Сдвиг парадигмы в физике

Физика > Сдвиг парадигмы в физике

 

Рассмотрите относительность пространства и времени в специальной теории относительности. Изучите свойства восприятия времени, релятивистское сокращение длины.

Специальная теория относительности повлияла на наше восприятие пространства и времени, показав, что время относительно к наблюдателю.

Задача обучения

• Вывести главные изменения в осознании времени, пространства, массы и энергии.

Основные пункты

• Время относительно.
• Длины перемещающихся объектов отличаются от тех, что измеряются в подвижной раме.
• Время и пространство не выступают независимыми.

Термины

• Специальная теория относительности: скорость света остается неизменной в любой системе отсчета.
• Сокращение длины – наблюдатель меняет длину перемещающегося тела на меньшую, чем если бы оно было неподвижным.
• Дилатация времени – замедление временного течения, ощущаемое объектами в движении.

Пример

Можно сравнить время жизни мюонов в различных скоростях. В лабораторных условиях создаются медленные мюоны, а в атмосфере они быстрые и формируются космическими лучами. Возьмем значение лабораторного (2.22 мкс) и время существования космического луча, созданного мюоном, перемещающимся со скоростью 98% от световой. Здесь часы служат временем, потраченным процессами, активирующими распад мюонов.

Специальная теория относительности Эйнштейна привела к тому, что мы изменили свое понимание вселенской природы. До 1905 года весь научный мир полагал, что пространство и время лишены всякой зависимости. Время не могло влиять на пространство, которое также никак не воздействовало на время. Но специальная теория относительности уничтожила эту позицию, показав, что два понятия не зависят друг от друга, но могут смешиваться, поэтому их следует изучать как один объект – пространство-время. Последствия:

• временное расширение.
• сокращение длины.
• относительность времени.

Почему пространство и время смешиваются? Для понимания этого нужно разобраться в основополагающих принципах относительности:

• Принцип относительности: физические законы для наблюдателей остаются одинаковыми.
• Принцип неизменности световой скорости: все наблюдатели отмечают единый показатель световой скорости.

Если принимать второе утверждение как незыблемый факт, то пространство и время сразу становятся независимыми. Давайте проверим экспериментально. У нас есть наблюдатель и ракета. Оба связаны пространственно-временным преобразованием. Несмотря на быстроту скорости ракеты, объекты вычислят единую световую скорость. Единственный способ – часы наблюдателя на ракете отличаются по времени от показателя стационарного наблюдателя. Это выражается в формуле дилатации времени:

Лишенный движения наблюдатель вычисляет ту же световую скорость, что и наблюдатель в ракете

(t_s – время, прошедшее для стационарного наблюдателя, t_m – время для движущегося, v – скорость ракеты, измеренная от неподвижной рамы).

Видно, что при v → c, время, прошедшее в неподвижном кадре, переходит в бесконечность. Чтобы поместить некоторые числа, пусть v = 0.99986c и t_m = 1 секунда. Время, прошедшее в неподвижной рамке, составляет один час. То есть, для каждой секунды, прожитой в ракете, неподвижный человек живет один час!

Один из наиболее радикальных результатов – парадокс близнецов. Это мысленный эксперимент, где участвуют идентичные близнецы. Один остается на Земле, а второго отправляют в космос на приближенной к световой скорости и возвращают обратно. При встрече путешественник видит, что второй близнец сильнее постарел.

Коэффициент квадратного корня в формуле играет значительную роль. Уравнение сокращения длины:

(L₀ – длина объекта, измеренная в движущемся кадре, а L -– длина объекта, определенная наблюдателем, который видит объект, перемещающийся со скоростью v).

Также специальная теория относительности выявила эквивалентность энергии и массы, связанных соотношением E = mc² (c – скорость света в вакууме). Благодаря этому удалось создать ядерную энергетику и ядерное оружие.

Важно также отметить огромность скорости света: с = 3 × 10⁸ м/с.

Поэтому в повседневной жизни (γ ≈ 1) мы не испытываем значительного временного замедления или релятивистского сокращения длины.

---