Основні постулати спеціальної теорії відносності. Основні положення спеціальної теорії відносності

Навколишній світнаповнений мільйонами різноманітних відтінків. Завдяки властивостям світла кожен предмет та об'єкт навколо нас має певний колір, що сприймається людським зором. Вивчення світлових хвиль та його характеристик дозволило людям глибше поглянути на природу світла та явища, пов'язані з ним. Сьогодні поговоримо про дисперсію.

Природа світла

З фізичної точки зору світло є поєднанням електромагнітних хвильз різними значеннямидовжини та частоти. Око людини сприймає не будь-яке світло, а тільки те, довжина хвиль якого коливається від 380 до 760 нм. Інші різновиди залишаються для нас невидимими. До них, наприклад, відносяться інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.Знаменитий вчений Ісаак Ньютонуявляв світло як спрямований потік самих дрібних частинок. І лише пізніше було доведено, що він за своєю природою є хвилею. Проте Ньютон все ж таки був частково правий. Справа в тому, що світло має не тільки хвильові, а й корпускулярні властивості. Це підтверджується всім відомим явищемфотоефекту. Виходить, що світловий потікмає подвійну природу.

Колірний спектр

Біле світло, доступне для людського зору, - це сукупність кількох хвиль, кожна з яких характеризується певною частотою і власною енергією фотонів. Відповідно до цього його можна розкласти на хвилі різного кольору. Кожна з них має назву монохроматичної, а певному кольору відповідає свій діапазон довжини, частоти хвиль та енергії фотонів. Іншими словами, енергія, що випромінюється речовиною (або поглинається), розподіляється за вищеназваними показниками. Це пояснює існування світлового спектра. Наприклад, зелений колірспектра відповідає частоті, яка знаходиться в діапазоні від 530 до 600 ТГц, а фіолетовий - від 680 до 790 ТГц.

Кожен із нас колись бачив, як переливаються промені на гранованих виробах зі скла або, наприклад, на діамантах. Спостерігати це можна завдяки такому явищу, як дисперсія світла. Це ефект, що відбиває залежність показника заломлення предмета (речовини, середовища) від довжини (частоти) світлової хвилі, яка проходить через цей предмет. Наслідком такої залежності є розкладання променя на колірний спектр, наприклад, під час проходження через призму. Дисперсія світла виражається такою рівністю:

де n – показник заломлення, ƛ – частота, а ƒ – довжина хвилі. Показник заломлення збільшується зі зростанням частоти та зменшенням довжини хвилі. Дисперсію ми нерідко спостерігаємо у природі. Найкрасивішим її проявом є веселка, яка утворюється завдяки розсіюванню. сонячних променівпри проходженні через численні краплі дощу.

Перші кроки на шляху до відкриття дисперсії

Як було сказано вище, світловий потік при проходженні через призму розкладається на колірний спектр, який Ісаак Ньютон досить детально вивчив свого часу. Результатом його досліджень стало відкриття явища дисперсії у 1672 році. Науковий інтересдо властивостей світла виник ще до нашої ери. Знаменитий Аристотель уже тоді помітив, що сонячне світломоже мати різні відтінки. Вчений стверджував, що характер кольору залежить від «кількості темряви», яка є у білому світі. Якщо її багато, то виникає Фіолетовий коліра якщо мало, то червоний. Великий мислительтакож говорив, що основним кольором світлових променів є білий.

Дослідження попередників Ньютона

Арістотелівську теорію взаємодії темряви та світла не спростували і вчені 16-17 століть. І чеський дослідник Марці, і англійський фізик Харіот незалежно один від одного проводили досліди із призмою і були твердо впевнені в тому, що причиною появи різних відтінків спектру є саме змішування світлового потокуз темнотою під час проходження його через призму. На перший погляд, висновки вчених можна було б назвати логічними. Але їхні експерименти були досить поверхневими, і вони не змогли підкріпити їх додатковими дослідженнями. Так було, доки за справу не взявся Ісаак Ньютон.

Відкриття Ньютона

Завдяки допитливому розуму цього видатного вченого було доведено, що білий світне є основним, і що інші кольори виникають зовсім не внаслідок взаємодії світла та темряви у різних співвідношеннях. Ньютон спростував ці переконання і показав, що біле світло є складовим за своєю структурою, його утворюють усі кольори світлового спектра, які називають монохроматичними. В результаті проходження світлового пучка через призму різноманітність кольорів утворюється через розкладання білого світла на його хвильові потоки. Такі хвилі з різною частотоюі довжиною заломлюються серед по-різному, утворюючи певний колір. Ньютон поставив досліди, які досі використовуються у фізиці. Наприклад, експерименти зі схрещеними призмами, з використанням двох призм та дзеркала, а також пропускання світла через призми та перфорований екран. Тепер нам відомо, що розкладання світла на колірний спектр відбувається внаслідок різної швидкостіпроходження хвиль з різною довжиною та частотою крізь прозору речовину. В результаті одні хвилі виходять із призми раніше, інші – трохи пізніше, треті – ще пізніше і таке інше. Так і відбувається розкладання світлового потоку.

Аномальна дисперсія

Надалі вчені-фізики позаминулого століття зробили чергове відкриття дисперсії. Француз Леру виявив, що у деяких середовищах (зокрема, у парах йоду) залежність, що виражає явище дисперсії, порушується. За вивчення цього питання взявся фізик Кундт, який жив у Німеччині. Для свого дослідження він запозичив один із методів Ньютона, а саме досвід із використанням двох схрещених призм. Різниця полягала лише в тому, що замість однієї з них Кундт застосовував призматичну посудину з розчином ціаніну. Виявилося, що показник заломлення при проходженні світла через такі призми збільшується, а не зменшується, як це відбувалося в експериментах Ньютона із звичайними призмами. Німецький вчений з'ясував, що цей парадокс спостерігається внаслідок такого явища як поглинання світла речовиною. В описаному досвіді Кундта поглинаючим середовищем виступав розчин ціаніну, а дисперсія світла для таких випадків була названа аномальною. У сучасної фізикитакий термін практично не використовують. На сьогоднішній день відкриту Ньютономнормальну та виявлену пізніше аномальну дисперсію розглядають як два явища, що належать до одного вчення і мають спільну природу.

Низькодисперсні лінзи

У фототехніці дисперсія світла вважається небажаним явищем. Вона стає причиною так званої хроматичної аберації,коли на зображеннях з'являється спотворення кольорів. Відтінки фотографії при цьому не відповідають відтінкам об'єкта, що знімається. Особливо неприємним такий ефект стає для фотографів-професіоналів. Через дисперсію на фотознімках не тільки відбувається спотворення кольорів, а й нерідко спостерігається розмиття країв або, навпаки, поява надмірно окресленої облямівки. Світові виробники фототехніки справляються з наслідками такого оптичного явищаза допомогою спеціально розроблених низькодисперсних лінз. Скло, з якого вони виробляються, має чудову властивість однаково заломлювати хвилі з різними значеннями довжини і частоти. Об'єктиви, в яких встановлюються лінзи низькодисперсні, називаються ахроматами.

Зробимо досвід. На шляху променя червоного світла поставимо скляну трикутну призму. При проходженні через неї промінь переломиться. Візьмемо тепер замість червоного фіолетового променя. Пустивши його тим же шляхом, зауважимо, що він заломлюється сильніше червоного.

Замінимо скляну призму на таку ж за розмірами, але виготовлену із кристала солі або кварцу. Повторимо досвід із променями. Вони будуть відхилятися більше або менше, але фіолетовий промінь завжди буде переломлюватися сильніше за червоний.

Досвід можна повторювати багаторазово, використовуючи промені та інші кольори. Однак висновок з дослідів буде одним: показник заломлення будь-якої речовини залежить від кольору променя, що заломлюється. Це явище отримало назву дисперсії світла.

Продовжимо досліди. Направимо на призму білий промінь. Ми виявимо відразу два дивовижні явища: тонкий промінь перетвориться на пучок, що розширюється, і біле світло перетвориться на різнокольоровий! Помістивши на його шляху екран, ми отримаємо смужку райдужного кольору. суцільний спектр.

Звідки ж з'явилися різнокольорові промені? Може, призма має здатність забарвлювати біле світло у райдужні кольори? Придивимося до малюнка уважніше. Червоно-жовтогаряча частина спектру розташована там же, куди відхилився червоний промінь у першому досвіді. А синьо-фіолетова частина спектру розташована там, куди відхилився фіолетовий промінь у цьому ж досвіді. Отже, біле світло не забарвлюється призмою, а поділяється нею на складові – кольорові промені. Таким чином, біле світло – складне світло.

Ви сидите обличчям по ходу руху зорельота і дивіться на лампочку, що знаходиться в його носовій частині. Світло від лампочки, не звертаючи уваги її рух, переміщається щодо зірок зі швидкістю З = 300 000 км/с. Ви рухаєтеся назустріч світлу зі швидкістю , отже, щодо вас світло повинен мати швидкість

Ви вимірюєте цю швидкість, зіставляєте її з відомим значеннямС і приходьте до висновку, що рухаєтеся зі швидкістю 50 000 км/с, таким чином, електромагнітні явищаначебто дозволяють відрізнити спокій від рівномірного прямолінійного руху. Тобто виходить парадокс: з одного боку швидкість світла 300 000 км/с має залежати від цього, рухається чи спочиває джерело світла, з іншого боку, відповідно до класичного закону складання швидкостей, вона має залежати від вибору системи відліку.

Виходи пропонувалися різні, одна з думок, прихильником, якого був Лоренц, свідчило: інерційні системи відліку, рівноправні в механічних явищах, є рівноправними у законах електродинаміки.

Тобто в електродинаміці існує якась привілейована, головна абсолютна система відліку, яку вчені пов'язували з так званим ефіром.

Перевірити справедливість наявності системи відліку, пов'язаної з ефіром, і наявність цього ефіру спробували американські вчені Майкельсон і Морлі. Вони перевіряли, чи існує так звана абсолютна система відліку, пов'язана з ефіром, і всі інші системи відліку, що рухаються щодо неї, тобто так званий ефірний вітер, які могли впливати на величину швидкості світла. І, як ви щойно переконалися, жодного ефірного вітру не існує. Фізика на той час зіткнулася з нерозв'язним парадоксом: що справедливо - класична механіка, електродинаміка Максвелла чи щось інше.

На момент публікації своєї роботи Альберт Ейнштейн не був визнаним світовим ученим, ідеї, які він висловив, здавалися настільки революційними, що спочатку вони практично не мали прихильників. Проте величезна кількість експериментів та вимірювань, які були проведені після цього, показали справедливість погляду Альберта Ейнштейна.

Сформулюємо ще раз проблеми, з якими зіткнулася фізика того часу та поговоримо про ті рішення, які запропонував Ейнштейн.

Не можна виявити привілейовану систему відліку, пов'язану з нерухомим світовим ефіром.

Значить, її зовсім немає, немає цієї привілейованої абсолютної системи відліку? Альберт Ейнштейн розширив дію принципу Галілея в механіці на всю фізику, і так вийшов принцип відносності Ейнштейна: всяке фізичне явищепри тих самих початкових умовахпротікає однаково в будь-якій інерційної системивідліку.

Тобто, не всяке механічне явище, а будь-яке фізичне явище.

Наступна складність: електродинаміка суперечить механіці у цьому, що рівняння Максвелла не інваріантні щодо перетворень Галілея, тобто це якраз та труднощі, що з швидкістю світла.

Може, Максвелл неправий? Нічого подібного, електродинаміка Максвелла цілком справедлива. Отже, всі інші галузі фізики несправедливі, неправильні перетворення Галілея, які пов'язують ці частини фізики? Адже з них випливає класичний закон складання швидкостей, який ми використовуємо при вирішенні завдань, таких як: поїзд їде зі швидкістю 40 км/год, а пасажир іде вагоном зі швидкістю 5 км/год і щодо спостерігача на землі, цей пасажир рухатиметься з швидкістю 45 км/год (рис. 2).

Рис. 2. Приклад класичного складання швидкостей ()

Ейнштейн фактично заявляє: якщо перетворення Галілея несправедливі, то цей закон складання швидкостей несправедливий. Повний злам засад, абсолютно очевидний життєвий приклад, абсолютно очевидний життєвий закон виявляється несправедливим, у чому тут проблема? Проблема глибоко всередині тих основ класичної механіки, які закладалися ще Ньютоном Виявляється, що Головна проблемакласичної механіки у тому, що передбачається, що це взаємодії рамках механіки поширюються миттєво. Розглянемо, наприклад, гравітаційне тяжіннятел.

Якщо змістити одне з тіл убік, то згідно із законом всесвітнього тяжіння, друге тіло відчує цей факт миттєво, як тільки зміниться відстань від нього до першого тіла, тобто взаємодія передається з біс кінцевою швидкістю. Насправді механізм взаємодії полягає в наступному: зміна положення першого тіла змінює гравітаційне поле навколо нього. Ця зміна поля починає бігти з якоюсь швидкістю в усі точки простору, і коли досягає точки, в якій знаходиться друге тіло, відповідним чином змінюється і взаємодія першого і другого тіл. Тобто швидкість поширення взаємодії має якусь кінцеву величину. Але якщо взаємодії передаються з якоюсь кінцевою швидкістю, значить, у природі має існувати якась гранично допустима швидкість поширення цих взаємодій, максимальна швидкість, з якою взаємодія може передаватися. Про це говорить другий постулат, який відводить виняткову роль швидкості світла, принцип інваріантності швидкості світла: у кожній інерційній системі відліку світло рухається у вакуумі з тією самою швидкістю. Величина цієї швидкості залежить від того, спочиває чи рухається джерело світла .

Таким чином, описаний вище приклад з лампочкою в зорельоті насправді нам провести не вдасться, це суперечитиме цьому постулату теорії Ейнштейна. Швидкість світла щодо спостерігача в зорельоті дорівнюватиме С, а не С +V, як ми говорили до цього, і спостерігач не зможе помітити факт руху зорельота. Класичний закон складання швидкостей щодо швидкості світла не працює, як це не дивно для нас, але швидкість світла для спостерігача на Землі і для космонавта буде абсолютно однаковою і дорівнює 300 000 км/с. Саме це положення лежить в основі теорії відносності і було успішно доведено величезною кількістюекспериментів.

Механіка, яка була побудована на підставі цих двох постулатів, має назву релятивістської механіки (від англійської relativity – «відносність»). Може здатися, що релятивістська механіка скасовує класичну механіку Ньютона, оскільки в її основі лежать інші постулати, але річ у тому, що класична механіка Ньютона - це окремий випадокрелятивістської механіки Ейнштейна, який проявляється при швидкостях, значно менших, ніж швидкість світла. У навколишньому світі ми і живемо в таких швидкостях, швидкості, з якими ми стикаємося, набагато менше швидкості світла. Тому для опису нашого життя достатньо класичної механіки Ньютона.

Для невеликих швидкостей, значно менших за швидкість світла, ми цілком успішно користуємося класичною механікою, якщо ж ми працюємо зі швидкостями, близькими до швидкості світла, або хочемо великої точностів описі явищ - ми маємо користуватися спеціальною теорією відносності, тобто релятивістською механікою.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика ( базовий рівень) – К.: Мнемозіна, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. – К.: Мнемозіна, 2014.
3. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика - 9, Москва, Просвітництво, 1990.

1. Pppa.ru ().
2. Sfiz.ru ().
3. Eduspb.com ().

Домашнє завдання

1. Дати визначення принципу відносності Ейнштейна.
2. Дати визначення принципу відносності Галілея.
3. Дати визначення принципу інваріантності Ейнштейна.