Експериментальні основи релятивістської механіки

Якщо закони механіки однакові в інерціальних системах відліку, то чому б i всім іншим законам, наприклад законам електродинаміки, також не бути однаковими в інерціальних системах відліку? Напевне, було б навіть дивно, якби інші закони залежали від цілком випадкового вибору системи відліку.

Однак, як не дивно, це так. Наприклад, якщо для переходу від однієї системи до іншої використати перетворення Галілея, то рівняння Максвелла, що описують електромагнітні поля, набирають різного вигляду в різних інерціальних системах відліку. Цей висновок формулюється так: рівняння Максвелла не інваріантні відносно перетворень Галілея.

Неприємності з’являються i при cпpo6i застосувати правило додавання швидкостей до процесу поширення електромагнітних хвиль (світла). Згідно з цим правилом

Рис. 6.12. Залежність маси тіла від швидкості

,

а отже, швидкість світла мала б бути різною в різних системах відліку.

Однак найточніші досліди Майкельсона-Mopлi переконливо довели, що швидкість світла у вакуумі не залежить від руху системи відліку i що вона однакова в ycиx інерціальних системах.

Наведемо деякі експериментальні факти.

Під час дослідження руху заряджених частинок у прискорювачах було виявлено, що при великих швидкостях руху частинки в однорідному полі прискорення зі збільшенням швидкості стає меншим (рис. 6.12).

Рис. 6.13.

Оскільки сила в однорідному полі стала, то зменшення прискорення тільки за рахунок збільшення iнертнoї маси, бо

F = ma = const

Дослідним шляхом удалося знайти універсальну зaлeжнicть маси тіла від його швидкості, придатну для будь-яких тіл (рис. 6.13.):

,

де с – швидкість світла у вакуумі; υ – швидкість руху тіла; m – маса тіла, що рухається (маса руху); m₀ – маса тіла, що покоїться (маса спокою).

Маса спокою – це маса тіла в системі відліку, відносно якої тіло знаходиться в стані спокою. Таку систему називають власною системою.

Таким чином у релятивістській динаміці: маса залежить від швидкості руху.

Залежність маси від швидкості — це перша «неприємність», яка з’являється в механіці під час руху тіла з великими швидкостями, але не остання.

Існування граничної швидкості

Взаємодія матеріальних частинок у механіці Ньютона описується через взаємну потенціальну енергію, яка залежить тільки від координат і не залежить від часу. При цьому припускається, що дія передається миттєво, тобто з нескінченно великою швидкістю.

Якби в якийсь момент часу Сонце розкололось на дві частини, то в той самий момент змінився б і рух Землі. Дослід показує, що коли з одним із тіл відбувається будь-яка зміна, то на іншому тілі це позначається не відразу, бо швидкість поширення взаємодії скінчена. Більш того, вона є максимально можливою швидкістю, перевищити яку матеріальні частинки не можуть, бо вони б долетіли раніше, ніж дійшла взаємодія.

У тих самих дослідах з прискорення заряджених частинок було виявлено, що не вдається збільшити їхню швидкість нескінченно.

Розглядаючи рис. 6.13., доходимо такого висновку: граничною швидкістю руху матеріальних частинок є швидкість світла у вакуумі.

З принципу відносності випливає, що швидкість поширення взаємодії однакова в усіх інерціальних системах відліку, тобто вона має бути універсальною константою.