SlideShare une entreprise Scribd logo
1  sur  136
CHAPTER 2 :
Special Theory of Relativity
Napatsakon Sarapat
School of Physics, Science and Technology, TRU
SC 4101307 Modern Physics, TRU
𝛾 =
1
1 − 𝑣2
𝑐2
2.1 The Need for Ether
2.2 The Michelson-Morley
Experiment
2.3 Einstein’s Postulates
2.4 The Lorentz Transformation
2.5 Time Dilation and Length
Contraction
2.6 Addition of Velocities
2.7 Experimental Verification
2.8 Twin Paradox
2.9 Spacetime
2.10 Doppler Effect
2.11 Relativistic Momentum
2.12 Relativistic Energy
2.13 Computations in Modern
Physics
2.14 Electromagnetism and
Relativity
CHAPTER 2 :
Special Theory of Relativity
3
It was found that there was no
displacement of the interference fringes, so
that the result of the experiment was
negative and would, therefore, show that
there is still a difficulty in the theory
itself…
- Albert Michelson, 1907
4
Special Theory of Relativity ?
𝜔 𝑠′
𝜔 𝑠
5
Newtonian (Classical) Relativity
• Assumption :
• It is assumed that Newton’s laws of motion must be
measured with respect to (relative to) some reference
frame.
6
𝑥, 𝑦, 𝑧
𝑥′
, 𝑦′
, 𝑧′
• Assumption :
• It is assumed that Newton’s laws of motion must be
measured with respect to (relative to) some reference
frame.
Newtonian (Classical) Relativity
• A reference frame is called an inertial frame if
Newton laws are valid in that frame.
• Such a frame is established when a body, not
subjected to net external forces, is observed to
move in rectilinear motion at constant velocity.
7
Inertial Reference Frame
𝑢 ≡ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡
𝑭 = 𝟎
Newtonian Principle of Relativity
• If Newton’s laws are valid in one reference
frame, then they are also valid in another
reference frame moving at a uniform velocity
relative to the first system.
• This is referred to as the Newtonian principle of
relativity or Galilean invariance.
8
𝑢′ ≡ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑭′ = 𝟎
Inertial Frames 𝑂 and 𝑂′
• 𝑂 is at rest and 𝑂′ is moving with velocity 𝑢
• Axes are parallel
• 𝑂 and 𝑂′ are said to be INERTIAL COORDINATE
SYSTEMS 9
𝑃
The Galilean Transformation
For a point 𝑃
• In system 𝑂 ∶ 𝑃 = (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)
• In system 𝑂 ′ ∶ 𝑃′ = (𝑥′, 𝑦′, 𝑧′, 𝑡′)
10
𝑃
Conditions of the Galilean Transformation
• Parallel axes
• 𝑂′ has a constant relative velocity in the x-direction with
respect to 𝑂
11
11
• Time (t) for all observers is a Fundamental invariant,
i.e., the same for all inertial observers
𝑥′
= 𝑥 − 𝑢𝑡
𝑦′
= 𝑦
𝑧′
= 𝑧
𝑡′
= 𝑡
The Inverse Relations
Step 1. Replace with
Step 2. Replace “primed” quantities with
“unprimed” and “unprimed” with “primed”
12
𝑥 = 𝑥′
+ 𝑢𝑡
𝑦 = 𝑦′
𝑧 = 𝑧′
𝑡 = 𝑡′
13
Ex-01 :
A passenger in a train moving at 30 m/s passes a man standing
on a station platform at 𝑡 = 𝑡′
= 0. Twenty seconds after the
train passes him, the man on the platform determines that a bird
flying along the tracks in the same direction as the train is 800
m away. What are the coordinates of the bird as determined by
the passenger ?
14
Ex-02 :
Refer to Ex-01. Five seconds after making the first coordinate
measurement, the man on the platform determines that the bird
is 850 m away. From these data find the velocity of the bird
(assumed constant) as determined by the man on the platform
and by the passenger on the train.
15
Ex-03 :
A sample of radioactive material, at rest in the laboratory, ejects
two electrons in opposite directions. One of the electrons has a
speed of 0.6c and the other has a speed of 0.7c, as measured by a
laboratory observer. According to classical velocity
transformations, what will be the speed of one electron as
measured from the other?
e
-
e
-
16
The Transition to Modern Relativity
• Although Newton’s laws of motion had
the same form under the Galilean
transformation, Maxwell’s equations did
not.
The Transition to Modern Relativity
• In 1905, Albert Einstein proposed a fundamental
connection between space and time and that Newton’s
laws are only an approximation. 17
𝑡
𝑡′
18
Ether
2.1 : The Need for Ether
19
2.1 : The Need for Ether
• The wave nature of light suggested that there
existed a propagation medium called the
luminiferous ether or just ether.
• Ether had to have such a low density that the planets
could move through it without loss of energy
• It also had to have an elasticity to support the high
velocity of light waves
EtherEM-wave EM-wave
20
Maxwell’s Equations
• In Maxwell’s theory the speed of
light, in terms of the permeability and
permittivity of free space, was given
by
• Thus the velocity of light between moving systems must
be a constant.
𝑐 =
1
𝜇0 𝜀0
𝛻2 − 𝜇𝜀
𝜕2
𝜕𝑡2
E = 0
𝛻2 − 𝜇𝜀
𝜕2
𝜕𝑡2
B = 0
Ether
An Absolute Reference System
• Ether was proposed as an absolute reference
system in which the speed of light was this
constant and from which other
measurements could be made.
• The Michelson-Morley experiment was an
attempt to show the existence of ether.
21
EM-wave EM-wave
22
Ether
2.2 : The Michelson-Morley Experiment
• Albert Michelson (1852–1931) was the first U.S.
citizen to receive the Nobel Prize for Physics (1907),
and built an extremely precise device called an
interferometer to measure the minute phase
difference between two light waves traveling in
mutually orthogonal directions.
EM-wave EM-wave
Ether wind =v
23
1. AC is parallel to the motion of
the Earth inducing an “ether
wind”
2. Light from source S is split by
mirror A and travels to mirrors
C and D in mutually
perpendicular directions
3. After reflection the beams
recombine at A slightly out of
phase due to the “ether wind” as
viewed by telescope E.
The Michelson Interferometer
24
TheMichelsonInterferometer
Ether wind =v
25
TheMichelson
Interferometer
26
TheMichelsonInterferometer
27
River
𝑣
𝑐
𝑐+𝑣
28
River
𝑣
𝑐
𝑐−𝑣
29
River
𝑣
𝑐2 − 𝑣2
30
River
𝑐
𝑣
𝑐2 − 𝑣2
The Analysis
“Assuming the Galilean Transformation”
Time t1 from A to C and
back :
31
Time t2 from A to D and
back :
So that the change in time is :
𝑡1 =
𝑙1
𝑐 + 𝑣
+
𝑙1
𝑐 − 𝑣
=
2𝑐𝑙1
𝑐2 − 𝑣2
=
2
𝑐
𝑙1
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑡2 =
𝑙2
𝑐2 − 𝑣2
+
𝑙2
𝑐2 − 𝑣2
=
2𝑙2
𝑐2 − 𝑣2
=
2
𝑐
𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡1 =
2
𝑐
𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
−
𝑙1
1 − 𝑣2 𝑐2
32
TheMichelsonInterferometer
90o
Ether wind =v
Ether wind =v
Ether wind =v
The Analysis  Rotating 90o
“Assuming the Galilean Transformation”
Time t1 from A to C and
back :
33
Time t2 from A to D and
back :
So that different change in time is :
𝑡′2 =
𝑙2
𝑐 + 𝑣
+
𝑙2
𝑐 − 𝑣
=
2𝑐𝑙2
𝑐2 − 𝑣2
=
2
𝑐
𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑡′1 =
𝑙1
𝑐2 − 𝑣2
+
𝑙1
𝑐2 − 𝑣2
=
2𝑙1
𝑐2 − 𝑣2
=
2
𝑐
𝑙1
1 − 𝑣2 𝑐2
∆𝑡′
= 𝑡′2 − 𝑡′1 =
2
𝑐
𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
−
𝑙1
1 − 𝑣2 𝑐2
34
The Analysis
“Assuming the Galilean Transformation”
∆𝑡 =
2
𝑐
𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
−
𝑙1
1 − 𝑣2 𝑐2
∆𝑡
∆𝑡′ =
2
𝑐
𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
−
𝑙1
1 − 𝑣2 𝑐2
∆𝑡′
The Analysis  ∆𝑡′ − ∆𝑡
“Assuming the Galilean Transformation”
The binomial expansion 1 − 𝑣2
𝑐2 −
1
2 is :
35
The binomial expansion 1 − 𝑣2 𝑐2 −1 is :
The time difference is :
1 − 𝛽2 −1
= 1 + 𝛽2
+ 𝛽4
+ 𝛽6
+ 𝛽8
⋯
1 − 𝛽2 −
1
2 = 1 +
1
2
𝛽2
+
3
8
𝛽4
+
5
16
𝛽6
+
35
128
𝛽8
⋯
∆𝑡′ − ∆𝑡 =
2
𝑐
𝑙1 + 𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
−
𝑙1 + 𝑙2
1 − 𝑣2 𝑐2
=
2 𝑙1 + 𝑙2
𝑐
1
1 − 𝑣2 𝑐2
−
1
1 − 𝑣2 𝑐2
; 𝛽 =
𝑣
𝑐
; 𝛽 =
𝑣
𝑐
The Analysis  ∆𝑡′ − ∆𝑡
“Assuming the Galilean Transformation”
36
The time difference is :
∆𝑡′
− ∆𝑡 =
2 𝑙1 + 𝑙2
𝑐
1 + 𝛽2
+ 𝛽4
+ ⋯ − 1 +
1
2
𝛽2
+
3
8
𝛽4
+ ⋯
∆𝑡′
− ∆𝑡 ≈
𝑣2
𝑙1 + 𝑙2
𝑐3
37
Typical interferometer fringe pattern expected
when the system is rotated by 90°
38
Results
• Using the Earth’s orbital speed as:
o together with
o So that the time difference becomes
• Although a very small number, it was within the
experimental range of measurement for light
waves.
𝑣 = 3 × 104
𝑚/𝑠
𝑙1 ≈ 𝑙2 = 1.2 𝑚
∆𝑡′
− ∆𝑡 ≈
𝑣2 𝑙1 + 𝑙2
𝑐2
= 8 × 10−17
𝑠
39
Michelson’s Conclusion
• Michelson noted that he should be able to
detect a phase shift of light due to the time
difference between path lengths but found
none.
• He thus concluded that the hypothesis of the
stationary ether must be incorrect.
• After several repeats and refinements with
assistance from Edward Morley (1893-1923),
again a null result.
• Thus, ether does not seem to exist!
40
Possible Explanations
• Many explanations were proposed but the most
popular was the ether drag hypothesis.
• This hypothesis suggested that the Earth somehow
“dragged” the ether along as it rotates on its axis and
revolves about the sun.
• This was contradicted by stellar abberation wherein
telescopes had to be tilted to observe starlight due to
the Earth’s motion. If ether was dragged along, this
tilting would not exist.
The Lorentz-Fitz Gerald Contraction
• Another hypothesis proposed independently by both
H. A. Lorentz and G. F. FitzGerald suggested that the
length ℓ1, in the direction of the motion was
contracted by a factor of
41
1 − 𝑣2 𝑐2
…thus making the path lengths equal to account
for the zero phase shift.
o This, however, was an ad hoc assumption
that could not be experimentally tested.
42
2.3 : Einstein’s Postulates
• Albert Einstein (1879–1955) was only two years
old when Michelson reported his first null
measurement for the existence of the ether.
• At the age of 16 Einstein began thinking about
the form of Maxwell’s equations in moving
inertial systems.
• In 1905, at the age of 26, he published his
startling proposal about the principle of
relativity, which he believed to be fundamental.
43
Einstein’s Two Postulates
• With the belief that Maxwell’s equations must be
valid in all inertial frames, Einstein proposes the
following postulates:
1 “The principle of relativity : The
laws of physics are the same in all
inertial systems. There is no way to
detect absolute motion, and no
preferred inertial system exists.”
“สัจพจน์ข้อที่ 1 ของไอน์สไตน์ ในกรอบ
เฉื่อยทุกกรอบกฎเกณฑ์หรือสมการทาง
ฟิสิกส์จะมีรูปเดียวกันเสมอ”
44
Einstein’s Two Postulates
• With the belief that Maxwell’s equations must be
valid in all inertial frames, Einstein proposes the
following postulates:
2“The constancy of the speed of
light : Observers in all inertial systems
measure the same value for the speed
of light in a vacuum.”
“สัจพจน์ข้อที่ 2 ของไอน์สไตน์ อัตราเร็ว
ของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ไม่ขึ้นกับ
การเคลื่อนที่ของแหล่งกาเนิดแสงหรือผู้
Re-evaluation of Time
𝑡𝑡′
• In Newtonian physics we previously assumed that t = t’45
Thus with “synchronized” clocks,
events in K and K’ can be considered
simultaneous
Re-evaluation of Time
• Einstein realized that each system must have its own
observers with their own clocks and meter sticks 46
𝑡
Thus events considered
simultaneous in K may not be in K’
𝑡′
The Problem of Simultaneity
Frank at rest is equidistant from events A and B :
Frank
Light
flash
Light
flash
47
Frank “sees” both flashbulbs go off simultaneously.
0 +10m+10m
K
A B
The Problem of Simultaneity
Mary, moving to the right with speed v, observes
events A and B in different order :
Light
flash
48
Mary “sees” event B, then A.
Mary
0 +10m+10m
K’
𝑣
Light
flash
A B
This suggests that each coordinate system has
its own observers with “clocks” that are synchronized… 49
We thus observe…
• Two events that are simultaneous in one reference
frame (K) are not necessarily simultaneous in
another reference frame (K’) moving with respect
to the first frame.
Light
flash
Mary
0 +1m+1m
K’
𝑣
Light
flash
A BFrank
Light
flash
Light
flash
0 +1m+1m
K
A B
𝑡 𝑡′
50
Synchronization of Clocks
Step 1: Place observers with clocks
throughout a given system.
Step 2: In that system bring all
the clocks together at
one
location.
Step 3: Compare the clock readings.
If all of the clocks agree,
then the clocks are said to be synchronized.
K’
51
A method to synchronize…
• One way is to have one clock at the origin set to t
= 0 and advance each clock by a time (d/c) with d
being the distance of the clock from the origin.
• Allow each of these clocks to begin timing when a
light signal arrives from the origin.
𝑑
𝑡 =
𝑑
𝑐
𝑡 = 0
𝑑
𝑡 =
𝑑
𝑐
52
The Lorentz Transformations
known as the Lorentz transformation equations
2) account for the problem of
simultaneity between these
observers
1) preserve the constancy of the speed
of light (c) between inertial
observers;
The special set of linear transformations that :
𝐾
𝑣
𝐾′
𝑐𝑐
𝐾
53
Derivation
• Use the fixed system K and the moving system K’
• At t = 0 the origins and axes of both systems are
coincident with system K’ moving to the right along the
x axis.
• A flashbulb goes off at the origins when t = 0.
• According to postulate 2, the speed of light will be c in
both systems and the wavefronts observed in both
𝑣
𝐾′
Spherical wavefronts in 𝐾:
54
Derivation
𝐾
𝑥
𝑦
𝑧
𝑥2
+ 𝑦2
+ 𝑧2
= 𝑐2
𝑡2
𝑥 = 𝑥′
+ 𝑣𝑡, 𝑦 = 𝑦′, 𝑧 = 𝑧′ and 𝑡 = 𝑡′
𝑣
𝐾′
𝑥′
𝑦′
𝑧′
𝑥′2 + 𝑦′2 + 𝑧′2 = 𝑐2 𝑡′2
Spherical wavefronts in 𝐾′:
Note: these are not preserved in the classical transformations with
1) Let 𝑥′ = 𝛾 𝑥 − 𝑣𝑡 so that 𝑥 = 𝛾′ 𝑥′ + 𝑣𝑡′
2) By Einstein’s first postulate : 𝛾 = 𝛾′
3) The wavefront along the 𝑥, 𝑥′- axis must
satisfy :
𝑥 = 𝑐𝑡and 𝑥′ = 𝑐𝑡′
4) Thus 𝑐𝑡′
= 𝛾 𝑐𝑡 − 𝑣𝑥 𝑐 and
𝑐𝑡 = 𝛾 𝑐𝑡′ + 𝑣𝑥′ 𝑐
5) Solving the first one above for t’ and
substituting into the second... 55
Derivation
𝑥′
=
𝑥 − 𝑣𝑡
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑥 =
𝑥′ + 𝑣𝑡′
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑦′
= 𝑦 𝑦 = 𝑦′
𝑧′
= 𝑧 𝑧 = 𝑧′
𝑡′
=
𝑡 − 𝑣𝑥 𝑐2
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑡 =
𝑡′
+ 𝑣𝑥′ 𝑐2
1 − 𝑣2 𝑐2
56
Thus the complete Lorentz Transformation
𝑣
𝐾′ 𝐾
𝛾 = 1/ 1 − 𝛽2 𝛽 = 𝑣 𝑐
𝑥′ = 𝛾 𝑥 − 𝑣𝑡 𝑥 = 𝛾 𝑥′ + 𝑣𝑡′
𝑦′
= 𝑦 𝑦 = 𝑦′
𝑧′
= 𝑧 𝑧 = 𝑧′
𝑡′ = 𝛾 𝑡 − 𝛽𝑥 𝑐 𝑡 = 𝛾 𝑡′ + 𝛽𝑥′ 𝑐
57
Thus the complete Lorentz Transformation
𝑣
𝐾′ 𝐾
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
Relativisticfactorγ
v/c
Properties of γ 58
• Recall β = v/c < 1 for all observers.
1) 𝛾 ≥ 1 equals 1 only when v = 0.
2)Graphofβ:notev≠c)
𝛾 =
1
1 − 𝛽2
Remarks
1) If v << c, i.e., β ≈ 0 and 𝛾 ≈ 1, we see these
equations reduce to the familiar Galilean
transformation.
2) Space and time are now not separated.
3) For non-imaginary transformations, the frame
velocity cannot exceed c.
59
60
Ex-04 :
As measured by 𝑂, a flashbulb goes off at 𝑥 = 100𝑘𝑚, 𝑦 =
10𝑘𝑚, 𝑧 = 1𝑘𝑚 at 𝑡 = 5 × 10−4
𝑠. What are the coordinates
𝑥’, 𝑦’, 𝑧’, and t’ of this event as determined by a second observer.
𝑂’, moving relative to 𝑂 at −0.8𝑐 along the common 𝑥 − 𝑥’ axis?
𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’)
𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
61
Ex-05 :
Suppose that a particle moves relative to 𝑂’ with a constant
velocity of 𝑐/2 in the 𝑥’𝑦’ − 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒 such that its trajectory makes
an angle of 60° with the 𝑥’ − 𝑎𝑥𝑖𝑠. If the velocity of 𝑂’ with
respect to 𝑂 is 0.6𝑐 along the 𝑥 − 𝑥’ 𝑎𝑥𝑖𝑠, find the equation of
motion of the particle as determined by 𝑂.
𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’) 𝑥′
𝑥𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
𝐴’ 𝐵’
62
Ex-06 :
A train ½ mile long (as measured by an observer on the train) is
traveling at a speed of 100 mi/hr. Two lightning bolts strike the
ends of the train simultaneously as determined by an observer on
the ground. What is the time separation as measured by an
observer on the train?
𝐴 𝐵
63
Ex-07 :
Observer 𝑂 notes that two events are separated in space and
time by 600 m and 8 × 10−7
s. How fast must an observer 𝑂’ be
moving relative to 𝑂 in order that the events be simultaneous to
𝑂’?
𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’)
𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
𝑡’1
𝑡’2
𝑡1
𝑡2
64
2.5: Time Dilation and Length Contraction
• Time Dilation :
Clocks in K’ run slow with respect to stationary clocks in
K.
• Length Contraction :
Lengths in K’ are contracted with respect to the same
lengths stationary in K.
Consequences of the Lorentz Transformation:
65
Time Dilation
To understand time dilation the idea of proper time must
be understood :
• The term proper time ,T0 , is the time difference between
two events occurring at the same position in a system as
measured by a clock at that position.
Same location
66
Time Dilation
Not Proper Time
Beginning and ending of the event occur at
different positions
Mary
𝑣
K’
Melinda
𝑥′1𝑥′2
𝑡′1𝑡′2
67
Frank’s clock is at the same position in system K when the sparkler is lit
in (a) and when it goes out in (b). Mary, in the moving system K’, is
beside the sparkler at (a). Melinda then moves into the position where
and when the sparkler extinguishes at (b). Thus, Melinda, at the new
position, measures the time in system K’ when the sparkler goes out in
Time Dilation
K
Frank
𝑥1, 𝑥2
𝑡1𝑡2
68
According to Mary and Melinda…
𝑡′2 − 𝑡′1 =
𝑡2 − 𝑡1 𝑡 − 𝑣 𝑐2 𝑥2 − 𝑥1
1 − 𝑣2 𝑐2
• Mary and Melinda measure the two times for the sparkler
to be lit and to go out in system K’ as times t’1 and t’2 so that
by the Lorentz transformation:
• Note here that Frank records 𝒙 𝟐 − 𝒙 𝟏 = 𝟎 in K
with a proper time: 𝑻 𝟎 = 𝒕 𝟐 − 𝒕 𝟏 or
with 𝑇′ = 𝒕′ 𝟐 − 𝒕′ 𝟏
𝑇′ =
𝑇0
1 − 𝑣2 𝑐2
= 𝛾𝑇0
69
Time Dilation
1) T ’ > T0 or the time measured between two
events at different positions is greater than
the time between the same events at one
position: time dilation.
2) The events do not occur at the same space and
time coordinates in the two system
3) System K requires 1 clock and K’ requires 2
clocks.
2.7:ExperimentalVerification
Figure 2.18: The number of muons detected with speeds near 0.98c is much
different (a) on top of a mountain than (b) at sea level, because of the muon’s
decay. The experimental result agrees with our time dilation equation.
Time Dilation and Muon Decay
• At 2000m, we detect 1000
muons in period t0 traveling
at speed near 0.98c.
• At sea level, we detect only
542 muons in the same time
period t0 traveling at speed
near 0.98c.
A
B
71
Atomic Clock Measurement
Figure 2.20: Two airplanes took off (at different times) from Washington, D.C.,
where the U.S. Naval Observatory is located. The airplanes traveled east and
west around Earth as it rotated. Atomic clocks on the airplanes were compared
with similar clocks kept at the observatory to show that the moving clocks in
the airplanes ran slower.
72
2.8: Twin Paradox
The Set-up
Twins Mary and Frank at age 30 decide on two career paths: Mary decides to
become an astronaut and to leave on a trip 8 lightyears (ly) from the Earth at
a great speed and to return; Frank decides to reside on the Earth.
The Problem
Upon Mary’s return, Frank reasons that her clocks measuring her age must
run slow. As such, she will return younger. However, Mary claims that it is
Frank who is moving and consequently his clocks must run slow.
The Paradox
Who is younger upon Mary’s return?
73
Ex-8 :
The average lifetime of μ − 𝑚𝑒𝑠𝑜𝑛𝑠 with a speed of 0.95𝑐 is
measured to be 6 × 10−6
𝑠. Compute the average lifetime of
μ − 𝑚𝑒𝑠𝑜𝑛𝑠 in a system in which they are at rest.
𝑥𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)
μ 𝑥′
𝑂′(𝑥′, 𝑦′, 𝑧′, 𝑡′)
74
Ex-9:
An airplane is moving with respect to the earth with a speed of
600 m/s. As determined by earth clocks, how long will it take for
the airplane’s clock to fall behind by two microseconds?
75
Length Contraction
To understand length contraction the idea
of proper length must be understood :
• Let an observer in each system K and K’ have a
meter stick at rest in their own system such that
each measure the same length at rest.
• The length as measured at rest is called the
proper length.
76
Length Contraction
K
𝑥′
𝑣K’
𝑥
𝑥′ =
𝑥 − 𝑣𝑡
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑥′ =
𝑥 − 𝑣𝑡
1 − 𝑣2 𝑐2
77
What Frank and Mary see…
Each observer lays the stick down along
his or her respective x axis, putting the left end at
𝑥1 (or 𝑥′1) and the right end at 𝑥2 (or 𝑥′2).
•Thus, in system K, Frank measures his stick
to be :
•Similarly, in system K’, Mary measures her
stick at rest to be :
𝐿 = 𝑥2 − 𝑥1
𝐿′ = 𝑥′2 − 𝑥′1
78
What Frank and Mary measure
• Where both ends of the stick must be measured
simultaneously, i.e, 𝑡2 = 𝑡1
• Here Mary’s proper length is 𝐿0 = 𝑥′2 − 𝑥′
1
• and Frank’s measured length is 𝐿 = 𝑥2 − 𝑥1
Frank in his rest frame measures the
moving length in Mary’s frame moving with
velocity.
• Thus using the Lorentz transformations Frank
measures the length of the stick in K’ as:
𝑥′2 − 𝑥′
1 =
𝑥2 − 𝑥1 − 𝑣 𝑡2 − 𝑡1
1 − 𝑣2 𝑐2
79
Frank’s measurement
So Frank measures the moving length as 𝐿 given
by
but since both Mary and Frank in their respective
frames measure 𝐿′0 = 𝐿0
and 𝐿0 > 𝐿, i.e. the moving stick shrinks.
𝐿0 =
𝐿
1 − 𝑣2 𝑐2
= 𝛾𝐿
𝐿 = 𝐿0 1 − 𝑣2 𝑐2 =
𝐿0
𝛾
80
Ex-10 :
How fast does a rocket ship have to go for its length to 99% of its
rest length?
𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’)
𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
81
Ex-11 :
Calculate the Lorentz contraction of the earth’s diameter as
measured by an observer 𝑂’ who is stationary with respect to
sun.
Orbital velocity of Earth 3 x 104 m/s
𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’)
𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
Diameter of the Earth as 7920 mi
82
Ex-12 :
A meterstick makes an angle of 30° with respect to the 𝑥’ −
𝑎𝑥𝑖𝑠 of 𝑂’. What must be the value of 𝑣 if the meterstick makes
an angle of 45° with respect to the 𝑥 − 𝑎𝑥𝑖𝑠 of 𝑂?
𝑥𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
𝑦′
𝑦
𝑥′
𝑂′(𝑥′, 𝑦′, 𝑧′)
83
Ex-13 :
A cube has a (proper) volume of 1000 𝑐𝑚3
. Find the volume as
determined by an observer 𝑂’ who moves at a velocity of 0.8𝑐
relative to the cube in a direction parallel to one edge.
𝑥
𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
84
2.6 : Addition of Velocities
• Taking differentials of the Lorentz
transformation, relative velocities may be
calculated :
𝑥′ =
𝑥 − 𝑣𝑡
1 − 𝑣2 𝑐2
Takingdifferentialsofthe
Lorentztransformation
𝑑𝑥′ =
𝑑𝑥 − 𝑣𝑑𝑡
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑦′ = 𝑦 𝑑𝑦′ = 𝑑𝑦
𝑧′ = 𝑧 𝑑𝑧′ = 𝑑𝑧
𝑡′ =
𝑡 − 𝑣𝑥 𝑐2
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑑𝑡′ =
𝑑𝑡 − 𝑣 𝑐2 𝑑𝑥
1 − 𝑣2 𝑐2
So that…
85
defining velocities as : 𝑢′ 𝑥 = 𝑑𝑥′ 𝑑𝑡′, 𝑢′ 𝑦 =
𝑑𝑦′ 𝑑𝑡′, 𝑢′ 𝑧 = 𝑑𝑧′ 𝑑𝑡′, etc. it is easily shown that :
𝑢′ 𝑥 =
𝑑𝑥′
𝑑𝑡′
=
𝑢 𝑥 − 𝑣
1 − 𝑣 𝑐2 𝑢 𝑥
𝑢′ 𝑦 =
𝑑𝑦′
𝑑𝑡′
=
𝑢 𝑦
𝛾 1 − 𝑣 𝑐2 𝑢 𝑥
𝑢′ 𝑧 =
𝑑𝑧′
𝑑𝑡′
=
𝑢 𝑧
𝛾 1 − 𝑣 𝑐2 𝑢 𝑥
1
2
3
86
2.6 : Addition of Velocities
• Taking differentials of the Lorentz
transformation, relative velocities may be
calculated :
𝑥 =
𝑥′ + 𝑣𝑡′
1 − 𝑣2 𝑐2
Takingdifferentialsofthe
Lorentztransformation
𝑑𝑥 =
𝑑𝑥′ + 𝑣𝑑𝑡′
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑦 = 𝑦′ 𝑑𝑦 = 𝑑𝑦′
𝑧 = 𝑧′ 𝑑𝑧 = 𝑑𝑧′
𝑡 =
𝑡′ + 𝑣 𝑐2 𝑥′
1 − 𝑣2 𝑐2
𝑑𝑡 =
𝑑𝑡′ + 𝑣 𝑐2 𝑑𝑥′
1 − 𝑣2 𝑐2
So that…
87
defining velocities as : 𝑢 𝑥 = 𝑑𝑥 𝑑𝑡, 𝑢 𝑦 = 𝑑𝑦 𝑑𝑡,
𝑢 𝑧 = 𝑑𝑧 𝑑𝑡, etc. it is easily shown that :
𝑢 𝑥 =
𝑑𝑥
𝑑𝑡
=
𝑢′ 𝑥 + 𝑣
1 + 𝑣 𝑐2 𝑢′ 𝑥
𝑢 𝑦 =
𝑑𝑦
𝑑𝑡
=
𝑢′ 𝑦
𝛾 1 + 𝑣 𝑐2 𝑢′ 𝑥
𝑢 𝑧 =
𝑑𝑧
𝑑𝑡
=
𝑢′ 𝑧
𝛾 1 + 𝑣 𝑐2 𝑢′ 𝑥
1
2
3
88
The Resolution
1) Frank’s clock is in an inertial system during the entire trip;
however, Mary’s clock is not. As long as Mary is traveling at
constant speed away from Frank, both of them can argue that
the other twin is aging less rapidly.
2) When Mary slows down to turn around, she leaves her original
inertial system and eventually returns in a completely different
inertial system.
3) Mary’s claim is no longer valid, because she does not remain in
the same inertial system. There is also no doubt as to who is in
the inertial system. Frank feels no acceleration during Mary’s
entire trip, but Mary does.
89
Ex-14 :
Rocket A travels to the right and rocket B travels to the left, with
velocities 0.8c and 0.6c, respectively, relative to the earth. What
is the velocity of rocket A measured from rocket B ?
𝐴𝐵
90
Ex-15 :
Repeat Ex-14: If rocket A travels with a velocity of 0.8𝑐 in the
+ 𝑦 − 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 relative to the earth.(Rocket B stills travels in
the – 𝑥 − 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛)
𝐵
𝐴
91
Ex-16 :
A particle moves with a speed of 0.8𝑐 at an angle of 30o to the
𝑥 − 𝑎𝑥𝑖𝑠, as determined by 𝑂. What is the velocity of the particle
as determined by a second observer, 𝑂’, moving with a speed of
− 0.6𝑐 along the common 𝑥 − 𝑥’ 𝑎𝑥𝑖𝑠 ?
𝑂’
𝑂
𝑂′
92
2.9: Spacetime
• When describing events in relativity, it is convenient to
represent events on a spacetime diagram.
• In this diagram one spatial coordinate x, to specify position,
is used and instead of time t, ct is used as the other
coordinate so that both coordinates will have dimensions of
length.
• Spacetime diagrams were first used by H. Minkowski in 1908
and are often called Minkowski diagrams. Paths in
Minkowski spacetime are called worldlines.
93
Spacetime Diagram
Figure 2.21 : A spacetime diagram is used to specify events. The
worldline denoting the path from event A to event B is shown.
𝑐𝑡
𝑥
𝑐𝑡 𝐵
𝑐𝑡 𝐴
𝐵(𝑥 𝐵, 𝑐𝑡 𝐵)
0
World line
𝐴(𝑥 𝐴, 𝑐𝑡 𝐴)
94
Particular Worldlines
𝑐𝑡
𝑥
0
Spaceship
Light signal
𝑣 𝑐
Figure 2.22 : A light signal has the slope of 45° on a spacetime
diagram. A spaceship moving along the x axis with speed v is a
straight line on the spacetime diagram with a slope c/v.
95
Worldlines and Time
Figure 2.23 : Clocks positioned at 𝑥1 and 𝑥2 can be synchronized by sending a
light signal from a position 𝑥3 halfway between. The light signals intercept
the worldlines of 𝑥1 and 𝑥2 at the same time t.
𝑐𝑡
𝑥
0
𝑐𝑡
Light Light
𝑥1 𝑥3𝑥2
𝑡 𝑡
96
Worldlines and Time
Figure 2.23 : If the positions 𝑥1(= 𝑥’1) and 𝑥2(= 𝑥’2) of the previous figure are on a
moving system 𝐾’ when the flashbulb goes off, the times will not appear
simultaneously in system 𝐾, because the worldlines for 𝑥’1 and 𝑥’2 are slanted.
𝑐𝑡
𝑥
0
Light
Light
𝑥1 𝑥3𝑥2
𝑡2𝑡1
𝑐𝑡1
𝑐𝑡2
𝑣 𝑣
97
The Light Cone
𝑐𝑡
𝑥
Future Present
Elsewhere
Past
𝑐𝑡
𝑥
Future
Present
Elsewhere
Past
𝑦𝐴
𝐵
(𝑎) (𝑏)
98
Spacetime Interval
• Since all observers “see” the same speed of light,
then all observers, regardless of their velocities,
must see spherical wave fronts.
𝑠2
= 𝑥2
− 𝑐2
𝑡2
= 𝑥′ 2
− 𝑐2
𝑡′ 2
= 𝑠′ 2
𝑐𝑡
𝑥
𝑐𝑡
𝑐𝑡′
𝑥′
𝑐𝑡′
99
• If we consider two events, we can determine the
quantity Δs2 between the two events, and we find
that it is invariant in any inertial frame. The
quantity Δs is known as the spacetime interval
between two events.
Spacetime Interval
100
There are three possibilities for the invariant quantity Δs2:
1) Δs2 = 0 : Δx2 = c2 Δt2, and the two events can be
connected only by a light signal. The events are said to
have a lightlike separation.
2) Δs2 > 0 : Δx2 > c2 Δt2, and no signal can travel fast
enough to connect the two events. The events are not
causally connected and are said to have a spacelike
separation.
3) Δs2 < 0 : Δx2 < c2 Δt2, and the two events can be causally
connected. The interval is said to be timelike.
Spacetime Interval
101
2.10: The Doppler Effect
• The Doppler effect of sound in introductory physics is represented
by an increased frequency of sound as a source such as a train (with
whistle blowing) approaches a receiver (our eardrum) and a decreased
frequency as the source recedes.
• Also, the same change in sound frequency occurs when the source is
fixed and the receiver is moving. The change in frequency of the
sound wave depends on whether the source or receiver is moving.
• On first thought it seems that the Doppler effect in sound violates
the principle of relativity, until we realize that there is in fact a
special frame for sound waves. Sound waves depend on media such
as air, water, or a steel plate in order to propagate; however, light
does not!
102
Recall the Doppler Effect
103
The Relativistic Doppler Effect
Consider a source of light (for example, a star) and a receiver
(an astronomer) approaching one another with a relative velocity v.
1) Consider the receiver in system K and the light source in
system K’ moving toward the receiver with velocity v.
2) The source emits n waves during the time interval T.
3) Because the speed of light is always c and the source is moving
with velocity v, the total distance between the front and rear of
the wave transmitted during the time interval T is :
Length of wave train = cT − vT
104
The Relativistic Doppler Effect :
Source and Receiver Approaching
𝑣
𝜆 =
𝑐𝑇 − 𝑣𝑇
𝑛
• Because there are n waves, the wavelength is
given by
𝑐
𝒗𝑻
𝒄𝑻
𝒄𝑻 − 𝒗𝑻
∗ 𝑝𝑎𝑡ℎ 𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 = 𝑛𝜆 ∗ (𝑠𝑎𝑚𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛𝜆)
105
• And the resulting frequency is (form 𝑣 = 𝑓𝜆)
𝑓 =
𝑐𝑛
𝑐𝑇 − 𝑣𝑇
The Relativistic Doppler Effect :
Source and Receiver Approaching
𝑣 𝑐
o In this frame : 𝑓0 =
𝑛
𝑇0
and 𝑇0 =
𝑇
𝛾
𝑓 =
𝑐𝑓0 𝑇/𝛾
𝑐𝑇 − 𝑣𝑇
Thus : 𝑓 =
1
1 − 𝑣/𝑐
𝑓0
𝛾
=
1 − 𝑣2/𝑐2
1 − 𝑣/𝑐
𝑓0
106
• With β = v / c the resulting frequency is given by :
The Relativistic Doppler Effect :
Source and Receiver Approaching
𝑓 =
1 + 𝛽
1 − 𝛽
𝑓0
𝑣 𝑐
(source and receiver
approaching)
107
The Relativistic Doppler Effect :
Source and Receiver Receding
𝑣
𝜆 =
𝑐𝑇 + 𝑣𝑇
𝑛
• Because there are n waves, the wavelength is
given by
𝒗𝑻 𝒄𝑻
𝒄𝑻 + 𝒗𝑻
∗ 𝑝𝑎𝑡ℎ 𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 = 𝑛𝜆 ∗ (𝑠𝑎𝑚𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛𝜆)
𝑐
108
• In a similar manner, it is found that :
The Relativistic Doppler Effect :
Source and Receiver Receding
𝑓 =
1 − 𝛽
1 + 𝛽
𝑓0
(source and receiver receding)
𝑣 𝑐
109
The Relativistic Doppler Effect
• If we agree to use a +
sign for β (+v/c) when
the source and
receiver are
approaching
• If we agree to use a –
sign for β (–v/c) when
they are receding
𝑓 =
1 + 𝛽
1 − 𝛽
𝑓0𝑓 =
1 − 𝛽
1 + 𝛽
𝑓0
110
2.11: Relativistic Momentum
Because physicists believe that the
conservation of momentum is fundamental, we
begin by considering collisions where there do
not exist external forces and
𝑑 𝑝
𝑑𝑡
= 𝐹𝑒𝑥𝑡 = 0𝐹 𝐴 𝐹 𝐵
Newton’s first law (law of inertia) : An object in motion with a constant
velocity will continue in motion unless acted upon by some net external
force.
𝑣
111
• To see how the classical form p = mu fails and to
determine the correct relativistic definition of p,
consider the case of an inelastic collision
Relativistic Momentum
𝑥′𝑥
𝑣
𝑚1
𝑢1
𝑚 2
−𝑢 2
𝑚1 𝑚 2
𝑚′1
𝑢′1
𝑚′ 2
−𝑢′ 2
𝑚1 𝑚 2𝑆′𝑆
Before
After
Before
After
112
Relativistic Momentum
• Rather than abandon the conservation of linear
momentum, let us look for a modification of the
definition of linear momentum that preserves both it and
Newton’s second law.
• To do so requires reexamining mass to conclude that :
𝛾 =
1
1−𝛽2
and 𝛽 = 𝑣/𝑐
𝑝 = 𝑚 𝑣 = 𝛾𝑚0 𝑣 : Relativistic momentum
113
Relativistic Momentum
 Some physicists like to refer to the mass in Equation (2.48)
as the rest mass m0 and call the term m = γm0 the relativistic
mass. In this manner the classical form of momentum, m, is
retained. The mass is then imagined to increase at high
speeds.
 Most physicists prefer to keep the concept of mass as an
invariant, intrinsic property of an object. We adopt this
latter approach and will use the term mass exclusively to
mean rest mass. Although we may use the terms mass and
rest mass synonymously, we will not use the term relativistic
mass. The use of relativistic mass to often leads the student
into mistakenly inserting the term into classical expressions
where it does not apply.
114
2.12 : Relativistic Energy
• Due to the new idea of relativistic mass, we must now
redefine the concepts of work and energy.
• Therefore, we modify Newton’s second law to include our new
definition of linear momentum, and force becomes:
𝐹 =
𝑑 𝑝
𝑑𝑡
=
𝑑
𝑑𝑡
𝛾𝑚0 𝑣
𝑊 = 0
𝑥
𝐹 𝑑 𝑥
115
Momentum and Energy (continued)
𝑝2
𝑐2
= 𝐸2
− 𝐸0
2
• The first term on the right-hand side is just E2, and the
second term is E0
2. The last equation becomes
• We rearrange this last equation to find the result we are
seeking, a relation between energy and momentum.
𝐸2
= 𝑝2
𝑐2
+ 𝐸0
2
𝐸2
= 𝑝2
𝑐2
+ 𝑚0
2
𝑐4
• Equation is a useful result to relate the total energy of a particle with
its momentum. The quantities (E2 – p2c2) and m are invariant
quantities. Note that when a particle’s velocity is zero and it has no
momentum, Equation correctly gives E0 as the particle’s total energy.
116
2.13 : Computations in Modern Physics
• We were taught in introductory physics that the
international system of units is preferable when doing
calculations in science and engineering.
• In modern physics a somewhat different, more
convenient set of units is often used.
• The smallness of quantities often used in modern physics
suggests some practical changes.
117
Units of Work and Energy
• Recall that the work done in accelerating a charge
through a potential difference is given by W = qV.
• For a proton, with the charge e = 1.602 × 10−19 C being
accelerated across a potential difference of 1 V, the work
done is
W = (1.602 × 10−19)(1 V) = 1.602 × 10−19 J
118
The Electron Volt (eV)
• The work done to accelerate the proton across a potential
difference of 1 V could also be written as
W = (1 e)(1 V) = 1 eV
• Thus eV, pronounced “electron volt,” is also a unit of
energy. It is related to the SI (Système International) unit joule by
the 2 previous equations.
1 eV = 1.602 × 10−19 J
Other Units
1) Rest energy of a particle:
Example: E0 (proton)
2) Atomic mass unit (amu):
Example: carbon-12
119
Mass (12C atom)
Mass (12C atom)
120
Ex-17 :
A star is receding from the earth at speed of 5 x 10-3 c .
What is the wavelength shift for the sodium D2 line (5890
A)?
121
Ex-18 :
Suppose that the Doppler shift in the sodium D2 line
(5890 A) is 100 A when the light is observed from a
distant star. Determine the star’s velocity of recession.
122
Ex-19 :
A man in a rocket ship moving with a speed of 0.6c
away from a space platform shines a light of
wavelength 5000 A toward the platform. What is the
frequency of the light as seen by an observer on the
platform.
123
Ex-22 :
โปรตอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าใด มวลของโปรตอนจึงเป็นสองเท่าของมวลนิ่งจากสมการ
𝑚 = 𝛾𝑚0 =
𝑚0
1−(𝑣/𝑐)2
𝑚0 𝑣
ก่อน หลัง
𝑚
124
Ex-23 :
From the rest masses listed in the Appendix calculate the
rest energy of an electron in joules and electron-volts.
125
Ex-24 :
A body at rest spontaneously breaks up into two part which
move in opposite directions. The part have rest masses of 3
kg and 5.33 kg and respective speeds of 0.8c and 0.6c .
Find the rest mass of the original body.
126
Ex-25 :
What is the speed of an electron that is accelerated through
a potential difference of 105 V?
127
Ex-26 :
Calculate the momentum of 1 MeV electron.
128
Ex-27 :
Calculate the kinetic energy of an electron whose
momentum is 2 MeV/c.
129
Ex-28 :
Calculate the velocity of a electron whose kinetic
energy is 2 MeV.
130
Ex-29 :
Calculate the velocity of a electron whose kinetic
energy is 2 MeV.
131
Ex-29 :
Calculate the momentum of an electron whose velocity
is 0.8c.
132
Ex-30 :
Compute the effective mass of a 5000 A photon.
Binding Energy
• The equivalence of mass and energy becomes apparent when we
study the binding energy of systems like atoms and nuclei that
are formed from individual particles.
• The potential energy associated with the force keeping the system
together is called the binding energy EB.
133
Binding EnergyThe binding energy is the difference between the rest energy of the
individual particles and the rest energy of the combined bound system.
134
Electromagnetism and Relativity
• Einstein was convinced that magnetic fields appeared as
electric fields observed in another inertial frame. That
conclusion is the key to electromagnetism and relativity.
• Einstein’s belief that Maxwell’s equations describe
electromagnetism in any inertial frame was the key that led
Einstein to the Lorentz transformations.
• Maxwell’s assertion that all electromagnetic waves travel at
the speed of light and Einstein’s postulate that the speed of
light is invariant in all inertial frames seem intimately
connected.
135
A Conducting Wire
136

Contenu connexe

Tendances

เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์
เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์
เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์
Kobwit Piriyawat
 
บทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
Wannalak Santipapwiwatana
 

Tendances (20)

คลื่น (Wave) (For Power Point)
คลื่น (Wave) (For Power Point)คลื่น (Wave) (For Power Point)
คลื่น (Wave) (For Power Point)
 
Astronomyม.4
Astronomyม.4Astronomyม.4
Astronomyม.4
 
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆบทที่ 2 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ
 
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 5 การเคลื่อนที่แบบโปรเจคไทล์ หลักสูตรแกนกลาง 51
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 5 การเคลื่อนที่แบบโปรเจคไทล์ หลักสูตรแกนกลาง 51แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 5 การเคลื่อนที่แบบโปรเจคไทล์ หลักสูตรแกนกลาง 51
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 5 การเคลื่อนที่แบบโปรเจคไทล์ หลักสูตรแกนกลาง 51
 
ทรงกลมฟ้า
ทรงกลมฟ้า ทรงกลมฟ้า
ทรงกลมฟ้า
 
บทที่ 4 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ
บทที่ 4 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆบทที่ 4 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ
บทที่ 4 การเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ
 
03 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
03 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน03 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
03 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
 
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
 
เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์
เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์
เรื่องที่ 7 ซากดึกดำบรรพ์
 
Classical mechanics introduction
Classical mechanics   introductionClassical mechanics   introduction
Classical mechanics introduction
 
บทที่1 introductions ปริมาณทางฟิสิกส์
บทที่1 introductions ปริมาณทางฟิสิกส์บทที่1 introductions ปริมาณทางฟิสิกส์
บทที่1 introductions ปริมาณทางฟิสิกส์
 
ฟิสิกส์อะตอม
ฟิสิกส์อะตอมฟิสิกส์อะตอม
ฟิสิกส์อะตอม
 
บทที่7แรงเสียดทาน1 (2)
บทที่7แรงเสียดทาน1 (2)บทที่7แรงเสียดทาน1 (2)
บทที่7แรงเสียดทาน1 (2)
 
Physics in-everyday-life
Physics in-everyday-lifePhysics in-everyday-life
Physics in-everyday-life
 
Ppt newton's law
Ppt newton's lawPpt newton's law
Ppt newton's law
 
Big Bang theory - ทฤษฏีบิกแบง
Big Bang theory - ทฤษฏีบิกแบงBig Bang theory - ทฤษฏีบิกแบง
Big Bang theory - ทฤษฏีบิกแบง
 
แก๊สอุดมคติ
แก๊สอุดมคติแก๊สอุดมคติ
แก๊สอุดมคติ
 
21 ใบความรู้ เรื่องแรงเสียดทาน
21 ใบความรู้  เรื่องแรงเสียดทาน21 ใบความรู้  เรื่องแรงเสียดทาน
21 ใบความรู้ เรื่องแรงเสียดทาน
 
บทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
 
Physics atom
Physics atomPhysics atom
Physics atom
 

En vedette

En vedette (7)

CHAPTER 10 Molecules and Solids
CHAPTER 10 Molecules and SolidsCHAPTER 10 Molecules and Solids
CHAPTER 10 Molecules and Solids
 
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics ICHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
CHAPTER 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I
 
บทที่ 1 กำเนิดฟิสิกส์แผนใหม่
บทที่ 1 กำเนิดฟิสิกส์แผนใหม่บทที่ 1 กำเนิดฟิสิกส์แผนใหม่
บทที่ 1 กำเนิดฟิสิกส์แผนใหม่
 
CHAPTER 3 The Experimental Basis of Quantum Theory
CHAPTER 3The Experimental Basis of Quantum TheoryCHAPTER 3The Experimental Basis of Quantum Theory
CHAPTER 3 The Experimental Basis of Quantum Theory
 
CHAPTER 4 Structure of the Atom
CHAPTER 4Structure of the AtomCHAPTER 4Structure of the Atom
CHAPTER 4 Structure of the Atom
 
CHAPTER 6 Quantum Mechanics II
CHAPTER 6 Quantum Mechanics IICHAPTER 6 Quantum Mechanics II
CHAPTER 6 Quantum Mechanics II
 
Trm 7
Trm 7Trm 7
Trm 7
 

Similaire à บทที่ 2 ทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ

B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...
B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...
B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...
Rai University
 
B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...
B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...
B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...
Abhi Hirpara
 
Superconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentation
Superconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentationSuperconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentation
Superconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentation
sujeet1022
 
Chapter 26 relativity
Chapter 26   relativityChapter 26   relativity
Chapter 26 relativity
myrodeheaver
 

Similaire à บทที่ 2 ทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ (20)

Special theory of relativity and electromagnetism
Special theory of relativity and electromagnetismSpecial theory of relativity and electromagnetism
Special theory of relativity and electromagnetism
 
B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...
B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...
B.tech sem i engineering physics u iii chapter 1-the special theory of relati...
 
B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...
B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...
B.Tech sem I Engineering Physics U-III Chapter 1-THE SPECIAL THEORY OF RELATI...
 
Special theory of -Relativity presentation.ppt
Special theory of -Relativity presentation.pptSpecial theory of -Relativity presentation.ppt
Special theory of -Relativity presentation.ppt
 
special theory of relativity
special theory of relativityspecial theory of relativity
special theory of relativity
 
Ph 101-6
Ph 101-6Ph 101-6
Ph 101-6
 
Theory of Relativity
Theory of RelativityTheory of Relativity
Theory of Relativity
 
Modern phyiscs lecture 1
Modern phyiscs lecture 1Modern phyiscs lecture 1
Modern phyiscs lecture 1
 
Relativity by Albert einstein
Relativity by Albert einsteinRelativity by Albert einstein
Relativity by Albert einstein
 
Superconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentation
Superconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentationSuperconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentation
Superconductivity(as macroscopic phenomena) term paper presentation
 
chapter39.ppt
chapter39.pptchapter39.ppt
chapter39.ppt
 
Chapter 26 relativity
Chapter 26   relativityChapter 26   relativity
Chapter 26 relativity
 
Chapter 26 relativity
Chapter 26   relativityChapter 26   relativity
Chapter 26 relativity
 
Resume physic success sat
Resume physic success satResume physic success sat
Resume physic success sat
 
Relativity
RelativityRelativity
Relativity
 
Heisenberg Uncertainty Principle
 Heisenberg Uncertainty Principle  Heisenberg Uncertainty Principle
Heisenberg Uncertainty Principle
 
The classical mechanics of the special theory of [autosaved]
The classical mechanics of the special theory of [autosaved]The classical mechanics of the special theory of [autosaved]
The classical mechanics of the special theory of [autosaved]
 
1.5.1 einstein and relativity
1.5.1   einstein and relativity1.5.1   einstein and relativity
1.5.1 einstein and relativity
 
14_special_rel.ppt
14_special_rel.ppt14_special_rel.ppt
14_special_rel.ppt
 
14_special_rel.ppt
14_special_rel.ppt14_special_rel.ppt
14_special_rel.ppt
 

Plus de Thepsatri Rajabhat University

บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรงบทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง
Thepsatri Rajabhat University
 

Plus de Thepsatri Rajabhat University (19)

Timeline of atomic models
Timeline of atomic modelsTimeline of atomic models
Timeline of atomic models
 
บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์ [2 2560]
บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์ [2 2560]บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์ [2 2560]
บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์ [2 2560]
 
กฎของ Hamilton และ Lagrange’s Equations
กฎของ Hamilton และ Lagrange’s Equationsกฎของ Hamilton และ Lagrange’s Equations
กฎของ Hamilton และ Lagrange’s Equations
 
บทที่ 7 การเคลื่อนที่แบบหมุน
บทที่ 7 การเคลื่อนที่แบบหมุนบทที่ 7 การเคลื่อนที่แบบหมุน
บทที่ 7 การเคลื่อนที่แบบหมุน
 
บทที่ 4 งาน พลังงาน และเครื่องกลอย่างง่าย
บทที่ 4 งาน  พลังงาน  และเครื่องกลอย่างง่ายบทที่ 4 งาน  พลังงาน  และเครื่องกลอย่างง่าย
บทที่ 4 งาน พลังงาน และเครื่องกลอย่างง่าย
 
บทที่ 3 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง มวล และกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
 
บทที่ 2 การเคลื่อนที่ในหนึ่งมิติ
บทที่ 2 การเคลื่อนที่ในหนึ่งมิติบทที่ 2 การเคลื่อนที่ในหนึ่งมิติ
บทที่ 2 การเคลื่อนที่ในหนึ่งมิติ
 
บทที่ 1 ฟิสิกส์กับการทำงานของร่างกายและชีวิตประจำวัน
บทที่ 1 ฟิสิกส์กับการทำงานของร่างกายและชีวิตประจำวันบทที่ 1 ฟิสิกส์กับการทำงานของร่างกายและชีวิตประจำวัน
บทที่ 1 ฟิสิกส์กับการทำงานของร่างกายและชีวิตประจำวัน
 
บทที่ 6 โมเมนตัมและการชน
บทที่ 6 โมเมนตัมและการชนบทที่ 6 โมเมนตัมและการชน
บทที่ 6 โมเมนตัมและการชน
 
บทที่ 5 งานและพลังงาน
บทที่ 5 งานและพลังงานบทที่ 5 งานและพลังงาน
บทที่ 5 งานและพลังงาน
 
บทที่ 8 ความร้อนและอุณหพลศาสตร์
บทที่ 8 ความร้อนและอุณหพลศาสตร์บทที่ 8 ความร้อนและอุณหพลศาสตร์
บทที่ 8 ความร้อนและอุณหพลศาสตร์
 
บทที่ 7 คลื่นกลและเสียง
บทที่ 7 คลื่นกลและเสียงบทที่ 7 คลื่นกลและเสียง
บทที่ 7 คลื่นกลและเสียง
 
บทที่ 6 สมบัติของสาร
บทที่ 6 สมบัติของสารบทที่ 6 สมบัติของสาร
บทที่ 6 สมบัติของสาร
 
บทที่ 5 โมเมนตัม
บทที่ 5 โมเมนตัมบทที่ 5 โมเมนตัม
บทที่ 5 โมเมนตัม
 
บทที่ 4 งาน กำลัง พลังงาน และเครื่องกลอย่างง่าย
บทที่ 4 งาน กำลัง พลังงาน  และเครื่องกลอย่างง่ายบทที่ 4 งาน กำลัง พลังงาน  และเครื่องกลอย่างง่าย
บทที่ 4 งาน กำลัง พลังงาน และเครื่องกลอย่างง่าย
 
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
 
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
บทที่ 3 แรง และ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
 
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรงบทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง
บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง
 
บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์
บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์
บทที่ 1 หน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์
 

Dernier

Russian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in Delhi
Russian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in DelhiRussian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in Delhi
Russian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in Delhi
kauryashika82
 
The basics of sentences session 2pptx copy.pptx
The basics of sentences session 2pptx copy.pptxThe basics of sentences session 2pptx copy.pptx
The basics of sentences session 2pptx copy.pptx
heathfieldcps1
 

Dernier (20)

How to Give a Domain for a Field in Odoo 17
How to Give a Domain for a Field in Odoo 17How to Give a Domain for a Field in Odoo 17
How to Give a Domain for a Field in Odoo 17
 
Unit-IV- Pharma. Marketing Channels.pptx
Unit-IV- Pharma. Marketing Channels.pptxUnit-IV- Pharma. Marketing Channels.pptx
Unit-IV- Pharma. Marketing Channels.pptx
 
Unit-IV; Professional Sales Representative (PSR).pptx
Unit-IV; Professional Sales Representative (PSR).pptxUnit-IV; Professional Sales Representative (PSR).pptx
Unit-IV; Professional Sales Representative (PSR).pptx
 
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
 
2024-NATIONAL-LEARNING-CAMP-AND-OTHER.pptx
2024-NATIONAL-LEARNING-CAMP-AND-OTHER.pptx2024-NATIONAL-LEARNING-CAMP-AND-OTHER.pptx
2024-NATIONAL-LEARNING-CAMP-AND-OTHER.pptx
 
This PowerPoint helps students to consider the concept of infinity.
This PowerPoint helps students to consider the concept of infinity.This PowerPoint helps students to consider the concept of infinity.
This PowerPoint helps students to consider the concept of infinity.
 
Russian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in Delhi
Russian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in DelhiRussian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in Delhi
Russian Escort Service in Delhi 11k Hotel Foreigner Russian Call Girls in Delhi
 
Introduction to Nonprofit Accounting: The Basics
Introduction to Nonprofit Accounting: The BasicsIntroduction to Nonprofit Accounting: The Basics
Introduction to Nonprofit Accounting: The Basics
 
Application orientated numerical on hev.ppt
Application orientated numerical on hev.pptApplication orientated numerical on hev.ppt
Application orientated numerical on hev.ppt
 
INDIA QUIZ 2024 RLAC DELHI UNIVERSITY.pptx
INDIA QUIZ 2024 RLAC DELHI UNIVERSITY.pptxINDIA QUIZ 2024 RLAC DELHI UNIVERSITY.pptx
INDIA QUIZ 2024 RLAC DELHI UNIVERSITY.pptx
 
PROCESS RECORDING FORMAT.docx
PROCESS      RECORDING        FORMAT.docxPROCESS      RECORDING        FORMAT.docx
PROCESS RECORDING FORMAT.docx
 
Energy Resources. ( B. Pharmacy, 1st Year, Sem-II) Natural Resources
Energy Resources. ( B. Pharmacy, 1st Year, Sem-II) Natural ResourcesEnergy Resources. ( B. Pharmacy, 1st Year, Sem-II) Natural Resources
Energy Resources. ( B. Pharmacy, 1st Year, Sem-II) Natural Resources
 
Python Notes for mca i year students osmania university.docx
Python Notes for mca i year students osmania university.docxPython Notes for mca i year students osmania university.docx
Python Notes for mca i year students osmania university.docx
 
Key note speaker Neum_Admir Softic_ENG.pdf
Key note speaker Neum_Admir Softic_ENG.pdfKey note speaker Neum_Admir Softic_ENG.pdf
Key note speaker Neum_Admir Softic_ENG.pdf
 
Explore beautiful and ugly buildings. Mathematics helps us create beautiful d...
Explore beautiful and ugly buildings. Mathematics helps us create beautiful d...Explore beautiful and ugly buildings. Mathematics helps us create beautiful d...
Explore beautiful and ugly buildings. Mathematics helps us create beautiful d...
 
Measures of Central Tendency: Mean, Median and Mode
Measures of Central Tendency: Mean, Median and ModeMeasures of Central Tendency: Mean, Median and Mode
Measures of Central Tendency: Mean, Median and Mode
 
ICT Role in 21st Century Education & its Challenges.pptx
ICT Role in 21st Century Education & its Challenges.pptxICT Role in 21st Century Education & its Challenges.pptx
ICT Role in 21st Century Education & its Challenges.pptx
 
Unit-V; Pricing (Pharma Marketing Management).pptx
Unit-V; Pricing (Pharma Marketing Management).pptxUnit-V; Pricing (Pharma Marketing Management).pptx
Unit-V; Pricing (Pharma Marketing Management).pptx
 
The basics of sentences session 2pptx copy.pptx
The basics of sentences session 2pptx copy.pptxThe basics of sentences session 2pptx copy.pptx
The basics of sentences session 2pptx copy.pptx
 
Class 11th Physics NEET formula sheet pdf
Class 11th Physics NEET formula sheet pdfClass 11th Physics NEET formula sheet pdf
Class 11th Physics NEET formula sheet pdf
 

บทที่ 2 ทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ

  • 1. CHAPTER 2 : Special Theory of Relativity Napatsakon Sarapat School of Physics, Science and Technology, TRU SC 4101307 Modern Physics, TRU 𝛾 = 1 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 2. 2.1 The Need for Ether 2.2 The Michelson-Morley Experiment 2.3 Einstein’s Postulates 2.4 The Lorentz Transformation 2.5 Time Dilation and Length Contraction 2.6 Addition of Velocities 2.7 Experimental Verification 2.8 Twin Paradox 2.9 Spacetime 2.10 Doppler Effect 2.11 Relativistic Momentum 2.12 Relativistic Energy 2.13 Computations in Modern Physics 2.14 Electromagnetism and Relativity CHAPTER 2 : Special Theory of Relativity
  • 3. 3 It was found that there was no displacement of the interference fringes, so that the result of the experiment was negative and would, therefore, show that there is still a difficulty in the theory itself… - Albert Michelson, 1907
  • 4. 4 Special Theory of Relativity ? 𝜔 𝑠′ 𝜔 𝑠
  • 5. 5 Newtonian (Classical) Relativity • Assumption : • It is assumed that Newton’s laws of motion must be measured with respect to (relative to) some reference frame.
  • 6. 6 𝑥, 𝑦, 𝑧 𝑥′ , 𝑦′ , 𝑧′ • Assumption : • It is assumed that Newton’s laws of motion must be measured with respect to (relative to) some reference frame. Newtonian (Classical) Relativity
  • 7. • A reference frame is called an inertial frame if Newton laws are valid in that frame. • Such a frame is established when a body, not subjected to net external forces, is observed to move in rectilinear motion at constant velocity. 7 Inertial Reference Frame 𝑢 ≡ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑭 = 𝟎
  • 8. Newtonian Principle of Relativity • If Newton’s laws are valid in one reference frame, then they are also valid in another reference frame moving at a uniform velocity relative to the first system. • This is referred to as the Newtonian principle of relativity or Galilean invariance. 8 𝑢′ ≡ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑭′ = 𝟎
  • 9. Inertial Frames 𝑂 and 𝑂′ • 𝑂 is at rest and 𝑂′ is moving with velocity 𝑢 • Axes are parallel • 𝑂 and 𝑂′ are said to be INERTIAL COORDINATE SYSTEMS 9 𝑃
  • 10. The Galilean Transformation For a point 𝑃 • In system 𝑂 ∶ 𝑃 = (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) • In system 𝑂 ′ ∶ 𝑃′ = (𝑥′, 𝑦′, 𝑧′, 𝑡′) 10 𝑃
  • 11. Conditions of the Galilean Transformation • Parallel axes • 𝑂′ has a constant relative velocity in the x-direction with respect to 𝑂 11 11 • Time (t) for all observers is a Fundamental invariant, i.e., the same for all inertial observers 𝑥′ = 𝑥 − 𝑢𝑡 𝑦′ = 𝑦 𝑧′ = 𝑧 𝑡′ = 𝑡
  • 12. The Inverse Relations Step 1. Replace with Step 2. Replace “primed” quantities with “unprimed” and “unprimed” with “primed” 12 𝑥 = 𝑥′ + 𝑢𝑡 𝑦 = 𝑦′ 𝑧 = 𝑧′ 𝑡 = 𝑡′
  • 13. 13 Ex-01 : A passenger in a train moving at 30 m/s passes a man standing on a station platform at 𝑡 = 𝑡′ = 0. Twenty seconds after the train passes him, the man on the platform determines that a bird flying along the tracks in the same direction as the train is 800 m away. What are the coordinates of the bird as determined by the passenger ?
  • 14. 14 Ex-02 : Refer to Ex-01. Five seconds after making the first coordinate measurement, the man on the platform determines that the bird is 850 m away. From these data find the velocity of the bird (assumed constant) as determined by the man on the platform and by the passenger on the train.
  • 15. 15 Ex-03 : A sample of radioactive material, at rest in the laboratory, ejects two electrons in opposite directions. One of the electrons has a speed of 0.6c and the other has a speed of 0.7c, as measured by a laboratory observer. According to classical velocity transformations, what will be the speed of one electron as measured from the other? e - e -
  • 16. 16 The Transition to Modern Relativity • Although Newton’s laws of motion had the same form under the Galilean transformation, Maxwell’s equations did not.
  • 17. The Transition to Modern Relativity • In 1905, Albert Einstein proposed a fundamental connection between space and time and that Newton’s laws are only an approximation. 17 𝑡 𝑡′
  • 18. 18 Ether 2.1 : The Need for Ether
  • 19. 19 2.1 : The Need for Ether • The wave nature of light suggested that there existed a propagation medium called the luminiferous ether or just ether. • Ether had to have such a low density that the planets could move through it without loss of energy • It also had to have an elasticity to support the high velocity of light waves EtherEM-wave EM-wave
  • 20. 20 Maxwell’s Equations • In Maxwell’s theory the speed of light, in terms of the permeability and permittivity of free space, was given by • Thus the velocity of light between moving systems must be a constant. 𝑐 = 1 𝜇0 𝜀0 𝛻2 − 𝜇𝜀 𝜕2 𝜕𝑡2 E = 0 𝛻2 − 𝜇𝜀 𝜕2 𝜕𝑡2 B = 0
  • 21. Ether An Absolute Reference System • Ether was proposed as an absolute reference system in which the speed of light was this constant and from which other measurements could be made. • The Michelson-Morley experiment was an attempt to show the existence of ether. 21 EM-wave EM-wave
  • 22. 22 Ether 2.2 : The Michelson-Morley Experiment • Albert Michelson (1852–1931) was the first U.S. citizen to receive the Nobel Prize for Physics (1907), and built an extremely precise device called an interferometer to measure the minute phase difference between two light waves traveling in mutually orthogonal directions. EM-wave EM-wave
  • 23. Ether wind =v 23 1. AC is parallel to the motion of the Earth inducing an “ether wind” 2. Light from source S is split by mirror A and travels to mirrors C and D in mutually perpendicular directions 3. After reflection the beams recombine at A slightly out of phase due to the “ether wind” as viewed by telescope E. The Michelson Interferometer
  • 31. The Analysis “Assuming the Galilean Transformation” Time t1 from A to C and back : 31 Time t2 from A to D and back : So that the change in time is : 𝑡1 = 𝑙1 𝑐 + 𝑣 + 𝑙1 𝑐 − 𝑣 = 2𝑐𝑙1 𝑐2 − 𝑣2 = 2 𝑐 𝑙1 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑡2 = 𝑙2 𝑐2 − 𝑣2 + 𝑙2 𝑐2 − 𝑣2 = 2𝑙2 𝑐2 − 𝑣2 = 2 𝑐 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 ∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡1 = 2 𝑐 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 − 𝑙1 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 33. The Analysis  Rotating 90o “Assuming the Galilean Transformation” Time t1 from A to C and back : 33 Time t2 from A to D and back : So that different change in time is : 𝑡′2 = 𝑙2 𝑐 + 𝑣 + 𝑙2 𝑐 − 𝑣 = 2𝑐𝑙2 𝑐2 − 𝑣2 = 2 𝑐 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑡′1 = 𝑙1 𝑐2 − 𝑣2 + 𝑙1 𝑐2 − 𝑣2 = 2𝑙1 𝑐2 − 𝑣2 = 2 𝑐 𝑙1 1 − 𝑣2 𝑐2 ∆𝑡′ = 𝑡′2 − 𝑡′1 = 2 𝑐 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 − 𝑙1 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 34. 34 The Analysis “Assuming the Galilean Transformation” ∆𝑡 = 2 𝑐 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 − 𝑙1 1 − 𝑣2 𝑐2 ∆𝑡 ∆𝑡′ = 2 𝑐 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 − 𝑙1 1 − 𝑣2 𝑐2 ∆𝑡′
  • 35. The Analysis  ∆𝑡′ − ∆𝑡 “Assuming the Galilean Transformation” The binomial expansion 1 − 𝑣2 𝑐2 − 1 2 is : 35 The binomial expansion 1 − 𝑣2 𝑐2 −1 is : The time difference is : 1 − 𝛽2 −1 = 1 + 𝛽2 + 𝛽4 + 𝛽6 + 𝛽8 ⋯ 1 − 𝛽2 − 1 2 = 1 + 1 2 𝛽2 + 3 8 𝛽4 + 5 16 𝛽6 + 35 128 𝛽8 ⋯ ∆𝑡′ − ∆𝑡 = 2 𝑐 𝑙1 + 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 − 𝑙1 + 𝑙2 1 − 𝑣2 𝑐2 = 2 𝑙1 + 𝑙2 𝑐 1 1 − 𝑣2 𝑐2 − 1 1 − 𝑣2 𝑐2 ; 𝛽 = 𝑣 𝑐 ; 𝛽 = 𝑣 𝑐
  • 36. The Analysis  ∆𝑡′ − ∆𝑡 “Assuming the Galilean Transformation” 36 The time difference is : ∆𝑡′ − ∆𝑡 = 2 𝑙1 + 𝑙2 𝑐 1 + 𝛽2 + 𝛽4 + ⋯ − 1 + 1 2 𝛽2 + 3 8 𝛽4 + ⋯ ∆𝑡′ − ∆𝑡 ≈ 𝑣2 𝑙1 + 𝑙2 𝑐3
  • 37. 37 Typical interferometer fringe pattern expected when the system is rotated by 90°
  • 38. 38 Results • Using the Earth’s orbital speed as: o together with o So that the time difference becomes • Although a very small number, it was within the experimental range of measurement for light waves. 𝑣 = 3 × 104 𝑚/𝑠 𝑙1 ≈ 𝑙2 = 1.2 𝑚 ∆𝑡′ − ∆𝑡 ≈ 𝑣2 𝑙1 + 𝑙2 𝑐2 = 8 × 10−17 𝑠
  • 39. 39 Michelson’s Conclusion • Michelson noted that he should be able to detect a phase shift of light due to the time difference between path lengths but found none. • He thus concluded that the hypothesis of the stationary ether must be incorrect. • After several repeats and refinements with assistance from Edward Morley (1893-1923), again a null result. • Thus, ether does not seem to exist!
  • 40. 40 Possible Explanations • Many explanations were proposed but the most popular was the ether drag hypothesis. • This hypothesis suggested that the Earth somehow “dragged” the ether along as it rotates on its axis and revolves about the sun. • This was contradicted by stellar abberation wherein telescopes had to be tilted to observe starlight due to the Earth’s motion. If ether was dragged along, this tilting would not exist.
  • 41. The Lorentz-Fitz Gerald Contraction • Another hypothesis proposed independently by both H. A. Lorentz and G. F. FitzGerald suggested that the length ℓ1, in the direction of the motion was contracted by a factor of 41 1 − 𝑣2 𝑐2 …thus making the path lengths equal to account for the zero phase shift. o This, however, was an ad hoc assumption that could not be experimentally tested.
  • 42. 42 2.3 : Einstein’s Postulates • Albert Einstein (1879–1955) was only two years old when Michelson reported his first null measurement for the existence of the ether. • At the age of 16 Einstein began thinking about the form of Maxwell’s equations in moving inertial systems. • In 1905, at the age of 26, he published his startling proposal about the principle of relativity, which he believed to be fundamental.
  • 43. 43 Einstein’s Two Postulates • With the belief that Maxwell’s equations must be valid in all inertial frames, Einstein proposes the following postulates: 1 “The principle of relativity : The laws of physics are the same in all inertial systems. There is no way to detect absolute motion, and no preferred inertial system exists.” “สัจพจน์ข้อที่ 1 ของไอน์สไตน์ ในกรอบ เฉื่อยทุกกรอบกฎเกณฑ์หรือสมการทาง ฟิสิกส์จะมีรูปเดียวกันเสมอ”
  • 44. 44 Einstein’s Two Postulates • With the belief that Maxwell’s equations must be valid in all inertial frames, Einstein proposes the following postulates: 2“The constancy of the speed of light : Observers in all inertial systems measure the same value for the speed of light in a vacuum.” “สัจพจน์ข้อที่ 2 ของไอน์สไตน์ อัตราเร็ว ของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ไม่ขึ้นกับ การเคลื่อนที่ของแหล่งกาเนิดแสงหรือผู้
  • 45. Re-evaluation of Time 𝑡𝑡′ • In Newtonian physics we previously assumed that t = t’45 Thus with “synchronized” clocks, events in K and K’ can be considered simultaneous
  • 46. Re-evaluation of Time • Einstein realized that each system must have its own observers with their own clocks and meter sticks 46 𝑡 Thus events considered simultaneous in K may not be in K’ 𝑡′
  • 47. The Problem of Simultaneity Frank at rest is equidistant from events A and B : Frank Light flash Light flash 47 Frank “sees” both flashbulbs go off simultaneously. 0 +10m+10m K A B
  • 48. The Problem of Simultaneity Mary, moving to the right with speed v, observes events A and B in different order : Light flash 48 Mary “sees” event B, then A. Mary 0 +10m+10m K’ 𝑣 Light flash A B
  • 49. This suggests that each coordinate system has its own observers with “clocks” that are synchronized… 49 We thus observe… • Two events that are simultaneous in one reference frame (K) are not necessarily simultaneous in another reference frame (K’) moving with respect to the first frame. Light flash Mary 0 +1m+1m K’ 𝑣 Light flash A BFrank Light flash Light flash 0 +1m+1m K A B 𝑡 𝑡′
  • 50. 50 Synchronization of Clocks Step 1: Place observers with clocks throughout a given system. Step 2: In that system bring all the clocks together at one location. Step 3: Compare the clock readings. If all of the clocks agree, then the clocks are said to be synchronized. K’
  • 51. 51 A method to synchronize… • One way is to have one clock at the origin set to t = 0 and advance each clock by a time (d/c) with d being the distance of the clock from the origin. • Allow each of these clocks to begin timing when a light signal arrives from the origin. 𝑑 𝑡 = 𝑑 𝑐 𝑡 = 0 𝑑 𝑡 = 𝑑 𝑐
  • 52. 52 The Lorentz Transformations known as the Lorentz transformation equations 2) account for the problem of simultaneity between these observers 1) preserve the constancy of the speed of light (c) between inertial observers; The special set of linear transformations that : 𝐾 𝑣 𝐾′ 𝑐𝑐
  • 53. 𝐾 53 Derivation • Use the fixed system K and the moving system K’ • At t = 0 the origins and axes of both systems are coincident with system K’ moving to the right along the x axis. • A flashbulb goes off at the origins when t = 0. • According to postulate 2, the speed of light will be c in both systems and the wavefronts observed in both 𝑣 𝐾′
  • 54. Spherical wavefronts in 𝐾: 54 Derivation 𝐾 𝑥 𝑦 𝑧 𝑥2 + 𝑦2 + 𝑧2 = 𝑐2 𝑡2 𝑥 = 𝑥′ + 𝑣𝑡, 𝑦 = 𝑦′, 𝑧 = 𝑧′ and 𝑡 = 𝑡′ 𝑣 𝐾′ 𝑥′ 𝑦′ 𝑧′ 𝑥′2 + 𝑦′2 + 𝑧′2 = 𝑐2 𝑡′2 Spherical wavefronts in 𝐾′: Note: these are not preserved in the classical transformations with
  • 55. 1) Let 𝑥′ = 𝛾 𝑥 − 𝑣𝑡 so that 𝑥 = 𝛾′ 𝑥′ + 𝑣𝑡′ 2) By Einstein’s first postulate : 𝛾 = 𝛾′ 3) The wavefront along the 𝑥, 𝑥′- axis must satisfy : 𝑥 = 𝑐𝑡and 𝑥′ = 𝑐𝑡′ 4) Thus 𝑐𝑡′ = 𝛾 𝑐𝑡 − 𝑣𝑥 𝑐 and 𝑐𝑡 = 𝛾 𝑐𝑡′ + 𝑣𝑥′ 𝑐 5) Solving the first one above for t’ and substituting into the second... 55 Derivation
  • 56. 𝑥′ = 𝑥 − 𝑣𝑡 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑥 = 𝑥′ + 𝑣𝑡′ 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑦′ = 𝑦 𝑦 = 𝑦′ 𝑧′ = 𝑧 𝑧 = 𝑧′ 𝑡′ = 𝑡 − 𝑣𝑥 𝑐2 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑡 = 𝑡′ + 𝑣𝑥′ 𝑐2 1 − 𝑣2 𝑐2 56 Thus the complete Lorentz Transformation 𝑣 𝐾′ 𝐾
  • 57. 𝛾 = 1/ 1 − 𝛽2 𝛽 = 𝑣 𝑐 𝑥′ = 𝛾 𝑥 − 𝑣𝑡 𝑥 = 𝛾 𝑥′ + 𝑣𝑡′ 𝑦′ = 𝑦 𝑦 = 𝑦′ 𝑧′ = 𝑧 𝑧 = 𝑧′ 𝑡′ = 𝛾 𝑡 − 𝛽𝑥 𝑐 𝑡 = 𝛾 𝑡′ + 𝛽𝑥′ 𝑐 57 Thus the complete Lorentz Transformation 𝑣 𝐾′ 𝐾
  • 58. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 Relativisticfactorγ v/c Properties of γ 58 • Recall β = v/c < 1 for all observers. 1) 𝛾 ≥ 1 equals 1 only when v = 0. 2)Graphofβ:notev≠c) 𝛾 = 1 1 − 𝛽2
  • 59. Remarks 1) If v << c, i.e., β ≈ 0 and 𝛾 ≈ 1, we see these equations reduce to the familiar Galilean transformation. 2) Space and time are now not separated. 3) For non-imaginary transformations, the frame velocity cannot exceed c. 59
  • 60. 60 Ex-04 : As measured by 𝑂, a flashbulb goes off at 𝑥 = 100𝑘𝑚, 𝑦 = 10𝑘𝑚, 𝑧 = 1𝑘𝑚 at 𝑡 = 5 × 10−4 𝑠. What are the coordinates 𝑥’, 𝑦’, 𝑧’, and t’ of this event as determined by a second observer. 𝑂’, moving relative to 𝑂 at −0.8𝑐 along the common 𝑥 − 𝑥’ axis? 𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’) 𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
  • 61. 61 Ex-05 : Suppose that a particle moves relative to 𝑂’ with a constant velocity of 𝑐/2 in the 𝑥’𝑦’ − 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒 such that its trajectory makes an angle of 60° with the 𝑥’ − 𝑎𝑥𝑖𝑠. If the velocity of 𝑂’ with respect to 𝑂 is 0.6𝑐 along the 𝑥 − 𝑥’ 𝑎𝑥𝑖𝑠, find the equation of motion of the particle as determined by 𝑂. 𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’) 𝑥′ 𝑥𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
  • 62. 𝐴’ 𝐵’ 62 Ex-06 : A train ½ mile long (as measured by an observer on the train) is traveling at a speed of 100 mi/hr. Two lightning bolts strike the ends of the train simultaneously as determined by an observer on the ground. What is the time separation as measured by an observer on the train? 𝐴 𝐵
  • 63. 63 Ex-07 : Observer 𝑂 notes that two events are separated in space and time by 600 m and 8 × 10−7 s. How fast must an observer 𝑂’ be moving relative to 𝑂 in order that the events be simultaneous to 𝑂’? 𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’) 𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧) 𝑡’1 𝑡’2 𝑡1 𝑡2
  • 64. 64 2.5: Time Dilation and Length Contraction • Time Dilation : Clocks in K’ run slow with respect to stationary clocks in K. • Length Contraction : Lengths in K’ are contracted with respect to the same lengths stationary in K. Consequences of the Lorentz Transformation:
  • 65. 65 Time Dilation To understand time dilation the idea of proper time must be understood : • The term proper time ,T0 , is the time difference between two events occurring at the same position in a system as measured by a clock at that position. Same location
  • 66. 66 Time Dilation Not Proper Time Beginning and ending of the event occur at different positions
  • 67. Mary 𝑣 K’ Melinda 𝑥′1𝑥′2 𝑡′1𝑡′2 67 Frank’s clock is at the same position in system K when the sparkler is lit in (a) and when it goes out in (b). Mary, in the moving system K’, is beside the sparkler at (a). Melinda then moves into the position where and when the sparkler extinguishes at (b). Thus, Melinda, at the new position, measures the time in system K’ when the sparkler goes out in Time Dilation K Frank 𝑥1, 𝑥2 𝑡1𝑡2
  • 68. 68 According to Mary and Melinda… 𝑡′2 − 𝑡′1 = 𝑡2 − 𝑡1 𝑡 − 𝑣 𝑐2 𝑥2 − 𝑥1 1 − 𝑣2 𝑐2 • Mary and Melinda measure the two times for the sparkler to be lit and to go out in system K’ as times t’1 and t’2 so that by the Lorentz transformation: • Note here that Frank records 𝒙 𝟐 − 𝒙 𝟏 = 𝟎 in K with a proper time: 𝑻 𝟎 = 𝒕 𝟐 − 𝒕 𝟏 or with 𝑇′ = 𝒕′ 𝟐 − 𝒕′ 𝟏 𝑇′ = 𝑇0 1 − 𝑣2 𝑐2 = 𝛾𝑇0
  • 69. 69 Time Dilation 1) T ’ > T0 or the time measured between two events at different positions is greater than the time between the same events at one position: time dilation. 2) The events do not occur at the same space and time coordinates in the two system 3) System K requires 1 clock and K’ requires 2 clocks.
  • 70. 2.7:ExperimentalVerification Figure 2.18: The number of muons detected with speeds near 0.98c is much different (a) on top of a mountain than (b) at sea level, because of the muon’s decay. The experimental result agrees with our time dilation equation. Time Dilation and Muon Decay • At 2000m, we detect 1000 muons in period t0 traveling at speed near 0.98c. • At sea level, we detect only 542 muons in the same time period t0 traveling at speed near 0.98c. A B
  • 71. 71 Atomic Clock Measurement Figure 2.20: Two airplanes took off (at different times) from Washington, D.C., where the U.S. Naval Observatory is located. The airplanes traveled east and west around Earth as it rotated. Atomic clocks on the airplanes were compared with similar clocks kept at the observatory to show that the moving clocks in the airplanes ran slower.
  • 72. 72 2.8: Twin Paradox The Set-up Twins Mary and Frank at age 30 decide on two career paths: Mary decides to become an astronaut and to leave on a trip 8 lightyears (ly) from the Earth at a great speed and to return; Frank decides to reside on the Earth. The Problem Upon Mary’s return, Frank reasons that her clocks measuring her age must run slow. As such, she will return younger. However, Mary claims that it is Frank who is moving and consequently his clocks must run slow. The Paradox Who is younger upon Mary’s return?
  • 73. 73 Ex-8 : The average lifetime of μ − 𝑚𝑒𝑠𝑜𝑛𝑠 with a speed of 0.95𝑐 is measured to be 6 × 10−6 𝑠. Compute the average lifetime of μ − 𝑚𝑒𝑠𝑜𝑛𝑠 in a system in which they are at rest. 𝑥𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) μ 𝑥′ 𝑂′(𝑥′, 𝑦′, 𝑧′, 𝑡′)
  • 74. 74 Ex-9: An airplane is moving with respect to the earth with a speed of 600 m/s. As determined by earth clocks, how long will it take for the airplane’s clock to fall behind by two microseconds?
  • 75. 75 Length Contraction To understand length contraction the idea of proper length must be understood : • Let an observer in each system K and K’ have a meter stick at rest in their own system such that each measure the same length at rest. • The length as measured at rest is called the proper length.
  • 76. 76 Length Contraction K 𝑥′ 𝑣K’ 𝑥 𝑥′ = 𝑥 − 𝑣𝑡 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑥′ = 𝑥 − 𝑣𝑡 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 77. 77 What Frank and Mary see… Each observer lays the stick down along his or her respective x axis, putting the left end at 𝑥1 (or 𝑥′1) and the right end at 𝑥2 (or 𝑥′2). •Thus, in system K, Frank measures his stick to be : •Similarly, in system K’, Mary measures her stick at rest to be : 𝐿 = 𝑥2 − 𝑥1 𝐿′ = 𝑥′2 − 𝑥′1
  • 78. 78 What Frank and Mary measure • Where both ends of the stick must be measured simultaneously, i.e, 𝑡2 = 𝑡1 • Here Mary’s proper length is 𝐿0 = 𝑥′2 − 𝑥′ 1 • and Frank’s measured length is 𝐿 = 𝑥2 − 𝑥1 Frank in his rest frame measures the moving length in Mary’s frame moving with velocity. • Thus using the Lorentz transformations Frank measures the length of the stick in K’ as: 𝑥′2 − 𝑥′ 1 = 𝑥2 − 𝑥1 − 𝑣 𝑡2 − 𝑡1 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 79. 79 Frank’s measurement So Frank measures the moving length as 𝐿 given by but since both Mary and Frank in their respective frames measure 𝐿′0 = 𝐿0 and 𝐿0 > 𝐿, i.e. the moving stick shrinks. 𝐿0 = 𝐿 1 − 𝑣2 𝑐2 = 𝛾𝐿 𝐿 = 𝐿0 1 − 𝑣2 𝑐2 = 𝐿0 𝛾
  • 80. 80 Ex-10 : How fast does a rocket ship have to go for its length to 99% of its rest length? 𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’) 𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
  • 81. 81 Ex-11 : Calculate the Lorentz contraction of the earth’s diameter as measured by an observer 𝑂’ who is stationary with respect to sun. Orbital velocity of Earth 3 x 104 m/s 𝑂′(𝑥’, 𝑦’, 𝑧’) 𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧) Diameter of the Earth as 7920 mi
  • 82. 82 Ex-12 : A meterstick makes an angle of 30° with respect to the 𝑥’ − 𝑎𝑥𝑖𝑠 of 𝑂’. What must be the value of 𝑣 if the meterstick makes an angle of 45° with respect to the 𝑥 − 𝑎𝑥𝑖𝑠 of 𝑂? 𝑥𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧) 𝑦′ 𝑦
  • 83. 𝑥′ 𝑂′(𝑥′, 𝑦′, 𝑧′) 83 Ex-13 : A cube has a (proper) volume of 1000 𝑐𝑚3 . Find the volume as determined by an observer 𝑂’ who moves at a velocity of 0.8𝑐 relative to the cube in a direction parallel to one edge. 𝑥 𝑂(𝑥, 𝑦, 𝑧)
  • 84. 84 2.6 : Addition of Velocities • Taking differentials of the Lorentz transformation, relative velocities may be calculated : 𝑥′ = 𝑥 − 𝑣𝑡 1 − 𝑣2 𝑐2 Takingdifferentialsofthe Lorentztransformation 𝑑𝑥′ = 𝑑𝑥 − 𝑣𝑑𝑡 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑦′ = 𝑦 𝑑𝑦′ = 𝑑𝑦 𝑧′ = 𝑧 𝑑𝑧′ = 𝑑𝑧 𝑡′ = 𝑡 − 𝑣𝑥 𝑐2 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑑𝑡′ = 𝑑𝑡 − 𝑣 𝑐2 𝑑𝑥 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 85. So that… 85 defining velocities as : 𝑢′ 𝑥 = 𝑑𝑥′ 𝑑𝑡′, 𝑢′ 𝑦 = 𝑑𝑦′ 𝑑𝑡′, 𝑢′ 𝑧 = 𝑑𝑧′ 𝑑𝑡′, etc. it is easily shown that : 𝑢′ 𝑥 = 𝑑𝑥′ 𝑑𝑡′ = 𝑢 𝑥 − 𝑣 1 − 𝑣 𝑐2 𝑢 𝑥 𝑢′ 𝑦 = 𝑑𝑦′ 𝑑𝑡′ = 𝑢 𝑦 𝛾 1 − 𝑣 𝑐2 𝑢 𝑥 𝑢′ 𝑧 = 𝑑𝑧′ 𝑑𝑡′ = 𝑢 𝑧 𝛾 1 − 𝑣 𝑐2 𝑢 𝑥 1 2 3
  • 86. 86 2.6 : Addition of Velocities • Taking differentials of the Lorentz transformation, relative velocities may be calculated : 𝑥 = 𝑥′ + 𝑣𝑡′ 1 − 𝑣2 𝑐2 Takingdifferentialsofthe Lorentztransformation 𝑑𝑥 = 𝑑𝑥′ + 𝑣𝑑𝑡′ 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑦 = 𝑦′ 𝑑𝑦 = 𝑑𝑦′ 𝑧 = 𝑧′ 𝑑𝑧 = 𝑑𝑧′ 𝑡 = 𝑡′ + 𝑣 𝑐2 𝑥′ 1 − 𝑣2 𝑐2 𝑑𝑡 = 𝑑𝑡′ + 𝑣 𝑐2 𝑑𝑥′ 1 − 𝑣2 𝑐2
  • 87. So that… 87 defining velocities as : 𝑢 𝑥 = 𝑑𝑥 𝑑𝑡, 𝑢 𝑦 = 𝑑𝑦 𝑑𝑡, 𝑢 𝑧 = 𝑑𝑧 𝑑𝑡, etc. it is easily shown that : 𝑢 𝑥 = 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = 𝑢′ 𝑥 + 𝑣 1 + 𝑣 𝑐2 𝑢′ 𝑥 𝑢 𝑦 = 𝑑𝑦 𝑑𝑡 = 𝑢′ 𝑦 𝛾 1 + 𝑣 𝑐2 𝑢′ 𝑥 𝑢 𝑧 = 𝑑𝑧 𝑑𝑡 = 𝑢′ 𝑧 𝛾 1 + 𝑣 𝑐2 𝑢′ 𝑥 1 2 3
  • 88. 88 The Resolution 1) Frank’s clock is in an inertial system during the entire trip; however, Mary’s clock is not. As long as Mary is traveling at constant speed away from Frank, both of them can argue that the other twin is aging less rapidly. 2) When Mary slows down to turn around, she leaves her original inertial system and eventually returns in a completely different inertial system. 3) Mary’s claim is no longer valid, because she does not remain in the same inertial system. There is also no doubt as to who is in the inertial system. Frank feels no acceleration during Mary’s entire trip, but Mary does.
  • 89. 89 Ex-14 : Rocket A travels to the right and rocket B travels to the left, with velocities 0.8c and 0.6c, respectively, relative to the earth. What is the velocity of rocket A measured from rocket B ? 𝐴𝐵
  • 90. 90 Ex-15 : Repeat Ex-14: If rocket A travels with a velocity of 0.8𝑐 in the + 𝑦 − 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 relative to the earth.(Rocket B stills travels in the – 𝑥 − 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛) 𝐵 𝐴
  • 91. 91 Ex-16 : A particle moves with a speed of 0.8𝑐 at an angle of 30o to the 𝑥 − 𝑎𝑥𝑖𝑠, as determined by 𝑂. What is the velocity of the particle as determined by a second observer, 𝑂’, moving with a speed of − 0.6𝑐 along the common 𝑥 − 𝑥’ 𝑎𝑥𝑖𝑠 ? 𝑂’ 𝑂 𝑂′
  • 92. 92 2.9: Spacetime • When describing events in relativity, it is convenient to represent events on a spacetime diagram. • In this diagram one spatial coordinate x, to specify position, is used and instead of time t, ct is used as the other coordinate so that both coordinates will have dimensions of length. • Spacetime diagrams were first used by H. Minkowski in 1908 and are often called Minkowski diagrams. Paths in Minkowski spacetime are called worldlines.
  • 93. 93 Spacetime Diagram Figure 2.21 : A spacetime diagram is used to specify events. The worldline denoting the path from event A to event B is shown. 𝑐𝑡 𝑥 𝑐𝑡 𝐵 𝑐𝑡 𝐴 𝐵(𝑥 𝐵, 𝑐𝑡 𝐵) 0 World line 𝐴(𝑥 𝐴, 𝑐𝑡 𝐴)
  • 94. 94 Particular Worldlines 𝑐𝑡 𝑥 0 Spaceship Light signal 𝑣 𝑐 Figure 2.22 : A light signal has the slope of 45° on a spacetime diagram. A spaceship moving along the x axis with speed v is a straight line on the spacetime diagram with a slope c/v.
  • 95. 95 Worldlines and Time Figure 2.23 : Clocks positioned at 𝑥1 and 𝑥2 can be synchronized by sending a light signal from a position 𝑥3 halfway between. The light signals intercept the worldlines of 𝑥1 and 𝑥2 at the same time t. 𝑐𝑡 𝑥 0 𝑐𝑡 Light Light 𝑥1 𝑥3𝑥2 𝑡 𝑡
  • 96. 96 Worldlines and Time Figure 2.23 : If the positions 𝑥1(= 𝑥’1) and 𝑥2(= 𝑥’2) of the previous figure are on a moving system 𝐾’ when the flashbulb goes off, the times will not appear simultaneously in system 𝐾, because the worldlines for 𝑥’1 and 𝑥’2 are slanted. 𝑐𝑡 𝑥 0 Light Light 𝑥1 𝑥3𝑥2 𝑡2𝑡1 𝑐𝑡1 𝑐𝑡2 𝑣 𝑣
  • 97. 97 The Light Cone 𝑐𝑡 𝑥 Future Present Elsewhere Past 𝑐𝑡 𝑥 Future Present Elsewhere Past 𝑦𝐴 𝐵 (𝑎) (𝑏)
  • 98. 98 Spacetime Interval • Since all observers “see” the same speed of light, then all observers, regardless of their velocities, must see spherical wave fronts. 𝑠2 = 𝑥2 − 𝑐2 𝑡2 = 𝑥′ 2 − 𝑐2 𝑡′ 2 = 𝑠′ 2 𝑐𝑡 𝑥 𝑐𝑡 𝑐𝑡′ 𝑥′ 𝑐𝑡′
  • 99. 99 • If we consider two events, we can determine the quantity Δs2 between the two events, and we find that it is invariant in any inertial frame. The quantity Δs is known as the spacetime interval between two events. Spacetime Interval
  • 100. 100 There are three possibilities for the invariant quantity Δs2: 1) Δs2 = 0 : Δx2 = c2 Δt2, and the two events can be connected only by a light signal. The events are said to have a lightlike separation. 2) Δs2 > 0 : Δx2 > c2 Δt2, and no signal can travel fast enough to connect the two events. The events are not causally connected and are said to have a spacelike separation. 3) Δs2 < 0 : Δx2 < c2 Δt2, and the two events can be causally connected. The interval is said to be timelike. Spacetime Interval
  • 101. 101 2.10: The Doppler Effect • The Doppler effect of sound in introductory physics is represented by an increased frequency of sound as a source such as a train (with whistle blowing) approaches a receiver (our eardrum) and a decreased frequency as the source recedes. • Also, the same change in sound frequency occurs when the source is fixed and the receiver is moving. The change in frequency of the sound wave depends on whether the source or receiver is moving. • On first thought it seems that the Doppler effect in sound violates the principle of relativity, until we realize that there is in fact a special frame for sound waves. Sound waves depend on media such as air, water, or a steel plate in order to propagate; however, light does not!
  • 103. 103 The Relativistic Doppler Effect Consider a source of light (for example, a star) and a receiver (an astronomer) approaching one another with a relative velocity v. 1) Consider the receiver in system K and the light source in system K’ moving toward the receiver with velocity v. 2) The source emits n waves during the time interval T. 3) Because the speed of light is always c and the source is moving with velocity v, the total distance between the front and rear of the wave transmitted during the time interval T is : Length of wave train = cT − vT
  • 104. 104 The Relativistic Doppler Effect : Source and Receiver Approaching 𝑣 𝜆 = 𝑐𝑇 − 𝑣𝑇 𝑛 • Because there are n waves, the wavelength is given by 𝑐 𝒗𝑻 𝒄𝑻 𝒄𝑻 − 𝒗𝑻 ∗ 𝑝𝑎𝑡ℎ 𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 = 𝑛𝜆 ∗ (𝑠𝑎𝑚𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛𝜆)
  • 105. 105 • And the resulting frequency is (form 𝑣 = 𝑓𝜆) 𝑓 = 𝑐𝑛 𝑐𝑇 − 𝑣𝑇 The Relativistic Doppler Effect : Source and Receiver Approaching 𝑣 𝑐 o In this frame : 𝑓0 = 𝑛 𝑇0 and 𝑇0 = 𝑇 𝛾 𝑓 = 𝑐𝑓0 𝑇/𝛾 𝑐𝑇 − 𝑣𝑇 Thus : 𝑓 = 1 1 − 𝑣/𝑐 𝑓0 𝛾 = 1 − 𝑣2/𝑐2 1 − 𝑣/𝑐 𝑓0
  • 106. 106 • With β = v / c the resulting frequency is given by : The Relativistic Doppler Effect : Source and Receiver Approaching 𝑓 = 1 + 𝛽 1 − 𝛽 𝑓0 𝑣 𝑐 (source and receiver approaching)
  • 107. 107 The Relativistic Doppler Effect : Source and Receiver Receding 𝑣 𝜆 = 𝑐𝑇 + 𝑣𝑇 𝑛 • Because there are n waves, the wavelength is given by 𝒗𝑻 𝒄𝑻 𝒄𝑻 + 𝒗𝑻 ∗ 𝑝𝑎𝑡ℎ 𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 = 𝑛𝜆 ∗ (𝑠𝑎𝑚𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛𝜆) 𝑐
  • 108. 108 • In a similar manner, it is found that : The Relativistic Doppler Effect : Source and Receiver Receding 𝑓 = 1 − 𝛽 1 + 𝛽 𝑓0 (source and receiver receding) 𝑣 𝑐
  • 109. 109 The Relativistic Doppler Effect • If we agree to use a + sign for β (+v/c) when the source and receiver are approaching • If we agree to use a – sign for β (–v/c) when they are receding 𝑓 = 1 + 𝛽 1 − 𝛽 𝑓0𝑓 = 1 − 𝛽 1 + 𝛽 𝑓0
  • 110. 110 2.11: Relativistic Momentum Because physicists believe that the conservation of momentum is fundamental, we begin by considering collisions where there do not exist external forces and 𝑑 𝑝 𝑑𝑡 = 𝐹𝑒𝑥𝑡 = 0𝐹 𝐴 𝐹 𝐵 Newton’s first law (law of inertia) : An object in motion with a constant velocity will continue in motion unless acted upon by some net external force.
  • 111. 𝑣 111 • To see how the classical form p = mu fails and to determine the correct relativistic definition of p, consider the case of an inelastic collision Relativistic Momentum 𝑥′𝑥 𝑣 𝑚1 𝑢1 𝑚 2 −𝑢 2 𝑚1 𝑚 2 𝑚′1 𝑢′1 𝑚′ 2 −𝑢′ 2 𝑚1 𝑚 2𝑆′𝑆 Before After Before After
  • 112. 112 Relativistic Momentum • Rather than abandon the conservation of linear momentum, let us look for a modification of the definition of linear momentum that preserves both it and Newton’s second law. • To do so requires reexamining mass to conclude that : 𝛾 = 1 1−𝛽2 and 𝛽 = 𝑣/𝑐 𝑝 = 𝑚 𝑣 = 𝛾𝑚0 𝑣 : Relativistic momentum
  • 113. 113 Relativistic Momentum  Some physicists like to refer to the mass in Equation (2.48) as the rest mass m0 and call the term m = γm0 the relativistic mass. In this manner the classical form of momentum, m, is retained. The mass is then imagined to increase at high speeds.  Most physicists prefer to keep the concept of mass as an invariant, intrinsic property of an object. We adopt this latter approach and will use the term mass exclusively to mean rest mass. Although we may use the terms mass and rest mass synonymously, we will not use the term relativistic mass. The use of relativistic mass to often leads the student into mistakenly inserting the term into classical expressions where it does not apply.
  • 114. 114 2.12 : Relativistic Energy • Due to the new idea of relativistic mass, we must now redefine the concepts of work and energy. • Therefore, we modify Newton’s second law to include our new definition of linear momentum, and force becomes: 𝐹 = 𝑑 𝑝 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 𝛾𝑚0 𝑣 𝑊 = 0 𝑥 𝐹 𝑑 𝑥
  • 115. 115 Momentum and Energy (continued) 𝑝2 𝑐2 = 𝐸2 − 𝐸0 2 • The first term on the right-hand side is just E2, and the second term is E0 2. The last equation becomes • We rearrange this last equation to find the result we are seeking, a relation between energy and momentum. 𝐸2 = 𝑝2 𝑐2 + 𝐸0 2 𝐸2 = 𝑝2 𝑐2 + 𝑚0 2 𝑐4 • Equation is a useful result to relate the total energy of a particle with its momentum. The quantities (E2 – p2c2) and m are invariant quantities. Note that when a particle’s velocity is zero and it has no momentum, Equation correctly gives E0 as the particle’s total energy.
  • 116. 116 2.13 : Computations in Modern Physics • We were taught in introductory physics that the international system of units is preferable when doing calculations in science and engineering. • In modern physics a somewhat different, more convenient set of units is often used. • The smallness of quantities often used in modern physics suggests some practical changes.
  • 117. 117 Units of Work and Energy • Recall that the work done in accelerating a charge through a potential difference is given by W = qV. • For a proton, with the charge e = 1.602 × 10−19 C being accelerated across a potential difference of 1 V, the work done is W = (1.602 × 10−19)(1 V) = 1.602 × 10−19 J
  • 118. 118 The Electron Volt (eV) • The work done to accelerate the proton across a potential difference of 1 V could also be written as W = (1 e)(1 V) = 1 eV • Thus eV, pronounced “electron volt,” is also a unit of energy. It is related to the SI (Système International) unit joule by the 2 previous equations. 1 eV = 1.602 × 10−19 J
  • 119. Other Units 1) Rest energy of a particle: Example: E0 (proton) 2) Atomic mass unit (amu): Example: carbon-12 119 Mass (12C atom) Mass (12C atom)
  • 120. 120 Ex-17 : A star is receding from the earth at speed of 5 x 10-3 c . What is the wavelength shift for the sodium D2 line (5890 A)?
  • 121. 121 Ex-18 : Suppose that the Doppler shift in the sodium D2 line (5890 A) is 100 A when the light is observed from a distant star. Determine the star’s velocity of recession.
  • 122. 122 Ex-19 : A man in a rocket ship moving with a speed of 0.6c away from a space platform shines a light of wavelength 5000 A toward the platform. What is the frequency of the light as seen by an observer on the platform.
  • 124. 124 Ex-23 : From the rest masses listed in the Appendix calculate the rest energy of an electron in joules and electron-volts.
  • 125. 125 Ex-24 : A body at rest spontaneously breaks up into two part which move in opposite directions. The part have rest masses of 3 kg and 5.33 kg and respective speeds of 0.8c and 0.6c . Find the rest mass of the original body.
  • 126. 126 Ex-25 : What is the speed of an electron that is accelerated through a potential difference of 105 V?
  • 127. 127 Ex-26 : Calculate the momentum of 1 MeV electron.
  • 128. 128 Ex-27 : Calculate the kinetic energy of an electron whose momentum is 2 MeV/c.
  • 129. 129 Ex-28 : Calculate the velocity of a electron whose kinetic energy is 2 MeV.
  • 130. 130 Ex-29 : Calculate the velocity of a electron whose kinetic energy is 2 MeV.
  • 131. 131 Ex-29 : Calculate the momentum of an electron whose velocity is 0.8c.
  • 132. 132 Ex-30 : Compute the effective mass of a 5000 A photon.
  • 133. Binding Energy • The equivalence of mass and energy becomes apparent when we study the binding energy of systems like atoms and nuclei that are formed from individual particles. • The potential energy associated with the force keeping the system together is called the binding energy EB. 133
  • 134. Binding EnergyThe binding energy is the difference between the rest energy of the individual particles and the rest energy of the combined bound system. 134
  • 135. Electromagnetism and Relativity • Einstein was convinced that magnetic fields appeared as electric fields observed in another inertial frame. That conclusion is the key to electromagnetism and relativity. • Einstein’s belief that Maxwell’s equations describe electromagnetism in any inertial frame was the key that led Einstein to the Lorentz transformations. • Maxwell’s assertion that all electromagnetic waves travel at the speed of light and Einstein’s postulate that the speed of light is invariant in all inertial frames seem intimately connected. 135

Notes de l'éditeur

  1. มันจะสันนิษฐานว่ากฎหมายของนิวตันของการเคลื่อนไหวจะต้องวัดด้วยความเคารพ (เทียบกับ) กรอบอ้างอิงบาง
  2. มันจะสันนิษฐานว่ากฎหมายของนิวตันของการเคลื่อนไหวจะต้องวัดด้วยความเคารพ (เทียบกับ) กรอบอ้างอิงบาง
  3. กรอบอ้างอิงที่เรียกว่ากรอบเฉื่อยถ้ากฎหมายของนิวตันมีความถูกต้องอยู่ในกรอบที่ เช่นกรอบมีการจัดตั้งขึ้นเมื่อร่างกายไม่ยัดเยียดให้แรงภายนอกสุทธิเป็นที่สังเกตที่จะย้ายในการเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงที่ความเร็วคงที่
  4. หากกฎหมายของนิวตันมีความถูกต้องในกรอบอ้างอิงหนึ่งแล้วพวกเขายังถูกต้องในกรอบอ้างอิงอื่นที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สม่ำเสมอเมื่อเทียบกับระบบแรก นี้จะเรียกว่าเป็นหลักการของนิวตันของทฤษฎีสัมพัทธหรือไม่แปรเปลี่ยนของกาลิเลโอ
  5. ผู้โดยสารในรถไฟเคลื่อนที่ 30/s ผ่านชายคนหนึ่งยืนบนแพลตฟอร์มสถานีที่ t = t' = 0 20 วินาทีหลังจากที่รถไฟผ่านเขา คนบนแพลตฟอร์มกำหนดที่นกบินเป็นพร้อมแทร็คในทิศทางเดียวกันเป็นรถไฟเป็น 800 ไป พิกัดของนกโดยสารคืออะไร? 
  6. อ้างถึง Ex-01 ห้าวินาทีหลังจากการวัดครั้งแรกประสานงานคนแพลตฟอร์มจะเป็นตัวกำหนดว่านกเป็น 850 เมตร จากข้อมูลเหล่านี้พบว่าความเร็วของนก (สันนิษฐานว่าคงที่) ตามที่กำหนดโดยคนที่อยู่บนเวทีและโดยผู้โดยสารบนรถไฟ
  7. ตัวอย่างของวัสดุกัมมันตรังสีที่เหลือในห้องปฏิบัติการสำรอกสองอิเล็กตรอนในทิศทางตรงข้าม หนึ่งของอิเล็กตรอนมีความเร็วของ 0.6c และอื่น ๆ ที่มีความเร็วในการ 0.7c ที่วัดจากการสังเกตการณ์ในห้องทดลอง ตามการเปลี่ยนแปลงความเร็วคลาสสิกสิ่งที่จะเป็นความเร็วของอิเล็กตรอนที่วัดจากที่อื่นหรือไม่
  8. ลักษณะคลื่นของแสงบอกว่ามีอยู่กลางการขยายพันธุ์ที่เรียกว่าอีเธอร์เปล่งแสงหรือเพียงแค่อีเธอร์ อีเธอร์จะต้องมีเช่นความหนาแน่นต่ำว่าดาวเคราะห์สามารถย้ายผ่านมันโดยไม่สูญเสียพลังงาน นอกจากนี้ยังจะต้องมีความยืดหยุ่นเพื่อรองรับความเร็วสูงของคลื่นแสง
  9. ลักษณะคลื่นของแสงบอกว่ามีอยู่กลางการขยายพันธุ์ที่เรียกว่าอีเธอร์เปล่งแสงหรือเพียงแค่อีเธอร์ อีเธอร์จะต้องมีเช่นความหนาแน่นต่ำว่าดาวเคราะห์สามารถย้ายผ่านมันโดยไม่สูญเสียพลังงาน นอกจากนี้ยังจะต้องมีความยืดหยุ่นเพื่อรองรับความเร็วสูงของคลื่นแสง
  10. อีเธอร์ได้รับการเสนอให้เป็นระบบอ้างอิงที่แน่นอนในการที่ความเร็วของแสงเป็นแบบนี้อย่างต่อเนื่องและจากที่วัดอื่น ๆ อาจจะทำให้ การทดลองที่ไมเคิลมอร์ลี่ย์-เป็นความพยายามที่จะแสดงให้เห็นการดำรงอยู่ของอีเธอร์
  11. อัลเบิร์ไมเคิล (1852-1931) เป็นพลเมืองสหรัฐฯแรกที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ (1907) และสร้างอุปกรณ์ที่แม่นยำมากเรียกว่าสันที่จะวัดความแตกต่างของเฟสนาทีระหว่างสองคลื่นแสงเดินทางในทิศทางที่ตั้งฉากกัน
  12. 1 AC ขนานกับการเคลื่อนไหวของโลกทำให้เกิด "ลมอีเทอร์" ?? 2 แสงจากแหล่งที่มา S ถูกแบ่งโดยกระจกและเดินทางไปยังกระจก C และ D ในทิศทางที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน ?? 3 หลังจากที่สะท้อนลำแสง recombine ที่เล็กน้อยออกจากขั้นตอนเนื่องจาก "ลมอีเธอร์" ที่ดูได้โดยกล้องโทรทรรศน์อี
  13. Upon rotating the apparatus, the optical path lengths ℓ1 and ℓ2 are interchanged producing a different change in time : (note the change in denominators)
  14. Upon rotating the apparatus, the optical path lengths ℓ1 and ℓ2 are interchanged producing a different change in time : (note the change in denominators)
  15. Upon rotating the apparatus, the optical path lengths ℓ1 and ℓ2 are interchanged producing a different change in time : (note the change in denominators)
  16. แม้ว่าจำนวนน้อยมากมันก็อยู่ในช่วงการทดลองวัดคลื่นแสง
  17. ไมเคิลสังเกตเห็นว่าเขาควรจะสามารถที่จะตรวจสอบการเปลี่ยนเฟสของแสงอันเนื่องมาจากความแตกต่างเวลาระหว่างความยาวของเส้นทาง แต่ก็พบว่าไม่มี เขาจึงสรุปได้ว่าสมมติฐานของอีเธอร์นิ่งจะต้องไม่ถูกต้อง หลังจากที่ซ้ำ ๆ และการกลั่นกรองด้วยความช่วยเหลือจากเอ็ดเวิร์ดมอร์ลี่ย์ (1893-1923) อีกครั้งผลเป็นโมฆะ ดังนั้นอีเธอดูเหมือนจะไม่อยู่!
  18. คำอธิบายมากมายถูกเสนอ แต่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือสมมติฐานลากอีเทอร์ สมมติฐานนี้ชี้ให้เห็นว่าโลกอย่างใด "ลาก" อีเธอร์พร้อมที่จะหมุนรอบตัวเองและหมุนเกี่ยวกับดวงอาทิตย์ นี้ได้รับการขัดแย้ง abberation ตัวเอกซึ่งกล้องโทรทรรศน์จะต้องเอียงที่จะสังเกตเห็นแสงดาวอันเนื่องมาจากการเคลื่อนไหวของโลก หากอีเทอร์ถูกลากไปตามการเอียงนี้จะไม่อยู่
  19. สมมติฐานที่เสนอโดยอิสระโดยทั้งฮาลอเรนและจีเอฟฟิตซ์เจอรัลด์ก็ชี้ให้เห็นว่าℓ1ความยาวในทิศทางของการเคลื่อนไหวเป็นตัวโดยปัจจัยที่ ... จึงทำให้เส้นทางความยาวเท่ากันในการบัญชีสำหรับการปรับเปลี่ยนขั้นตอนการเป็นศูนย์ นี้ แต่เป็นข้อสันนิษฐานเฉพาะกิจที่ไม่สามารถผ่านการทดสอบทดลอง
  20. ไอสไตน์ (1879-1955) เป็นเพียงสองปีเมื่อไมเคิลรายงานการวัด null ครั้งแรกของเขาสำหรับการดำรงอยู่ของอีเธอร์ ตอนอายุ 16 ไอสไตน์ เริ่มคิดเกี่ยวกับรูปแบบของสมการแมกซ์เวลในการย้ายระบบเฉื่อย ในปี 1905 ตอนอายุ 26 เขาตีพิมพ์ข้อเสนอที่น่าตกใจของเขาเกี่ยวกับหลักการของสัมพัทธภาพซึ่งเขาเชื่อว่าเป็นพื้นฐาน
  21. ด้วยความเชื่อว่าสมการแมกซ์เวลจะต้องถูกต้องในกรอบเฉื่อยทั้งหมด ไอสไตน์ เสนอสมมุติฐานดังต่อไปนี้
  22. ด้วยความเชื่อว่าสมการแมกซ์เวลจะต้องถูกต้องในกรอบเฉื่อยทั้งหมด ไอสไตน์ เสนอสมมุติฐานดังต่อไปนี้
  23. ดังนั้นกับนาฬิกาตรงกันเหตุการณ์ใน K และ K 'ได้รับการพิจารณาพร้อมกัน ในฟิสิกส์ของนิวตันเราก่อนหน้านี้สันนิษฐานว่า t = t '
  24. เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นดังนั้นการพิจารณาพร้อมกันใน K อาจไม่อยู่ใน K ‘ ไอสไตน์ ตระหนักว่าแต่ละระบบจะต้องมีผู้สังเกตการณ์ของตัวเองกับนาฬิกาของตัวเองและเมตรแท่ง
  25. แฟรงก์เหลือระยะเท่ากันจากเหตุการณ์ A และ B: แฟรงก์เห็นหลอดไฟแฟลชทั้งสองออกไปพร้อมกัน
  26. แมรี่ย้ายไปทางขวาด้วยความเร็ววีสังเกตเหตุการณ์ A และ B เพื่อที่แตกต่างกัน แมรี่เห็นเหตุการณ์ B แล้ว A.
  27. สองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันในกรอบอ้างอิงหนึ่ง (K) ไม่จำเป็นต้องพร้อมกันในกรอบอ้างอิงอื่น (K ') ย้ายเกี่ยวกับกรอบแรก นี้แสดงให้เห็นว่าแต่ละระบบพิกัดมีผู้สังเกตการณ์ของตัวเองด้วย "นาฬิกา" ที่ได้รับการทำข้อมูลให้ตรงกัน ...
  28. ขั้นที่ 1: ผู้สังเกตการณ์สถานที่ที่มีนาฬิกาตลอดทั้งระบบได้รับ ขั้นที่ 2: ในระบบที่นำนาฬิกาทั้งหมดเข้าด้วยกันในสถานที่หนึ่ง ขั้นที่ 3: เปรียบเทียบการอ่านนาฬิกา ถ้าทุกอย่างของนาฬิกาตกลงแล้วนาฬิกาจะบอกว่าจะทำข้อมูลให้ตรงกัน
  29. วิธีหนึ่งคือการมีหนึ่งนาฬิกาที่แหล่งกำเนิดที่กำหนดให้ t = 0 และความก้าวหน้าของนาฬิกาแต่ละตามเวลา (D / C) ที่มีเป็นระยะทางของนาฬิกาจากจุดกำเนิด ให้แต่ละของนาฬิกาเหล่านี้จะเริ่มต้นเมื่อเวลามาถึงสัญญาณแสงจากแหล่งกำเนิด
  30. ชุดพิเศษของการแปลงเชิงเส้นที่ :   รักษาความมั่นคงของความเร็วของแสง (c) ระหว่างผู้สังเกตการณ์เฉื่อย และ บัญชีสำหรับปัญหาของพร้อมกันระหว่างผู้สังเกตการณ์เหล่านี้ หรือที่เรียกว่าสมการเปลี่ยนแปลงลอเรน
  31. ใช้ระบบคงที่ K และระบบการเคลื่อนไหว K ' ที่ t = 0 ต้นกำเนิดและแกนของระบบทั้งสองจะเหมือนกันกับระบบ K 'ย้ายไปทางขวาตามแนวแกน x หลอดไฟจะดับลงที่ต้นกำเนิดเมื่อ t = 0 ตามหลักฐานที่ 2, ความเร็วของแสงจะเป็น c ในทั้งสองระบบและหน้าคลื่นที่สังเกตได้ในทั้งสองระบบจะต้องเป็นทรงกลม
  32. หน้าคลื่นทรงกลมใน K: หน้าคลื่นทรงกลมใน K ': หมายเหตุ: การเหล่านี้ไม่ได้เก็บรักษาไว้ในแปลงคลาสสิกกับ
  33. ถ้า v << c คือ β≈≈ 0 และ 1 เราจะเห็นสมการเหล่านี้ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอที่คุ้นเคย พื้นที่และเวลาในขณะนี้ไม่ได้แยกออกจากกัน สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ได้จินตนาการความเร็วกรอบไม่เกินค
  34. เป็นวัดโดย O, หลอดไฟจะดับลงที่ x = 100km, y = 10km, Z = 1 กิโลเมตรที่ t = 5 × 10 ^ -4 S อะไรคือพิกัด x ', y', Z 'และ t' จากเหตุการณ์ครั้งนี้ตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สอง O 'ย้ายเทียบกับ O ที่ -0.8c พร้อมกัน x-x' แกน?
  35. สมมติว่าอนุภาคเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับ O 'ด้วยความเร็วคงที่ของ c/2 x'y' เครื่องบินดังกล่าวว่าวิถีของมันทำให้มุมของ 60 กับ X' แกน ถ้าความเร็วของ O 'ที่เกี่ยวกับ O เป็น 0.6c พร้อม x-x' แกนหาสมการของการเคลื่อนที่ของอนุภาคตามที่กำหนดโดยทุม
  36. รถไฟ½ไมล์ยาว (วัดจากผู้สังเกตการณ์บนรถไฟ) จะเดินทางด้วยความเร็ว 100 ไมล์ / ชม สองสายฟ้าฟาดปลายของรถไฟพร้อมกันตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์บนพื้นดิน ระยะเวลาที่แยกเป็นวัดโดยผู้สังเกตการณ์บนรถไฟคืออะไร?
  37. O สังเกตการณ์ตั้งข้อสังเกตว่าทั้งสองเหตุการณ์จะถูกแยกออกในพื้นที่และเวลา 600 เมตรและ 8 × 10 ^ -7 S วิธีที่รวดเร็ว O สังเกตการณ์ต้อง 'จะเคลื่อนเทียบกับ O เพื่อให้เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันเป็น O'?
  38. การขยายเวลา: นาฬิกาใน K 'ทำงานช้าเกี่ยวกับนาฬิกานิ่งใน K. ความยาวหด: ความยาวใน K 'มีสัญญาเกี่ยวกับการเขียนยาวเหมือนกันในเค
  39. เพื่อให้เข้าใจการขยายเวลาความคิดของเวลาที่เหมาะสมจะต้องเข้าใจ: เวลาที่เหมาะสมในระยะยาว T0 เป็นเวลาที่แตกต่างระหว่างทั้งสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่งเดียวกันในระบบเป็นวัดโดยนาฬิกาที่ตำแหน่งที่
  40. เริ่มต้นและสิ้นสุดของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในตำแหน่งที่แตกต่าง
  41. นาฬิกาแฟรงก์อยู่ที่ตำแหน่งเดียวกันในระบบ K เมื่อดอกไม้เพลิงเป็นไฟใน (ก) และเมื่อมันออกไปใน (ข) แมรี่ในระบบการเคลื่อนไหว K 'อยู่ข้างดอกไม้เพลิงที่ (ก) เมลินดาแล้วย้ายเข้าไปอยู่ในตำแหน่งที่และเมื่อดอกไม้เพลิงดับที่ (ข) ดังนั้นเมลินดาที่เป็นตำแหน่งใหม่ที่วัดเวลาในระบบ K 'เมื่อดอกไม้เพลิงออกไปใน (ข)
  42. แมรี่และเมลินดาวัดครั้งที่สองสำหรับดอกไม้เพลิงที่จะสว่างขึ้นและจะออกไปในระบบ K 'เป็นครั้ง t'1 และ t'2 เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงโดยลอเรน: ทราบที่นี่ที่บันทึกแฟรงก์ x - x1 = 0 K ด้วยเวลาที่เหมาะสม: T0 = t2 - t1 หรือ กับ T '= t'2 - t'1
  43. 1) T '> T0 หรือเวลาวัดระหว่างสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่แตกต่างกันมีค่ามากกว่าเวลาระหว่างเหตุการณ์เดียวกันในหนึ่งตำแหน่ง: ขยายเวลา 2) เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไม่ได้เกิดขึ้นในพื้นที่เดียวกันและเวลาพิกัดในสองระบบ 3) ระบบ K ต้อง 1 นาฬิกาและ K 'ต้อง 2 นาฬิกา
  44. รูปที่ 2.18: จำนวนของมิวออนตรวจพบด้วยความเร็วใกล้ 0.98c คือ (ก) ที่แตกต่างกันมากในด้านบนของภูเขากว่า (ข) ที่ระดับน้ำทะเลเนื่องจากการสลาย muon ของผลการทดลองสมการเห็นด้วยกับการขยายเวลาของเรา
  45. รูปที่ 2.20: สองเครื่องบินได้เอาออก (ในเวลาที่แตกต่างกัน) จากกรุงวอชิงตันดีซีที่หอดูดาวนาวิกโยธินสหรัฐตั้งอยู่ เครื่องบินเดินทางไปทางทิศตะวันออกและทิศตะวันตกรอบโลกมันหมุน นาฬิกาอะตอมบนเครื่องบินที่ได้รับเมื่อเทียบกับนาฬิกาที่คล้ายกันเก็บไว้ที่หอดูดาวที่จะแสดงให้เห็นว่านาฬิกาเคลื่อนไปในเครื่องบินวิ่งช้าลง
  46. Set-up ฝาแฝดแมรี่และแฟรงก์ในวัย 30 ตัดสินใจในสองเส้นทางอาชีพ: แมรี่ตัดสินใจที่จะกลายเป็นนักบินอวกาศและปล่อยให้ในการเดินทาง 8 ปีแสง (เหมือน) จากโลกที่ความเร็วที่ดีเยี่ยมและจะกลับมา; แฟรงค์ตัดสินใจที่จะอาศัยอยู่บนโลก   ปัญหา เมื่อแมรี่กลับแฟรงค์เหตุผลว่านาฬิกาของเธอวัดอายุของเธอจะต้องทำงานช้า เช่นนี้เธอจะกลับมาที่มีอายุน้อยกว่า แต่แมรี่อ้างว่ามันเป็นสิ่งที่แฟรงก์ที่มีการเคลื่อนไหวและทำให้นาฬิกาของเขาต้องทำงานช้า Paradox ผู้ที่มีอายุน้อยกว่าเมื่อแมรี่กลับมา?
  47. อายุการใช้งานเฉลี่ยของMซอนกับความเร็วของ 0.95c เป็นวัดที่จะเป็น 6 x 10-6 S คำนวณอายุการใช้งานเฉลี่ยของMซอนในระบบที่พวกเขาอยู่ที่ส่วนที่เหลือ
  48. เครื่องบินมีการเคลื่อนไหวด้วยความเคารพต่อโลกด้วยความเร็ว 600 เมตร / วินาที ตามที่กำหนดโดยนาฬิกาโลกนานแค่ไหนมันจะใช้เวลาสำหรับนาฬิกาของเครื่องบินลดลงหลังสอง microseconds?
  49. เพื่อให้เข้าใจการหดระยะเวลาในความคิดของความยาวที่เหมาะสมจะต้องเข้าใจ: ให้ผู้สังเกตการณ์ใน K และ K แต่ละระบบ 'มีไม้เมตรที่เหลือในระบบของตัวเองของพวกเขาเช่นว่าแต่ละวัดความยาวเดียวกันในส่วนที่เหลือ ความยาวที่วัดส่วนที่เหลือจะเรียกว่าระยะเวลาที่เหมาะสม
  50. นาฬิกาแฟรงก์อยู่ที่ตำแหน่งเดียวกันในระบบ K เมื่อดอกไม้เพลิงเป็นไฟใน (ก) และเมื่อมันออกไปใน (ข) แมรี่ในระบบการเคลื่อนไหว K 'อยู่ข้างดอกไม้เพลิงที่ (ก) เมลินดาแล้วย้ายเข้าไปอยู่ในตำแหน่งที่และเมื่อดอกไม้เพลิงดับที่ (ข) ดังนั้นเมลินดาที่เป็นตำแหน่งใหม่ที่วัดเวลาในระบบ K 'เมื่อดอกไม้เพลิงออกไปใน (ข)
  51. แต่ละสังเกตการณ์วางติดลงไปตามแกน x ของเขาหรือเธอแต่ละวางปลายด้านซ้ายที่xℓ (หรือx'ℓ) และสิ้นสุดที่เหมาะสมใน XR (หรือ x'r) ดังนั้นในระบบ K, แฟรงก์วัดติดของเขาจะ: L0 = XR - xℓ ในทำนองเดียวกันในระบบ K 'แมรี่วัดติดของเธอที่ส่วนที่เหลือจะเป็น: L'0 = x'r - x'ℓ
  52. แฟรงก์มาตรการในกรอบของเขาส่วนที่เหลือระยะเวลาในการเคลื่อนไหวในกรอบแมรี่ย้ายด้วยความเร็ว ดังนั้นการใช้ Lorentz แปลงแฟรงก์วัดความยาวของไม้ใน K 'เป็น: ที่ปลายทั้งสองด้านของไม้ต้องวัดพร้อมกันเช่น TR = tℓ ที่นี่แมรี่ยาวที่เหมาะสมเป็น L'0 = x'r - x'ℓ และแฟรงก์ของระยะเวลาที่วัดเป็น L = XR - xℓ
  53. ดังนั้นแฟรงก์วัดความยาวที่เคลื่อนที่เป็น L ที่กำหนดโดย แต่เนื่องจากทั้งสองแมรี่และแฟรงก์ในกรอบของตนวัด L'0 = L0 และ L0> L รายการเช่นติดการเคลื่อนไหวที่ลดลง
  54. ความเร็วจะจรวดต้องไปสำหรับความยาวของมันถึง 99% ของความยาวส่วนที่เหลือได้อย่างไร
  55. คำนวณหด Lorentz ของเส้นผ่าศูนย์กลางของโลกเมื่อวัดจากผู้สังเกตการณ์ O 'ซึ่งเป็นนิ่งด้วยความเคารพต่อดวงอาทิตย์
  56. MeterStick ทำให้มุมของ 30o ด้วยความเคารพต่อ X 'แกนของ O' สิ่งที่จะต้องมีค่าของโวลต์ถ้า MeterStick ทำให้มุม 45o ด้วยความเคารพต่อแกน x ของ O?
  57. ลูกบาศก์มี (ที่เหมาะสม) ปริมาณ 1000 cm3 หาปริมาณตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ O 'ที่ย้ายที่ความเร็วของ 0.8C เทียบกับก้อนในทิศทางขนานกับขอบ
  58. การแตกต่างของการแปลงลอเรน, ความเร็วญาติอาจจะคำนวณ :
  59. การกำหนดความเร็วที่: UX = DX / dt, Uy = dy / dt, u'x = DX '/ dt', ฯลฯ มันก็แสดงให้เห็นได้ง่ายว่าด้วยความสัมพันธ์ที่คล้ายกันสำหรับ Uy และ uz:
  60. การแตกต่างของการแปลงลอเรน, ความเร็วญาติอาจจะคำนวณ :
  61. การกำหนดความเร็วที่: UX = DX / dt, Uy = dy / dt, u'x = DX '/ dt', ฯลฯ มันก็แสดงให้เห็นได้ง่ายว่าด้วยความสัมพันธ์ที่คล้ายกันสำหรับ Uy และ uz:
  62. นาฬิกาแฟรงก์อยู่ในระบบเฉื่อยในระหว่างการเดินทางทั้ง; แต่นาฬิกาแมรี่ไม่ได้ ตราบใดที่แมรี่จะเดินทางด้วยความเร็วคงที่ออกจากแฟรงก์ทั้งสองของพวกเขาสามารถยืนยันว่าคู่อื่น ๆ อายุน้อยอย่างรวดเร็ว เมื่อแมรี่ช้าลงที่จะหันไปรอบ ๆ เธอออกระบบเฉื่อยเดิมของเธอและในที่สุดก็กลับมาในระบบเฉื่อยที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง เรียกร้องแมรี่ไม่ถูกต้องเพราะเธอไม่ได้อยู่ในระบบเฉื่อยเดียวกัน นอกจากนี้ยังมีไม่ต้องสงสัยเลยว่าผู้ที่อยู่ในระบบเฉื่อย แฟรงก์รู้สึกเร่งไม่ในระหว่างการเดินทางทั้งแมรี่ แต่แมรี่ไม่
  63. จรวด A เดินทางไปทางขวาและจรวด B เดินทางไปทางซ้ายด้วยความเร็ว 0.8C และ 0.6c ตามลำดับเมื่อเทียบกับโลก ความเร็วของจรวด A วัดจากจรวด B คืออะไร?
  64. ทำซ้ำอดีต. 14: ถ้าจรวดเดินทางไปกับความเร็วของ 0.8C ใน + y-ทิศทางเทียบกับโลก (ภาพนิ่ง B จรวดเดินทางใน -x ทิศทาง)
  65. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  66. เมื่ออธิบายเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในความสัมพันธ์จะมีความสะดวกในการแสดงกิจกรรมในแผนภาพกาลอวกาศ ในแผนภาพหนึ่งพื้นที่ประสานงาน x นี้เพื่อระบุตำแหน่งที่ถูกนำมาใช้แทนของเวลา t, กะรัตจะใช้เป็นที่ประสานงานเพื่อให้พิกัดทั้งสองจะมีขนาดความยาว แผนภาพกาลอวกาศถูกนำมาใช้ครั้งแรกโดยเอชคอฟสกีในปี 1908 และมักจะเรียกว่าแผนภาพคอฟสกี เส้นทางในคอฟสกีกาลอวกาศจะถูกเรียกว่า worldlines
  67. รูปที่ 2.21 แผนภาพกาลอวกาศถูกใช้เพื่อระบุเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น Worldline แสดงถึงเส้นทางจากเหตุการณ์ A กับเหตุการณ์ B จะแสดง worldline คือลำดับของเหตุการณ์ (บอกด้วยตำแหน่งและเวลา) เช่นอาจเป็นบันทึกของ (สถานที่เกิด, เวลาเกิด) (สถานที่เรียนอนุบาล, เวลาที่เข้าเรียน) (สถานที่ไปฆ่าแฟน, เวลาที่ฆ่า) และอื่น ๆ ที่บอกประวัติของเรา  ตัวอย่างที่คุ้นเคยในฟิสิกส์คือกราฟของตำแหน่งในหนึ่งมิติและเวลา หรือกราฟ x-t นั่นเอง   worldline ต่างจากกราฟของเส้นวิถีหรือวงโคจร ตรงที่เส้นวิถีไม่มีการบอกเวลา เช่นเส้นวิถีของการเคลื่อนที่เป็นวงกลมในระนาบ x-y จะเป็นวงกลมที่ซ้ำตัวเองเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ครบรอบ แต่ worldline ของวัตถุนี้จะประกอบด้วยตำแหน่ง (x, y) และ เวลา t ณ ตำแหน่งนั้น ๆ นั่นคือเป็นกราฟ (x, y, t) ที่เป็นเกลียว (helix) ที่ไม่ซ้ำตัวเอง  ในทฤษฎีสัมพัทธภาพเรามักคูณเวลา t ด้วยอัตราเร็วแสง c เพื่อให้ปริมาณต่าง ๆ ในกราฟมีหน่วย (หรือมิติ) เดียวกัน 
  68. ตั้งแต่ผู้สังเกตการณ์ทั้งหมด "เห็น" ความเร็วเดียวกัน แสงแล้วผู้สังเกตการณ์ทุกคนโดยไม่คำนึงถึงของพวกเขา ความเร็ว, ต้องดูทรงกลมด้านคลื่น             s2 = x2 - c2t2 = (x ') 2 - c2 (t') 2 = (s ') 2
  69. ถ้าเราพิจารณาสองเหตุการณ์เราสามารถตรวจสอบปริมาณΔs2ระหว่างสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นและเราพบว่ามันคงอยู่ในกรอบเฉื่อยใด ๆ ปริมาณΔsเรียกได้ว่าเป็นช่วงเวลาที่กาลอวกาศระหว่างสองเหตุการณ์
  70. มีสามเป็นไปได้สำหรับปริมาณคงที่Δs2คือ: Δs2 = 0: Δx2 = c2 Δt2และทั้งสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นสามารถเชื่อมต่อด้วยสัญญาณแสง เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นจะกล่าวว่ามีการแยก lightlike Δs2> 0: Δx2> c2 Δt2และไม่มีสัญญาณสามารถเดินทางได้อย่างรวดเร็วพอที่จะเชื่อมต่อสองเหตุการณ์ เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไม่ได้เชื่อมต่อเหตุผลและมีการบอกว่าจะมีการแยก spacelike Δs2 <0: Δx2 <c2 Δt2และทั้งสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นสามารถเชื่อมต่อเหตุผล ช่วงเวลาที่มีการกล่าวกันว่าเป็น timelike
  71. Doppler ผลของเสียงในฟิสิกส์เบื้องต้นจะแสดงโดยเพิ่มความถี่ของเสียงที่เป็นแหล่งเช่นรถไฟ (มีการเป่านกหวีด) วิธีการรับ (แก้วหูของเรา) และความถี่ที่ลดลงเป็นแหล่งสมาธิ นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงเหมือนกันในความถี่ของเสียงเกิดขึ้นเมื่อแหล่งที่มาได้รับการแก้ไขและตัวรับสัญญาณที่มีการเคลื่อนไหว การเปลี่ยนแปลงในความถี่ของคลื่นเสียงขึ้นอยู่กับว่าแหล่งที่มาหรือรับสัญญาณที่มีการเคลื่อนไหว ที่แรกคิดว่ามันดูเหมือนว่า Doppler ผลในเสียงที่ละเมิดหลักการของทฤษฎีสัมพัทธจนกว่าเราจะรู้ว่ามีอยู่ในความเป็นจริงกรอบพิเศษสำหรับคลื่นเสียง คลื่นเสียงขึ้นอยู่กับสื่อเช่นอากาศน้ำหรือแผ่นเหล็กเพื่อที่จะเผยแพร่; แต่แสงไม่ได้!
  72. พิจารณาแหล่งที่มาของแสง (เช่นดาว) และตัวรับสัญญาณ (นักดาราศาสตร์) ใกล้เข้ามาอีกคนหนึ่งที่มีความเร็ว v ญาติ   พิจารณารับในระบบ K และแหล่งกำเนิดแสงในระบบ K 'ย้ายไปยังตัวรับสัญญาณที่มีความเร็ว v แหล่งที่มาปล่อย n คลื่นในช่วง T. ช่วงเวลา เพราะความเร็วของแสงอยู่เสมอคและแหล่งที่มีการเคลื่อนไหวด้วยความเร็ว v, รวมระยะทางระหว่างด้านหน้าและด้านหลังของคลื่นที่ส่งในช่วง T ช่วงเวลาคือ ความยาวของรถไฟคลื่น = cT - vT
  73. เพราะมี n คลื่นที่มีความยาวคลื่นจะได้รับจาก และความถี่ที่เกิดขึ้นเป็น
  74. เพราะมี n คลื่นที่มีความยาวคลื่นจะได้รับจาก และความถี่ที่เกิดขึ้นเป็น
  75. เพราะมี n คลื่นที่มีความยาวคลื่นจะได้รับจาก และความถี่ที่เกิดขึ้นเป็น
  76. เพราะมี n คลื่นที่มีความยาวคลื่นจะได้รับจาก และความถี่ที่เกิดขึ้นเป็น
  77. เพราะมี n คลื่นที่มีความยาวคลื่นจะได้รับจาก และความถี่ที่เกิดขึ้นเป็น
  78. เพราะนักฟิสิกส์เชื่อว่าการอนุรักษ์โมเมนตัมเป็นพื้นฐานเราเริ่มต้นด้วยการพิจารณาการชนที่มีไม่ได้อยู่กองกำลังภายนอกและ dP / dt = FEXT = 0
  79. แฟรงก์ (คงที่หรือระบบนิ่ง) ที่เหลือในระบบ K ถือลูกบอลมวล m แมรี่ (ระบบการเคลื่อนย้าย) ถือลูกบอลที่คล้ายกันในระบบ K ซึ่งเป็นไปในทิศทาง x ด้วยความเร็ว v เกี่ยวกับระบบ K
  80. มากกว่าที่จะละทิ้งการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นให้เรามองสำหรับการปรับเปลี่ยนของคำนิยามของโมเมนตัมเชิงเส้นที่เก็บรักษาทั้งมันและกฎข้อที่สองของนิวตัน จะทำเช่นนั้นต้องทำการทดสอบมวลที่จะสรุปว่า
  81. นักฟิสิกส์บางคนชอบที่จะอ้างถึงมวลในสมการ (2.48) ในขณะที่ส่วนที่เหลือ m0 มวลและเรียกเมตรยาว = γm0มวลความสัมพันธ์ ในลักษณะรูปแบบคลาสสิกของโมเมนตัมมนี้จะถูกเก็บไว้ มวลจะคิดแล้วว่าจะเพิ่มขึ้นที่ความเร็วสูง   นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ชอบที่จะให้แนวคิดของมวลเป็นค่าคงที่, สถานที่ให้บริการที่แท้จริงของวัตถุ เรานำมาใช้แนวทางหลังนี้และจะใช้มวลคำเฉพาะหมายถึงมวลส่วนที่เหลือ ถึงแม้ว่าเราอาจจะใช้คำมวลและส่วนที่เหลือมวล synonymously เราจะไม่ใช้มวลความสัมพันธ์ระยะยาว การใช้มวลความสัมพันธ์ที่จะมักจะนำนักเรียนเข้าสู่ผิดพลาดใส่คำที่เป็นสำนวนที่คลาสสิกที่ไม่ได้ใช้
  82. เนื่องจากความคิดใหม่ของมวลความสัมพันธ์ตอนนี้เราจะต้องกำหนดแนวความคิดของงานและพลังงาน ดังนั้นเราจึงปรับเปลี่ยนกฎข้อที่สองของนิวตันที่จะรวมความหมายใหม่ของเราของโมเมนตัมเชิงเส้นและกำลังจะกลายเป็น:
  83. ในระยะแรกที่อยู่ทางด้านขวามือเป็นเพียง E2 และระยะที่สองคือ E02สมการสุดท้ายจะกลายเป็น เราจัดเรียงสมการสุดท้ายนี้เพื่อหาผลที่เรากำลังมองหาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและโมเมนตัม สมการ (2.70) เป็นผลประโยชน์ที่จะเกี่ยวข้องกับพลังงานรวมของอนุภาคที่มีโมเมนตัม ปริมาณ (E2 - p2c2) และเมตรมีปริมาณคงที่ ทราบว่าเมื่อความเร็วของอนุภาคเป็นศูนย์และจะไม่มีโมเมนตัมสมการ (2.70) อย่างถูกต้องให้ E0 เป็นพลังงานรวมของอนุภาค
  84. เราได้รับการสอนในวิชาฟิสิกส์เบื้องต้นว่าระบบระหว่างประเทศของหน่วยเป็นที่นิยมเมื่อทำในการคำนวณทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ในฟิสิกส์สมัยใหม่ที่แตกต่างกันค่อนข้างตั้งสะดวกสบายมากขึ้นของหน่วยงานมักจะใช้ สัมปชัญญะในปริมาณที่มักใช้ในฟิสิกส์สมัยใหม่แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในทางปฏิบัติบาง
  85. จำได้ว่างานที่ทำในการเร่งค่าใช้จ่ายผ่านความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นได้จาก W = qV สำหรับโปรตอนที่มีค่าใช้จ่ายทาง e = 1.602 × 10-19 C ถูกเร่งข้ามความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจาก 1 V, งานทำที่ W = (1.602 × 10-19) (1 V) = 1.602 × 10-19 J
  86. งานที่ทำเพื่อเร่งโปรตอนข้ามความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจาก 1 V ก็อาจจะเขียนเป็น W = (1 จ) (1 V) = 1 eV   ดังนั้น eV, ออกเสียง "โวลต์อิเล็กตรอน" ยังเป็นหน่วยของพลังงาน มันเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับ SI (Systèmeนานาชาติ) หน่วยจูลโดยสมการก่อนหน้า 2 1 eV = 1.602 × 10-19 J
  87. พลังงานส่วนที่เหลือของอนุภาค: ตัวอย่าง: E0 (โปรตอน) หน่วยมวลอะตอม (มวลอะตอม):  ตัวอย่าง: คาร์บอน 12
  88. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  89. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  90. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  91. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  92. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  93. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  94. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  95. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  96. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  97. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  98. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  99. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  100. อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.8C ที่มุมของ 30o กับแกน x ตามที่กำหนดโดยทุมคืออะไรตามที่กำหนดโดยผู้สังเกตการณ์ที่สองความเร็วของอนุภาค, O 'ย้ายด้วยความเร็ว -0.6c พร้อมร่วมกัน x-x 'แกน?
  101. ความเท่าเทียมกันของมวลและพลังงานได้ชัดเมื่อเราศึกษาพลังงานผูกพันของระบบเช่นอะตอมและนิวเคลียสที่เกิดขึ้นจากอนุภาคของแต่ละบุคคล พลังงานที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับการบังคับใช้การรักษาระบบเข้าด้วยกันที่เรียกว่าพลังงานที่มีผลผูกพัน EB
  102. ปกพลังงานคือความแตกต่างระหว่างพลังงานส่วนที่เหลือของอนุภาคแต่ละบุคคลและพลังงานส่วนที่เหลือของระบบที่ถูกผูกไว้รวมกัน
  103. ไอสไตน์เชื่อว่าสนามแม่เหล็กที่ดูเหมือนจะเป็นสนามไฟฟ้าตั้งข้อสังเกตในกรอบเฉื่อยอีก สรุปว่าเป็นกุญแจสำคัญในการแม่เหล็กไฟฟ้าและทฤษฎีสัมพัทธ ความเชื่อของ Einstein ว่าสมการแมกซ์เวลอธิบายแม่เหล็กไฟฟ้าในกรอบเฉื่อยใด ๆ ที่เป็นกุญแจสำคัญที่นำไป ไอสไตน์ Lorentz แปลง แมกซ์เวลยืนยันว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดเดินทางด้วยความเร็วของแสงและสัจพจน์ของ Einstein ว่าความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่ในกรอบเฉื่อยทั้งหมดดูเหมือนจะเชื่อมโยงอย่างแนบแน่น