Szczególna teoria względności

1. Zagadnienia
Została opracowana przez Einsteina w roku 1905. Zajmuje się ona ciałami lub układami, które albo poruszają się względem siebie ze stałą prędkością, albo też nie poruszają się wcale (poruszają się ze stałą zerową prędkością).

2. Podstawowe postulaty teorii:
a) względność ruchu - ruch można rozpatrywać tylko w odniesieniu do jakiegoś układu.
Einstein uważał, że nie można wykryć eteru (ośrodka w którym, jak uważali ówcześni uczeni, rozchodzi się światło, a który wypełnia cały wszechświat) ponieważ nieruchomy eter byłby jedynym nieruchomym ciałem we wszechświecie, posiadałby ruch absolutny. Stwierdziliśmy jednak, że możemy wykryć jedynie ruch względny, dlatego też nie możemy wykryć eteru.
b) stałość prędkości światła - prędkość światła wynosi około 300 tys. km/s i jest stała względem obserwatora tzn. nie zależy ona od tego czy obserwator zbliża się do źródła światła czy oddala.

ryc.: Względność ruchu w teorii względności rysunki: DJ (Wiedza i Życie nr.3/1999)

3. Wnioski wynikające z postulatów.
Omówimy je na obrazowym przykładzie dwóch rakiet poruszających się względem siebie z dużą prędkością.
a) skrócenie długości - jeśli obserwator lecący w rakiecie A ma możliwość mierzenia długości rakiety B, gdy obie poruszają się względem siebie z prędkością V, to matematyczne obliczenia mówią, iż rakieta B wyda się skrócona. Zjawisko to nosi nazwę skrócenia Fitzgeralda-Lorentza i opisujemy je wzorem:
L` - długość skróconej rakiety
L - długość początkowa
v - prędkość rakiety A względem rakiety B
c - prędkość światła
b) wzrost masy wraz z prędkością - wartość masy m` rakiety B otrzymana przez obserwatora A jest zależna od ich prędkości względem siebie i opisuję ją wzór:
m` - masa poruszającej się rakiety(tzw. masa relatywistyczna)
m - masa spoczynkowa rakiety
v - prędkość rakiety A względem rakiety B
c - prędkość światła
Wartość masy m` rakiety B dla obserwatora B jest równa m ponieważ jego prędkość względna jest równa zero(masa nie zmienia się).
c) dodawanie prędkości - jeżeli dwa pojazdy mają prędkości V=160 tys. km/s względem jakiegoś układu, te same kierunki, lecz poruszają się w przeciwne strony to na podstawie podanego wzoru obliczymy, że prędkość jednej rakiety względem drugiej wynosi 250 tys. km/s, a nie 320 tys. km/s (jak wynikałoby to z teorii Newtona) ponieważ żadne ciało nie może poruszać się z prędkością względną większą niż 300 tys. km/s.
Vab - prękość rakiety A względem rakiety B
Va - prędkość rakiety A względem określonego układu
Vb - prędkość rakiety B wzgledem tego samego układu
c - prędkość światła
d) równoważność masy i energii - wniosek ten opisuje najsławniejszy i najprostszy, a jakże genialny wzor Einsteina:
E - energia
m - masa ciała
c - prędkość światła
Jeżeli masa ciała jest całkowicie zamieniona w energię tak, że żadna część tej masy nie pozostała w dawnej postaci, to ilość otrzymanej energii jest dana tym równaniem.
e) zwolnienie czasu (dylatacja czasu) - oznacza zwolnienie tempa upływu czasu wraz ze wzrostem prędkości.
t` - zwolnienie czasu w układzie A względem układu B
t - czas w układzie B
v - prędkość układów względem siebie
c - prędkość światła
Jeżeli ze wzoru otrzymamy np. 0.5 oznacza to, że czas u obserwatora B płynie dwa razy wolniej niż u obserwatora A. Ma to miejsce przy V=270 tys. km/s. Pojęcie "względności jednoczesności zdarzeń" było podstawą rozumowania Einsteina. Oznaczało ono, że dane zdarzenie obserwowane przez obserwatora A i obserwatora B nie musi być równoczesne. Czas spostrzeżenia danego zdarzenia przez tych dwóch obserwatorów jest zależny od ich prędkości względem siebie.

Ogólna teoria wzgledności

1. Zagadnienia
Ogólna Teoria Względności była opracowywana przez Einsteina w latach 1907-1916. Jest ona przede wszystkim teorią grawitacji. Teoria ogólna jest rozwinięciem szczególnej teorii i odnosi się do układów, które poruszają się ruchem przyśpieszonym. Ogólna teoria względności stanowi podstawę całej dwudziestowiecznej kosmologii - między innymi wyjaśnia przesunięcie ku czerwieni widma galaktyk, które dowodzi, iż wszechświat się rozszerza, oraz tłumaczy powstanie czarnych dziur.

2. Postulat
Zasada równoważności - w danym punkcie przestrzeni efekty grawitacji i ruchu przyśpieszonego są równoważne i nie mogą być rozróżnione.Aby zrozumieć ogólną teorię względności, należy zacząć od tej zasady. Jak stwierdził Galileusz w swym słynnym doświadczeniu, ciała spadają na Ziemię z jednakowym przyśpieszeniem, niezależnym od ich masy. W tym sensie spadające ciała, duże i małe, Są "nieważkie" - ich masa nie wpływa na to, jak reagują na przyciąganie ziemskie. W rzeczywistości astronauci na orbicie nieustannie "spadają" na Ziemię, dzięki czemu są w stanie nieważkości. Gdy jednak ich statek kosmiczny opuszcza orbitę i przyśpiesza w kierunku odległej gwiazdy, astronauci czują ciężar. Przyczyną jest wtedy przyśpieszenie, a nie grawitacja. Zasada równoważności Einsteina mówi, że siły grawitacyjne i inercjalne, związane z przyśpieszeniem układu, są nieodróżnialne.

3. Wnioski
- deformacja orbit planet przez zmianę masy spowodowaną zmienną prędkością planety
- ugięcie wiązki światła w polu grawitacyjnym
- zwolniony rytm zegara w pobliżu dużych mas

Z zasady równoważności wynika, że przyciągnie grawitacyjne nie jest po prostu siłą, z jaką przyciągają się wzajemnie wszystkie ciała. Ciążenie należy uważać za skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę. Masa powoduje, że przestrzeń ma geometrię nieeuklidesową. Wprawdzie w warunkach, z jakimi spotykamy się na co dzień, ogólna teoria względności i prawo powszechnego ciążenia Newtona dają w zasadzie takie same wyniki, ale teoria Einsteina nie tylko opisuje eliptyczne orbity planet, lecz również tłumaczy pewne anomalie, takie jak precesja orbity Merkurego wokół Słońca.
Kilka lat po tym, jak Einstein opublikował ogólną teorię względności, została ona potwierdzona przez obserwacje astronomiczne. Już w 1911 r. Einstein przewidział, że promień światła gwiazdy, przelatując w pobliżu dużej masy - na przykład Słońca ulega ugięciu. Ugięcie można zaobserwować porównując położenie gwiazdy na niebie, gdy leży z dala od Słońca i gdy jej promienie przelatują tuż obok Słońca. Z ogólnej teorii względności wynika, że kąt ugięcia powinien być dwa razy większy, niż przewiduje teoria klasyczna, w której przestrzeń uważamy za płaską.
Przewidywania Newtona i Einsteina można porównać, obserwując położenie gwiazd podczas zaćmienia Słońca. Pierwsze próby zakończyły się niepowodzeniem, ale w 1919 r. za namową astronoma Arthura Eddingtona wyruszyły dwie ekspedycje angielskie, jedna do Brazylii, a druga na Wyspę Książęcą, u wybrzeży Afryki Zachodniej. Wyniki były jednoznaczne: analiza zdjęć dowiodła, że położenie gwiazd jest zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Einstein uzyskał z dnia na dzień międzynarodową sławę.

Powrót do strony głownej Ogłoszenie szczególnej i ogólnej teorii względności to,
według opinii Einsteina największe sukcesy w jego życiu.



Strona znajduje się na serwerze www.republika.pl
www.republika.pl