Teoria relativității restrânse

Teoria relativitatii restranse

Relativitatea restransa (Teoria relativitatii restranse sau teoria restransa a relativitatii) este teoria fizica a masurarii in sistemele de referinta inertiale propusa in 1905 de catre Albert Einstein in articolul sau "Despre electrodinamica corpurilor in miscare". Ea generalizeaza principiul relativitatii al lui Galilei - care spunea ca toate miscarile uniforme sunt relative, si ca nu exista stare de repaus absoluta si bine definita (nu exista sistem de referinta privilegiat) - de la mecanica la toate legile fizicii, inclusiv electrodinamica.

Pentru a evidentia acest lucru, Einstein nu s-a oprit la a largi postulatul relativitatii, ci a adaugat un al doilea postulat: acela ca toti observatorii vor obtine aceeasi valoare pentru viteza luminii indiferent de starea lor de miscare uniforma si rectilinie.

Aceasta teorie are o serie de consecinte surprinzatoare si contraintuitive, dar care au fost de atunci verificate pe cale experimentala. Relativitatea restransa rastoarna notiunile newtoniene de spatiu si timp afirmand ca timpul si spatiul sunt percepute diferit in sensul ca masuratorile privind lungimea si intervalele de timp depind de starea de miscare a observatorului. Rezulta de aici echivalenta dintre materie si energie, exprimata in formula de echivalenta a masei si energiei E = mc2, unde c este viteza luminii in vid. Relativitatea restransa este o generalizare a mecanicii newtoniene, aceasta din urma fiind o aproximatie a relativitatii restranse pentru experimente in care vitezele sunt mici in comparatie cu viteza luminii.

Teoria a fost numita "restransa" deoarece aplica principiul relativitatii doar la sisteme inertiale. Einstein a dezvoltat relativitatea generalizata care aplica principiul general, oricarui sistem de referinta, si acea teorie include si efectele gravitatiei. Relativitatea restransa nu tine cont de gravitatie, dar trateaza acceleratia.

Desi teoria relativitatii restranse face anumite cantitati relative, cum ar fi timpul, pe care ni l-am fi imaginat ca fiind absolut, pe baza experientei de zi cu zi, face absolute unele cantitati pe care le-am fi crezut altfel relative. In particular, se spune in teoria relativitatii ca viteza luminii este aceeasi pentru toti observatorii, chiar daca ei sunt in miscare unul fata de celalalt. Relativitatea restransa dezvaluie faptul ca c nu este doar viteza unui anumit fenomen - propagarea luminii - ci o trasatura fundamentala a felului in care sunt legate intre ele spatiul si timpul. In particular, relativitatea restransa afirma ca este imposibil ca un obiect material sa fie accelerat pana la viteza luminii.

Consecinte

Einstein a spus ca toate consecintele relativitatii restranse pot fi derivate din examinarea transformarilor Lorentz.

Aceste transformari, si deci teoria relativitatii restranse, a condus la predictii fizice diferite de cele date de mecanica newtoniana atunci cand vitezele relative se apropie de viteza luminii. Viteza luminii este atat de mult mai mare decat orice viteza intalnita de oameni incat unele efecte ale relativitatii sunt la inceput contraintuitive:

Dilatarea temporala - timpul scurs intre doua evenimente nu este invariant de la un observator la altul, dar el depinde de miscarea relativa a sistemelor de referinta ale observatorilor (ca in paradoxul gemenilor care implica plecarea unui frate geaman cu o nava spatiala care se deplaseaza la viteza aproape de cea a luminii si faptul ca la intoarcere constata ca fratele sau geaman a imbatranit mai mult).

Relativitatea simultaneitatii - doua evenimente ce au loc in doua locatii diferite, care au loc simultan pentru un observator, ar putea aparea ca avand loc la momente diferite pentru un alt observator (lipsa simultaneitatii absolute).

Contractia Lorentz - dimensiunile (de exemplu lungimea) unui obiect masurate de un observator pot fi mai mici decat rezultatele acelorasi masuratori efectuate de un alt observator (de exemplu, paradoxul scarii implica o scara lunga care se deplaseaza cu viteza apropiata de cea a luminii si tinuta intr-un garaj mai mic).

Compunerea vitezelor - vitezele nu se aduna pur si simplu, de exemplu daca o racheta se misca la - din viteza luminii pentru un observator, si din ea pleaca o alta racheta la - din viteza luminii relativ la racheta initiala, a doua racheta nu depaseste viteza luminii in raport cu observatorul. (In acest exemplu, observatorul vede racheta a doua ca deplasandu-se cu 12/13 din viteza luminii.)

Inertia si impulsul - cand viteza unui obiect se apropie de cea a luminii din punctul de vedere al unui observator, masa obiectului pare sa creasca facand astfel mai dificila accelerarea sa in sistemul de referinta al observatorului.

Echivalenta masei si energiei, E = mc2 - Energia inmagazinata de un obiect in repaus cu masa m este egala cu mc2. Conservarea energiei implica faptul ca in orice reactie, o scadere a sumei maselor particulelor trebuie sa fie insotita de o crestere a energiilor cinetice ale particulelor dupa reactie. Similar, masa unui obiect poate fi marita prin absorbtia de catre acesta de energie cinetica.

Sisteme de referinta, coordonate si transformarea Lorentz

Teoria relativitatii depinde de "sisteme de referinta". Un sistem de referinta este o perspectiva observationala in spatiu in repaus sau in miscare uniforma, de unde se poate masura o pozitie de-a lungul a 3 axe spatiale. In plus, un sistem de referinta are abilitatea de a determina masuratorile evenimentelor in timp, folosind un 'ceas' (orice dispozitiv de referinta cu periodicitate uniforma).

Un eveniment este un lucru caruia i se poate asigna un moment in timp si o locatie in spatiu unice in raport cu un sistem de referinta: este un "punct" in spatiu-timp. Deoarece viteza luminii este constanta in teoria relativitatii in orice sistem de referinta, impulsurile luminoase pot fi folosite pentru a masura neambiguu distantele si a da timpuu la care evenimentele au avut loc pentru ceasul sistemului, desi lumina are nevoie de timp pentru a ajunge la ceas dupa ce evenimentul a trecut.

De exemplu, explozia unei petarde poate fi considerata un "eveniment". Putem specifica complet un eveniment prin cele patru coordonate spatiu-timp: Momentul la care a avut loc si locatia spatiala in 3 dimensiuni definesc un punct de referinta. Sa numim acest sistem de referinta S.

In teoria relativitatii se doreste adesea calcularea pozitiei unui punct dintr-un alt sistem de referinta.

Sa presupunem ca avem un al doilea sistem de referinta S', ale carui axe spatiale si ceas coincide exact cu ale lui S la momentul zero, dar care se misca cu o viteza constanta v in raport cu S in jurul axei x

. Deoarece nu exista sistem de referinta absolut in teoria relativitatii, conceptul de "in miscare" nu exista in sens strict, intrucat toate sunt mereu in miscare in raport cu alte sisteme de referinta.