Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Принцип относительности, как уже отмечалось, есть утверждение об эквивалентности всех инерциальных систем отсчета. Равноправие всех инерциальных систем отсчета распространяется на все
14
I. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
явления, на всю физику. Распространение принципа относительности на электромагнитные и оптические явления приводит к выводу о том, что скорость света (электромагнитных волн) в пустоте во всех инерциальных системах отсчета одинакова. Отсюда сразу видна необходимость пересмотра классических представлений о пространстве и времени, так как основанный на них классический закон преобразования скорости находится в противоречии с неизменностью скорости света.
Второй постулат утверждает, что любые взаимодействия между телами распространяются в пустоте с универсальной конечной скоростью, не зависящей от движения тел и равной скорости света в вакууме с = 3-10® м/с. Эта скорость определяет тот промежуток времени, после которого до тела может дойти первый сигнал, дающий знать об изменении, происшедшем с другим телом. Значение этого второго постулата связано с тем, что в определении понятий, относящихся к пространству и времени, фундаментальную роль играет передача сигналов с предельной скоростью.
Передача сигналов, в принципе, возможна не только при помощи электромагнитных волн (света), но и при помощи волн другой природы. Мыслимо, хотя практически и пока неосуществимо, использование гравитационных волн. Не исключено открытие каких-либо новых полей, способных передавать сигналы. Можно, наконец, представить себе передачу сигналов при помощи предельно быстрых частиц. Однако принцип существования универсальной предельной скорости распространения взаимодействий утверждает существование общего предела для скорости передачи каких-либо действий и сигналов и придает скорости света в вакууме универсальное значение, не связанное с физической природой взаимодействия, а отражающее некоторое объективное свойство пространства и времени. Очевидно, что второй постулат утверждает в то же время, что невозможно движение тел со скоростью, превышающей предельную универсальную скорость с.
Второй постулат и законы механики. Отметим, что второй постулат находится в противоречии с принятым в классической механике способом описания взаимодействия материальных частиц, включающим в себя предположение о мгновенности распространения взаимодействий. В самом деле, силы, действующие на каждую из частиц со стороны остальных, считаются в классической механике зависящими от положения частиц в этот же момент времени. Изменение положения какой-либо из частиц мгновенно отражается на остальных. Поэтому второй постулат неизбежно требует уточнения законов механики.
Механика теории относительности в предельном случае, когда скорости движущихся тел малы по сравнению со скоростью света с, переходит в классическую механику, основанную на мгновенности распространения взаимодействий. Только большой величиной скорости распространения взаимодействий объясняется тот факт, что
§ 2. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КИНЕМАТИКА
15
для макроскопических тел в большинстве случаев достаточно точной оказывается классическая механика. В большинстве случаев скорости, с которыми приходится иметь дело, очень малы по сравнению со скоростью с. Поэтому в то время, когда была создана теория относительности, ее экспериментальное подтверждение можно было найти лишь в исключительно тонких оптических и электродинамических опытах. В настоящее время в больших ускорителях заряженные частицы нередко разгоняются до скоростей, составляющих 99% и более от скорости света. Для расчета траекторий столь быстрых частиц пользоваться механикой Ньютона уже нельзя. В этом смысле можно сказать, что теория относительности в наши дни стала инженерной наукой.
• В чем заключается физическое содержание принципа относительности?
• Что в физике понимают под событием?
• Покажите, что классические представления о пространстве и времени приводят к преобразованиям Галилея.
• Почему преобразования Галилея несовместимы с представлением о существовании конечной предельной скорости распространения взаимодействий?
• Какие постулаты лежат в основе теории относительности?
• Почему предположение о конечности скорости распространения взаимодействий требует уточнения законов классической механики?
§ 2. Релятивистская кинематика
Постулаты теории относительности требуют внесения изменений в основные физические понятия, относящиеся к пространству и времени. Прежде всего необходим анализ основных измерительных операций, определяющих пространственно-временные соотношения между событиями. Главное, что внесла теория относительности в постановку вопроса об измерительных операциях, состоит в том, что любое физическое понятие (например, измерение промежутков времени и расстояний) нуждается в определении.
Процедуры измерений. Измерение времени может быть, в принципе, произведено при помощи любого периодического процесса. Наибольшей точностью в настоящее время обладают часы, основанные на использовании собственных колебаний молекул аммиака (молекулярные часы) или атомов цезия (атомные часы). Основанное на колебаниях атомов измерение времени особенно удобно тем, что здесь природа предоставила нам, в силу тождественности атомов одного и того же изотопа, набор совершенно идентичных часов. Выяснять, идут ли выбранные в качестве эталона часы равномерно, — бессмысленно: это по определению так.
