Kas yra reliatyvumo principas? Galilėjaus, Niutono ir Einšteino paaiškinimas

Sužinokite reliatyvumo principą: nuo Galilėjaus ir Niutono judėjimo dėsnių iki Einšteino teorijos — aiškiai paaiškinta, su istorija ir pavyzdžiais.

Fizikoje reliatyvumo principas reiškia reikalavimą, kad fizikos dėsnius apibūdinančios lygtys būtų tos pačios formos (t. y. vienodos) visuose atskaitos rėmuose, kurie priklauso tam pačiam fizikos principui. Paprastai tai reiškia, kad tam tikros klasės atskaitos sistemų stebėtojai negali vienareikšmiškai nustatyti, ar jie juda, ar stovi naudodami tik mechaninius eksperimentus.

Istorinis kontekstas: Aristotelis, Galilėjus ir Niutonas

Dar apie 300 m. pr. m. e. graikų filosofas Aristotelis teigė, kad sunkūs daiktai krenta greičiau už lengvesnius. Šis požiūris dominavo Vakarų mąstyme daugiau nei 2000 metų.

XVI–XVII a. italių mokslininkas Galileo Galilėjus rodė eksperimentiniais ir samprotavimo būdais, kad laisvo kritimo pagreitis yra praktiškai vienodas visiems kūnams ir nepriklauso nuo jų masės, kai oro pasipriešinimas yra pašalintas (t. y. vakuume). Galilėjus naudojo, pavyzdžiui, nuolydžius, kad sulėtintų judėjimą ir matuotų pagreitį – dėl to gimė suvokimas, jog, esant pastoviam pagreičiui, kuo ilgiau kūnas juda, tuo didesnis jo galutinis greitis.

Vėliau šiuos idėjos formaliai išplėtojo Niutonas, sudaręs judėjimo dėsnius, kurie leido mechaniką aprašyti nuosekliai ir matematiškai. Galilėjaus eksperimentai ir Niutono teorija davė pagrindą klasikinės mechanikos supratimui.

Galilėjaus reliatyvumo principas ir inercinės sistemos

Galilėjaus reliatyvumo principas teigia: "Mechaninėmis priemonėmis neįmanoma pasakyti, ar mes judame, ar esame ramybės būsenoje". Tai gerai iliustruoja minties eksperimentai: jei du traukiniai juda ta pačia kryptimi ir tuo pačiu greičiu, keleivis, vaikščiodamas viduje, nepajus skirtumo – visi mechaniniai eksperimentai parodys tą patį elgesį. Tačiau turint fiksuotą atskaitos tašką (pavyzdžiui, Žemę – fiksuotą atskaitos sistemą), galima nustatyti santykinį judėjimą.

Iš praktinės pusės tai reiškia, kad Niutono judėjimo dėsniai galioja visose inercinėse sistemose – t. y. sistemose, kurios arba stovi ramiai, arba juda tiesia linija pastoviu greičiu (nėra pagreičio) kitų inercinių sistemų atžvilgiu. Tai yra inercijos dėsnis: ramybės būsenoje esantis kūnas išlieka ramybės būsenoje, o judantis kūnas toliau juda tiesia linija, jeigu neveikia išorinės jėgos. Bet kuri sistema, kuri juda pagal inercijos dėsnį ir nesisuka, yra kita Galilėjaus koordinačių sistema: mechanikos dėsniai joje turi tą pačią formą kaip ir pradiniame rėme.

Koordinačių transformacijos ir laiko samprata

Klasiškai laikas laikomas absoliuciu – visiems stebėtojams vienodas. Koordinačių transformacijos, kurios susieja dvi inercines sistemas (vadinamos galerijaus ar Galilėjaus transformacijomis), nustato, kaip konkretūs matavimo dydžiai keičiasi tarp stebėtojų, kai viena sistema juda pastoviu greičiu kitos atžvilgiu. Šiuose transformavimuose laikas išlieka toks pat, o padėtys skiriasi tik dėl greičio skirtumo.

Pagreitinės (neinercinės) sistemos ir išorinės (fiktyvios) jėgos

Jeigu pereiname į pagreitėjantį arba besisukantį atskaitos rėmą, tiesioginis Niutono dėsnių pritaikymas neatitiks matavimų – reikia įvesti vadinamąsias fiktyviąsias jėgas, kad elgesys būtų apibūdinamas taip pat. Šios fiktyvios jėgos nėra „tikros“ jėgos, veikiamos per kontaktą ar lauko lauką, bet jos praverčia aprašant judėjimą neinercinėje sistemoje. Tipiniai pavyzdžiai:

• išcentrinė jėga (centrifugal) – jaučiama, kai besisukantis rėmas stumia daiktus į išorę (išcentrine jėga);
• Koriolio jėga – lemia trajektorijų nukrypimus besisukančiose sistemose (pvz., atmosferos srovių pasisukimai) (Koriolio jėga paminėta tekste kartu su išcentrine jėga).

Paprastas kasdieninis pavyzdys: stovėdami sėdynėje greitai pajuntame spaudimą atgal, kai automobilis staigiai pajuda – tai jausmas, kylantis dėl pagreičio ir interpretuojamas kaip „fiktyvi“ jėga neinerciniame keleivio rėme.

Riba: Niutonas vs. Einšteinas

Niutono mechanika yra labai tiksli ir praktiškai pakankama, kai greičiai yra maži, palyginti su šviesos greičiu. Tačiau XX a. pradžioje Albertas Einšteinas parodė, jog jei greičiai artėja prie šviesos greičio arba reikia suderinti elektrodinamiką su mechanika, reikia pakeisti prielaidas apie erdvę ir laiką.

Einšteino specialioji reliatyvumo teorija pakeičia Galilėjaus požiūrį: ji remiasi dviem pagrindinėmis prielaidomis – fizikos dėsniai yra tokie pat visose inercinėse sistemose, o šviesos greitis vakuume yra vienodas visiems inerciniams stebėtojams, nepriklausomai nuo jų judėjimo. Pasekmės, kurios skiriasi nuo klasikinių lūkesčių:

• laiko dilatacija – judančio laikrodžio eigos sulėtėjimas stebint iš kitos sistemos;
• ilgio susitraukimas – judančio objekto matuojamas ilgis trumpėja judėjimo kryptimi;
• simultaniškumo reliatyvumas – įvykiai, kurie vienu metu atrodo dviem stebėtojams, gali būti ne vienu metu kitiems;
• energijos ir masės ryšys – masė ir energija tarpusavyje susiję (E=mc²), o tradicinių sąvokų apie masę sampratos interpretacija pasikeičia (dabar dažniau kalbama apie invariantišką „poilsio“ masę).

Matematiškai specialioji teorija naudoja Lorenco transformacijas vietoje Galilėjaus transformacijų, o pagrindine invarianta tampa erdvėlaikio intervalas, kuris išlieka tas pats visiems stebėtojams.

Kas taikoma praktikoje?

Kasdieniniams reiškiniams, kur greičiai žymiai mažesni už šviesos greitį, Galilėjaus ir Niutono mechanika duoda tikslų ir paprastą aprašymą. Tačiau tiksliai aprašant labai greitus judesius, dalelių fizikos reiškinius ar gravitacinius laukus stipriai curvėtose erdvėse, naudojamos Einšteino specialiosios ir bendrosios reliatyvumo teorijos. Praktinis pavyzdys – palydovinės navigacijos sistemos (pvz., GPS) reikalauja pataisų, atsižvelgiant į specialiosios ir bendrosios reliatyvumo efektus, kad būtų išlaikytas didelis matavimo tikslumas.

Santrauka

Reliatyvumo principas apima idėją, kad tam tikri fizikos dėsniai turi būti vienodi visiems stebėtojams tam tikro tipo atskaitos rėmuose. Galilėjaus ir Niutono požiūriu tai reiškia inercinių (ramybės arba pastoviu greičiu judančių) sistemų ekvivalentiškumą mechanikos atžvilgiu. Einšteino požiūriu šis principas išlieka, bet jo įgyvendinimas reikalauja pakeistos erdvės ir laiko sampratos – todėl klasikinės sąvokos apie masę, ilgį ir laiką gali būti skirtingos skirtinguose atskaitos rėmuose.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra reliatyvumo principas?

K: Kas pirmasis pasiūlė šį principą?

K: Ką įrodė Galileo Galilėjus?

K: Kaip Galilėjaus atradimai davė pradžią šiuolaikiniam mokslui?

K: Ką reiškia, jei du traukiniai juda ta pačia kryptimi tuo pačiu greičiu?

Klausimas: Kaip Niutono dėsniai taikomi, kai greitis artėja prie šviesos greičio?

Paieška pagal raidę