ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ИАЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН

Альберт Эйнштейн
(1879–1955)

Кратко об Эйнштейне
Альберт Эйнштейн
родился в 1879 году.
В 1900 году окончил
Цюрихский политехнический институт.
В 1902 году Эйнштейн поступил на работу в патентное бюро в Берне.
В сентябре 1905 опубликована теория относительности.

Анри Пуанкаре Хендрик Лоренц
(1854–1912) (1853–1928)

Закон внешнего фотоэффекта. 1921 г.
(Нобелевская премия Эйнштейна)

Формула связи потери массы тела
при излучении энергии
E = m⋅c2
Анри Пуанкаре (1900 г.) :
«Энергия излучения E
обладает массой m = E / c2 »

Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.)
Постулат 1. Принцип относительности
«Движение системы отсчёта по инерции не может быть обнаружено никакими физическими опытами внутри закрытой лаборатории, связанной с этой системой отсчёта»
Постулат 2. Принцип постоянства скорости света
«Свет в пустоте всегда распространяется
с определенной скоростью с, не зависящей
от движения излучающего тела»

Основные выводы из специальной
теории относительности Эйнштейна
(1905 г.)
1. Сокращение продольных размеров
(при движении с околосветовой скоростью)
2. Замедление времени
(при движении с околосветовой скоростью)
3. Запрет скоростей, больших скорости света
4. Увеличение массы
(при движении с околосветовой скоростью)

1. В системе отсчёта, движущейся равномерно
и прямолинейно относительно наблюдателя, происходит сокращение длины вдоль направления движения

2. В системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно относительно наблюдателя, время движется медленнее
v
v

3. Движение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно. (1)
V1 = С/2
V2 = С/2
VСБЛИЖЕНИЯ РАКЕТ < V1 + V2

3. Движение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно. (2)
V1 = С/2
V2 = С/2
VСВЕТА = С
VСБЛИЖЕНИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ = С, а не С+С
VСВЕТА = С

Преобразования Лоренца (1895 г.),
которые Эйнштейн заново вывел
в специальной теории относительности

Основные выводы из общей теории относительности Эйнштейна (1915 г.)
Искривление пространства
вблизи тяготеющих масс
Замедление времени
вблизи тяготеющих масс

Явления, рассматривавшиеся в физике раздельно до XIX века
Механика
Свет
Электричество
Магнетизм
Колебания
Волны

Развитие физических представлений
в XIX веке
Электричество и магнетизм порождают друг друга
Электромагнитное поле распространяется подобно волне
Свет – электромагнитная волна
Уравнения Максвелла для электромагнитного поля – высшая форма знаний об электромагнетизме

Классическая механика
Ньютона и Галилея
Принцип инерции:
«Тела, не испытывающие воздействия сил, движутся равномерно и прямолинейно»
Принцип сложения скоростей:
«Скорость тела складывается из скорости системы отсчёта и скорости движения тела в ней»
Принцип относительности Галилея: «Все законы механики одинаковы
в инерциальных системах отсчёта»

Два представления о свете, сложившиеся
в физике в XVII веке
Ньютон (1643-1727):
«Свет – это поток частиц
в пустоте»
Гюйгенс (1629-1695):
«Свет – это волна в эфире»

НЬЮТОН: Отражение света – это отскакивание частиц света
от препятствия

Сложение скорости системы отсчёта
со скоростью частиц света в ней
c’=c+v
c’=c-v
v
v

ГЮЙГЕНС: Свет – это волна в эфире
Эфир – среда, в которой распространяется свет
Скорость света в эфире
не зависит от скорости источника
Точка, до которой дошла волна, сама становится источником волны

Круги на воде от «блинчиков».
Скорость распространения волны
не зависит от скорости источника

Круги от камней, отвесно падающих в реку.
Движущаяся среда уносит волны
НАПРАВЛЕНИЕ ТЕЧЕНИЯ РЕКИ

Круги на озере, созданные перемещающимся источником.
Скорость распространения волн в среде не зависит от скорости источника
ЛОДКА
КАТЕР

Представления о свете в XIX веке
Свет – это электромагнитная волна, распространяющаяся в мировом эфире
Мировой эфир – это неподвижная среда, заполняющая всё пространство, для распространения электромагнитных волн

Движение Земли вокруг Солнца по орбите.
Среда – мировой эфир?

Опыт Майкельсона (1881 г.)
Цель:
измерить скорость
движения Земли по орбите
относительно мирового эфира
Средство:
опыты со светом
Способ:
измерение разности задержек света
при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите
Альберт Майкельсон (1852 – 1931)

Последовательные положения Земли
на орбите через полгода
30 км/с

Установка Майкельсона по определению скорости движения Земли относительно мирового эфира с помощью опыта со светом
Луч 1 распространяется вдоль движения Земли
Луч 2 распространяется поперёк движения Земли

Упрощённая схема установки Майкельсона по измерению разницы в задержках света вдоль и поперёк движения Земли по орбите
ЗЕРКАЛО 2
ЗЕРКАЛО 1
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ
ЛУЧ ПОПЕРЁК
ДВИЖЕНИЯ
ЛУЧ ВДОЛЬ
ДВИЖЕНИЯ

Идея опыта Майкельсона
мультфильм

Кадр 0
ВСПЫШКА СВЕТА
В НАЧАЛЕ ОТСЧЁТА, СВЯЗАННОМ
С ЗЕМЛЁЙ
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

Кадр 1
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
В НЕПОДВИЖНОМ МИРОВОМ ЭФИРЕ
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

Кадр 2
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
В НЕПОДВИЖНОМ МИРОВОМ ЭФИРЕ
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

Кадр 3
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
В НЕПОДВИЖНОМ МИРОВОМ ЭФИРЕ
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
В НЕПОДВИЖНОМ МИРОВОМ ЭФИРЕ
Кадр 4
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
В НЕПОДВИЖНОМ МИРОВОМ ЭФИРЕ
Кадр 5
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
В НЕПОДВИЖНОМ МИРОВОМ ЭФИРЕ
Кадр 6
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

Кадр 7

Кадр 8

Кадр 9
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 2
ЛУЧА ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ

Кадр 10
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 2
ЛУЧА ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ

Кадр 11
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 1
ЛУЧА ВДОЛЬ
ДВИЖЕНИЯ
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 2
ЛУЧА ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ

Кадр 12
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 2
ЛУЧА ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 1
ЛУЧА ВДОЛЬ
ДВИЖЕНИЯ

Кадр 13
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 1
ЛУЧА ВДОЛЬ
ДВИЖЕНИЯ

Кадр 14
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 1
ЛУЧА ВДОЛЬ
ДВИЖЕНИЯ

Кадр 15

Кадр 16

Кадр 17
ЛУЧ ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ
ДОСТИГАЕТ НАЧАЛА ОТСЧЁТА
!

Кадр 18 (последний)
ЛУЧ ВДОЛЬ ДВИЖЕНИЯ
ДОСТИГАЕТ НАЧАЛА ОТСЧЁТА
ЛУЧ ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ
ДОСТИГАЕТ НАЧАЛА ОТСЧЁТА
!

Итог опыта Майкельсона
Ожидавшаяся разница задержек
при распространении света
вдоль и поперёк движения
Земли по орбите
ОБНАРУЖЕНА НЕ БЫЛА

Погрешности опытов по определению скорости эфирного ветра
Майкельсон (1881 г.) ……………18 км/с
Майкельсон, Морли (1887 г.) …. 7 км/с
Иллингворт (1925 г.) …………….1 км/с
Скорость движения Земли
по орбите – 30 км/с

Предложение Хендрика Лоренца (1883 г.) для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона
Мировой эфир существует
При движении происходит сокращение продольных размеров тел

Предложение Хендрика Лоренца: при движении
происходит укорочение продольного плеча
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 2
ЛУЧА ПОПЕРЁК ДВИЖЕНИЯ
ОТРАЖЕНИЕ
ОТ ЗЕРКАЛА 1
ЛУЧА ВДОЛЬ
ДВИЖЕНИЯ
L2
L1
L1 < L2
НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ЗЕМЛИ ПО ОРБИТЕ
В НЕПОДВИЖНОМ
МИРОВОМ ЭФИРЕ

Преобразования Лоренца (1895 г.),
обеспечивающие сокращение продольных размеров тел при движении
«МЕСТНОЕ» ВРЕМЯ
t’ ≠ t
x’ ≠ x
СОКРАЩЕНИЕ ДЛИН

Хендрик Лоренц Анри Пуанкаре
нидерландский физик французский математик

Взгляды Пуанкаре (1)
Мирового эфира нет
Все инерциальные системы отсчёта равноправны

Взгляды Пуанкаре (2)
Математическая запись физических законов должна быть одинакова
во всех инерциальных системах отсчёта
F = m⋅a

Взгляды Пуанкаре (3)
Математическая запись уравнений электромагнетизма Максвелла тоже
должна быть одинакова
во всех инерциальных системах отсчёта

Принцип относительности Пуанкаре
(Книга «Наука и гипотеза», 1902 г.)
Все физические явления должны быть одинаковыми
для наблюдателей, находящихся в разных инерциальных системах отсчёта

Лекция Пуанкаре в США о состоянии науки (1904 г.)
Закон сохранения энергии
Второе начало термодинамики
Равенство действия противодействию
Закон сохранения массы
Принцип наименьшего действия

Лекция Пуанкаре в США о состоянии науки (1904 г.)
Закон сохранения энергии
Второе начало термодинамики
Равенство действия противодействию
Закон сохранения массы
Принцип наименьшего действия
Принцип относительности

Признание заслуг Лоренца
Преобразования, предложенные Лоренцем, обеспечивают одинаковость уравнений Максвелла в различных системах отсчёта

Доклад Пуанкаре по теории относительности (Опубл. 5 июня 1905 г. «Заметки Академии наук»)
Принцип
относительности
Инвариантность
уравнений
Максвелла
Преобразования
Лоренца
Постоянство
скорости света

Работы Лоренца и Пуанкаре
по теории относительности
Г.А. Лоренц. Интерференционный опыт Майкельсона. Из книги "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Korpern. Leiden, 1895, параграфы 89...92.
А. Пуанкаре. Измерение времени. "Revue de Metaphysique et de Morale", 1898, t. 6, p. 1...13.
А. Пуанкаре. Оптические явления в движущихся телах. Electricite et Optique, G. Carre et C. Naud, Paris, 1901, p. 535...536.
А. Пуанкаре. О принципе относительности пространства и движения. Главы 5...7 из книги “Наука и гипотеза” (H. Poinrare. Science and Hypothesis. Paris, 1902.)
А. Пуанкаре. Настоящее и будущее математической физики. Доклад, напечатанный в журнале "Bulletin des Sciences Mathematiques", 1904, v. 28, ser. 2, p. 302.
Г.А. Лоренц. Электромагнитные явления в системе движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света. Proc Acad., Amsterdam, 1904, v 6, p. 809.
А. Пуанкаре. О динамике электрона. Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo, 1906 (поступила в печать
23 июля 1905 г.) v. XXI, p. 129.

Первая работа Эйнштейна
по теории относительности
Г.А. Лоренц. Интерференционный опыт Майкельсона. Из книги "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Korpern. Leiden, 1895, параграфы 89...92.
А. Пуанкаре. Измерение времени. "Revue de Metaphysique et de Morale", 1898, t. 6, p. 1...13.
А. Пуанкаре. Оптические явления в движущихся телах. Electricite et Optique, G. Carre et C. Naud, Paris, 1901, p. 535...536.
А. Пуанкаре. О принципе относительности пространства и движения. Главы 5...7 из книги “Наука и гипотеза” (H. Poinrare. Science and Hypothesis. Paris, 1902.)
А. Пуанкаре. Настоящее и будущее математической физики. Доклад, напечатанный в журнале "Bulletin des Sciences Mathematiques", 1904, v. 28, ser. 2, p. 302.
Г.А. Лоренц. Электромагнитные явления в системе движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света. Proc Acad., Amsterdam, 1904, v 6, p. 809.
А. Эйнштейн. К электродинамике движущихся тел. Ann. d. Phys., 1905 (рукопись поступила 30 июня 1905 г.), b. 17, s. 89.
А. Пуанкаре. О динамике электрона. Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo, 1906 (рукопись поступила
23 июля 1905 г.) v. XXI, p. 129.

Сравнение строения теорий относительности
Пуанкаре Эйнштейна (5 мая 1905 г.) (30 июня 1905 г.)
Принцип
относительности
Инвариантность
уравнений
Максвелла
Преобразования
Лоренца
Постоянство
скорости света
1. Принцип
относительности
Инвариантность
уравнений
Максвелла
Преобразования
Лоренца
2. Постоянство
скорости света

Короткая вспышка света
при совмещении начал систем отсчёта

Распространение света с точки зрения различных наблюдателей

Две сферы от одной вспышки… ?..

Изложение мысленного эксперимента Эйнштейна в учебнике по физике

Использованный источник:
Г.А.Зисман и О.М.Тодес. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Толкование Пуанкаре
принципа относительности
Равноправие Одинаковость инерциальных математической
систем записи
отсчёта физических законов
?

Результаты применения
принципа относительности
Принцип
относительности
Равноправие
систем
отсчёта
Одинаковость
математического
описания
Различие
длин, времён,
масс
Неравноправие
систем
отсчёта
Несоблюдение
принципа
относительности
?

Исправленные результаты применения
принципа относительности
Принцип
относительности
Равноправие
систем
отсчёта
Одинаковость
математического
описания
Одинаковость
длин, времён,
масс
Равноправие
систем
отсчёта
Соблюдение
принципа
относительности
Различие
систем отсчёта
из-за взаимного
движения
Различие
математического
описания