2.5.4. Принцип относительности Галилея и законы электродинамики

Физические законы, в том числе, и законы механики, имеют определенный смысл лишь тогда, когда точно определимы реальные условия протекания рассматриваемых явлений и, следовательно, указана система отсчета, к которой они отнесены.

Мы уже указывали, что законы движения формулируются одинаково только в инерциальных системах отсчета. Это видно из того факта, что в основной закон динамики (второй закон Ньютона) входит ускорение тела, а не его скорость. Таким образом, добавление любой постоянной скорости, т.е. переход от одной системы отсчета к другой, не отражается на формулировке второго закона Ньютона. Необходимость определить систему отсчета, для которой сформулированы законы механики, заставила Ньютона ввести понятие абсолютного пространства как такой исходной системы. Однако все системы отсчета, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно этого пространства, допускают такую же формулировку законов механики и являются с точки зрения механики эквивалентными друг другу.

Таким образом, наблюдения над механическими процессами не позволяют обнаружить движение одной инерциальной системы относительно другой – принцип относительности в механике (принцип относительности Галилея).

При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой ускорение тела остается постоянным, но координаты и скорость тела изменяются. Для установления связи между ними служат формулы преобразования. В классической механике это преобразования Галилея.

Пусть система движется относительно системы с постоянной скоростью , направленной вдоль оси . Тогда преобразования Галилея будут иметь вид

Инвариантность уравнений механики по отношению к этим преобразованиям и есть математическое выражение принципа относительности

Подобным образом строится и электродинамика. Опираясь на опыт, формулируются основные законы электродинамики (уравнения Максвелла), выбирается система отсчета, и указываются формулы преобразований, позволяющие переходить от одной системы отсчета к другой.

Что касается формул преобразования, то преобразования Галилея считались вполне очевидными и были перенесены в новую теорию. Система отсчета – особая среда – мировой эфир, так как для распространения волн требуется определенная среда. Основной вопрос: Как движение тел влияет на мировой эфир? И еще один вопрос – уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея, а это означает, что механический принцип относительности нельзя распространить на электромагнитные (в частности, оптические) явления.

Из создавшейся ситуации можно было выйти несколькими путями. Рассмотрим наиболее известные.

1. Герц переносит механический принцип относительности в электродинамику и, используя преобразования Галилея, изменяет уравнения электродинамики так, чтобы они были инвариантными относительно этих преобразований. Это означает, что эфир полностью увлекается движущимися телами. Однако выводы Герца противоречили целому ряду опытных фактов.

2. Лоренц считал, что уравнения Максвелла справедливы, а принцип относительности неверен. Эфир неподвижен. Иными словами это означает признание существования абсолютной системы отсчета – мирового эфира и признание того факта, что можно обнаружить движение одной системы отсчета относительно эфира (подобно тому, как мы определяем движение автомобиля по движению воздуха за окном). Экспериментальная проверка была осуществлена Майкельсоном.

Рассмотрим механический пример. Пусть моторная лодка проходит расстояние между двумя точками туда и обратно, двигаясь по течению реки и обратно, затрачивая на это время . Если же лодка будет двигаться в направлении перпендикулярном течению, то на прохождение этого же расстояния туда и обратно она затратит время . Легко показать, что . Другими словами, время, затрачиваемое лодкой на движение во взаимно перпендикулярных направлениях, будет различным.

И спользуя эту идею и изобретенный им прибор (интерферометр) Майкельсон попытался обнаружить эфирный ветер, связанный с тем, что Земля движется относительно Солнца, со скоростью порядка . Интерферометр можно расположить так, что бы луч 1 распространялся вдоль скорости движения Земли. Тогда луч 2 будет распространяться в направлении перпендикулярном движению Земли (рис. 40). На прохождение одинакового расстояния они затратят разное время и между ними установится определенная разность фаз, что приведет к возникновению интерференционной картины. Если теперь прибор медленно повернуть на , то лучи меняются местами и интерференционная картина должна измениться (сместиться). Однако опыт показал, что никакого смещения интерференционных полос не происходит. В последних опытах Майкельсона чувствительность метода была доведена до такого предела, что можно было обнаружить движение Земли со скоростью . Из опыта Майкельсона следовало, что скорость распространения света не зависит от скорости движения источника или приемника света.

Отрицательный результат опыта Майкельсона имел для развития физики принципиальное значение и требовал объяснения.