Относительность одновременности и преобразования лоренца кратко

Обновлено: 02.07.2024

1. Если в одной системе отсчета некоторые события происходят в точках x₁ и x₂ в один и тот же момент времени t, то в другой системе отсчета эти события происходят в точках x'₁ и x'₂ в разные моменты времени t'₁ и t'₂:

Понятие одновременности оказывается зависящим от выбора системы отсчета.

2. Если в одной системе отсчета между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке, проходит время t, то в другой системе отсчета между этими же событиями проходит время

Это соотношение выражает релятивистский эффект замедления времени в движущихся объектах.

3. Если в одной системе отсчета покоящаяся линейка имеет длину l, то в системе отсчета, в которой линейка движется со скоростью u вдоль своей оси, ее длина

Этот эффект называется релятивистским сокращением продольных размеров тела. Поперечные размеры тела не изменяются при переходе в другие инерциальные системы отсчета.

4. Если в одной системе отсчета тело имеет скорость v = (v_x, v_y, v_z), то его скорость v' = (v'_x, v'_y, v'_z) в другой системе отсчета равна

или в трехмерной векторной форме

5. Из соотношений (n4), (n5) следует постоянство скорости c в различных системах отсчета. Действительно, если вычислить сумму квадратов левых частей этих равенств при условии

Т. е. скорость c одинакова по величине во всех инерциальных системах отсчета (независимо от направления). Заметим, что направления скоростей v и v' в общем случае различны в разных системах отсчета.

1. Относительность одновременности. Пусть в системе К в точках с координатами х₁ и х₂ в моменты времени t₁ и t₂ происходят два события. В системе К΄ им соответствуют координаты и и моменты времени и . Если события в системе К происходят в одной точке (х₁=х₂) и являются одновременными (t₁=t₂), то, согласно преобразованиям Лоренца,

т.е. эти события являются одновременными и пространственно совпадающими для любой инерциальной системы отсчета.

Если события в системе К пространственно разобщены (х₁ ≠ х₂), но одновременны (t₁=t₂), то в системе К΄, согласно преобразованиям Лоренца,

Таким образом, в системе К΄ эти события, оставаясь пространственно разобщенными, оказываются и неодновременными.

2. Длительность событий в разных системах отсчета. Пусть в некоторой точке А с координатой х, покоящейся относительно системы К, происходит событие, длительность которого (разность показаний часов в конце и начале события) , где индексы 1 и 2 соответствуют началу и концу события. Длительность этого же события в системе К΄

Таким образом, или ,

т.е. длительность события, происходящего в некоторой точке, наименьшая в той инерциальной системе отсчета, относительно которой эта точка неподвижна. Следовательно, часы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета, идут медленнее покоящихся часов, т.е. ход часов замедляется в системе отсчета, относительно которой часы движутся.

3. Длина тел в разных системах отсчета. Рассмотрим стержень, расположенный вдоль оси x΄ и покоящийся относительно системы К΄. Длина стержня в системе К΄ равна , где , - не изменяющиеся со временем t΄ координаты начала и конца стержня; индекс 0 показывает, что в системе К΄ стержень покоится. Определим длину стержня в системе К, относительно которой он движется со скоростью v. Для этого необходимо измерить координаты концов стержня х₁ и х₂ в системе К в один и тот же момент времени t. Их разность и даст длину стержня в системе К:

Таким образом, размер тела, движущегося относительно инерциальной системы отсчета, уменьшается в направлении движения в раз, т.е. лоренцево сокращение длины тем больше, чем больше скорость движения.

4. Релятивистский закон сложения скоростей. Пусть материальная точка движется в системе К΄ вдоль оси x΄, а система К΄ движется относительно К со скоростью v (оси х и x΄ совпадают). Тогда

Произведя вычисления, получим релятивистский закон сложения скоростей:

Если скорости v, малы по сравнению со скоростью света, то эти формулы переходят в привычный закон сложения скоростей в классической механике. Релятивистский закон сложения скоростей не противоречит второму постулату Эйнштейна: если то , т.е. скорость с – предельная скорость, которую невозможно превысить.

Таким образом, или ,

Произведя вычисления, получим релятивистский закон сложения скоростей:

Ранее мы уже изучили формулы, называемые классическими преобразованиями Галилея, однако они несовместимы с постулатами специальной теории относительности (СТО). Поэтому в данном случае нам нужно использовать другие положения. Благодаря новым преобразованиям мы сможем установить, какая связь существует между некоторым моментом события t , наблюдаемого в системе отсчета K в точке с координатами ( x , y , z ) и показателями того же события, которое наблюдается в системе отсчета K ' .

Преобразования Лоренца представляют собой кинематические формулы, с помощью которых происходит преобразование координат и времени в специальной теории относительности.

Они были впервые сформулированы еще в 1904 году в качестве преобразований, относительно которых были инвариантны уравнения электродинамики.

Обозначим основные системы K и K ' , скорость их движения – υ , а ось, вдоль которой они движутся – x . В таком случае преобразования Лоренца примут следующий вид:

K ' → K x = x ' + υ t ' 1 - β 2 , y = y ' , z = z ' , t = t ' + υ x ' / c 2 1 - β 2 . K → K ' x ' = x - υ t 1 - β 2 , y ' = y , z ' = z , t ' = t - υ x / c 2 1 - β 2 .

Используя эти формулы, мы можем вывести из них множество следствий. Так, именно из системы преобразований Лоренца следует лоренцево сокращение длины и релятивистский эффект замедления времени.

Возьмем случай, когда в системе K ' происходит некий процесс, длительность которого составляет τ 0 = t ' 2 – t ' 1 (по собственному времени). Здесь t ' 1 и t ' 2 – это время на часах в начале данного процесса и в его конце. Чтобы вычислить его общую продолжительность в точке x , необходимо взять для расчета следующую формулу:

τ = t 2 - t 1 = t ' 2 + υ x ' / c 2 1 - β 2 - t ' 1 + υ x ' / c 2 1 - β 2 = t ' 2 - t ' 1 1 - β 2 = τ 0 1 - β 2 .

Формула релятивистского сокращения длины выводится из преобразований Лоренца точно таким же образом.

Принцип относительности одновременности

Еще одно важное следствие, которое необходимо знать, – это положение о том, что любая одновременность относительна.

Например, если в системе отсчета K ' взять две разные точки, в которых некий процесс будет протекать одновременно (с позиции стороннего наблюдателя), то в системе наблюдатель будет иметь следующее:

x 1 = x ' 1 + υ t ' 1 - β 2 , x 2 = x ' 2 + υ t ' 1 - β 2 ⇒ x 1 ≠ x 2 , t 1 = t ' + υ x ' 1 / c 2 1 - β 2 , t 2 = t ' + υ x ' 2 / c 2 1 - β 2 ⇒ t 1 ≠ t 2 .

Из этого вытекает пространственная разобщенность данных событий в системе K , следовательно, они не могут считаться одновременными. Нельзя сразу сказать, какое событие будет происходить первым, а какое вторым, поскольку это определяется особенностями системы отсчета – знак разности будет определен знаком выражения υ ( x ' 2 – x ' 1 ) .

Если между событиями имеется причинно-следственная связь, то данный вывод специальной теории относительности для них использовать нельзя. Однако мы можем показать, что при этом не нарушается принцип причинности, и события следуют в нужном порядке в любой инерциальной системе отсчета.

Разберем пример, показывающий, что одновременность разобщенных в пространстве событий является относительной.

Возьмем систему отсчета K ' и расположим в ней длинный жесткий стержень. Его положение будет неподвижным и ориентированным вдоль оси абсцисс. Установим на оба его конца часы, синхронизированные между собой, а в центр поместим импульсную лампу. Также у нас будет система K ' , совершающая движение вдоль оси x в системе K .

В определенный момент времени лампа включится и пошлет световые сигналы в направлении обоих концов жесткого стержня. Поскольку она находится точно в центре, эти сигналы должны дойти до концов в одно и то же время t , которое должно быть зафиксировано расположенными на них часами. Однако концы стержня движутся относительно системы K так, что один конец стремится навстречу световому сигналу, а другой конец свету приходится догонять. Скорость света, распространяющегося в оба направления, одинакова, но сторонний наблюдатель скажет, что до левого конца свет дошел быстрее, чем до правого.

Рисунок 4 . 4 . 1 . Иллюстрация принципа относительности одновременности: достижение световым импульсом концов стержня в системе K ' в одно и то же время и в системе K в разное.

Инвариантные величины в СТО

Данные преобразования нужны нам для выражения относительного характера временных промежутков и промежутков расстояний. Вместе с тем в специальной теории относительности помимо утверждения относительного характера времени и пространства очень важно установить инвариантные физические величины, не изменяющиеся при смене системы отсчета. Подобной величиной является скорость света в вакууме, чей характер в рамках СТО становится абсолютным. Также важна такая величина, как интервал между событиями, поскольку именно она выражает абсолютность пространственно-временной связи.

Для вычисления пространственно-временного интервала необходимо использовать следующую формулу:

s 12 = c 2 t 12 2 - l 12 2 .

В ней с помощью параметра l 12 выражено расстояние между точками одной системы, где совершаются события, а t 12 – это временной промежуток между теми же самыми событиями. Если местом одного из событий является начало координат, т.е. x 1 = y 1 = z 1 = 0 и ( t 1 = 0 ) , а второе происходит в точке с координатами x , y , z в некоторое время t , то формула вычисления пространственно-временного интервала между ними записывается так:

s = c 2 t 2 - x 2 - y 2 - z 2 .

Преобразования Лоренца дают нам возможность доказать неизменность пространственно-временного интервала между событиями при смене инерциальной системы.

Если величина интервала не зависит от того, какая система отсчета используется, т.е. является объективной при любых относительных расстояниях и временных промежутках, то такой интервал называется инвариантным.

Допустим, что у нас есть событие (вспышка света), которое произошло в точке начала координат в некоторой системе во время, равное 0 , а потом свет переместился в другую точку с координатами x , y , z во время t . Тогда мы можем записать следующее:

x 2 + y 2 + z 2 = c 2 t 2 .

У нас получилось, что интервал этой пары событий будет равен нулю. Если мы поменяем систему координат и возьмем другое время для второго события, то результаты окажутся точно такими же, поскольку:

x 2 + y 2 + z 2 = c 2 t 2

Иначе говоря, любые два события, которые связывает между собой световой сигнал, будут иметь нулевой пространственно-временной интервал.

Также формулы Лоренца для времени и координат можно использовать для выведения релятивистского закона сложения скоростей.

Например, у нас есть частица, которая находится в системе отсчета K ' и движется в ней вдоль оси абсцисс со скоростью u ' x = d x ' d t ' . Параметры скорости u ' x и u ' равны 0 . В системе K , соответственно, скорость будет равна u x = d x d t .

Применим к одной из формул преобразования Лоренца операцию дифференцирования и получим следующее:

u x = u ' x + υ 1 + υ c 2 u ' x , u y = 0 , u z = 0 .

Данные отношения являются выражением релятивистского закона сложения скоростей. Он применим в случае движения частицы параллельно относительной скорости υ → в системах отсчета K и K ' .

Если υ ≪ c , то релятивистские отношения могут быть преобразованы в формулы классической механики:

u x = u ' x + υ , u y = 0 , u z = 0 .

Если мы имеем дело со световым импульсом, распространяющимся в системе K ' вдоль оси x ' со скоростью u ' x = c , то в этом случае применима следующая формула:

u x = c + υ 1 + υ / c = c , u y = 0 , u z = 0 .

Иначе говоря, скорость распространения светового импульса в системе K вдоль оси x также будет равна c , что соответствует постулату об инвариантности скорости света.

Одним из следствий постулатов Специальной Теории Относительности является вывод об относительности времени. Ход времени неабсолютен, и зависит от Системы Отсчета. Кратко рассмотрим теорию относительности времени Эйнштейна.

Одновременность событий

Одновременными называют события, которые произошли в один и тот же момент времени. Когда эти события произошли рядом – установить одновременность несложно. Однако, когда события удалены друг от друга в пространстве – проверить одновременность сложнее. Для того, чтобы информация о произошедшем событии достигла наблюдателя, требуется некоторое время, а значит, наблюдатель получит информацию о событии позже его совершения. Если таких событий несколько, то узнать, одновременно ли они произошли или нет, можно только расчетным путем, учтя скорость движения сигнала и расстояние до события.

При небольших скоростях проблемы не возникает. Так, например, если мы слышим звук сразу двух выстрелов, пришедших с разных сторон, то мы заключаем, что они были одновременны, если расстояния до источников были одинаковы. По тому же принципу определяется расстояние до молнии.

Рис. 1. Определение расстояния до молнии.

Если источники звука и наблюдатель двигаются – это усложняет расчеты, однако, не создает противоречий, одновременность событий определяется однозначно.

Относительность одновременности

Однако, для больших скоростей ситуация меняется. Скорость света для всех Систем Отсчета постоянна. Следствием этого является лоренцево сокращение длины движущегося тела, описываемое следующими формулами:

Рис. 2. Преобразования Лоренца.

Но, если скорость сигнала одинакова, а расстояния разные, то вычисление момента, когда произошло событие, даст разные результаты. События, произошедшие одновременно для одной Системы Отсчета, оказываются неодновременными для другой. Более того, с точки зрения внешнего наблюдателя, в быстро движущейся ракете происходит замедление хода времени.

Рассмотрим классический пример.

На быстро летящей ракете установлены две вспышки – на носу и на корме. В центре ракеты – наблюдатель. Также имеется покоящийся наблюдатель вне ракеты. Обе вспышки дают сигналы, которые достигают наблюдателя в центре ракеты одновременно. Расстояние до вспышек одинаково, скорость света одинакова, следовательно, наблюдатель в ракете делает вывод, что и вспышки произошли одновременно.

А вот с точки зрения внешнего наблюдателя произошло все иначе. Если покоящийся наблюдатель также увидит одновременное достижение вспышками центра ракеты (допустим, как раз в это время центр ракеты поравнялся с ним), то с его точки зрения, сигналу от носа ракеты надо было пройти расстояние меньше половины ракеты, а сигналу от кормы ракеты надо было пройти расстояние больше. Скорость света одинакова, значит, вспышка на корме произошла раньше.

Внешний наблюдатель может зафиксировать одновременность сигналов вспышек. Но, тогда, по его мнению, сигналы достигнут центра ракеты неодновременно, сигналу от носа ракеты требуется пройти меньшее расстояние, он придет раньше. Хотя, движущийся наблюдатель будет не согласен, по его мнению, сигналы достигнут его одновременно.

Рис. 3. Одновременность событий.

Что мы узнали?

Одним из следствий постулатов Теории Относительности является относительность понятия одновременности. Из-за того, что максимальная скорость распространения сигнала для всех Систем Отсчета одинакова, отрезки времени, измеренные по часам в покоящихся и движущихся Системах Отсчета, будут разными. События, одновременные в одной Системе Отсчета, будут неодновременными в другой.

Читайте также: