Szczególna teoria względności

Podobne dokumenty
Kinematyka relatywistyczna

Kinematyka relatywistyczna

Kinematyka relatywistyczna

Kinematyka relatywistyczna

Kinematyka relatywistyczna

Zasady względności w fizyce

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie I (luty, 2013)

Kinematyka relatywistyczna

Szczególna teoria względności

Kinematyka relatywistyczna

Szczególna teoria względności

III.1 Ruch względny. III.1 Obserwacja położenia z dwóch różnych układów odniesienia. Pchnięcia (boosts) i obroty.metoda radarowa. Wykres Minkowskiego

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Interwał, geometria czasoprzestrzeni Konsekwencje tr. Lorentza: dylatacja czasu i kontrakcja długości

III.2 Transformacja Lorentza położenia i czasu.

Temat XXXIII. Szczególna Teoria Względności

Podstawy fizyki wykład 9

Kinematyka relatywistyczna

TRANFORMACJA GALILEUSZA I LORENTZA

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 12

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Dynamika relatywistyczna

Kinematyka, Dynamika, Elementy Szczególnej Teorii Względności

Szczególna teoria względności

Postulaty szczególnej teorii względności

Szczególna teoria względności

Czy można zobaczyć skrócenie Lorentza?

Elementy fizyki relatywistycznej

Szczególna teoria względności

Kinematyka: opis ruchu

Czym zajmuje się teoria względności

Kinematyka relatywistyczna

XXXV. TEORIA WZGLĘDNOŚCI

ver teoria względności

Podstawy fizyki sezon 1 XI. Mechanika relatywistyczna

Kinematyka relatywistyczna

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

Transformacja Lorentza Wykład 14

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA. Rys. Transformacja Galileusza

Prawa ruchu: dynamika

Szczególna teoria względności

Kinematyka: opis ruchu

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA (SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI)

Oddziaływania ładunków w STW

Szczególna teoria względności

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Tensor momentu bezwładności i osie główne Równania Eulera Bak swobodny. Podsumowanie wykładu Egzamin

Spis treści. Przedmowa PRZESTRZEŃ I CZAS W FIZYCE NEWTONOWSKIEJ ORAZ SZCZEGÓLNEJ TEORII. 1 Grawitacja 3. 2 Geometria jako fizyka 14

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W KLASIE PIERWSZEJ GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Czy da się zastosować teorię względności do celów praktycznych?

5.1 POJĘCIE CZASU. Rozdział należy do teorii pt. "Teoria Przestrzeni" autorstwa Dariusza Stanisława Sobolewskiego. Http:

Kinematyka: opis ruchu

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Ogólna teoria względności - wykład dla przyszłych uczonych, r. Albert Einstein

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Wykłady z Fizyki. Teoria Względności

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Prawa ruchu: dynamika

Podstawy fizyki. Wykład 3. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Zasada zachowania pędu

Geometria Struny Kosmicznej

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

OCENA PRZYDATNOŚCI FARBY PRZEWIDZIANEJ DO POMALOWANIA WNĘTRZA KULI ULBRICHTA

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:

Powtórzenie wiadomości z klasy I. Temat: Ruchy prostoliniowe. Obliczenia

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Zasada zachowania energii

Kinematyka: opis ruchu

Wektor położenia. Zajęcia uzupełniające. Mgr Kamila Rudź, Podstawy Fizyki.

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

SZCZEGÓŁOWE CELE EDUKACYJNE

1. Jeśli częstotliwość drgań ciała wynosi 10 Hz, to jego okres jest równy: 20 s, 10 s, 5 s, 0,1 s.

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Test powtórzeniowy nr 1

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Zasada zachowania energii

Mechanika relatywistyczna Wykład 13

Oddziaływania fundamentalne

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XXI:

Prawa ruchu: dynamika

Praca jest wykonywana podczas przesuwania się ciała pod wpływem siły. Wartość pracy możemy oblicz z wzoru:

Prawa ruchu: dynamika

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Mechanika relatywistyczna

ELEMENTY MECHANIKI RELATYWISTYCZNEJ

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXII: Porównanie ruchu obrotowego z ruchem postępowym. Bak Precesja Żyroskop

3. Model Kosmosu A. Einsteina

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

Ruch prostoliniowy. zmienny. dr inż. Romuald Kędzierski

Eksperymenty myślowe Einsteina

Tadeusz Lesiak. Podstawy mechaniki Newtona Kinematyka punktu materialnego

Efekt Dopplera Dla Światła

Konsultacje. Poniedziałek 9-11 Piątek 11-13

Transkrypt:

Szczególna teoria względności Wykład III: prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut Fizyki Doświadczalnej Postulaty Einsteina i transformacja Lorenza Wykres Minkowskiego względność równoczesności i przyczynowość dylatacja czasu i skrócenie Lorenza paradoks bliźniat

Postulaty Einsteina opublikowane w pracy O elektrodynamice ciał w ruchu (1905): prawa fizyki sa identyczne w układach będacych względem siebie w ruchu jednostajnym prostoliniowym (zasada względności) prędkość światła w próżni, c, jest jednakowa w każdym kierunku we wszystkich inercjalnych układach odniesienia... (uniwersalność prędkości światła) prowadza do wzoru na transformacje Lorenza O O 0 1 2 0 1 2 3 v 3 v t t t = t + V c 2 1 V 2 c 2 = V t + 1 V 2 c 2 y = y z = z A.F.Żarnecki Wykład III 1

Transformacja Lorenza Zapis transformacji bardzo się upraszcza gdy wprowadzimy oznaczenia β = V c γ = 1 = 1 V 2 c 2 1 1 β 2 β - prędkość względna wyrażona w jednostkach prędkości światła, γ - czynnik Lorenza Otrzymujemy transformacje Lorenza w postaci: ct = cγt + γβ = cγβt + γ y = y z = z c t y z = γ γ β 0 0 γ β γ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 c t y z Pełna symetria między t (współrzędna czasowa) i (współrzędna przestrzenna)!!! ct traktujemy jako czwarty wymiar (zazwyczaj zapisujemy jako wymiar zerowy - 0 ) A.F.Żarnecki Wykład III 2

Transformacja Lorenza Wyrażenia na Transformację Lorenza uzyskaliśmy przy założeniu, że poczatki układów mijaja się w chwili t = t = 0. zdarzenie to ma w obu układach współrzędne (0,0,0,0) wspólne zdarzenie odniesienia W ogólności Transformację Lorenza opisuje transformację różnicy współrzędnych dwóch wybranych zdarzeń A i B: t = t B t A, = B A... Przyjmujac c 1: t y z = γ t + γ β γ β t + γ y z = γ γ β 0 0 γ β γ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 t y z Jeśli przyjmiemy, że w obu układach A = (0, 0, 0, 0) transformacja współrzędnych. A.F.Żarnecki Wykład III 3

Transformacja Lorenza Przedstawienie graficzne Niech zegar referencyjny w układzie O błyska z upływem każdej jednostki czasu. Zdarzenia te maja współrzędne: Tyknięcia zegara O rejestrowane w układzie O: ct O ct = i ct = i = 0 i = 0,1,... Z transformacji Lorenza uzyskujemy współrzędne tych zdarzeń w układzie O: ct = i γ ct = i γ = i γβ ct = i γβ Zdarzenia te leża na lini świata ciała O, a jednocześnie pokazuja nam upływ czasu w jego układzie tyknięcia obrazuja nam oś ct A.F.Żarnecki Wykład III 4

Transformacja Lorenza Przedstawienie graficzne Niech zegary rozmieszczone wzdłuż osi wyśla w tej samej chwili t =0 błysk światła. W O zdarzenia te maja współrzędne: błyski zegarów O rejestrowane w układzie O: ct O ct = 0 = i = i Z transformacji Lorenza uzyskujemy współrzędne tych zdarzeń w układzie O: ct = i γβ = i γβ = i γ = i γ Zdarzenia te pokazuja nam jak w układzie O wygladaj a zdarzenia równoczesne w O, odwzorowuja nam też nam też jednostkę długości obrazuja nam oś A.F.Żarnecki Wykład III 5

Transformacja Lorenza Wykres Minkowskiego Osie układu O nachylone sa do osi O pod katem ct ct tan θ = β = V c Długości jednostek osi w układzie O widziane w układzie O: 1 = γ Ale także obserwator O widzi skrócenie osi układu O! A.F.Żarnecki Wykład III 6

Transformacja odwrotna Transformacja Lorenza ct ct ct ct Obaj obserwatorzy stwierdza wydłużenie jednostek w poruszajacym się układzie. Wybierajac zgodne zwroty osi układów naruszyliśmy symetrie: układ O porusza się w kierunku przeciwnym do zwrotu osi, a O zgodnie z. A.F.Żarnecki Wykład III 7

Transformacja Lorenza Transformacje możemy też zapisać jako hiper obrót w czasoprzestrzeni: c t y z = cosh η sinh η 0 0 sinh η cosh η 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 c t y z gdzie η jest parametrem transformacji, a cosh i sinh to tzw. η = ln[γ(1 + β)] = ln β = tanh η = sinh η cosh η ( 1 + β 1 β ) = 1 2 ln 1 + β 1 β funkcje hiperboliczne. sinh = e e 2 cosh = e + e 2 cosh 2 sinh 2 = 1 A.F.Żarnecki Wykład III 8

Transformacja Lorenza Składanie prędkości: układ O porusza się z prędkościa v w układzie O, a O z prędkościa v w układzie O v = v + v 1 + vv c 2 β = β + β 1 + ββ β + β Dla współczynnika transformacji: η = 1 2 ln ( 1 + β 1 β ) = 1 ( 1 + β 2 ln 1 β 1 + ) β 1 β = 1 2 ln ( 1 + ββ + β + β 1 + ββ β β = 1 ( ) 1 + β 2 ln 1 β ) + 1 ( ) 1 + β 2 ln 1 β = η + η Składanie transformacji Lorenza dodawanie (!) współczynników. η - kat hiperboliczny zwykłe obroty: K = tan θ obroty hiperboliczne : β = tanh η A.F.Żarnecki Wykład III 9

Transformacja Lorenza Dylatacja czasu zegar układu O obserwowany z ukladu O ct ct ct ct Problem nie jest symetryczny: zegar spoczywa w O, obserwator O porównuje jego wskazania z różnymi zegarami swojej siatki Obserwator O stwierdzi, że zegar w O chodzi wolniej: t = γ t Obserwator O stwierdzi, że pomiar był źle wykonany, bo zegary w O nie sa zsynchronizowane, chodza za wolno. A.F.Żarnecki Wykład III 10

Względność równoczesności Transformacja Lorenza ct ct ct ct A B A B Dwa zdarzenia równoczesne w układzie O nie sa równoczesne w układzie O Kolejność w jakiej zaobserwuje je obserwator O zależy od położenia zdarzeń w stosunku do kierunku ruchu względnego. A.F.Żarnecki Wykład III 11

Interwał Transformacja Lorenza Interwał czasoprzestrzenny między dwoma zdarzeniami definiujemy jako: s AB = ( ct) 2 ( ) 2 ( y) 2 ( z) 2 Interwał jest niezmiennikiem transformacji Lorenza! Nie zależy od układu odniesienia, w którym go mierzymy. Przyczynowość odległość w czasoprzestrzeni Jeśli s AB > 0 to można znaleźć taki układ odniesienia, w którym zdarzenia A i B będa zachodzić w tym samym miejscu. sab określa odstęp czasu między zdarzeniami w tym układzie Jeśli zdarzenia A i B zwiazane sa z ruchem jakiejś czastki czas własny s AB > 0 - interwał czasopodobny Zdarzenia A i B moga być powiazane przyczynowo. Ich kolejność jest zawsze ta sama. A.F.Żarnecki Wykład III 12

Przyczynowość Transformacja Lorenza Jeśli s AB < 0 to można znaleźć taki układ odniesienia, w którym zdarzenia A i B będa zachodzić w tej samej chwili. sab określa odległość przestrzenna między zdarzeniami w tym układzie np. mierzona długość ciała ( A i B - pomiary położenia końców) s AB < 0 - interwał przestrzeniopodobny Zdarzenia A i B NIE moga być powiazane przyczynowo! Kolejność zdarzeń zależy od układu odniesienia. Jeśli s AB = 0 to w żadnym układzie odniesienia zdarzenia A i B nie będa zachodzić w tej samej chwili ani w tym samym miejscu s AB = 0 - interwał zerowy Zdarzenia A i B może połaczyć przyczynowo jedynie impuls świetlny A.F.Żarnecki Wykład III 13

Transformacja Lorenza Przyczynowość O - tu i teraz s OA > 0 i t A > 0 bezwzględna przyszłość: zdarzenia na które możemy mieś wpływ s OA < 0 zdarzenia bez zwiazku przyczynowego s OA > 0 i t A < 0 bezwzględna przeszłość: zdarzenia które mogły mieś wpływ na nas A.F.Żarnecki Wykład III 14

Skrócenie Lorenza O - układ zwiazany z rakieta o długości L 0. Pomiar długości: równoczesny pomiar położenia obu końców. ct ct linie swiata Pomiar AB w układzie O: AB = L t AB 0 (!) W układzie O : Lo L 0 AB = γ AB = γ L L = 1 γ L 0 skrócenie Lorenza t AB 0!!! A.F.Żarnecki Wykład III 15 A L B

Skrócenie Lorenza Skrócenie Lorenza ma zwiazek ze względnościa równoczesności: Obserwator O uważa, że równocześnie zmierzył położenie obu końców rakiety (zdarzenia A i B): ct ct Obserwator O stwierdzi, że wcześniej zmierzono położenie przodu niż tyłu rakiety rakieta przesunęła się zły pomiar ct ct A L Lo B A B A.F.Żarnecki Wykład III 16

Skrócenie Lorenza Paradoks tyczki w stodole L 2 >L O O V Obserwator O powie, że tyczka się skóciła i zmieściła w stodole. (jeśli L 2 γ < L) Biegacz O stwierdzi, że to stodoła się skróciła. Tyczka nie mogła się w niej zmieścić. Obaj maja rację!!! Różni ich zdanie na temat kolejności zdarzeń: minięcia wrót stodoły przez końce tyczki. Zdarzenia te sa rozdzielone przestrzennie (s < 0) - kolejność zależy od układu... L A.F.Żarnecki Wykład III 17

Paradoks bliźniat Kosmonauta wyrusza w podróż na α Cen, jego brat bliźniak zostaje na Ziemi. Obaj bracia - obserwatorzy mierza czas pomiędzy dwoma zdarzeniami: wylotem rakiety powrotem na Ziemię Poruszaja się względem siebie z prędkościa porównywalna z prędkościa światła każdy z nich stwierdzi, że jego brat powinien być młodszy (dylatacja czasu) A.F.Żarnecki Wykład III 18

Paradoks bliźniat Ale dla obu z nich oba zdarzenia zaszły też w tym samym miejscu powinni być w tym samym wieku! (z niezmienniczości interwału) Jak rozstrzygnac czy i który z braci będzie młodszy? A.F.Żarnecki Wykład III 19

Paradoks bliźniat Przyjmijmy, że podróż odbywa się z prędkościa v = 0.745 c (γ = 1.5) Według obserwatora na Ziemi podróż zajmie 2 4.3 11.5 Ð Ø 0.745 Dzięki dylatacji czasu, mierzony przez kosmonautę czas podróży skróci się do: 11.5 Ð Ø 1.5 7.7 Ð Ø impulsy świetlne wysyłane przez obu braci co rok A.F.Żarnecki Wykład III 20

Paradoks bliźniat Dla kosmonauty odległość skróci się do 4.3 1.5 Podróż będzie jego zdaniem trwała 2 2.9 0.745 2.9 lat świetlnych (skrócenie Lorenza) 7.7 lat (to samo powiedział jego brat) Ale dla kosmonauty bieg zegarów na Ziemi ulega spowolnieniu (dylatacja czasu) 0.5 Ð Ø 7.7 W czasie jego lotu do układu α-centaura na Ziemi mija tylko 2.6 lat, 1.5 tyle samo czasu mija na Ziemi w czasie jego podróży powrotnej. Łacznie powinno minać Ð Ø 7.7 1.5 5.1 lat, ale brat na Ziemi stwierdzi, że minęło 11.5 lat Gdzie znika ponad 6 lat!? A.F.Żarnecki Wykład III 21

Paradoks bliźniat ct ct ct Kosmonauta obserwuje wskazania zegara na Ziemi. Na zegarze tym przybywa skokowo ponad 6 lat w momencie zmiany przez kosmonautę układu współrzędnych. skok czasu Zegar na Ziemi nie może być wprost porównywany z zegarem kosmonauty zawsze porównywany jest z najbliższym zegarem układu współporuszajacego się. Istotna jest synchronizacja zegarów Synchronizacja zmienia się przy zmianie układu odniesienia. A.F.Żarnecki Wykład III 22

Paradoks bliźniat ct ct ct Kosmonauta obserwuje wskazania zegara na Ziemi porównujac go zawsze z najbliższym zegarem jego układu. Z W chwili startu (t = t = 0) jest to jego własny zegar Z. Z Z Gdy dotrze do celu sa to zegary Z (przed) i Z (po zawróceniu). Także obserwator na Ziemi może obserwować wskazania zegarów kosmonauty (Z, Z i Z ) porównujac je ze swoja siatka zegarów. A.F.Żarnecki Wykład III 23

Paradoks bliźniat Czas na Ziemi według kosmonauty t 12 lat Z Z Rakieta Dolatujac do celu, po t 4 latach (według swojego zegara Z), kosmonauta stwierdza, że na Ziemi mineło t <3 lata. Kosmonauta opiera się na wskazaniach zegara Z zsynchronizowanego z Z. Po zawróceniu informacja o wskazaniach zegara na Ziemi pochodzi od zegara Z, też zsynchronizowanego z Z ale w nowym układzie odniesienia. Z Z 8 lat t Według zegara Z w chwili zawracania zegar na Ziemi wskazywał t >9 lat. A.F.Żarnecki Wykład III 24

Paradoks bliźniat Ziemia Wskazania zegarów kosmonauty rejestrowane przez obserwatora na Ziemi t 8 lat Według obserwatora na Ziemi bieg zegara Z kosmonauty jest spowolniony na skutek dylatacji czasu. Kosmonauta źle ocenił bieg czasu na Ziemi gdyż: Z Z Z 12 lat t najpierw użył zegara Z który spieszył się względem Z potem użył zegara Z który spóźniał się względem Z Według obserwatora nia Ziemi, zawrócenie rakiety Z, oraz zdarzenia porównania czasu na Ziemi z przelatujacymi zegarami Z i Z nie były równoczesne. W chwili zawracania zegar Z dawno minał Ziemię, a zegar Z jeszcze do niej nie doleciał. A.F.Żarnecki Wykład III 25

Paradoks bliźniat Dokonany przez kosmonautę pomiar czasu jaki upłynał na Ziemi jest nieprawidłowy, ze względu na zmianę układu odniesienia. Na ziemi minęło 11.5 lat. Obaj obserwatorzy zgadzaja się, że dla kosmonauty minęło 7.7 lat. Ziemianin kosmonauta A.F.Żarnecki Wykład III 26