Специальная теория относительности Эйнштейна

Физика элементарных частиц. В 1928 г. английский физик П. Дирак, применяя теорию относительности в волновой механике, создал релятивистскую квантово-механическую теорию электрона. Одним из удивительнейших предсказаний теории Дирака явился вывод о существовании электронного двойника — позитрона. Позитрон во всем похож на электрон: та же масса покоя т₀, тот же заряд в, однако не отрицательный, а положительный. Еще более поразительным было предсказание возможности превращения электрона и позитрона в совершенно другие частицы — в гамма-фотоны, а также обратного превращения фотонов в электронно-позитронную пару. Этот вопрос подробно изложен в § 177 пособия «Физика-10». На рисунке 306 учебника показана фотография, полученная с помощью камеры Вильсона при исследовании космических лучей. Эта фотография запечатлела экспериментальное открытие в 1932 г. позитрона: тонкий след, идущий снизу вверх,— «автограф» позитрона.

Чтобы понять суть того, что произошло в камере Вильсона, надо учесть детали эксперимента: камера помещена в сильное магнитное поле (направленное от читателя перпендикулярно плоскости рисунка); горизонтальная полоса вдоль диаметра — свинцовая пластинка толщиной 6 мм. По толщине следа можно судить об энергии частиц (чем «жирнее» след, тем больше ионизации производит частица на своем пути и, следовательно, тем большей энергией она обладает). По кривизне траектории можно судить об импульсе частицы (искривление вызвано магнитным полем). Видно, что частица двигалась снизу вверх: в свинцовой пластинке она притормозилась, ее импульс уменьшился, вследствие чего магнитное поле сильнее искривило траекторию частицы после прохождения пластинки (т.е. сверху на фотографии). Зная направление движения частицы (снизу вверх) и направление магнитного полк (от нас), легко установить, что частица имеет положительный заряд. Итак, исследование фотографии следа частицы позволяет определить ее энергию и импульс. Определив энергию и импульс частицы, всегда можно определить ее массу покоя. Масса покоя частицы и ее заряд неопровержимо доказывают, что частица является «положительным электроном» — позитроном.

Рисунок (там же) изображает процесс рождения пары электрон + позитрон, сфотографированный с помощью камеры Вильсона (также помещенной в магнитное поле).В этих процессах превращения частиц соблюдаются законы сохранения энергии, импульса, заряда, спина.

Легко предсказать, что  не всякие фотоны способны «породить» пару; прежде всего, необходимо, чтобы энергии фотона было достаточно для получения удвоенной энергии покоя электрона:  Поскольку МэВ, ясно, что фотоны с энергией, меньшей 1,02 МэВ, не могут породить пару. Так, например, фотоны, излучаемые полонием (hv=0,8 МэВ), не дают пары, в то время как Y-кванты с энергией 1,7 МэВ рождают электронно-позитронную пару. Кроме процесса образования пары, экспериментально обнаружен и обратный процесс — превращение электронно-позитронной пары в фотоны. Он протекает по схеме Появление двух у-квантов обусловлено законом сохранения импульса. Это легко понять: если электрон и позитрон двигались с одинаковой скоростью навстречу друг другу, то в системе центра массы суммарный импульс равен 0, следовательно, и результирующий импульс фотонов должен быть равен 0, что было бы невозможно при порождении одного фотона.. В настоящее время установлен факт существования «двойников» (античастиц) почти у всех частиц (протонов, нейтронов и др.), Самой характерной чертой элементарных частиц оказалась их способность к взаимным превращениям, причем всегда соблюдаются соответствующие законы сохранения. Понять закономерности мира элементарных частиц без привлечения теории относительности невозможно.

Заключение

В заключение заметим, что создание Эйнштейном Теории Относительности было первым шагом в построении современной концепции естествознания. Ее роль состояла не только в уточнении и обобщении классических формул: было показано, что знания об окружающем мире не носят абсолютного характера и могут претерпевать существенные уточнения и изменения в ходе развития науки. Описывающая реально наблюдаемые явления природы теория может базироваться на утверждениях и идеях, не всегда согласующихся с общепринятым мнением и «здравым смыслом», являющимся обобщением повседневного опыта.

Итак, специальная теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс.

Величие сделанного Эйнштейном трудно переоценить. Сейчас нет практически  ни одной ветви современной физики, где, так или иначе, не присутствовали бы фундаментальные понятия квантовой  механики или теории относительности. Выражение E = mc² – крылатая фраза, знакомая широкой публике так же, как строки Шекспира.

Список использованной литературы

1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов / В.П.Бондарев. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.
2. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Структурный курс основ естествознания / Д.И.Грядовой. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 239 с.
3. Концепции современного естествознания. Лекции для студентов заочного отделения Отв. ред. В. Н. Быкова. – Уфа: УГАТУ, 2005. – 200 с.
4. Концепции современного естествознания / Под ред. С.С.Самыгина. - Рн/Д: Феникс, 2003. – 448 с.
5. Ларина О.В Лауреаты Нобелевской премии / О.В.Ларина, Т.В.Гутин - М.: Славянский дом книги, 2006. – 863 с.
6. Эйнштейн А. Эволюция физики / А.Эйнштейн. - Изд. 2-е, исп. - М.: Тайдекс Ко, 2003. – 423с.