Specjalna teoria względności. Szczególna i ogólna teoria względności Einsteina
Po tym jak matematycy stworzyli zasady w przestrzeni pojęć i liczb, naukowcy byli pewni, że wszystko, co musieli zrobić, to eksperymentować i wyjaśniać strukturę wszystkich rzeczy za pomocą konstrukcji logicznych. W rozsądnych granicach działają prawa matematyczne. Ale eksperymenty wykraczające poza codzienne koncepcje i koncepcje wymagają nowych zasad i praw.
Pomysł
W połowie XIX wieku wygodna idea powszechnego nadawania rozprzestrzeniła się wszędzie, co pasowało do większości naukowców i badaczy. Tajemniczy eter stał się najczęstszym modelem wyjaśniającym fizyczne procesy znane w tym czasie. Ale do matematycznego opisu hipotezy eteru dodawano stopniowo wiele niewytłumaczalnych faktów, które tłumaczyły różne dodatkowe warunki i założenia. Stopniowo, harmonijna teoria eteru przerośniętego "kulami", stały się zbyt duże. Potrzebne były nowe pomysły, aby wyjaśnić strukturę naszego świata. Postulaty specjalnej teorii względności spełniły wszystkie wymagania - były krótkie, spójne iw pełni potwierdzone eksperymentami.
Eksperymenty Michelsona
Ostatnią kroplą, która przełamała hipotezę eteru, były badania w dziedzinie elektrodynamiki i wyjaśnienia ich równań Maxwella. Przynosząc wyniki eksperymentów do rozwiązania matematycznego, Maxwell użył teorii eteru.
W swoim eksperymencie naukowcy musieli wymusić dwie wiązki, idące w różnych kierunkach, aby promieniować synchronicznie. Pod warunkiem, że światło porusza się w "eterze", jedna wiązka światła powinna poruszać się wolniej niż druga. Mimo licznych powtórzeń doświadczenia wynik był taki sam - światło poruszało się ze stałą prędkością.
W przeciwnym razie nie można było wytłumaczyć faktu, że zgodnie z obliczeniami prędkość światła w hipotetycznym eterze "była zawsze taka sama, niezależnie od prędkości, z jaką poruszał się obserwator. Jednak w celu wyjaśnienia wyników badań wymagane było, aby układ odniesienia był "idealny". Było to sprzeczne z postulatem Galileo dotyczącym niezmienności wszystkich inercyjnych układów odniesienia. 
Nowa teoria
Na początku XX wieku cała galaktyka naukowców zaczęła opracowywać teorię, która pogodziłaby wyniki badań oscylacji elektromagnetycznych z zasadami mechaniki klasycznej.
Opracowując nową teorię, wzięto pod uwagę, że:
- ruch o prędkościach bliskich prędkości zmienia formułę drugiego prawa Newtona, które wiąże przyspieszenie z siłą i masą;
- równanie dla Impuls ciała musi mieć inną, bardziej złożoną formułę;
- prędkość światła pozostawał stały, niezależnie od wybranego systemu referencyjnego.
Wysiłki A. Poincarégo, G. Lorenza i A. Einsteina doprowadziły do stworzenia specjalnej teorii względności, która uzgodniła wszystkie niedociągnięcia i wyjaśniła istniejące obserwacje.
Podstawowe pojęcia
Podstawą szczególnej teorii względności są definicje, z którymi ta teoria działa.
1. Układ odniesienia jest materialnym ciałem, które można przyjąć za początek układu odniesienia i współrzędną czasową, podczas której obserwator będzie monitorował ruch obiektów.
2. Inercyjny układ odniesienia to taki, który porusza się jednostajnie i prosto.
3. Wydarzenie. Specjalne i ogólna teoria względności uznać wydarzenie za fizycznie zlokalizowany proces fizyczny o ograniczonym czasie trwania. Współrzędne obiektu można określić w trójwymiarowa przestrzeń jako (x, y, z) i okres czasu t. Standardowym przykładem takiego procesu jest błysk światła.
Specjalna teoria względności uwzględnia bezwładnościowe układy odniesienia, w których pierwszy układ porusza się w pobliżu drugiego ze stałą prędkością. W tym przypadku poszukiwanie relacji współrzędnych obiektu w tych systemach bezwładnościowych jest priorytetem dla SRT i jest zawarte w jego głównych zadaniach. Specjalna teoria względności była w stanie rozwiązać to pytanie za pomocą formuł Lorentza.
STO postuluje
Rozwijając tę teorię, Einstein odrzucił wszystkie liczne założenia niezbędne do poparcia teorii eteru. Prostota i matematyczna udowodnienie to dwa wieloryby, na których opierała się jego specjalna teoria względności. Krótko mówiąc, jego wymagania wstępne można zredukować do dwóch postulatów, które były potrzebne do stworzenia nowych przepisów:
- Wszystkie prawa fizyczne w systemach inercyjnych są wykonywane w ten sam sposób.
- Prędkość światła w próżni jest stała, nie zależy od umiejscowienia obserwatora i jego prędkości.
Te postulaty specjalnej teorii względności sprawiły, że teoria o mitycznym eterze była bezużyteczna. Zamiast tej substancji zaproponowano koncepcję czterowymiarowej przestrzeni, łącząc razem czas i przestrzeń. Określając położenie ciała w przestrzeni, należy wziąć pod uwagę czwartą współrzędną - czas. Pomysł ten wydaje się raczej sztuczny, ale należy zauważyć, że potwierdzenie tego punktu widzenia leży w prędkościach współmiernych do prędkości światła, aw świecie codziennym prawa fizyki klasycznej doskonale spełniają swoje zadanie. Galilejska zasada względności jest spełniony dla wszystkich inercyjnych ramek odniesienia: jeśli reguła F = ma jest obserwowana w CO k, wówczas będzie poprawna w innej ramce odniesienia k '. W klasycznej fizyce czas jest określoną wielkością, a jego wartość jest niezmienna i nie zależy od ruchu bezwładności FR.
Konwersja do stacji obsługi
W skrócie, współrzędne punktu i czasu można wyznaczyć jako:
x '= x - vt i t' = t.
Ta formuła daje klasyczną fizykę. Specjalna teoria względności oferuje tę formułę w bardziej skomplikowanej formie.
W tym równaniu ilości (x, x 'y, y' z, z 't, t') oznaczają współrzędne obiektu i upływ czasu w obserwowanych układach odniesienia, v to prędkość obiektu, a c to prędkość światła w próżni.
Prędkości obiektów w tym przypadku muszą odpowiadać niestandardowym Galileuszowi
formuła v = s / t i taka transformacja Lorentza:
Jak można zauważyć, przy znikomej prędkości ciała, te równania ulegają degeneracji w znanych równaniach fizyki klasycznej. Jeśli wolimy drugą skrajność i ustawimy prędkość obiektu równą prędkości światła, to w tym przypadku ograniczającym nadal otrzymujemy c. W związku z tym specjalna teoria względności stwierdza, że żadne ciało w obserwowalnym świecie nie może poruszać się z prędkością przekraczającą prędkość światła.
Konsekwencje SRT
Po dokładniejszym rozważeniu transformacji Lorentza staje się jasne, że niestandardowe rzeczy zaczynają się dziać ze standardowymi obiektami. Konsekwencją specjalnej teorii względności jest zmiana długości obiektu i upływu czasu. Jeśli długość odcinka w jednej ramce odniesienia będzie równa l, obserwacje z innego systemu operacyjnego dadzą następującą wartość:
Zatem okazuje się, że obserwator z drugiego układu odniesienia zobaczy odcinek krótszy niż pierwszy.
Niesamowita transformacja dotknięta i tak ogromna jak czas. Równanie dla współrzędnej t będzie wyglądać tak:
Jak widać, czas w drugiej ramie odniesienia płynie wolniej niż w pierwszym. Oczywiście oba te równania dają wyniki tylko przy prędkościach porównywalnych do prędkości światła.
Pierwszym, który wyprowadził formułę dylatacji czasu, jest Einstein. Zaproponował także rozwiązanie tak zwanego "bliźniaczego paradoksu". Zgodnie z warunkiem tego zadania, są bracia bliźniacy, z których jeden pozostał na Ziemi, a drugi odleciał w kosmos rakietą. Zgodnie z formułą opisaną powyżej bracia będą się starzać na różne sposoby, ponieważ czas podróżującego brata jest wolniejszy. Ten paradoks ma rozwiązanie, jeśli weźmie się pod uwagę, że brat-mieszkaniec zawsze znajdował się w inercyjnym układzie odniesienia, podczas gdy twin-fidget poruszał się w nieinercjalnym CO, który poruszał się z przyspieszeniem.
Zmiana ciężaru
Kolejną konsekwencją SRT jest zmiana masy obserwowanego obiektu w różnych CO. Ponieważ wszystkie prawa fizyczne są jednakowo ważne we wszystkich bezwładnościowych układach odniesienia, należy przestrzegać podstawowych praw zachowania - pędu, energii i momentu pędu. Ale ponieważ prędkość dla obserwatora w stacjonarnym CO jest większa niż w ruchu, to zgodnie z prawem zachowania pędu masa obiektu musi się zmienić o wartość: 
W pierwszym systemie odniesienia obiekt musi mieć większą masę ciała niż w drugim.
Przyjmując prędkość ciała równą prędkości światła, otrzymujemy nieoczekiwany wniosek - masa przedmiotu osiąga nieskończoną wartość. Oczywiście wszelkie materialne ciało w obserwowalnym wszechświecie ma swoją ostateczną masę. Równanie mówi tylko, że żaden przedmiot fizyczny nie może poruszać się z prędkością światła.
Stosunek masy i energii
Gdy prędkość obiektu jest znacznie mniejsza niż prędkość światła, równanie masy można zredukować do postaci:
Wyrażenie m 0 c jest pewną właściwością obiektu, która zależy tylko od jego masy. Ta wartość nazywana jest energią resztkową. Suma energii odpoczynku i ruchu może być zapisana jako:
mc 2 = m 0 c + E kin .
Z tego wynika, że całkowita energia obiektu może być wyrażona za pomocą następującego wzoru:
E = mc 2 .
Prostota i elegancja formuły energii ciała dawały zupełność,
gdzie E jest całkowitą energią ciała.
Prostota i elegancja słynnej formuły Einsteina dała kompletność szczególnej teorii względności, czyniąc ją wewnętrznie spójną i nie wymagającą wielu założeń. W ten sposób naukowcy wyjaśnili wiele sprzeczności i pobudzili do badania nowych zjawisk natury.