Элементы специальной теории относительности

Специальная теория относительности (СТО) была создана А. Эйнштейном в 1905г. и представляет собой физическую теорию пространства и времени. В основе этой теории лежат два постулата:

1 Принцип относительности, согласно которому все инерциальные системы отсчета являются равноправными.

2 Принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических систем, позднее был обобщен А. Эйнштейном на любые физические процессы. Согласно принципу относительности никакими опытами (механическими, электрическими, оптическими и др.), проведенными в данной системе отсчета, нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (ИСО); уравнения, выражающие эти законы, инвариантны по отношению к переходу от одной ИСО к другой.

Постоянство скорости света является фундаментальным свойством природы и постулируется как опытный факт. Эксперимент по определению разности скорости света в двух взаимно перпендикулярных направлениях был проведен Майкельсоном и Морли (1887). Ими было показано, что эта разность равна нулю. Скорость света в вакууме (с≈3´10⁸ м/с) является предельной: все тела, обладающие массой покоя, могут двигаться только со скоростями, меньшими с.

Анализ явлений в инерциальных системах отсчета, проведенный Эйнштейном на основе указанных постулатов, позволил ему сформулировать новое представление о пространстве и времени. Оказалось, что пространство и время органически связаны между собой и образуют единую форму существования материи – пространство-время. Математическим выражением этого факта стали преобразования Лоренца. Мы не будем записывать их в явном виде, а остановимся на ряде важных следствий из них.

Важнейшим следствием преобразований Лоренца оказывается тот факт, что пространственные и временные координаты больше не являются независимыми. В закон преобразования координат входит время, а в закон преобразования времени – пространственные координаты. Теория Эйнштейна оперирует не с трехмерным пространством, к которому присоединяется понятие времени, а рассматривает неразрывно связанные пространственные и временные координаты, которые образуют четырехмерный континуум.

С увеличением относительной скорости движения наблюдается ряд релятивистских эффектов:

1 События, одновременные в одной системе отсчета, оказываются неодновременными в другой. Более того, если в одних ИСО событие 1 предшествует событию 2, то в других ИСО событие 2 может предшествовать событию 1. Сказанное, однако, относится лишь к событиям, между которыми отсутствуют причинно-следственные связи. Причинно связанные события (например, выстрел и последующее попадание этой пули в мишень) ни в одной системе отсчета не будут одновременными. Во всех ИСО событие, являющееся причиной, будет предшествовать следствию.

2 Длительность событий в различных ИСО оказывается различной: движущиеся часы идут медленнее. Длительность события, протекающего в некоторой точке, наименьшая в той ИСО, относительно которой эта точка покоится.

3. Линейные размеры тел вдоль направления движения уменьшаются при увеличении скорости тел. Длина стержня l¢, измеренная в ИСО, относительно которой он движется, оказывается меньше длины l, измеренной в ИСО, относительно которой стержень покоится.