Некоторые парадоксы теории относительности

Категория реферата: Рефераты по физике
Теги реферата: бесплатно рассказы, курсовики скачать бесплатно
Добавил(а) на сайт: Борислав.

Примененные нами соображения размерности для выбора константы ( не вполне, однако, однозначны, т.к. вместо соотношения (j) с таким же правом можно было бы выбрать [pic](k)

Оказывается, однако, что совпадающие с опытом уравнения механики (i) могут быть получены лишь как следствия преобразований Лоренца и не могут быть совмещены с преобразованиями, получающимися из допущения (k).
Действительно, известно, что уравнения механики, опирающимися на преобразования Лоренца, являются уравнения Минковского, согласно которым масса увеличивается со скоростью по формуле
[pic]. Если же в качестве преобразований координат выбрать [pic], то соответствующие уравнения Минковского дадут убывающую со скоростью массу m, что противоречит опыту.

Итак, не обращаясь к постулату о постоянстве скорости света в пустоте, не ссылаясь на электродинамику и не используя свойств световых сигналов для определения одновременности, мы вывели преобразования Лоренца, используя лишь представление об однородности и изотропности пространства и времени, принцип относительности и формулу зависимости массы от скорости.

Обычно, следуя пути, намеченному еще в первой работе Эйнштейна, вместо формулы зависимости массы от скорости используют постулат о постоянстве скорости света в пустоте. Согласно этому постулату при переходе от системы[pic]к системе[pic]должно оставаться инвариантным уравнение
[pic], описывающее фронт световой волны, распространяющейся из начала координатной системы [pic]. Легко убедиться в том, что уравнение [pic] после подстановки формул преобразования (k) не изменяет своего вида, т.е. это уравнение переходит в предыдущее, лишь в том случае, если [pic].

Мы применили иной вывод, не использующий постулат о постоянстве скорости света, с тем, чтобы показать, что преобразования Лоренца могут быть получены независимо от способа сигнализации, избранного для синхронизации часов, измеряющих время. Физики могли бы вообще ничего не знать о скорости света и о законах электродинамики, однако могли бы получить преобразования Лоренца, анализирую факт зависимости массы от скорости и исходя из механического принципа относительности.

Таким образом, преобразования Лоренца выражают общие свойства пространства и времени для любых физических процессов. Эти преобразования, как это выяснилось в процессе доказательства, составляют непрерывную группу, называемую группой Лоренца. В этом факте, в наиболее общем виде отображаются свойства пространства и времени, раскрытые теорией относительности.

Изображение преобразований Лоренца на плоскости Минковского.

Первыми наиболее поражающими следствиями преобразований Лоренца являются: сокращение движущихся масштабов в направлении движения и замедление хода движущихся часов. С точки зрения повседневных представлений о пространстве и времени эти следствия кажутся парадоксальными.

Исчерпывающее, но всегда кажущееся несколько формальным, разъяснение этих кинематических явлений дается на плоскости x, ct, если в соответствии с правилами четырехмерной геометрии Минковского изобразить на ней сетку координат "неподвижной" и сетку координат "движущейся" системы.

Преобразования Лоренца оставляют инвариантным (неизменным) интервал
[pic]между любыми двумя событиями, определяемый согласно (a), как в этом легко убедиться подстановкой в (l) в (b).

Совмещая первое событие с моментом t=0 и началом отсчета системы
[pic]и вводя симметричные обозначения координат и времени [pic] интервал между вторым и первым событием можно написать в виде [pic](o) Четырехмерная геометрия, определяемая инвариантностью интервала этого уравнения, качественно отличается от обычной евклидовой геометрии, определяемой инвариантностью расстояния, т.е. [pic](m) или от простого четырехмерного обобщения геометрии, где инвариантом считается [pic](n) В евклидовых геометриях, определяемых (m) или (n), квадрат "расстояния" всегда положителен, и, следовательно, "расстояние" является действительной величиной. Но в четырехмерной геометрии, определяемой интервалом (о), являющимся аналогом "расстояния", квадрат интервала может быть положителен, отрицателен или равным нулю. Соответственно, в этой псевдоевклидовой геометрии интервал может быть действительной или мнимой величиной. В частном случае он может быть равен нулю для несовпадающих событий.

Иногда кажется, что качественное различие между четырехмерной евклидовой геометрией и четырехмерной псевдоевклидовой геометрией стирается, если, воспользовавшись предложением Минковского, считать время пропорциональным некоторой мнимой четвертой координате, т.е. положить [pic]

В этом случае квадрат интервала запишется как [pic] т.е. с точностью до знака совпадает с (n). Однако в силу мнимости [pic]это выражение, так же как и (o), может иметь различные знаки и, таким образом, качественно отличается от (n).

В силу инвариантности интервала качественное различие связи между событиями не зависит от выбора системы отсчета, и действительный, или времениподобный, интервал ([pic]) остается действительным во всех системах отсчета, мнимый же, или пространственноподобный, интервал ([pic]) также остается мнимым во всех системах отсчета.

Все эти особенности псевдоевклидовой геометрии могут наглядно проиллюстрированы на плоскости Минковского [pic].

Отрезками 0a и 0b на этой плоскости изображены соответственно единичные масштабы временной оси [pic] и пространственной оси [pic]. Кривая, выходящая вправо из точки a, является гиперболой, описываемой уравнением
[pic] а кривая, выходящая вверх из точки b, является гиперболой, описываемой уравнением [pic]

[pic]
Таким образом, точка начала координат и все точки, лежащие на гиперболе, выходящей из точки a, разделены единичным времениподобным интервалом. Точки же, лежащие на гиперболе, выходящей из точки b, отделены от начала координат пространственноподобным интервалом.

Пунктирная линия, выходящая параллельно оси [pic]из точки a, изображает точки с координатами [pic], а линия, выходящая из точки b параллельно оси [pic], изображает точки с координатами [pic].

На этой же плоскости нанесены линии [pic]и [pic], изображающие соответственно точки с координатами [pic]и [pic], а также линии, проходящие через [pic]и [pic] и соответственно изображающие точки с координатами [pic]. Эти линии изображают координатную сетку системы [pic].

Из рисунка видно, что переход от системы ( к системе
[pic]соответствует переходу от прямоугольных координат к косоугольным на плоскости Минковского. Последнее следует также непосредственно из преобразований Лоренца, которые можно записать также в виде [pic]где
[pic]или в виде [pic](p) где [pic]и очевидно, [pic]

Но преобразования (p) тождественны преобразованиям перехода от декартовых координат к косоугольным. При этих преобразованиях времениподобные векторы, т.е. векторы, направленные из начала отсчета в точки, лежащие выше линии OO', в любой системе координат также останутся времениподобными, т.к. концы векторов лежат на гиперболах. Следовательно, и пространственноподобные векторы во всех системах координат останутся пространственноподобными.

На плоскости Минковского видно, что "пространственная" проекция единичного вектора [pic]на ось [pic]равна 1, а на ось [pic]равна [pic], т.е. меньше 1. Следовательно, масштаб, покоящийся в системе[pic], при измерении из системы ( оказался укороченным. Но это утверждение обратимо, ибо "пространственная" проекция вектора Ob на ось [pic]равна Ob, т.е. в системе[pic] меньше, чем[pic], являющийся единичным вектором.

Аналогично дело обстоит и с "временными" проекциями на оси [pic] и
[pic] Отрезок [pic], изображающий в системе [pic]процесс, длящийся единицу времени, в системе ( будет проектироваться как [pic], т.е. как процесс, длящийся меньшее время, чем Oa=1. Следовательно, ход часов, покоящихся в системе[pic], при измерении из системы ( окажется замедленным. Легко проверить, что это явление также обратимо, т.е. ход часов, покоящихся в системе(, оказывается замедленным в системе[pic].

Сокращение движущихся масштабов.

Если длина неподвижного масштаба может быть измерена путем прикладывания к нему эталонных масштабов, без использования каких-либо часов, то длину движущегося масштаба невозможно измерить из неподвижной системы отсчета без использования часов или сигналов, отмечающих одновременность прохождения концов измеряемого масштаба относительно точек эталона. Таким образом, под длиной движущегося масштаба надо понимать расстояние между его концами, измеренное при помощи неподвижного эталона в один и тот же момент времени для каждого конца. Одновременность измерения положений концов является существенно необходимым условием опыта. Легко видеть, что нарушение этого условия может привести к тому, что измеренная длина может оказаться любой, в том числе отрицательной или равной нулю.
[pic]Пусть [pic]длина движущегося масштаба, предварительно измеренная путем непосредственного приложения к эталону, помещавшемуся в любой системе координат. Тогда если моменты [pic]и [pic] прохождения концов масштабы мимо точек [pic]и [pic]неподвижного эталона одинаковы (т.е. t1=t2), то
[pic]является, по определению, длиной движущегося масштаба. Согласно преобразованиям Лоренца имеем [pic], откуда в силу t1=t2 получаем [pic].(r)

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки