§ 82. Принцип відносності Ейнштейна

Під час вивчення фізичних явищ насамперед необхідно обрати систему відліку, відносно якої визначаються швид­кості, прискорення і форма траєкторії рухомих тіл. У про­цесі вивчення механіки ми переконалися в тому, що всі механічні явища відбуваються однаково у всіх інерціаль-них системах відліку за однакових початкових умов. Цей висновок дістав назву механічного принципу відносності. Його часто формулюють ще так: ніякими механічними дослідами всередині системи не можна установити, пере­буває в спокої інерціальна система чи рухається рівномір­но і прямолінійно. Інакше кажучи, рівномірний прямо­лінійний рух системи ніяк не впливає на механічні явища в ній. Так, наприклад, в салоні сучасного пасажирського літака, який мчить з швидкістю 800—1000 км/год, усі механічні явища відбуваються точно так само, як і в літа­ку, який стоїть на аеродромі.

Звідси випливає, що закони Ньютона мають один і той самий вигляд в усіх інерціальних системах відліку.

266

Будь-яку з інерціальних систем можна взяти умовно за нерухому і використати для опису механічних явищ. Нагадаємо, що коли тіло рухається відносно інерціальної системи з швидкістю и, а сама система рухається з швид­кістю w відносно нерухомої системи, то швидкість v тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює:

v— и -\- w.

Це співвідношення називають законом додавання швидкостей Галі лея (або класичним законом додавання швидкостей).

З розвитком електродинаміки виникло питання про те, чи поширюється принцип відносності і на електромагнітні явища. Інакше кажучи, чи однаково відбуваються електро­магнітні процеси (взаємодія зарядів і струмів, явище електромагнітної індукції, поширення електромагнітних хвиль тощо) у всіх інерціальних системах відліку. Чи може рівномірний прямолінійний рух системи відліку якось впливати на хід електромагнітних процесів? Під час розв'язання цього питання несподівано виникла супе­речність. З одного боку, експерименти свідчили, що елект­ромагнітні явища відбуваються в різних інерціальних системах відліку зовсім однаково. З другого боку, вияви­лося, що швидкість світла не залежить від швидкості руху його джерела, тобто класичний закон додавання швидко­стей v=u-\-uf не виконується.

Згідно з механічним принципом відносності швидкість світла, як і будь-яка інша швидкість, величина відносна, тобто її значення має залежати від швидкості руху системи відліку. Якщо відносно однієї системи відліку швидкість світла дорівнює: с= 3- 10^й м/с, то відносно будь-якої іншої, яка рухається відносно першої із швидкістю й, швидкість світла повинна дорівнювати с-\-и. Так, наприклад, Земля рухається по орбіті навколо Сонця з швидкістю и, швид­кість світла в системі відліку, зв'язаній із Землею, дорів­нює с. Тоді якщо напрям поширення світла збігається з напрямом руху Землі, то швидкість світла в «сонячній» системі відліку має дорівнювати с — и, а якщо світло і Зем­ля рухаються в протилежних напрямах, то с-\-и. Нехай вас не бентежить той факт, що в принципі відносності мова йде про рівномірний прямолінійний рух, а Земля рухає­ться навколо Сонця по еліпсу. Рух Землі на невеликій ділянці орбіти можна вважати рівномірним і прямоліній­ним, а обидві системи відліку — «земну» і «сонячну» — вважати інерціальними.

Отже, з точки зору механіки Ньютона рух Землі мав впливати на швидкість поширення світла. Однак численні досліди переконливо свідчили про те, що рух Землі ніяк не впливає на швидкість поширення світла і галілеївський закон додавання швидкостей у даному випадку не вико­нується.

Цю суперечність розв'язав А. Ейнштейн у створеній у 1905 р. теорії відносності, в основі якої лежать два посту­лати, тобто положення чи принципи, які є результатом узагальнення експериментальних даних. Вони формулю­ваться так.

1. Усі фізичні явища відбуваються однаково і фізичні закони мають однаковий вигляд у будь-якій інерціальній системі відліку.

2. Швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інер­ ціальних системах відліку і не залежить ні від швидкості руху джерела світла, ні від швидкості руху спостерігача.

Перший постулат Ейнштейна виражає нринцни віднос­ності, який є узагальненням механічного принципу від­носності на будь-які фізичні процеси і явища, у тому числі електромагнітні. Його справедливість підтверджена чис­ленними дослідами, які ставилися з метою виявити вплив орбітального руху Землі на електромагнітні явища. Всі ці досліди показали, що рух Землі не впливає на їх перебіг. Таким чином, принцип відносності Ейнштейна установлює повну рівноправність усіх інерціальних систем відліку.

Другий постулат також підтверджений експеримен­тально. Однак, враховуючи величезне значення теорії відносності, її постулати піддаються все більш точним експериментальним перевіркам і в наші дні з викори­станням найновіших приладів і методів дослідження. Так, наприклад, у 1961 р. перший постулат Ейнштейна було експериментально перевірено за допомогою відкри­того у 1958 р. ефекта Месбауера, а в 1963 р. було перевіре­но в лабораторних умовах другий постулат за допомогою джерел гамма-випромінювання, які швидко рухалися. Всі досліди підтверджують постулати Ейнштейна.

Другий постулат Ейнштейна сам по собі виявився не таким уже й несподіваним. Незалежність швидкості світла від швидкості джерела випливала з електромагнітної теорії Максвелла (це загальна властивість хвильового руху. Швидкість хвиль на поверхні води відносно води чи звукових хвиль відносно. повітря також не залежить від швидкості джерела). Але якщо врахувати перший постулат — принцип рівноправності інерціальних систем, то дістанемо несподіваний висновок: швидкість світла

у вакуумі однакова у всіх інерціальних системах відліку, тобто є абсолютною, а не відносною величиною. Цей, під­тверджений дослідами факт постійності швидкості світла викликав необхідність докорінного перегляду звичних для нашого мислення уявлень про простір і час, оскільки вони суперечили цьому принципу.

? 1. Чим принцип відносності Ейнштейна відрізняється від принципу відносності в механіці? 2. Сформулюйте принципи (постулати) теорії відносності.