Ефект уповільнення часу в спеціальній теорії відносності (СТВ) (реферат)

Реферат на тему:

Ефект уповільнення часу в спеціальній теорії відносності (СТВ)

План

1. Фізика до Ейнштейна.

1.1. Види систем відліку.

2. Ньютонівський Всесвіт.

3. Дослід Майкельсона.

4. Уявний дослід Ейнштейна.

5. Перший постулат СТВ.

6. Зв’язок швидкості з іншими фізичними категоріями.

7. Уповільнення часу.

Фізика до Ейнштейна

Спеціальна теорія відносності — це один із найбільших шедеврів людської
думки, той випадок, коли точна наука в якому-небудь прояві перевершує
саму себе і стає актом художнього мистецтва.

Людина, що осягнула основи спеціальної теорії відносності, по праву може
пишатися цим, як пишається альпініст, що підкорив відому вершину.

Спеціальна теорія відносності пояснює, як у Всесвіті пов’язані між собою
і поводяться одна щодо одної основні фізичні величини.

На жаль, усю спеціальну теорію відносності неможливо дохідливо викласти
в обсязі одного реферату, тому пропонується лише частина матеріалу.

Ще на початку XX століття у фізиці панували уявлення, що грунтувалися на
класичній ньютонівській механіці. Всесвіт уявлявся фізикам у вигляді
нескінченного тривимірного простору, рівномірно заповненого невідомою
сутністю з чудовими властивостями — «ефіром», у який занурені зорі і всі
інші космічні тіла. «Ефір» вважався тією речовиною, у якій поширюються
електромагнітні хвилі.

Для опису механічного руху в такому всесвіті вибирається яка-небудь
точка відліку й система координат, що проходить через цю точку. Разом це
називається системою відліку.

Види систем відліку

Для розуміння суті предмета вкрай важливо усвідомити значення поняття
«інерційна система відліку». Інерційна система відліку — це така система
відліку, У якій виконується перший закон Ньютона. Просто кажучи, якщо на
тіло не Діють ніякі сили, то воно або перебуває в спокої, або рухається
прямолінійно з однієї і тією ж швидкістю, без прискорення. Якщо таке
тіло внести в інерційну

систему відліку, то щодо її координат воно буде також перебувати в
спокої, або рухатися рівномірно прямолінійно. Уявімо інший випадок. На
тіло не діють ніякі сили. Визначаємо місцезнаходження цього тіла в
обраній нами системі відліку і з’ясовуємо, що… тіло рухається з
прискоренням щодо якої-небудь осі. Але ж на тіло не діють сили, здатні
прискорити його, як же воно може прискорюватися? Ніяк; це означає, що
прискорено рухається не саме тіло, а наша система відліку. Така система
відліку належить до неінерційних. Класична ньютонівська механіка
стверджує, що у всіх інерційних системах відліку закони механіки діють
однаково.

Ньютонівський всесвіт

Міркуємо далі. Для простоти уявімо, що весь Всесвіт уміщається в
невеликій квадратній кімнаті, яка рівномірно заповнена якимсь ефіром і
нерівномірно — усілякими іншими тілами. Простір уздовж усього цього
«Всесвіту» — той самий, він ніде не переривається. Отже, можна
припустити, що для усього Всесвіту можна вибрати одну нерухому точку
відліку (у центрі) і від неї крізь весь простір провести координатні
осі. Таким чином, місцезнаходження всіх тіл у Всесвіті можна визначити
щодо єдиної інерційної системи відліку. Саме так думав геніальний фізик
Ісаак Ньютон, а услід за ним і решта фізиків. Причому таку єдину
інерційну систему Ньютон пов’язував саме з ефіром, тому що, на його
думку, тільки ця речовина не могла мати прискорення.

Дослід Майкельсона

Тепер уявіть, що ви з постійною швидкістю ідете в автобусі по рівній
дорозі, яка одночасно є віссю координат у якійсь інерційній системі
відліку. По цій самій дорозі з однаковою швидкістю мчать два автомобілі,
один — назустріч вам, інший вас наздоганяє. Природно, що щодо вашого
автобуса зустрічний автомобіль їхатиме швидше, а той, що доганяє, —
повільніше. Тепер уявіть, що дорога, по якій йде ваш автобус — це
«ефір», автобус — це планета Земля (яка несеться крізь Космос по
круговій орбіті зі швидкістю ЗО км/с), а обидва автомобілі, що ідуть з
однаковою швидкістю — це хвилі світла. Таким чином, виходить, що щодо
Землі, яка рухається в нерухомому «ефірі», тобто в єдиній інерційній
системі відліку, світлові хвилі повинні мати різну швидкість. Швидкість
того світла, що «наздоганяє» Землю, повинна бути трохи меншою, ніж
швидкість «зустрічного» світла. Фізики були дуже здивовані, коли дослід,
поставлений у 1881 році Майкельсоном, не підтвердив цього припущення.
Швидкість світла залишалася постійною незалежно від його напрямку щодо
Землі.

Уявний дослід Ейнштейна

Дослід Майкельсона був багаторазово повторений і давав завжди однаковий
результат, пояснити який фізики немогли доти, поки в 1905 році
двадцятишестирічний німецький вчений Альберт Ейнштейн не опублікував
спеціальну теорію відносності.

Ейнштейна також цікавив парадокс досліду Майкельсона, і він міркував
приблизно в такий спосіб: учені думають, що швидкість світла, як і
будь-яка інша швидкість, підкоряється правилу додавання й віднімання
швидкостей (як у нашому прикладі з автотранспортом). Припустимо, що це
так. Далі, припустимо, що я одержав можливість рухатися зі швидкістю
світла, і лечу крізь космос, маючи швидкість 300 000 км/с, і роблю
спостереження. Поруч зі мною, у той самий бік, що і я, рухається
світлова хвиля. А через те, що швидкості в нас однакові, то щодо мене ця
хвиля буде нерухомою. Отже, я зможу спостерігати нерухоме світло —
застиглу електромагнітну хвилю!

Це здавалося Ейнштейнові неймовірним, і він викладає своє розуміння
питання.

Перший постулат СТВ

По-перше, швидкість світла — виняткова величина у всіх фізичних процесах
3 якою б швидкістю не рухався спостерігач щодо світла, для нього
швидкість цього світла не може бути ані меншою, ані більшою за своє
єдине значення. Філософський зміст цього твердження колосальний. З якою
б швидкістю і з яким би прискоренням не рухалася система відліку,
відносно неї швидкість світла — однакова. Якщо такий принцип правильний,
це означає, що єдиної інерційної системи відліку принципово не існує.
Усі системи відліку принципово «рівні перед швидкістю світла». Виходить,
що інерційних систем відліку зовсім не існує, адже не важливо, чи
рухається система з прискоренням, чи ні — все одно щодо неї швидкість
світла залишиться постійною. Чи розумієте ви, що це означає? Адже
системи відліку можна пов’язати з будь-якими фізичними тілами (у тому
числі й з електромагнітними хвилями), і вимірювання, проведені відносно
цих систем, будуть правильні навіть у тому випадку, якщо вони суперечать
одне одному! Спробуймо пояснити це якомога зрозуміліше. Повернімося до
прикладу з автобусом і автомобілями. Автобус — інерційна система
відліку, тому що він рухається рівномірно і прямолінійно. Іншу систему
відліку пов’яжемо з автозаправною станцією, вона теж буде інерційною,
тому що станція нерухома. Два автомобілі, що їдуть у різні боки з
однаковими швидкостями, якщо ви пам’ятаєте, матимуть різні швидкості
щодо автобуса. Щодо станції їхні швидкості залишаться однаковими. Як ви
розумієте, протиріччя тут немає, тому що автобус рухається, а станція
нерухома. Але, відповідно до досліду Майкельсона і висновків Ейнштейна,
швидкість світла щодо обох систем відліку залишиться постійною. Це
суперечить механіці Ньютона і здоровому глуздові. Одначе це так.
Результати вимірювань швидкості світла, проведених у всіх системах
відліку, незалежно від швидкостей цих систем, завжди однакові і,
незважаючи на це, завжди правильні.

Як можна пояснити цей дивний факт? Чому швидкість світла має такий
унікальний привілей перед усіма іншими швидкостями?

На перше питання ані Ейнштейн, ані решта фізиків не відповідають. У
науці є ряд тверджень, за допомогою яких можна пояснити всі інші явища.
Але пояснити причину їх самих неможливо. Наприклад, на питання «чому
падає яблуко з дерева на землю?» можна відповісти: «тому що на яблуко
діє гравітаційна ‘ сила» Але на питання «чому діє гравітаційна сила?»
відповіді немає. Так само не можна сказати, чому швидкість світла скрізь
і завжди однакова. Ейнштейн постулював цей принцип, так само як Ньютон
постулював принцип гравітаційної взаємодії.

Зв’язок швидкості з іншими фізичними категоріями

Тепер поговоримо про питання «привілейованості» швидкості світла, і ви
побачите, що дива тільки почалися. Що таке швидкість? Це відношення
відстані, що покривається тілом під час руху, до часу, за який ця
відстань подолана. Швидкість — відстань / час. Таким чином, швидкість —
це більш абстрактна величина, ніж час і відстань, адже без них вона не
може бути визначена, тоді як вони без неї — можуть. Виходить, розгадку
таємниці швидкості світл-з потрібно шукати в часі й у відстанях. Крім
того, якщо тіло має яку-небудь швидкість, тобто рухається щодо
якої-небудь системи координат, про таке тіло говорять, що воно має
кінетичну енергію. Чим вища швидкість тіла, тим більшою є його кінетична
енергія, іншими словами, швидкість — це міра кінетичної енергії тіла.
Простір, час, кінетична енергія — ось категорії, у яких ховається
загадка швидкості світла.

Уповільнення часу

Ось як вирішив загадку швидкості світла Альберт Ейнштейн. Уявіть собі
космічний корабель, у якому спостерігач рухається зі швидкістю світла і
спостерігає за світловою хвилею, що рухається поруч. З боку це виглядає
так: космічний корабель спостерігача, який борознить простори Космосу, і
поруч із ним — світловий промінь. Таке ви легко можете собі уявити.
Набагато важче уявити, яким чином спостерігач, примудрившись побудувати
космічний корабель, здатний наздогнати світло, бачить зі свого
ілюмінатора, що його швидкість і швидкість світла, як і раніше, не
однакові. Але ж спідометр зорельота показує саме 300 000 км/с! А тим
часом швидкість супутника-фото-на щодо корабля теж дорівнює 300 000
км/с… Ейнштейн проаналізував стан спостерігача з погляду математики й
дійшов висновку, що справа в часі. Зверніть увагу: у спостерігача в
зорельоті створюється враження, що він нерухомий щодо світлової хвилі за
ілюмінатором. І це так і є. Для тіла, що досягло швидкості світла, час
дуже сильно сповільнюється. Уявіть, що ваш час сповільнився, і вам
здається, що з вами вже нічого не відбувається. Тоді вам здаватиметься,
що оточуючі вас тіла рухаються швидше за вас. І це буде правильно, тому
що ви — саме та система відліку, щодо якої у цій ситуації вимірювання
правильні. Згадайте — немає єдиної еталонної системи відліку, усі
системи відліку рівноправні. Цей приклад не має реальної фізичної
цінності, але дозволяє глибше зрозуміти суть питання. Суть у тому, що
перебіг часу в цій системі залежить від кількості кінетичної енергії,
яку має ця система (ви не забули: швидкість — це міра кінетичної
енергії). Чим більше кінетичної енергії набирає тіло, тим швидше воно
рухається щодо інших тіл, тим сильніше його індивідуальний час
відрізняється від індивідуального часу нерухомих тіл (які не мають
кінетичної енергії). Завдяки цьому вся навколишня реальність щодо цього
тіла матиме інші фізичні характеристики.