§6. Постулаты специальной теории относительности

По мере развития других разделов физики, в частности оптики и электродинамики, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности и на другие явления? Если нет, то помощью этих (немеханических) явлений можно попытаться показать что в разных инерциальных системах отсчета одни и те же явления протекают по-разному.

Одно из таких явлений, которое, как ожидали, по-разному протекает в разных системах отсчета, это распространение света. Идея опыта заключалась в следующем.

Пусть в системе отсчета К', движущейся со скоростью относительно неподвижной системыК (рис. 6.1), имеются неподвижные (в системе К' ) источник И и приемник П света. Скорость распространения света в вакууме, как показали астрономические наблюдения, не зависит от движения источника света. Так как за время прохождения светового сигнала от источника к приемнику последний успеет сместиться вправо на некоторое расстояние, то казалось бы, время прохождения от И к П должно быть больше, чем при . В соответствии с (5.4) скорость света, посланного в сторону движения системыК', должна уменьшиться:

, (6.1)

где - скорость света в системахК и К'.

Это предположение было проверено в опыте, который был осуществлен в 1881г. Майкельсоном. Результат опыта оказался отрицательным: соотношение (6.1) не подтвердилось.

Более точные опыты, поставленные позднее, также подтвердили первоначальный результат.

Классическая физика не смогла объяснить ряд подобных экспериментальных фактов, относящихся к области электродинамики и распространения электромагнитных волн. Выход из создавшегося положения был найден А.Эйнштейном.

Рис. 6.1

Глубокий анализ всего экспериментального и теоретического материала, имевшегося к началу XX столетия, привел Эйнштейна к пересмотру исходных положений классической физики и прежде всего представлений о свойствах пространства и времени. В результате им была создана специальная теория относительности, являющаяся логическим завершением всей классической физики.

Эта теория принимает без изменения такие положения классической механики как однородность и изотропность пространства и закон инерции. Что же касается утверждения о неизменности размеров твердых тел и промежутков времени в разных системах отсчета, то Эйнштейн обратил внимание на то, что эти представления возникли в результате изучения движения тел с малыми скоростями, поэтому их распространение в область больших скоростей ничем не оправдано.

В качестве исходных позиций специальной теории относительности Эйнштейн применил два постулата (или принципа), в пользу которых говорит весь экспериментальный материал:

1) принцип относительности Эйнштейна;

2. принцип независимости скорости света.

Первый постулат (принцип относительности Эйнштейна) является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы:

В любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одних и тех же условиях протекают одинаково.

Из этого принципа следует, что все законы природы и описывающие их уравнения не изменяются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Другими словами, все инерциальные системы отсчета эквивалентны (неразличимы) по своим свойствам.

Второй постулат (принцип независимости скорости света): скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света,

то есть она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета, являясь одной из важнейших физических постоянных.

Опыты показывают, что скорость света в вакууме С - предельная скорость в природе. Скорость любых частиц и тел, а также скорость распространения любых взаимодействий и сигналов не может превосходить значения С=2.9979310⁸ м/с.