Теория относительности Эйнштейна
Как связано время и пространство и на каких постулатах построена теория относительности Эйнштейна? Узнаем, чем специальная теория относительности отличается от общей и пригодится ли это знание на ЕГЭ
Согласно принципу относительности, законы природы одинаковы для объектов во всех инерциальных системах отсчета. Также во всех таких системах постоянна и скорость света. Основываясь на этих двух постулатах, Альберт Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, которая помогла разрешить многие противоречия физической науки того времени.
Узнаем, в чем отличия между специальной и общей теорией относительности и какие парадоксы времени, массы и размеров тела следуют из этих теорий. Также разберемся, есть ли противоречия между теорией относительности и квантовой механикой и пригодится ли знание этой темы на Едином государственном экзамене по физике.
Что такое теория относительности Эйнштейна простыми словами
Теория относительности Эйнштейна (ТОЭ) – это свод правил, которые связывают пространство и время и являются справедливыми для любых процессов. Подразделение ТОЭ на специальную и общую теорию относительности позволяет дополнить это определение:
- специальная теория относительности рассматривает равномерное прямолинейное движение объектов;
- общая теория относительности применяется в случаях, когда материальные тела движутся с ускорением или по изгибающимся траекториям.
Полезная информация о теории относительности Эйнштейна
Собрали некоторые принципы и парадоксы теории относительности в одну таблицу.
| Парадоксы и следствия теории относительности Эйнштейна | Подробности |
|---|---|
| Парадокс близнецов | Время для движущихся объектов замедляется |
| Принцип продольного сокращения | Движущийся предмет сокращается в длину |
| Принцип зависимости массы от скорости | Масса предмета при движении увеличивается |
Специальная теория относительности
Альберт Эйнштейн ставил выше всяких теорий экспериментальные данные, именно это позволило ему по-новому взглянуть на физические догмы, принятые в науке в начале XX века. Пока другие ученые считали ошибочными результаты экспериментов, не совпадающие с общепринятой теорией, Альберт Эйнштейн построил собственную теорию, которую назвал специальной теорией относительности (СТО). Она рассматривает наш мир не трехмерным, как мы привыкли его видеть, а четырехмерным, вводя четвертую ось – время.
Также Эйнштейн впервые ввел в физику утверждение, что понятия массы и энергии неразделимы: масса может переходить в энергию и наоборот. Так происходит во время ядерных реакций, когда малая потеря массы при распаде преобразуется в колоссальное количество энергии.
Теория относительности справедлива для всех физических процессов, а ее выводы и утверждения сделаны на основе двух постулатов, указанных далее. Однако стоит помнить, что специальная теория относительности подходит лишь для равномерно прямолинейно движущихся объектов.
Постулаты специальной теории относительности
Для начала разберемся, что такое постулат. Постулатом в физике называется утверждение, принятое за истину и не требующее ни экспериментальных подтверждений, ни доказательства. То есть по своей сути физические постулаты не отличаются от математических аксиом.
Чтобы создать логически верную теорию, Эйнштейн принял за основу два постулата.
Принцип относительности
Первый постулат СТО можно сформулировать так: все физические явления и законы природы одинаковы для неподвижных тел и тел, движущихся с постоянной скоростью. Другой вариант формулировки: физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета (ИСО), и никакими опытами, проводимыми внутри ИСО, невозможно установить факт ее движения относительно других также инерциальных систем.
Постоянство скорости света
Второй постулат СТО – принцип постоянства скорости света. Скорость света остается неизменной для всех наблюдателей вне зависимости от их местоположения и расстояния до источника света. Также она не зависит от скорости движения источника и приемника света.
Скорость света обозначается латинской буквой c и в вакууме составляет 3⋅108 м/с или 300 000 километров в секунду. Это максимальная скорость взаимодействия, возможного в природе.
Общая теория относительности
Общая теория относительности (ОТО) вступает в игру, когда объекты перестают двигаться равномерно и прямолинейно: у них появляется ускорение или искривляется траектория. Общая теория относительности также объясняет происхождение гравитации: согласно принципам ОТО, гравитация – это не сила, а лишь проявление искривления пространства-времени.
Одно из самых интересных следствий постулатов теории относительности – зависимость течения времени от скорости движения. Чем быстрее движется материальное тело, тем медленнее для него течет время. На этом следствии основан так называемый «парадокс близнецов»: если один из братьев-близнецов отправится в космическое путешествие, за время полета он постареет меньше, чем его брат, оставшийся на Земле.
Второе следствие: для стационарного наблюдателя движущийся объект становится тем короче, чем быстрее он движется. И третье: с увеличением скорости увеличивается масса объекта. Однако стоит помнить, что все эти следствия справедливы лишь для объектов, чья скорость близка к скорости света.
это интересно
Закон всемирного тяготения
Рассмотрим формулировку закона и его действие на примерах из жизни
Подробнее
Задачи на тему «Теория относительности Эйнштейна»
Решим несколько задач на теорию относительности.
Задача 1
Ответьте на вопросы о теории относительности:
- Какое четвертое измерение ввел Альберт Эйнштейн в свою концепцию?
- Как в физике называется утверждение, принятое за основу и не требующее экспериментальных подтверждений и доказательств?
- Для какого типа движения подходит специальная теория относительности?
- Какое явление общая теория относительности считает проявлением искривления пространства-времени?
Задача 2
На расстоянии 600 000 километров от планеты Кляк находится планета Клюк. Предположим, что с Кляка на Клюк со скоростью 300 000 км/ч вылетел космолайнер с туристами. Лайнер послал на место своего прибытия три сигнала: в момент взлета, на половине расстояния между планетами и за 9 000 километров до поверхности. Вычислите, спустя какое время от взлета эти сигналы достигнут наблюдателя на Клюке и сколько времени пройдет с получения последнего сигнала до прилета лайнера.
Ответы к задачам
Узнаем решения и сверимся с ответами к задачам.
Задача 1
- Четвертое измерение – время.
- Такое утверждение называется постулатом.
- СТО подходит для равномерного прямолинейного движения.
- Гравитация рассматривается в ОТО как проявление искривления пространства-времени.
Задача 2
Итак, начнем с применения второго постулата СТО: скорость света постоянна и составляет 300 000 км/с. Исходя из этого вычислим время, необходимое для того, чтобы первый сигнал достиг поверхности:
600 000 / 300 000 = 2 секунды
Второй сигнал был послан на середине расстояния, то есть в тот момент, когда лайнер пролетел 300 000 километров. Переведем километры в час в километры в секунду и вычислим время:
300 000 км / (300 000 км / 3600 с) = 300 000 * 3600 / 300 000 = 3 600 секунд.
На достижение поверхности Клюка сигналу в этот раз потребуется в два раза меньше времени, то есть 1 секунда, и он достигнет ее спустя 3 601 секунду от старта.
И последний сигнал будет отправлен, когда лайнер пролетит в сумме 591 километр:
591 000 км / (300 000 км / 3600 с) = 591 * 3600 / 300 = 7 092 секунды.
Для достижения поверхности ему потребуется уже лишь доли секунды:
9 000 км / 300 000 км/с = 0,03
Оставшееся расстояние лайнер преодолеет за:
9 000 км / (300 000 км / 3600 с) = 9 * 3600 / 300 = 108 секунд.
108 — 0,03 = 107,97 секунд
Ответ: с получения последнего сигнала до момента прибытия лайнера пройдет 107,97 секунд.
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Юлия Крутова, учитель физики средней общеобразовательной школы №16 (Московская область, Орехово-Зуевский городской округ):
Как теория относительности Эйнштейна противоречит квантовой механике?
Если говорить простым языком, то теория относительности Эйнштейна противоречит квантовой механике в том, что описывает поведение объектов в больших масштабах, а квантовая механика — в малых. Теория относительности описывает поведение планет и галактик, а квантовая механика — поведение атомов и субатомных частиц. Эта разница в масштабе может привести к противоречивым прогнозам.
Еще одно противоречие связано с локальностью мира. Квантовая механика предусматривает возможность непосредственного взаимодействия на расстоянии с помощью свойства запутанности. Это противоречит основному постулату теории относительности о максимальной скорости передачи информации, равной скорости света.
Ученые постоянно работают над поиском способов примирения этих теорий. Один из подходов — разработка теории квантовой гравитации, которая объединила бы принципы общей теории относительности и квантовой механики. В школьном базовом курсе мы изучаем тему достаточно поверхностно, так как это довольно серьезная и глубокая тема.
Еще одно противоречие связано с локальностью мира. Квантовая механика предусматривает возможность непосредственного взаимодействия на расстоянии с помощью свойства запутанности. Это противоречит основному постулату теории относительности о максимальной скорости передачи информации, равной скорости света.
Ученые постоянно работают над поиском способов примирения этих теорий. Один из подходов — разработка теории квантовой гравитации, которая объединила бы принципы общей теории относительности и квантовой механики. В школьном базовом курсе мы изучаем тему достаточно поверхностно, так как это довольно серьезная и глубокая тема.
В каком задании ЕГЭ пригодится знание теории относительности Эйнштейна?
Из кодификатора ЕГЭ по физике убрали теорию относительности в 2023 году, поэтому этой темы не может быть на экзамене.
В каком классе изучают теорию относительности Эйнштейна?
Специальная теория относительности может изучаться в 9-11 классах. Зависит от профиля и количества часов, отведенных на физику в неделю. Но более или менее подробно изучается в 11 классе, если мы рассматриваем общеобразовательный класс.
