Специальная теория относительности

Лекция 4

Естественнонаучные причины создания специальной теории относительности. Согласно электромагнитной теории Дж. Максвелла скорость передачи электромагнитного взаимодействия (скорость света) не зависит от скорости источника и приёмника света, а также одинакова для всех длин волн в вакууме. Это накладывает определённые требования к свойствам эфира – среды, в которой распространяются электромагнитные волны. В частности, почему скорость света одинакова для всех длин волн именно в вакууме? Кроме того, величина скорости света входит в уравнения Максвелла и по этой причине они изменяют свой вид (оказываются неинвариантными) при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Значит ли это, что для уравнений Максвелла несправедлив принцип относительности? Поиск ответов на эти вопросы привёл, в конечном счёте, к созданию специальной теории относительности.

Принцип относительности (суть формулировки Г. Галилея) – если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы в любой другой системе координат, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Другой вариант формулировки этого принципа – в любых инерциальных системах отсчёта физические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях.

Для установления справедливости принципа относительности необходимо выяснить основные свойства эфира, как среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Эфир в принципе может быть или совершенно неподвижным (и тогда при движении тел в пространстве они должны ощущать «эфирный ветер», например, как бегущий в воздухе человек), или полностью увлекаться телами при их движении (как воздух в каюте движущегося корабля). Хотя последний вариант противоречит давно известному экспериментальному факту изменения видимого с Земли положения звёзд на небосводе (это вызвано вращением Земли вокруг Солнца).

В результате исследований, проведенных в 1851 г. французским учёным Арманом Физо (1819–1896), получалось, что свет изменяет свою скорость при распространении через движущуюся среду в зависимости от её оптической плотности. Это означало, что эфир частично увлекается движущимися телами.

Позднее историческим экспериментом американских исследователей Алберта Майкельсона (1852–1931) и Эдварда Морли (1839–1923) в 1887 г. был дан окончательный ответ на вопрос о том, как ведёт себя эфир при взаимодействии с подвижными телами. В результате тщательных многократных экспериментов им не удалось обнаружить никакого намёка на «эфирный ветер». Это означало, что эфир не является некоей совершенно неподвижной субстанцией (для физики неподвижность эфира позволяла отождествить его с абсолютной инерциальной системой отсчёта, относительно которой все остальные движутся с какой-то скоростью) и не может даже частично увлекаться движущимися телами.

В результате оформилась научная проблема, заключающаяся в невозможности объединить в одну систему 3 утверждения: 1) скорость света не зависит от скорости источника и приёмника; 2) справедливость принципа относительности; 3) справедливость классических преобразований координат и скоростей (по Г. Галилею).

В целях выхода из этой ситуации предлагалась гипотеза: «Преобразования Галилея являются частным случаем других, более общих, преобразований координат и скоростей при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую». В 1887 г. (В. Фогт) было показано, что действительно существуют такие преобразования координат и скоростей, при которых уравнения Максвелла могут быть инвариантными в случае перехода из одной инерциальной системы отсчёта в другую.

Позже (в 1892 г.) Хендрик Лоренц (1853–1928) показал, что применение преобразований координат и скоростей, отличных от классических преобразований Г. Галилея, приводит к уменьшению длины движущегося тела. Этот эффект получил название «лоренцево сокращение длины тел». В работах этого учёного, а также Анри Пуанкаре (1854–1912) были фактически сформулированы основные тезисы будущей специальной теории относительности. В частности, в 1898 г. А. Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света и указал на условный характер одновременности двух событий: «Не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, … не имеет смысла и можно применять его только условно.»

Основные положения специальной теории относительности. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955) публикует статью, в которой с иных позиций решает проблему распространения в пространстве электромагнитных волн. Во многом благодаря математической простоте и физической наглядности объяснений (в отличие от работ Х. Лоренца и А. Пуанкаре), эта работа стала фактическим оформлением новой теории. Постулаты, на которых базируется специальная теория относительности:

1) Скорость света постоянна, не зависит от скорости источника и/или приёмника.

2) Принцип относительности справедлив.

3) При переходе между инерциальными системами отсчёта необходимо пользоваться преобразованиями Лоренца.

Основные выводы из специальной теории относительности. Из большого количества новых важных результатов, к которым приводит специальная теория относительности, следует выделить несколько, поскольку они значительно изменяли сложившиеся представления.

- Время не абсолютно. В разных системах отсчета оно течет по-разному. Время течет медленнее в системе отсчета, которая движется с более высокой скоростью.

- Скорость света превзойти нельзя.

- С ростом скорости движения масса тела возрастает. Это объясняет, почему тело не может двигаться со скоростью больше скорости света.

- Масса и энергия взаимосвязаны (E=mc ²). Существует единая субстанция – масса-энергия и один закон сохранения.

- Законы Ньютона (и, как следствие, классическая механика) являются частным случаем более общих законов при малых, в сравнении со скоростью света, скоростями движения тел.

Научно-мировоззренческое значение специальной теории относительности заключается в следующем:

соответствует базовым принципам механицизма;

формулирует более общие физические законы (для любых скоростей);

объединяет массу и энергию в единую субстанцию, что способствовало дальнейшему построению единой физической картины мира;

изменяет классическое представление об абсолютности времени;

не использует концепцию эфира, как абсолютной инерциальной системы отсчёта (все инерциальные системы отсчёта равноправны);

устанавливает невозможность превысить скорость света, что имеет важное философское значение.

Дата добавления: 2014-12-07