Специална теория на относителността
⚡ 16-годишният Алберт Айнщайн си представя, че препуска до със същата скорост. Би ли видял „замръзнала“ ? Уравненията на Максуел казват, че такова нещо не съществува. Десет години по-късно, през 1905 г., младият служител в патентното бюро в Берн публикува решението: скоростта на светлината е една и съща за всички. Цената е висока – времето и пространството престават да бъдат абсолютни. Днес тази теория работи всеки ден в GPS навигацията на телефона ви, в ускорителите на частици и в струите на .
1. Двата постулата
Специалната теория на относителността (СТО) описва как изглеждат пространството и времето за наблюдатели, които се движат един спрямо друг с постоянна скорост. При скорости, близки до скоростта на светлината, законите на Нютон престават да бъдат точни.
Постулатите на Айнщайн (1905)
Няма експеримент, с който да определим дали се движим равномерно или стоим неподвижно. Ако от ракета, летяща с 0,5c, светнем с фенерче напред, светлината пак ще се движи с , а не с 1,5c – както за космонавтите, така и за нас на Земята. Именно второто твърдение налага времето и пространството да бъдат относителни. Опитът на Майкелсън и Морли (1887 г.) не открива никаква разлика в скоростта на светлината при движението на Земята.
2. Лоренцовият фактор
Лоренцов фактор
Как расте γ със скоростта
Плъзгачът управлява и диаграмата на ракетата в т. 4.
γ ≈ 1,005
γ ≈ 1,25
γ ≈ 1,67
γ ≈ 7,09
γ ≈ 70,7
3. Забавяне на времето
Забавяне на времето
Светлинният часовник
Фотон подскача между две огледала – всяко „отиване и връщане“ е един тик. Гледан от Земята, часовникът в летящата ракета прави фотона да изминава по-дълъг, диагонален път. А скоростта на светлината е една и съща…
За половин тик фотонът в ракетата изминава хипотенузата: (c·Δt/2)² = h² + (v·Δt/2)², откъдето Δt = γ · 2h/c = γΔt₀. Всички процеси в ракетата – часовници, сърцето на космонавта, разпадът на частици – вървят точно толкова по-бавно. А за космонавта всичко е нормално: за него бавно вървят часовниците на Земята!
Пример
Мюон има собствено време на живот 2,2 µs и се движи с 0,995c. Какво разстояние изминава средно според земен наблюдател?
- Без относителност:
- Със СТО: – десет пъти повече. Мюоните, родени на 15 km, имат реален шанс да стигнат до земята
Мюоните от космическите лъчи
Космическите лъчи се удрят в горната атмосфера и раждат мюони – нестабилни частици, които живеят средно 2,2 µs. Колко от тях стигат до земята?
Дори със скоростта на светлината мюон би изминал средно само 660 m за 2,2 µs – без относителността до земята щяха да стигат практически нула. А в действителност през всеки квадратен метър всяка секунда минават около 170 мюона от космическите лъчи – през дланта ви по един в секунда, точно сега! Това е проверено през 1941 г. (Роси и Хол) и прецизно през 1963 г. (Фриш и Смит).
4. Свиване на дължините
Свиване на дължините
Ракета в покой и в движение (v = 0,6c)
Свиването е само по посока на движението – височината на ракетата не се променя. От гледна точка на мюона не времето му се забавя, а разстоянието до Земята се свива от 15 km до около 1,5 km. Двете описания дават един и същ резултат.
5. Пътуване до звездите и парадоксът на близнаците
Забавянето на времето прави възможно (поне на теория) да стигнем далечни звезди за един човешки живот – за пътешественика. На Земята обаче ще минат десетилетия или векове.
Пример
Близнак лети до Проксима Кентавър (4,24 св. г.) и обратно с 0,8c. С колко остарява всеки от близнаците?
- На Земята: години
- Пътешественикът: години – той се връща с 4,2 години по-млад от брат си
Парадоксът на близнаците
Единият близнак лети до звезда и се връща. Диаграмата на Минковски: хоризонтално е разстоянието, вертикално – времето на Земята. Светлината се движи по линии под 45°.
Всеки близнак вижда часовника на другия да върви бавно, докато се движат равномерно. Но само пътешественикът спира и обръща – затова той наистина е по-млад при срещата. Ефектът е измерен с атомни часовници в самолети (Хафеле и Кийтинг, 1971 г.).
6. Събиране на скоростите
Релативистко събиране на скоростите
Пример
Кораб се движи с 0,5c и изстрелва сонда напред с 0,5c спрямо себе си. Колко е скоростта на сондата спрямо Земята? А ако вместо сонда изпрати светлинен лъч?
- Сонда: , а не 1c
- Светлина: – точно според втория постулат
7. Маса и енергия:
Еквивалентност на маса и енергия
Защо свети Слънцето?
В ядрото на Слънцето 4 се сливат в едно хелиево ядро (виж „Слънцето“). Хелиевото ядро е с около 0,7% по-леко от четирите протона – тази „изчезнала“ маса се превръща в енергия по формулата . Така Слънцето губи около 4 милиона тона маса всяка секунда и въпреки това ще свети още около 5 милиарда години.
8. СТО в астрономията
Релативистки ефект на Доплер
„По-бързо от светлината“: струите на квазарите
Плазма излита от ядрото на галактика почти със скоростта на светлината, под малък ъгъл към нас. Петното почти „догонва“ собствената си светлина – затова на небето изглежда, че се движи по-бързо от c.
Видимата скорост е β_вид = β sin θ / (1 − β cos θ). Нищо не се движи по-бързо от светлината – просто по-късните петна са по-близо до нас и светлината им идва „на по-кратък път“. Хъбъл е видял петна в струята на M87, които се движат с ~6c. Освен това излъчването на приближаващата се струя е силно усилено (релативистки Доплер), а на отдалечаващата се – отслабено: затова често виждаме само едната струя.
☄️ Космически лъчи
Протони с над – най-енергичните частици, наблюдавани във Вселената. За такъв протон (100 000 св. г.) е свит до ~3 милиона km и го прелита за ~10 секунди по собствения си часовник!
🛰️ GPS
Часовниците на спътниците изостават с ~7 µs на ден заради скоростта си (СТО) и избързват с ~45 µs заради по-слабата гравитация (обща теория). Без корекцията от +38 µs/ден грешката в позицията би расла с ~10 km на ден.
Специална или обща теория?
Специалната теория (1905) разглежда без гравитация. Общата теория на относителността (1915) обяснява гравитацията като изкривяване на пространство-времето и е нужна за черните дупки, (виж „Тъмна материя“) и (виж „Методи за наблюдение“).
9. 🎯 Бърз тест
Какво твърди вторият постулат на Айнщайн?
10. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
11. Обобщение
- ✓ Постулати: физиката е една и съща за всички наблюдатели; е еднаква за всички
- ✓ Лоренцов фактор:
- ✓ Забавяне на времето: – мюоните, GPS, близнаците
- ✓ Свиване на дължините:
- ✓ Събиране на скоростите: – никога над
- ✓ Маса и енергия: – източникът на енергия на звездите
- ✓ В астрономията: релативистки Доплер, „свръхсветлинни“ струи, космически лъчи
💡Интересен факт
Астронавтите на Международната космическа станция се движат с около . Само заради скоростта си след 6 месеца в орбита те са остарели с около 0,005 секунди по-малко от хората на Земята. Рекордьорът по време в космоса Олег Кононенко (над 1100 дни) е „пътувал във времето“ с около 0,03 секунди напред!