Вопрос 30. Специальная теория относительности: проблема равноправия инерциальных систем отсчета.

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как время, масса, ускорение, сила остаются неизменными, т.е. инвариантными. В то же время координата, скорость, импульс, кинетическая энергия изменяются, т.е. являются вариантными. Инвариантность времени, массы, ускорения и силы при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой и отражено в принципе относительности Галилея (механический принцип относительности).

Возникает вопрос: будут ли ИСО равноправны не только с точки зрения механики, но и с точки зрения физики в целом? Всегда ли верны представления классической механики и, в частности, преобразования Галилея?

Большой вклад в решение этого вопроса внесли исследования природы света и законов его распространения. В середине 19 века были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме . Сразу же возник вопрос: в какой системе отсчета? Ведь из механики Галилея-Ньютона следовало, что

,

где – скорость относительно неподвижной системы отсчета, – скорость света в системе отсчета, – скорость движущейся системы отсчета относительно неподвижной.

Вначале предполагалось, что эфир – среда, в которой распространяется свет, и является «самой лучшей», «абсолютной системой отсчета». Считалось, что свет распространяется в заполняющем все пространство эфире подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе. Были выдвинуты и проверены гипотезы абсолютно неподвижного эфира, полного и частичного увлечения эфира движущимися телами. Однако при этом возникли большие трудности не только в разработке и постановке экспериментов, но и в истолковании их результатов.

В результате опытов Майкельсона в 1881 году, а также более поздних, было установлено, что скорость света в вакууме во всех системах отсчета, независимо от величины и направления скорости их движения, оставалась такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света. Идея Майкельсона и Морли заключалась в том, что свет, распространяясь в эфире, должен иметь в различных направлениях разные скорости. Так, если поднимается ветер, то звук распространяется медленнее против ветра, в то время как с попутным ветром его скорость увеличивается.

Наша Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, непрерывно меняя при этом направление движения, из-за чего оба исследователя ожидали в один прекрасный момент почувствовать, как подует в лицо «эфирный ветер». Они сконструировали чувствительнейшую аппаратуру, с помощью которой предполагали «почувствовать» этот ветер и тем самым определить скорость света. Если бы опыт Майкельсона и Морли удался, мы могли бы сказать, что тело, неподвижное относительно эфира, находится в абсолютном покое, поскольку оно не чувствует никакого ветра. Результат опыта был отрицательный. Майкельсон и Морли не зафиксировали никакого «ветра», свет продолжал распространяться со скоростью 300000 км/с во всех направлениях и во все времена года.

Результат выглядел парадоксальным. Ведь, казалось бы, если мы движемся навстречу свету, то он должен к нам приближаться со скоростью, равной сумме нашей скорости и собственной скорости , точно так же, как в случае встречных автомобилей на шоссе.

Это означало, что классический закон сложения скоростей для света не выполняется.

Таким образом, опыты Майкельсона и Морли опровергли концепцию мирового эфира и подтвердили постоянство скорости света. Скорость света, таким образом, является мировой константой, т.е. такой физической величиной, которая имеет смысл при описании любого известного в настоящее время процесса, даже если в явном виде она и не участвует в таком описании. Фактически, если не считать гравитационную постоянную , скорость света стала первой фундаментальной мировой константой (результаты опытов Майкельсона – Морли были опубликованы в 1887 году). М.Планк в своем знаменитом докладе на съезде Немецкого физического общества 14 декабря 1900 г. ввел в обращение другую константу , впоследствии названной его именем. Постоянная Планка легла в основу квантовой физики.

Наконец, в 1911 году достоянием научной общественности стали результаты опытов Р.Милликена, в которых была установлена величина заряда электрона е, открытого Дж.Дж.Томсоном в 1897 году.

Мировые фундаментальные константы – это не просто числа, которые следует использовать при различных расчетах. Вместе со значениями масс электрона, нейтрона и протона они определяют систему единиц, в которой могут быть описаны почти все известные на сегодня явления.