7

Лекция 5. Теория относительности.

§ 1. Предпосылки для создания тории относительности.

Первой теорией, которая объясняла все существующие к моменту ее создания явления природы, была механика Ньютона в основе которой лежали принцип относительности Галилея и преобразования координат и скорости Галилея.

Принцип относительности Галилея.

• Во всех ИСО механические процессы протекают одинаково.

Преобразования координат и скорости Галилея.

Они устанавливают инвариантность длины, времени и ускорения относительно преобразований Галилея. Это означает, что в системах координат К и К^’

.

Ньютон ввел в науку понятие теории. Любая теория должна основываться на небольшом числе постулатов (чем их меньше – тем лучше). На базе этих постулатов (законов) можно делать различные предсказания.

Теория должна допускать проверку опытом. Теория существует до тех пор, пока не находятся такие явления, которые невозможно объяснить с помощью её системы постулатов. Тогда создается новая система постулатов, объясняющая все явления природы. Старая система постулатов остается лишь частным случаем новой.

Какие же явления привели Эйнштейна к созданию новой системы постулатов – специальной (СТО), а затем и общей (ОТО) теории относительности?

С развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что одной классической механики недостаточно для полного описания явлений природы.

Было известно, что для распространения звуковых волн необходима материальная среда (эксперимент с часами под колоколом вакуумного насоса). Естественно было предположить, что для распространения электромагнитных волн (света) тоже необходима материальная среда. Предположили, что этой материальной средой является эфир – некоторое неподвижное «желе», заполняющее все пространство. Частицы эфира, перенося свет, как частицы воздуха переносят звук. Тогда оптику можно включить в хорошо разработанную систему механики. Получается очень простая и понятная физическая картина мира. В конце 19 века почти всем физикам эта задача казалась вполне разрешимой. Необходим был «решающий эксперимент» по обнаружению эфира.

С введением гипотезы эфира разрешалась проблема распространения света, но возникала новая проблема: эфир оказался избранной системой отсчета для всей Вселенной (а принцип относительности Галилея гласит: все ИСО равноправны).

Эксперимент по обнаружению эфира в 1881 году провел в Потсдаме американский ученый Альберт Абрагам Майкельсон (1852 – 1931), в те времена молодой офицер военно-морского флота Соединенных штатов. В Берлинском университете, в лаборатории известного немецкого физика Германа Гельмгольца, молодой Майкельсон впервые попытался обнаружить эфирный ветер.

Идея эксперимента проста. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с в «эфирном море». Следовательно, световой луч должен испытывать действие эфирного ветра.

это значит, что в направлении движения Земли скорость распространения света должна быть , а в противоположном направлении. Так какм/с, ам/с, то разница во времени, которую необходимо обнаружить будет очень маленькой. Как ее обнаружить и «отфильтровать» от погрешностей эксперимента?

В 1887 году Майкельсон и американский химик Морли предложили следующую схему эксперимента. В большой чаше с ртутью плавает бетонная плита, на которой смонтирована установка. Это необходимо для того, чтобы устранить влияние внешних вибраций. Установка состоит из источника света, плоскопараллельной пластины и двух зеркал. Луч света разделяется плоскопараллельной пластиной на два взаимно перпендикулярных луча. После этого они проходят одинаковые расстояния, отражаются от зеркал и опять встречаются на поверхности плоскопараллельной пластины. Образуется интерференционная картина. Если скорости распространения света по направлению движения Земли и перпендикулярно ему различны, то и времена прохождения этих одинаковых расстояний будут различны. Следовательно, разность фаз лучей, возвращающихся на плоскопараллельную пластину, будет отлична от нуля и различна при различной ориентации отрезков иотносительно направления движения Земли. При выбранных расстояниях разность хода могла достигать половины длины волны. Такие измерения в то время были уже возможны. Сколько ни вращали установку в опыте Майкельсона–Морли интерференционные полосы и не думали изменять своего положения. В более поздних экспериментах можно было зафиксировать разность хода в. Однако изменение интерференционной картины не было зафиксировано.

Если бы этот эксперимент был проведен несколькими столетиями раньше, то вывод был единственный: Земля неподвижна. Поскольку факт движения Земли к концу 19 века ни у кого не вызывал сомнений, то было сделано несколько попыток спасти теорию эфира. Были придуманы следующие объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона–Морли:

Эфир увлекается Землей, поэтому эфирного ветра нет (Майкельсон экспериментально опроверг эту гипотезу);

Наиболее необычное объяснение дал ирландский физик Джордж Фрэнсис Фитцджеральд. Он предположил, что длина предмета уменьшается в направлении движения и поэтому . Два американских физика Рой Дж. Кеннеди и Эдвард М. Торндайк повторили опыт Майкельсона–Морли, но расстояния ивзяли отличными друг от друга. Даже с учетом сокращения длины в направлении движения Землиидолжны быть различными. А, следовательно, должно было наблюдаться изменение интерференционной картины. Изменение интерференционной картины обнаружено не было.

Лоренц добавил еще одно предположение: время тоже изменяется. Под действием эфирного ветра замедляется ход часов.

Физикам трудно было поверить в то, что, создав эфирный ветер, природа устроила все так, что обнаружить этот ветер невозможно. Таким образом, отрицательный результат опытов Майкельсона-Морли объясняется очень просто – эфира нет. Нет эфира – нет избранной системы отсчета. Это хорошо. А как тогда распространяются электромагнитные волны? Не так как звук? Следовательно, одной механистической картины для описания всех явлений не достаточно.

При замене координат вид уравнений Максвелла для электромагнитного поля изменялся. То есть уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея. То есть принцип относительности Галилея на электромагнитные явления не распространяется. Уравнения Максвелла принялись переписывать и видоизменять таким образом, чтобы виуравнения Максвелла имели одинаковый вид. Однако уравнения Максвелла демонстрировали величайшую степень совпадения теории с экспериментом, а все вносимые поправки оказались неподтвержденными.

Повышение точности расчетов в теории движения Солнца и планет, привело к открытию нового эффекта: орбита Меркурия вращается вокруг Солнца со скоростью за 100 лет (а по современным данным). Классическая механика Ньютона объяснить этот факт не могла. Предполагали, что между Солнцем и Меркурием есть гипотетическая планета – Вулкан, но она обнаружена не была.

Таким образом, возникла необходимость в пересмотре классической механики Ньютона и создании новой теории, которая смогла бы объяснить все эти (и многие другие) явления природы.