1.6. Закон распространения света

В настоящее время не известен ни один процесс передачи информации со скоростью, превосходящей скорость света в вакууме.

Закон распространения света гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения приемника и источника, а также от направления распространения света в свободном пространстве.

Глубокие теоретические исследования электродинамических и оптических процессов в движущихся телах, выполненные Г.А. Лоренцом, показали, что опыты в этих областях приводят к необходимости такой теории электромагнитных явлений, неизбежным следствием которой является закон постоянства скорости света в вакууме. Поэтому ведущие теоретики были скорее склонны отказаться от принципа относительности, хотя и не удавалось найти ни одного экспериментального факта, противоречащего этому принципу.

Здесь и выступила на сцену теория относительности. В результате анализа физических понятий времени и пространства было показано, что в действительности принцип относительности и закон распространения света совместимы и что, систематически придерживаясь обоих этих законов, можно построить логически безупречную теорию. Основные положения этой теории, которую, в отличие от ее обобщения, называют «специальной теорией относительности», будут изложены ниже.

1.7. Принцип относительности1 Эйнштейна

Принцип относительности Эйнштейна соединяет принцип относительности Галилея с законом распространения света (принципом предельности и постоянства скорости света).

Принимая во внимание единство материального мира, принцип относительности должен быть применен ко всем событиям внешнего мира, т.е. не только законы механики, но и все законы природы должны быть одинаковы в системах, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Но как все законы природы могут оказаться одинаковыми в системах, движущихся друг относительно друга? Ведь уравнения электромагнитного поля (уравнения Максвелла) неинвариантны относительно классического преобразования Галилея. Это ясно обнаруживается на примере скорости света. Согласно преобразованию Галилея, эта скорость не была бы одинаковой в двух СО, движущихся друг относительно друга.

Преобразования Галилея с необходимостью должны быть заменены новыми формулами: преобразованиями Лоренца.

1.8. Преобразования Лоренца

Для случая, когда инерциальные системы отсчета К и К' движутся относительно друг друга вдоль оси абсцисс со скоростью , координаты и время преобразуются по формулам:

К' К	КК'
x = (x' + vt'),	x' = (x – vt),
y = y',	y' = y,	(1.3)
z = z',	z' = z,
;	.

Здесь  – релятивистский фактор;

– относительная скорость.

Аналогичные преобразования существуют и для бесконечно малых приращений соответствующих величин:

К' К	КК'
dx = (dx' + vxdt'),	dx' = (dx – vxdt),
dy =dy',	dy' = dy,	(1.4)
dz = dz',	dz' = dz,

Имея в своем распоряжении преобразования Лоренца, можно выразить сущность теории относительности Эйнштейна (принцип относительности Эйнштейна) следующим образом:

Всякий общий закон природы должен быть таким, чтобы сохранять свой вид при замене пространственно-временных переменных х, у, z, t первоначальной системы координат К новыми пространственно-временными переменными х', у', z', t' другой cистемы координат К'; при этом математическая связь между штрихованными и нештрихованными величинами определяется преобразованиями Лоренца.

Сформулируем это кратко: общие законы природы инвариантны относительно преобразований Лоренца.

Таково математическое условие, которое накладывает на законы природы теория относительности; вследствие этого теория относительности становится ценным эвристическим вспомогательным средством для отыскания общих законов природы. Если бы был найден некоторый общий закон природы, не удовлетворяющий указанному условию, то тем самым было бы oтвергнуто по меньшей мере одно из двух основных положений теории.