5. Элементы теории относительности

Согласно классической механике Ньютона пространство есть беспредельная пустота, существующая сама по себе, независимо от того, есть ли в ней какие-либо тела или нет. Пространство имеет три измерения. Оно неподвижно и неизменно, проницаемо для тел.

Время по Ньютону есть существующая сама по себе бесконечная длительность. Время течёт равномерно и безостановочно от прошлого к будущему, независимо от того, происходят при этом какие-либо события или не происходят.

Движение тел описывается в выбранных системах отсчета. Согласно принципу относительности Галилея все механические явления в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Это означает, что никакими механическими опытами, проводимыми «внутри» данной инерциальной системы, нельзя установить, покоится эта система отсчёта или движется. Во всех инерциальных системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, одинаковы и все законы механики.

А можно ли находясь «внутри» инерциальной системы отсчета установить её движение с помощью оптических и электродинамических опытов? В конце 19-го века были предприняты попытки определить скорость движения Земли относительно светоносного эфира, заполняющего по представлениям того времени всё мировое пространство. В знаменитом опыте Майкельсона-Морли исследовалось влияние «эфирного ветра» на скорость светового луча, посланного в различных направлениях относительно вектора скорости движения Земли вокруг Солнца. В упрощенном виде идея опыта состояла в следующем.

Пусть на расстоянии от источника светаS помещено зеркало M (рис. 1.46). Если зеркало неподвижно, то свет дойдет до него за время ,– скорость света в вакууме. Пусть теперь источник и зеркало движутся вперед в направлении скорости движения Земли . Если свет тратит на путь до зеркала времяt_в, то зеркало «убежит» от луча на расстояние . Время распространения света от источникаS до зеркала M:

Рис. 1.46.

а в противоположном направлении (против вектора скорости Земли )

Опытные же данные показали, что оба времени иоднинаковы. Это противоречие долгое время вызывало недоумение и было впоследствии устранено специальной теорией относительности, построенной Эйнштейном.

1.12.1. Постулаты Эйнштейна

В основе специальной теории относительности лежат два постулата, выдвинутых Эйнштейном:

• I постулат (релятивистский принцип относительности).

В любых инерциальных системах отсчёта все физические явления (механические, электрические, магнитные, световые и др.) при одних и тех же условиях протекают одинаково, т. е. никакими физическими опытами невозможно установить, движется ли данная система отсчета равномерно и прямолинейно или покоится.

• II постулат (принцип инвариантности скорости света в вакууме).

Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света и приёмника (наблюдателя). Она одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.

Постулаты специальной теории относительности противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в классической физике, а также так называемому “здравому смыслу”. Поясним одно из противоречий на следующем примере (рис. 1.47). Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта: и . Системадвижется вдоль осиx системы с постоянной скоростью. В момент начала отсчёта времени (), когда начала координат обеих систем совпадали, в точкеО произошла вспышка света. К моменту времени t свет в системе достигнет точек поверхности сферы с центром в точкеO радиусом равным ct. Согласно постулатам специальной теории относительности скорость света в обеих системах одинакова. Предположим, что, как и в классической механике, ход времени в обеих системах одинаков (). Тогда свет в системедостигнет точек сферы того же радиуса, что и в системе, но с центром в точке. Таким образом, соединение постулатов специальной теории относительности и классических представлений об абсолютном времени приводит к абсурду – свет вспышки должен одновременно достигать точек пространства, принадлежащих двум разным сферам.

Рис. 1.47.

Революционная теория Эйнштейна заставила пересмотреть классические представления о пространстве и времени и показала, что пространство и время взаимосвязаны. Существует единый пространственно-временной континуум, каждая точка которого характеризуется событием, определяемым четырьмя координатами (x, y, z, t).