นิยามของพลังงานจลน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

อย่างแรกเลย ใน SRT เช่นเดียวกับในกลไกแบบคลาสสิก สันนิษฐานว่าพื้นที่และเวลาเป็นเนื้อเดียวกัน และอวกาศก็เป็นไอโซโทรปิกเช่นกัน เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้น (แนวทางสมัยใหม่) กรอบอ้างอิงเฉื่อยถูกกำหนดให้เป็นกรอบอ้างอิงดังกล่าวซึ่งพื้นที่เป็นเนื้อเดียวกันและเป็นไอโซโทรปิก และเวลาเป็นเนื้อเดียวกัน ในความเป็นจริง ระบบอ้างอิงดังกล่าวมีอยู่จริง

สมมุติฐาน 1 (ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์). ปรากฏการณ์ทางกายภาพใดๆ ดำเนินไปในลักษณะเดียวกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด หมายความว่า แบบฟอร์มการพึ่งพากฎหมายทางกายภาพบนพิกัดกาลอวกาศควรเหมือนกันใน IFR ทั้งหมด กล่าวคือ กฎหมายไม่แปรผันตามการเปลี่ยนแปลงระหว่าง IFR หลักการสัมพัทธภาพกำหนดความเท่าเทียมกันของ ISO ทั้งหมด

โดยคำนึงถึงกฎข้อที่สองของนิวตัน (หรือสมการออยเลอร์-ลากรองจ์ในกลศาสตร์ลากรองจ์) เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าหากความเร็วของวัตถุบางอย่างใน IFR ที่กำหนดเป็นค่าคงที่ (ความเร่งเป็นศูนย์) ก็จะต้องคงที่ในส่วนอื่นๆ ทั้งหมด IFR บางครั้งสิ่งนี้ถือเป็นคำจำกัดความของ ISO

สมมุติฐาน2 (หลักการคงตัวของความเร็วแสง). ความเร็วของแสงในกรอบอ้างอิง "พัก" ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของแหล่งกำเนิด

หลักการความคงตัวของความเร็วแสงขัดแย้งกับกลไกดั้งเดิม และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎของการบวกความเร็ว เมื่อได้มาซึ่งสิ่งหลัง จะใช้เฉพาะหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอและสมมติฐานโดยปริยายของเวลาเดียวกันใน IFR ทั้งหมดเท่านั้น ดังนั้น จากความถูกต้องของสัจพจน์ที่สองนั้น เวลาต้องเป็น ญาติ- ไม่เหมือนกันใน ISO ที่ต่างกัน มันจำเป็นต้องตามมาด้วยว่า "ระยะทาง" จะต้องสัมพันธ์กันด้วย ในความเป็นจริง หากแสงเดินทางเป็นระยะทางระหว่างจุดสองจุดในช่วงเวลาหนึ่งและในอีกระบบหนึ่ง - ในอีกช่วงเวลาหนึ่งและยิ่งกว่านั้นด้วยความเร็วเท่ากัน ระยะทางในระบบนี้จะต้องแตกต่างกันในทันที

27. กฎของคูลอมบ์เป็นกฎที่อธิบายแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าแบบจุด สูตรสมัยใหม่: แรงของปฏิกิริยาของประจุสองจุดในสุญญากาศมุ่งตรงไปตามเส้นตรงที่เชื่อมประจุเหล่านี้ เป็นสัดส่วนกับขนาดของประจุ และเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน เป็นแรงดึงดูดหากสัญญาณของประจุต่างกัน และเป็นแรงขับไล่หากสัญญาณเหล่านี้เหมือนกัน กฎของคูลอมบ์เขียนดังนี้:

โดยที่แรงที่ประจุ 1 กระทำต่อประจุ 2 คือขนาดของประจุ คือเวกเตอร์รัศมี (เวกเตอร์ที่กำกับจากประจุ 1 ถึงประจุ 2 และเท่ากับในโมดูลัสถึงระยะห่างระหว่างประจุ -); คือ ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน

ความจุ- ปริมาตรภายในของภาชนะ ความจุ นั่นคือ ปริมาตรสูงสุดของของเหลวที่วางอยู่ภายในนั้น

36 . กฎของเคอร์ชอฟฟ์(ในวรรณคดีมักถูกเรียกว่าไม่ถูกต้องนัก กฎของเคิร์ชฮอฟฟ์) - ความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างกระแสและแรงดันในส่วนของวงจรไฟฟ้าใดๆ กฎของ Kirchhoff อนุญาตให้คุณคำนวณวงจรไฟฟ้าของกระแสตรง กระแสสลับ และกึ่งนิ่ง มีความสำคัญเป็นพิเศษในด้านวิศวกรรมไฟฟ้าเนื่องจากมีความเก่งกาจ เนื่องจากเหมาะสำหรับการแก้ปัญหามากมายในทฤษฎีวงจรไฟฟ้าและการคำนวณเชิงปฏิบัติของวงจรไฟฟ้าที่ซับซ้อน การนำกฎของ Kirchhoff ไปใช้กับวงจรไฟฟ้าเชิงเส้นทำให้สามารถรับระบบสมการเชิงเส้นสำหรับกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าได้ และด้วยเหตุนี้ จึงสามารถหาค่าของกระแสในทุกสาขาของวงจรและแรงดันไฟฟ้าภายในทั้งหมดได้

เพื่อกำหนดกฎ Kirchhoff แนวความคิด โหนด, สาขาและ วงจรวงจรไฟฟ้า. สาขาคือเครือข่ายสองขั้วใด ๆ ที่รวมอยู่ในวงจร โหนดคือจุดเชื่อมต่อที่มีสามสาขาขึ้นไป วงจรคือวงจรปิดของสาขา ภาคเรียน วงปิดหมายความว่าเริ่มต้นจากบางโหนดของห่วงโซ่และ ครั้งหนึ่งหลังจากผ่านหลาย ๆ โหนดและหลาย ๆ โหนด คุณสามารถกลับไปที่โหนดดั้งเดิมได้ กิ่งก้านและโหนดที่ข้ามระหว่างทางเลี่ยงดังกล่าวมักจะเรียกว่าเป็นของเส้นชั้นความสูงนี้ ในกรณีนี้ ต้องระลึกไว้เสมอว่ากิ่งและโหนดสามารถอยู่ในรูปทรงได้หลายแบบพร้อมกัน

ในแง่ของคำจำกัดความเหล่านี้ กฎของ Kirchhoff มีการกำหนดไว้ดังนี้

กฎข้อแรก

กฎข้อแรกของ Kirchhoff ระบุว่าผลรวมเชิงพีชคณิตของกระแสที่แต่ละโหนดในวงจรใดๆ เป็นศูนย์ ในกรณีนี้ กระแสที่ไหลเข้าสู่โหนดถือเป็นค่าบวก และกระแสที่ไหลออกจะเป็นค่าลบ:

กล่าวอีกนัยหนึ่งว่ากระแสไหลเข้าสู่โหนดมากเพียงใด กฎนี้เป็นไปตามกฎพื้นฐานของการอนุรักษ์ประจุ

หลังจากที่นักคณิตศาสตร์สร้างกฎขึ้นในพื้นที่ของแนวคิดและตัวเลขแล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็มั่นใจว่าสิ่งที่พวกเขาต้องทำคือการทดลองและอธิบายโครงสร้างของทุกสิ่งด้วยความช่วยเหลือจากโครงสร้างเชิงตรรกะ ภายในขอบเขตที่สมเหตุสมผล กฎหมายของคณิตศาสตร์ทำงาน แต่การทดลองที่นอกเหนือไปจากแนวคิดและแนวคิดในชีวิตประจำวันจำเป็นต้องมีหลักการและกฎหมายใหม่

ความคิด

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 แนวคิดที่สะดวกของอีเธอร์สากลแพร่กระจายไปทุกหนทุกแห่ง ซึ่งเหมาะกับนักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยส่วนใหญ่ อีเธอร์ลึกลับกลายเป็นแบบจำลองที่แพร่หลายที่สุดที่อธิบายกระบวนการทางกายภาพที่รู้จักในขณะนั้น แต่ข้อเท็จจริงที่อธิบายไม่ได้หลายอย่างก็ค่อยๆ ถูกเพิ่มเข้าไปในคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของสมมติฐานอีเทอร์ ซึ่งอธิบายได้จากเงื่อนไขและสมมติฐานเพิ่มเติมต่างๆ ทฤษฎีที่กลมกลืนกันของอีเธอร์ได้รับ "ไม้ค้ำยัน" ทีละน้อยมีมากเกินไป จำเป็นต้องมีแนวคิดใหม่เพื่ออธิบายโครงสร้างของโลกของเรา สมมุติฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษตรงตามข้อกำหนดทั้งหมด โดยสั้น สอดคล้องกัน และยืนยันโดยการทดลองอย่างเต็มที่

การทดลองของมิเชลสัน

ฟางเส้นสุดท้ายที่ "หักหลัง" ของสมมติฐานอีเธอร์คือการวิจัยในด้านอิเล็กโทรไดนามิกส์และสมการแมกซ์เวลล์ที่อธิบายสิ่งเหล่านี้ เมื่อนำผลการทดลองมาแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ แม็กซ์เวลล์ใช้ทฤษฎีของอีเธอร์

ในการทดลอง นักวิจัยได้สร้างลำแสงสองลำไปในทิศทางที่ต่างกันเพื่อให้ปล่อยออกมาพร้อมกัน โดยมีเงื่อนไขว่าแสงเคลื่อนที่ใน "อีเธอร์" ลำแสงหนึ่งควรเดินทางช้ากว่าอีกลำหนึ่ง แม้จะมีการทดลองซ้ำหลายครั้ง แต่ผลลัพธ์ก็เหมือนเดิม - แสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

มิฉะนั้น ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายข้อเท็จจริงที่ว่า ตามการคำนวณ ความเร็วของแสงในอีเธอร์สมมุติฐานจะเท่ากันเสมอ ไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่เร็วเพียงใด แต่เพื่อที่จะอธิบายผลการวิจัย จำเป็นต้องมีกรอบอ้างอิง "ในอุดมคติ" และสิ่งนี้ขัดแย้งกับหลักการของกาลิเลโอเกี่ยวกับค่าคงที่ของกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด

ทฤษฎีใหม่

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ทั้งดาราจักรเริ่มพัฒนาทฤษฎีที่จะกระทบยอดผลการวิจัยเรื่องการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับหลักการของกลศาสตร์แบบคลาสสิก

ในการพัฒนาทฤษฎีใหม่คำนึงถึงว่า:

การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงจะเปลี่ยนสูตรของกฎข้อที่สองของนิวตันที่เกี่ยวข้องกับความเร่งต่อแรงและมวล

สมการของโมเมนตัมของร่างกายต้องมีสูตรที่แตกต่างและซับซ้อนกว่า

ความเร็วของแสงยังคงที่โดยไม่คำนึงถึงกรอบอ้างอิงที่เลือก

ความพยายามของ A. Poincare, G. Lorentz และ A. Einstein นำไปสู่การสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งเห็นด้วยกับข้อบกพร่องทั้งหมดและอธิบายข้อสังเกตที่มีอยู่

แนวคิดพื้นฐาน

รากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอยู่ในคำจำกัดความที่ทฤษฎีนี้ดำเนินการด้วย

1. ระบบอ้างอิง - เนื้อหาวัสดุที่สามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดของระบบอ้างอิงและพิกัดของเวลาที่ผู้สังเกตจะติดตามการเคลื่อนไหวของวัตถุ

2. กรอบอ้างอิงเฉื่อย - กรอบที่เคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง

3. เหตุการณ์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไปถือว่าเหตุการณ์เป็นกระบวนการทางกายภาพที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นในอวกาศด้วยระยะเวลาจำกัด พิกัดของวัตถุสามารถกำหนดได้ในพื้นที่ 3 มิติเป็น (x, y, z) และช่วงเวลา t ตัวอย่างมาตรฐานของกระบวนการดังกล่าวคือแสงวาบ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษพิจารณากรอบอ้างอิงเฉื่อย ซึ่งเฟรมแรกเคลื่อนที่ใกล้กับกรอบที่สองด้วยความเร็วคงที่ ในกรณีนี้ การค้นหาความสัมพันธ์เชิงพิกัดของวัตถุในระบบเฉื่อยเหล่านี้มีความสำคัญสำหรับ รฟท. และรวมอยู่ในงานหลัก ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสามารถแก้ปัญหานี้ได้โดยใช้สูตรของลอเรนซ์

รฟท

ในการพัฒนาทฤษฎีนี้ ไอน์สไตน์ได้ละทิ้งสมมติฐานมากมายที่จำเป็นต่อการสนับสนุนทฤษฎีของอีเธอร์ ความเรียบง่ายและการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ - นี่คือสองเสาหลักที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขาวางอยู่ โดยสังเขป สถานที่ของมันสามารถลดลงเหลือสองสมมุติฐานที่จำเป็นสำหรับการสร้างกฎหมายใหม่:

1. กฎทางกายภาพทั้งหมดในระบบเฉื่อยได้รับการปฏิบัติในลักษณะเดียวกัน
2. ความเร็วของแสงในสุญญากาศนั้นคงที่ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของผู้สังเกตและความเร็วของเขา

สมมติฐานเหล่านี้ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทำให้ทฤษฎีของอีเธอร์ในตำนานไร้ประโยชน์ แทนที่จะใช้สารนี้ มีการเสนอแนวคิดของพื้นที่สี่มิติ โดยเชื่อมโยงเวลาและพื้นที่เข้าด้วยกัน เมื่อระบุตำแหน่งของร่างกายในอวกาศต้องคำนึงถึงพิกัดที่สี่ - เวลาด้วย ความคิดนี้ดูเหมือนค่อนข้างประดิษฐ์ แต่ควรสังเกตว่าการยืนยันมุมมองนี้อยู่ภายในขอบเขตของความเร็วที่สมน้ำสมเนื้อกับความเร็วของแสง และในโลกประจำวันกฎของฟิสิกส์คลาสสิกทำหน้าที่ได้อย่างสมบูรณ์แบบ หลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอเป็นจริงสำหรับกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด: หากสังเกตกฎ F = ma ใน FR k กฎ F = ma จะถูกต้องในอีกกรอบอ้างอิง k' ในฟิสิกส์คลาสสิก เวลาเป็นปริมาณที่แน่นอน และค่าของมันก็คงที่และไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของ CO เฉื่อย

การเปลี่ยนแปลงใน SRT

โดยสังเขป พิกัดของจุดและเวลาสามารถแสดงได้ดังนี้:

x" = x - vt และ t" = t.

สูตรนี้กำหนดโดยฟิสิกส์คลาสสิก ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเสนอสูตรนี้ในรูปแบบที่ซับซ้อนกว่า

ในสมการนี้ ปริมาณ (x, x' y, y' z, z' t, t') แสดงถึงพิกัดของวัตถุและระยะเวลาในกรอบอ้างอิงที่สังเกตพบ v คือความเร็วของวัตถุ และ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ

ความเร็วของวัตถุในกรณีนี้ต้องสอดคล้องกับกาลิเลียนที่ไม่ได้มาตรฐาน

สูตร v= s/t และการแปลงลอเรนซ์นี้:

ดังจะเห็นได้ว่า ด้วยความเร็วของร่างกายเพียงเล็กน้อย สมการเหล่านี้จะเสื่อมลงในทุกสมการที่รู้จักในสมการฟิสิกส์คลาสสิก หากเราต้องการสุดขั้วอีกด้านและตั้งค่าความเร็วของวัตถุให้เท่ากับความเร็วของแสง ในกรณีนี้ เราจะยังคงได้ c ดังนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจึงสรุปว่าไม่มีวัตถุใดในโลกที่สังเกตได้สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เกินความเร็วแสงได้

ผลที่ตามมาของ SRT

เมื่อพิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการแปลงแบบลอเรนซ์ จะเห็นได้ชัดเจนว่าสิ่งที่ไม่ได้มาตรฐานเริ่มเกิดขึ้นกับออบเจกต์มาตรฐาน ผลที่ตามมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษคือการเปลี่ยนแปลงความยาวของวัตถุและการไหลของเวลา หากความยาวของส่วนในระบบอ้างอิงหนึ่งเท่ากับ l การสังเกตจากระบบปฏิบัติการอื่นจะให้ค่าต่อไปนี้:

ดังนั้น ปรากฎว่าผู้สังเกตจากกรอบอ้างอิงที่สองจะเห็นส่วนที่สั้นกว่ากรอบแรก

การเปลี่ยนแปลงอันน่าทึ่งได้สัมผัสคุณค่าเช่นเวลา สมการของพิกัด t จะมีลักษณะดังนี้:

อย่างที่คุณเห็น เวลาในกรอบอ้างอิงที่สองจะไหลช้ากว่าในกรอบแรก โดยธรรมชาติแล้ว สมการทั้งสองนี้จะให้ผลลัพธ์ที่ความเร็วเทียบได้กับความเร็วแสงเท่านั้น

ไอน์สไตน์เป็นคนแรกที่ได้มาจากสูตรการขยายเวลา เขายังเสนอที่จะไขสิ่งที่เรียกว่า "ฝาแฝดที่ผิดธรรมดา" ตามเงื่อนไขของภารกิจนี้มีพี่น้องฝาแฝดคนหนึ่งซึ่งยังคงอยู่บนโลกและคนที่สองบินบนจรวดสู่อวกาศ ตามสูตรที่เขียนไว้ข้างต้น พี่น้องจะอายุต่างกัน เมื่อเวลาผ่านไปช้ากว่าสำหรับน้องชายที่เดินทาง ความขัดแย้งนี้มีวิธีแก้ปัญหา หากเราพิจารณาว่าพี่น้องบ้านอยู่ในระบบอ้างอิงเฉื่อยตลอดเวลา และแฝดที่อยู่ไม่สุขเดินทางในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง

การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่

ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของ SRT คือการเปลี่ยนแปลงมวลของวัตถุที่สังเกตได้ใน FR ต่างๆ เนื่องจากกฎทางกายภาพทั้งหมดทำงานอย่างเท่าเทียมกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด จึงต้องเคารพกฎการอนุรักษ์พื้นฐานของโมเมนตัม พลังงาน และโมเมนตัมเชิงมุม แต่เนื่องจากความเร็วของผู้สังเกตใน CO ที่อยู่กับที่นั้นมากกว่าความเร็วที่เคลื่อนที่ ดังนั้นตามกฎว่าด้วยการอนุรักษ์โมเมนตัม มวลของวัตถุต้องเปลี่ยนโดย:

ในกรอบอ้างอิงแรก วัตถุต้องมีมวลกายมากกว่าในกรอบที่สอง

เมื่อใช้ความเร็วของร่างกายเท่ากับความเร็วของแสง เราได้ข้อสรุปที่ไม่คาดคิด - มวลของวัตถุถึงค่าอนันต์ แน่นอน วัตถุใดๆ ในจักรวาลที่สังเกตได้นั้นมีมวลจำกัดของมันเอง สมการบอกว่าไม่มีวัตถุใดสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงได้

อัตราส่วนมวลต่อพลังงาน

เมื่อความเร็วของวัตถุน้อยกว่าความเร็วแสงมาก สมการมวลสามารถลดลงได้ในรูปแบบ:

นิพจน์ m 0 c เป็นคุณสมบัติบางอย่างของวัตถุ ซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุเท่านั้น ปริมาณนี้เรียกว่าพลังงานพักผ่อน ผลรวมของพลังงานของการพักผ่อนและการเคลื่อนไหวสามารถเขียนได้ดังนี้:

mc 2 = m 0 c + E ญาติ

จากนี้ไปพลังงานทั้งหมดของวัตถุสามารถแสดงโดยสูตร:

ความเรียบง่ายและความสง่างามของสูตรพลังงานของร่างกายให้ครบถ้วน,

โดยที่ E คือพลังงานทั้งหมดของร่างกาย

ความเรียบง่ายและความสง่างามของสูตรที่มีชื่อเสียงของ Einstein ได้เติมเต็มทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ทำให้มีความสอดคล้องภายในและไม่ต้องการการสันนิษฐานมากมาย ดังนั้น นักวิจัยได้อธิบายความขัดแย้งมากมายและเป็นแรงผลักดันในการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติใหม่ๆ

คำจำกัดความ 1

รฟท. (ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ)เป็นทฤษฎีฟิสิกส์สมัยใหม่ของอวกาศและเวลา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพร่วมกับวิทยาศาสตร์เช่นกลศาสตร์ควอนตัมเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการพัฒนาฟิสิกส์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ รฟท. เรียกอีกอย่างว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพ ปรากฏการณ์ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของทฤษฎีนี้เรียกว่าผลกระทบเชิงสัมพันธ์ ผู้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพคืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

กลศาสตร์ของนิวตันแบบคลาสสิกให้คำอธิบายที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของแมโครบอดี ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ (v< < c) . Нерелятивистская физика принимала как очевидность существование единого мирового времени tซึ่งเหมือนกันสำหรับระบบอ้างอิงทั้งหมด พื้นฐานของกลศาสตร์คลาสสิกคือหลักการทางกลของสัมพัทธภาพ

คำจำกัดความ 2

หลักการทางกลของสัมพัทธภาพ(เรียกอีกอย่างว่าหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ): กฎของไดนามิกจะเหมือนกันสำหรับกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด

ในเชิงเปรียบเทียบ เราเรียกกฎของไดนามิกว่าไม่แปรผันหรือไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอ ซึ่งทำให้สามารถคำนวณพิกัดของวัตถุที่เคลื่อนที่ได้ในกรอบเฉื่อย (K) สำหรับพิกัดที่กำหนดของวัตถุนี้ในกรอบเฉื่อยอีกกรอบหนึ่ง (K ") โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อระบบ K" เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ตามทิศทางบวกของแกน xระบบ K(รูปที่ 4 . 1 . 1) การแปลงแบบกาลิลีมีลักษณะดังนี้:

x = x " + v t , y = y " , z = z " , t = t "

ในกรณีนี้ ในตอนแรกมีข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับความบังเอิญของแกนพิกัดของทั้งสองระบบในช่วงเวลาเริ่มต้น

รูปที่ 4 หนึ่ง . หนึ่ง . กรอบอ้างอิงเฉื่อยสองกรอบKและเค" .

ผลที่ตามมาของการเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอคือกฎคลาสสิกของการเปลี่ยนแปลงความเร็วเมื่อเคลื่อนที่จากกรอบอ้างอิงหนึ่งไปยังอีกกรอบหนึ่ง:

v x = v x " + v , v y = v y " , v z = v z "

ร่างกายในระบบเฉื่อยทั้งหมดมีความเร่งเท่ากัน:

a x = a x " , a y = a y " , a z = a z " หรือ a → = a " →

จากที่กล่าวไปนี้ เราสามารถสรุปได้ว่าสมการการเคลื่อนที่ซึ่งเป็นหนึ่งในพื้นฐานของกลศาสตร์แบบคลาสสิก (กฎข้อที่สองของนิวตัน) m a → = F → จะคงรูปไว้เมื่อเคลื่อนที่จากเฟรมเฉื่อยหนึ่งไปยังอีกเฟรมหนึ่ง

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 มีข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการทดลองจำนวนหนึ่งซึ่งขัดแย้งกับกฎของกลศาสตร์คลาสสิกอย่างชัดเจน การใช้กลศาสตร์ของนิวตันเพื่ออธิบายการแพร่กระจายของแสงทำให้เกิดปัญหาอย่างมาก ในช่วงเวลาหนึ่ง มีการสันนิษฐานว่าแสงแพร่กระจายในตัวกลางพิเศษ - อีเธอร์; สมมติฐานนี้ถูกหักล้างโดยการทดลองหลายครั้ง ในปี 1881 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน A. Michelson (ในปี 1887 เขาเข้าร่วมโดยนักฟิสิกส์ E. Morley) เริ่มพยายามตรวจจับการเคลื่อนที่ของโลกเมื่อเทียบกับอีเธอร์ ("ลมอีเธอร์") โดยใช้ประสบการณ์การรบกวน แผนภาพอย่างง่ายของการทดลองของ Michelson–Morley แสดงไว้ในรูปที่ 4 . หนึ่ง . 2.

รูปที่ 4 หนึ่ง . 2. แผนผังที่ง่ายขึ้นของการทดลองการรบกวนของมิเชลสัน–มอร์ลีย์ v → คือความเร็วการโคจรของโลก

ในระหว่างการทดลอง แขนข้างหนึ่งของเครื่องวัดระยะอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของ Michelson ถูกวางขนานกับทิศทางความเร็วของวงโคจรของโลก (v = 30 กม./วินาที) หลังจากนั้นเครื่องมือจะหมุนไป 90° ในกรณีนี้ แขนที่สองถูกวางในทิศทางของความเร็วการโคจร การคำนวณทำให้ชัดเจนว่าในกรณีที่มีอีเธอร์คงที่ เมื่ออุปกรณ์ถูกหมุน ขอบรบกวนจะเปลี่ยนไปตามระยะทางที่เป็นสัดส่วนกับ v c 2 .

การทดลองของ Michelson-Morley ซึ่งทำซ้ำหลายครั้ง ให้ผลลัพธ์เชิงลบที่ชัดเจน จากการวิเคราะห์ผลการทดลองของ Michelson-Morley เช่นเดียวกับการทดลองอื่นๆ เป็นไปได้ที่จะยืนยันความเข้าใจผิดของแนวคิดเรื่องอีเธอร์ในฐานะสื่อที่คลื่นแสงแพร่กระจาย นั่นคือไม่มีกรอบอ้างอิง (สัมบูรณ์) ที่เลือกสำหรับแสง การเคลื่อนที่ของโลกในวงโคจรไม่ส่งผลต่อปรากฏการณ์ทางแสงบนโลก

ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์มีอิทธิพลอย่างมากต่อการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับอวกาศและเวลา ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ทฤษฎีนี้เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ทฤษฎีของ Maxwell ทำนายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายด้วยความเร็วจำกัด และสมมติฐานนี้ถูกนำไปใช้จริงในปี 1895 เมื่อ A. S. Popov เป็นผู้ประดิษฐ์วิทยุ แต่ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ยังบอกด้วยว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในกรอบอ้างอิงเฉื่อยใดๆ มีค่าเท่ากัน เท่ากับความเร็วของแสงในสุญญากาศ

ข้อความนี้หมายความว่าสมการที่อธิบายการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นไม่คงที่ภายใต้การแปลงของกาลิเลียน เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (โดยเฉพาะแสง) แพร่กระจายในกรอบอ้างอิง เค"(รูปที่ 4 . 1 . 1) ในทิศทางบวกของแกน เอ็กซ์", ในระบบ Kแสงควรกระจายตามจลนศาสตร์ของกาลิเลโอด้วยความเร็ว c + v ไม่ใช่ ค.

ดังนั้นที่ชายแดนของศตวรรษที่ 19 และ 20 เกิดวิกฤตการณ์ร้ายแรงในการพัฒนาฟิสิกส์ ก. ไอน์สไตน์พบทางออก ปฏิเสธ ซึ่งมักจะเกิดขึ้นในกรณีของการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุด จากวิสัยทัศน์แบบคลาสสิก ในกรณีนี้ เป็นเรื่องเกี่ยวกับแนวคิดคลาสสิกเกี่ยวกับอวกาศและเวลา ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดที่นี่คือมุมมองที่แตกต่างกันของแนวคิดเรื่องเวลาสัมบูรณ์ ซึ่งใช้ในฟิสิกส์คลาสสิก ความคิดที่เป็นนิสัยซึ่งดูเหมือนมีเหตุผลและชัดเจน อันที่จริง แสดงให้เห็นความไม่สอดคล้องกัน แนวคิดและปริมาณจำนวนมากซึ่งในฟิสิกส์ที่ไม่ใช่เชิงสัมพันธ์ได้รับการพิจารณาว่าเป็นแบบสัมบูรณ์หรือไม่ขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิง ในทฤษฎีสัมพัทธภาพกลับกลายเป็นว่าถูกถ่ายโอนไปยังหมวดหมู่ของสัมพัทธ์

พื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษคือหลักการหรือสมมติฐานที่ไอน์สไตน์กำหนดขึ้นในปี ค.ศ. 1905

คำจำกัดความ 3

หลักการรฟท.:

1. หลักการสัมพัทธภาพ:กฎธรรมชาติทั้งหมดไม่แปรผันตามการเปลี่ยนแปลงจากกรอบอ้างอิงเฉื่อยหนึ่งไปยังอีกกรอบหนึ่ง หลักการนี้หมายถึงความเป็นเอกภาพของรูปแบบของกฎทางกายภาพ (ไม่ใช่แค่กฎทางกล) ในระบบเฉื่อยทั้งหมด
   เหล่านั้น. หลักการสัมพัทธภาพของกลศาสตร์แบบคลาสสิกนั้นเป็นลักษณะทั่วไปสำหรับกระบวนการทั้งหมดของธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กระบวนการทางแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการทั่วไปนี้เรียกว่า หลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์
2. หลักการคงตัวของความเร็วแสง:ความเร็วของแสงในสุญญากาศไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วที่แหล่งกำเนิดแสงหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วย และจะเท่ากันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย ความเร็วแสงในทฤษฎีสัมพัทธภาพอยู่ในตำแหน่งพิเศษ ความเร็วของแสงคือความเร็วสูงสุดที่การโต้ตอบและสัญญาณถูกส่งจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในอวกาศ

หลักการเหล่านี้ต้องถือเป็นลักษณะทั่วไปของข้อเท็จจริงเชิงทดลองทั้งชุด ข้อสรุปและผลที่ตามมาของทฤษฎีตามหลักการเหล่านี้ได้รับการยืนยันในระหว่างการทดสอบทดลองจำนวนมาก ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทำให้สามารถค้นหาคำตอบสำหรับคำถามทั้งหมดของฟิสิกส์ "ยุคก่อนยุคไอน์สไตน์" และเพื่ออธิบายผลการทดลองที่ขัดแย้งกันซึ่งมีอยู่แล้วในขณะนั้นในด้านอิเล็กโทรไดนามิกส์และทัศนศาสตร์ ต่อจากนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้รับการเสริมกำลังในรูปแบบของข้อมูลการทดลอง ซึ่งได้มาจากกระบวนการศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคเร็วในเครื่องเร่งอนุภาค กระบวนการปรมาณู ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เป็นต้น

สมมุติฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพขัดแย้งกับแนวคิดดั้งเดิมอย่างชัดเจน ลองทำการทดลองทางความคิดต่อไปนี้: ในช่วงเวลา t = 0 ซึ่งมีความบังเอิญของแกนพิกัดของระบบเฉื่อยสองระบบ Kและ K " เกิดแสงวาบสั้นๆ ที่แหล่งกำเนิดร่วม ในช่วงเวลา tระบบจะถูกแทนที่โดยสัมพันธ์กันโดยระยะทาง v เสื้อ และหน้าคลื่นทรงกลมในแต่ละระบบจะมีรัศมี c t(รูปที่ 4 . 1 . 3) เนื่องจากระบบเท่ากันและในแต่ละระบบความเร็วของแสงจะเท่ากับ ค.

รูปที่ 4 หนึ่ง . 3 . ดูเหมือนจะขัดแย้งกับสมมุติฐานของ รฟท.

จากตำแหน่งผู้สังเกตการณ์ในระบบ Kศูนย์กลางของทรงกลมอยู่ที่จุด อู๋และจากตำแหน่งของผู้สังเกตในระบบ K "ศูนย์กลางจะอยู่ที่ โอ้". ดังนั้น ปรากฎว่าจุดศูนย์กลางของหน้าทรงกลมอยู่สองจุดพร้อมกัน!

สาเหตุของความเข้าใจผิดดังกล่าวไม่ใช่ความขัดแย้งระหว่างสมมติฐานทั้งสองของทฤษฎีสัมพัทธภาพ แต่สมมติฐานที่ว่าตำแหน่งด้านหน้าของคลื่นทรงกลมสำหรับทั้งสองระบบสัมพันธ์กับช่วงเวลาเดียวกันในช่วงเวลาเดียวกัน สมมติฐานดังกล่าวมีอยู่ในสูตรการแปลงของกาลิลีตามเวลาที่ไหลในลักษณะเดียวกันในทั้งสองระบบ: t \u003d t " ดังนั้นหลักการของไอน์สไตน์จึงไม่ขัดแย้งกัน แต่สูตรการแปลงกาลิเลียนและในกรณีนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพเขียนเพื่อแทนที่การแปลงกาลิลีด้วยสูตรอื่นสำหรับการแปลงระหว่างการเปลี่ยนจากเฟรมเฉื่อยหนึ่งไปยังอีกเฟรมหนึ่งที่เรียกว่าการแปลงลอเรนซ์ การแปลงลอเรนทซ์ด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วแสงทำให้สามารถอธิบายผลกระทบเชิงสัมพันธ์ทั้งหมดได้ และ ที่ความเร็วต่ำ (υ< < c) переходят в формулы преобразования Галилея. Итак, новая теория (специальная теория относительности или СТО) не отвергает прежнюю классическую механику Ньютона, а лишь уточняет пределы ее применения. Эта взаимосвязь между прежней и новой, более общей теорией, частью которой является прежняя в качестве предельного случая, получила название принципа соответствия.

หากคุณสังเกตเห็นข้อผิดพลาดในข้อความ โปรดไฮไลต์แล้วกด Ctrl+Enter

คำถามที่สงสัยโดยธรรมชาติ: "อะไรคือขีดจำกัดของการบังคับใช้การเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอ" เกิดขึ้นต่อหน้ามนุษยชาติในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 - ต้นศตวรรษที่ 20 มันเกิดขึ้นจากการศึกษาคุณสมบัติที่ขัดแย้งกันของอีเธอร์ ซึ่งเป็นตัวกลางที่ยืดหยุ่นอย่างยิ่งตามสมมุติฐาน โดยที่แสงจะแพร่กระจายโดยไม่มีการลดทอน เช่นเดียวกับในตัวกลางที่เป็นของแข็งอย่างแท้จริง

ข้อสงสัยเกี่ยวกับการบังคับใช้การเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโออย่างไม่สิ้นสุด อย่างน้อยก็ในแง่ของกฎการบวกความเร็ว เกิดขึ้นเมื่อวิเคราะห์ผลการทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์เพื่อกำหนดความเร็วของ "ลมไม่มีตัวตน" จากการเปรียบเทียบความเร็วของแสง ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดซึ่งเคลื่อนที่ไปตามทิศทางการเคลื่อนที่ของโลกในวงโคจรและความเร็วของแสงตามทิศทางที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัสของวงโคจร การวัดทำโดยใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงอย่าง Michelson interferometer โลกได้รับการคัดเลือกอย่างชาญฉลาดให้เป็นวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงเส้น 30 กม./วินาที ซึ่งเทคโนโลยีสมัยใหม่ไม่สามารถบรรลุได้สำหรับวัตถุขนาดใหญ่

การทดลองของมิเชลสันซึ่งแสดงครั้งแรกในปี พ.ศ. 2424 และให้คำตอบเชิงลบถูกกำหนดโดยพื้นฐาน: แผ่นที่มีความหนาไม่เกิน 0.5 ม. ซึ่งติดตั้งกระจกทำจากหินแกรนิตซึ่งขยายตัวเล็กน้อยด้วยความร้อนและลอยในปรอทเพื่อการเสียรูป- หมุนฟรี ความแม่นยำเบื้องต้นของการทดลองทำให้สามารถตรวจจับ "ลมที่ไม่มีตัวตน" ด้วยความเร็ว 10 กม./วินาที ต่อมามีการทำซ้ำหลายครั้ง ความแม่นยำเพิ่มขึ้นจนสามารถตรวจจับลมด้วยความเร็ว 30 ม./วินาที แต่คำตอบคือศูนย์อย่างสม่ำเสมอ

การเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอไม่ได้รับการยืนยันเมื่อสังเกตการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ตัวอย่างเช่น ไม่มีการรบกวนในจังหวะของการเคลื่อนที่เป็นระยะๆ ของดาวคู่ ในขณะที่ทิศทางของความเร็วของการเคลื่อนที่ของพวกมันเปลี่ยนไปบนเส้นทางการหมุนเวียนไปข้างหน้าและข้างหลัง ดังนั้นความเร็วของแสงจึงไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง

ตั้งแต่เวลาของการทดลองโดย Michelson และ Morley ในปี 1881 ถึง 1905 - ก่อนการพัฒนารากฐานของ SRT - มีการพยายามหลายครั้งในการพัฒนาสมมติฐานซึ่งจะอธิบายผลของการทดลองที่สำคัญ และในขณะเดียวกัน ทุกคนก็พยายามรักษาอีเธอร์ โดยปรับเปลี่ยนเฉพาะคุณสมบัติของอีเทอร์เท่านั้น

ที่มีชื่อเสียงที่สุดคือความพยายามที่อยากรู้อยากเห็นของ George Fitzgerald นักฟิสิกส์ชาวไอริชและนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Hendrik Lorentz คนแรกเสนอแนวคิดในการลดความยาวของลำตัวในทิศทางของการเคลื่อนไหวยิ่งมากขึ้นความเร็วในการเคลื่อนที่ก็จะสูงขึ้น ลอเรนซ์เสนอความเป็นไปได้ของการไหลของเวลาในท้องถิ่น ("เวลาท้องถิ่น") ในระบบเคลื่อนที่ ตามกฎหมายที่แตกต่างจากในระบบคงที่ Lorentz เสนอให้แก้ไขการแปลงพิกัดของกาลิเลโอ

สมมุติฐานของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นผู้มีส่วนสนับสนุนอย่างเด็ดขาดในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในปี 1905 ในวารสาร "Annalen fur physicist" อายุ 26 ปี พนักงานที่ไม่รู้จักของสำนักงานสิทธิบัตรสวิส Albert Einstein ได้ตีพิมพ์บทความขนาด 3 หน้า "On the electrodynamics of moving media" ตามที่นักประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ เขาไม่ได้ยินเกี่ยวกับผลการทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์

แนวคิดของไอน์สไตน์ทำให้เราสามารถปฏิเสธการมีอยู่ของอีเธอร์และสร้างทฤษฎีที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (SRT) และได้รับการยืนยันจากการทดลองทั้งหมดที่รู้จักกันในปัจจุบัน

รฟท. ขึ้นอยู่กับสองสมมุติฐาน

"หลักการคงตัวของความเร็วแสง"

ความเร็วของแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของแหล่งกำเนิดแสง จะเท่ากันในทุกระบบพิกัดเฉื่อย และเท่ากับ c=3 ในสุญญากาศ 10 8 นางสาว.

ต่อมาในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ซึ่งตีพิมพ์ในปี 2459 ได้มีการระบุว่าความเร็วของแสงยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระบบพิกัดที่ไม่เฉื่อย

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

กฎแห่งธรรมชาติเหมือนกัน (ไม่แปรผัน โควาเรียนต์) ในระบบพิกัดเฉื่อยทั้งหมด

ไอน์สไตน์เขียนในภายหลังว่า:

“ในระบบพิกัดเฉื่อยทั้งหมด กฎแห่งธรรมชาติมีความสอดคล้องกัน ความเป็นจริงทางกายภาพไม่ได้ถูกครอบงำโดยจุดในอวกาศและไม่ใช่ในช่วงเวลาที่มีบางสิ่งเกิดขึ้น แต่เกิดจากเหตุการณ์เท่านั้น ไม่มีความสัมพันธ์แบบสัมบูรณ์ (ไม่ขึ้นกับพื้นที่อ้างอิง) ในอวกาศ และไม่มีความสัมพันธ์แบบสัมบูรณ์ในเวลา แต่มีสัมบูรณ์ (ไม่ขึ้นกับพื้นที่อ้างอิง) สัมพันธ์ในอวกาศและเวลา" (เน้นโดยไอน์สไตน์)

ต่อมา ไอน์สไตน์ได้ยืนยันความถูกต้องของสมมติฐานนี้สำหรับกรอบอ้างอิงทั้งหมด รวมถึงกรอบที่ไม่เฉื่อยด้วย

เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ของ SRT ใช้คอนตินิวอัมสเปซ-ไทม์ xyzt สี่มิติ (สเปซ Minkowski) และการแปลงพิกัดลอเรนทซ์เป็นภาพสะท้อนทางคณิตศาสตร์ของข้อเท็จจริงที่มีอยู่ในโลกแห่งวัตถุ

สมมติฐานที่ว่าความเร็วของแสงเป็นค่าสัมบูรณ์นำไปสู่ผลที่ตามมาหลายอย่างที่ไม่ปกติและไม่ได้สังเกตพบภายใต้เงื่อนไขของกลศาสตร์ของนิวตัน ผลที่ตามมาอย่างหนึ่งของความคงตัวของความเร็วแสงคือการปฏิเสธธรรมชาติที่สมบูรณ์ของเวลา ซึ่งถูกต่อกิ่งเข้ากับกลไกของนิวตัน ตอนนี้เราต้องยอมรับว่าเวลาไหลต่างกันในกรอบอ้างอิงที่ต่างกัน - เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันในระบบหนึ่งจะกลายเป็นไม่พร้อมกันในอีกระบบหนึ่ง

พิจารณากรอบอ้างอิงเฉื่อยสองกรอบ Kและ K"ย้ายสัมพันธ์กัน ให้อยู่ในห้องมืดที่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับระบบ K" ไฟจะกะพริบ เนื่องจากความเร็วแสงในระบบ K"เท่ากับ (เช่นในระบบอ้างอิงใด ๆ ) คจากนั้นแสงจะส่องถึงผนังด้านตรงข้ามของห้องทั้งสองพร้อมกัน ไม่ใช่ว่าจะเกิดขึ้นจากมุมมองของผู้สังเกตในระบบ K. ความเร็วแสงในระบบ Kก็เท่ากับ คแต่เนื่องจากผนังห้องเคลื่อนไปตามระบบ K, จากนั้นผู้สังเกตในระบบ Kจะพบว่าแสงกระทบผนังด้านหนึ่งก่อนผนังอีกด้าน กล่าวคือ ในระบบ Kเหตุการณ์เหล่านี้ไม่เกิดขึ้นพร้อมกัน

ดังนั้น ในกลศาสตร์ของไอน์สไตน์ ญาติไม่เพียงแค่ คุณสมบัติของพื้นที่แต่ยัง คุณสมบัติเวลา.

บทนำ

2. ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

บทสรุป

รายการแหล่งที่ใช้

บทนำ

แม้แต่ในปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะมองว่าภาพของโลกถูกสร้างขึ้นโดยพื้นฐานและจะยังคงไม่สั่นคลอนในอนาคต - เฉพาะรายละเอียดเท่านั้นที่จะต้องชี้แจง แต่ในทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 มุมมองทางกายภาพเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง นี่เป็นผลมาจากการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ "น้ำตก" ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาประวัติศาสตร์อันสั้นมาก ครอบคลุมช่วงปีสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 และทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 ซึ่งหลายอย่างไม่เข้ากับการเป็นตัวแทนของมนุษย์ธรรมดาเลย ประสบการณ์. ตัวอย่างที่โดดเด่นคือทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สร้างขึ้นโดย Albert Einstein (1879-1955)

กาลิเลโอเป็นผู้กำหนดหลักการสัมพัทธภาพเป็นครั้งแรก แต่ได้รับสูตรสุดท้ายในกลศาสตร์ของนิวตันเท่านั้น

หลักการสัมพัทธภาพหมายความว่าในทุกระบบเฉื่อย กระบวนการทางกลทั้งหมดเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกัน

เมื่อภาพกลไกของโลกครอบงำในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ หลักการของสัมพัทธภาพก็ไม่มีข้อสงสัยใดๆ สถานการณ์เปลี่ยนไปอย่างมากเมื่อนักฟิสิกส์ต้องจับใจกับการศึกษาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า แม่เหล็ก และทางแสง สำหรับนักฟิสิกส์ ความไม่เพียงพอของกลศาสตร์แบบคลาสสิกในการอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติได้ชัดเจนขึ้น คำถามเกิดขึ้น: หลักการสัมพัทธภาพใช้ได้กับปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าหรือไม่?

เมื่ออธิบายถึงแนวทางการใช้เหตุผลของเขา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ชี้ให้เห็นข้อโต้แย้งสองข้อที่เป็นพยานสนับสนุนความเป็นสากลของหลักการสัมพัทธภาพ:

หลักการนี้ได้รับการเติมเต็มด้วยความแม่นยำอย่างมากในกลศาสตร์ ดังนั้นจึงสามารถหวังว่ามันจะออกมาถูกต้องในอิเล็กโทรไดนามิกส์เช่นกัน

หากระบบเฉื่อยไม่เทียบเท่ากับการอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ก็มีเหตุผลที่จะสรุปว่ากฎของธรรมชาติอธิบายได้ง่ายที่สุดในระบบเฉื่อยเดียวเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น พิจารณาการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็ว 30 กิโลเมตรต่อวินาที หากในกรณีนี้หลักการสัมพัทธภาพไม่เป็นจริง กฎการเคลื่อนที่ของวัตถุก็จะขึ้นอยู่กับทิศทางและการวางแนวเชิงพื้นที่ของโลก ไม่มีอะไรอย่างนั้นคือ ไม่พบความไม่เท่าเทียมกันทางกายภาพของทิศทางที่ต่างกัน อย่างไรก็ตาม ปรากฏความไม่ลงรอยกันอย่างชัดเจนของหลักการสัมพัทธภาพกับหลักการที่มั่นคงของความเร็วแสงในสุญญากาศ (300,000 กม./วินาที)

ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกเกิดขึ้น: การปฏิเสธหลักการความคงตัวของความเร็วแสงหรือหลักการสัมพัทธภาพ หลักการแรกถูกกำหนดไว้อย่างแม่นยำและชัดเจนจนเห็นได้ชัดว่าไม่ยุติธรรมที่จะปฏิเสธ ไม่มีปัญหาเกิดขึ้นในการปฏิเสธหลักการสัมพัทธภาพในด้านกระบวนการแม่เหล็กไฟฟ้า อันที่จริง ตามที่ไอน์สไตน์แสดง:

"กฎการแพร่กระจายของแสงและหลักการสัมพัทธภาพเข้ากันได้"

ความขัดแย้งที่ชัดเจนระหว่างหลักการสัมพัทธภาพกับกฎความคงตัวของความเร็วแสงเกิดขึ้นเนื่องจากกลศาสตร์คลาสสิกตาม Einstein อาศัย "สมมติฐานที่ไม่ยุติธรรมสองข้อ": ช่วงเวลาระหว่างสองเหตุการณ์ไม่ขึ้นอยู่กับสถานะของการเคลื่อนไหว ของวัตถุอ้างอิงและระยะห่างเชิงพื้นที่ระหว่างจุดสองจุดของวัตถุแข็งเกร็งไม่ขึ้นอยู่กับสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุอ้างอิง ในระหว่างการพัฒนาทฤษฎีของเขา เขาต้องละทิ้ง: การเปลี่ยนแปลงของกาลิเลียนและยอมรับการเปลี่ยนแปลงของลอเรนซ์ จากแนวคิดของนิวตันเกี่ยวกับสเปซสัมบูรณ์และคำจำกัดความของการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สัมพันธ์กับสเปซสัมบูรณ์นี้

การเคลื่อนไหวของร่างกายแต่ละครั้งเกิดขึ้นโดยสัมพันธ์กับเนื้อหาอ้างอิง ดังนั้นกระบวนการและกฎหมายทางกายภาพทั้งหมดจึงต้องถูกกำหนดขึ้นโดยสัมพันธ์กับระบบหรือพิกัดอ้างอิงที่ระบุอย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงไม่มีระยะทาง ความยาว หรือขอบเขตที่แน่นอน เช่นเดียวกับเวลาที่แน่นอนไม่ได้

แนวคิดและหลักการใหม่ของทฤษฎีสัมพัทธภาพเปลี่ยนแนวคิดทางกายภาพและทางวิทยาศาสตร์ทั่วไปเกี่ยวกับอวกาศ เวลา และการเคลื่อนไหวอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งครอบงำวิทยาศาสตร์มานานกว่าสองร้อยปี

ทั้งหมดข้างต้นแสดงให้เห็นถึงความเกี่ยวข้องของหัวข้อที่เลือก

วัตถุประสงค์ของงานนี้คือการศึกษาและวิเคราะห์อย่างครอบคลุมเกี่ยวกับการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีทั่วไปโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

งานประกอบด้วย บทนำ สองส่วน บทสรุป และรายการอ้างอิง จำนวนงานทั้งหมด 16 หน้า

1. ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์

ในปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เริ่มต้นจากความเป็นไปไม่ได้ในการตรวจจับการเคลื่อนไหวแบบสัมบูรณ์ ได้ข้อสรุปว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดเท่ากัน เขาได้กำหนดสัจธรรมที่สำคัญสองประการซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีอวกาศและเวลาใหม่ที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (SRT):

1. หลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ - หลักการนี้เป็นภาพรวมของหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอกับปรากฏการณ์ทางกายภาพใดๆ มันบอกว่า: กระบวนการทางกายภาพทั้งหมดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันในระบบอ้างอิงเฉื่อย (ISF) ดำเนินการในลักษณะเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าไม่มีการทดลองทางกายภาพใดๆ ที่ดำเนินการภายใน IRF แบบปิดที่สามารถระบุได้ว่าการทดลองนั้นหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ดังนั้น IFR ทั้งหมดจึงเท่าเทียมกันอย่างสมบูรณ์ และกฎทางกายภาพไม่แปรผันตามการเลือก IFR (กล่าวคือ สมการที่แสดงกฎเหล่านี้มีรูปแบบเดียวกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด)

2. หลักการคงตัวของความเร็วแสง - ความเร็วของแสงในสุญญากาศจะคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงและเครื่องรับ จะเหมือนกันในทุกทิศทางและในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย ความเร็วของแสงในสุญญากาศ - ความเร็วที่จำกัดในธรรมชาติ - เป็นหนึ่งในค่าคงที่ทางกายภาพที่สำคัญที่สุด ค่าคงที่ของโลกที่เรียกว่า

การวิเคราะห์เชิงลึกของสมมุติฐานเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาขัดแย้งกับแนวคิดเรื่องอวกาศและเวลาซึ่งเป็นที่ยอมรับในกลศาสตร์ของนิวตันและสะท้อนให้เห็นในการเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอ ตามหลักการข้อที่ 1 กฎแห่งธรรมชาติทั้งหมด รวมทั้งกฎของกลศาสตร์และอิเล็กโทรไดนามิก จะต้องไม่แปรผันตามการเปลี่ยนแปลงของพิกัดและเวลาแบบเดียวกัน ซึ่งดำเนินการระหว่างการเปลี่ยนจากกรอบอ้างอิงหนึ่งไปยังอีกกรอบหนึ่ง สมการของนิวตันเป็นไปตามข้อกำหนดนี้ แต่สมการอิเล็กโทรไดนามิกของแมกซ์เวลล์ไม่เป็นเช่นนั้น กล่าวคือ กลายเป็นค่าคงที่ เหตุการณ์นี้ทำให้ไอน์สไตน์สรุปได้ว่าสมการของนิวตันจำเป็นต้องได้รับการขัดเกลา ซึ่งเป็นผลมาจากสมการของกลศาสตร์และสมการของอิเล็กโทรไดนามิกส์จะกลายเป็นค่าคงที่เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงเดียวกัน Einstein เป็นผู้ดำเนินการแก้ไขกฎหมายกลศาสตร์ที่จำเป็น เป็นผลให้กลศาสตร์เกิดขึ้นที่สอดคล้องกับหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ - กลศาสตร์สัมพัทธภาพ

ผู้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพได้กำหนดหลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพ ซึ่งตอนนี้ขยายไปสู่ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงการเคลื่อนที่ของแสง หลักการนี้ระบุว่าไม่มีการทดลองทางกายภาพใดๆ (ทางกล แม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ) ที่ดำเนินการภายในกรอบอ้างอิงที่กำหนดสามารถแยกแยะระหว่างสถานะของการพักและการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ การเพิ่มความเร็วแบบคลาสสิกไม่สามารถใช้ได้กับการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสง สำหรับกระบวนการทางกายภาพทั้งหมด ความเร็วของแสงมีคุณสมบัติเป็นความเร็วอนันต์ ในการบอกความเร็วของร่างกายเท่ากับความเร็วของแสงนั้น จำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนไม่จำกัด และด้วยเหตุนี้ร่างกายจึงเป็นไปไม่ได้ที่ร่างกายจะไปถึงความเร็วนี้ได้ ผลลัพธ์นี้ได้รับการยืนยันโดยการวัดที่ทำกับอิเล็กตรอน พลังงานจลน์ของมวลจุดจะโตเร็วกว่ากำลังสองของความเร็วของมัน และกลายเป็นอนันต์สำหรับความเร็วเท่ากับความเร็วของแสง

ความเร็วของแสงคือความเร็วที่จำกัดของการแพร่กระจายของอิทธิพลของวัสดุ ไม่สามารถเพิ่มขึ้นด้วยความเร็วใด ๆ และสำหรับระบบเฉื่อยทั้งหมดจะคงที่ วัตถุที่เคลื่อนที่ทั้งหมดบนโลกเมื่อเทียบกับความเร็วแสงมีความเร็วเท่ากับศูนย์ อันที่จริงความเร็วของเสียงอยู่ที่ 340 เมตร/วินาทีเท่านั้น คือความนิ่งเมื่อเทียบกับความเร็วแสง

จากหลักการทั้งสองนี้ - ความคงตัวของความเร็วแสงและหลักการสัมพัทธภาพแบบขยายของกาลิเลโอ - ปฏิบัติตามบทบัญญัติทั้งหมดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทางคณิตศาสตร์ หากความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่สำหรับเฟรมเฉื่อยทั้งหมด และทุกอันเท่ากัน ปริมาณทางกายภาพของความยาวลำตัว ช่วงเวลา มวลสำหรับเฟรมอ้างอิงต่างๆ จะแตกต่างกัน ดังนั้นความยาวของร่างกายในระบบเคลื่อนที่จะสั้นที่สุดเมื่อเทียบกับช่วงพัก ตามสูตร:

โดยที่ /" คือความยาวของวัตถุในระบบเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว V เทียบกับระบบนิ่ง / คือความยาวของร่างกายในระบบพัก

ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ระยะเวลาของกระบวนการ ตรงกันข้ามจะเป็นจริง เวลาจะยืดออกช้าลงในระบบเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ซึ่งกระบวนการนี้จะเร็วขึ้น ตามสูตร:

จำได้ว่าผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจะถูกตรวจจับที่ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง ที่ความเร็วน้อยกว่าความเร็วแสงมาก สูตร SRT จะเปลี่ยนเป็นสูตรของกลไกแบบคลาสสิก

รูปที่ 1 การทดลองรถไฟไอน์สไตน์

ไอน์สไตน์พยายามแสดงให้เห็นด้วยสายตาว่าการไหลของเวลาช้าลงในระบบเคลื่อนที่สัมพันธ์กับระบบเคลื่อนที่อย่างไร ลองนึกภาพชานชาลารถไฟที่ผ่านด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง (รูปที่ 1)