Specialioji reliatyvumo teorija

Iš testwiki.
16:38, 26 lapkričio 2022 versija, sukurta imported>Homobot (Nebenaudojamo skydelių datavimo šalinimas.)
(skirt) ← Ankstesnė versija | Dabartinė versija (skirt) | Vėlesnė versija → (skirt)
Pereiti į navigaciją Jump to search

Šablonas:Šaltiniai

Albertas Einšteinas

Specialioji reliatyvumo teorija – pirmoji iš reliatyvumo teorijų, 1905 metais aprašyta Alberto Einšteino straipsnyje „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“.

Šios teorijos pagrindinis teiginys – kad kiekvienam stebėtojui šviesos greitis vakuume yra vienodas visomis kryptimis ir nepriklauso nei nuo šaltinio, nei nuo stebėtojo judėjimo greičio. Iš to daroma išvada, kad kuo greičiau objektas juda, tuo lėčiau jam eina laikas, tuo objektas darosi sunkesnis ir jo tiesiniai matmenys, nejudančio stebėtojo atžvilgiu, darosi mažesni. Taip pat Albertas Einšteinas teigė, kad jokiais bandymais sistemos viduje negalima nustatyti skirtumo tarp rimties ir judėjimo iš inercijos būsenų.

Galiojimo sritis

Specialioji reliatyvumo teorija sugriovė iki tol buvusį visuotinai priimtiną Niutono mechanikos dėsniais pagrįstą pasaulio supratimą. Tačiau įprastinėmis aplinkybėmis Žemėje, kuomet greičiai dažnai nedideli, reliatyvistinės Niutono dėsnių pataisos paprastai yra nykstamai mažos, todėl jais galima naudotis.

Teorija vadinama specialiąja, nes joje nekreipiama dėmesio į gravitaciją. Bendroji reliatyvumo teorija papildo specialiąją reliatyvumo teoriją paaiškindama gravitaciją. Specialiąją reliatyvumo teoriją galima taikyti tik ten, kur gravitacinis potencialas žymiai mažesnis už c². Kitais atvejais taikoma tik bendroji reliatyvumo teorija.

Postulatai

Teorijai sukurti užtenka dviejų postulatų:

Inertinės atskaitos sistemos – tai tokios atskaitos sistemos, kurios viena kitos atžvilgiu juda tiesiai ir tolygiai (jose galioja I Niutono dėsnis). Specialioji reliatyvumo teorija nagrinėja tik tokias atskaitos sistemas.

Iš antrojo postulato išplaukia, kad šviesos greitis nepriklauso, ar šaltinis juda stebėtojo atžvilgiu, ar – ne. Pavyzdžiui, jei šviesos šaltinis juda šviesos sklidimo kryptimi greičiu, lygiu pusei šviesos greičio (0,5c), tai vis tiek išmatavę šviesos sklidimo greitį stebėtojo atžvilgiu gausime, kad jis lygus tam pačiam c, o ne 1,5c. Taip yra todėl, kad stebėtojas ir šviesos šaltinis yra dvi inertinės atskaitos sistemos.

Laiko sulėtėjimas

Jei stebėtojo „laiko etalonas“ yra trukmė, per kurią jo požiūriu šviesa įveikia žinomą atstumą, iš šios teorijos išplaukia jog laikas nėra vienas ir tas pats visiems stebėtojams.

Nejudančiam stebėtojui atrodo, kad judančio stebėtojo laikas eina lėčiau.

t=t01v2c2t0γ

čia γ=11v2c2 vadinamas Lorenco daugikliu ir c yra šviesos greitis vakuume.

Taigi nėra absoliutaus laiko. Du įvykiai vienam stebėtojui atrodo vykstantys vienu metu, kitam gali vykti skirtingu laiku.

Įrodymas

Nagrinėkime dvi atskaitos sistemas S ir S'. Tegul sistema S' juda greičiu v sistemos S atžvilgiu. Pažymėkime Δt0 laiką, kurį matuoja nejudantis atskaitos sistemoje S esantis stebėtojas. Šis laikas dar vadinamas savuoju laiku. Δt – tai laikas, kurį išmatuos judantis stebėtojas esantis S'. Sistemoje S šviesa atstumą L įveiks per laiką Δt0=Lc. Sistemoje S' šviesa įveiks atstumą L2+(vΔt)2. Vadinasi Δt=L2+(vΔt)2cc2Δt2=L2+v2Δt2Δt2(c2v2)=L2

L dabar įsistatykime iš pirmosios formulės.

Δt2(c2v2)=Δt02c2Δt=Δt01v2c2. |}

Ilgio sutrumpėjimas

Ilgis gali būti nustatomas matuojant trukmę, per kurią žinomu greičiu judantis kūnas įveikia visą matuojamą atkarpą. Jei laikas stebėtojams teka nevienodai, nevienodas bus ir jų išmatuotas šios atkarpos ilgis.

Nejudančiam stebėtojui judančio stebėtojo ilgis atrodo mažesnis.

L=L01v2c2L0γ
Įrodymas

Mes žinome, kad:

Δt=Δt01v2c2
L0=vΔt (L0 – atstumas, kurį matuoja stebėtojas esantis S. Δt – tai laikas, kurį išmatavo stebėtojas iš atskaitos sistemos S)
L=vΔt0 (L – atstumas, kurį matuoja stebėtojas esantis S'. Δt0 – laikas, kurį matuoja stebėtojas esantis S')

Pasinaudodami šiomis lygtimis išsireikškime ilgį atskaitos sistemoje S'. L=vΔt0L=vΔt1v2c2L=L01v2c2

Masės padidėjimas

Šablonas:Cleanup

Masė gali būti nustatoma pagal pagreitį, kuriuo juda žinoma jėga veikiamas kūnas. Tokiame bandyme reikia matuoti tiek atstumus, tiek ir trukmes. Kadangi abu dydžiai reliatyvūs, skirtingu greičiu judantys stebėtojai masę taip pat nustatys nevienodai.

Nejudančiam stebėtojui judantis stebėtojas atrodo masyvesnis.

m=m01v2c2m0γ

Įrodymas

Rutulių judėjimas atskaitos sistemose S ir S'

Remsimės prielaida, kad reliatyvumo teorijoje galioja judesio kiekio tvermės dėsnis. Judesio kiekis yra 𝐩=m𝐯. Atlikime mintinį eksperimentą. Nagrinėkime dviejų vienodų rutulių, kurių rimties masės m0 smūgį. Nagrinėkime dvi inercines atskaitos sistemas S ir S'. Stebėtojui esančiam S', atrodys, kad sistemoje S laikas eina lėčiau. tt=γ. Tegul stebėtojai išmeta rutulius greičiais u. Laikykime, kad u yra pakankamai mažas greitis. Dabar pritaikykime judesio kiekio tvermės dėsnį. mu=m0u. Vadinasi mm0=uu. Kadangi rutuliai susiduria, tai jie vienu metu būna tame pačiame taške. Rutulių nueiti keliai yra vienodi ir lygūs L, nes atstumas mažėja tik judėjimo kryptimi (𝐯 kryptimi), o ne jai statmena, todėl u=Lt ir u=Lt. Pasinaudoję šiomis lygtimis užrašome, kad uu=γ. Taigi išeina, kad mm0=γ.

m=m01v2c2

Skirtingai nuo masės, elektros krūvis nuo judėjimo greičio pagal šią teoriją nepriklauso.

E=mc²

Vienas labiausiai žinomų rezultatų yra energijos ir masės sąryšis E=mc². Tai reiškia, kad masė ir energija yra ekvivalenčios. Bet kokia materijos rūšis, kuri turi energijos, turi ir masę. Kartais ši formulė yra klaidingai interpretuojama, nes sakoma, kad energija gali virsti mase ir atvirkščiai. Rimties masė gali virsti kitų rūšių energija. Dažniausiai ji virsta šviesa, kurios kvantai neturi rimties masės, tačiau masę – turi.

Įrodymas

Panagrinėkime, kaip kinta kūno kinetinė energija, kai jį veikia jėga. Pradžioje kūnas greitėja, bet kai greitis priartėja prie šviesos greičio, tada greitis beveik nebekinta, o didėja kūno masė. Tai leidžia manyti, kad masė yra energijos forma. Pažymėkime kūno kinetinę energiją raide Ek. Tarkime, kad reliatyvumo teorijoje galioja energijos tvermės dėsnis.

Ek=Fdx=dpdtdx=dxdtdp=vdp,
vdp=d(pv)pdv,
d(pv)=pv|0v=pv=mv2,
Ek=mv20vmvdv=mv20vm0v1v2c2dv=mv20vm0v1v2c2d(1v2c2)2vc2=
mv2+0vm0c221v2c2d(1v2c2)=mv2+(m0c21v2c2)|0v=mv2+m0c21v2c2m0c2;
Ekmv2+m0c2(112v2c2)m0c2=mv2+m0c2m0v22m0c2=mv2m0v22=mv22=m0v22, kai greitis v nereliatyvistinis (daug mažesnis nei šviesos greitis).
Ek=mv2+m0c21v2c2m0c2=mv2+m0c21v2c21v2c21v2c2m0c2=

=mv2+mc21v2c21v2c2m0c2=mv2+mc2(1v2c2)m0c2=mc2m0c2=m0c21v2c2m0c2..

Dydį m0c² pavadinsime rimties energija. Tada gauname, kad:

E=E0+Ek=mc2=m0c21v2c2.
E0=m0c2.
Ek=EE0=m0c21v2c2m0c2=mc2m0c2.

Kai greičiai yra maži (iki 0.5c), tai:

Ek=m0c21v2c2m0c2m0v22.

Energija ir judesio kiekis

Reliatyvistinių kūnų energija ir judesio kiekis:

E=m0γc2
p=m0γv

Energiją ir judesio kiekį galime išreikšti vienas per kitą:

E2(pc)2=(m0c2)2

Judančio kūno kinetinė energija yra:

Ek=m0c2(γ1)

Kai v2<<c2, tai ši formulė išskleidus Teiloro eilute susiveda į Ek=mv22.

Įrodymai
E=mc2
p=m0v1v2c2
E2=m2c4=m2c2v2+m2c2(c2v2)=p2c2+m02c4(1v2c2)1v2c2
E2=p2c2+m02c4

E=m0c21v2c2E=m0c2+m0v22+3m0v48c2+5m0v616c4+

Galime atmesti visus narius pradedant trečiuoju, nes jie labai maži. Narys mc² nepriklauso nuo v. Tai yra kūno rimties energija. Likęs narys mv22 ir yra kūno kinetinė energija. Faktas, kad esant mažiems greičiams gaunama klasikinė formulė, patvirtina specialiosios reliatyvumo teorijos teisingumą, nes tai yra bendresnė teorija už klasikinę mechaniką.

Lorenco laiko ir erdvės transformacijos

Besikeičiantis erdvės vaizdas išilgai didelį pagreitį turinčio stebėtojo pasaulio linijos.

Šioje animacijoje vertikali kryptis rodo laiką, o horizontali – atstumą, brūkšniuotoji linija yra stebėtojo erdvėlaikio trajektorija („pasaulio linija“). Diagramos apatinis ketvirtis rodo stebėtojui matomus įvykius, o viršutinis ketvirtis yra šviesos kūgis – tai, ką stebėtojas galės matyti. Maži taškai yra pasirenkami įvykiai erdvėlaikyje.

Pasaulio linijos krypties koeficientas yra santykinis greitis stebėtojo atžvilgiu. Atkreipkite dėmesį, kad kai stebėtojas juda su pagreičiu erdvėlaikis keičiasi.

Pačioje XIX a. pabaigoje buvo pastebėta, kad Maksvelio lygtys netenkina Galilėjaus transformacijų. 1904 m. Henrikas Antonas Lorencas įvedė kitą koordinačių ir laiko transformacijų sistemą tam, kad išspręstų atsiradusias problemas. Sekančiais 1905 m. tas pačias formules nepriklausomai išvedė Albertas Einšteinas iš savo dviejų postulatų.

t=γ(tvxc2)
x=γ(xvt)
y=y
z=z

Priežastingumo principas

Vaizdas:Light cone lt.svg
Šviesos kūgis

Vienam stebėtojui du įvykiai gali atrodyti vykstantys vienu metu, o kitam stebėtojui vienas įvykis gali atrodyti anksčiau ar vėliau už kitą. Diagramoje įvykis A yra anksčiau už įvykį C. Įvykis C gali vykti ir anksčiau už įvykį A arba vienu metu. Tačiau A ir C jau nebegali susisiekti, nes C jau nebėra stebėtojo A šviesos kūgyje ir atvirkščiai. Taigi priežastingumo principas lieka nepažeistas, nes nei A, nei C nėra vienas kito priežastis ir pasekmė. O įvykio priežastis bus visada tame pačiame šviesos kūgyje kaip ir pats įvykis.

Greičių sudėtis

Išvedinėjant dviejų lygiagrečių greičių sudėties formulę iš Lorenco transformacijų gaunamos reliatyvistinės greičių sudėties formulės:

u'x=(uxv)(1uxv/c2)

ux=(u'x+v)(1+u'xv/c2)

u'y=uy1v2/c2(1uxv/c2)

uy=u'y1v2/c2(1+u'xv/c2)

u'z=uz1v2/c2(1uxv/c2)

uz=u'z1v2/c2(1+u'xv/c2)

Pagal šias formules išeina, jog dviejų lėčiau už šviesą judančių kūnų greičių suma niekada negali viršyti šviesos greičio. Jei vienas kūnų juda šviesos greičiu, suma visada lygi šviesos greičiui.

Joks rimties masę turintis kūnas negali judėti šviesos greičiu. Jeigu jis judėtų šviesos greičiu, tai turėtų nulinį ilgį ir begalinę masę ir sustotų laikas. Taip tikrai negali būti, nes begalinės masės kūnas sunaikintų Visatą. Jeigu kūnas judėtų greičiau už šviesos greitį, pagal šią formulę jo rimties masė būtų kompleksinė (fizikinė šio teiginio prasmė nėra aiški). Tokie kūnai negalėtų judėti lėčiau už šviesos greitį. Kol kas neaptikta tokių kūnų, dar vadinamų tachionais, todėl abejojama dėl jų egzistavimo.

Niutono dėsnis

Klasikinis Niutono dėsnis reliatyvistiniu atveju nebegalioja, nes keičiasi kūno masė.

𝐅=d𝐩dt

Jeigu į klasikinę formulę 𝐅=m𝐚 vietoj m įsistatysime γm0, teisingo rezultato negausime. Teisinga formulė yra tokia:

𝐅=γm0𝐚+γ3m0𝐯𝐚c2𝐯

Kaip matome, jėgos ir pagreičio kryptis gali nesutapti reliatyvumo teorijoje.

Keturmatis erdvėlaikis

Specialiojoje reliatyvumo teorijoje naudojama Minkovskio geometrija. Specialioji reliatyvumo teorija erdvėlaikį laiko neiškreivėjusiu. Minkovskio geometrija panaši į paprastą Euklido geometriją, kur atstumas tarp dviejų taškų yra:

ds2=dx2+dy2+dz2

Minkovskio geometrijoje:

ds2=dx2+dy2+dz2+(ic dt)2

Čia i yra menamasis vienetas. i2=1, todėl:

ds2=dx2+dy2+dz2(c dt)2

Taigi reliatyvumo teorijoje invariantas yra ne erdvės intervalas, o erdvėlaikio intervalas. Jis visose atskaitos sistemose yra toks pat.

Koordinačių transformacijos tarp inertinių atskaitos sistemų pasiekiamos naudojant Lorenco transformacijų tenzorių Λ. Judėjimui x-ašies atžvilgiu:

Λμν=(γβγ00βγγ0000100001)

Čia:

  • β=vc
  • γ=11β2

Tai supaprastina daugumą specialiosios reliatyvumo teorijos formulių. Dauguma fizikinių dydžių yra tenzoriai. Transformacijoms iš vienos atskaitos sistemos į kitą, naudojame tenzorių transformavimo dėsnį:

T[j1,j2,...jq][i1,i2,...ip]=Λi1i1Λi2i2...ΛipipΛj1j1Λj2j2...ΛjqjqT[j1,j2,...jq][i1,i2,...ip].

Nagrinėkime keturi vektorių, užrašę jį atskirais komponentais:

xν=(ct,x,y,z).

Perėjimui iš sistemos S į sistemą S' , atliekame šiuos veiksmus:

(ctxyz)=x'μ=Λμνxν=(γβγ00βγγ0000100001)(ctxyz)=(γctγβxγxβγctyz).

Reliatyvumas ir elektromagnetizmas

Specialioji reliatyvumo teorija yra susijusi su Maksvelio lygtimis, kuri sako, kad elektrinis laukas ir magnetinis laukas yra reliatyvūs ir kitoje atskaitos sistemoje bus kitokie. Todėl sakoma, kad yra elektromagnetinis laukas. Elektrinis laukas [Ex,Ey,Ez] ir magnetinis laukas [Bx,By,Bz] sujungiami į vieną elektromagnetinio lauko tenzorių:

Fμν(0Ex/cEy/cEz/cEx/c0BzByEy/cBz0BxEz/cByBx0)

Krūvio tankis ρ ir srovės tankis [Jx,Jy,Jz] sujungiami į krūvio-srovės keturmatį vektorių:

Jμ=(ρcJxJyJz).

Maksvelio lygtys specialiojoje reliatyvumo teorijoje užrašomos naudojant kovariantinius tenzorius:

μFμν=μ0Jν (Ampero-Gauso dėsnis)

λFμν+μFνλ+νFλμ=0 (Faradėjaus-Gauso dėsnis)

Čia ν=xν

Taip pat skaitykite

Šablonas:Fizikos šakos