3.6. Постулаты специальной теории относительности

Часто в физике какую-либо систему считают наиболее удобной (привилегированной) в рамках решения данной задачи — это определяется простотой расчётов либо записи уравнений динамики тел и полей в ней. Обычно такая возможность связана с симметрией задачи.

С другой стороны, ранее считалось, что существует некая «фундаментальная» система отсчёта, простота записи в которой законов природы выделяет её из всех остальных систем. Например, физики XIX в. считали что, система, относительно которой покоится эфир электродинамики Максвелла, является привилегированной, и поэтому она была названа Абсолютной Системой Отсчета (АСО). В современных представлениях никакой системы отсчёта, выделенной именно таким способом, не существует, так как законы природы, выраженные в тензорной форме, имеют один и тот же вид во всех системах отсчёта — то есть во всех точках пространства и во все моменты времени. Это условие — локальная пространственно-временная инвариантность — является одним из проверяемых оснований физики.

Поскольку Земля движется вокруг Солнца (а Солнце, в свою очередь, движется вокруг центра Галактики), то на Земле должен был бы ощущаться "эфирный ветер": скорости света должна была бы зависеть от направления светового луча.

Чтобы измерить скорость "эфирного ветра" и таким образом проверить гипотезу о существовании эфира было проведено опыт Майкельсона-Морли. Результат оказался отрицательным: скорость "эфирного ветра" ветра оказалась нулевой. Скорость света оказалась с большой точностью одинаковой во всех направлениях. Позднее этот результат был подтвержден другими опытами, хотя надо отметить, что при учете поправок выше второго порядка (такая была точность в опыте Майкельсона-Морли), исследователи наталкиваются на новые явления.

Так что с точностью до второго порядка измерения оказалось, что гипотеза о существовании электромагнитного эфира, а, следовательно, и гипотеза о существовании связанной с ним "абсолютной" системы координат не согласуется с экспериментом.

В 1905 г. вышла работа Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел, в которой были заложены основы новой – релятивисткой – механики. В своей работе Эйнштейн без единого нового эксперимента, проанализировав и обобщив уже известные опытные факты, впервые изложил идеи теории относительности, которые коренным образом изменили привычные представления о свойствах пространства и времени.

Релятивисткая механика Альберта Эйнштейна опровергла гипотезу о существовании эфира. Теория Эйнштейна базируется на постулатах об одинаковости скорости света во всех инерциальных системах отсчета и полное равноправие этих систем. Гипотеза о распространении света в среде – эфире – противоречит этим постулатам, поскольку с этой средой можно было бы связать особое, неравноправное с другими систему отсчета.

Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные полностью подтверждают выводы специальной теории относительности. С точки зрения современной физики, электромагнитные волны, в том числе и свет, могут распространяться в вакууме не требуя никакого среды для своего распространения. Гипотеза эфира, в том виде, в каком она существовала в конце XIX - начале XX века, не отвечает реалиям современной науки. Зато новые гипотезы относительно квантового эфира и его совпадением с абстрактным понятием физического вакуума, привлекают к себе все больший интерес физиков и философов науки.

В основу специальной теории относительности Эйнштейна легли два постулата, т.е. утверждения, которые принимаются за истинные в рамках данной научной теории без доказательств (в математике такие утверждения называются аксиомами).

1   постулат Эйнштейна или принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению ко всем инерциальным системам отсчета. Все физические, химические, биологические явления протекают во всех инерциальных системах отсчета одинаково.

2  постулат или принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и одинакова по отношении» к любым инерциальным системам отсчета. Она не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости его приемника. Ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Более того, ни одна частица вещества, т.е. частица с массой покоя, отличной от нуля, не может достичь скорости света в вакууме, с такой скоростью могут двигаться лишь полевые частицы, т.е. частицы с массой покоя, равной нулю.

Анализируя 1 постулат Эйнштейна, мы видим, что Эйнштейн расширил рамки принципа относительности Галилея, распространив его на любые физические явления, в том числе и на электромагнитные. 1 постулат Эйнштейна непосредственно вытекает из опыта Майкельсона-Морли, доказавшего отсутствие в природе абсолютной системы отсчета. Из результатов этого нее опыта следует и 2 постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в вакууме, который, тем не менее, вступает в противоречие с 1 постулатом, если распространить на электромагнитные явления не только сам принцип относительности Галилея, но и галилеево правило сложения скоростей, вытекающее из галилеева правила преобразования координат. Следовательно, преобразования Галилея для координат и времени, а также его правило сложения скоростей к электромагнитным явлениям неприменимы.