Постулаты специальной теории относительности

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 нельзя ли выделить из множества инерциальных систем отсчета главную или абсолютную систему отсчета?

Для ответа на эти вопросы Майкельсоном был осуществ- лен его знаменитый опыт. В эксперименте Майкельсона использовалось движение Земли по ее орбите со скоростью 30км/с. Свет от источника S (рис.1.18) посылался в двух взаимно перпендикулярных направлениях, отражался от зеркал А и В, находящихся на одинаковом расстоянии от источника, и возвращался обратно. В этом опыте сравнивалось время прохождения светом обоих путей: SAS и SBS.

Несмотря на то, что ожидаемая разность времен, определяемая в соответствии с законом сложения скоростей, была чрезвычайно мала, но прибор (интерферометр Майкель- сона) был достаточно чувствительным, чтобы эту разность надежно обнаружить. Тем не менее, результат опыта оказался отрицательным: разность времен не была обнаружена. Последующие, многочисленные опыты подтвердили первоначальный результат.

Отрицательный результат опыта Майкельсона прежде всего показал, что скорость света не зависит от скорости источника. Если бы скорость света зависела от скорости источника, то разность времен была бы различима. Таким образом, было установлено, что скорость света в вакууме является величиной инвариантной, т.е. одинаковой во всех инерциальных системах отсчета.

Глубокий анализ всего экспериментального и теорети- ческого материала, накопленного к тому времени, привел Эйнштейна к созданию специальной теории относительности, связавшей необычный характер распространения света с фундаментальными свойствами пространства и времени. В качестве исходных позиций специальной теории относитель- ности Эйнштейн принял два постулата, в пользу которых, прежде всего, свидетельствовал опыт Майкельсона. Эти постулаты носят название принципа относительности Эйнштейна и принципа постоянства скорости света.

Первый постулат или принцип относительности Эйнштейна представляет собой обобщение принципа относи- тельности Галилея на любые физические процессы: все физические явления протекают одинаковым образом во всех инерциальных системах отсчета; все уравнения, выражаю- щие законы природы, инвариантны, т.е. не меняются, при переходе от одной инерциальной системы к другой.

В соответствии с данным постулатом, все инерциальные системы отсчета эквивалентны по своим физическим свойствам. Никаким опытом нельзя в принципе выделить ни одну из них как предпочтительную, иначе говоря, абсолютной системы отсчета не существует.

Второй постулат выражает принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от движения источника света и одинакова во всех направления, во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света в вакууме является предельной, никакой сигнал, никакое воздействие одного тела на другое не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Именно предельный характер этой скорости и объясняет одинаковость скорости света во всех системах отсчета.

Постулаты специальной теории относительности противоречили классическим представлениям о свойствах пространства и времени, положенных в основу преобра- зований Галилея. В ньютоновской механике считалось само собой разумеющимся, что результаты измерений длины одного и того же стержня когда он покоится, и когда движется, относительно масштабной линейки совпадают. Эйнштейн же считал, что до опыта (a priori) по этому поводу ничего сказать нельзя. Эйнштейн также показал, что существование предель- ной скорости света приводит к тому, что понятие одновременности, считавшееся абсолютным, в действитель- ности является относительным. В разных системах отсчета время течет неодинаково.

Кроме этого, Эйнштейн обратил внимание на то, что физической реальностью обладает не точка пространства и не момент времени, когда что-либо произошло, а только само событие. Для описания события в данной системе отсчета нужно указать место, в котором оно происходит, и момент времени, когда оно происходит.