Физика

за сваког по нешто

Увод

Преузми Word документ

Крајем XIX, чинило се да је у физици све решено.

Вилијем Томсон – Лорд Келвин (1900.): На ведром небу физике  постоје само два облака – проблем топлотног зрачења (ултравиолетна катастрофа) и Мајкелсон-Морлијев оглед (проблем етра).

Решење та два проблема довела су до стварања нових теорија које су поставиле нове основе за разумевање света који нас окружује, до стварања нове – модерне физике. Решење првог проблема довело је до стварања квантне теорије, а решење другог проблема до стварања теорије релативности.

Класична физика је сведена на специјални случај ових теорија.

Свет који нас окружује можемо поделити на:

микросвет – свет молекула, атома и елементарних честица;

макросвет – свет на површини ове наше планете у коме и сами живимо;

мегасвет – или свемир, при чему су мегатела звезде, планете итд.

Квантна теорија се бави микросветом, док се Општа теорија релативности бави мегасветом. За описивање појава у макросвету користи се класична физика.

Алберт Ајнштајн је аутор Специјалне (1905.) и Опште теорије релативности (1916.), док је основне идеје за Квантну теорију поставио Макс Планк (1900.). Ајнштајн је доказао тачност основних Планкових идеја (1905.) и за тај рад је добио Нобелову награду за физику 1921. године.

 

Физичке величине – апсолутне и релативне

Физичка величина је релативна ако није иста за све посматраче. То значи да постоји могућност да два посматрача мере исту физичку величину и да се, без обзира што обојица мере са истом прецизношћу, резултати њихових мерења значајно разликују.

Пример:

За прецизније одређивање положаја тела користи се референтни систем. Брзина тела зависи од избора референтног система.

  • референтни систем S – везан за посматрача који се налази на перону – непокретни референтни систем
  • референтни систем S’ – везан за вагон који се креће брзином u у односу на перон (референтни систем S) – покретни референтни систем
  • по вагону се креће човек брзином v’ у односу на вагон (референтни систем S’)

\overrightarrow{v} – брзина човека у односу на перон (референтни систем S)

\overrightarrow{u} – брзина вагона (референтни систем S’) у односу на перон (референтни систем S)

\overrightarrow{v'} – брзина човека у односу на вагон (референтни систем S’)

\overrightarrow{v}=\overrightarrow{u}+\overrightarrow{v'}

Пример: ако се човек креће по вагону брзином v'=1\frac{m}{s} и ако се вагон креће, у односу на перон, брзином u=5\frac{m}{s}, тада је брзина човека у односу на перон:

v=v'+u

v=1\frac{m}{s}+5\frac{m}{s}

v=6\frac{m}{s}

У овом примеру смо имали прилике да уочимо једну релативну физичку величину. Та величина је брзина човека.

Насупрот томе, дата физичка величина је апсолутна ако је иста за све посматраче.

У класичној физици се сматрало да су апсолутне три физичке величине:

– дужина тела;

– маса тела;

– трајање временског интервала.

 

Брзина светлости

Амерички научници Мајкелсон и Морли (1881.) су мерењима показали да је брзина светлосног зрака апсолутна величина. Њихов прави циљ је био да провере да ли постоји етар.

Mного година пре прецизног мерења брзине светлости било је познато да је за простирање звучних, односно механичких таласа, неопходно постојање неке средине кроз коју би таласи путовали. Постојање средине кроз коју талас путује условљено је тиме што се талас простире преношењем осцилација са једне честице на другу. Као последица неопходности постојања средине било је познато да звучни таласи не могу да путују кроз вакум, а то је и експериментално потврђено. Због свега тога, научници су сматрали да је и за простирање светлости, неопходно постојање неке средине кроз коју би таласи путовали, односно мора да постоји нека супстанца чије би честице осциловале и на тај начин преносиле светлосни талас. Због тога уведена је теоријска замисао да је сав простор (па и вакуум) испуњен специјалним обликом материје, који је назван етар. На овај начин је “створена” материјална средина кроз коју могу да се чак и кроз вакуум простиру електромагнетни таласи.

Идеја о постојању етера је свима деловала врло логично и убрзо је етар прихваћен као један од материјала у васиони. Разумљиво је да су научници тог времена пробали да детектују етар. Сматрало се да ако би етар постојао он би морао да испуњава сав васионски простор, а на основу тога закључено је да би он требао да буде једина ствар која се не креће.

Замисао је била следећа:

Земља се креће кроз етар (ако постоји) путујући око Сунца брзином од 30\frac{km}{s}. Притом се у одређеном делу године креће према некој изабраној звезди. Шест месеци касније Земља се истом брзином удаљава од те исте звезде. Брзина светлости када јој се Земља примиче, а у складу са класичним законом сабирања брзина, морала да буде 300 030\frac{km}{s}, што је аналогно са ситуацијом када се крећемо низ ветар. Када се Земља шест месеци касније удаљава од ње брзина светлости, која са те звезде стиже до Земље, би морала бити 299 970\frac{km}{s}, што је аналогно са ситуацијом у којој се крећемо уз ветар па нас он успорава.

Међутим, извођење огледа у облику који је описан је немогуће. Амерички научници Мајкелсон и Морли осмислили су адекватан оглед, који је било могуће извести и који је могао да да поуздане податке. Користили су Мајкелсонов интерферометар који омогућава да се један светлосни зрак подели на два дела помоћу полупропустљивог огледала. Један светлосни зрак је усмерен у правцу кретања Земље, а други у правцу нормалном на правац кретања Земље. Ови зраци се одбијају од огледала и враћају назад. Посматрач тада региструје оба таласа у микроскопу и све што сада преостаје је да на основу анализе инетерференционе слике утврди да ли постоји разлика у времену које је потребно да ови зраци пређу исту удаљеност.

Али сва мерења, која су Мајкелсон и Морли предузели, су показивала да је брзина светлости увек иста. То значи да бројна вредност брзине светлости не зависи од начина кретања посматрача, а то даље значи да је њена  вредност апсолутна.

У новије време су изведена иста оваква мерења, али уместо обичне светлости коришћени су ласерски зраци. Прецизност мерења је повећана. И ова мерења су потврдила Мајкелсонов налаз – брзина светлости јесте апсолутна.

1905. године у свом раду “О електродинамици тела у кретању” Ајнштајн математички доказује да су – ако је брзина светлости апсолутна. Као једна од последица је да је брзина светлости не само апсолутна ( иста за све посматраче ) већ да је и највећа брзина у природи, а да материјално тело никада не може достићи ову брзину. Брзина светлости је иста без обзира да ли извор светлости мирује или се креће. Величине чије вредности не зависе од избора референтног система називају се инваријантне.

У модерној физици се сматра да постоји само једна апсолутна физичка величина – а то је брзина светлости, док су све остале величине релативне. Сада је јасан и назив ове теорије. Она је теорија “релативности” зато што доказује да су три величине које су у класичној физици сматране за апсолутне – дужина, маса и време – у ствари релативне.

Назив “специјална” потиче од чињенице да се ова теорија практично бави специјалним случајем: када тело које посматрамо не убрзава и када није изложено гравитационим утицајима. Дакле, тело које посматрамо је инерцијални[1] сиситем и налази се у бестежинском стању.

 

У основи Специјалне теорије релативности су два постулата:

  1. Свака физичка појава се, у истим условима, дешава на исти начин у свим инерцијалним системима, односно сваки физички закон у свим инерцијалним системима изражава се једначинама истог облика.
  2. Брзина светлости у вакууму је увек иста и не зависи од стања кретања ни њеног извора ни пријемника.

 

Истовременост догађаја

Механика која се заснива на Ајнштајновој теорији релативности назива се релативистичка механика. У граничном случају, када су брзине тела мале у поређењу са брзином светлости, релативистичка механика прелази у класичну механику, која се још назива Њутнова механика.

Према класичној (Њутновој) механици, простор и време се посматрају независно један од другог. Њутн је сматрао да постоји апсолутни простор и апсолутно време. Према томе, сматрало се очигледним ако су два догађаја истовремена у једном референтном систему, да су та два догађаја истовремена и у свим осталим референтним системима. Међутим ово тврђење није у складу са теоријом релативности.

Пример:

Нека се воз креће константном брзином и нека се на средини воза (на прозору) налази путник. Један посматрач се налази на перону поред пруге. У тренутку када се путник у возу и посматрач на перону нађу један наспрам другог, на оба краја воза се истог тренутка произведу два светлосна сигнала. Светлосни сигнали стижу истовремено до посматрача на перону и за њега су ови догађаји истовремени. Пошто се воз креће, светлосни сигнал од почетка воза че пре стићи до путника у возу него светлосни сигнал са краја воза.

Закључак:

  • ова два догађаја за путника у возу нису истовремени;
  • време у систему везаном за воз тече другачије него време у систему везаном за перон.

Истовременост није апсолутни, већ релативни појам – зависи од релативног кретања посматрача.

 

 


Додатак:

 

 

 

Лоренцове трансформације