Специална теория на относителността. Специалната и общата теория на относителността на Айнщайн
След като математиците създали правилата в пространството на понятията и числата, учените бяха сигурни, че всичко, което трябва да направят, е да експериментират и да обяснят структурата на всички неща с помощта на логически конструкции. В разумни граници, законите на математиката работят. Но експериментите, които надхвърлят дневните концепции и концепции, изискват нови принципи и закони.
идея
В средата на 19-ти век удобната идея за универсално разпространение, разпространявана от повечето учени и изследователи, се разпространява навсякъде. Тайнственият етер се превърна в най-често срещания модел, който обяснява физическите процеси, известни по това време. Но за математическото описание на етерната хипотеза постепенно бяха добавени редица необясними факти, които бяха обяснени с различни допълнителни условия и предположения. Постепенно хармоничната теория на етера, обрасла с "патерици", стана твърде много. Необходими бяха нови идеи, за да се обясни структурата на нашия свят. Постулатите на специалната теория на относителността отговарят на всички изисквания - те са кратки, последователни и напълно потвърдени от експерименти.
Експериментите на Майкелсън
Последната сламка, която счупи задната част на етерната хипотеза, е изследване в областта на електродинамиката и уравненията на Максуел, които ги обясняват. При привеждане на резултатите от експериментите в математическо решение Максуел използва теорията на етера.
В своя експеримент изследователите принудиха две лъчи, които вървят в различни посоки, да излъчват синхронно. При условие, че светлината се движи в “етера”, един лъч светлина трябва да се движи по-бавно от другия. Въпреки многобройните повторения на опита, резултатът беше същият - светлината се движеше с постоянна скорост.
В противен случай беше невъзможно да се обясни факта, че според изчисленията скоростта на светлината в хипотетичния етер „винаги е била една и съща, независимо от скоростта, с която наблюдателят се движеше. Но за да се обяснят резултатите от изследването, се изисква референтната рамка да е „идеална“. Това противоречи на постулата на Галилео за инвариантността на всички инерциални референтни системи. 
Нова теория
В началото на ХХ век цяла плеяда учени започва да развива теория, която да съгласува резултатите от изследванията на електромагнитните колебания с принципите на класическата механика.
При разработването на нова теория беше взето под внимание, че:
- движението с близо скорост на светлината променя формулата на втория закон на Нютон, който свързва ускорението със сила и маса;
- уравнение за импулс на тялото трябва да има различна, по-сложна формула;
- скорост на светлината остава постоянна, независимо от избраната референтна система.
Усилията на А. Пуанкаре, Г. Лоренц и А. Айнщайн доведоха до създаването на специална теория на относителността, която се съгласява с всички недостатъци и обяснява съществуващите наблюдения.
Основни понятия
В основата на специалната теория на относителността лежат дефинициите, с които работи тази теория.
1. Референтната система е материално тяло, което може да бъде взето като начало на референтната система и времева координата, по време на която наблюдателят ще наблюдава движението на обектите.
2. Инерционната референтна система е тази, която се движи равномерно и праволинейно.
3. Събитие. Специални и обща теория на относителността разгледаме събитието като пространствено локализиран физически процес с ограничена продължителност. Координатите на обекта могат да бъдат посочени в триизмерно пространство като (x, y, z) и времеви период t. Стандартният пример за такъв процес е светкавица.
Специалната теория на относителността разглежда инерционните референтни системи, в които първата система се движи близо до втората с постоянна скорост. В този случай търсенето на отношенията на координатите на обекта в тези инерционни системи е приоритет за SRT и е включено в основните му задачи. Специалната теория на относителността е в състояние да реши този въпрос с помощта на формулите на Лоренц.
STO постулати
Развивайки теорията, Айнщайн отхвърля всички многобройни предположения, които са били необходими, за да подкрепят теорията за етера. Простотата и математическата доказуемост са двата кита, на които почива специалната му теория на относителността. Накратко, неговите предпоставки могат да бъдат сведени до два постулата, необходими за създаването на нови закони:
- Всички физични закони в инерционните системи се изпълняват по същия начин.
- Скоростта на светлината във вакуум е постоянна, тя не зависи от местоположението на наблюдателя и неговата скорост.
Тези постулати на специалната теория на относителността правят теорията за митичния етер безполезна. Вместо това вещество беше предложена концепцията за четириизмерното пространство, която свързва времето и пространството. Когато се определя местоположението на тялото в пространството, е необходимо да се вземе предвид четвъртата координатна - време. Тази идея изглежда доста изкуствена, но трябва да се отбележи, че потвърждението на тази гледна точка се намира в скоростите, съизмерими със скоростта на светлината, а в ежедневието законите на класическата физика вършат работата си перфектно. Галилеев принцип на относителността е изпълнено за всички инерционни референтни рамки: ако правилото F = ma се наблюдава в CO k, то тогава то ще бъде правилно в друга референтна рамка k '. В класическата физика времето е определено количество и неговата стойност е неизменна и не зависи от движението на инерционната FR.
Превръщане в сервиза
Накратко, координатите на точката и времето могат да бъдат определени като:
x '= x - vt и t' = t.
Тази формула дава класическа физика. Специалната теория на относителността предлага тази формула в по-сложна форма.
В това уравнение количествата (x, x 'y, y' z, z 't, t') означават координатите на обекта и потока от време в наблюдаваните референтни системи, v е скоростта на обекта, и c е скоростта на светлината във вакуум.
Скоростите на обектите в този случай трябва да съответстват на нестандартния Галилеев
формулата v = s / t и подобна трансформация на Лоренц:
Както може да се види, при незначителна скорост на тялото, тези уравнения се дегенерират в известните уравнения на класическата физика. Ако предпочитаме другата крайност и определяме скоростта на обекта, равна на скоростта на светлината, тогава в този ограничаващ случай c все още се получава. Следователно, специалната теория на относителността заключава, че нито едно тяло в наблюдавания свят не може да се движи със скорост, превишаваща скоростта на светлината.
Последици от SRT
При по-нататъшно разглеждане на трансформациите на Лоренц става ясно, че нестандартните неща започват да се случват със стандартни обекти. Последствията от специалната теория на относителността е промяна в дължината на обекта и на потока от време. Ако дължината на сегмент в една референтна рамка е равна на l, тогава наблюденията от друга операционна система ще дадат следната стойност:
Така се оказва, че наблюдател от втората референтна система ще види сегмент по-къс от първия.
Удивителна трансформация докосната и с такъв мащаб като времето. Уравнението за координатата t ще изглежда така:
Както можете да видите, времето във втората референтна рамка тече по-бавно, отколкото в първата. Естествено, и двете уравнения ще дадат резултати само при скорости, сравними със скоростта на светлината.
Първият, който извлича формула за дилатация на времето, е Айнщайн. Той също така предложи да се реши така нареченият „двойствен парадокс“. Според условието на тази задача има братя-близнаци, единият от които остана на Земята, а вторият излетя в космоса на ракета. Съгласно формулата написана по-горе, братята ще остаряват по различен начин, тъй като времето за пътуващия брат е по-бавно. Този парадокс има решение, ако се вземе предвид, че братът-домашно тяло винаги е бил в инерционната референтна рамка, докато двойната неразбираемост е пътувала в неинерционен СО, който се движи с ускорение.
Промяна на теглото
Друга последица от SRT е промяна в масата на наблюдавания обект в различни CO. Тъй като всички физични закони са еднакво валидни във всички инерциални референтни системи, трябва да се спазват основните закони на консервацията - импулс, енергия и ъглови момент. Но тъй като скоростта за наблюдател в стационарен СО е по-голяма от тази в движеща се, тогава, съгласно закона за запазване на инерцията, масата на обекта трябва да се променя със стойността: 
В първата референтна система обектът трябва да има по-голяма телесна маса, отколкото във втората.
Като вземем скоростта на тялото, равна на скоростта на светлината, получаваме неочаквано заключение - масата на обекта достига безкрайна стойност. Разбира се, всяко материално тяло в наблюдаваната вселена има своята крайна маса. Уравнението само казва, че никой физически обект не може да се движи със скоростта на светлината.
Съотношението на масата и енергията
Когато скоростта на обекта е много по-ниска от скоростта на светлината, уравнението за масата може да се намали до формата:
Изразът m 0 c е определено свойство на обект, който зависи само от неговата маса. Тази стойност се нарича останалата енергия. Сборът от енергии на почивка и движение може да бъде записан като:
mc 2 = m 0 c + E род .
От това следва, че общата енергия на даден обект може да се изрази по формулата:
E = mc 2 .
Простотата и елегантността на формулата на енергията на тялото даде пълнота,
където Е е общата енергия на тялото.
Простотата и елегантността на известната формула на Айнщайн даде пълнотата на специалната теория на относителността, правейки я вътрешно последователна и не изискваше много предположения. По този начин изследователите обясняват много противоречия и дават тласък на изучаването на нови природни явления.