Элементы специальной теории относительности.

Специальная теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905г., означала пересмотр всех представлений классической физики и главным образом представлений о свойствах пространства и времени. Поэтому данная теория по своему основному содержанию может быть названа физическим учением о пространстве и времени. Физическим потому, что свойства пространства и времени в этой теории рассматриваются в теснейшей связи с законами совершающихся в них физических явлений. Термин «специальная» подчеркивает то обстоятельство, что эта теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета.

Вспомним основные представления дорелятивистской физики.

1. Пространство, имеющее три измерения, подчиняется евклидовой геометрии.

2. Наряду с трехмерным пространством существует независимое от него время (независимое в том смысле, в каком три измерения пространства не зависят друг от друга). Но вместе с тем время связано с пространством законами движения. Действительно, время измеряют часами, в принципе представляющими собой любой прибор, в котором используется тот или иной периодический процесс, дающий масштаб времени. Поэтому определить время безотносительно к какому-либо периодическому процессу, т. е. вне связи с движением, невозможно.

3.Размеры твердых тел (масштабы) и промежутки времени между данными событиями одинаковы в разных системах отсчета. Это соответствует ньютоновской концепции абсолютности пространства и времени, согласно которой их свойства считаются не зависящими от системы отсчета — пространство и время одинаковы для всех систем отсчета.

4. Признается справедливость закона инерции Галилея—Ньютона, согласно которому тело, не подверженное действию со стороны других тел, движется прямолинейно и равномерно. Этот закон утверждает существование инерциальных систем отсчета, в которых выполняются законы Ньютона (а также принцип относительности Галилея).

5. Из этих представлений вытекают преобразования Галилея, выражающие пространственно временную связь любого события в разных инерциальных системах отсчета: (1.3.1) и (1.3.2).

Отсюда следует, что координаты любого события относительны, т. е. имеют разные значения в разных системах отсчета; момент же времени, когда событие произошло, одинаков в разных системах. Последнее означает, что время течет одинаковым образом в разных системах отсчета. Это обстоятельство казалось столь очевидным, что даже не оговаривалось как специальный постулат.

Из (1.3.1) непосредственно вытекает закон преобразования скоростей (1.3.4) и ускорений (1.3.5).

6. Выполняется принцип относительности Галилея: все инерциальные системы отсчета эквиваленты друг другу в механическом отношении, все законы механики одинаковы в этих системах отсчета, или, другими словами, инвариантны относительно преобразований Галилея.

7. Соблюдается принцип дальнодействия: взаимодействия тел распространяются мгновенно, т. е. с бесконечно большой скоростью.

Эти представления ньютоновской механики вполне соответствовали всей совокупности экспериментальных данных, имевшихся в то время (заметим, впрочем, что эти данные относились к изучению движения тел со скоростями, значительно меньшими скорости света). В их пользу говорило и весьма успешное развитие самой механики. Поэтому представления ньютоновской механики о свойствах пространства и времени стали считаться настолько фундаментальными, что никаких сомнений в их истинности ни у кого не возникало.

Первому испытанию подвергся принцип относительности Галилея, который, как известно, касался только механики — единственного раздела физики, достигшего к тому времени достаточного развития. По мере развития других разделов физики, в частности оптики и электродинамики, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности и на другие явления? Если нет, то с помощью этих (немеханических) явлений можно в принципе различить инерциальные системы отсчета и в свою очередь поставить вопрос о существовании главной, или абсолютной, системы отсчета.

Одно из таких явлений, которое, как ожидали, по-разному протекает в разных системах отсчета, — это распространение света. Согласно господствовавшей в то время волновой теории, световые волны должны распространяться с определенной скоростью по отношению к некоторой гипотетической среде («светоносному эфиру»), о природе которой, правда, не было единого мнения. Но какова бы, ни была природа этой среды, она не может покоиться во всех инерциальных системах сразу. Выделяется одна из инерциальных систем — абсолютная — та самая, которая неподвижна относительно «светоносного эфира». Полагали, что в этой — и только этой — системе отсчета свет распространяется с одинаковой скоростью c во всех направлениях. Если некоторая инерциальная система отсчета движется по отношению к эфиру со скоростью , то в этой системе отсчета скорость света ’ должна подчиняться обычному закону сложения скоростей (1.3.4), т. е. ’ = . Это предположение оказалось возможным проверить на опыте, который и был осуществлен Майкельсоном (совместно с Морли).

Не вдаваясь в подробности, скажем, что результат опыта Майкельсона противоречил тому, что ожидалось на основании преобразований Галилея (преобразования скоростей). Он показал также, что нельзя обнаружить движение относительно эфира, что скорость света не зависит от движения источника света

В пользу того, что скорость света не зависит от скорости источника, говорят и некоторые астрономические наблюдения (например, над двойными звездами), а также другие опыты, поставленные позднее специально с целью проверки этого факта.

К началу ХХ в. в физике сложилась своеобразная ситуация. С одной стороны, теоретически были предсказаны различные эффекты, выделяющие из множества инерциальных систем главную (абсолютную). С другой стороны, настойчивые попытки обнаружить эти эффекты на опыте неизменно оканчивались неудачей. Опыт неуклонно подтверждал справедливость принципа относительности для всех явлений, включая и те, к которым теория считала его заведомо неприемлемым.

Был сделан целый ряд попыток объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона и аналогичных ему в рамках ньютоновской механики. Однако все они оказались, в конечном счете, неудовлетворительными. Кардинальное решение этой проблемы было дано лишь в теории относительности Эйнштейна.