Физика 11 класс "Предельность и абсолютность скорости света. Постулаты специальной теории относительности"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Предельность и абсолютность скорости света. Постулаты специальной теории относительности

Физика 11 класс

Учитель физики И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Специальная теория относительности (СТО)   – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов.

Из истории СТО

Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

Анри Пуанкаре

А. Эйнштейн

Электромагнитное поле и принцип относительности

• Создание специальной теории относительности исторически связано с развитием электродинамики. За два столетия, которые отделяли физику эпохи Галилея и Ньютона от физики эпохи Максвелла и Герца, в ней накопилось огромное количество новых научных фактов. Особенно бурно в это время развивались электромагнетизм и оптика. В тоже время представление о мироздании базировалось на механической картине мира, трактовавшей все явления с позиций классической механики 17 века, носившей универсальный характер.

• В классической механике считается, что длина и время являются величинами абсолютными, а скорость и перемещение – относительными. Механический принцип относительности (принцип Галилея) заключается в том, что все механические явления протекают одинаково в любой инерциальной системе отчета.
• Галилей не задумывался о других явлениях, т. к. в те времена механика составляла, по существу, всю физику. До середины XIX в. считалось, что все физические явления можно объяснить на основе механики Ньютона.

• В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлений (теория Максвелла). Оказалось, что уравнения Максвелла изменяют свой вид при галилеевых преобразованиях перехода от одной ИСО к другой.
• Возник вопрос о том, как влияет равномерное прямолинейное движение на все физические явления. Перед учеными встала проблема согласования теории электромагнетизма и механики.
• Задача была трудной, т.к. законы классической механики прекрасно подтверждались в обширной области явлений (от статики до небесной механики), замечательно служили практике, и изменять это казалось абсурдным. Поэтому многие ученые пытались построить теорию электродинамики так, чтобы она соответствовала классической механике.

• Электромагнитные процессы происходят со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, которые значительно больше скоростей различных механических тел.
• Согласно законам электродинамики и скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна 300000 км/с
• Согласно законам механики Ньютона, эта скорость может равняться 300000 км/с 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.
• Если свет – волна, и если волна распространяется в среде, то свет движется относительно какой то среды.

• Механические волны могут распространяться только в какой-либо упругой среде — газообразной, жидкой или твердой.
• Проводя аналогию между механическими и электромагнитными волнами, ученые пришли к выводу, что для распространения света также необходима некоторая упругая среда, которую назвали эфиром . Эфир должен обладать следующими уникальными свойствами:

1) невидимость и невесомость, поскольку все попытки

увидеть или взвесить его оказались безрезультатными.

2) огромной жесткостью, так как скорость упругих волн в

среде зависит от ее жесткости (или упругости).

• По мере развития электродинамики во второй половине 19 века основным стал вопрос о влиянии эфира на движение света. Ответы на возникшие вопросы мог дать только эксперимент.
• Измерение скорости света в произвольной инерциальной системе отсчета позволили бы обнаружить движение этой системы относительно эфира и определить скорость этого движения, т.е. обнаружить «эфирный ветер».

• Для разрешения проблемы эфира американский физик Альберт Майкельсон предложил схему эксперимента, позволяющего с помощью интерференции обнаружить движение Земли относительно эфира. Если бы свет распространялся в эфире, а эфир был неподвижен относительно Солнца, то при своем движении по орбите Земля должна была бы испытывать «эфирный ветер», подобно тому, как при езде на мотоцикле или велосипеде мы ощущаем встречный поток воздуха даже в безветренную погоду.

Эксперимент Майкельсона

• В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдуард Морли провели эксперимент, точность измерений в котором была достаточной для обнаружения «эфирного ветра».
• На массивной каменной платформе площадью полтора на полтора квадратных метра и толщиной более 30 сантиметров, плававшей в бассейне со ртутью, была собрана оптическая схема, получившая в последствии название интерферометра Майкельсона. Такая конструкция обеспечивала независимость наблюдаемой интерференционной картины от механических колебаний платформы.

Эксперимент Майкельсона

• Свет от источника делился на два пучка, распространявшихся во взаимно перпендикулярных направлениях. Пучки отражались от зеркал, а затем сводились вместе. На детекторе при сложении этих пучков наблюдалась интерференционная картина, определяемая разностью хода взаимодействующих волн.

Эксперимент Майкельсона

• Если заставить один из лучей двигаться вдоль направления движения Земли, а второй — перпендикулярно, то «эфирный ветер» будет «разным» для этих лучей, что должно привести к изменению, а точнее, к сдвигу интерференционной картины.
• При развороте платформы на 90 градусов относительно направления движения Земли интерференционная картина должна была сдвинуться на расстояние, приблизительно равное 0,4 интерференционной полосы. Однако ожидаемое смещение не было обнаружено, хотя интерферометр позволял наблюдать сдвиг интерференционной картины даже на одну сотую полосы. Эти эксперименты повторялись в разное время суток и в различные времена года, но движение Земли относительно эфира не было обнаружено.

• Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли был одной из величайших загадок физики конца 19 начала 20 веков.
• Некоторые ученые все равно считали, что эфир существует.

Нидерландский физик и лауреат Нобелевской премии Хендрик Лоренц заявлял, что мировой эфир существует . Отрицательные результаты опыта Майкельсона-Морли он объяснял тем, что при движении со скоростями, близкими к скорости света, происходит сокращение продольных размеров тела и замедление времени.

• В 1905 году для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона-Морли немецкий физик Альберт Эйнштейн предложил новую теорию, получившую название специальная теория относительности (СТО).
• Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы отсчета равноправны по отношению к механическим явлениям. Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли показал, что все инерциальные системы отсчета равноправны и по отношению к электромагнитным явлениям.

Специальная теория относительности (СТО).

• Посредством многочисленных экспериментов был установлен факт постоянства скорости света в вакууме в любых инерциальных системах отсчета, который не согласуется с классическим законом сложения скоростей . Для преодоления противоречий между механическими и электромагнитными явлениями Эйнштейну пришлось изменить классические представления о пространстве и времени. В основе специальной теории относительности, или в дальнейшем просто теории относительности, лежат два постулата .

Постулаты СТО

• В первом постулате Альберт Эйнштейн зафиксировал важнейший факт равноправия всех инерциальных систем отсчета. Этот постулат представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на все физические явления.
• Первый постулат ( постулат относительности):

все законы физики, описывающие любые физические явления, должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.

• Этот же постулат может быть переформулирован и таким образом:

в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одинаковых начальных условиях протекают одинаково.

Постулаты СТО

• Согласно постулату относительности никакими физическими экспериментами, проводимыми в каюте корабля, невозможно установить факт движения относительно Земли. Любые эксперименты, даже с использованием самой современной аппаратуры, приведут к тем же результатам, что и в неподвижном относительно Земли корабле.
• Первый постулат стимулировал появление второго постулата. Самая большая скорость , измеренная физиками, — это скорость света в вакууме . Для равноправия всех инерциальных систем отсчета необходимо, чтобы эта предельная скорость была в них одинаковой. В противном случае, измеряя эту скорость, можно установить факт движения или факт отличия данной системы отсчета от других, что запрещено первым постулатом.

Постулаты СТО

• Второй постулат (постулат постоянства скорости света) :

во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движения источника.

• Таким образом, скорость света в вакууме в теории Альберта Эйнштейна занимает особое положение. Кроме того, эта скорость является предельной скоростью всех процессов и движений, сопровождаемых переносом энергии .
• Этим механика теории относительности принципиально отличается от классической механики Ньютона.

Постулаты СТО

Немецкий физик Герман Минковский считал, что время следует рассматривать как четвертое измерение.

В 1908 году он начал свою лекцию на 80-м съезде немецкого общества естествоиспытателей и врачей следующими словами: « Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить перед вами, развивались на основе экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Отныне пространство само по себе и время само по себе обратились в простые тени, и только какое-то единство их обоих, сохранит независимую реальность ».

Основные выводы:

• Теория относительности не содержит никаких противоречий и является абсолютно логичной .
• Специальная теория относительности Эйнштейна базируется на двух постулатах .

Первый постулат (постулат относительности):

в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одинаковых начальных условиях протекают одинаково.

Второй постулат (постулат постоянства скорости света) :

во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движения источника.