Szczególna teoria wzgl ˛edno´sci
prof. dr hab. Aleksander Filip ˙ Zarnecki
Zakład Cz ˛ astek i Oddziaływa ´n Fundamentalnych Instytut Fizyki Do´swiadczalnej
Wykład I:
• Informacje ogólne
• Wprowadzenie
• Teoria i do´swiadczenie w fizyce
• Zdarzenia i czasoprzestrze ´n
• Układy odniesienia i układy współrz ˛ednych
Zasady zaliczania
Uzyskanie pozytywnej oceny ko ´ncowej z wykładu mo˙zliwe jest po pozytywnym zaliczeniu cz ˛e´sci rachunkowej i zdaniu egzaminu teoretycznego.
Cz ˛e´s´c rachunkowa
Zaliczenie cz ˛e´sci rachunkowej odbywa si ˛e na podstawie
• obecno´sci na ´cwiczeniach Obecno´s´c na ´cwiczeniach jest obowi ˛ azkowa!
Bez usprawiedliwienia student mo˙ze opu´sci´c co najwy˙zej 1 ´cwiczenia.
Ka˙zda kolejna nieusprawiedliwiona nieobecno´s´c powoduj ˛ a obni˙zenie oceny o jeden stopie ´n.
• wyników “kartkówek”
W ramach ´cwicze ´n przeprowadzone b ˛ed ˛ a 3 sprawdziany polegaj ˛ ace ka˙zdorazowo na rozwi ˛ azaniu jednego zadania z wcze´sniej ogłoszonej serii zada ´n domowych. Z ka˙zdego sprawdzianu mo˙zna uzyska´c maksymalnie 2 punkty.
• wyników egzaminu pisemnego
4 zadania rachunkowe, za rozwi ˛ azanie ka˙zdego z nich mo˙zna dosta´c maksymalnie 5 punktów
⇒ Do zaliczenia konieczne jest uzyskanie ł ˛ acznie przynajmniej 12 punktów.
Zasady zaliczania
Zadania domowe
Nieobowi ˛ azkowe. B ˛ed ˛ a sprawdzane przez asystentów je´sli zostan ˛ a oddane w terminie.
Sprawdziany w ramach ´cwicze ´n b ˛ed ˛ a obejmowa´c wcze´sniej ogłoszone zadania domowe.
Cz ˛e´s´c zada ´n egzaminacyjnych b ˛edzie wzorowana na zadaniach domowych !
Cz ˛e´s´c “teoretyczna”
Egzamin teoretyczny składa si ˛e z:
• testu pisemnego (w poł ˛ aczeniu z egzaminem rachunkowym)
• egzaminu ustnego
pod warunkiem zaliczenie cz ˛e´sci rachunkowej i testu pisemnego
W przypadku gdy wyniki cz ˛e´sci rachunkowej i testu pisemnego pozwol ˛ a na
zaproponowanie oceny ko ´ncowej student mo˙ze zrezygnowa´c z egzaminu ustnego.
Zasady zaliczania
Materiały z wykładów
Slajdy z wykładów oraz zadania domowe b ˛ed ˛ a sukcesywnie umieszczane na stronie:
http://www.fuw.edu.pl/ ∼ zarnecki/stw/
W wyj ˛ atkowych przypadkach indywidualnych mo˙zliwe jest zwolnienie
z obowi ˛ azku uczestniczenia w ´cwiczeniach - nale˙zy skontaktowa´c si ˛e
z wykładowc ˛ a w pierwszym tygodniu zaj ˛e´c.
Co to jest fizyka ?
Fizyka zajmuje si ˛e badaniem
najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych
wła´sciwo´sci materii i zjawisk w otaczaj ˛ acym nas ´swiecie.
“Nasza wiedza o ´swiecie fizycznym dzieli si ˛e na dwie kategorie:
prawa przyrody i warunki pocz ˛ atkowe. Fizyka w pewnym sensie nie interesuje si ˛e warunkami pocz ˛ atkowymi, pozostawiaj ˛ ac je badaniom astronomów, geologów, geografów, i tak dalej.”
Eugene Wigner
Staramy si ˛e znale´z´c prawidłowo´sci niezale˙zne od “warunków pocz ˛ atkowych”...
Te same prawa pozwalaj ˛ a czasami wyja´sni´c zupełnie ró˙zne zjawiska...
Co to jest fizyka ?
Staramy si ˛e zrozumie´c zjawiska zachodz ˛ ace na naj- mniejszych i najwi ˛ekszych odległo´sciach...
Szukamy praw opisuj ˛ acych zachowanie najmniejszych cz ˛ astek elementarnych oraz ewolucj ˛e wszech´swiata...
masa [kg]
rozmiar [m]
Czlowiek pierwotniaki wirusy
Slonce Ziemia
Galaktyka Wszechswiat
atomy proton
↓ elektron 10-20
10-10 1 1010 1020 1030
10-30 10-20 10-10 1 1010 1020 1030 1040 1050 1060
Teoria i do´swiadczenie
Do´swiadczenie
Skoro chcemy opisa´c otaczaj ˛ acy nas ´swiat (a nie jak ˛ a´s rzeczywisto´s´c wirtualn ˛ a)
to oznacza, ˙ze niezb ˛ednym elementem i punktem wyj´scia wszystkich naszych rozwa˙za ´n powinno by´c do´swiadczenie.
Do´swiadczenie dostarcza nam danych, na podstawie których staramy si ˛e tworzy´c modele opisuj ˛ ace rzeczywisto´s´c.
Teoria
Nast ˛epnie od opisu zjawiska (model opisowy) staramy si ˛e przej´s´c do wyja´snienia jego mechanizmu - tworzymy model przyczynowy (“teori ˛e”)
Przykład:
ruch planet ⇒ prawa Keplera ⇒ prawo grawitacji Newtona
Teoria i do´swiadczenie
Tworz ˛ ac modele i teorie staramy si ˛e uj ˛ a´c istot ˛e zjawiska.
Dlatego cz ˛esto posługujemy si ˛e idealizacj ˛ a (np. punkt materialny, układ izolowany) i/lub uogólniamy wnioski wynikaj ˛ ace z do´swiadczenia.
Staramy si ˛e te˙z dostrzec uniwersalne zale˙zno´sci, symetrie lub prawa zachowania.
Podstawowe zało˙zenia: niezb ˛edne ˙zeby móc zajmowa´c si ˛e fizyk ˛ a
⇒ Prawa fizyki s ˛ a wsz ˛edzie takie same.
Nawet w najdalszych zak ˛ atkach wszech´swiata...
⇒ Prawa fizyki nie zmieniaj ˛ a si ˛e w czasie.
S ˛ a niezmienne od chwili narodzin wszech´swiata...
te˙z wynikaj ˛ a z do´swiadczenia...
Teoria i do´swiadczenie
Przykład:
Linie w ˛egla w widmie kwazara PKS 1232+0815:
Przesuni ˛ecie linii widmowych (efekt Dopplera): λ ≈ 3.34λ ◦
⇒ pr ˛edko´s´c oddalania v ∼ 5 6 c ≈ 250 000km/s
⇒ odległo´s´c od Ziemi (z prawa Hubbla) r ∼ 10 26 m
⇒ ´swiatło wysłane ok. 12 miliardów lat temu (wszech´swiat ∼ 14 mld. lat)
Teoria i do´swiadczenie
Tworz ˛ ac teori ˛e cz ˛esto formułujemy pewne zało˙zenia nie wynikaj ˛ ace wprost
z do´swiadczenia, albo sprawdzone tylko w ograniczonym obszarze parametrów (!)
Kierujemy si ˛e kryteriami prostoty i elegancji modelu, staramy si ˛e dostrzec dodatkowe, gł ˛ebsze symetrie rozwa˙zanego zagadnienia, czasami odwołujemy si ˛e tak˙ze do
“naturalno´sci” modelu.
Jednak rozstrzygaj ˛ acym kryterium poprawno´sci modelu jest do´swiadczenie!
Niestety, do´swiadczenie nigdy nie udowodni 100% poprawno´sci teorii,
gdy˙z nigdy nie jeste´smy w stanie wykona´c wszystkich mo˙zliwych pomiarów.
Mo˙ze co najwy˙zej wskaza´c zakres jej stosowalno´sci.
Natomiast pojedynczy pomiar mo˙ze "obali´c" teori ˛e (ew. ograniczy´c zakres jej stosowalno´sci).
Musimy zawsze by´c przygotowani do rewizji poczynionych zało˙ze ´n!
przykład: symetria wzgl ˛edem odbicia przestrzennego łamana w oddziaływaniach słabych
Teoria i do´swiadczenie
Analizuj ˛ ac wyniki pomiarów, poszukuj ˛ ac opisuj ˛ acego je modelu, trzeba dobrze zastanowi´c si ˛e nad wszystkimi zało˙zeniami.
Wielokrotnie ju˙z obalano najbardziej nawet utrwalone zało˙zenia.
Szczególna teoria wzgl ˛edno´sci jest jednym z przykładów.
Nawet najbardziej “oczywiste” zało˙zenia: (które przyjmuje w dalszej cz ˛e´sci wykładu)
• przestrze ´n jest trójwymiarowa • przestrze ´n jest płaska wcale nie musz ˛ a by´c spełnione!
Od kilku lat “modne” w fizyce cz ˛ astek stało si ˛e poszukiwanie “dodatkowych wymiarów”
Jak dobrze znamy “wymiar” ´swiata w którym ˙zyjemy ? Czy mog ˛ a by´c wi ˛ecej ni˙z 3 wymiary przestrzenne ?!
⇒ NIE - je´sli pytamy o niesko ´nczone wymiary
⇒ TAK - je´sli dopu´scimy wymiary sko ´nczone
Teoria i do´swiadczenie
Dodatkowe wymiary
Przykład:
Gdy rozpatrujemy ruch wagonika kolejki linowej przyjmujemy, ˙ze lina ma
tylko jeden wymiar x:
x
Ale dla mrówki, która idzie po tej linie jest to ´swiat dwuwymiarowy:
y x R
y jest współrz ˛edn ˛ a cykliczna.
Dodatkowy wymiar zauwa˙zamy dopiero gdy przygl ˛ adamy si ˛e z rozdzielczo´sci ˛ a ∆ < R Z pomiarów grawitacyjnych wykluczono dodatkowe wymiary z R ≥ 100µ m.
W fizyce cz ˛ astek wci ˛ a˙z mogliby´smy obserwowa´c efekty dodatkowych wymiarów...
Zdarzenia i czasoprzestrze ´n
Do´swiadczenie to (najcz ˛e´sciej) pomiar jakiej´s wielko´sci fizycznej
lub (rzadziej) obserwacja jakiego´s zjawiska (np. zmiany stanu skupienia).
Oba przypadki mo˙zemy sprowadzi´c do rejestracji jakie´s zdarze ´n.
Przykład:
pomiar przyspieszenia spadaj ˛ acego jabłka
• Zdarzenie A: jabłko odrywa si ˛e od gał ˛ezi
• Zdarzenie B: jabłko upada na ziemi ˛e
000000000000000000000 000000000000000000000 000000000000000000000 111111111111111111111 111111111111111111111 111111111111111111111
0000000000000000000000 0000000000000000000000 0000000000000000000000 1111111111111111111111 1111111111111111111111 1111111111111111111111
Aby wyznaczy´c przyspieszenie (zakładaj ˛ ac, ˙ze ruch jest jednostajnie przyspieszony)
musimy zna´c zarówno czas jak i poło˙zenie jabłka dla obu zdarze ´n.
Zdarzenia i czasoprzestrze ´n
Zdarzenie
Zdarzenie: jednoczesne okre´slenie czasu i poło˙zenia.
Zjawisko zachodz ˛ ace w pewnym miejscu w przestrzeni i w pewnej chwili czasu.
Przykłady:
• obserwacja (pomiar) poło˙zenia jabłka (w danej chwili czasu)
• zderzenie kulek (zaniedbuj ˛ ac ich rozmiary)
• rozszczepienie j ˛ adra atomowego
• start rakiety
• l ˛ adowanie rakiety na Ksi ˛e˙zycu
• wysłanie lub rejestracja impulsu laserowego, cz ˛ astki itp.
Z DARZENIE = C ZAS + P OŁO ˙ ZENIE
Zdarzenia i czasoprzestrze ´n
Linia ´swiata
Mo˙zemy wyró˙zni´c pewne szczególne zbiory zdarze ´n.
Wyobra´zmy sobie, ˙ze obserwujemy jaki´s obiekt (np. UFO) i rejestrujemy w sposób ci ˛ agły zmi- any jego poło˙zenia w czasie. Mamy ci ˛ agł ˛ a seri ˛e pomiarów.
Zbiór zdarze ´n opisuj ˛ acych ruch konkretnego
ciała nazywamy "lini ˛ a ´swiata" tego ciała.
tit
t1 2
W wymiarach przestrzennych linia ´swiata to po prostu tor.
Znaj ˛ ac lini ˛e ´swiata wiemy dokładnie jak poruszało si ˛e dane ciało.
Oczywi´scie kształt linii ´swiata zale˙zy od wybranego układu odniesienia.
Układy odniesienia i układy współrz ˛ednych
Zdarzenie “lokalizujemy” podaj ˛ ac miejsce i czas, w którym zaszło.
Miejsce i czas mo˙zemy poda´c opisowo (o północy na czubku Pałacu Kultury), ale znacznie wygodniejsze jest podanie współrz ˛ednych zdarzenia.
Podaj ˛ ac współrz ˛edne przestrzenne okre´slamy punkt w przestrzeni.
Punkt nie jest zlokalizowany w czasie, jest “wieczny” - aby zdefiniowa´c zdarzenie
konieczne jest dodanie informacji o czasie ⇒ zdarzenie to punkt w czasoprzestrzeni.
Nie ma mo˙zliwo´sci okre´slenia bezwzgl ˛ednego poło˙zenia i czasu!
W ka˙zdym przypadku musimy wybra´c układ odniesienia, najcz ˛e´sciej zwi ˛ azany z jakim´s ciałem lub obserwatorem.
Poło˙zenie i czas okre´slamy wzgl ˛edem wybranego punktu i zegara w tym układzie (wybranego zdarzenia odniesienia).
Musimy wprowadzi´c układ współrz ˛ednych: zdefiniowa´c jak mierzymy poło˙zenie i czas.
Układy odniesienia i układy współrz ˛ednych
Zdarzenie mo˙zna jednoznacznie okre´sli´c podaj ˛ ac jego współrz ˛edne w dowolnym układzie odniesienia (zakładaj ˛ ac, ˙ze układ ten jest precyzyjnie zdefiniowany).
Na pierwszy rzut oka wydaje si ˛e to proste,
ale czy wszystkie układy odniesienia s ˛ a równie dobre?
N IE !
Opis praw przyrody b ˛edzie zale˙zał od tego jaki układ wybrali´smy!!!
Wszystko jest wzgl ˛edne! Wybór układu odniesienia ma kluczowe znaczenie!
Przykład:
• Ruchy planet wygl ˛ adały bardzo skomplikowanie w układzie zwi ˛ azanym z Ziemi ˛ a.
• W układzie zwi ˛ azanym ze Sło ´ncem opisuj ˛ a je bardzo proste prawa Keplera.
Zasada bezwładno´sci
I zasada dynamiki Newtona: (1687)
“Ka˙zde ciało trwa w swym stanie spoczynku lub ruchu prostoliniowego i jednostajnego, je´sli siły przyło˙zone nie zmuszaj ˛ a ciała do zmiany tego stanu.”
Ciało, które nie podlega ˙zadnym oddziaływaniom: ciało swobodne.
(idealizacja: ale przyjmijmy, ˙ze potrafimy zidentyfikowa´c takie obiekty.) Jest jednak inna, bardziej zasadnicza luka w podej´sciu Newtona:
nie okre´sla w jakim układzie odniesienia powinni´smy ciało obserwowa´c.
Je´sli mamy dwa układy odniesienia, które poruszaj ˛ a si ˛e z przyspieszeniem lub obracaj ˛ a si ˛e wzgl ˛edem siebie to I zasada Newtona nie mo˙ze obowi ˛ azywa´c w ka˙zdym z nich!
Zeby móc w ogóle prowadzi´c dalsze rozwa˙zania musimy wskaza´c/wyró˙zni´c ˙
pewn ˛ a klas ˛e układów odniesienia!
Zasada bezwładno´sci
Układ w którym spełniona jest I zasada dynamiki Newtona nazywamy układem inercjalnym
W układzie inercjalnym ciało swobodne pozostaje w spoczynku lub porusza si ˛e ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Mo˙zemy to wyrazi´c pro´sciej:
w układzie inercjalnym linia ´swiata ciała swobodnego jest lini ˛ a prost ˛ a.
I zasada dynamiki w nowym uj ˛eciu:
istnieje układ inercjalny
Je´sli istnieje przynajmniej jeden układ inercjalny to istnieje ich niesko ´nczenie wiele.
Od tej chwili, gdy mówi ˛ ac układ odniesienia b ˛ed ˛e miał zawsze na my´sli układ inercjalny.
Konstrukcja układu współrz ˛ednych
Aby definiowa´c zdarzenia układ odniesienia musimy wyposa˙zy´c w układ współrz ˛ednych.
Dla współrz ˛ednych przestrzennych jest to proste:
wystarczy, ˙ze mamy wzorzec jednostki długo´sci, odkładaj ˛ ac ten wzorzec wzdłu˙z toru ciała swobodnego otrzymujemy pierwsz ˛ a o´s współrz ˛ednych.
Kolejne osie układu konstruujemy prostopadle do pierwszej.
Nie potrzebujemy k ˛ atomierza.
Wystarcz ˛ a nam jednakowej dłu- go´sci tyczki lub sznurki, które poz- wol ˛ a nam na konstrukcj ˛e trójk ˛ ata równoramiennego.
Mo˙zemy te˙z skorzysta´c z twierdzenia Pitagorasa...
3 5
a a
−1 0 1 2
4
Konstrukcja układu współrz ˛ednych
Dodatkowo kre´sl ˛ ac linie równoległe do osi przechodz ˛ acych przez pocz ˛ atek układu otrzymujemy siatk ˛e współrz ˛ednych.
Pozycj ˛e zdarzenia mo˙zemy zdefiniowa´c poprzez podanie najbli˙zszego w ˛ezła siatki.
3 4
3 4
−1 0 1 2
1 2
(4,3)
y
x
Zakładamy przy tym, ˙ze przestrze ´n jest płaska.
Konstrukcja układu współrz ˛ednych
Pozostaje nam "o´s czasu".
Czy wystarczy nam jeden zegar w pocz ˛ atku układu współrz ˛ednych?
N IE !
Potrzebny jest nam zegar referencyjny, ale do okre´slenia współrz ˛ednej czasowej zdarzenia potrzebny jest zegar w ka˙zdym w ˛e´zle siatki.
Inaczej pomiar b ˛edzie zale˙zał od metody odczytu wskaza ´n zegara referencyjnego.
Zegary siatki musz ˛ a by´c oczywi´scie zsynchronizowane z zegarem referencyjnym.
Nie mo˙zna (jak si ˛e pó´zniej przekonamy) zrobi´c tego synchronizuj ˛ ac zegary w pocz ˛ atku układu, a nast ˛epnie roznosz ˛ ac je do poszczególnych w ˛ezłów siatki -
ruch mo˙ze wpływa´c na bieg zegarów
(wyobra´zmy sobie, ˙ze mamy zegary wahadłowe).
Konstrukcja układu współrz ˛ednych
Synchronizacj ˛e mo˙zna przeprowadzi´c poprzez wysłanie impulsów ´swiatła.
O okre´slonej godzinie wysyłamy impuls z wybranego zegara do zegara referencyjnego oraz z zegara referencyjnego do wybranego ze- gara.
Je´sli oba impulsy dotarły o tej samej godzinie (odczytanej na zegarze do którego dotarł impuls)
to oznacza, ˙ze zegary s ˛ a zsynchronizowane.
Je´sli nie to połowa ró˙znicy tych czasów daje nam poprawk ˛e dla wybranego zegara.
t=t
x y
z
0