Teoria specială a relativității

Teoria specială a relativității

Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing

Copyright 2018 Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing, www.telework.ro/ro/editura

ISBN: 978-606-9016-43-5

Licență text carte: Creative Commons cu Atribuire - Partajare în Condiții Identice 3.0

DECLINARE DE RESPONSABILITATE

Având în vedere posibilitatea existenței erorii umane sau modificării conceptelor științifice, nici autorul, nici editorul și nicio altă parte implicată în pregătirea sau publicarea lucrării curente nu pot garanta în totalitate că toate aspectele sunt corecte, complete sau actuale, și își declină orice responsabilitate pentru orice eroare ori omisiune sau pentru rezultatele obținute din folosirea informațiilor conținute de această lucrare.

Cu excepția cazurilor specificate în această carte, nici autorul sau editorul, nici alți autori, contribuabili sau alți reprezentanți nu vor fi răspunzători pentru daunele rezultate din sau în legătură cu utilizarea acestei cărți. Aceasta este o declinare cuprinzătoare a răspunderii care se aplică tuturor daunelor de orice fel, incluzând (fără limitare) compensatorii; daune directe, indirecte sau consecvente, inclusiv pentru terțe părți.

Înțelegeți că această carte nu intenționează să înlocuiască consultarea cu un profesionist educațional, juridic sau financiar licențiat. Înainte de a o utiliza în orice mod, vă recomandăm să consultați un profesionist licențiat pentru a vă asigura că faceți ceea ce este mai bine pentru dvs.

Această carte oferă conținut referitor la subiecte educaționale. Utilizarea ei implică acceptarea acestei declinări de responsabilitate.

Teoria specială a relativității

Teoria specială a relativităţii a fost inițial propusă de Albert Einstein într-o lucrare publicată la 26 septembrie 1905 intitulată "Despre electrodinamica corpurilor în mișcare". Inconsecvența mecanicii newtoniene cu ecuațiile lui Maxwell de electromagnetism și lipsa confirmării experimentale a unui eter luminifer ipotetic au dus la dezvoltarea relativității speciale, care corectează mecanica pentru a face față situațiilor care implică mișcări la o fracțiune semnificativă a vitezei luminii (cunoscută ca viteză relativistă). Astăzi, relativitatea specială este cel mai precis model de mișcare la orice viteză atunci când efectele gravitaționale sunt neglijabile. Chiar și așa, modelul mecanicii newtoniene este încă util (datorită simplității și preciziei sale înalte) ca o aproximare la viteze mici în raport cu viteza luminii.

Înainte de formularea relativităţii speciale, Hendrik Lorentz şi alţii au remarcat deja că electromagnetismul diferă de fizica newtoniană prin aceea că observaţiile unui aceluiaşi fenomen pot fi diferite pentru o persoană care se deplasează în raport cu altă persoană la viteze apropiate de viteza luminii. De exemplu, una din persoane poate observa că nu există niciun câmp magnetic, în timp ce cealaltă observă un câmp magnetic în aceeaşi zonă fizică. Lorentz a sugerat o teorie a eterului, în care obiectele şi observatorii care călătoresc faţă de un eter staţionar suferă o contracţie fizică (contracţia Lorentz-Fitzgerald) şi o modificare a timpului (dilatarea timpului). Acest lucru a permis reconcilierea parţială a electromagnetismului cu fizica newtoniană. Când vitezele implicate sunt mult mai mici decât viteza luminii, legile rezultate se simplifică la legile lui Newton. Teoria, cunoscut sub numele de Teoria Eterului Lorentz, a fost criticată (chiar şi de către Lorentz însuşi), din cauza naturii sale neelaborate.

În timp ce Lorentz sugera ecuaţiile de transformare Lorentz ca o descriere matematică cu exactitate a rezultatelor măsurătorilor, contribuţia lui Einstein a fost de a obţine aceste ecuaţii pornind de la o teorie mai fundamentală. Einstein a vrut să afle ce este invariant (neschimbat) pentru toţi observatorii. Titlul său original pentru teoria sa a fost (tradus din germană), este "Teoria invarianţilor. Max Planck a propus termenul de relativitate", pentru a sublinia ideea că legile fizicii se schimbă pentru observatori în mişcare unul faţă de celălalt.

Până când Einstein a dezvoltat relativitatea generală, pentru a încorpora cadre generale (sau accelerate) de referință și gravitație, a fost folosită expresia relativitate specială. O traducere care a fost adesea folosită este relativitatea restrânsă; special însemnând într-adevăr un caz special.

O caracteristică definitorie a relativității speciale este înlocuirea transformărilor galileiene ale mecanicii newtoniene cu transformările Lorentz. Timpul și spațiul nu pot fi definite separat unele de altele. Mai degrabă spațiul și timpul sunt interconectate într-un singur continuum cunoscut sub numele de spațiu-timp. Evenimente care apar simultan pentru un singur observator pot avea loc la momente diferite pentru altul.

Teoria este specială prin faptul că se aplică numai în cazul special în care curbura spațiu-timpului datorită gravitației este neglijabilă. Pentru a include gravitația, Einstein a formulat relativitatea generală în 1915. Relativitatea specială, contrar unor descrieri depășite, este capabilă de includerea accelerațiilor, precum și a cadrelor de referință accelerate.

Deoarece relativitatea galileiană este acum considerată o aproximare a relativității speciale care este valabilă pentru viteze reduse, relativitatea specială este considerată o aproximare a relativității generale care este valabilă pentru câmpurile gravitaționale slabe, adică la o scară suficient de mică și în condiții de cădere liberă. În timp ce relativitatea generală incorporează geometria noneuclideană pentru a reprezenta efectele gravitaționale ca curbură geometrică a spațiului, relativitatea specială este limitată la spațiu-timpul plat, cunoscut ca spațiul Minkowski. Un cadru local invariant Lorentz care respectă relativitatea specială poate fi definit la scări suficient de mici, chiar și în spațiu-timpul curbat.

Galileo Galilei a afirmat deja că nu există o stare de repaus absolută și bine definită (nu există cadre de referință privilegiate), un principiu numit acum principiul de relativitate al lui Galileo. Einstein a extins acest principiu astfel încât acesta a reprezentat viteza constantă a luminii, fenomen care a fost observat în experimentul Michelson-Morley. El a afirmat, de asemenea, că este valabil pentru toate legile fizicii, inclusiv legile mecanicii și ale electrodinamicii.

Relativitatea specială se ocupă în principiu cu comportamentul obiectelor şi observatorilor care rămân în repaus sau se deplasează cu o viteză constantă. În acest caz, observatorul este declarat a fi într-un cadru inerţial de referinţă sau pur şi simplu inerţial. Compararea poziţiei şi timpului evenimentelor înregistrate de observatori inerţiali diferiţi se poate face prin utilizarea ecuaţiilor de transformare Lorentz. O denaturare comună cu privire la relativitate este că se consideră că relativitatea specială nu poate fi folosită pentru a gestiona cazul obiectelor şi observatorilor care sunt în accelerare (cadre de referinţă non-inerţiale), dar acest lucru este incorect. De exemplu, problema rachetei relativiste. Relativitatea specială poate prezice corect comportamentul componentelor accelerate atâta timp cât nu este vorba de acceleraţia gravitaţională, în care caz trebuie să fie utilizată relativitatea generală.

Relativitatea specială implică o gamă largă de consecințe, care au fost verificate experimental, inclusiv contracția lungimii, dilatarea timpului, masa relativistă, echivalența masă-energie, o limită de viteză universală, și relativitatea simultaneității. A înlocuit noțiunea convențională de timp absolut universal cu noțiunea de timp dependent de cadrul de referință și de poziția spațială. Mai degrabă decât un interval de timp invariant între două evenimente, există un interval invariant spațiu-timp. În combinație cu alte legi ale fizicii, cele două postulate ale relativității speciale prezic echivalența dintre masă și energie, exprimată în formula de echivalență a energiei de masă E = mc², unde c este viteza luminii în vid.

Postulatele teoriei relativității speciale

"Reflecțiile de acest tip mi-au fost clare cu mult timp în urmă, la puțin timp după 1900, și anume, la scurt timp după lucrarea lui Planck, că nici mecanica, nici electrodinamica nu puteau (cu excepția cazurilor limitative) să pretindă valabilitatea exactă. Treptat am analizat posibilitatea de a descoperi legile adevărate prin eforturi constructive bazate pe fapte