Экспериментальные обоснования СТО. Опыт Майкельсона

Основные представления классической механики:

1) Пространства подчиняются эвклидовой геометрии

2) Существуют трехмерные пространства и независимое от него время

3) Размеры тел и промежутки времени постоянны в различных системах отсчета

4) Существуют инерциальные системы, в которых выполняются законы Ньютона

5) Работают преобразования Галилея

6) Все законы механики инварианты относительно преобразований Галилея

7) Взаимодействия между телами распространяется мгновенно

Опыт Майкельсона — физический опыт, поставленный Майкельсоном в 1881 году, с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмно-распределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям. Результат эксперимента был отрицательный — скорость света никак не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости. Позже, в 1887 году Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли и показавший тот же результат. В 1958 годубыл проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров, показавший неизменность частоты от движения Земли. Опыт Майкельсона является эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО).

Постулаты Эйнштейна в СТО. Синхронизация часов.

1) Все физические явления протекают одинаковым образом во всех потенциальных системах отсчета. Все законы природы и уравнения, которые их описывают, - инвариантны, то есть не меняются при переходе из одной инерциальной системы отсчета к другой.

2) Скорость света в вакууме не зависит от движения источника и одинакова во всех направлениях.

Все инерциальные системы отсчета эквиваленты по своим физическим свойствам.

Синхронизация часов: физической реальностью обладает не точка пространства и не момент времени, а некоторое событие, которое происходит в конкретной системе отсчета, то есть необходимо для каждой системы отсчета указать место и время.

События, происходящие одновременно в одной системе отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета. В системе К-штрих свет достигает краев вагона одновременно. В системе К свет также распространяется со скоростью с, но тело (вагон) передвинулся, следовательно, левой стенки свет достигает скорее.

Замедление времени.

Под релятивистским замедлением времени обычно подразумевают кинематический эффект специальной теории относительности, заключающийся в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее, чем следовало бы для неподвижного тела по отсчётам времени неподвижной (лабораторной) системы отсчёта.

Релятивистское замедление времени проявляется, например, при наблюдении коротко живущих элементарных частиц, образующихся в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и успевающих благодаря ему достичь поверхности Земли.

Данный эффект, наряду с гравитационным замедлением времени учитывается в спутниковых системах навигации, например, в GPS ход времени часов спутников скорректирован на разницу с поверхностью Земли, составляющую суммарно 38 микросекунд в день.

В качестве иллюстрации релятивистского замедления времени часто приводится парадокс близнецов.

 – интервал времени в неподвижной системе координат

- интервал времени в подвижной системе координат

Сокращения Лоренца

Лоренцево сокращение, Фицджеральдово сокращение, также называемое релятивистским сокращение длины движущегося тела или масштаба — предсказываемый релятивистской кинематикой эффект, заключающийся в том, что с точки зрения наблюдателя, движущиеся относительно него предметы имеют меньшую длину (линейные размеры в направлении движения), чем их собственная длина. Множитель, выражающий кажущееся сжатие размеров, тем сильнее отличается от 1, чем больше скорость движения предмета.

Эффект значим, только если скорость предмета по отношению к наблюдателю сравнима со скоростью света.

Пусть стержень покоится в инерциальной системе отсчёта K и расстояние между концами стержня, измеренное в К («собственная» длина стержня), равно l. Пусть далее стержень движется вдоль своей длины со скоростью v относительно некой другой (инерциальной) системы отсчёта K'. В таком случае расстояние l' между концами стержня, измеренное в системе отсчета K', составит

, где c — скорость света.

{\displaystyle l'={\sqrt {1-(v/c)^{2}}}\ l}Длина l0 – это длина, которая находится в системе координат с наблюдателем и часами. Сокращения Лоренца – это исключительно кинематический эффект.