Relativistički zakon dodavanja brzina: definicija, singularnosti i formule

Klasična mehanika, čiji su zakoni formulirani od strane Newtona krajem 17. stoljeća, razmatrali su gotovo dvjestotinjak godina kako bi bili svi objašnjivi i nepogrešivi. Do devetnaestog stoljeća, njezini principi činili su svemoćni i činili su temelj fizike. Međutim, do naznačenog razdoblja počele su se pojavljivati ​​nove činjenice koje se nisu mogle ugurati u poznati okvir poznatih zakona. S vremenom su dobili drugačije objašnjenje. To se dogodilo s dolaskom teorije relativnosti i tajanstvene znanosti kvantne mehanike. U tim disciplinama su sve prethodno prihvaćene ideje o svojstvima vremena i prostora radikalno revidirane. Posebno, relativistički zakon dodavanja brzina rječito je dokazao ograničenja klasičnih dogmi.

Jednostavno dodavanje brzina: kad je to moguće?

Newtonove klasike u fizici i dalje se smatraju ispravnima, a njegovi zakoni primjenjuju se za rješavanje mnogih problema. Samo treba imati na umu da djeluju u svijetu na koga smo naviknuti, gdje brzine različitih objekata, u pravilu, nisu značajne.

Zamislite situaciju da vlak dolazi iz Moskve. Brzina kretanja je 70 km / h. A u ovom trenutku tijekom kretanja iz jednog automobila u drugi putnik putuje, trčanje 2 metra u jednoj sekundi. Da bi znali brzinu kretanja u odnosu na kuće i drveće, vlakovi koji prolaze pokraj prozora, te brzine treba jednostavno presavijati. Budući da 2 m / s odgovara 7,2 km / h, potrebna brzina će iznositi 77,2 km / h.

Svijet velikih brzina

Još jedna stvar je fotoni i neutrini, podložni su potpuno drugačijim pravilima. Za njih, relativistički zakon dodavanja brzina djeluje, a gore navedeno načelo smatra se apsolutno neprimjenjivima za njih. Zašto?

Prema posebnoj teoriji relativnosti (STR), svaki se objekt ne može kretati brže od svjetlosti. U ekstremnim slučajevima, to je samo sposobno biti približno usporediv s ovim parametrom. Ali ako na trenutak zamisliti (iako u praksi to je nemoguće), da je u prethodnom primjeru, putnički vlak i kretati na takav način da je njihova brzina u odnosu na stacionarne objekte na terenu, koja prolazi po sastavu, je nađeno da je gotovo dva svjetla. A ovo ne bi trebalo biti. Kako izračuni u ovom slučaju?

Relativistički zakon dodavanja brzina poznatih iz teorije fizike 11. razreda predstavljen je formulom koja je dano u nastavku.

Što to znači?

Ako postoje dva referentna okvira, brzina objekta u odnosu na koju V₁ i V₂, tada se za izračune može koristiti taj omjer, bez obzira na vrijednost određenih količina. U slučaju kada su obojica su mnogo manji brzina svjetlosti, nazivnik u desnu stranu je gotovo jednak 1. To znači da je formula od relativističke brzine dodavanja zakona se pretvara u najobičniji, odnosno V₂ = V₁ + V.

Također treba napomenuti da kada V₁ = C (tj. Brzina svjetlosti), za svaku vrijednost V, V₂ Ne prelazi tu vrijednost, tj. Također se ispostavlja da je jednaka C.

Iz polja mašte

C je temeljna konstanta, njegova je veličina 299 792 458 m / s. Od vremena Einsteina vjeruje se da niti jedan predmet u svemiru ne može nadmašiti kretanje svjetla u vakuumu. Tako možete kratko definirati relativistički zakon dodavanja brzina.

Međutim, pisci znanstvene fantastike nisu htjeli prihvatiti ovo. Oni su došli sa i dalje pisati puno nevjerojatna priča, likovi koji pobijaju kao organski. U jednom trenu, njihovi brodovi premjestiti na dalekim galaksijama koje su mnogo tisuća svjetlosnih godina od Zemlje starice, brišući se pomoću svim zakonima svemira.

Ali zašto je Einstein i njegovi sljedbenici sigurni da se u praksi to ne može dogoditi? Trebali bismo razgovarati o tome zašto je ograničenje svjetlosti toliko nepovredivo i relativistički zakon dodavanja brzina je nepovrediv.

Odnos uzroka i posljedica

Svjetlo je nositelj informacija. To je odraz stvarnosti svemira. I svjetlosni signali koji dolaze do promatrača, ponovno stvaraju u mislima slike stvarnosti. To se događa u svijetu koji je uobičajen za nas, gdje sve ide svoj put i poštuje uobičajena pravila. I od rođenja smo navikli na činjenicu da ne može biti drugačije. Ali ako zamislite da se sve oko toga promijenilo, a netko je otišao u svemir, putujući brzinom podvodne svjetlosti? Budući da je ispred fotona svjetla, svijet ga počinje vidjeti kao u filmu, pomicanje unatrag. Umjesto toga, sutra dolazi jučer, a prije jučer i tako dalje. I sutra nikad neće vidjeti dok se ne zaustavi, naravno.

Usput, takva ideja je također aktivno usvojila pisaca znanstvene fantastike, stvarajući analogiju vremenskog stroja prema takvim načelima. Njihovi heroji pali su u prošlost i tamo su krenuli. Međutim, odnosi uzroka i posljedica su se srušili. I bilo je očito da je u praksi to jedva moguće.

Ostali paradoksi

Razlog ne može prijeći istragu. Ovo je suprotno normalnoj ljudskoj logici, jer mora postojati red u svemiru. Međutim, SRT preuzima druge paradokse. Emitira da, čak i ako je ponašanje objekata podliježe strogoj definiciji relativističke brzine dodavanja zakona, je upravo jednaka brzini kretanja fotona svjetlosti što je također nemoguće. Zašto? Da, jer se čarobne preobrazbe počinju odvijati u punom smislu. Masa se neprekidno povećava. Dimenzije materijala u smjeru gibanja neograničeno pristupe nuli. Opet, perturbacije se ne mogu potpuno izbjeći tijekom vremena. Iako se ne kreće unatrag, ali kad se postigne brzina svjetlosti, ona se potpuno zaustavlja.

Eclipse od Io

SRT tvrdi da su fotoni svjetlosti najbrži objekti u svemiru. U tom slučaju, kako ste mjerili njihovu brzinu? Samo je ljudska misao brža. Bila je u stanju riješiti takvu dilemu, a posljedica nje bila je relativistički zakon dodavanja brzina.

Slična su pitanja riješena čak iu Newtonovom vremenu, posebice 1676. godine danskog astronoma O. Remer. Shvatio je da se brzina superbrbljivog svjetla može odrediti jedino ako putuje na velike udaljenosti. Takav je, kako je mislio, moguće samo na nebu. A prilika za prevođenje te ideje u stvarnost uskoro se pojavila kad Remer promatra teleskop pomračiti jedan od Jupiterovih zove Io. Vremenski interval između ulaza u zamračenje i izgleda na polju gledanja na ovaj planet po prvi je put bio oko 42,5 sati. I ovaj put sve se približno podudaralo s preliminarnim proračunima napravljenim prema poznatom razdoblju Io pretvorbe.

Nekoliko mjeseci kasnije Remer je ponovno proveo svoj eksperiment. Tijekom tog razdoblja, Zemlja se pomaknula daleko od Jupitera. I ispostavilo se da je Io kasnio pokazati svoje lice 22 minuta u usporedbi s prethodno napravljenim pretpostavkama. Što je to značilo? Objašnjenje je bilo da satelit nije ostao uopće, ali svjetlosni signali od njega su neko vrijeme za prevladavanje značajne udaljenosti od Zemlje. Izračunavši na temelju ovih podataka, astronom je procijenio da je brzina svjetlosti vrlo značajna i iznosi oko 300 000 km / s.

Fizeau iskustvo

Promatrač relativističkog zakona prilagodbe brzina - Fizeauov eksperiment, proizveden gotovo dva stoljeća kasnije, ispravno je potvrdio nagađanja Remera. Samo poznati francuski fizičar 1849. godine proveo je laboratorijske pokuse. I da bi ih implementirali, izumio je i dizajniran cijeli optički mehanizam, analogni koji se može vidjeti na donjoj slici.

Svjetlost je došla iz izvora (to je bila faza 1). Zatim se ogleda iz ploče (faza 2), koja je prošla između zuba rotirajućeg kotača (stupanj 3). Zatim su zrake pogodile zrcalo, koje se nalazi na znatnoj udaljenosti, izmjereno u vrijednosti od 8,6 kilometara (pozornica 4). Zaključno, svjetlo se odražavalo natrag i prošlo kroz zube kotača (pozornica 5), ​​pao je u oči promatrača i učvrstio ga (pozornica 6).

Kotač je bio zakrenut pri različitim brzinama. S polaganim pomakom svjetlo je bilo vidljivo. S povećanjem brzine, zrake su počele nestajati, ne dopiru do gledatelja. Razlog tome je da je kretanje zraka potrebnih za neko vrijeme, a tijekom tog razdoblja, zubi kotač malo pomaknuo. Ako je brzina vrtnje opet raste, svjetlo opet dođe promatrača oka, jer sada zubi, koji se kreće brže ponovno dozvoljeno zrake prodrijeti kroz pukotine.

Načela SRT-a

Relativistička teorija prvi put je predstavljena svijetu Einsteinom 1905. Fokus ovog rada je opis događaja koji se odvijaju u različitim referentnim sustavima, ponašanje magnetskih i elektromagnetskih polja čestica i objekata u njihovom kretanju, najviše usporediva s brzinom svjetlosti. Veliki fizičar opisana svojstva prostora i vremena, a također smatra ponašanje druge opcije, veličina fizičkih tijela i njihovih masa pod tim uvjetima. Među osnovnim principima Einstein nazvao jednakost svih inercijskih referentnih sustava, to jest, on je mislio na sličnosti procesa koji se događaju u njima. Drugi postulat relativističke mehanike - zakon dodavanja brzine u novom, ne-klasične verzije.

Prostor, prema ovoj teoriji, čini se da je poput praznine u kojoj se sve funkcionira. Vrijeme je definirano kao vrsta kronologije tekućih procesa i događaja. Također se poziva po prvi put kao četvrta dimenzija samog prostora, sada nazvanog "prostor-vrijeme".

Lorentzove transformacije

Potvrdite relativistički zakon dodavanja Lorentzove stope transformacije. Stoga je uobičajeno nazvati matematičke formule, koje su u konačnoj verziji prikazane u nastavku.

Ovi matematički odnosi zauzimaju središnje mjesto u teoriji relativnosti i služe za preobrazbu koordinata i vremena, zapisani za prostorno vrijeme u četiri mjesta. Gore navedene formule dane su prijedlogom Henri Poincare, koji je, razvijanjem matematičkog aparata za teoriju relativnosti, posudio neke ideje od Lorentza.

Takve formule dokazuju ne samo nemogućnost prevladavanja nadzvučne barijere, već i nepovredivost načela uzročnosti. Prema njima, bilo je moguće matematički opravdati usporavanje vremena, skraćivanje duljine objekata i drugih čuda koja se događaju u svijetu izuzetno velikih brzina.