9. Основы специальной теории относительности

9.1 Введение

Специальная теория относительности (СТО) была создана Эйнштейном в 1905 г. и означала пересмотр всех представлений классической физики и, главным образом, представлений о пространстве и времени. Свойства пространства и времени рассматриваются в ней в тесной связи с законами физических явлений, происходящих в них. Термин специальная или частная означает, что эта теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета.

9.2 Пространство и время в ньютоновской механике

В основе ньютоновской механики лежат следующие представления о пространстве и времени:

Пространство имеет три измерения и подчиняется евклидовой геометрии. Наряду с трехмерным пространством существует независимое от него время. Время и пространство связаны законами движения, например, периодическими колебаниями маятника в часах. Определить время безотносительно какого-либо периодического процесса невозможно.

Размеры твердых тел и промежутки времени между данными событиями одинаковы в разных системах отсчета. Это соответствует ньютоновской концепции абсолютности пространства и времени, согласно которой их свойства считаются независимыми от системы отсчета - пространство и время одинаковы во всех системах отсчета.

Выполняется закон инерции Галилея - Ньютона: тело движется равномерно и прямолинйно в отсутствии внешних воздействий. Закон утверждает существование ИСО, в которых выполняются законы Ньютона и принцип относительности Галилея.

Из этих представлений получены преобразования Галилея, выражающие пространственно- временную связь любого события в разных ИСО.

Справедлив принцип относительности Галилея: все ИСО эквивалентны вмеханическом отношении, все законы механики одинаковы вэтих системах отсчета.

Соблюдается принцип дальнодействия: взаимодействие тел распространяется мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью.

Представления классической механики подтверждались всей совокупностью экспериментальных данных, относящихся к движению со скоростью V с. Однако по мере развития оптики и электродинамики стали возникать вопросы о правомерности распространения принципа относительности Галилея на другие разделы физики, на немеханические явления. Если он справедлив только для механики, то на основе других физических явлений можно в принципе отличить ИСО и найти среди них абсолютную систему отсчета, связанную с некоторой неподвижной средой, в которой свет распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях (эфир).

9.3 Опыт Майкельсона и Морли

Одним из таких явлений, которое, как ожидалось, по разному протекает в различных системах отсчета, является распространение света. Если некоторая ИСО движется со скоростью v относительно эфира, то в этой системе скорость света согласно правилу сложения скоростей Галилея должна быть равна с – v, а при движении в обратном направлении c – v.

Это было проверено в опытах Майкельсона и Морли в 1880 –1887 г.г. Если правило сложения скоростей Галилея выполняется, то из опыта можно было бы обнаружить ”истинную” скорость движения Земли относительно эфира. При движении Земли по орбите с v = 30 км/с свет от источника S направлялся по двум взаимно перпендикулярным направлениям на зеркала А и В, находящиеся на одинаковом расстоянии, затем отражался и возвращался назад, рис.9.1.

Сравнивалось время прохождения путей SAS и SBS относительно движущейся системы отсчета, Земли. Вдоль направления движения и перпендикулярно:

; ; Т.е. меньше . Измерив разность времен можно было бы найти скорость Земли относительно эфира. Однако разность не была обнаружена, что противоречит преобразованиям Галилея. Скорость света вдоль направления Земли оказалась равной скорости света поперек этого направления и не зависит от движения источника. Все попытки объяснения опытов Майкельсона и Морли в рамках классической механики оказались неудачными.

Астрономические наблюдения над двойными звездами, а также спутниками Юпитера также свидетельствуют об этом. Если бы скорость света зависела от скорости звезды, то при движении ее к земному наблюдателю ее скорость была бы равна c+V, а другой, удаляющейся от Земли в это время – c-V, т.е. движение звезды по одной половине орбиты было бы быстрее, чем по другой, т.е было бы апериодическим, что противоречит наблюдениям.

Из уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные явления, также следует постоянство скорости света. Эти уравнения не сохраняются при преобразованиях Галилея.