Νέες Φυσικές Θεωρίες (τέλος 19ου – Αρχές 20ου Αιώνα) ΕΙΔΙΚH ΘΕΩΡΙΑ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Νέες Φυσικές Θεωρίες (τέλος 19ου – Αρχές 20ου Αιώνα) Σχετικότητα Κβαντική Μηχανική Ειδική Γενική Μεγάλες ταχύτητες Μικρόκοσμος Ισοδυναμία Αδρανειακών και βαρυτικών φαινομένων «Μη» Επαναστατική Θεωρία Επαναστατική Θεωρία Επακόλουθο: Εξισώσεις Maxwell Αποτυχία Κλασικής Φυσικής Μετασχηματισμός Lorentz Νέα φαινόμενα χώρος, χρόνος φωτοηλεκτρικό, ΗΜ φάσμα Σχετικότητα Γαλιλαίου, Νεύτωνα Νέα ερμηνευτική προσέγγιση «Παράλογη» αρχικά ερμηνεία σωματίδιο - κύμα μέγιστη ταχύτητα παράδοξο γάτας παράδοξο διδύμων αρχή αβεβαιότητας Heisenberg διαστολή – συστολή σύνδεση αντικειμένου- οργάνων Επαλήθευση Επαλήθευση σωματίδια σωματίδια επιταχυντές Σχετικιστική Κβαντική επιταχυντές πεδία Θεωρία Πεδίων πεδία Συμβατική πλέον θεωρία Κουτί της Πανδώρας Έδεσε με τα προηγούμενα Νέα μοντέλα Νέες ερμηνείες, ψάξιμο συνεχίζεται

Αρχές Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας Αδρανειακό Σύστημα Αναφοράς: Σύστημα Αναφοράς όπου ο δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα ισχύει χωρίς την προσθήκη ψευδοδυνάμεων. όλα τα Συστήματα Αναφοράς που κινούνται με σταθερή ταχύτητα το ένα ως προς το άλλο είναι Αδρανειακά Συστήματα. (1.) Οι φυσικοί νόμοι παραμένουν αναλλοίωτοι μόνο σε Αδρανειακά Συστήματα Αναφοράς. (2.) Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι η ίδια σε όλα τα Συστήματα Αναφοράς, c=2.998x108 m/s, ανεξάρτητα από την ταχύτητα τους στο χώρο.

Νευτώνεια Μηχανική Εξίσωση κίνησης Περιγραφή σωματιδίου Υλικό σημείο Εξίσωση κίνησης Απόλυτος χώρος και χρόνος, ανεξάρτητα μεγέθη Δυναμική m αναλλοίωτη ιδιότητα του σωματιδίου η μορφή του F καθορίζει τη φυσική θεωρία Νόμοι διατήρησης Ορμής και Ενέργειας Έργο - Ενέργεια

Πειραματικά (1) Γραμμικός Επιταχυντής ηλεκτρονίων Πειραματικά (1) Γραμμικός Επιταχυντής ηλεκτρονίων Επιτάχυνση (α) Ηλεκτροστατική (β) Κοιλότητες ραδιοσυχνότητας 0 1.0 2.3 3.0 4.0 5.0 9.0 7.0 5.0 3.0 1.0 Κινητική Ενέργεια → MeV -Δεν ισχύει η Νευτώνειος περιγραφή -Υπάρχει οριακή ταχύτητα c=2.998x108 m/s -Όσο πιο κοντά στο c βρίσκεται το σωματίδιο, τόσο πιο τεράστια είναι n ενέργεια που πρέπει να δώσουμε για να την αυξήσουμε και τόσο πιο πολλές οι απώλειες. (2) Φωτόνια Ανεξάρτητα από την ενέργεια (συχνότητα) που έχουν η ταχύτητα τους είναι η ίδια = c (σωματιδιακή Φυσική , πειράματα πίεσης της ακτινοβολίας) Συνεχής δέσμη εξισώσεις Maxwell Ατομικά φωτόνια

Ενοποιημένη περιγραφή Ύλης - Ενέργειας Νοητό Πείραμα Μ Ε E L Δx Το κουτί του Einstein (Κλειστό σύστημα) Ισοδυναμία αδράνειας ύλης και ενέργειας ακτινοβολίας

π.χ Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον ήλιο Παράγει μέσω απορρόφησης τα φωτόνια του ΗΜ φάσματος Ακτινοβολούμενη ενέργεια που φθάνει στη Γη 1.35 x 103 W/m2 Πιο σημαντικός τύπος για πρακτικές εφαρμογές όπου η μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται στην άλλη Ενέργεια Αδρανειακή μάζα Ενοποιεί τον νόμο διατήρησης της ενέργειας με τον νόμο διατήρησης της μάζας.

Για φωτόνια Για σωματίδια Το Έργο που παράγεται από εξωτερικές δυνάμεις για μεταβολή της κινητικής ενέργειας

Για Κλασσική αδρανειακή μάζα = Μάζα ηρεμίας Κινητική Ενέργεια :

Ορισμός: Παράδειγμα: Κίνηση κάτω από σταθερή δύναμη F Νευτώνεια Μηχανική Σχετικιστική Μηχανική C = Όριο ταχύτητας για υλικά σωμάτια και για τη διάδοση των αλληλεπιδράσεων

Απαιτείται νέα ανάλυση στο νοητό πείραμα του Einstein με το κουτί Η έννοια του στερεού σώματος, όπως νοείται στη Νευτώνεια Μηχανική, δεν έχει νόημα. Απαιτείται νέα ανάλυση στο νοητό πείραμα του Einstein με το κουτί Οι δύο άκρες του κουτιού θεωρούνται ως 2 ξεχωριστές μάζες  Με την ακτινοβολία ενέργειας από το άκρο 1:  Με την απορρόφηση της ενέργειας στο άκρο 2:

Κέντρο μάζας πριν την ακτινοβολία: μετά την ακτινοβολία:

Διάδοση του Φωτός -1. Φυσικοί Νόμοι αναλλοίωτοι μόνο σε Αδρανειακά συστήματα αναφοράς 2. Ταχύτητα του φωτός στο κενό c=2.998x108m/s σε όλα τα συστήματα αναφοράς (Universal Velocity) ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΦΥΣΗ ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΦΥΣΗ ή Ροή σωματιδίων Κύμανση Γεωμετρική Οπτική Ευθύγραμμος διάδοση Παραβίαση γεωμετρικής οπτικής, Συμβολή, Περίθλαση, Πόλωση 6ος Αιώνας π.Χ 17ος Αιώνας – τέλος 19ου Αιώνα Πυθαγόρας Hooke, Huygens, Young, Fresnel (ανάκλαση, διάθλαση κλπ) Κίνηση στο κενό Μέσο διάδοσης (Αιθέρας) Ταχύτητα ορισμένη ως προς πηγή Ταχύτητα ανεξάρτητη από πηγή

Μέτρηση της ταχύτητας του Φωτός - Κύμανση του χρόνου των εκλείψεων των δορυφόρων του Δία συναρτήσει της θέσης της Γής (Roemer 1675) Αιθέρας: αραιός, δυνάμεις επαναφοράς - Από ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες μέσου. (Maxwell 1861) Αστρική Αποπλάνηση (Bradley,1725) « Μεταβολή φαινομένης θέσης (ύψους) αστέρων καθώς ή Γη κινείται στην τροχιά της γύρω από τον Ήλιο » εκλειπτική Γη Ακίνητη Γη Κινούμενη θ0 θ α 4 1 3 2 υ

Γωνία αποπλάνησης (π.χ. βροχή) Στις θέσεις 2, 4 Στις θέσεις 1, 3 Λόγω της κίνησης της Γης το ύψος είναι μέγιστο στη θέση 3 και όχι στη θέση 2 Εξήγηση αποπλάνησης: Σωματιδιακό μοντέλο Κυματικό μοντέλο π.χ βροχή Αδιατάραχος αιθέρας σε σχέση με τη Γη που κινείται Φαινόμενη θέση 40’’ t

Εξεύρεση ταχύτητας Γης μέσα στον αιθέρα Μέθοδος: Μεταβολή γωνίας αποπλάνησης (πλήρωση τηλεσκοπίου με νερό - διάθλαση) α β υ δ Ταχύτητα φωτός στο νερό: Ταχύτητα τηλεσκοπίου: Συντελεστής Αντίστασης Fresnel Βρέθηκε: Μετατόπιση λόγω αντίστασης νερού Μετατόπιση λόγω διάθλασης Συμπέρασμα: ωσάν να είναι ακίνητη ως προς τον αιθέρα η Γη

Πείραμα Fizeau (προσδιορισμός f) υ Συμβολόμετρο Fizeau M2 M3 M1 P νερό S T L Διαφορά οπτικού δρόμου (πολλαπλάσιο λ) Συμπέρασμα: Κινούμενα αντικείμενα δεν μεταδίδουν την κίνηση τους στον αιθέρα

Μέτρηση ταχύτητας ηλιακού συστήματος μέσα στον αιθέρα Γη Δίας Εκλείψεις δορυφόρων του Δία Πρακτικά δύσκολη επίτευξη μέτρησης

Πείραμα Michelson - Morley Αιθέρας l2 l1 υ S M1 Συμβολόμετρο Michelson T

Μετατόπιση κροσσών συμβολής κατά: Στροφή οργάνου κατά 90ο Μετατόπιση κροσσών συμβολής κατά: υ=30 km/s λ=6 x 10-7m l=1.2m κροσσούς (Αργότερα δ=0.4 κροσσούς)

Συμπεράσματα Πειραματικών Δεδομένων (1.) Δεν λαμβάνει χώρα κίνηση μέσα στον αιθέρα ή (2.) Δεν υπάρχει μέσο διάδοσης του φωτός (αιθέρας) «Οποιαδήποτε κίνηση που εκτελείται σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς δεν μπορεί να μας δώσει καμία πληροφορία για την ταχύτητα του συστήματος σε σχέση με ένα άλλο» Γαλιλαίος ευνοεί τη σωματιδιακή φύση φωτός «Όλα τα πειράματα που είχαν να κάνουν με κάποιες σχετικές ταχύτητες κατέληξαν σε επιτυχή ερμηνεία» ευνοεί την κυματική φύση φωτός Πώς γίνονται συμβατά μεταξύ τους η αστρική αποπλάνηση και η έλλειψη μετατόπισης των κροσσών συμβολής στο πείραμα των Michelson – Morley; Συστολή σώματος κατά μήκος της διεύθυνσης κίνησης του Κανονικό μήκος

Πείραμα Kennedy – Thorndike Έτσι, με την περιστροφή του συμβολόμετρου κατά 90ο το μέγεθος t1-t2 παραμένει το ίδιο και δεν χρειάζεται μετατόπιση των κροσσών συμβολής Για μια τυχαία διεύθυνση του συμβολομέτρου σε σχέση με τον αιθέρα: Πείραμα Kennedy – Thorndike Συμβολόμετρο με βραχίονες διαφορετικών μηκών: Δεν παρατηρήθηκε μετατόπιση κροσσών συμβολής Αν δεχθούμε ότι η ταχύτητα του φωτός ως προς ένα σύστημα αναφοράς είναι η ίδια προς όλες της διευθύνσεις, το αποτέλεσμα του πειράματος Kennedy – Thorndike εξηγείται. Αν δεχθούμε τη συστολή «Lorentz – Fitzegerald», τότε η χρονική διαφορά ανάμεσα στα σήματα για τους δύο διαφορετικούς βραχίονες θα πρέπει να μεταβάλλεται με την ταχύτητα υ.