Специальная теория относительности. Постулаты Эйнштейна

Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном в 1905 г. В ее основе лежат два постулата – принцип относительности Эйнштейна и постулат о постоянстве скорости света в вакууме.

До начала ХХ века считалось, что все физические явления можно свести к механическим явлениям и поэтому принцип относительности Галилея оправдывал себя, позволяя упростить объяснение (описание) опытных фактов. После открытия электромагнитных волн, квантовой механики, ядерной физики оказалось, что разнообразные формы движения материи не сводятся к механическому движению и поэтому вполне естественно возникло обобщение принципа относительности Галилея на всю совокупность физических явлений. Это было сделано А. Эйнштейном и подтверждается всеми имеющимися опытными фактами.

Приведем несколько эквивалентных формулировок первого постулата специальной теории относительности (принципа относительности Эйнштейна):

1) никакими физическими опытами, находясь внутри ИСО, нельзя установить движется она равномерно и прямолинейно или покоится;

2) все законы физики выглядят, записываются одинаково во всех ИСО;

3) все физические явления протекают одинаково во всех ИСО;

4) все законы физики инвариантны относительно преобразований Лоренца.

Из третьей формулировки первого постулата следует, что преобразования Галилея в С.Т.О. заменяются на преобразования Лоренца.

Согласно второму постулату С.Т.О. скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и не зависит от движения источника и приемника света. Этот постулат является необычным с обычной точки зрения, но он был подтвержден во многих опытах; среди которых наиболее известным является опыт Майкельсона и Морли (1881-1887 гг.).

В этом опыте выяснялась зависимость скорости света от движения источника и приемника света. В нем свет от источника делился на два луча, которые отражались от взаимно перпендикулярных зеркал, проходили до встречи одинаковое расстояние 2 l и попадали в зрительную трубу, в которой наблюдалась картина интерференции (рис.).

Вначале луч 1 проходил расстояние вдоль и против скорости Земли (V =30 км/с), а луч 2, двигаясь перпендикулярно к направлению скорости Земли, проходил до встречи с лучом 1 такое же расстояние 2 l. Учитывая закон сложения скоростей в классической механике для времени t ₁движения луча 1, можно получить следующую формулу:

.

Аналогично можно получить формулу для времени t₂ движения луча 2. Расчеты, проведенные в рамках классической механики, дают что Δ t=(t₁-t₂)> 0.

Если ориентацию установки изменить на 90⁰, то тогда Δ t=(t₁-t₂)< 0 и поэтому оптическая разность хода лучей должна измениться и соответственно должна сместиться картина интерференции. Но этого в опыте не наблюдалось, т.е. время распространения света в обоих направлениях было одинаковым: t₁=t₂. Отсюда следует вывод, что к скорости света в вакууме неприменим закон сложения скоростей классической механики и она не зависит от движения источника и приемника света – скорость света одинакова во всех направлениях; свет, испущенный по всем направлениям подвижным и неподвижным источниками, будет иметь одинаковую скорость υ = c (рис.).

Следствием второго постулата С.Т.О. является тот факт, что предельная скорость передачи взаимодействий в природе является конечной и равной скорости света в вакууме. Это приводит к новым дополнительным свойствам пространства и времени в С.Т.О.

Преобразования Лоренца.