Elementy fizyki relatywistycznej

Transkrypt

1 Elementy fizyki relatywistycznej Transformacje Galileusza i ich konsekwencje Transformacje Lorentza skracanie przedmiotów w kierunku ruchu dylatacja czasu nowe składanie prędkości Szczególna teoria względności postulaty Einsteina równoważność masy i energii

2 Transformacje Galileusza Co się dzieje z prawami mechaniki Newtona gdy analizujemy je w innym inercjalnym układzie odniesienia? Analizujemy nowy układ odniesienia przesuwający się z prędkością u wzdłuż osi x układu odniesienia Nowe współrzędne transformują się w następujący sposób: y y ' u x P x ' Po czasie t współrzędne w układzie prim x = x ut y = y t = t Po czasie t współrzędne w układzie xy x = x + ut y = y t = t ut x x ' czas biegnie tak samo w każdym układzie

3 Transformacje Galileusza Co się dzieje gdy P porusza się względem układu prim? v x = dx dt = dx dt u czyli v x = v x u Co się dzieje gdy P przyspiesza względem układu prim (działa na niego wypadkowa siła F)? a = dv dt = dv dt = a ma = ma F = F Czyli zmiany prędkości w obu układach są takie same! Zatem prawa mechaniki są takie same w obu układach : spoczywającym i poruszającym się!

4 Transformacje Galileusza - wnioski W układach inercjalnych w tych samych warunkach zjawiska mechaniczne przebiegają jednakowo! Równania mechaniki są niezmiennicze względem transformacji Galileusza tzn. nie zmieniają one swojej formy w wyniku transformacji współrzędnych i czasu przy przejściu z jednego układu do drugiego Prawa mechaniki są jednakowe we wszystkich inercjalnych układach odniesienia! - jest to zasada względności Galileusza

5 Transformacje Lorentza Zjawiska elektro-magnetyczne opisują równania Maxwella (sformułowane w II połowie XIX w.) Okazuje się że r. Maxwella nie są nie-zmiennicze względem prostych transformacji Galileusza tzn. że przechodząc do nowego ukł. współrzędnych nie otrzymujemy tych samych równań (t.j. równań tego samego typu)! Jest problem czy to oznacza że zjawiska e-m nie są takie same w różnych układach odniesienia? Jest to w sprzeczności z zasadą względności Galileusza!

6 Transformacje Lorentza y Lorentz zaproponował poprawki do przekształceń Galileusza, które likwidują problem z r. Maxwella. Jeśli współrzędne będą się przekształcały w następujący sposób: Po czasie t współrzędne w układzie prim x'y' u y ' x P x ' Uwaga! Tutaj czas nie biegnie tak samo w każdym układzie! ut x x` gdzie współczynnik: to r.m. będą nie-zmienniczce!!! Po czasie t współrzędne w układzie xy

7 Transformacje Lorentza - wnioski Transformacje Lorentza przechodzą w transformacje Galileusza gdy prędkość u << c. czyli dla małych prędkości nadal transformacje G. są dobre! Skrócenie Lorentza liniowy wymiar (rozmiar) obiektu poruszającego się względem inercjalnego układu odniesienia zmniejsza się w kierunku ruchu! rozmiar własny - rozmiar mierzony przez obserwatora w układzie prim jeśli u<<c to pierwiastek ten jest bliski 1 jeśli u jest duże to pierwiastek ten < 1 l < l 0

8 Skrócenie długości

9 Dylatacja czasu Transformacje Lorentza - wnioski czas inaczej płynie w różnych układach poruszających się względem siebie czas własny -czas mierzony przez obserwatora w układzie prim - poruszającym się czas mierzony przez obserwatora w układzie spoczywającym jeśli u<<c to pierwiastek ten jest bliski 1 jeśli u jest duże to pierwiastek ten < 1 Procesy w układzie poruszającym się zachodzą WOLNIEJ niż w uk. odniesienia (spoczywającym) Zegar poruszający się z prędkością u względem danego inercjalnego układu odniesienia idzie wolniej tyle razy : 1 1 u 2 c 2

10 Odstęp między zdarzeniami zależy od tego, w jakiej odległości od siebie one nastąpiły, zarówno w przestrzeni jak i w czasie. Δt Względność czasu i dylatacja czasu γ Δt 0 γ 1 1 v c 2 2 t obserwator stacjonarny t 0 obserwator w ruchu

11 Paradoksy Zegary makroskopowe: super dokładne atomowe zegary latały w samolotach z ~7x10-7 (Hafele and Keating in 1977 within 10%, and U. Maryland a few years later within 1% of predictions)

12 Względność jednoczesności

13 Transformacje Lorentza - wnioski Nowe składanie prędkości v x / jeśli obiekt ma prędkość w układzie poruszającym się ( prim ) to po przekształceniach otrzymujemy wyrażenie na prędkość tego obiektu w układzie spoczywającym : y y ' v x u x x ' Uwaga! Dla transformacji Galileusza (tak jak obserwujemy to w gdy prędkości są małe) byłoby: v x = u + v x / Zatem transformacje Lorentza wprowadzają nam inne prawo dodawania-składania prędkości!

14 Przykład: Transformacje Lorentza - wnioski Z jaką prędkością względem ziemi porusza się kula karabinowa wystrzelona w środku rakiety, która porusza się z prędkością u = 1 2 c? (obserwator w rakiecie zmierzył że kula porusza się z prędkością ) v x / = 1 2 c u v / x Uwaga! klasycznie dla transformacji Galileusza byłoby: v x = 1 2c + 1 2c = c ziemia

15 Przykład: Transformacje Lorentza - wnioski v x / = c Co by było gdyby pocisk miał prędkość w rakiecie równą? u = 1 2 c v / x =c v x = 1 2c + c cc c 2 Okazuje się, że prędkości sygnału świetlnego wynosi niezależnie od układu odniesienia tyle samo, czyli równe jest c km/s = c Uwaga! klasycznie dla transformacji Galileusza byłoby: v x = 1 2c + c = 3 2 c!!! NIEPRAWDA!!! ziemia Uwaga! Ten fakt został potwierdzony doświadczalnie już w końcu XIX w. przez Michelsona- Morleya

16 Szczególna teoria względności Einsteina Na podstawie rozważań Lorentza Einstein wysunął postulaty Postulat I Prawa fizyczne muszą być takie same we wszystkich układach odniesienia (ale uwaga: obserwacje tego samego zawiaska mogą być różne w różnych układach odniesienia!) Postulat II Prędkość światła jest prędkością specjalną! Jest zawsze taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia We wszystkich inercjalnych układach odniesienia i we wszystkich kierunkach światło rozchodzi się w próżni z taką samą prędkością c. Prędkość żadnego ciała przenoszącego energię lub informacje nie może przekroczyć prędkości granicznej Potwierdzenie doświadczalne (CERN, 1964): -mimo zwiększania energii kinetycznej elektronów, ich prędkość nie przekracza prędkości światła -prędkość światła wyemitowanego przez źródło poruszające się z prędkością bliską c wynosi zawsze c tyle samo, co dla źródła w spoczynku.

17 Szczególna teoria względności Einsteina Na podstawie rozważań Lorentza Einstein wysunął postulaty Postulat I Prawa fizyczne muszą być takie same we wszystkich układach odniesienia (ale uwaga: obserwacje tego samego zawiaska mogą być różne w różnych układach odniesienia!) Postulat II Prędkość światła jest prędkością specjalną! Jest zawsze taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia To jest zgodne z doświadczeniem!!! W 1887 r. taki pomiaru prędkości przeprowadzili Michelson i Morley szukając hipotetycznego eteru. Einstein przyjął że wszystkie prawa fizyczne powinny mieć tę własność żeby pozostawały niezmiennicze względem transformacji Lorentza! Jakie są tego konsekwencje?

18 Nowe równania mechaniki Trzeba więc zmienić... prawa mechaniki Newtona!!! Modyfikacja równań Newtona: jeśli masa może zmieniać się z prędkością v i będzie wynosić: m = m 0 1 v 2 c 2 to prawa mechaniki będą niezmiennicze względem transformacji Lorentz'a siła pęd pęd okazuje się, że pęd rośnie szybciej niż prędkość!

19 Równoważność masy i energii Einstein ustalił, że całkowita energia obiektu o masie m wynosi: E = mc 2 Pęd takiego obiektu wynosi: m 0 v p = mv = 1 v 2 c 2 To wyrażenie zawiera całkowitą energię spoczynkową i kinetyczną obiektu gdzie masa równa jest: m = m 0 1 v 2 c 2 Energię całkowitą można jeszcze wyrazić w następujący sposób: E 2 = m 0 2 c 4 + p 2 c 2 = c 2 (m 0 2 c 2 + p 2 ) E = c m 0 2 c 2 + p 2

20 p Energia kinetyczna nowa definicja Energia kinetyczna obiektu w prędkości v wynosi: 6.50E E E E+17 Energia kinetyczna E k rośnie Zależność dynamiczniej gdyby niż E k była v 2 proporcjonaln a tylko do v E E E+16 lub bardziej formalnie: -5.00E u/c Ale uwaga! v / c En. kinetyczna nie jest równa w prosty sposób: E k = mv2 2 = m 0 v 2 1 v 2 c 2 dopiero gdy v jest dużo mniejsze od c wówczas: E k m 0v 2 2

21 Nowe sformułowanie zasady zachowania energii Dla układu zamkniętego zasada zachowania energii przyjmuje postać: suma energii spoczynkowych wszystkich obiektów układu suma wszystkich innych rodzajów energii wszystkich obiektów musi być stała! Energia spoczynkowa obiektów może przyjmować ogromne wartości masa energia spoczynkowa elektron kg J proton kg J pyłekkurzu kg J moneta kg J

22

23

24

25

26

27

28 τ0 = τ 1 𝑢 2 𝑐 2

29 Ogólna teoria względności

30