Глава 7. Элементы специальной теории относительности(СТО)

СТО создана Эйнштейном в 1905 г. Она представляет собой физическую теорию пространства и времени для случая пренебрежимо слабых гравитационных полей.

Основу этой теории образуют два постулата.

1. Принцип относительности Эйнштейна

Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, или уравнения, выражающие законы природы, инвариантны по отношению к преобразованиям координат и времени от одной ИСО к другой ИСО.

 2. Принцип постоянства скорости света

 Скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и не зависит от движения источников и приемников света.

Поясним второй постулат.

В классической механике взаимодействие тел с помощью потенциальной энергии предполагает мгновенное распространение взаимодействий. В действительности существует максимальная конечная скорость распространения взаимодействий, выше которой в природе взаимодействие осуществляться не может. Эта скорость равна скорости распространения света в вакууме .

В классической механике пространство и время рассматривались независимо друг от друга. Ньютон считал, что существует абсолютное пространство (эфир) и абсолютное время. Считалось, что время во всех ИСО течет одинаково, т.е. два события, одновременные в одной ИСО, считаются одновременными в любой другой ИСО. Это противоречит принципу постоянства скорости света в любых ИСО. Из классических представлений скорость света должна быть различной в разных ИСО, например она должна быть различной в направлении движения света к Земле (неподвижной системе отсчета) и в направлении движения света от Земли. Это противоречит опыту, который показывает, что скорость света не зависит от направления его распространения.

Постоянство скорости света приводит к тому, что пространство и время оказываются взаимосвязанными, образуя единое пространство-время. В этом воображаемом четырехмерном пространстве по трем осям откладывают координаты , а по четвертой координату , имеющую размерность координаты. В этом четырехмерном пространстве точка с координатами называется мировой точкой.

Всякой частице, даже неподвижной, соответствует в четырехмерном пространстве некоторая линия – мировая линия (для покоящейся частицы она имеет вид прямой линии, параллельной оси ).

Преобразования Галилея верны для . В релятивистской механике эти преобразования находятся в противоречии с принципом 2. Поэтому, для , потребовались новые преобразования, удовлетворяющие постулатам Эйнштейна. Такие преобразования предложил Лоренц в 1904 году, еще до появления СТО.