background image

 

 

background image

 

 

Albert 

Einstein

background image

 

 

Szczególna teoria 

względności

PODSTAWY

background image

 

 

Fakt eksperymentalny

Prędkość światła w 

próżni jest taka sama 

we wszystkich 

układach odniesienia

background image

 

 

Albert Abraham 
Michelson
 ur. Strzelno 
1852 

A.A.Michelson, E.W.Morley, 
Am. J. Sci., 34, 333 (1887)

1907 - nagroda Nobla 
(pierwsza nagroda dla 
Amerykanina)

Albert Abraham 
Michelson
 ur. Strzelno 
1852 

A.A.Michelson, E.W.Morley, 
Am. J. Sci., 34, 333 (1887)

1907 - nagroda Nobla 
(pierwsza nagroda dla 
Amerykanina)

background image

 

 

t

2

=2L/

c

L

L

t

1

=2L/

c

t=0

background image

 

 

L

v

L

2

2

1

1

2

c

v

c

L

t

2

2

2

1

2

c

v

c

L

t

2

2

2

2

1

2

1

2

c

v

c

L

c

v

c

L

t

background image

 

 

L

v

L

2

2

1

1

2

c

v

c

L

t

2

2

2

1

2

c

v

c

L

t

2

2

2

2

1

2

1

2

'

c

v

c

L

c

v

c

L

t

background image

 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

4

1

2

1

2

1

2

1

2

'

c

v

c

L

c

v

c

v

c

L

c

v

c

L

c

v

c

L

c

v

c

L

c

v

c

L

t

t

t













background image

 

 

2

2

2

'

c

v

c

L

t

t

t

Zmiana czasowego przesunięcia między wiązkami 

występująca przy obrocie interferometru o 90 

stopni.

Oszacujmy wartość 

t

2 50 m -     droga przebyta w interferometrze po 

wielokrotnych 

            odbiciach

c  310

8

 m/s -   prędkość światła

 3 10

4

 m/s -  prędkość orbitalna Ziemi

s

10

7

.

1

15

t

background image

 

 

Zmiana czasowego przesunięcia między wiązkami 

występująca przy obrocie interferometru o 90 

stopni.

Czy jest to wartość, którą możnaby zaobserwować? 

Czy daje ona zauważalną zmianę obrazu 
interferencyjnego? 

Oszacujmy to.

= 589 nm = 58910

-9 

m 610

-7 

m - żółta linia 

lampy sodowej

T

= /c  610

-7

/3 10

s = 

210

-15 

s

 - okres 

jednego drgania

s

10

7

.

1

15

t

85

.

0

/ 

T

t

background image

 

 

Wynik doświadczenia:

negatywny

Albert Abraham Michelson

Annapolis, 1887

background image

 

 

x

y

z

y'

z'

x'

v

background image

 

 

x

y

z

ct

x

2

+y

2

+z

(ct)

2

background image

 

 

x'

y'

z'

ct'

x’

2

+y’

2

+z’

(ct’)

2

background image

 

 

x

2

+y

2

+z

(ct)

2

x’

 

2

+y’

 

2

+z’

 

(ct’)

2

Czy jest możliwe, by te 
dwa równania:

były jednocześnie spełnione?!

Trudne pytanie:

background image

 

 

I owszem. Tak będzie,jeśli 
zmienne (x,y,z,t) powiązane 
będą ze zmiennymi (x’,y’,z’,t’
równaniami:

2

2

1

'

c

v

vt

x

x

2

2

2

1

'

c

v

x

c

v

t

t

y

'

z

'

Wzory 
transformacyjne 
Lorentza

Hendrik Antoon 
Lorentz (1853-
1928) Leida, 
Uniwersytet

Nagroda Nobla 
wraz z 
Zeemanem za 
teoretyczne 
przewidzenie 
efektu Zeemana

background image

 

 

2

2

1

'

c

v

vt

x

x

2

2

2

1

'

c

v

x

c

v

t

t

y

'

z

'

Z tymi współrzędnymi 
nic ciekawego się nie 
dzieje. Skoncentrujmy 
się więc na 
pozostałych.

background image

 

 

Istotne pytania:

Jak mają się do siebie układy 
współrzędnych (x,t)  i (x’,t’)?

Czy wzory transformacyjne Lorentza mają 
jakąś prostą interpretację geometryczną? 

Jakie są ich konsekwencje fizyczne?

2

2

1

'

c

v

vt

x

x

2

2

2

1

'

c

v

x

c

v

t

t

background image

 

 

x

Jednowymiarowy świat

Zdarzenie 
A

x

A

Czas zdarzenia

 t

A

0

background image

 

 

x

t

MAPA 

CZASOTRZESTRZENI 

sporządzona przez 

obserwatorów z układu 

(x,t)

Zdarzenie 
A

x

A

t

A

(x

A

,t

A

)

background image

 

 

x
'

t'

MAPA 

CZASOTRZESTRZENI 

sporządzona przez 

obserwatorów z układu 

(x’,t’)

Zdarzenie 
A

x'

A

t'

A

(x’

A

,t’

A

)

background image

 

 

Jak mają się zapisy na mapie (x’, 
t’) do zapisów na mapie (xt)?

To proste, odpowiedzi na to 
pytanie udzielają wzory 
transformacyjne Lorentza:

2

2

1

'

c

v

vt

x

x

A

A

A

2

2

2

1

'

c

v

x

c

v

t

t

A

A

A

Hmm...

background image

 

 

Spróbujmy inaczej. Zobaczmy, gdzie na mapie 
(x,t) znajdują się osie x’ i t’.

Co to jest oś x’? 

Oś x = 

{

(x,t): t’= 0

}

 = 

{

(x,t):                         

=

{

(x,t): t-(v/c

2

)x = 0

}  

=  

{

(x,t): = (v/c

2

)x

}

Co to jest oś t’? 

Oś t = 

{

(x,t): x’= 0

}

 = 

{

(x,t):                         

=

{

(x,t): x-vx = 0

}  

=  

{

(x,t): vx

}

0

1

2

2

2

c

v

x

c

v

t

0

1

2

2

c

v

vt

x

background image

 

 

x
'

t'

t

x

background image

 

 

x
'

t'

t

x

x

A

t

A

x'

A

t'

A

x=ct

background image

 

 

Odczytanie wartości x

A

’ i t

A

’ będzie możliwe, 

gdy dowiemy się, gdzie leżą punkty 
wyznaczające jednostki x’ i t’. 

Co to jest jednostka x’? 

Jednostka x = 

{

(x,t): x’=1, t’=0

}

 = ...

...= 

{

(x,t):                      ,                        

Jednostka t = 

{

(x,t): x’= 0, t’=1

}

 = ...

...= 

{

(x,t):                      ,                        

2

2

1

1

c

v

x

2

2

1

1

c

v

t

2

2

1

c

v

v

x

2

2

2

1

c

v

c

v

t

background image

 

 

x
'

t'

t

x

1

1

1

1

c=
1

2

t

x

2

x

t

background image

 

 

Konsekwencje 

transformacji Lorentza

Poruszające sie pręty 

skracają się.

Sprawdźmy...

background image

 

 

x
'

t'

t

x

1

1

1

1

c=
1

2

2

0

1

'

c

v

l

l

background image

 

 

x
'

t'

t

x

1

1

1

1

c=
1

2

2

0

1

'

c

v

l

l

background image

 

 

Konsekwencje 

transformacji Lorentza

Poruszające się zegary 

tykają rzadziej.

Sprawdźcie sami...

background image

 

 

Konsekwencje 

transformacji Lorentza

Prędkości nie dodają 

się w prosty, 

galileuszowski sposób.

A jak?

background image

 

 

x

y

z

y'

z'

x'

v

(u

, u

u

z

)

background image

 

 

2

2

1

'

c

v

vt

x

x

,

1

/

1

'

/

1

1

'

/

1

'

2

2

2

2

2

2

2

2

2

c

v

u

c

v

dt

dt

c

v

c

vu

dt

dt

c

v

x

c

v

t

t

x

x

y

'

z

'

t

u

z

t

u

y

t

u

x

z

y

x

z

y

x

u

dt

dz

u

dt

dy

u

dt

dx

2

2

2

2

2

2

2

1

/

1

'

'

'

1

/

1

'

'

'

1

'

'

'

c

vu

c

v

u

dt

dz

u

c

vu

c

v

u

dt

dy

u

c

vu

v

u

dt

dx

u

x

z

z

x

y

y

x

x

x

Transformacja prędkości:

'

'

'

dt

dt

dt

dy

dt

dy

background image

 

 

z

y

x

u

u

u

2

2

2

2

2

2

2

1

/

1

'

1

/

1

'

1

'

c

vu

c

v

u

u

c

vu

c

v

u

u

c

vu

v

u

u

x

z

z

x

y

y

x

x

x

background image

 

 

x

y

z

y'

z'

x'

v

c

Zobaczmy, ile wynosi prędkość 
fotonu w poruszającym się 
układzie odniesienia

background image

 

 

c

c

c

c

v

c

c

v

c

c

vc

c

v

c

c

vc

v

c

c

vu

v

u

u

c

u

x

x

x

x

2

2

2

2

2

2

1

)

(

1

1

'

]

[

prędkość w układzie 
(x,y,z)

prędkość w układzie (x’,y’,z’)

Prędkość fotonu pozostaje 
niezmienna.

background image

 

 

Konsekwencje 

transformacji Lorentza

Pęd dany jest innym 

niż w mechanice 

klasycznej 

wyrażeniem.

background image

 

 

2

2

1

c

u

mu

p

Pęd ciała o masie m 
poruszającego się z prędkością 
:

background image

 

 

Konsekwencje 

transformacji Lorentza

Związek między siłą i 

przyspieszeniem dany 

jest różnym od 

klasycznego 

wyrażeniem.

background image

 

 

Ciało o masie m porusza się z prędkością u

Jego pęd dany jest wyrażeniem:

2

2

1

c

u

mu

p

Pęd ten zmienia się, jeśli na ciało działa siła :

a

c

u

m

dt

dp

F

2

3

2

2

1





background image

 

 

Konsekwencje 

transformacji Lorentza

Inaczej też wygląda 

wyrażenie na energię 

kinetyczną.

background image

 

 

Pod działaniem stałej siły F ciało o masie m 
przyspiesza. 

Pytanie: 

Jaką pracę wykona siła F przyspieszając rozważane 
ciało od stanu spoczynku do prędkości u? 

Odpowiedź:

Praca ta, przemieniona w energię kinetyczną ciała 
dana jest wyrażeniem: 

2

2

2

2

0

1

mc

c

u

mc

Fds

E

u

s

k


Document Outline