Постулати спеціальної теорії відносності

Спеціальна теорія відносності (її часто називають також частинною теорією відносності) являє собою сучасну фізичну теорію простору та часу. Спеціальна теорія відносності та квантова механіка є теоретичною базою сучасної фізики та техніки (наприклад, ядерної фізики та техніки). Спеціальну теорію відносності часто називають релятивістською теорією, а специфічні явища, описувані цією теорію – релятивістськими ефектами. Як правило, такі ефекти проявляються при швидкостях руху тіл, близьких за величиною до швидкості світла у вакуумі с = 3×10⁸ м/с, які називаються релятивістськими швидкостями. Релятивістською механікою називається механіка рухів з релятивістськими швидкостями, заснована на спеціальній теорії відносності.

У спеціальній теорії відносності так само, як і в класичній ньютонівській механіці, покладається, що час однорідний, а простір однорідний та ізотропний.

В основі спеціальної теорії відносності лежать два основних принципи, які приймаються за вихідні постулати.

Перший постулат є узагальненням механічного принципу відносності Галілея на будь-які фізичні процеси. Цей постулат, який називають принципом відносності, або релятивістським принципом відносності Ейнштейна, свідчить: у будь-яких інерційних системах відліку всі фізичні явища за одних і тих же умов відбуваються однаково. Інакше кажучи, принцип відносності стверджує, що фізичні закони незалежні (інваріантні) відносно вибору інерційної системи відліку: рівняння, що виражають ці закони, мають однаковий вигляд в усіх інерційних системах відліку. Отже, на основі будь-яких фізичних експериментів, проведених у замкненій системі тіл, неможливо встановити, перебуває ця система у стані спокою чи рухається рівномірно і прямолінійно (відносно якої-небудь інерційної системи відліку). У фізиці всі інерційні системи відліку цілковито рівноправні. Спираючись на фізичні експерименти, неможливо вибрати із безлічі інерційних систем відліку якусь головну (“абсолютну”), яка має які-небудь якісні відмінності від інших інерційних систем відліку.

Другий постулат виражає принцип інваріантності швидкості світла: швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела світла. Вона однакова в усіх напрямках і в усіх інерційних системах відліку, і вона є однією з найважливіших фізичних сталих. Досліди показують, що швидкість світла у вакуумі с – гранична швидкість у природі. Швидкість будь-яких частинок і тіл, а також швидкість поширення будь-яких взаємодій і сигналів не може перевищувати с.

Згадані специфічні закономірності процесу розповсюдження світла у вакуумі дозволяють використовувати цей реальний фізичний процес для встановлення процедури хронометризації систем відліку, тобто для синхронізації годинників, які розміщені в різних точках простору і переміщуються разом із розглядуваною системою відліку.

Постулати спеціальної теорії відносності суперечать тим уявленням про властивості простору та часу, які прийняті в класичній механіці і відображені в перетвореннях Галілея. Зокрема, це стосується твердження про однаковість ходу часу в усіх інерційних системах відліку, яке вважалося в механіці Ньютона “самим собою зрозумілим”, а отже, і твердження про абсолютність проміжку часу між якими-небудь двома подіями. Наприклад, якщо дві події відбуваються одночасно за годинником в одній інерційній системі відліку, то вони, згідно з класичними уявленнями, відбуваються також одночасно за годинником у будь-якій іншій інерційній системі відліку.

Цю суперечність можна пояснити на такому прикладі (рис. 5.1). Є дві інерційні системи відліку – нерухома К і система К`, яка рухається вздовж осі ОХ зі сталою швидкістю V. Нехай у момент початку відліку часу в обох системах К і К` (t = t`= 0), коли їх початки координат О та О` збігаються, в точці О відбувається миттєвий світловий спалах. На момент часу t > 0 світло, поширюючись у вакуумі зі швидкістю с, досягне в системі відліку К точок поверхні сфери з центром у точці О і радіусом, рівним ct.

У системі К` можна вважати, що світловий спалах відбувся в момент часу t`= 0 в точці О`. Тому, згідно з постулатами спеціальної теорії відносності, на момент часу t = t` світло в системі К` досягне точок сфери того ж радіуса ct, що і в системі К, але з центром у точці О`, яка знаходиться в цей час не в точці О, а на відстані Vt від неї. Таким чином, сполучення постулатів спеціальної теорії відносності і класичних уявлень про абсолютний час, який іде однаково в усіх системах відліку, призводить до абсурду: світло спалаху повинно одночасно досягати точок простору, які належать двом різним сферам.