Постулаты теории относительности

Чтоб этот довод рухнул также вдруг,

Тебе бы опыт сделать не мешало;

Ведь он для вас — источник всех наук.

Данте Алигьери

С данной темы переходим к изучению элементов теории относительности. В этой теме речь пойдет о постулатах теории относительности.

Начнем с рассмотрения тех экспериментальных предпосылок, которые способствовали созданию специальной теории относительности.

Вообще, создание специальной теории относительности исторически связано с развитием электродинамики. За два столетия, которые отделяли физику эпохи Галилея и Ньютона от физики эпохи Максвелла и Герца, в ней накопилось огромное количество новых научных фактов. Особенно бурно в это время развивались электромагнетизм и оптика. В тоже время представление о мироздании базировалось на механической картине мира, трактовавшей все явления с позиций классической механики 17 века, носившей универсальный характер.

Соответственно, при построении электродинамики движущихся сред был использован принцип относительности Галилея, согласно которому электромагнитные процессы, такие как взаимодействие зарядов и токов, распространение света и т.д., должны протекать одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Однако электромагнитные процессы происходят со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, которые значительно больше скоростей различных механических тел. В связи с этим возникает вопрос: не скажется ли это на справедливости принципа относительности Галилея при описании электромагнитных явлений?

Теперь, давайте вспомним, что, например, звуковые волны могут распространяться только в какой-либо упругой среде — газообразной, жидкой или твердой. Именно упругие свойства среды делают возможной передачу колебаний от одной точки среды к другой. Так, в вакууме звуковые волны распространяться не могут.

Проводя аналогию между звуковыми и электромагнитными волнами, ученые пришли к выводу, что для распространения света также необходима некоторая упругая среда, которую назвали эфиром. При этом эфир должен обладать следующими уникальными свойствами:

1) невидимость и невесомость, поскольку все попытки увидеть или взвесить его оказались безрезультатными.

2) огромной жесткостью, так как скорость упругих волн в среде зависит от ее жесткости (или упругости).

Хотя второе свойство эфира очень сомнительное. Так, например, если в воздухе скорость звука равна 330 м/с, то в воде (более упругой среде) эта скорость составляет 1450 м/с, а в стали уже 5000 м/с. Но достаточно сложно себе представить среду, упругость которой обеспечивала бы распространение света со скоростью порядка одного миллиарда километров в час.

Таким образом, по мере развития электродинамики во второй половине 19 века основным стал вопрос о влиянии эфира на движение света. Ответы на возникшие вопросы мог дать только эксперимент. Так, измерение скорости света в произвольной инерциальной системе отсчета позволили бы обнаружить движение этой системы относительно эфира и определить скорость этого движения, т.е. обнаружить «эфирный ветер».

Для разрешения проблемы эфира американский физик Альберт Майкельсон предложил схему эксперимента, позволяющего с помощью интерференции обнаружить движение Земли относительно эфира. Действительно, если бы свет распространялся в эфире, а эфир был неподвижен относительно Солнца, то при своем движении по орбите Земля должна была бы испытывать «эфирный ветер», подобно тому, как при езде на мотоцикле или велосипеде мы ощущаем встречный поток воздуха даже в безветренную погоду.

В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдуард Морли провели эксперимент, точность измерений в котором была достаточной для обнаружения «эфирного ветра».

Разберем принципиальную схему их экспериментальной установки. На массивной каменной платформе площадью полтора на полтора квадратных метра и толщиной более 30 сантиметров, плававшей в бассейне со ртутью, была собрана оптическая схема, получившая в последствии название интерферометра Майкельсона. Такая конструкция обеспечивала независимость наблюдаемой интерференционной картины от механических колебаний платформы.

И так, свет от источника делился на два пучка, распространявшихся в дальнейшем во взаимно перпендикулярных направлениях. Пучки отражались от зеркал, а затем сводились вместе. На детекторе при сложении этих пучков наблюдалась интерференционная картина, определяемая разностью хода взаимодействующих волн.

Если заставить один из лучей двигаться вдоль направления движения Земли, а второй — перпендикулярно, то «эфирный ветер» будет «разным» для этих лучей, что должно привести к изменению, а точнее, к сдвигу интерференционной картины.

Согласно расчетам, при развороте платформы на 90 градусов относительно направления движения Земли интерференционная картина должна была сдвинуться на расстояние, приблизительно равное 0,4 интерференционной полосы. Однако ожидаемое смещение не было обнаружено, хотя интерферометр позволял наблюдать сдвиг интерференционной картины даже на одну сотую полосы. Эти эксперименты повторялись в разное время суток и в различные времена года, но движение Земли относительно эфира не было обнаружено.

Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли был одной из величайших загадок физики конца 19 начала 20 веков. Хотя некоторые ученые все равно считали, что эфир существует. Например, нидерландский физик и лауреат Нобелевской премии Хендрик Лоренц заявлял, что мировой эфир существует. А отрицательные результаты опыта Майкельсона-Морли он объяснял тем, что при движении со скоростями, близкими к скорости света, происходит сокращение продольных размеров тела и замедление времени.

Однако уже в 1905 году для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона-Морли немецкий физик Альберт Эйнштейн предложил новую теорию, получившую название специальная теория относительности (сокращенно — СТО).

Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы отсчета равноправны по отношению к механическим явлениям. Отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли показал, что все инерциальные системы отсчета равноправны и по отношению к электромагнитным явлениям.

Кроме того, посредством многочисленных экспериментов был установлен факт постоянства скорости света в вакууме в любых инерциальных системах отсчета, который не согласуется с классическим законом сложения скоростей. Для преодоления противоречий между механическими и электромагнитными явлениями Эйнштейну пришлось изменить классические представления о пространстве и времени. В основе специальной теории относительности, или в дальнейшем просто теории относительности, лежат два постулата.

В первом постулате Альберт Эйнштейн зафиксировал важнейший факт равноправия всех инерциальных систем отсчета. Этот постулат представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на все физические явления.

Первый постулат (его еще называют постулатом относительности) звучит так:

все законы физики, описывающие любые физические явления, должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.

Этот же постулат может быть переформулирован и таким образом:

в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одинаковых начальных условиях протекают одинаково.

Другими словами, в любых ИСО все одинаковые эксперименты дают одинаковые результаты. Это означает, что никакими экспериментами невозможно установить, например, движемся равномерно и прямолинейно или покоимся относительно некоторой системы отсчета.

Для примера представим, что находимся в полностью закрытой каюте корабля (без окон), движущегося в полный штиль равномерно и прямолинейно. Понятно, что в этом случае будут отсутствовать толчки, покачивания и другие свидетельства движения. Сможем ли мы установить факт движения корабля?

Согласно постулату относительности никакими физическими экспериментами, проводимыми в каюте данного корабля, невозможно установить факт движения относительно Земли. Иными словами, любые эксперименты, даже с использованием самой современной аппаратуры, приведут к тем же результатам, что и в неподвижном относительно Земли корабле.

Первый постулат стимулировал появление второго постулата. Как известно, самая большая скорость, измеренная физиками, — это скорость света в вакууме. Для равноправия всех инерциальных систем отсчета необходимо потребовать, чтобы эта предельная скорость была в них одинаковой. В противном случае, измеряя эту скорость, можно установить факт движения или, по крайней мере, факт отличия данной системы отсчета от других, что запрещено первым постулатом.

Таким образом, второй постулат или постулат постоянства скорости света звучит следующим образом:

во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движения источника.

Таким образом, скорость света в вакууме в теории Альберта Эйнштейна занимает особое положение. Кроме того, эта скорость является предельной скоростью всех процессов и движений, сопровождаемых переносом энергии. Этим механика теории относительности принципиально отличается от классической механики Ньютона.

Для того чтобы сформулировать постулаты теории относительности, Эйнштейну нужна была большая научная смелость, так как они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

Так, к примеру, один известный немецкий физик Герман Минковский считал, что время следует рассматривать как четвертое измерение. В 1908 году он начал свою лекцию на 80-м съезде немецкого общества естествоиспытателей и врачей следующими словами: «Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить перед вами, развивались на основе экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Отныне пространство само по себе и время само по себе обратились в простые тени, и только какое-то единство их обоих, сохранит независимую реальность».

Подобную сложившуюся ситуацию в 1926 году в стихах описывал и русский поэт Федор Сологуб:

Мы туда путей не знаем,

Не умеем их найти,

Мы в пространстве различаем

Только три всего пути.

…

Все пути иные стерты,

Мы запиханы в футляр,

Не умеем мы четвертый

Строить перпендикуляр.

Как видно, имеются существенные противоречия с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях движения не справедливы. Однако сама теория относительности не содержит никаких противоречий и является абсолютно логичной.

Основные выводы:

– Специальная теория относительности Эйнштейна базируется на двух постулатах.

– Первый постулат (постулат относительности) звучит так:

в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одинаковых начальных условиях протекают одинаково.

– Согласно второму постулату (постулату постоянства скорости света):

во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движения источника.