Co to jest teoria względności? Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania

Co to jest teoria względności?

Andrzej Łukasik

Zakład Ontologii i Teorii Poznania

Instytut Filozofii UMCS

http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik

www.filozofia.umcs.lublin.pl

Czym nie jest teoria względności…

Nie głosi, że „wszystko jest względne”.

Nie ma żadnego związku z filozoficznym relatywizmem („prawda jest względna”).

Nie obaliła fizyki Newtona (ale wykazała granice jej stosowalności).

Nie jest prawdą, że „tylko trzech ludzi rozumie teorię względności”.

Nie jedna, ale dwie teorie względności:

szczególna teoria względności – współczesna teoria czasu i przestrzeni (special relativity)

ogólna teoria względności – Einsteina teoria grawitacji

(general relativity)

Stanowi obok mechaniki kwantowej jedną z fundamentalnych teorii fizyki.

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Geneza teorii względności

Każda teoria naukowa jest rozwiązaniem pewnego problemu.

Fizyka klasyczna (Newton, 1687)

zasada względności Galileusza: ruch jest względny

prędkość ciała zależy od układu odniesienia (pojęcie absolutnego spoczynku nie ma fizycznego sensu)

Przykład: v pociągu = 100 km/h; u’ pasażera względem pociągu = 5 km/h

u = 100 + 5 = 105 km/h (pasażer idzie zgodnie z kierunkiem ruchu pociągu)

u = 100 – 5 = 95 km/h (pasażer idzie przeciwnie do kierunku ruchu pociągu)

www.umcs.filozofia.lublin.pl

vuu '

Problem: ruch Ziemi względem eteru

James Clerk Maxwell (1864) – elektrodynamika klasyczna

światło jest falą elektromagnetyczną rozchodzącą się w eterze

Prędkość światła powinna zależeć od kierunku ruchu (zgodnie z zasadą względności Galileusza; por. pasażer w pociągu)

Ziemia porusza się względem Słońca z prędkością v = 30 km/s.

www.umcs.filozofia.lublin.pl

vcc '

vcc '

Eksperyment Michelsona–Morley’a

Istota eksperymentu: v Ziemi = 30 km/s; c = 300 000 km/s

Pomiary prędkości światła powinny dawać 300 000 + 30 km/s lub 300 000 – 30 km/s

Rezultaty: zawsze c = 300 000 km/s niezależnie od ruchu Ziemi!

Albert A. Michelson Edward Morley

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Szczególna teoria względności

Albert Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Kőrper, „Annalen der Physik” 1905, 17, s. 891-921 (O elektrodynamice ciał w ruchu)

„bezowocne usiłowania wykrycia

ruchu Ziemi względem eteru sugerują,

że zjawiska elektromagnetyczne,

podobnie jak mechaniczne nie mają

żadnych własności odpowiadających

idei absolutnego spoczynku”

(Albert Einstein)

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Szczególna zasada względności

1. Postulat względności: prawa fizyki są takie same we wszystkich inercjalnych układach odniesienia (rozszerzenie zasady względności

Galileusza na zjawiska elektromagnetyczne)

2. Postulat stałości prędkości światła w próżni: prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich układach odniesienia.

c = 299 792 458 m/s = ok. 300 000 km/s

np. dystans Księżyc – Ziemia światło pokonuje w ok. 1 s.

Słońce – Ziemia ok. 8 min. 21 s.

od najbliższej gwiazdy (Proxima Centauri) ok. 4 lata

Prędkość światła w próżni jest maksymalną prędkością w przyrodzie. Żadne ciało nie może osiągnąć prędkości światła.

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Względność równoczesności

Równoczesność zdarzeń zależy od układu odniesienia.

Dwa zdarzenia równoczesne dla obserwatora w poruszającym się układzie odniesienia

(np. w jadącym pociągu) nie są równoczesne dla obserwatora w układzie spoczywającym

(np. związanym z torami kolejowymi).

Nie ma sensu pojęcie absolutnej równoczesności (bez względu na układ odniesienia).

W układzie pociągu: światło dotrze do obu końców wagonu równocześnie.

W układzie torów: światło dotrze najpierw do części tylniej a później do części przedniej.

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Względność czasu

Czas w poruszającym się układzie odniesienia płynie wolniej

(zegar w poruszającym się układzie odniesienia chodzi wolniej

w stosunku do zegara w układzie spoczywającym).

Dylatacja czasu

www.umcs.filozofia.lublin.pl

2

2

0

1cv

tt

Względność przestrzeni

Wymiary ciała ulegają skróceniu w kierunku ruchu

Kontrakcja Fitzgeralda–Lorentza

www.umcs.filozofia.lublin.pl

2

2

0 1c

vll

Paradoks bliźniąt

Czas w „poruszającym się” układzie płynie wolniej…

www.umcs.filozofia.lublin.pl

2

2

0

1cv

tt

Czasoprzestrzeń

Newton – absolutny czas i absolutna przestrzeń

Szczególna teoria względności –

powiązanie czasu i przestrzeni

w czterowymiarową czasoprzestrzeń

Minkowskieo

zdarzenia Z (x, y, z, t)

Interwał czasoprzestrzenny

ds2 > 0 – interwał czasowy

ds2 = 0 – interwał zerowy

ds2 < 0 – interwał przestrzenny („gdzie indziej”)

Zdarzenia nie mogą być połączone związkiem

przyczynowo-skutkowym)www.umcs.filozofia.lublin.pl

222222 dzdydxtdcds

Interwał czasoprzestrzenny jest niezmienniczy

względem transformacji układu współrzędnych

efekty teorii względności mają znaczenie dla bardzo

dużych prędkości (porównywalnych z c)

dla małych prędkości stosujemy nadal fizykę Newtona

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Czas jest względny

Przestrzeń jest względna

Czasoprzestrzeń jest absolutna

Czas jest absolutny

Przestrzeń jest absolutna

Równoważność masy i energii

Masa ciała zależy od prędkości:

Masa i energia są sobie równoważne:

www.umcs.filozofia.lublin.pl

2

2

0

1cv

mm

2mcE

Instytut Filozofii UMCS

kierunki studiów

filozofia

kognitywistyka

europeistyka

www.filozofia.umcs.lublin.pl