Relativistični zakon dodajanja hitrosti: definicija, singularnosti in formula

Klasična mehanika, katere zakone so oblikovali Newtons konec 17. stoletja, je bilo obravnavanih že skoraj dvesto let, da so vse pojasnjevalne in nepogrešljive. Do devetnajstega stoletja so se njegova načela zdela vsestranska in so bila osnova za fiziko. Vendar pa je v navedenem obdobju prišlo do novih dejstev, ki jih ni bilo mogoče pritiskati v znani okvir znanih zakonov. Sčasoma so prejeli drugačno razlago. To se je zgodilo s pojavom teorije relativnosti in skrivnostne znanosti o kvantni mehaniki. V teh disciplinah so radikalno spremenili vse predhodno sprejete zamisli o lastnostih časa in prostora. Zlasti relativistični zakon dodajanja hitrosti je izrecno dokazal omejitve klasičnih dogmov.

Enostavno dodajanje hitrosti: ko je mogoče?

Klasike Newtona v fiziki se še vedno štejejo za pravilne in njeni zakoni se uporabljajo za reševanje številnih problemov. Samo je treba upoštevati, da delujejo v svetu, na katerega smo navajeni, kjer hitrost različnih predmetov praviloma ni pomembna.

Predstavljajte si, da vlak vozi iz Moskve. Hitrost njenega gibanja je 70 km / h. In v tem času med potjo iz enega avtomobila v drugega potuje potnik, ki teče 2 metra v eni sekundi. Če želite vedeti, kakšen je hitrost njegovega gibanja v primerjavi s hišami in drevesi, je treba vlake, ki utripajo skozi okno, te hitrosti preprosto zložiti. Ker 2 m / s ustrezata 7,2 km / h, bo zahtevana hitrost 77,2 km / h.

Svet visoke hitrosti

Druga stvar je fotonov in nevtrinov, za njih veljajo popolnoma drugačna pravila. Za njih velja relativistični zakon dodajanja hitrosti, zgoraj navedeno načelo pa se za njih ne šteje za absolutno neuporabno. Zakaj?

Glede na posebno teorijo relativnosti (STR) se noben predmet ne more premakniti hitreje od svetlobe. V ekstremnih primerih je le s tem parametrom primerljiv le s primerjavo. Ampak, če za trenutek si predstavljajte (čeprav v praksi je to nemogoče), da je v prejšnjem primeru, je potniški vlak in premikanje na tak način, da je njihova hitrost glede na stacionarnih objektov na terenu, ki poteka s sestavo, je bilo ugotovljeno, da je skoraj dve svetlobe. In to ne bi smelo biti. Kako izračuna v tem primeru?

Relativistični zakon dodajanja hitrosti, znanega iz fizike 11. razreda, predstavlja spodnja formula.

Kaj to pomeni?

Če sta dva referenčna okvira, hitrost predmeta, glede na katero je V₁ in V₂, potem je za izračune mogoče uporabiti to razmerje, ne glede na vrednost določenih količin. V primeru, ko sta oba precej manjša hitrost svetlobe, imenovalec na desni strani, je skoraj enak 1. To pomeni, da je formula relativistična hitrosti dodajanja zakonom preoblikoval v najbolj navadnih, tj V.₂ = V₁ + V.

Prav tako je treba opozoriti, da ko V₁ = C (to je hitrost svetlobe), za vsako vrednost V, V₂ Ne presega te vrednosti, torej se izkaže, da je enaka C.

S področja fantazije

C je temeljna konstanta, njena magnituda je 299 792 458 m / s. Od časa Einsteina se domneva, da noben predmet v vesolju ne more presegati gibanja svetlobe v vakuumu. Tako lahko na kratko opišemo relativistični zakon dodajanja hitrosti.

Vendar pa pisci znanstvene fantastike tega niso hoteli sprejeti. Izumili in še naprej napišejo veliko neverjetnih zgodb, katerih znaki ovirajo tako organsko. V trenutku, njihove vesoljske ladje prehod na oddaljenih galaksij, ki so več tisoč svetlobnih let od Zemlje-starke, izbrisal uporabo vseh zakonih vesolja.

Toda zakaj je Einstein in njegovi privrženci prepričani, da se v praksi to ne more zgoditi? O tem bi morali govoriti, zakaj je meja svetlobe tako nedotakljiva in je relativistični zakon dodajanja hitrosti nedotakljiv.

Povezava vzrokov in učinkov

Svetloba je nosilec informacij. To je odraz realnosti vesolja. In svetlobni signali, ki dosežejo opazovalca, v njegovem pogledu ponovno ustvarjajo slike realnosti. To se dogaja v svetu, ki je običajen za nas, kjer vse potuje po svoji poti in se drži običajnih pravil. In smo iz rojstva navajeni na dejstvo, da ne more biti drugače. Ampak, če si predstavljate, da se je vse okoli spremenilo, in nekdo je šel v vesolje, ki je potoval s hitrostjo superlighta? Ker je pred fotoni svetlobe, ga svet prične gledati kot v filmu, ki se pomika nazaj. Namesto tega jutri pride za njim včeraj, potem včeraj in tako naprej. In jutri ne bo nikoli videl, dokler se ne ustavi, seveda.

Mimogrede, tako idejo so aktivno sprejeli pisci znanstvene fantastike, ki so ustvarili analogni časovni stroj po teh načelih. Njihovi junaki so padli v preteklost in potovali tam. Vendar pa so vzročno-posledični odnosi propadli. In očitno je, da je v praksi to skoraj nemogoče.

Drugi paradoksi

Razlog ne more priti pred preiskavo. To je v nasprotju z normalno človeško logiko, ker mora biti v vesolju. Vendar SRT prevzame druge paradokse. Oddaja, ki, čeprav je obnašanje predmetov predmet stroge definicije relativistična hitrost dodajanja prava je, natanko enaka hitrosti gibanja fotonov svetlobe pa je tudi nemogoče. Zakaj? Da, ker se čarobne preobrazbe začnejo izvajati v polnem pomenu. Masa se poveča za nedoločen čas. Dimenzije materialnega predmeta v smeri gibanja se neomejeno približujejo nič. Tudi sčasoma se motenj ni mogoče popolnoma izogniti. Čeprav se ne premika nazaj, ko pa se doseže hitrost svetlobe, se popolnoma ustavi.

Eclipse od Io

SRT trdi, da so fotoni svetlobe najhitrejši predmeti v vesolju. V tem primeru, kako ste izmerili svojo hitrost? Samo človeška misel je bila hitrejša. Tako dilemo je lahko rešila, posledica nje pa je bila relativistični zakon dodajanja hitrosti.

Podobna vprašanja so bila rešena tudi v Newtonovem času, zlasti leta 1676 danskega astronoma O. Remerja. Spoznal je, da je hitrost superzvezdne svetlobe mogoče določiti samo, če potuje dolge razdalje. Tak, kot je mislil, je mogoče le v nebesih. Kmalu se je pojavila tudi možnost, da se ta zamisel prenese v resničnost, ko je Remer opazoval, da teleskop mrči eno od Jupiterovih lun, ki se imenuje Io. Časovni interval med vhodom v temnenje in videzom v vidnem polju tega planeta je bil prvič približno 42,5 ure. In tokrat je vse približno ustrezalo predhodnim izračunimam glede na znano obdobje pretvorbe Io.

Nekaj ​​mesecev kasneje je Remer znova poskusil. V tem obdobju se je Zemlja preselila daleč stran od Jupitra. Izkazalo se je, da je Io zamudil, da bi 22 minut pokazal svoj obraz, v primerjavi s prejšnjimi predpostavkami. Kaj to pomeni? Razlaga je bila, da satelit sploh ni obstajal, vendar so mu svetlobni signali vzeli nekaj časa, da bi premagali znatno razdaljo do Zemlje. Po izračunu na podlagi teh podatkov je astronom ocenil, da je hitrost svetlobe zelo pomembna in je približno 300 000 km / s.

Izkušnje Fizeau

Umetnik relativističnega zakona dodajanja hitrosti - Fizeauov poskus, ki je nastal skoraj dve stoletji pozneje, je pravilno potrdil ugibanja Remerja. Le slaven francoski fizik je leta 1849 opravil laboratorijske eksperimente. In za njihovo izvedbo je bil izumljen in izdelan celoten optični mehanizem, katerega analog je viden na spodnji sliki.

Lučka je prišla iz vira (to je bila 1. stopnja). Nato se je od plošče (stopnja 2) odbila, ki je potekala med zobmi vrtljivega kolesa (stopnja 3). Potem so žarki udarili v ogledalo, ki se nahaja na precejšnji razdalji, merjeno v vrednosti 8,6 kilometrov (stopnja 4). Na koncu se je svetloba odbila nazaj skozi zob kolesa (stopnja 5), ​​padla v oči opazovalca in ga popravila (stopnja 6).

Kolo se je vrtelo pri različnih hitrostih. Pri počasnem gibanju je bila vidna svetloba. Z naraščajočo hitrostjo, žarki začeli izginiti, ne da bi dosegli gledalca. Razlog je v tem, da je bilo potrebno premakniti žarke, vendar so se v določenem obdobju zobje kolesa nekoliko pomikale. Ko hitrost vrtenja spet dvigne, svetloba spet doseže opazovalca oko, ker zdaj zobje, premikanje spet hitreje dovoljeno žarki prodrejo skozi odprtine.

Načela SRT

Relativistično teorijo je leta 1905 prvič predstavil Einsteinu. Poudarek tega dela je opis dogodkov, ki se odvijajo v različnih referenčnih sistemih, obnašanje magnetnih in elektromagnetnih polj, delcev in predmetov med gibanjem, je najbolj primerljiv s svetlobno hitrostjo. Veliki fizik je opisal lastnosti časa in prostora ter upošteval tudi vedenje drugih parametrov, velikosti fizičnih teles in njihovih mas pod določenimi pogoji. Med osnovnimi načeli je Einstein imenoval enakost kakršnega koli inertnega referenčnega okvira, torej pomeni podobnost procesov v njih. Drug postulat relativistične mehanike je zakon dodajanja hitrosti v novi, nonclassični različici.

Prostor, po tej teoriji, se zdi kot praznina, v kateri deluje vse drugo. Čas je opredeljen kot vrsta kronologije tekočih procesov in dogodkov. Prav tako se prvič imenuje kot četrta dimenzija prostora, ki se zdaj imenuje "prostor-čas".

Lorentzove transformacije

Potrdite relativistični zakon dodajanja stopenj transformacije Lorentza. Zato je običajno, da pokličete matematične formule, ki so v končni različici predstavljene spodaj.

Ti matematični odnosi zavzemajo osrednje mesto v teoriji relativnosti in služijo za preoblikovanje koordinat in časa, ki so napisani za prostor s štirimi kraji. Zgornje formule so podali predlog Henrija Poincareja, ki je pri razvijanju matematičnega aparata za teorijo relativnosti sposodil nekaj idej iz Lorentza.

Takšne formule ne dokazujejo le nemožnosti premagovanja nadzavestne pregrade, ampak tudi nedotakljivosti načela vzročnosti. Po njih je bilo mogoče matematično upravičiti upočasnitev časa, skrajšanje dolžine predmetov in drugih čudežev, ki se odvijajo v svetu izjemno visokih hitrosti.