Специална теория на относителността
Специалната теория на относителността (СТО) е една от фундаменталните теории във физиката. Създадена е от Алберт Айнщайн през 1905 г. като опит да се разрешат противоречията, изникващи при прилагане законите на Нютон при скорости близки до тази на светлината. СТО се основава на принципа на относителността:
Принцип на относителността
Нека си представим космонавт в открития космос, далеч от всякакви звезди и планети – сам в нищото. Той счита себе си за неподвижен, защото не усеща никакво движение. По едно време вижда в далечината друг космонавт, който се движи равномерно праволинейно към него. След няколко минути вторият космонавт задминава първия и изчезва в необятния космос.
А сега да разгледаме същата случка, но от гледната точка на втория космонавт: Той също е в открития космос, не усеща движение (или ускорение), и му се струва, че е неподвижен. По едно време вижда в далечината друг космонавт, който се доближава равномерно праволинейно към него, след няколко минути двамата се разминават и другият космонавт изчезва в необятния космос.
Това събитие изглежда по един и същи начин, независимо от гледната точка: всеки космонавт смята себе си за неподвижен, защото не усеща никакво ускорение, а приема другия за движещ се. И двамата са прави, защото във Вселената важи принципът на относителността: Всяка координатна система, която не се ускорява (т.е. не променя големината и посоката на скоростта си) може да се приеме за неподвижна. При това всички физични закони важат по един и същи начин във всяка такава координатна система.
Специална теория на относителността
Според СТО скоростта на светлината (c) е еднаква независимо от движението на наблюдателя спрямо източника на светлина. Този удивителен факт е доказван многократно с експериментални измервания, като с годините точността на уредите се е увеличавала, но скоростта на светлината винаги е била 299 792 458 m/s. Всъщност, дефиницията за метър е неразривно свързана със скоростта на светлината: 1 m е разстоянието, което светлина във вакуум изминава за 1/299 792 458 s. Скоростта на светлината е абсолютна константа на Вселената.
В ежедневието ни работим със скорости многократно по-ниски от тази на светлината, затова е трудно да разберем какво се случва при високи скорости. При ниските скорости важат законите на Нютон, но при високите се получават големи отклонения и не можем да ги прилагаме. Съществуват редица следствия от СТО.
Следствие І
Мисловен експеримент: Човек стои в средата на движещ се вагон. Точно когато влакът минава покрай друг човек на перона, той включва лампа. Човекът във вагона вижда как светлината от лампата достига едновременно вратите в двата края на вагона, понеже лампата е точно в средата. Човекът на перона обаче вижда друго – от момента на пускане на лампата до момента на достигане на светлината до задната врата влакът е изминал някакво разстояние, съответно светлината изминава по-къс път, отколкото до предната врата, която се е отдалечила. Обаче понеже скоростта на светлината е еднаква независимо от гледните точки, то излиза, че лъчът, движещ се назад, трябва да измине по-късо разстояние, т.е. достига задната врата по-рано от другия лъч. Следствие І гласи, че не винаги двама движещи се един спрямо друг наблюдатели регистрират дадено събитие по един и същи начин. Още повече, че и двамата наблюдатели са прави.
В това видео може да видите подобен на описания експеримент.
Следствие ІІ
Дефинирането на времето е трудна задача. Ще направим мисловен експеримент, при който приемаме, че времето е това, което измерва най-простият часовник – светлинния часовник. Той представлява две идеални и абсолютно успоредни огледала, закрепени на фиксирано разстояние L едно от друго, и един единствен фотон, който се отразява от огледалата със скорост c и извършва „цикли”. В нашия експеримент ще ни трябват два такива часовника – единият стои неподвижно на масата, а другият се движи равномерно праволинейно по нея. В неподвижния часовник фотонът ще се движи вертикално и за един цикъл ще изминава разстояние 2L. В подвижния часовник фотонът ще се движи диагонално и за един цикъл ще изминава по-голямо разстояние 2D (по хипотенузата; виж диаграмите). След като и в двата случая скоростта му е еднаква, то при подвижния часовник продължителността на един цикъл ще е по-голяма, т.е. времето ще тече по-бавно.
Поради принципа на относителността обаче същото ще важи и от гледна точка на подвижния часовник. За него той е неподвижен, а другия се движи и измереното време по другия часовник е забавено. Става ясно, че измерването на интервал от време зависи от относителното движение на часовника спрямо наблюдателя. Така, ако гледаме човек, движещ се спрямо нас, ще видим как времето при него тече по-бавно, как той се движи по-бавно, говори по-бавно, диша по-бавно, сърцето му бие по-бавно, но това не значи, че живее по-дълго от нас. И при нас, и при него сърцето му ще бие (средно) 2.5 милиарда пъти през целия живот.
В това видео може да видите подобен на описания експеримент.
Други следствия
Лоренцовото скъсяване – при движение на тяло спрямо неподвижен наблюдател се вижда как физическите размери на тялото намалят, т.е. тялото се скъсява. Това става само в посока на движението. Причината е неразривно свързана с горните следствия.
E = mc² – масата и енергията са свързани чрез константната скорост на светлината поради симетриите на времето и пространството.
Движение през времепространството – всички частици се движат през времепространството с постоянна скорост – скоростта на светлината.
