Постулаты специальной теории относительности.

Современная физическая теория пространства и времени составляет раздел физики, называемый специальной теорией относительности (СТО).

В основе этой теории, созданной в 1905 г. А. Эйнштейном для инерциальных систем отсчета, лежат 2 постулата, вытекающие из опытных данных:

1. принцип относительности:

никакими опытами (механическими, электрическими, магнитными, оптическими и т.д.), проведенными в замкнутой системе отсчета, нельзя установить, движется эта система прямолинейно и равномерно или покоится.

2. принцип постоянства скорости света:

свет в любой инерциальной системе отсчета распространяется с одной и той же скоростью, независимо от того, испущен он движущимся или неподвижным источником.

Эти постулаты относятся к фундаментальным законам природы, область их применения до настоящего времени является всеобъемлющей. Рассмотрим выводы, вытекающие из этих постулатов.

Относительность одновременности.

Рассмотрим 2 инерциальные системы координат Oxyz и O’x’y’z’, движущиеся относительно друг друга с постоянной скоростью вдоль осиx. В момент времени точкиO и O’ совпадали. Пусть в начальный момент времени в начале координат произошла вспышка света.

В системе Oxyz свет распространяется со скоростью c. В системе O’x’y’z’ , как следует из преобразований Галилея, скорость света равна , т.е.. Возникает противоречие между принципом относительности и принципом постоянства скорости света.

Таким образом, из принципов СТО следует, что преобразования Галилея неверны.

Эйнштейн обнаружил причину возникшего противоречия. Дело в том, что в классической механике предполагалась, что время течет одинаково во всех инерциальных системах отсчета: . Из возникшего противоречия Эйнштейн сделал вывод:

время не является абсолютным, время течет по-разному в различных инерциальных системах отсчета.

Это значит, что промежуток времени между одними и теми же событиями различен в различных инерциальных системах отсчета. События одновременные в одной инерциальной системе, происходят неодновременно в другой.

Пусть в системе O’x’y’z’, движущейся со скоростью относительно системыOxyz, находится источник света S и два приемника A и B на равном расстоянии друг от друга. С точки зрения наблюдателя K’ свет придет одновременно в приемники A и B.

Для наблюдателя K приемник A движется навстречу лучу, приемник B удаляется от него, поэтому свет раньше придет в приемник A.

Преобразования Лоренца.

Из постулатов СТО вытекают новые формулы для преобразования координат и времени. Эти формулы получили название преобразований Лоренца. Запишем преобразования Лоренца для частного случая двух инерциальных систем отсчета, движущихся относительно друг друга со скоростью вдоль осиx.

(65)

(66)

Рассмотрим следующие случаи:

1. Пусть скорость v гораздо меньше скорости света c в вакууме. Если vc, то ,и из (65) получим преобразование Галилея (61)

; ;;

Следовательно, преобразования Галилея верны только для случая малых скоростей и являются частным случаем преобразований Лоренца.

2) Пусть vc. В классической механике считалось, что тела могут двигаться с любыми сколь угодно большими скоростями. Из преобразований Лоренца следует, что при vc истановится мнимым, а координаты и время теряют физический смысл.

Таким образом, скорость света в вакууме является предельной скоростью распространения взаимодействий в природе.