Постулаты Теории Относительности

Основной постулат теории Эйнштейн короток и обманчиво прост:

Скорость света одинакова во всех направлениях и для всех наблюдателей, независимо от того, движутся они или покоятся.

Вполне очевидно, что объявление такого постулата легко и сразу объясняет все результаты опытов Майкельсона. Скорость светового сигнала в обоих плечах интерферометра (прямо по тексту постулата) одна и та же, и не зависит от скорости и направления движения Земли. Вращение интерферометра вокруг своей оси также не может повлиять (согласно постулату) на распространение светового сигнала. Однако парадоксальность ситуации сохраняется. В самом деле, если один наблюдатель установил, что световой сигнал распространяется со скоростью , то как с этим может согласиться другой наблюдатель, перемещающийся в направлении сигнала? Кажется вполне очевидным − если сигнал распространяется со скоростью света относительно первого наблюдателя, то для второго (движущегося в направлении сигнала) наблюдателя скорость распространения светового сигнала должна быть иной.

Парадоксальность постулата Эйнштейна можно проиллюстрировать обсуждением такого риторического вопроса: ”Посланный световой сигнал подобен пуле или же звуку выстрела?” Представим, что машинист движущегося поезда выстрелил по террористам, перекрывшим путь поезду. Выпущенная им пуля добавила к своей обычной начальной скорости[74] скорость поезда (ещё 10- 20 метров в секунду). Звук же от произведенного машинистом выстрела распространяется по воздуху со своей обычной скоростью (примерно 330 м/с). Неподвижный наблюдатель на земле[75] зафиксировал бы своими объективными измерениями, что звук выстрела распространяется, как обычно, а вот выпущенная с движущегося поезда пуля летит быстрее обычного. Если бы аналогичные измерения скоростей проводил сидящий рядом с машинистом помощник[76], то он объективно зафиксировал бы, что пуля летит с положенной ей конструктором оружия скоростью, а вот звук выстрела распространяется впереди поезда медленнее обычного[77]. Применение постулата Эйнштейна к этой ситуации дает противоречивый ответ: для движущихся (на поезде) наблюдателей, световой импульс ведет себя подобно пуле, а для неподвижных наблюдателей на земле световой сигнал подобен звуку выстрела!

Дерзкий и смелый постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света не противоречил, однако, основным представлениям физической теории. В начале ХХ века этот постулат вполне удачно гармонировал с представлениями других ученых об устройстве окружающего нас мира. В частности, в самом начале ХХ века знаменитый французский математик и философ Анри Пуанкаре (1854 – 1912)[78] опубликовал свою интерпретацию экспериментов Майкельсона и Морли. В своих работах Пуанкаре отмечал, что с момента появления в физике XVII века принципа инерции [79] такие концепции как " абсолютное движение " и " абсолютный покой " не могут использоваться при развитии физической теории. В соответствии с принципом инерции любой предмет, который перемещается по прямой линии с постоянной скоростью, может рассматриваться как неподвижный. Пуанкаре полагал, что результаты опытов Майкельсона являются конкретным проявлением общего принципа относительности: никакой физический эксперимент не может доказать существования “абсолютного движения” [80]. Эйнштейн, не имевший в то время никаких представлений об идеях Пуанкаре, тем не менее реализовал их в своей теории. После выполненного Эйнштейном пересмотра базовых физических концепций, постулат о постоянстве скорости света не только не нарушал, но, напротив, дополнял принцип относительности.

При создании теории относительности Эйнштейн ясно понимал, что его постулат не только директивно (как указ!) решает все проблемы, связанные с распространением света, но и затрагивает фундаментальные физические представления о пространстве и времени. В своей теории он подробно рассмотрел следствия своего постулата, а также проанализировал, способна ли физическая теория принять и использовать эти положение для своего дальнейшего развития. При знакомстве с теорией относительности всегда надо помнить: основные положения теории Эйнштейна очень просты и незамысловаты, однако следствия из этих положений не всегда “дружат” со здравым смыслом. При изучении основ теории относительности вполне нормальна такая реакция " я думаю, что понимаю это; но только я не верю этом у” [81]. Начинающему ученому обычно требуется примерно пять лет тесного контакта с идеями теории относительности, чтобы чувствовать себя свободно в этой области физики. Это вызвано не тем, что теория относительности математически сложна и замысловата[82], а, тем, что с позиций повседневного опыта, многие выводы теории относительности кажутся, мягко говоря, странными.

При знакомстве с основами теории относительности всегда полезно помнить: ” если что-то случилось далеко, то новостям об этом событии, даже распространяющимся со скоростью света, требуется некоторое время для того, чтобы шокировать нас“ Практически все кажущиеся парадоксы теории относительности могут быть объяснены с помощью этого незамысловатого правила. Любой наблюдатель, (или наблюдательница, если следовать принципам современной политкорректности), может использовать постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света. Наблюдатели, находящиеся в относительном (друг относительно друга или подруги) движении, зафиксируют одно и то же событие (взрыв сверхновой звезды или же фейерверк, отмечающий наступление Нового Года в Поднебесной) с разной временнóй задержкой. Эти разные люди могут в совпадающих деталях описать наблюдаемое ими событие, но никогда не смогут договориться о том, когда это событие произошло. Таким образом, разные наблюдатели по-разному интерпретируют одно и то же событие. Однако нужно последовательно придерживаться принципа: можно спорить о месте и о моменте времени, когда произошло то или иное событие, но надо отметать, как нарушение постулата Эйнштейна, любую ситуацию, в которой нарушаются причинно – следственные связи рассматриваемых событий.