Co-to-jest-teoria-względności1

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)
u  u'v
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
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)
c'  c  v
c'  c  v
Ziemia porusza się względem Słońca z prędkością v = 30 km/s.
www.umcs.filozofia.lublin.pl
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
t 
t0
v2
1 2
c
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Względność przestrzeni
Wymiary ciała ulegają skróceniu w kierunku ruchu
Kontrakcja Fitzgeralda–Lorentza
l  l0 1 
v2
c2
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Paradoks bliźniąt
Czas w „poruszającym się” układzie
płynie wolniej…
t 
t0
v2
1 2
c
www.umcs.filozofia.lublin.pl
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
ds 2  dc 2t 2  dx 2  dy 2  dz 2
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
Czas jest absolutny
Przestrzeń jest absolutna
Interwał czasoprzestrzenny jest niezmienniczy
względem transformacji układu współrzędnych
Czas jest względny
Przestrzeń jest względna
Czasoprzestrzeń jest absolutna
efekty teorii względności mają znaczenie dla bardzo
dużych prędkości (porównywalnych z c)
dla małych prędkości stosujemy nadal fizykę Newtona
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Równoważność masy i energii
Masa ciała zależy od prędkości:
m
m0
v2
1 2
c
Masa i energia są sobie równoważne:
E  mc2
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Instytut Filozofii UMCS
kierunki studiów
filozofia
kognitywistyka
europeistyka
www.filozofia.umcs.lublin.pl