Szczególna teoria względności 1102-333

Fizyka współczesna opiera się na dwóch filarach: teorii kwantów i teorii względności. O ile jednak tej pierwszej teorii, ze względu na jej ogromne znaczenie praktyczne, poświęca się w programach fizyki wiele uwagi, tę drugą wykłada się często jeszcze tylko jako dodatkowy rozdział do innych przedmiotów. W sytuacjach gdy można zaniedbać wpływ pola grawitacyjnego teoria względności przechodzi w tzw. szczególną teorię względności (STW), która wywarła ogromny wpływ na całą fizykę dwudziestowieczną. Dlatego dobra znajomość podstaw STW jest nieodzowna dla każdego, kto chciałby zrozumieć współczesne podstawy fizyki. Teoria ta jest także pierwszym krokiem dla tych, którzy chcieliby poznać relatywistyczną teorię grawitacji.
Istniejące metody wykładu STW można podzielić na dwie diametralnie odmienne klasy. Pierwsza z nich, historyczna, naśladuje w ten lub inny sposób postępowania prowadzone około roku 1905 głównie przez Lorentza i Poincarégo, mające na celu uzyskanie elektrodynamiki ciał w ruchu. Natomiast druga, zapoczątkowana przez Einsteina w roku 1905, polega najpierw na mniej lub bardziej przekonującym takim uogólnianiu własności przestrzeni, czasu i praw mechaniki Newtona, aby otrzymać nową mechanikę i teorię czasoprzestrzeni stanowiącą rdzeń STW. W następnym dopiero kroku pokazuje się, że elektrodynamiczne równania Maxwella spełniają tak otrzymaną teorię niemal automatycznie. W r.1908 Minkowski nadał einsteinowskiej STW postać geometryczną, która okazała się kluczowa dla dalszego rozwoju teorii względności i stanowi podstawę interpretacyjną całej współczesnej fizyki relatywistycznej.
W wykładzie od początku przyjmuje się podejście geometryczne. Najpierw pokazuje się, że newtonowska zasada bezwładności jest fizyczną podstawą wprowadzenia w zbiorze zdarzeń mechaniki struktury geometrycznej zaproponowanej w 1920 r. przez E. Cartana, zwanej czasoprzestrzenią Galileusza. Następnie, po nadaniu historycznemu podejściu Einsteina postaci geometrycznej, pokazuje się, że prowadzi ono do innej struktury geometrycznej, która jest równoważna czasoprzestrzeni Minkowskiego, będącej areną zdarzeń klasycznej fizyki relatywistycznej częściowo też tu rozpatrywanej.
Program:
1. Zasada bezwładności.
2. Czasoprzestrzeń Galileusza.
3. Fizyczny rodowód szczególnej teorii względności.
4. Geometryczne podejście do stosowanego przez Einsteina sposobu konstrukcji czasoprzestrzeni szczególnej teorii względności
5. Czasoprzestrzeń Minkowskiego.
6. Grupa Lorentza i grupa Poincarégo.
7. Diagram Minkowskiego.
8. Fizyka relatywistyczna.
9. Wybrane zagadnienia dynamiki relatywistycznej punktu materialnego.
10. Wybrane zagadnienia klasycznej teorii pola elektromagnetycznego.
Wykład w swym zamierzeniu jest wykładem autorskim. Nie ma więc podręcznika, który w całości odpowiadałby przyjętemu prze mnie układowi. Słuchaczom udostępnione zostaną kopie notatek, będące wstępną wersją przygotowywanej przeze mnie książki. Poszczególne fragmenty oparte są oczywiście na istniejących opracowaniach, a bibliografia do nich podawana będzie w trakcie wykładu.
Zakładam, że słuchacze opanowany mieć będą materiał co najmniej dwóch pierwszych lat studiów fizyki na naszym Wydziale. Gdyby któryś z zarejestrowanych słuchaczy nie znał języka polskiego, wykład wygłaszany będzie po angielsku.
Obecność słuchaczy, którzy aktualnie nie są studentami naszego wydziału, ale dysponują równoważną im wiedzą, jest mile widziana. Osoby takie proszone są jednak o mailowy kontakt we wrześniu, bazanski@fuw.edu.pl .
Forma zaliczenia:
1. Obecność na wykładach i aktywność podczas ćwiczeń.
2. Egzamin pisemny na ocenę po semestrze zimowym.
3. Egzamin ustny w zimowej sesji egzaminacyjnej dla chcących poprawić stopień uzyskany na egzaminie pisemnym.

Opis sporządził Stanisław Bażański, kwiecień 2007