Постулаты СТО

Традиционная механика Ньютона отлично обрисовывает движение макротел, передвигающихся с малыми скоростями (υ << c). В нерелятивистской физике принималось как тривиальный факт существование одного мирового времени t, схожего во всех системах отсчета.

В базе традиционной механики лежит механический принцип относительности (либо принцип относительности Галилея): законы динамики схожи во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип значит, что законы динамики инвариантны (другими словами неизменны) относительно преобразований Галилея, которые позволяют вычислить координаты передвигающегося тела в одной инерциальной системе (K), если заданы координаты этого тела в другой инерциальной системе (K’). В личном случае, когда система K’ движется со скоростью υ повдоль положительного направления оси x системы K (рис. 7.1.1), преобразования Галилея имеют вид:

x = x’ + υt,   y = y’,   z = z’,   t = t’.

  Подразумевается, что в исходный момент оси координат обеих систем совпадают.

Две инерциальные системы отсчета 1
Набросок 7.1.1. Две инерциальные системы отсчета K и K’.

Из преобразований Галилея следует традиционный закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой:

ux = u’x + υ,   uy = u’y,   uz = u’z.

  Ускорения тела во всех инерциальных системах оказываются схожими:

 Постулаты 100

  Как следует, уравнение движения традиционной механики (2-ой закон Ньютона)  Постулаты 100
не меняет собственного вида при переходе от одной инерциальной системы к другой. К концу XIX века начали скапливаться бывалые факты, которые вступили в противоречие с законами традиционной механики. Огромные затруднения появились при попытках применить механику Ньютона к разъяснению распространения света. Предположение о том, что свет распространяется в особенной среде – эфире, было опровергнуто бессчетными тестами. А. Майкельсон в 1881 году, а потом в 1887 году вместе с Э. Морли (оба – южноамериканские физики) пробовал найти движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») при помощи интерференционного опыта. Облегченная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рис. 7.1.2.

Облегченная схема 2
Набросок 7.1.2. Облегченная схема интерференционного опыта Майкельсона–Морли.  Постулаты 100
– орбитальная скорость Земли.

В этом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона устанавливалось параллельно направлению орбитальной скорости Земли (υ = 30 км/с). Потом прибор поворачивался на 90°, и 2-ое плечо оказывалось нацеленным по направлению орбитальной скорости. Расчеты демонстрировали, что если б недвижный эфир существовал, то при повороте прибора интерференционные полосы должны были сместиться на расстояние, пропорциональное (υ / c)2. Опыт Майкельсона–Морли, не один раз повторенный потом со все более растущей точностью, отдал плохой результат. Анализ результатов опыта Майкельсона–Морли и ряда других тестов позволил прийти к выводу о том, что представления об эфире как среде, в какой распространяются световые волны, неверно. Как следует, для света не существует избранной (абсолютной) системы отсчета.

Движение Земли по орбите не оказывает воздействия на оптические явления на Земле. Исключительную роль в развитии представлений о пространстве и времени сыграла теория Максвелла. К началу XX века эта теория стала общепризнанной. Предсказанные теорией Максвелла электрические волны, распространяющиеся с конечной скоростью, уже отыскали практическое применение – в 1895 году было придумано радио (А. С. Попов). Но из теории Максвелла следовало, что скорость распространения электрических волн в хоть какой инерциальной системе отсчета имеет одно и то же значение, равное скорости света в вакууме.

Отсюда следует, что уравнения, описывающие распространение электрических волн, не инвариантны относительно преобразований Галилея. Если электрическая волна (а именно, свет) распространяется в системе отсчета K’ (рис. 7.1.1) в положительном направлении оси x’, то в системе K свет должен, согласно галилеевской кинематике распространяться со скоростью c + υ, а не c. Итак, на рубеже XIX и XX веков физика переживала глубочайший кризис. Выход был найден Эйнштейном ценой отказа от традиционных представлений о пространстве и времени. Более принципиальным шагом на этом пути явился пересмотр применяемого в традиционной физике понятия абсолютного времени. Традиционные представления, кажущиеся приятными и явными, в реальности оказались несостоятельными.

Многие понятия и величины, которые в нерелятивистской физике числились абсолютными, другими словами не зависящими от системы отсчета, в эйнштейновской теории относительности переведены в разряд относительных. Потому что все физические явления происходят в пространстве и во времени, новенькая концепция пространственно-временных закономерностей не могла не затронуть в конечном итоге всю физику. В базе специальной теории относительности лежат два принципа либо постулата, сформулированные Эйнштейном в 1905 г.

  1. Принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это значит, что во всех инерциальных системах физические законы (не только лишь механические) имеют схожую форму. Таким макаром, принцип относительности традиционной механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электрические. Этот обобщенный принцип именуют принципом относительности Эйнштейна.
  2. Принцип всепостоянства скорости света: скорость света в вакууме не находится в зависимости от скорости движения источника света либо наблюдающего и схожа во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в 100 занимает особенное положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки места в другую.

Эти принципы следует рассматривать как обобщение всей совокупы опытнейших фактов. Следствия из теории, сделанной на базе этих принципов, подтверждались нескончаемыми опытнейшеми проверками. 100 позволила разрешить все трудности «доэйнштейновской» физики и разъяснить «противоречивые» результаты узнаваемых к тому времени тестов в области электродинамики и оптики. В следующее время 100 была подкреплена экспериментальными данными, приобретенными при исследовании движения стремительных частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п. Постулаты 100 находятся в очевидном противоречии с традиционными представлениями.

Разглядим таковой мысленный опыт: в момент времени t = 0, когда координатные оси 2-ух инерциальных систем K и K’ совпадают, в общем начале координат произошла краткосрочная вспышка света. За время t системы сместятся относительно друг дружку на расстояние υt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет иметь радиус ct (рис. 7.1.3), потому что системы равноправны и в каждой из их скорость света равна c.

Кажущееся противоречие 3
Набросок 7.1.3. Кажущееся противоречие постулатов 100.

Исходя из убеждений наблюдающего в системе K центр сферы находится в точке O, а исходя из убеждений наблюдающего в системе K’ он будет находиться в точке O’. Как следует, центр сферического фронта сразу находится в 2-ух различных точках! Причина возникающего недоразумения лежит не в противоречии меж 2-мя принципами 100, а в допущении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к одному и тому же моменту времени. Это допущение заключено в формулах преобразования Галилея, согласно которым время в обеих системах течет идиентично: t = t’. Как следует, постулаты Эйнштейна находятся в противоречии не вместе, а с формулами преобразования Галилея. Потому на замену галилеевых преобразований 100 предложила другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую – так именуемые преобразования Лоренца, которые при скоростях движения, близких к скорости света, позволяют разъяснить все релятивисткие эффекты, а при малых скоростях (υ << c) перебегают в формулы преобразования Галилея. Таким макаром, новенькая теория (100) не отвергла старенькую традиционную механику Ньютона, а только уточнила пределы ее применимости. Такая связь меж старенькой и новейшей, более общей теорией, включающей старенькую теорию как предельный случай, носит заглавие принципа соответствия.