Арнайы салыстырмалылық теориясы

Ньютонның заңдарына негізделген классикалық меха-ника тек макроскопиялық денелерге, яғни өте көп бөлшектерден (иондардан, атомдардан, молекулалардан және т.б.) құралатын денелерге қолдануға болатыны белгілі. Сонымен қатар, бұл макроскопиялық денелер жарықтың вакуумдағы жылдамдығына қарағанда өте төменжылдамдықпен қозғалуы қажет. Вакуумдағы жарық шамамен 300000 км/с жылдамдықпен қозғалғандықтан, практика жүзінде классикалық механиканы қарапайым денелердің барлығына қолдануға болады. Элементар бөлшектер, жеке атомдар, иондар, молекулалар және т.с.с. өздерінің қозғалысында өте үлкен жылдамдық алулары мүмкін. Ондай бөлшектерді бақылау нәтижелері классикалық механиканың заңдылықтарынан ауытқу болатынын көрсетеді.

Өте үлкен жылдамдықпен қозғалатын денелердің механикасы салыстырмалық теориясы деп, немесе релятивистік (реляцион- салыстырмалық, лат.) теория деп те аталады. Жарықтың вакуумдағы жылдамдығымен шамалас жылдамдықтар релятивистік жылдамдықтар, релятивистік жылдамдықтармен қозғалатын денелердің механикасы релятивистік механика, релятивистік механикада зерттелетін құбылыстар релятивистік құбылыстар деп аталады.

Релятивистік теорияның негізін қалаған – Альберт Эйштейн (1905ж.). Салыстырмалық теориясының екі түрі бар – арнаулы салыстырмалық теориясы және жалпы салыстырмалық теориясы. Арнаулы салыстырмалық теориясында бірқалыпты, бірақ өте үлкен жылдамдықпен қозғалатын денелер қарастырылса, жалпы салыстырмалық теориясында өте шапшаң, бірқалыпты емес, үдемелі қозғалыстағы денелер қарастырылады. Біздер тек қана арнаулы салыстырмалық теорияны қарастырамыз.

Арнаулы салыстырмалық теориясы(АСТ) ХХ ғасырдың басында пайда болған физиканың жаңа бөлімі. Ол үлкен қашықтықтарда және өте жоғары жылдамдықтарда физика құбылыстарында, заңдылықтарында байқалатын өзгерістерді түсіндіруді мақсат етеді. Бұндай ерекше жағдайларда денелердің қозғалысының физикалық қасиеттерін түсіну үшін кеңістік пен уақытқа деген бұрыңғы көзқарастарды талдап, олардың негізгі қасиеттерін қайта қарауға тура келді. Сонымен, кеңістік пен уақыттың негізгі қасиеттерін зерттейтін теориялық физиканың бөлімі – салыстырмалық теория.

Кеңістік пен уақыттың қасиеттері әртүрлі физикалық құбылыстардан байқалады. Адам санасында қалыптасып қалған қасиеттер механикалық қозғалыстардан, яғни күнделікті өмірден көрінеді. Бірақ нақты қасиеттер басқа құбылыстардан анық байқалады. Сондай құбылыстардың бір класы – жарық толқындарының таралу заңдылықтарынан білінді. Екінші класы–ядролық құбылыстардан (микродүние) және космостық денелердің қозғалыстарынан (макродүние) байқалды. Сондай құбылыстардың үшінші класы– үлкен массалы денелердің маңындағы кеңістік пен уақыттың қасиеттерінің өзгерісімен байланысты.

Арнаулы салыстырмалық теориясының негізінде Эйнштейннің салыстырмалылық принципі жатыр. Механикада осыған ұқсас Галилейдің салыстырмалылық принципі қабылданған: Барлық инерциалды салыстырмалы санақ жүйелерінде механикалық құбылыстар бірдей өтеді. Немесе: ешқандай механикалық құбылыстарды пайдаланып, санау жүйесінің тыныштықта тұрғанын немесе бірқалыпты түзу сызықты қозғалыста екенін анықтауға болмайды. Бірақ электромагниттік өріс заңдары Галилейдің салыстырмалы принципіне қайшы келеді (сол себепті ХХ ғасырдың басында салыстырмалы принциптің мағынасын кеңейту мәселесі пайда болды). Бұл қайшылықты дәлелдейтін экспериментальдық фактілер: Майкельсон – Морли тәжірибесі, Физо тәжірибесі, астрономиялық аберрация эффектісі. Бұл тәжірибелерден шығатын негізгі қорытынды: Барлық санақ жүйелерде өлшегенде C= 3*10⁸ км/с-қа тең. Майкельсон – Морли тәжірибесінде (3-сурет) жарық сәулесі S жарық көзінен шығып, П- жартылай мөлдір әйнекте екіге бөлінеді. екі сәуле- ұзындықтары бірдей ПА=ПВ= l қашықтықтарды өзара перпендикуляр бағытта жүріп өтеді және А мен В айналардан шағылады. 1-сәуле П пластинадан өтіп, ал 2-сәуле одан шағылғаннан кейін Т тұрбаға түсіп, егер екеуінің жылдамдықтары әртүрлі болып, фаза айырмашылықтары пайда болса, интерференция құбылысын туғызуы тиіс. Бұл тәжірибенің идеясын 1879 жылы Максвелл айтып, 1881 жылы Майкельсон орындады (идеясы мен теориясын Беллюстин[5] кітабынан оқуы-ңызға болады.). Тәжірибенің мақсаты-Жердің эфирге қатыс-ты V жылдамдығын өлшеу. Бірақ екі сәуледе фаза айыры-мы пайда болмады, демек Жер эфирге қатысты қозғалмайтын немесе эфир Жермен бірге іле-сіп қозғалатын болып шықты. Бірақ соңғы қорытындыны Физо тәжірибесі растамады. (Физо тәжірибесінің сипаттамасы §7-де)

Жұлдыздық аберрация құбылысы дегеніміз бақы-лаушының қозғалысы сал-дарынан жұлдыз кескінінің-(S) шын (яғни нақты) (S') қалпынан ауытқу құбылы-сын айтады. Бұның себебі Жердің орбиталды қозғалы-сы, ал ауытқу осы қозғалыс-тың V жылдамдығына ғана тәуелді. Эфир Жермен ілесе қозғалатын болса, бұндай құбылыс байқалмауы тиіс еді. [8] (V≈30 км/с) (4-сурет)

Осы 3 тәжірибенің нәтижесі физикада дағдарыс туғыз-ды. Дағдарыстан шығу үшін Галилейдің салыстырмалық принципінен бастарту керек немесе электродинамиканы басқаша құру керек, екеуі бір-біріне үйлеспейтін сияқты болды. Дағдарысты жеңудің жолын Эйнштейн тапты. Ол салыстырмалық принципін (постулатын) және электродина-мика принциптерін үйлестіру мүмкін деп тапты.

Физика дамуы арқасында физикалық қозғалыстың мағынасы кеңейіп, қозғалыстың басқа түрлерін де қамтыған, соның ішінде электромагниттік өрістің қозғалысы да бар. Альберт Эйнштейн бұл постулатты кеңейтіп, механикалық қана емес, электрлік, магниттік, оптикалық, ядролық, атом-дық, молекулалақ, жалпы физикалық құбылыстарды пайда-ланып, санау жүйесінің тыныштықта тұрғанын немесе бірқа-лыпты түзу сызықты қозғалыста екенін айырып білуге бол-майды дейді. Сонымен, Эйнштейннің салыстырмалылық принципі: Барлық инерциалды санақ жүйелерінде физикалық құбылыстардың мағынасы өзгермейді, яғни бірқалыпты қозғалыс физикалық құбылыстардың өтуіне әсерін тигізбейді, - дейді. Басқаша айтқанда, ешқандай физикалық құбылыстарды пайдаланып санау жүйесінің тыныштықта тұрғанын немесе бірқалыпты түзу сызықты қозғалыста екенін ажыратуға болмайды.

Осы тұжырым және жарық жылдамдығының тұрақтылығы жөніндегі постулат арнаулы салыстырмалық теориясының негізгі постулаттары болып табылады.

«Кез келген инерциялық санақ жүйесінде жарықтың вакуумдағы таралу жылдамды-ғы бірдей болады. Оның мәні– С= 300000 км/с.»

Бұл Эйнштейннің бірінші постулаты. Кез келген басқа дененің қозғалу жылдамдығы V<C болуы қажет.

«Барлық инерциалды санақ жүйелерінде физикалық құбылыстар бірдей заңдарға бағынады»

Бұл Эйнштейннің екінші постулаты.

Арнаулы салыстырмалық теориясының постулаттарынан шығатын бірнеше салдар бар. Бұл салдары:

1. Уақыт аралықтарының салыстырмалылығы.

2. Ұзындықтар салыстырмалылығы.

3. Біруақыттылықтың салыстырмалылығы.

Осы екі постулатқа негізделген түрлендірулер Лоренц түрлендірулері деп аталады. Оның формуласы:

Y'=Y; Z'=Z;

(1)

Арнаулы салыстырмалық теориясының негізгі мәселесі: Инерциалды санақ жүйесінің (ИСЖ) бәрінде де бірдей білінетін физика заңдарын анықтау, яғни барлық инерциалды санақ жүйесі табиғат құбылыстарын сипаттау бірдей болуы үшін қажетті шарттарды анықтау болып табылады. Бірақ бұндай зерттеулерді жүргізу үшін кеңістік пен уақыттың негізгі қасиеттерін қайта қарап, адам санасында қалыптасып қалған кейбір қате көзқарастардан бас тарту керек болды.