Поступати Ейнштейна

Спеціальна теорія відносності (СТВ) являє собою сучасну фізичну теорію простору і часу. В її основі лежать два постулати, сформульовані А. Ейнштейном.

Принцип відносності. Ніякими фізичними дослідами (механічними, електричними, оптичними та ін.), проведеними всередині даної інерціальної системи відліку, неможливо виявити, перебуває ця система в стані спокою чи рухається рівномірно і прямолінійно; всі закони природи інваріантні щодо переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої.

Перший постулат Ейнштейна узагальнює механічний принцип відносності Галілея на будь-які фізичні процеси. Він стверджує, що всі інерціальні системи відліку цілком рівноправні: всі явища протікають однаково в усіх інерціальних системах і фізичні закони інваріантні відносно вибору інерціальної системи. Тобто рівняння, що описують ці закони, однакові за формою в усіх інерціальних системах відліку.

Принцип інваріантності швидкості світла. Швидкість світла однакова в усіх інерціальних системах відліку, вона не залежить від швидкості руху джерела світла або спостерігача і у вакуумі дорівнює с.

Другий постулат Ейнштейна констатує сталість швидкості світла як фундаментальний закон природи, підтверджений дослідами. Швидкість світла є граничною швидкістю руху будь-яких матеріальних об'єктів. Ніякі сигнали або взаємодії в природі не можуть передаватись з більшою швидкістю, ніж швидкість світла.

Постулати Ейнштейна і побудована на них СТВ сформували новий погляд на світ і нові просторово-часові уявлення. Ця теорія вимагає відмови від усталених в практичному досвіді уявлень про абсолютний простір і абсолютний час, прийнятих у класичній механіці. Такі уявлення Ньютона грунтуються на припущенні про нескінченно велику швидкість поширення сигналів і, відповідно, суперечать принципу сталості швидкості світла. На підставі цього принципу і нових перетворень координат при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої (перетворень Лоренца) Ейнштейн дійшов висновку про відносний характер таких понять, як довжина відрізка, тривалість проміжку часу і одночасність подій. Ці та інші наслідки із теорії Ейнштейна мають експериментальне обгрунтування.

Таким чином, в релятивістській механіці Ейнштейна розглядаються фізичні системи, які рухаються з швидкостями, близькими до швидкості світла. Швидкість світла приймається як гранично можлива швидкість передачі взаємодії. Принцип відносності поширюється на всі фізичні процеси, а перетворення Галілея замінюються перетвореннями Лоренца, з яких випливає взаємний зв'язок між просторовими координатами і часом.

Перетворення Лоренца

Рівняння руху Ньютона інваріантні відносно перетворень Галілея. Фундаментальні закони електродинаміки, які описуються рівняннями Максвелла, не інваріантні відносно цих перетворень. Для подолання цього протиріччя А. Ейнштейн надав перевагу рівнянням Максвелла, а неінваріантність їх відносно перетворень Галілея пов'язав з тим, що ці перетворення не зовсім вірні для релятивістських (близьких до швидкості світла у вакуумі) швидкостей.

На основі двох постулатів і принципу відносності одночасності тих самих подій у різних ІСВ А. Ейнштейн встановив нові перетворення для координат і часу (перетворення Лоренца) і надав нової форми рівнянням механіки. В результаті цього рівняння електродинаміки і механіки виявились інваріантними відносно перетворень Лоренца і, отже, задовольняли принцип відносності, або перший постулат Ейнштейна.

Перетворення Лоренца для координат і часу:

; y’=y y=y’ ; z’=z z=z’ ;

Перетворення Лоренца для координат і часу при переході від системи К до системи К' (або навпаки) відрізняються від перетворень Галілея насамперед тим, що t’  t. У різних рухомих одна відносно одної системах відліку час плине по-різному. У співвідношення для перетворень часу входять просторові координати. Це є принципіально важливим і свідчить про єдність простору і часу. Перетворення Лоренца є лінійними за координатою х і часом t. Ці перетворення переходять у перетворення Галілея за умови v << с