4.1 Инвариантность модуля скорости света в вакууме. Принцип относительности Эйнштейна

Видеоурок: Специальная теория относительности

Лекция: Инвариантность модуля скорости света в вакууме. Принцип относительности Эйнштейна

Принцип относительности Галилея

Чтобы понять, что происходит с телами, которые двигаются с высокими скоростями, следует более детально рассмотреть принцип относительности Галилея.

Итак, давайте представим, что мы находимся на корабле, в каюте которого нет ни окон, ни любых других отверстий, через которые можно было бы посмотреть на окружение корабля. Вопрос: сможем ли мы определить, двигается корабль равномерно или неподвижен? В данной каюте мы можем рассматривать те же процессы, что и если бы мы находились на Земле. Мы можем рассматривать движение тела по наклонной плоскости, движение тела, которое падает или же любые виды движения. Но все они будут протекать таким же образом, как и если бы происходили вне корабля на суше.

Таким образом, можно сделать вывод, что, если вы неподвижны или находитесь в системе, которая двигается равномерно, все физические процессы протекают одинаково. А, следовательно, нельзя определить, как ведет себя корабль, находясь в каюте.

Таким образом, все системы, двигающиеся равномерно, или находящиеся в состоянии покоя, инерциальные.

Согласно принципу относительности Галилея, все процессы протекают одинаково во всех ИСО.

Инвариантность скоростей

Рассмотрим две ИСО, причем, одна из которых неподвижна, а вторая двигается равномерно.

В начальный момент времени начало координат обоих систем совпадает. После начала движения начинается отчет времени. Для определения координаты тела в подвижной системы отсчета относительно неподвижной, следует воспользоваться формулой:

Заметьте, так как движение происходит вдоль одной оси, то и изменение координаты заметно только относительно нее, все остальные параметры остаются неизменными.

С помощью относительности Галилея можно определить положение подвижной системы относительно той, которая не двигается.

А теперь давайте представим, что в данной подвижной системе еще двигается частица. Пусть скорость данной частицы относительно неподвижной системы u, а относительно подвижной u¹. Теперь мы рассмотрим, как эти две скорости связаны между собой.

Мы знаем, что скорость - это первая производная координаты, поэтому найдем производные предыдущих трех уравнений:

Получим:

Обобщив три уравнения, получим:

Данная формула нам уже достаточно давно знакома, как закон сложения скоростей.

Принцип относительности Эйнштейна

Мы говорили ранее, что нельзя определить, в какой ИСО мы находимся подвижной или нет, с точки зрения механики. Но что нам стоит постараться сделать это с точки зрения других разделов физики.

Оказывается, законы других разделов физики не подвластны относительности Галилея, это доказал Максвелл. Ученый доказал, что скорость света в вакууме является постоянной величиной, с какой бы скоростью и как не двигалась бы система, в которой происходят эксперименты.

Представьте себе ситуацию, в которой Вы двигаетесь на сверхскоростном корабле со скоростью 5*10⁷ м/с. На носу этого корабля находится лампочка, свет которой распространяется с известной нам скоростью 3*10⁸ м/с. Это значит, что по принципу относительности Галилея, её скорость относительно Вас достигает 3,5*10⁸ м/с. Но, как уже было сказано, скорость света не может принимать величину, больше граничной.

Кроме некоторых изменений относительно сложения скоростей Лоренц заметил, что тела, двигающиеся со скоростями, приближенными ко скорости света, заметно сокращаются в размере:

Корень в данной формуле называется релятивистским. Его значение всегда меньше единицы.

Постулаты Эйнштейна

1. Любые протекания процессов в различных ИСО одинаковы.

Данный постулат говорит о том, что, действительно, нельзя определить, в каком корабле Вы находитесь - неподвижном или том, что двигается равномерно.

2. Скорость света неизменна, вне зависимости от состояния системы, в которой он движется.

Это значит, что не важно, двигается источник света или он неподвижен, свет всегда будет распространяться с одинаковой скоростью в вакууме - 3*10⁸ м/с.