياء الكلاسيكية ، يمكن أن يكون منحدر خط العالم أي شيء ، لأن سرعة الجسم لا يحدها أي شيء.

هذه العبارة حول عدم وجود حد لسرعة حركة الأجسام متضمنة ضمنيًا في ميكانيكا نيوتن. يسمح للشخص بإعطاء معنى لمفهوم تزامن الأحداث دون الرجوع إلى مراقب معين. في الواقع ، التحرك بسرعة محدودة ، من أي نقطة مع 0 على سطح الوقت المتساوي ، يمكنك الوصول إلى هذه النقطة مع 1 الموافق لوقت لاحق. يمكن أن يكون من نقطة سابقة مع 2 أصاب البقعة مع 0. ومع ذلك ، فمن المستحيل التحرك بسرعة محدودة للانتقال من النقطة مع 0 إلى أي نقطة لكن, في، ... على نفس السطح. جميع الأحداث على هذا السطح متزامنة (الشكل 2). يمكنك وضعها بشكل مختلف. يجب ألا تكون هناك ساعات متطابقة في كل نقطة من الفضاء ثلاثي الأبعاد. القدرة على نقل الإشارات معتعني السرعة اللانهائية أنه يمكنك مزامنة جميع الساعات في نفس الوقت ، بغض النظر عن المسافة بينهما وبغض النظر عن السرعة التي تتحرك بها (في الواقع ، تصل إشارة الوقت الدقيقة إلى جميع الساعات على الفور). بمعنى آخر ، في إطار الميكانيكا الكلاسيكية ، لا يعتمد معدل الساعة على ما إذا كانت تتحرك أم لا.

مفهوم تزامن الأحداث حسب آينشتاين.

في إطار ميكانيكا نيوتن ، تقع جميع الأحداث المتزامنة في "مستوى" الوقت الثابت ر، تحتل مساحة ثلاثية الأبعاد بالكامل (الشكل 2). العلاقات الهندسية بين النقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد تخضع لقوانين الهندسة الإقليدية العادية. وهكذا ، فإن الزمكان في الميكانيكا الكلاسيكية ينقسم إلى مكان وزمان مستقلين.

المفتاح لفهم أساسيات SRT هو أنه من المستحيل تخيل الزمكان بشكل مستقل عن بعضنا البعض. يختلف مسار الساعة في نقاط مختلفة من زمكان واحد ويعتمد على سرعة المراقب. تستند هذه الحقيقة المذهلة إلى حقيقة أن الإشارات لا يمكنها الانتشار بسرعة غير محدودة (رفض الحركة بعيدة المدى).

تتيح لنا التجربة الفكرية التالية فهم معنى مفهوم التزامن بشكل أفضل. دع جدارين متقابلين لسيارة قطار يتحركان بسرعة ثابتة الخامسأنتجت في وقت واحد ومضات من الضوء. بالنسبة للمراقب في منتصف السيارة ، ستأتي ومضات من الضوء من المصادر في نفس الوقت. من وجهة نظر مراقب خارجي يقف على المنصة ، سيأتي الفلاش أولاً من المصدر الذي يقترب من المراقب. كل هذا المنطق يفترض أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة.

وبالتالي ، إذا تم التخلي عن العمل بعيد المدى ، وإلا فإن إمكانية إرسال الإشارات بسرعة عالية لا متناهية ، يصبح مفهوم تزامن الأحداث نسبيًا ، اعتمادًا على الراصد. هذا التغيير في وجهة نظر التزامن هو الاختلاف الأساسي بين الفيزياء النظرية والفيزياء ما قبل النسبية.

لتحديد مفهوم التزامن ومزامنة الساعات الموجودة في نقاط مكانية مختلفة ، اقترح أينشتاين الإجراء التالي. دعونا من هذه النقطة لكنيتم إرسال إشارة ضوئية قصيرة جدًا في الفراغ ؛ عند إرسال إشارة ، تكون الساعة عند النقطة لكناظهر الوقت رواحد . تصل الإشارة إلى نقطة معينة فيفي اللحظة التي تكون فيها الساعة عند النقطة فياظهر الوقت ر". بعد التفكير في نقطة ما فيتعود الإشارة إلى النقطة لكن، بحيث في وقت وصول الساعة لكناظهر الوقت ر 2. بحكم التعريف ، ساعات في لكنو فيإذا كانت متزامنة عند هذه النقطة فيتم ضبط الساعة بحيث ر" = (ر 1 + ر 2)/2.

مسلمات نظرية النسبية الخاصة.

1. الافتراض الأول هو مبدأ النسبية ، الذي ينص على أنه من بين جميع الحركات التي يمكن تصورها للأجساد ، يمكن للمرء أن يميز (دون الرجوع إلى حركة الأجسام الأخرى) فئة معينة من الحركات ، تسمى غير متسارعة ، أو بالقصور الذاتي. تسمى الأطر المرجعية المرتبطة بهذه الحركات إطارات مرجعية بالقصور الذاتي. في فئة أنظمة القصور الذاتي ، لا توجد طريقة لتمييز نظام متحرك عن نظام مستريح. المحتوى المادي لقانون نيوتن الأول هو البيان حول وجود إطارات مرجعية بالقصور الذاتي.

إذا كان هناك نظام واحد بالقصور الذاتي ، فهذا يعني أن هناك عددًا لا نهائيًا منهم. أي إطار مرجعي يتحرك بالنسبة إلى الإطار الأول بسرعة ثابتة هو أيضًا بالقصور الذاتي.

ينص مبدأ النسبية على أن جميع معادلات جميع القوانين الفيزيائية لها نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ، أي القوانين الفيزيائية ثابتة فيما يتعلق بالانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر. من المهم تحديد الصيغ التي تحدد تحويل الإحداثيات ووقت الحدث أثناء هذا الانتقال.

في فيزياء نيوتن الكلاسيكية ، فإن الافتراض الثاني عبارة عن بيان ضمني حول إمكانية انتشار الإشارة بسرعة عالية لا متناهية. هذا يؤدي إلى إمكانية المزامنة المتزامنة لجميع الساعات في الفضاء وإلى استقلال الساعة عن سرعة حركتها. بمعنى آخر ، عند الانتقال من إطار بالقصور الذاتي إلى آخر ، لا يتغير الوقت: رў = ر. ثم تصبح صيغ التحويل الإحداثي للانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر (تحويل غاليليو) واضحة:

xў = x – فاتو, ذў = ذ, ضў = ض, رў = ر.

المعادلات التي تعبر عن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية ثابتة في ظل التحولات الجليل ، أي لا تغير شكلها عند الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.

في النظرية النسبية الخاصة ، يمتد مبدأ النسبية ليشمل جميع الظواهر الفيزيائية ويمكن التعبير عنه على النحو التالي: لا توجد تجارب (ميكانيكية ، كهربائية ، بصرية ، حرارية ، إلخ) تجعل من الممكن تمييز إطار مرجعي بالقصور الذاتي عن الآخر ، بمعنى آخر. لا توجد طريقة مطلقة (مستقلة عن المراقب) لمعرفة سرعة الإطار المرجعي بالقصور الذاتي.

2. تم استبدال الافتراض الثاني للميكانيكا الكلاسيكية حول عدم محدودية سرعة انتشار الإشارات أو حركة الأجسام في SRT بافتراض وجود سرعة محدودة لانتشار الإشارات المادية ، مساوية عدديًا لسرعة الانتشار من الضوء في الفراغ

مع= 2.99792458 10 8 م / ث.

بتعبير أدق ، يفترض SRT استقلالية سرعة الضوء عن سرعة مصدر أو مستقبل هذا الضوء. بعد ذلك يمكن إثبات ذلك معهي أقصى سرعة ممكنة لانتشار الإشارة ، وهذه السرعة هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

كيف ستبدو مخططات الزمكان الآن؟ لفهم هذا ، ينبغي للمرء أن يشير إلى المعادلة التي تصف انتشار مقدمة موجة ضوئية كروية في الفراغ. دعونا في هذه اللحظة ر= 0 كان هناك وميض ضوء من مصدر موجود في الأصل ( x, ذ, ض) = 0. في أي وقت لاحق ر> 0 ستكون مقدمة الموجة الضوئية عبارة عن كرة نصف قطرها ل = ط متتوسع بالتساوي في جميع الاتجاهات. معادلة مثل هذه الكرة في الفضاء ثلاثي الأبعاد لها الشكل:

x 2 + ذ 2 + ض 2 = ج 2ر 2 .

في الرسم التخطيطي للزمان والمكان ، سيتم تصوير الخط العالمي لموجة ضوئية كخطوط مستقيمة مائلة بزاوية 45 درجة على المحور x. معتبرا أن التنسيق xيتوافق الرسم البياني في الواقع مع مجمل الإحداثيات المكانية الثلاثة ، ثم تحدد معادلة مقدمة الموجة الضوئية سطحًا معينًا في فضاء الأحداث رباعي الأبعاد ، والذي يُطلق عليه عادةً مخروط الضوء.

كل نقطة في مخطط الزمان والمكان هي حدث ما حدث في مكان معين في لحظة معينة من الزمن. دع النقطة افي التين. 3 يتوافق مع بعض الأحداث. فيما يتعلق بهذا الحدث ، يتم تقسيم جميع الأحداث الأخرى (جميع النقاط الأخرى في الرسم التخطيطي) إلى ثلاث مناطق ، تسمى تقليديًا الأقماع الماضية والمستقبلية ومنطقة تشبه الفضاء. جميع الأحداث داخل مخروط الماضي (على سبيل المثال ، حدث لكنعلى الرسم البياني) تحدث في مثل هذه اللحظات الزمنية وعلى مسافة من امن أجل الوصول إلى النقطة ا، التحرك بسرعة لا تتجاوز سرعة الضوء (من الاعتبارات الهندسية فمن الواضح أنه إذا الخامس > ج، ثم ميل خط العالم إلى المحور xالنقصان ، أي أن زاوية الميل تصبح أقل من 45 درجة ؛ والعكس بالعكس إذا الخامسج ، ثم زاوية الميل إلى المحور xيصبح أكثر من 45 درجة). وبالمثل ، الحدث فيتقع في مخروط المستقبل ، حيث يمكن الوصول إلى هذه النقطة بالتحرك بسرعة الخامسج.

موقع مختلف مع أحداث في منطقة تشبه الفضاء (على سبيل المثال ، حدث مع). بالنسبة لهذه الأحداث ، النسبة بين المسافة المكانية إلى النقطة اوالوقت هو مثل هذا الوصول اممكن فقط عن طريق التحرك بسرعة فائقة (الخط المنقط في الرسم البياني يصور خط العالم لمثل هذه الحركة المحظورة ؛ يمكن ملاحظة أن ميل هذا الخط العالمي إلى المحور x أقل من 45 درجة ، أي الخامس > ج).

لذلك ، تنقسم جميع الأحداث المتعلقة بالمعطى إلى فئتين غير متكافئتين: تلك الواقعة داخل مخروط الضوء وخارجه. يمكن تحقيق الأحداث الأولى بواسطة أجسام حقيقية تتحرك بسرعة الخامسج ، والثاني - لا.

تحولات لورنتز.

يمكن إعادة كتابة الصيغة التي تصف انتشار مقدمة الموجة الضوئية الكروية على النحو التالي:

ج 2ر 2 – x 2 – ذ 2 – ض 2 = 0.

اسمحوا ان س 2 = ج 2ر 2 – x 2 – ذ 2 – ض 2. القيمة سيسمى الفاصل الزمني. ثم تأخذ معادلة انتشار الموجة الضوئية (معادلة مخروط الضوء على مخطط الزمكان) الشكل:

من الاعتبارات الهندسية في مناطق الماضي المطلق والمستقبل المطلق (وإلا فإنها تسمى مناطق تشبه الوقت) س 2> 0 ، وفي منطقة تشبه الفضاء س 2 ثانية ثابتة في ظل الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر. وفق مبدأ النسبية ، المعادلة س 2 = 0 ، التي تعبر عن القانون الفيزيائي لانتشار الضوء ، يجب أن يكون لها نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

قيمة س 2 ليس ثابتًا في ظل التحولات الجليل (تم التحقق منه عن طريق الاستبدال) ويمكننا أن نستنتج أنه يجب أن تكون هناك تحولات أخرى للإحداثيات والوقت عند الانتقال من إطار بالقصور الذاتي إلى إطار آخر. في الوقت نفسه ، نظرًا للطبيعة النسبية للتزامن ، لم يعد من الممكن النظر فيها رў = ر، بمعنى آخر. اعتبر الوقت مطلقًا ، يتقدم بشكل مستقل عن الراصد ، ويفصل الوقت عن الفضاء عمومًا ، كما يمكن أن يحدث في ميكانيكا نيوتن.

تحويلات الإحداثيات ووقت الحدث أثناء الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر ، وليس تغيير قيمة الفاصل الزمني س 2 تسمى تحولات لورينتز . في الحالة التي يتحرك فيها أحد الإطارات المرجعية بالقصور الذاتي بالنسبة إلى الآخر على طول المحور xبسرعة الخامس، تبدو هذه التحولات كما يلي:

تتم كتابة هنا كتحويلات لورينتز من نظام إحداثيات غير مهيأ ل(تقليديًا ، يعتبر نظامًا ثابتًا أو معملًا) لنظام معمل ل¢ والعكس صحيح. تختلف هذه الصيغ في علامة السرعة الخامس، والذي يتوافق مع مبدأ النسبية لأينشتاين: إذا ل¢ تحركات نسبة إلى لبسرعة الخامسعلى طول المحور x، من ثم ليتحرك بالنسبة ل ل¢ مع السرعة - الخامس، وبخلاف ذلك يكون كلا النظامين متساويين تمامًا.

الفاصل الزمني في الترميز الجديد يأخذ الشكل:

عن طريق الاستبدال المباشر ، يمكن للمرء التحقق من أن هذا التعبير لا يغير الشكل في ظل تحولات لورنتز ، أي س¢ 2 = س 2.

الساعات والحكام.

العواقب الأكثر إثارة للدهشة (من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية) لتحولات لورنتز هي التصريحات التي تفيد بأن المراقبين في إطارين مرجعيين مختلفين بالقصور الذاتي سيحصلون على نتائج مختلفة عند قياس طول قضيب أو الفترة الزمنية بين حدثين حدثا في نفس المكان.

إنقاص طول القضيب.

دع القضيب يقع على طول المحور x¢ أنظمة مرجعية س¢ وتقع في هذا النظام. طوله إلў = x 2 - xتم إصلاح ў 1 بواسطة المراقب في هذا النظام. الذهاب إلى نظام تعسفي س، من الممكن كتابة تعابير لإحداثيات نهاية وبداية القضيب ، مقاسة في نفس الوقت بساعة المراقب في هذا النظام:

xў 1 = ز ( x 1-ب x 0), xў 2 = ز ( x 2 ب x 0).

إلў = x 2 - xў 1 = ز ( x 2 – x 1) = ز إل.

عادة ما تكتب هذه الصيغة على النحو التالي:

إل = إل¢ / ز.

بما أن g> 1 ، فهذا يعني أن طول القضيب إلفي الإطار المرجعي ستبين أنه أقل من طول نفس القضيب إلў في النظام س¢ ، حيث يكون القضيب في حالة سكون (طول لورنتز انكماش).

إبطاء وتيرة الوقت.

دع حدثين يقعان في نفس المكان في النظام سў ، والفاصل الزمني بين هذه الأحداث وفقًا لساعة مراقب ساكن في هذا النظام يساوي

دت = ر 2 - رў 1.

من المعتاد استدعاء الوقت المناسب للوقت t ، المقاس بساعة مراقب في حالة سكون في إطار مرجعي معين. يرتبط الوقت المناسب والوقت المقاسان بساعة المراقب المتحرك. مثل

أين xў هو الإحداثي المكاني للحدث ، ثم نطرح مساواة واحدة من الأخرى ، نجد:

D t = g Dt.

من هذه الصيغة يتبع ذلك الساعة في النظام سعرض فاصل زمني أطول بين حدثين من الساعة في النظام سў تتحرك نسبة إلى س. بعبارة أخرى ، يكون الفاصل الزمني للوقت المناسب بين حدثين ، والذي يظهر من خلال حركة الساعة مع المراقب ، دائمًا أقل من الفترة الزمنية بين الأحداث نفسها ، والتي تظهر بواسطة ساعة المراقب الثابت.

يتم ملاحظة تأثير تمدد الوقت بشكل مباشر في التجارب على الجسيمات الأولية. معظم هذه الجسيمات غير مستقرة وتتحلل بعد فترة زمنية معينة t (بتعبير أدق ، يُعرف نصف العمر أو متوسط ​​عمر الجسيمات). من الواضح أن هذه المرة تقاس بساعة في حالة السكون بالنسبة إلى الجسيم ، أي هو عمر الجسيم نفسه. لكن الجسيم يطير متجاوزًا المراقب بسرعة عالية ، قريبة أحيانًا من سرعة الضوء. لذلك ، يصبح عمرها بالساعة في المختبر مساويًا لـ ر= gt ، و g >> 1 مرة ر>> ر. لأول مرة ، واجه الباحثون هذا التأثير عند دراسة الميونات المنتجة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض نتيجة تفاعل جسيمات الإشعاع الكوني مع نوى الذرة في الغلاف الجوي. تم إثبات الحقائق التالية:

يتم إنتاج الميونات على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر فوق سطح الأرض ؛

عمر الميون المناسب t @ 2h 10 –6 s ؛

يصل تدفق الميونات المولودة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي إلى سطح الأرض.

لكن يبدو أنه مستحيل. بعد كل شيء ، حتى لو كانت الميونات تتحرك بسرعة تساوي سرعة الضوء ، فلا يزال بإمكانها الطيران لمسافة تساوي ج t »3h 10 8h 2h 10 –6 m = 600 m مفسرة بشيء واحد فقط: من وجهة نظر مراقب أرضي ، زاد عمر الميون. الحسابات تؤكد تماما الصيغة النسبية. لوحظ نفس التأثير تجريبياً في مسرعات الجسيمات الأولية.

يجب التأكيد على أن الجوهر الرئيسي لـ SRT ليس في الاستنتاجات المتعلقة بتقليل الطول وتمديد الوقت. إن أهم شيء في نظرية النسبية الخاصة ليس نسبية مفاهيم الإحداثيات المكانية والزمان ، ولكن الثبات (الثبات) لبعض مجموعات هذه الكميات (على سبيل المثال ، الفاصل الزمني) في زمكان واحد ، لذلك ، بمعنى ما ، لا ينبغي تسمية SRT بنظرية النسبية ، بل نظرية المطلق (الثبات) لقوانين الطبيعة والكميات الفيزيائية فيما يتعلق بتحولات الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.

إضافة السرعات.

دع الأنظمة المرجعية سو سў يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض بسرعة موجهة على طول المحور x (xў). تحويلات لورنتز لتغيير إحداثيات الجسم د x، د يحتوي y V على مكون واحد فقط على طول المحور x، وبالتالي فإن المنتج العددي الخامسў = الخامسў x):

في الحالة المحددة ، عندما تكون كل السرعات أقل بكثير من سرعة الضوء ، الخامسج و الخامسў ج (حالة غير نسبية) ، يمكننا إهمال المصطلح الثاني في المقام وهذا يؤدي إلى قانون إضافة سرعات الميكانيكا الكلاسيكية

الخامس = الخامسў + الخامس.

في الحالة النسبية المعاكسة (السرعات قريبة من سرعة الضوء) ، من السهل ملاحظة أنه على عكس الفكرة الساذجة ، عند إضافة السرعات ، من المستحيل الحصول على سرعة تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. دعنا ، على سبيل المثال ، يتم توجيه جميع السرعات على طول المحور xو الخامسў = ج ، إذن من الواضح أن الخامس = ج.

لا ينبغي لأحد أن يعتقد أنه عند إضافة سرعات في إطار SRT ، لا يمكن الحصول على سرعات أكبر من سرعة الضوء على الإطلاق. إليك مثال بسيط: تقترب مركبتان فضاء بسرعة 0.8 معكل قريب لمراقب أرضي. ثم سرعة اقتراب سفن الفضاء بالنسبة إلى نفس المراقب ستكون 1.6 مع. وهذا لا يتعارض مع مبادئ SRT بأي شكل من الأشكال ، لأننا لا نتحدث عن سرعة إرسال الإشارة (المعلومات). ومع ذلك ، إذا طرحت السؤال ، ما هي سرعة اقتراب مركبة فضائية إلى أخرى من وجهة نظر مراقب في المركبة الفضائية ، فسيتم الحصول على الإجابة الصحيحة من خلال تطبيق صيغة إضافة السرعة النسبية: سرعة المركبة الفضائية نسبة إلى الأرض (0.8 مع) إلى سرعة الأرض بالنسبة إلى المركبة الفضائية الثانية (أيضًا 0.8 مع)، و كنتيجة الخامس = 1,6/(1+0,64)ج = 1,6/1,64ج = 0,96ج.

علاقة أينشتاين.

معادلة SRT الرئيسية المطبقة هي علاقة أينشتاين بين الطاقة ه، قوة الدفع صوالوزن مجسيم متحرك بحرية:

تحل هذه الصيغة محل الصيغة النيوتونية التي تربط الطاقة الحركية بالزخم:

هذوي القربى = ص 2/(2م).

ويترتب على صيغة أينشتاين أن متى ص = 0

ه 0 = مولودية 2.

معنى هذه الصيغة الشهيرة هو أن الجسيم الضخم في إطار مرجعي متجانس (أي ، في إطار مرجعي بالقصور الذاتي يتحرك مع الجسيم ، بحيث يكون الجسيم في حالة سكون بالنسبة له) لديه طاقة راحة معينة ه 0 ، يرتبط ارتباطًا فريدًا بكتلة هذا الجسيم. افترض أينشتاين أن هذه الطاقة حقيقية تمامًا وأنه عندما تتغير كتلة الجسيم ، يمكن تحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة ، وهذا هو أساس التفاعلات النووية.

يمكن إثبات ذلك من وجهة نظر المراقب بالنسبة لمن يتحرك الجسيم بسرعة الخامس ، الطاقة والزخم لتغير الجسيم:

وبالتالي ، فإن قيم الطاقة وزخم الجسيم تعتمد على الإطار المرجعي الذي تُقاس فيه هذه الكميات. تعبر نسبة أينشتاين عن القانون العالمي للتكافؤ والتحول المتبادل للكتلة والطاقة. أصبح اكتشاف أينشتاين أساسًا ليس فقط للعديد من الإنجازات التقنية في القرن العشرين ، ولكن أيضًا لفهم نشأة الكون وتطوره.

الكسندر بيركوف