Вопрос 19

Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим понятиям.

Появление теории относительности было связано с развитием электродинамики. После того, как Максвеллом во второй половине XIX века были сформулированы основные законы электродинамики, встал вопрос о применимости механического принципа относительности к электромагнитным и оптическим явлениям. А для этого нужно было выяснить, изменяются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой или, как и законы Ньютона, остаются неизменными (инвариантными).

Согласно классическому закону сложения скоростей, следующему из'преобразований Галилея, скорости света в вакууме в подвижной и неподвижной инерциальных системах отсчета должны быть разными:

где с - скорость света в вакууме в неподвижной и с' - в подвижной системе отсчета; v - скорость движения подвижной системы отсчета относительно неподвижной. Из уравнений Максвелла следовало, что скорость света (скорость распространения электромагнитных волн) в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 x 10⁸ м/с. Таким образом возникли противоречия между электродинамикой и классической механикой и необходимо было сделать выбор между следующими возможностями:

а) считать, что принцип относительности неприменим к электромагнитным явлениям;

б) неверны уравнения Максвелла и их нужно соответствую щим образом изменить, чтобы они удовлетворяли преобразованиям Галилея;

в) неверны преобразования Галилея и их следует заменить другими.

Ряд ученых, в том числе и Лоренц, считали, что принцип относительности неприменим к электромагнитным и оптическим явлениям, и что электромагнитные процессы происходят в особой неподвижной среде - эфире, заполняющей все пространство. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, является приоритетной по сравнению с другими инерциальными системами и только в этой системе скорость света одинакова по всем направлениям.

Однако эксперименты, поставленные в 1881 г. Майкельсоном и Морли, не подтвердили этого.

Майкельсон и Морли с помощью интерферометра специальной конструкции сравнивали между собой значения скорости света в системе отсчета, связанной с Землей, в направлении движения Земли и в перпендикулярном ему направлении. Измерения многократно повторялись в различные времена года и в разное время суток. Оказалось, что скорость света в системе отсчета, связанной с Землей, по всем направлениям одинакова. Таким образом, эксперименты Майкельсона и Морли (и другие эксперименты, поставленные с целью обнаружения движения Земли относительно эфира) показали, что движение Земли никак не влияет на скорость распространения света. Тем самым была опровергнута не только идея о существовании преимущественной системы отсчета, связанной с эфиром, но и гипотеза о существовании самого эфира.

В 1905 г. А.Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия между теорией и экспериментом, возникающие при применении механического принципа относительности к законам электродинамики, можно преодолеть, если считать и принцип относительности, и уравнения Максвелла справедливыми, а преобразования Галилея неточными и заменить их другими преобразованиями, относительно которых инвариантными являются не уравнения классической механики, а уравнения электродинамики Максвелла.

Эйнштейн показал, что преобразования Галилея верны лишь в том случае, когда скорости движения тел и систем отсчета много меньше скорости света в вакууме. Если же скорости эти близки к скорости света, то законы классической механики должны быть заменены более общими законами, учитывающими особенности такого движения.

Эйнштейн впервые пришел к выводу о зависимости свойств времени и пространства от движения материальных объектов, с которыми связываются инерциальные системы отсчета. Пересмотр классических представлений позволил Эйнштейну создать новое учение о пространстве, времени и движении - специальную теорию относительности (СТО).

СТО базируется на двух постулатах. Первый постулат называется принципом относительности Эйнштейна. Он представляет собой обобщение механического принципа относительности на все без исключения физические явления и может быть сформулирован так: при одних и тех же условиях все физические явления в любой инерциальной системе отсчета происходят совершенно одинаково.

Это значит, что никакими экспериментами (механическими, электромагнитными, оптическими и др.), поставленными внутри инерциальной системы, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно.

Из данного постулата следует, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой математические выражения законов физики не должны изменяться.

Второй постулат называют принципом постоянства (или принципом инвариантности) скорости света. Он может быть сформулирован так: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников и приемников света и во всех инерция льных системах отсчета одинакова.

Из второго постулата следует, что взаимодействия между телами в природе не могут распространяться с бесконечно большой скоростью. Скорость света в вакууме является предельной скоростью передачи сигнала и взаимодействий вообще в природе.