Глава 10. Релятивистская механика

Теория относительности – это физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых процессов. Физические свойства пространства и времени, установленные теорией относительности, носят универсальный характер, и рассматриваются как фундаментальные свойства пространства и времени вообще.

Наиболее общая теория пространства и времени называется общей теорией относительности (ОТО) или теорией тяготения. Эта теория утверждает, что свойства пространства и времени в некоторой его части определяются существующими в этой части пространства полями тяготения.

Специальная или частная теория относительности (СТО) – предельный случай общей теорией относительности, когда влиянием тяготения можно пренебречь. Явления, описываемые теорий относительности, называют релятивистскими (от латинского relativus – относительный). Релятивистские эффекты становятся значительными при движении тел со скоростями, близкими к скорости света. Анализ основных положения СТО показал, что только при отсутствии тяготения можно выбрать инерциальную систему отсчета, таким образом, СТО рассматривает явления в инерциальных системах отсчета.

Предпосылкой к развитию СТО явилась попытка применить механический принцип относительности Г. Галилея к физическим явлениям из других областей физики с целью выяснить, нельзя ли посредством явлений немеханической природы установить различие неподвижных и подвижных систем отсчета. В XVIII веке возникло представление о свете как о колебаниях, распространяющихся в светоносном эфире. Поскольку эфир не может находиться в покое одновременно по отношению к различным движущимся СО, то применение принципа Галилея и классического закона сложения скоростей к оптическим явлениям позволило сделать вывод о том, что скорость света должна быть различной в различных системах отсчета:

, (*)

здесь с – скорость света в неподвижной системе отсчета, V₀ скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной, с¢ – скорость света в подвижной системе отсчета.

Этот вывод пытались проверить экспериментально А. Майкельсон и Г. Морли и другие. Результаты экспериментов показали, что скорость света не зависит от скорости движения источника и/или приемника света. Все попытки объяснить этот факт на основании положений классической физики были признаны неудовлетворительными.

Выход из создавшейся ситуации был найден А. Эйнштейном, создавшим в 1905 г. специальную теорию относительности, которая привела к пересмотру представлений классической физики о свойствах пространства и времени. Специальная теория относительности основана на двух постулатах.

ПервыйпостулатЭйнштейна (принципотносительности Эйнштейна):

· все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат обобщает принцип относительности Галилея на все физические явления. Часто принцип относительности Галилея формулируют следующим образом:

· уравнения, выражающие законы природы законы природы, инвариантны (сохраняют один и тот же вид) по отношению к преобразованиям координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

ВторойпостулатЭйнштейна утверждает принцип постоянства скорости света:

· скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных СО и не зависит от движения источников и приемников света.