Legea relativistă de adăugare a vitezelor: definiție, singularități și formulă

Mecanica clasică, legile cărora au fost formulate de Newtons la sfârșitul secolului al XVII-lea, au fost considerate de aproape două sute de ani ca fiind explicative și infailibile. Până în secolul al XIX-lea, principiile sale păreau omnipotent și constituiau baza fizicii. Cu toate acestea, până la perioada indicată, au apărut noi fapte care nu au putut fi strânse în cadrul familiar al legilor cunoscute. De-a lungul timpului, ei au primit o explicație diferită. Acest lucru sa întâmplat odată cu apariția teoriei relativității și a științei misterioase a mecanicii cuantice. În aceste discipline, toate ideile acceptate anterior cu privire la proprietățile timpului și spațiului au fost revizuite radical. În special, legea relativistă a adăugării vitezelor a dovedit elocvent limitările dogmelor clasice.

Adăugarea simplă a vitezelor: când este posibil?

Clasicele lui Newton în fizică sunt încă considerate corecte, iar legile sale sunt aplicate pentru a rezolva multe probleme. Numai ar trebui să avem în vedere faptul că acționează în lumea pe care suntem obișnuiți, unde vitezele diferitelor obiecte, de regulă, nu sunt semnificative.

Imaginați-vă situația că trenul vine de la Moscova. Viteza de mișcare este de 70 km / h. Și în acest moment, în timpul mișcării de la o mașină la alta, pasagerul călătorește, executând 2 metri într-o secundă. Pentru a cunoaște viteza mișcării sale în raport cu casele și copacii, trenurile care străbat fereastra, aceste viteze ar trebui pur și simplu să fie îndoite. Deoarece 2 m / s corespund la 7,2 km / h, viteza necesară va fi de 77,2 km / h.

Lumea de mare viteză

Un alt lucru este fotonii și neutrinii, li se aplică reguli complet diferite. Pentru ei, legea relativistă de adăugare a vitezelor acționează, iar principiul arătat mai sus este considerat absolut inaplicabil pentru ei. De ce?

Conform teoriei speciale a relativității (SRT), orice obiect poate fi mutat la o viteză mai repede decât lumina. Este o ultimă instanță doar în măsură să fie aproximativ comparabil cu acest parametru. Dar dacă pentru un moment imagina (deși, în practică, acest lucru este imposibil), ca în exemplul anterior, un tren de pasageri și pentru a muta în jurul astfel încât viteza lor în raport cu obiectele staționare pe sol, care trece prin compoziție, sa dovedit a fi aproape două lumină. Și acest lucru nu ar trebui să fie. Cum se poate face calcule în acest caz?

Legea relativistă de adăugare a vitezelor cunoscute din cursul fizicii clasei a XI-a este reprezentată de formula de mai jos.

Ce înseamnă asta?

Dacă există două cadre de referință, viteza unui obiect față de care V₁ și V₂, apoi pentru calcule este posibil să se utilizeze acest raport, indiferent de valoarea anumitor cantități. În cazul în care ambele sunt mult mai puțin decât viteza luminii, numitorul din partea dreaptă a ecuației este practic egal cu 1. Aceasta înseamnă că formula legii relativiste de adăugare a vitezelor se transformă în cea mai obișnuită, adică V₂ = V₁ + V.

Trebuie de asemenea remarcat faptul că atunci când V₁ = C (adică viteza luminii), pentru orice valoare de V, V₂ Nu depășește această valoare, adică se dovedește a fi egală cu C.

Din domeniul fanteziei

C este o constantă fundamentală, magnitudinea ei fiind de 299 792 458 m / s. Din momentul lui Einstein se crede că nici un obiect din univers nu poate depăși mișcarea luminii într-un vid. Acesta este modul în care puteți defini pe scurt legea relativistă de adăugare a vitezelor.

Cu toate acestea, scriitorii de science fiction nu au vrut să accepte acest lucru. Ei au inventat și continuă să scrie o mulțime de povești uimitoare, caracterele cărora resping o astfel de organizație. În cel mai scurt timp, navele lor spațiale se deplasează în galaxii îndepărtate, care sunt la mii de ani-lumină distanță de vechiul Pământ, anulează astfel toate legile stabilite ale universului.

Dar de ce e sigur Einstein și urmașii săi că, în practică, acest lucru nu se poate întâmpla? Ar trebui să vorbim de ce limita de lumină este atât de inviolabilă, iar legea relativistă de adăugare a vitezelor este inviolabilă.

Relația dintre cauze și efecte

Lumina este purtătorul de informații. Este o reflectare a realității universului. Iar semnalele luminoase ajung la observator, recreând în mintea lui imagini de realitate. Se întâmplă într-o lume obișnuită pentru noi, unde totul merge în felul său și respectă regulile obișnuite. Și suntem de la naștere obișnuiți cu faptul că nu poate fi altfel. Dar dacă vă imaginați că totul în jur sa schimbat și cineva a mers în spațiu, călătorind la viteză superioară? De vreme ce el este în fața fotonilor de lumină, lumea începe să-l vadă ca într-un film, derulat înapoi. În schimb, mâine vine pentru el ieri, apoi cu o zi înainte de ieri și așa mai departe. Și mâine nu va vedea niciodată până nu se oprește, desigur.

Apropo, o astfel de idee a fost, de asemenea, adoptată în mod activ de scriitori de science fiction, creând un analog al mașinii timpului în conformitate cu astfel de principii. Eroii lor au căzut în trecut și au călătorit acolo. Cu toate acestea, relațiile cauză-efect s-au prăbușit. Și era evident că în practică acest lucru nu este posibil.

Alte paradoxuri

Motivul nu poate avansa ancheta. Acest lucru este contrar logicii umane normale, deoarece trebuie să existe ordine în univers. Cu toate acestea, SRT presupune alte paradoxuri. Se transmite că, chiar dacă comportamentul obiectelor este supus unei definiții stricte a legii plus viteza relativist, este exact egal cu viteza de deplasare a fotonilor de lumină este de asemenea imposibil. De ce? Da, pentru că transformările magice încep să aibă loc în sensul complet. Masa crește pe termen nelimitat. Dimensiunile obiectului material în direcția de mișcare se apropie nelimitat de zero. Din nou, perturbațiile nu pot fi complet evitate în timp. Deși nu se mișcă înapoi, dar când se atinge viteza luminii, se oprește complet.

Eclipsa lui Io

SRT susține că fotonii de lumină sunt cele mai rapide obiecte din univers. În acest caz, cum ați măsurat viteza lor? Doar un gând uman era mai rapid. Ea a reușit să rezolve o astfel de dilemă, iar consecința ei a fost legea relativistă de adăugare a vitezelor.

Întrebări similare au fost soluționate chiar și în timpul lui Newton, în special în 1676 de către astronomul danez O. Remer. El și-a dat seama că viteza luminii super-rapide poate fi determinată numai dacă se deplasează pe distanțe lungi. Astfel, după cum credea el, este posibil numai în ceruri. Și șansa de a transpune această idee în realitate a apărut curând când Remer privea eclipsa telescopului unul din lunile lui Jupiter numit Io. Intervalul de timp dintre intrarea în întuneric și apariția în câmpul vizual al planetei pentru prima dată a fost de aproximativ 42,5 ore. Și de data aceasta totul a corespuns aproximativ calculelor preliminare făcute în funcție de perioada cunoscută de conversie a lui Io.

Câteva luni mai târziu, Remer și-a făcut din nou experimentul. În această perioadă, Pământul sa îndepărtat de Jupiter. Și sa dovedit că Io întârzia să-și arate fața timp de 22 de minute în comparație cu ipotezele făcute mai devreme. Ce a însemnat asta? Explicația a fost că satelitul nu a rămas deloc, dar semnalele luminoase de la el au avut ceva timp pentru a depăși o distanță semnificativă față de Pământ. După ce a calculat pe baza acestor date, astronomul a estimat că viteza luminii este foarte semnificativă și este de aproximativ 300 000 km / s.

Experiența Fizeau

Un predicator al legii relativiste de adăugare a vitezelor - experimentul lui Fizeau, produs aproape două secole mai târziu, a confirmat corect ghicitul lui Remer. Doar un faimos fizician francez în 1849 a efectuat experimente de laborator. Și pentru a le implementa a fost inventat și proiectat întregul mecanism optic, un analog al căruia poate fi văzut în figura de mai jos.

Lumina a venit de la sursa (a fost prima etapă). Apoi a fost reflectat din placa (etapa 2), trecută între dinții roții rotative (etapa 3). Apoi, razele au lovit oglinda, situată la o distanță considerabilă, măsurată în valoarea de 8,6 kilometri (etapa 4). În concluzie, lumina reflectată în spate și a trecut prin dinții roții (etapa 5), ​​a căzut în ochiul observatorului și a fost fixată de el (etapa 6).

Roata a fost rotită la viteze diferite. Cu mișcare lentă, lumina era vizibilă. Cu viteza crescândă, razele au început să dispară, fără a ajunge la spectator. Motivul este că a durat ceva timp pentru a muta grinzile, dar pentru o anumită perioadă, dinții roții s-au mișcat ușor. Când viteza de rotație crește din nou, lumina ajunge din nou ochiul observatorului, pentru că acum dinții, misca mai repede din nou permis razele să pătrundă prin golurile.

Principiile SRT

Teoria relativistă a fost introdusă pentru prima dată în lume de Einstein în 1905. Accentul acestei lucrări este descrierea evenimentelor care au loc în diferite sisteme de referință, comportamentul câmpurilor magnetice și electromagnetice, particule și obiecte în timpul mișcării lor, cel mai comparabil cu viteza luminii. Marele fizician a descris proprietățile spațiu și timp, și, de asemenea, luate în considerare comportamentul celorlalte opțiuni, dimensiunea corpului fizic și a maselor lor în aceste condiții. Printre principiile de bază ale lui Einstein numit egalitatea tuturor sistemelor de referință inerțiale, adică, el a fost referindu-se la similitudinea proceselor care au loc în ele. Un alt postulat de mecanică relativistă este legea adăugării vitezelor într-o variantă nouă, neclasică.

Spațiul, conform acestei teorii, pare a fi un gol în care funcționează totul. Timpul este definit ca un fel de cronologie a proceselor și evenimentelor în curs. De asemenea, este numită pentru prima dată ca a patra dimensiune a spațiului în sine, denumită acum "spațiu-timp".

Transformările lui Lorentz

Confirmați legea relativistă de adăugare a ratelor de transformare Lorentz. Deci, este obișnuit să numim formule matematice, care în versiunea finală sunt prezentate mai jos.

Aceste relații matematice ocupă un loc central în teoria relativității și servesc la transformarea coordonatelor și timpului, fiind scrise pentru un spațiu-timp de patru locuri. Formulele de mai sus au fost date de sugestia lui Henri Poincare, care, în timp ce dezvoltă un aparat matematic pentru teoria relativității, a împrumutat câteva idei din Lorentz.

Astfel de formule dovedesc nu numai imposibilitatea de a depăși bariera supersonică, ci și inviolabilitatea principiului cauzalității. Potrivit acestora, posibilitatea de a demonstra matematic de dilatare temporală, contracția lungimii de obiecte și alte minuni care au loc în lumea de viteze ultra-înaltă.