1.11. Специальная теория относительности

Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО) расширяет границы классической ньютоновской физики, действующей в области нерелятивистских скоростей, малых по сравнению со скоростью света с, на любые, в том числе релятивистские, т.е. сравнимые с с, скорости. Все результаты релятивистской теории при переходят в результаты классической нерелятивистской физики (принцип соответствия).

Постулаты СТО. Специальная теория относительности опирается на два постулата:

Первый постулат (принцип относительности Эйнштейна): все физические законы — как механические, так и электромагнитные — имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета (ИСО). Иными словами, никакими опытами нельзя выделить какую-то одну систему отсчета и назвать именно ее покоящейся. Этот постулат является расширением принципа относительности Галилея (см. разд. 1.3) на электромагнитные процессы.

Второй постулат Эйнштейна: скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО и равна с Этот постулат содержит сразу два утверждения:

а) скорость света не зависит от скорости источника,

б) скорость света не зависит от того, в какой ИСО находится наблюдатель с приборами, т.е. не зависит от скорости приемника.

Постоянство скорости света и независимость ее от движения источника следуют из уравнений электромагнитного поля Максвелла. Казалось очевидным, что такое утверждение может быть верным только в одной системе отсчета. С точки зрения классических представлений о пространстве — времени, любой другой наблюдатель, двигаясь со скоростью должен для встречного луча получить скорость а для испущенного вперед луча — скорость . Такой результат означал бы, что уравнения Максвелла выполняются только в одной ИСО, заполненной неподвижным «эфиром, относительно которого и распространяются световые волны. Однако попытка обнаружить изменение скорости света, связанное с движением Земли относительно эфира, дала отрицательный результат (опыт Майкельсона— Морли). Эйнштейн предположил, что уравнения Максвелла, как и все законы физики, имеют один и тот же вид во всех ИСО, т.е. что скорость света в любой ИСО равна с (второй постулат). Это предположение привело к пересмотру основных представлений о пространстве — времени.

Преобразования Лоренца. Преобразования Лоренца связывают между собой координаты и время события, измеренные в двух ИСО, одна из которых движется относительно другой с постоянной скоростью V. При таком же выборе осей координат и отсчета времени, как в преобразованиях Галилея (формула (7)), преобразования Лоренца имеют вид:

Часто удобно пользоваться преобразованиями для разности координат и времен двух событий:

где для краткости введено обозначение

Преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея при . Они выводятся из второго постулата СТО и из требования линейности преобразований, выражающего условие однородности пространства. Обратные преобразования из в К можно получить из (42), (43) заменой V на —V:

Сокращение длины. Длина движущегося отрезка определяется как расстояние между точками, где концы отрезка находились одновременно (т.е. Рассмотрим твердое тело, которое движется поступательно со скоростью и свяжем с ним систему отсчета Из уравнения (43) (в котором надо положить получим, что продольные размеры движущегося тела сокращаются:

где — собственный продольный размер, т.е. измеренный в системе отсчета К, в которой тело неподвижно. Поперечные размеры движущегося тела не изменяются.

Пример 1. Если квадрат движется со скоростью вдоль одной из своих сторон, то он превращается в прямоугольник с углом между диагоналями, равным .

Относительность хода времени. Из преобразований Лоренца видно, что время протекает по-разному в разных ИСО. В частности, события, происходящие в системе К одновременно но

в разных точках пространства, в К могут быть не одновременными: может быть как положительным, так и отрицательным (относительность одновременности). Часы, движущиеся вместе с системой отсчета (т.е. неподвижные относительно или показывают собственное время этой ИСО. С точки зрения наблюдателя в системе А, эти часы отстают от его собственных (замедление хода времени). Рассматривая два отсчета движущихся часов как два события, из (45) получим:

где — собственное время движущихся часов (точнее, связанной с ними Равноправие всех ИСО проявляется в том, что с точки зрения наблюдателя К часы, неподвижные относительно , будут отставать от его собственных. (Заметим, что для контроля за движущимися часами неподвижный наблюдатель в разные моменты времени использует разные часы.) Парадокс близнецов заключается в том, что СТО предсказывает различие в возрасте двух близнецов, один из которых оставался на Земле, а другой путешествовал в глубоком космосе (космонавт будет моложе); казалось бы, это нарушает равноправие их систем отсчета. На самом деле, только земной близнец все время находился в одной ИСО, космонавт же поменял ИСО для возвращения на Землю (его же собственная система отсчета неинерциальна).

Пример 2. Среднее собственное время жизни нестабильного мюона , т.е. Благодаря эффекту замедления времени, с точки зрения земного наблюдателя космический мюон, летящий со скоростью близкой к скорости света (7 1), живет в среднем пролетает от места рождения в верхних слоях атмосферы расстояние порядка что позволяет регистрировать его на поверхности Земли.

Сложение скоростей в СТО. Если частица движется со скоростью относительно то ее скорость относительно К можно найти, выразив из (45) и подставив в

При с происходит переход к нерелятивистскому закону сложения скоростей (формула Важное свойство формулы (48) состоит в том, что если V и меньше с, то и будет меньше с. Например, если мы разгоним частицу до а затем, перейдя в ее систему отсчета, снова разгоним ее до то результирующая скорость окажется не Видно, что превзойти скорость света не удается. Скорость света является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

Интервал. Причинность. Преобразования Лоренца не сохраняют ни величину интервала времени, ни длину пространственного отрезка. Однако можно показать, что при преобразованиях Лоренца сохраняется величина

где называется интервалом между событиями 1 и 2 . Если то интервал между событиями называют времениподобным, так как в этом случае существует ИСО, в которой т.е. события происходят в одном месте, но в разное время. Такие события могут быть причинно связанными. Если, наоборот, то интервал между событиями называют пространственно-подобным, так как в этом случае существует ИСО, в которой т.е. события происходят одновременно в разных точках пространства. Между такими событиями не может существовать причинной связи. Условие означает, что луч света, испущенный в момент более раннего события (например, из точки не успевает достигнуть точки к моменту времени События, отделенные от события 1 времениподобным интервалом, представляют по отношению к нему или абсолютное прошлое или абсолютное будущее порядок следования этих событий одинаковый во всех ИСО. Порядок следования событий, отделенных пространственноподобным интервалом, может быть разным в разных ИСО.

Лоренцовы 4-векторы. Четверка величин которые при переходе из системы К в систему К преобразуются так же, как т.е. (см. (42)):

называется лоренцовым четырехмерным вектором (или, коротко, лоренцовым -вектором). Величины называются пространственными компонентами -вектора, — его временной компонентой. Сумма двух -векторов и произведение -вектора на число — тоже -векторы. При изменении ИСО сохраняется величина, аналогичная интервалу: а также скалярное произведение Физическое равенство, записанное в виде равенства двух -векторов, остается верным во всех ИСО.

Импульс и энергия в СТО. Компоненты скорости преобразуются не так, как компоненты 4-вектора (сравните уравнения (48) и (50)), потому что в выражении преобразуются как числитель, так и знаменатель. Поэтому величина соответствующая классическому определению импульса, не может сохраняться во

всех ИСО. Релятивистский -вектор импульса определяют как

где — бесконечно малое изменение собственного времени частицы (см. (47)), т.е. измеренное в ИСО, скорость которой равна скорости частицы в данный момент не зависит от того, из какой ИСО мы наблюдаем за частицей.) Пространственные компоненты -вектора образуют релятивистский импульс

а временная компонента оказывается равной где Е — релятивистская энергия частицы:

поэтому -вектор называют 4-вектором энергии — импульса. Отметим, что релятивистские энергия и импульс связаны простым соотношением:

В соответствии с (50), энергия и импульс при переходе в другую ИСО преобразуются по закону

Релятивистская энергия частицы не равна нулю при т.е. она состоит из энергии покоя и кинетической энергии:

причем релятивистская кинетическая энергия при переходит в классическую кинетическую энергию Так как величина сохраняется, ее можно вычислить в системе отсчета, где частица в данный момент покоится:

Для частиц с массой, равной нулю (фотоны), связь между энергией и импульсом принимает вид:

(см. также (53)). Подставляя в получим удобное соотношение между импульсом и кинетической энергией:

Неупругий удар. Взаимосвязь энергии и массы. Запишем закон сохранения релятивистской энергии для неупругого удара двух тел массой каждое, летевших навстречу друг другу с одинаковой скоростью

Видно, что масса составной частицы больше суммы масс начальных частиц. Увеличение внутренней энергии при неупругом ударе на привело к увеличению массы на Этот пример иллюстрирует общее соотношение Эйнштейна между релятивистской энергией покоящегося тела и его массой:

Релятивистская энергия включает в себя все виды внутренней энергии.

Пример 3. Пусть энергия покоящегося тела увеличилась на Найти импульс этого тела в системе отсчета, движущейся со скоростью .

Решение. В соответствии с формулами релятивистского преобразования (54) импульс равен Видно, что увеличение массы соответствует формуле (58).

Основной закон релятивистской динамики. Приложенная к частице сила равна, как и в классической механике, производной от импульса:

но релятивистский импульс (51) отличается от классического. Под действием приложенной силы импульс может неограниченно возрастать, но из определения (51) видно, что скорость будет меньше с. Работа силы (59)

равна изменению релятивистской энергии. Здесь были использованы формулы (см. (56)) и .