background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Wykład 11 

11. Elementy szczególnej teorii względności 

11.1 Wstęp 

Mechanika klasyczna oparta na zasadach dynamiki Newtona poprawnie opisuje zja-

wiska, w których prędkości ciał  są małe w porównaniu z prędkością  światła. Jednak 
w zjawiskach atomowych, jądrowych i w astrofizyce spotykamy się z prędkościami 
zbliżonymi do prędkości światła i wtedy zamiast mechaniki klasycznej musimy stoso-
wać  mechanikę relatywistyczną opartą na szczególnej teorii względności opracowanej 
przez Einsteina. Mechanika klasyczna nie jest sprzeczna z mechaniką relatywistyczną, 
a stanowi jej szczególny przypadek (dla małych prędkości). 

11.1.1 Zasada względności 

Wiemy już, że gdy układ porusza się ze stałą prędkością po linii prostej to każde do-

świadczenie przebiega tak samo jakbyśmy się nie poruszali. Jednocześnie jakakolwiek 
zmiana prędkości natychmiast jest przez nas zauważana. 
Narzuca się wniosek, poparty przez niezliczone obserwacje, że żadne doświadczenie nie 
pozwala nam stwierdzić, że się poruszamy (

v

 = const). Inaczej mówiąc: 

Prawa przyrody (w szczególności fizyki) są takie same bez względu na to, czy obserwu-
jemy je z układu nie poruszającego się, czy z ruchomego, ale poruszającego się bez 
przyśpieszenia (czyli układu inercjalnego) 

Ten wniosek, nazywany obecnie 

zasadą względności

: sformułowano jeszcze za czasów 

Galileusza. 

11.1.2 Transformacja Galileusza 

 Omawiając zasady dynamiki Newtona stwierdziliśmy, że prawa przyrody (w szcze-
gólności fizyki) są takie same bez względu na to, czy obserwujemy je z układu nie po-
ruszającego się, czy z ruchomego, ale poruszającego się bez przyśpieszenia (układy in-
ercjalne). 

Spróbujemy teraz opisać zjawiska widziane z dwóch różnych inercjalnych układów 

odniesienia, poruszających się względem siebie (rysunek). W tym celu wyobraźmy so-
bie, obserwatora na ziemi, który rejestruje dwa wybuchy na pewnej, jednakowej wyso-
kości. Odległość między miejscami wybuchów wynosi, (według ziemskiego obserwato-
ra) 

x, natomiast czas między wybuchami ∆t. Te same dwa zdarzenia obserwowane są 

przez pasażera samolotu lecącego z prędkością V po linii prostej łączącej miejsca wy-
buchów. Względem lokalnego układu odniesienia związanego z lecącym samolotem 
różnica położeń wybuchów wynosi 

x’, a różnica czasu ∆t’. 

Porównajmy teraz spostrzeżenia obserwatorów na ziemi i w samolocie. Zróbmy to 

np. z pozycji obserwatora na ziemi, który próbuje opisać to co widzą pasażerowie sa-
molotu. 
 

 

11-1 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

Jeżeli, pierwszy wybuch nastąpił w punkcie x

1

’ (względem samolotu), a drugi po 

czasie 

t, to w tym czasie samolot przeleciał drogę  Vt (względem obserwatora na 

Ziemi) i drugi wybuch został zaobserwowany w punkcie 
 

Vt

x

x

x

+

= '

'

1

2

 

czyli 

Vt

x

x

x

x

=

=

'

'

'

1

2

 

 
Jednocześnie, ponieważ samolot leci wzdłuż linii łączącej wybuchy, to 

y’ = ∆z’ = 0. 

Oczywistym wydaje się też, że 

t’ = ∆t

Otrzymaliśmy więc 

wzory przekładające wyniki obserwacji jednego obserwatora na 

spostrzeżenia drugiego

 

 

 

t

t

z

z

y

y

Vt

x

x

=

=

=

=

'

'

'

'

 (11.1) 

 
Te równania noszą nazwę 

transformacji Galileusza

 

Sprawdźmy, czy stosując powyższe wzory do opisu doświadczeń, otrzymamy takie sa-
me wyniki, niezależnie od układu w którym to doświadczenie opisujemy. Jako przykład 
wybierzmy ciało poruszające wzdłuż osi x ruchem jednostajnie przyspieszonym z przy-
spieszeniem a. W układzie nieruchomym prędkość chwilowa ciała wynosi 
 

t

x

u

=

 

 
Jego przyspieszenie jest stałe i równe a. Natomiast obserwator w pojeździe poruszają-
cym się wzdłuż osi x ze stałą prędkością V rejestruje, że w czasie 

t’ ciało przebywa 

odległość 

x’. Zatem prędkość chwilowa ciała zmierzonego przez tego obserwatora 

wynosi 
 

 

11-2 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

'

'

'

t

x

u

=

 

 
Zgodnie z transformacją Galileusza 

x' = ∆− Vt, oraz ∆t' = ∆t, więc 

 

V

u

t

t

V

x

t

x

u

=

=

=

'

'

'

 

 
Otrzymaliśmy prędkość względną jednego obiektu względem drugiego co jest wyni-
kiem intuicyjnie oczywistym. Natomiast przyśpieszenie w układzie poruszającym się 
wynosi 
 

a

t

u

t

V

u

t

u

a

=

=

=

=

)

(

'

'

'

 

 
Widać, że w tym przypadku zastosowanie wzorów transformacji Galileusza daje wynik 
zgodny z doświadczeniem. Jednak nie jest to prawdą w każdym przypadku. Miedzy in-
nymi stwierdzono, że ta transformacja zastosowana do równań Maxwella nie daje tych 
samych wyników dla omawianych układów inercjalnych. W szczególności z praw 
Maxwella wynika, że 

prędkość światła jest podstawową stałą przyrody i powinna być 

taka sama w każdym układzie odniesienia

Oznacza to na przykład, że gdy impuls światła rozchodzący się w próżni w kierunku x 
jest obserwowany przez dwóch obserwatorów (patrz na tekst i rysunek powyżej) to za-
równo obserwator nieruchomy jak poruszający się z prędkością V (względem pierwsze-
go) zmierzą identyczną prędkość impulsu = 2.998

⋅10

8

 m/s. Tymczasem zgodnie 

z transformacją Galileusza i ze zdrowym rozsądkiem powinniśmy otrzymać wartość 
c – V. W
Maxwella, a w szczególności próbowano pokazać, że prędkość światła, tak jak prędkość 
dźwięku zależy od układu odniesienia (stosuje się do transformacji Galileusza). Naj-
sławniejsze z nich, to doświadczenie Michelsona-Morleya mające na celu wykrycie 
wpływu ruchu orbitalnego Ziemi na prędkość światła poprzez pomiar prędkości światła 
w kierunku prostopadłym i równoległym do ruchu Ziemi. Wszystkie te doświadczenia 
dały wynik negatywny i musimy uznać,  że prędkość  światła w próżni jest jednakowa 
we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.  

Prędkość światła c = 2.988

⋅10

8

 m/s we wszystkich u

ykonano szereg doświadczeń, w których próbowano podważyć równania 

kładach odniesienia

ła. 

11.1.3 Dylatacja czasu 

Załóżmy, że w rakiecie znajduje się przyrząd wysyłający impuls światła z punktu A

któ

dzy wysłaniem światła, a jego zarejestrowaniem przez obser-

światła z punktu A do zwierciadła i z powrotem do A.  

Rozpatrzmy teraz niektóre wnioski wynikające ze stałości prędkości świat

ry następnie odbity przez lustro Z, odległe od A o d powraca do punktu A, gdzie jest 

rejestrowany (rysunek). 
Czas 

t' jaki upływa mię

watora będącego w rakiecie jest oczywiście równy 

t' = 2d/c (rysunek po lewej stronie). 

Teraz to samo zjawisko opisujemy z układu nieruchomego, względem którego rakieta 
porusza się w prawo z prędkością V. Chcemy, w tym układzie, znaleźć czas 

t przelotu 

 

11-3 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

 na rysunku (po prawej stronie) światło przechodząc od punktu 

 porusza się po linii o długości S 

Jak widać

A do zwier-

ciadła Z
 

2

2

d

t

V

S

+

=

 

 
Zatem czas potrzebny na przebycie drogi 

 (tj. dwóch odcinków S) wynosi 

2 

AZA

 

c

t

2

2

=

 

2d

d

V

2

+

lub po przekształceniu 

t

2

 ∆

 

2

2

2

2

1

1

c

V

c

V

t

=

=

 (11.2) 

 
Widzimy, że warunek stałoś

nych układach odniesienia może 

yć spełniony tylko wtedy gdy, czas pomiędzy dwoma zdarzeniami obserwowanymi 

y są w ruchu. Dotyczy to również reakcji chemicznych, 

ści bliskiej prędkości światła i mierzono zmianę 

ci prędkości światła w róż

't

c

b
i mierzonymi z różnych układów odniesienia jest różny.  
W konsekwencji, 

każdy obserwator stwierdzi, że poruszający się zegar idzie wolniej niż 

identyczny zegar w spoczynku

.  

To zjawisko 

dylatacji czasu

 jest własnością samego czasu i dlatego spowolnieniu ulega-

ją wszystkie procesy fizyczne gd
więc i np. biologicznego starzenia się. 
Dylatację czasu zaobserwowano doświadczalnie min. za pomocą nietrwałych cząstek. 
Cząstki takie przyspieszano do prędko
ich czasu połowicznego zaniku. 
 

 

11-4 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

11.2 Transformacja 

Lorentza 

Szukamy ponownie (jak w przypadku transformacji Galileusza) wzorów przekłada-

jących spostrzeżenia jednego obserwatora na obserwacje drugiego. Chcemy znaleźć 
transformację współrzędnych ale taką, w której obiekt poruszający się z prędkością 
równą c w układzie nieruchomym (xyzt), również w układzie (x', y', z', t') poruszają-
cym się z prędkością V wzdłuż osi x będzie poruszać się z prędkością c

Transformacja współrzędnych, która uwzględnia niezależność prędkości światła od 

układu odniesienia ma postać 

 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

'

'

'

1

1

'

β

β

=

=

=

=

=

=

x

c

V

t

c

V

x

c

V

t

t

z

z

y

y

Vt

x

c

V

Vt

x

x

 (11.3) 

 
gdzie 

β V/c. Te równania noszą nazwę 

transformacji Lorentza

. 

Omówimy teraz niektóre wnioski wynikające z transformacji Lorentza. 

11.2.1 Jednoczesność 

Przyjmijmy, że według obserwatora w rakiecie poruszającej się wzdłuż osi x' (czyli 

także wzdłuż osi x, bo zakładamy, że te osie są równoległe) pewne dwa zdarzenia za-
chodzą równocześnie 

t' = t

2

' - t

1

' = 0, ale w rożnych miejscach x

2

' - x

1

' = 

x' ≠ 0. 

Sprawdźmy, czy te same zdarzanie są również jednoczesne dla obserwatora w spoczyn-
ku. Z transformacji Lorentza wynika, że 
 

2

2

1

'

β

=

x

c

V

t

t

 

 

t

V

x

x

+

=

2

1

'

β

 

 
Łącząc oba powyższe równania otrzymujemy związek 
 

 

'

1

'

2

2

x

c

V

t

t

=

β

 (11.4) 

 
Jeżeli teraz uwzględnimy fakt, że zdarzenia w układzie związanym z rakietą są jedno-
czesne 

t' = 0 to otrzymamy ostatecznie 

 

 

11-5 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

'

1

2

2

x

c

V

t

=

β

 (11.5) 

 
Widzimy, że równoczesność zdarzeń nie jest bezwzględna, w układzie nieruchomym te 
dwa zdarzenia nie są jednoczesne. 

11.2.2 Skrócenie długości 

Teraz rozpatrzmy inny przykład. W rakiecie poruszającej się z prędkością V, wzdłuż 

osi x' leży pręt o długości L'. Sprawdźmy jaką długość tego pręta zaobserwuje obserwa-
tor w układzie nieruchomym. 

Pomiar długości pręta polega na zarejestrowaniu dwóch zjawisk zachodzących rów-

nocześnie na końcach pręta (np. zapalenie się żarówek). Ponieważ żarówki zapalają się 
na końcach pręta to 

x' = L'. Ponadto żarówki zapalają się w tym samym czasie (dla ob-

serwatora w układzie spoczywającym ) to dodatkowo 

= 0. Uwzględniając te warunki 

otrzymujemy na podstawie transformacji Lorentza  
 

x

L

=

2

1

1

'

β

 

 
jest długością pręta L w układzie nieruchomym więc 
 
 

2

1

'

β

=

=

L

L

x

 (11.6) 

 
Okazuje się, że pręt ma mniejszą długość, jest krótszy. 

11.2.3 Stałość przedziału czasoprzestrzennego 

 Pomimo, 

że powyższy opis kłóci się ze zdrowym rozsądkiem i doświadczeniem ży-

cia codziennego to jednak po bliższej analizie transformacja Lorentza może już nie wy-
dawać się aż tak dziwna. Wyobraźmy sobie pręt o dł. np. .20m. umieszczony w układzie 
współrzędnych w taki sposób, że rzut tego odcinka na oś x wynosi 

x, a na oś y ∆y

 

y' 

x' 

α

 

 

Jeśli teraz ktoś znajdzie się w drugim układzie współrzędnych, obróconym względem 
pierwszego o kąt  , to spoglądając na ten odcinek z tego układu mierzy jego współ-
rzędne jako 

x

 i 

y

α

. Czy jest to dla nas dziwne? Oczywiście nie. Możemy także prze-

tłumaczyć opis  w jednym układzie na opis w drugim (znaleźć transformację) 

 

11-6 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

x

 =

x cos

α + ∆y sinα 

 

y

=-

x sin

α + ∆y cosα 

 
Poszczególne wyniki obserwacji 

x i ∆y dla jednego człowieka, oraz, odpowiednio, ∆x

y' dla drugiego są różne, lecz suma ich kwadratów tj. 

długość pręta jest taka sama

Związek między 

x i ∆y, a ∆x' i ∆y' jest dany przez liniową kombinację podobnie jak 

w transformacji Lorentza. Tylko, że tutaj wiemy, że 

x i ∆y to odległości, a tam ∆x i ∆t 

to wielkości innego rodzaju. 

Szczególna teoria względności dowodzi, że 

czas jest ściśle powiązany z odległością 

i naprawdę żyjemy w 4-wymiarowej przestrzeni; czasoprzestrzeni

. Co więcej, podobna 

wielkość jak odległość w naszym przykładzie też istnieje: jest nią 

przedział czasoprze-

strzenny

 (

x)

2

-(c

t)

2

, który jest niezmiennikiem transformacji Lorenzta, czyli jest taki 

sam w dwóch układach 
 
  

(

x)

2

-(c

t)

2

=(

x’)

2

-(c

t’)

2

 (11.7) 

 

11.2.4 Dodawanie prędkości 

Uprzednio rozważaliśmy obiekt spoczywający w rakiecie. Teraz zajmiemy się przy-

padkiem gdy obiekt ma już pewną prędkość U

x

' w ruchomym układzie odniesienia (tj. 

względem rakiety). Sprawdzimy jaką prędkość U

x

 zarejestruje nieruchomy obserwator, 

w układzie którego rakieta porusza się z prędkością V wzdłuż osi x. Z transformacji Lo-
rentza wynika, że 
 

2

1

'

β

=

t

V

x

x

 

 

2

2

1

'

β

=

x

c

V

t

t

 

 
Dzieląc te równania przez siebie otrzymujemy 
 

t

x

c

V

V

t

x

x

c

V

t

t

V

x

t

x

=

=

2

2

1

'

'

 

 
a po podstawieniu 

'

'

'

t

x

U

x

=

 i 

t

x

x

=

U

 

 

 

11-7 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

2

1

'

c

VU

V

U

U

x

x

x

=

 (11.8a) 

 
Równanie (11.8a) można rozwiązać ze względu na U

x

 

 

 

2

'

1

'

c

VU

V

U

U

x

x

x

+

+

=

 (11.8b) 

 
W ogólności, jeśli obiekt przesuwa się z prędkością 

' , względem ob-

serwatora w rakiecie (poruszającej się z prędkością  U wzdłuż osi x) to prędkość 

 tego przedmiotu zarejestrowana w nieruchomym układzie wyniesie 

'

'

y

x

V

V

V

j

i

+

=

y

x

V

V

V

j

i

+

=

 

 

2

'

1

'

c

UV

V

U

V

x

x

x

+

+

=

 (11.9a) 

 
 

 V

y

 = V

y

'  

(11.9b) 

 

Przykład 1 

Dwa naddźwiękowe samoloty odrzutowe lecą ku sobie na kursie kolizyjnym. Ich 

prędkości względem Ziemi wynoszą odpowiednio: samolot 1 V

x

 = 1500km/h, samolot 2 

U = 3000km/h. Jaką wartość prędkości pierwszego samolotu zmierzy obserwator w sa-
molocie drugim? 
Samolot 2 jest układem, względem którego prędkość obiektu (czyli samolotu 1) chcemy 
obliczyć, przy znanej prędkości w układzie związanym z Ziemią. Ponieważ V

x

 = 1500 

km/h, U = - 3000 km/h (bo przeciwny kierunek). stąd na podstawie równania (11.9a) 
V

x

' = 4497.77 km/h. 

11.2.5 Zależność masy od prędkości 

Dotychczas zajmowaliśmy się kinematyką ruchu ciała obserwowanego z dwóch 

układów odniesienia poruszających się względem siebie ze stałą prędkością. Teraz 
chcemy odpowiedzieć na pytanie jak można opisać zachowanie ciała pod wpływem sił 
w sytuacji, gdy transformacja Lorentza, (a nie Galileusza) jest prawdziwa. Chodzi o to, 
czy druga zasada dynamiki Newtona  = dp/dt może być stosowana i czy zasada za-
chowania pędu ma taką samą postać we wszystkich układach inercjalnych. 

Okazuje się,  że warunkiem zachowania pędu przy transformacji z jednego układu 

odniesienia do innego jest uwzględnienie zależność masy ciała m od jego prędkości V
danej następującym wyrażeniem 
 

 

2

2

0

1

)

(

c

V

m

V

m

=

 (11.10) 

 

11-8 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

w którym m

0

 oznacza 

masę spoczynkową

, czyli masę nieruchomego ciała. Zauważmy 

ponadto,  że masa cząstki rośnie wraz z prędkością i zmierza do nieskończoności gdy 
V Æ c

Rozpatrzmy teraz ruch ciała pod wpływem stałej siły  F działającej równolegle do 

kierunku ruchu. Zależność prędkości ciała od czasu obliczamy na podstawie drugiej za-
sad dynamiki Newtona. Uwzględniając zależność masy od prędkości (11.10) otrzymu-
jemy 

2

0

0

1

)

(

+

=

c

m

Ft

m

Ft

t

V

 

 
Porównanie zależność prędkości ciała od czasu działania siły w mechanice klasycznej 
i relatywistycznej jest pokazane na rysunku poniżej. 
 

0

1

Prędkość relatywistyczna

Prędkość klasyczna

Przedział mechaniki klasycznej

V/

c

t

 

 
W przeciwieństwie do opisu klasycznego, z powyższej zależności wynika, że cząstki 
nie da się przyspieszać w nieskończoność działając stałą siłą. 
  Zmiana masy z prędkością została potwierdzona wieloma doświadczeniami prze-
prowadzonymi dla cząstek elementarnych. 

11.2.6 Równoważność masy i energii 

Einstein pokazał, że zasada zachowania energii jest spełniona w mechanice relaty-

wistycznej pod warunkiem, że pomiędzy masą i całkowitą energią ciała zachodzi zwią-
zek 
 
 

2

mc

E

=

 (11.11) 

 

 

11-9 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

gdzie m zależy od prędkości ciała V zgodnie zrównaniem (11.10). To znane powszech-
nie równanie Einsteina opisuje równoważność masy i energii. Wynika z niego, że ciało 
w spoczynku ma zawsze pewną energię związaną z jego masa spoczynkową 
 

2

0

0

c

m

E

=

 

 

Energię kinetyczną ciała poruszającego się z prędkością V obliczamy odejmując od 

energii całkowitej energię spoczynkową (nie związaną z ruchem) 
 

2

0

2

0

2

0

)

(

c

m

m

c

m

mc

E

E

E

k

=

=

=

 

 
Widzimy,  że mechanika relatywistyczna wiąże energię kinetyczną z przyrostem masy 
ciała. Na zakończenie zobaczmy jaką wartość przyjmuje energia całkowita, jeśli pręd-
kość V jest mała. Dla małego V równanie (11.10) można przybliżyć (rozwijając w sze-
reg) do postaci 





+

=

2

2

0

2

2

0

2

1

1

)

(

c

V

m

c

V

m

V

m

 

 
Podstawiając tę wartość do wyrażenia na energię całkowitą otrzymujemy 
 

2

)

(

2

0

2

0

2

V

m

c

m

c

V

m

E

+

=

 

 
Pierwszy wyraz jest energią związaną z istnieniem samej masy (energia spoczynkowa) 
natomiast drugi jest klasyczną energią kinetyczną związaną z ruchem ciała. Otrzymali-
śmy rozwiązanie klasyczne jako graniczny przypadek (dla małych prędkości) rozwiąza-
nia relatywistycznego. 

Stąd o krok już było do stwierdzenia, że jeżeli masa spoczynkowa cząstki zostanie 

zmniejszona o 

m, to nastąpi wyzwolenie energii ∆E = ∆mc

2

. Te wnioski zostały po-

twierdzone doświadczalnie i omówimy je na dalszych wykładach. 
 

 

11-10