Эйнштейн постулаттары

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 9 бет
Таңдаулыға:

Кіріспе

Егер санақ жүйелері бір-бірімен салыстырғанда түзу сызықтың бойымен бірқалыпты қозғалса және олардың біреуінде Ньютонның динамика заңдары орындалатын болса, онда бұл жүйелер инерциалдық санық жүйелері болып табылады. Барлық инерциалдық санақ жүйелерінде классикалық динамика заңдары бірдей формада болады, салыстырмалы принципінің негізі осында (Галилейдің салыстырмалы принципі) . Дәлелдеу үшін 2 санақ жүйесін қарастырайық: қозғалмайтын инерциалдық жүйе К (координаттары х, у, z) және К жүйесіне қатысты түзу сызықтың бойымен бірқалыпты ( ) жылдамдықпен қозғалатын жүйесі. Бастапқы мезетте екі жүйенің координаталарының бастары дәлме-дәл келіп тұрған болсын. Ендi мынадай заңды сұрақ туындылайды: салыстырмалылық принципi тек механикалық процесстер үшiн ғана орынды ма, жоқ әлде басқа құбылыстар үшiн де орындала ма? Басқаша айтқанда, мысалы, электромагниттiк құбылыстар әртүрлi инерциалды санақ жүйелерiнде бiрдей өте ме? Бұл сұрақтың жауабы бiз ойлағандай тым оңай емес. Бұл жердегi негiзгi мәселе жарық жылдамдығымен байланысты.

1. Салыстырмалылық теориясы

Салыстырмалылық теориясы бастамасы салыстырмалылық принципінде негізделеді.

Кеңістіктің иілуі

Ұғымды 1906 жылы Макс Планк енгізген.

XX ғасырдың басында салыстырмалық принципі оптика мен физикаға

және физикалық басқа салаларына қатысты екендігі белгілі болды. Салыстырмалық принципі өзінің мәнін кеңейтіп, мынадай анықтамаға ие болды: оқшауланған материалдық жүйеде кез келген процесс бірдей жүреді, және ол жүйе бір қалыпты түзу сызықты қозғалыс жағдайында болуы керек. Немесе физиканың заңдары барлық инертті жүйелерде бірдей формаға ие. Бір инертті жүйеден келесіге ауысу Лоренц қайта өзгертулері арқылы жүзеге асырылады. Бірақ жарық жылдамдығы түрақтылығы туралы мәліметтер қайтадан жаңа түсініктерді қажет ететін мәселелерге әкеліп тіреді. 1904 жылы X. Лоренц қозғалыстағы дене өзінің қозғалыс бағыты бойынша қысқаратындығын және әртүрлі жүйелерде байқалатын уақыт аралықтары өлшенетінін айтты. Бірақ, келесі жылы А. Эйнштейн Лоренц қайта қүруларындағы байқалатын уақытты нақты уақыт ретінде қарастырды.

Жалпы салыстырмалылық теориясында кеңістік- уақыт қатынастарының материалдық процестерге қатысының жаңа жақтары ашылды. Жалпы салыстырмалылық теориясы инерциялық және гра-витациялық массалардың эквиваленттік принципінен шығады. Атап айтқанда, массалардың эквиваленттік принципінің негізінде салыстырмалылық принципі қалыптасты, ол жалпы салыстырмалылық теориясында табиғат заңдарының инварианттылығын бекітті.

Салыстырмалылық теориясы кеңістіктің ауырлық күшінің әсерінен майысатындығын және уақыт барысының күшті гравитациялық өрістерде баяулайтынын анықтады. Жалпы салыстырмалылық теориясының фантастикалық болжам-дарының бірі - өте күшті тартылыс өрісінде уақыттың толық тоқтайтындығы туралы. Тартылыс күші артқан сайын уақыттың баяу-лауы да күшейе түседі. Уақыттың баяулауы жарықтың гравитациялық қызыл орын ауыстыруы арқылы байқалады да, толқындар үзындығы артқан сайын оның жиілігі азая береді. Белгілі бір жағдайда толқын үзындығы шексіздікке, ал жиілігі нөлге үмтылады. Салыстырмалылық теориясы уақыт пен кеңістіктің бірлігін көрсетті, кеңістік-уақыттық төртөлшемдік контимуум туралы түсінік қалыптасты. Салыстырмалылық теориясы масса мен энергияны қатынасымен байланыстырды, мұнда С - жарық жылдамдығы.

2. Эйнштейн постулаттары

Эйнштейн постулаттары - XX ғасырдың басында белгілі болған тәжірибелік және теориялық материалдарды терең талдау Энштейнді классикалық физиканың негізгі қағидаларын, оның ішінде ең алдымен, кеңістік пен уақыттың қасиеттері жайлы көзқарастарды қайта қарауға әкеп тіреді. Осының нәтижесінде ол классикалық физиканың логикалық аяқтамасы болып табылатын арнаулы салыстырмалық теориясын жасады. Бұл теория классикалық механиканың кеңістіктің евклидтілігі және Галилей- Ньютонның инерция заңы тәрізді қағидаларын өзгеріссіз қабылдайды. Ал қатты денелердің мөлшермен уақыт аралықтарының түрлі санақ жүйелерінде өзгеріссіз қалады деген қорытындыларына келсек, бұл жерде Эйнштейн олардың баяу қозғалыстарда зерттеу кезінде пайда болғандығына және сондықтан оларды үлкен жылдамдықтар обылысына таратудың заңсыз болып табылатындығына назар аударды. Тек тәжірибе ғана олардың шын қасиеттерінің қандай екендігіне жауап бере алады. Галилейдің түрлендірулеріне және алыстан әсерлесу принципіне қатысты да осыны айтуға болады.

Арнаулы салыстырмалылық теориясының басты қағидалары ретінде Эйнштейн екі постулаты, принципті алды, оларды тұтастай тәжірибелік деректерге (оның ішінде бірінші кезекте Майкельсон тәжірибесі) :

1) Салыстрымалық принципі 2) жарық жылдамдығының жарық көзінің жылдамдығына тәуелсіздігі.

Бірінші постулат

'Галилейдің салыстырмалық принципі кез келген физикалық процестерге жалпылау болып табылады: барлық физикалық құбылыстар ьарлық инерциалық санақ жүйелерінде бірдей өтеді: табиғаттың барлық заңдары және оларды сипаттайтын теңдеулер инвариантты болады, яғни олар бір инерциалдық санақ жүйесінен екіншісіне өткен кезде өзгеріссіз қалады. Басқаша айтқанда, барлық инерциалдық санақ жүйелері өзлерінің физикалық қасиеттері бойынша эквивалентті (бір- бірінен ажырытылмайды) ; тәжірибенің көмегімен олардың біреуін қалғандарының ішінен бөліп қарауға болмайды.

Екінші постулат

Жарық жылдамдығы вакуумде жарық көзінің қозғалысына тәуелсіз және барлық бағыттарда да бірдей болады деген тоқтам болып табылады. Бұл дегеніміз, жарық жылдамдығы вакуумде барлық санақ жүйелерінде бірдей болады дегенді білдіреді. Сонымен, жарық жылдамдығы табиғатта ерекше орын алады екен. Бір санақ жүйесінен екіншісіне өткенде өзгеріп отыратын барлық жылдамдықтардай емес, жарық жылдамдығы бостықта инвариантты шама болып табылады. Мұндай жылдамдықтың болуының кеңістік пен уақыт жайлы көзқарастарды түпкілікті өзгеретіндігін алда көреміз. Эйнштейннің постулаттарынан сонымен қатар вакуумдегі жарық жылдамдығының шектік болып табылатындығы да шығады: ешқандай сигнал, бір дененің екінші денеге ешқандай әсері вакуумдегі жарық жылдамдығынан артық жылдамдықпен тарала алмайды. Осы жылдамдықпен, шектілік сипаты жарық жылдамдығының барлық санақ жүйелерінде бірдей болатындығын түсіндіреді. Шынында да, салыстырмалық принципі бойынша табиғат заңдары барлық инерциалық санақ жүйелерінде бірдей болу керек. Кез келген сигналдың жылдамдығының шектік міннен артық бола алмайтындығы табиғат заңы болып табылады. Демек, жылдамдықтың шектік- жарықтың вакуумдегі жылдамдығының - мәні де барлық инерциалдық санақ жүйелерінде бірдей болу керек. Сонымен, Эйнштейн постулаттары бойынша табиғаттағы денелер қозғалысының барлық мүмкін жылдамдықтарының және өзара әрекеттесулердің таралуларының мәні с шамасымен шектелген екен. Осы арқылы классикалық механиканың алыстан әсерлесу принципі тұғырдан түсті.

3. Лоренц түрлендірулері

Бір инерциялық жүйеден екіншіге өткенде материалдық нүктенің координаталарын сипаттайтын Галилейдің классикалық түрлендірулерінің жарамсыздығын, оны жоғарыдағы постулаттарды қанағаттандыратындай етіп ауыстыру керектігін Эйнштейн болжады. Бұл түрлендірудің мәні: барлық санақ жүйелерінде жылдамдығы бірдей болмайды.

Эйнштейн постулаттарын қанағаттандыратын түрлендіруді нидерландия физигі Хендрик Антон Лоренц (1853-1928) жасады:

http://lib.kstu.kz:8300/tb/books/2015/Fizika/Kopbalina%20i%20dr/teory/c4.files/image002.gif

http://lib.kstu.kz:8300/tb/books/2015/Fizika/Kopbalina%20i%20dr/teory/c4.files/image004.gif

мұнда және S инерциялық санақ жүйелерінің бір-біріне қатысты жылдамдығы, -жарықтың вакуумдағы жылдамдығы

Лоренц түрлендірулерінен мынадай қорытынды туады:

Соңғы формуладан уақыттың да басқа координаттар сияқты түрленетіндігін көреміз. Ал ол уақыттың салыстырмалы екендігін, уақыттың санақ жүйесіне ғана емес, сонымен бірге координатқа тәуелділігін дәлелдейді. Бұл формуладан уақыт төртінші координаттың рөлін атқаруда, олай болса жаңа теория бойынша кеңістік пен уақыттың бір-бірінсіз қарастырылмайтындығын көреміз. Ньютон механикасында кеңістік пен уақыт бір-біріне тәуелсіз деп қарастырылады. Егер болса (яғни жүйелер жарық жылдамдығынан кем жылдамдықпен қозғалса), онда Лоренц түрлендіруінен Галилей түрлендіруі шығады. Бұл сәйкестік принципінің негізі. Бұдан Галилей түрлендірулері де Ньютон механикасы сияқты аз жылдамдықпен ғана қозғалатын денелер мен санақ жүйелері үшін орындалады деген қорытынды туады. Ал Лоренц түрлендірулері кез келген жылдамдықпен қозғалған (өте аз, өте үлкен жылдамдық) денелер және санақ жүйелері үшін қолданыла береді, әрі уақыт пен кеңістік бұл түрлендіру бойынша абсалют емес, кеңістік төрт өлшемді (төртіншісі уақыт) . Галилей, Ньютонша кеңістік үш өлшемді еді.

4. Жылдамдықты қосудың релятивистiк заңы

Әдетте арнайы салыстырмалы теория түсiндiретiн құбылыстарды релятивистiк құбылыстар (relativus - латынша салыстырмалы дегендi бiлдiредi) деп атайды. Арнаулы салыстырмалы теориядағы жарықтың жылдамдығының тұрақтылығы жөнiндегi постулат жылдамдықтарды қосудың классикалық заңына түбегейлi қарама-қайшы. Сондықтан, релятивистiк физикадағы жылдамдықтарды қосудың заңы классикалық физикадағыдан өзгеше болуы тиiс. Егер дене К′ санақ жүйесiнде х осiнiң бағытымен v′ жылдамдықпен, ал К′ санақ жүйесiнiң өзi К санақ жүйесiне қатысты осы х осiнiң бағытымен V жылдамдықпен қозғалып бара жатса, онда дененiң К санақ жүйесiне қатысты жылдамдығы мына өрнекпен анықталады:

$C:\Program Files\Phisics\11kaz\i\f5_14.gif$

Бұл өрнек жылдамдықтарды қосудың релятивистiк заңы деп аталады. Бұл жерде бұл заңды бiз тек х осiнiң бағытында болатын қозғалыстар үшiн ғана жаздық. Әрине, кез-келген бағыттағы болатын қозғалыстар үшiн жазылған өрнекке қарағанда күрделiрек болады, бiрақ оның классикалық заңнан өзгешелiгiнiң мәнi сол күйiнде қалады.

Классикалық физикаға сәйкес келетiн v<<с шектiк жағдайында жылдамдықтарды қосудың релятивистiк заңы өзiмiзге бұрыннан белгiлi классикалық заңға алмасады. Жылдамдықтарды қосудың бұл релятивистiк заңы жарық жылдамдығының тұрақтылығы жөнiндегi принциппен үйлесiмдi. Жоғарыдағы (өрнегiнен v′ және V жылдамдықтарының жарық жылдамдығынан үлкен болмайтын кез-келген мәнiнде бұл жылдамдықтар қосылғанымен К санақ жүйесiндегi v жылдамдығының мәнi жарық жылдамдығынан ешқашан үлкен болмайтыны көрiнiп тұр.

5. Массаның жылдамдықтан тәуелдiлiгi

Егер денеге ұзақ уақыт тұрақты күш әсер ететiн болса, онда классикалық физикадағы Ньютон заңдарына сәйкес оның жылдамдығы шексiз өсуi тиiс. Ал релятивистiк физика тұрғысынан қарағанда жарық жылдамдығы мүмкiн болатын ең үлкен, шектiк жылдамдық. Кез-келген массасы нөлден ерекше болатын дененiң жылдамдығы жарықтың жылдамдығынан үлкен бола алмайды. Бұл қарама-қайшылық классиклық физикадағы қозғалыс теңдеуiне өзгерiс енгiзу қажет екендiгiн көрсетедi. Бiрақ бiр ерекшелiгi сол, қозғалыс теңдеуi релятивистiк жағдайда өзiнiң түрiн өзгертпейдi екен, яғни

$C:\Program Files\Phisics\11kaz\i\f5_15.gif$

Өзгерiс тек импульстiң $C:\Program Files\Phisics\11kaz\i\f5_16.gif$ өрнегiне кiрiп тұрған массаға ғана қатысты болады. Релятивистiк физикада дене қозғалған кезде масса тұрақты болып қалмайды. Жылдамдық артқан кезде ол да артады. Оның жылдамдықтан тәуелдiлiгiнiң өрнегiн релятивистiк физикадағы импульстiң сақталу заңынан шығарып алуға болады. Бұл тәуелдiлiк мынадай