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)


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.


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


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)


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.


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.


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


2

2

0

1cv

tt

Względność przestrzeni

Wymiary ciała ulegają skróceniu w kierunku ruchu

Kontrakcja Fitzgeralda–Lorentza


2

2

0 1c

vll

Paradoks bliźniąt

Czas w „poruszającym się” układzie płynie wolniej…


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


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:


2

2

0

1cv

mm

2mcE

Instytut Filozofii UMCS

kierunki studiów

filozofia

kognitywistyka

europeistyka

www.filozofia.umcs.lublin.pl

Documents

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