Relativistický zákon přidávání rychlostí: definice, singularita a vzorec

Klasická mechanika, jejíž zákony byly formulovány Newtony na konci 17. století, byly po téměř dvě stě let považovány za vysvětlující a neomylné. Až do devatenáctého století se její principy zdály všudypřítomné a staly se základem fyziky. Během stanoveného období se však začaly objevovat nové skutečnosti, které se nemohly stlačit do známého rámce známých zákonů. Časem obdrželi jiné vysvětlení. Toto se stalo s příchodem teorie relativity a tajemné vědy o kvantové mechanice. V těchto oborech byly radikálně revidovány všechny dříve přijaté představy o vlastnostech času a prostoru. Zejména relativistický zákon o přidání rychlosti výmluvně dokázal omezení klasických dogmat.

Jednoduché přidání rychlosti: pokud je to možné?

Klasiky Newtona ve fyzice jsou stále považovány za správné a jeho zákony se používají k řešení mnoha problémů. Jen mějte na paměti, že jednají v běžném světě, kde je rychlost různých objektů, zpravidla nejsou významné.

Představte si, že vlak přichází z Moskvy. Rychlost pohybu je 70 km / h. A právě v průběhu pohybu z jednoho auta do druhého cestuje cestující, běžící 2 metry za sekundu. Chcete-li znát rychlost svého pohybu ve vztahu k domům a stromům, vlakům, které blikají za oknem, měly by být tyto rychlosti jednoduše přeloženy. Vzhledem k tomu, že 2 m / s odpovídají rychlosti 7,2 km / h, požadovaná rychlost bude 77,2 km / h.

Svět vysokých rychlostí

Další věc jsou fotony a neutriny, podléhají zcela odlišným pravidlům. Pro ně platí zákon relativistického přidávání rychlostí a výše uvedený princip je pro ně zcela nepoužitelný. Proč?

Podle speciální teorie relativity (SRT), každý objekt může pohybovat rychlostí rychleji než světlo. Jedná se o poslední možnost pouze moci být zhruba srovnatelný s tímto parametrem. Ale pokud se na chvíli si představit, (i když v praxi je to možné), že v předchozím příkladu, osobní vlak a pohybovat takovým způsobem, že jejich rychlost vzhledem k stacionárních objektů na zemi, která prochází od složení, bylo zjištěno, že téměř dva lehké. A to by nemělo být. Jak se výpočty v tomto případě?

Relativistický zákon o přidávání rychlostí známých z průběhu fyziky 11. třídy je reprezentován níže uvedeným vzorem.

Co to znamená?

Pokud existují dva referenční rámce, rychlost objektu, s ohledem na které V₁ a V₂, pak pro výpočty je možné použít tento poměr bez ohledu na hodnotu určitých veličin. V případě, kdy oba jsou mnohem menší rychlost světla, jmenovatel na pravé straně je téměř roven 1. To znamená, že přípravek podle předloženého relativistické přidávání rychlosti práva je transformován do nejvíce běžné, tj V₂ = V₁ + V.

Je třeba také poznamenat, že když V₁ = C (tj. Rychlost světla) pro libovolnou hodnotu V, V₂ Tato hodnota nepřekračuje tuto hodnotu, to znamená, že se také rovná C.

Z oblasti fantazie

C je základní konstanta, její velikost je 299 792 458 m / s. Od doby Einsteina se věří, že žádný objekt ve vesmíru nemůže ve větru překonat pohyb světla. Takto můžete krátce definovat relativistický zákon přidávání rychlostí.

Spisovatelé sci-fi však nechtěli toto přijmout. Vynalezli a pokračují v psaní spousty úžasných příběhů, jejichž postavy vyvracejí takové organické. V okamžiku, jejich kosmické lodě přesunout do vzdálených galaxií, které jsou tisíce světelných let od Země-stará žena, ničit pomocí všech zákonů vesmíru.

Ale proč je Einstein a jeho následovníci přesvědčeni, že v praxi se to nemůže stát? Měli bychom mluvit o tom, proč je limit světla tak nedotknutelný a že relativistický zákon přidávání rychlostí je nedotknutelný.

Vztah příčin a účinků

Světlo je nositelem informací. Je to odraz skutečnosti vesmíru. A světelné signály oslovené pozorovatelem znovu vytvářejí obrazy reality. Stává se to ve světě, který je pro nás obvyklé, kde všechno jde vlastním způsobem a řídí se obvyklými pravidly. A jsme z narození zvyklí na skutečnost, že to nemůže být jinak. Ale pokud si myslíte, že všechno kolem se změnilo a někdo šel do vesmíru, cestoval rychlostí? Vzhledem k tomu, že před svými fotony světla začíná vidět jako ve filmu, posunul se zpět. Místo toho zítra pro něj přijde zítra, pak předevčírem a tak dále. A zítra nikdy neuvidí, dokud se samozřejmě nezastaví.

Mimochodem, taková myšlenka byla také aktivně přijata spisovateli sci-fi, čímž se podle těchto principů vytvoří analog časového stroje. Jejich hrdinové upadli do minulosti a cestovali tam. Vztahy příčin-účinek se však zhroutily. A bylo zřejmé, že v praxi to není možné.

Další paradoxy

Důvod nemůže dostat před vyšetřování. To je v rozporu s normální lidskou logikou, protože ve vesmíru musí být pořádek. Nicméně SRT předpokládá další paradoxy. Vysílá to, že i v případě, že chování objektů podléhá přísné vymezení relativistické rychlosti přidávání zákonem, je přesně rovna rychlosti pohybu fotonů světla je rovněž možné. Proč? Ano, protože magické transformace začínají probíhat v plném smyslu. Hmotnost se prodlužuje neurčitě. Rozměry hmotného předmětu ve směru pohybu se neomezeně blíží nule. Znovu se nedaří úplně vyhnout se poruchám. I když se nepohybuje dozadu, ale když se dosáhne rychlosti světla, zcela se zastaví.

Eclipse of Io

SRT tvrdí, že fotony světla jsou nejrychlejšími objekty ve vesmíru. V tom případě, jak jste změřili jejich rychlost? Jen lidská myšlenka byla rychlejší. Byla schopna vyřešit takové dilema a její důsledkem byl relativistický zákon přidávání rychlostí.

Podobné otázky byly řešeny i v Newtonově době, zejména v roce 1676 dánským astronomem O. Remerem. Uvědomil si, že rychlost superkrátkého světla může být určena pouze tehdy, jestliže cestuje na dlouhé vzdálenosti. Takový, jak si myslel, je možný pouze v nebi. A příležitost překládat tuto myšlenku do reality se brzy objevila, když Remer pozoroval zatmění dalekohledu jednoho z měsíců Jupitera nazvaného Io. Časový interval mezi vstupem do zatemnění a vzhledem v zorném poli této planety byl poprvé přibližně 42,5 hodiny. A tentokrát všechno odpovídalo předběžným výpočtům provedeným podle známého období konverze Io.

O několik měsíců později Remer opět experimentoval. Během tohoto období se Země pohybovala daleko od Jupitera. A ukázalo se, že Io pozdě předvedl obličej po dobu 22 minut ve srovnání s předpoklady učiněnými dříve. Co to znamená? Vysvětlení bylo, že satelit vůbec nezůstal, ale světelné signály od něj trvaly nějakou dobu, než překonaly značnou vzdálenost od Země. Po výpočtu na základě těchto údajů astronom odhadl, že rychlost světla je velmi významná a je přibližně 300 000 km / s.

Fizeau Experience

Předzvěst relativistického zákona o přidávání rychlostí - Fizeauův experiment, vyrobený téměř o dvě století později, správně potvrdil odhad Remer. Pouze slavný francouzský fyzik v roce 1849 provedl laboratorní experimenty. A k jejich realizaci byl vynalezen a navržen celý optický mechanismus, jehož analog může být vidět na následujícím obrázku.

Světlo pocházelo ze zdroje (bylo to 1. stupeň). Potom se odrazila od desky (stupeň 2), která procházela mezi zuby otočného kola (stupeň 3). Pak paprsky zasáhly zrcadlo, které se nacházelo ve značné vzdálenosti, měřeno v hodnotě 8,6 kilometru (stupeň 4). Závěrem se světlo odražené dozadu a procházelo zuby kola (stupeň 5), padlo do oka pozorovatele a bylo mu připevněno (stupeň 6).

Kolo bylo otočeno různými rychlostmi. S pomalým pohybem bylo světlo viditelné. S rostoucí rychlostí začaly paprsky zmizet, aniž by se dostaly k divákovi. Důvodem je to, že trvání trámů trvalo nějakou dobu, ale po určitou dobu se zuby kola lehce pohybovaly. Je-li rychlost otáčení opět stoupá, světlo se znovu dosáhne oka pozorovatele, protože se zuby, pohybující se opět rychleji nechá paprsky pronikat skrz mezery.

Zásady SRT

Relativistická teorie byla poprvé představena světu Einsteinem v roce 1905. Těžištěm této práce je popis událostí, které se konají v různých referenčních systémů, chování magnetickým a elektromagnetickým polím, a předmětů při jejich pohybu, nejvíce srovnatelné s rychlostí světla. Velký fyzik popsal vlastnosti času a prostoru a také za chování jiných parametrů, velikosti fyzických těles a jejich hmotností za specifikovaných podmínek. Mezi základními principy Einstein nazval rovnost jakéhokoli inerciálního referenčního rámce, tj. Myslel na podobnost procesů, které v něm probíhají. Další postulát relativistické mechaniky je zákon o přidání rychlosti v nové, neklasické variantě.

Prostor podle této teorie se zdá být jako prázdnota, kde funguje všechno ostatní. Čas je definován jako druh chronologie probíhajících procesů a událostí. To je také poprvé nazýváno jako čtvrtá dimenze samotného prostoru, nyní nazvaného "časoprostor".

Lorentzovy transformace

Potvrďte relativistický zákon o přidání transformačních rychlostí Lorentz. Takže je obvyklé volat matematické vzorce, které jsou v konečné podobě uvedeny níže.

Tyto matematické vztahy zaujímají ústřední místo v teorii relativity a slouží k transformaci souřadnic a času, které jsou psány pro čtyřmi místy-čas. Zadaný název reprezentovaná vzorcem získané o návrhu Henri Poincaré, že vývoj matematického aparátu pro teorii relativity, Lorentzova vypůjčených nějaké nápady.

Tyto vzorce dokazují nejen nemožnost překonat nadzvukovou bariéru, ale i nedotknutelnost principu kauzality. Podle nich bylo možné matematicky ospravedlnit zpomalení času, zkrácení délky předmětů a jiné zázraky, které se odehrávají ve světě ultra vysokých rychlostí.