§ 24. Прынцып адноснасці Галілея і электрамагнітныя з’явы. Эксперыментальныя перадумовы спецыяльнай тэорыі адноснасці

Пасля распрацоўкі высокадакладных метадаў вымярэння скорасці святла з’явілася магчымасць праверыць на эксперыменце: ці павялічваецца скорасць святла, калі яго крыніца рухаецца насустрач прыёмніку святла? Ці паменшыцца скорасць святла, калі яны будуць аддаляцца адзін ад аднаго? Іншымі словамі, ці можна, рухаючыся насустрач святлу, павялічыць яго адносную скорасць, а аддаляючыся — паменшыць? І што ж паказалі падобныя эксперыменты?

Інерцыяльнай сістэмай адліку (ІСА) называецца сістэма, у якой пры адсутнасці ўздзеянняў на цела яго скорасць застаецца пастаяннай.
Прынцып адноснасці Галілея: ва ўсіх ІСА ўсе механічныя з’явы пры аднолькавых пачатковых умовах адбываюцца аднолькавым чынам.
Класічны закон складання скарасцей:  дзе  — скорасць руху цела адносна ІСА-1,  — адносна ІСА-2,  — скорасць ІСА-2 адносна ІСА-1.

У навакольным свеце фізічныя працэсы заўсёды адбываюцца ў тым ці іншым пункце (абсягу) прасторы, у той ці іншы момант (прамежак) часу. Напрыклад, дата і месца нараджэння з’яўляюцца абавязковай інфармацыяй аб кожным чалавеку. Адпаведна, прастора і час з’яўляюцца асноўнымі, першаснымі паняццямі фізікі, уласцівасці якіх вядомы з паўсядзённага досведу.

Разнастайныя змяненні, якія адбываюцца з фізічнымі целамі, называюцца з'явамі. Для вывучэння фізічных з'яў выкарыстоўваюцца розныя фізічныя велічыні, якія характарызуюць пэўныя ўласцівасці матэрыі. Аднак прастора і час з'яўляюцца «неразлучнымі спадарожнікамі» матэрыі пры апісанні любых фізічных з'яў. Так, напрыклад, пры механічным руху змяняецца становішча цел у прасторы з цягам часу адносна іншых цел.

Каб адназначна апісаць розныя фізічныя велічыні ў прасторы і часе, неабходна звязаць сістэму каардынат з некаторым целам адліку для вызначэння адлегласцей, а некаторы момант часу прыняць у якасці пачатку адліку прамежкаў часу.

Без вымярэння адлегласцей паміж целамі і прамежкаў часу паміж падзеямі немагчыма вызначыць фізічныя законы, якія апісваюць рух фізічных цел у прасторы і часе. Для вымярэння адлегласцей карыстаюцца маштабамі, г. зн. параўноўваюць адлегласць, якая вымяраецца, з памерамі некаторага цела, што прымаецца за эталон. Для вымярэння часу карыстаюцца гадзіннікамі, у якасці якіх можа выкарыстоўвацца любы перыядычны працэс.

Досвед, назапашаны ў паўсядзённых назіраннях і фізічных эксперыментах, паказвае, што прастора, у якой мы жывем, трохмерная, бо для таго каб вызначыць становішча аднаго цела ў дадзенай сістэме адліку, неабходна ведаць (вымераць) тры яго незалежныя каардынаты. Акрамя таго, прастора валодае ўласцівасцямі аднароднасці і ізатропнасці. Уласцівасці аднароднай прасторы не змяняюцца пры пераходзе ад аднаго яе пункта да іншага, такім чынам, выбіраць пачатак каардынат у такой прасторы можна адвольна. Уласцівасці ізатропнай прасторы аднолькавыя па ўсіх напрамках у ёй, такім чынам, усе восі каардынат у такой прасторы «раўнапраўныя», значыць, іх таксама можна выбіраць адвольна.

Такім чынам, можна сцвярджаць, што «раўнапраўе» ўсіх трох дэкартавых каардынат выбранай сістэмы адліку з'яўляецца вынікам ізатропнасці прасторы, а адвольнасць выбару пачатку каардынат — вынікам яе аднароднасці.

Час таксама валодае ўласцівасцю аднароднасці, паколькі дадзеная фізічная з'ява пры аднолькавых пачатковых умовах працякае аднолькава, незалежна ад моманту яго пачатку. Іншымі словамі, падзенне гарматнага ядра з Пізанскай вежы сёння будзе адбывацца дакладна гэтак жа, як і ў часы Галілея. Вызначэнне паскарэння свабоднага падзення пры выкананні лабараторнай работы ў вас у фізічным кабінеце ў розныя дні тыдня і ў розныя гады дае адзін і той жа вынік .

З прычыны ўласцівасці аднароднасці прасторы час ва ўсіх яе пунктах працякае аднолькава. Гэта азначае, што гадзіннік, змешчаны ў любы абсяг прасторы, будзе адлічваць час з адной і той жа скорасцю. Такім чынам, у выніку аднароднасці прасторы і часу любы фізічны працэс можа быць заўсёды ўзноўлены ў любым пункце прасторы пры адных і тых жа пачатковых умовах. 

Для класічнай механікі характэрна ўяўленне аб абсалютнасці прасторы і часу, калі адлегласці паміж целамі і прамежкі часу не залежаць ад таго, у якой інерцыяльнай сістэме адліку (ІСА) яны вымераны.

У аснове класічнай механікі ляжаць два фундаментальныя прынцыпы:

1) прынцып адноснасці, які сцвярджае, што пры апісанні механічных з'яў усе інерцыяльныя сістэмы адліку раўнапраўныя;

2) прынцып імгненнасці распаўсюджвання ўзаемадзеянняў, паводле якога ўсе ўзаемадзеянні паміж целамі механічнай сістэмы перадаюцца імгненна, з бясконцай скорасцю. З прычыны гэтага стан механічнай сістэмы ў які-небудзь момант часу цалкам вызначаецца значэннямі каардынат і скарасцей усіх часціц сістэмы ў той жа момант часу.

Класічная механіка заснавана на законах Ньютана. Першы закон Ньютана пастулюе існаванне інерцыяльных сістэм адліку, у якіх свабоднае цела (якое не зведвае знешніх уздзеянняў) знаходзіцца ў стане спакою або рухаецца раўнамерна і прамалінейна. Практычна ўсе вядомыя ў фізіцы ўзаемадзеянні спадаюць з павелічэннем адлегласці паміж узаемадзеючымі аб'ектамі. Таму можна лічыць, што цела, аддаленае ад іншых цел на вельмі вялікую адлегласць, практычна не адчувае ўздзеяння з іх боку, г. зн. з'яўляецца свабодным.

Апісанне рухаў, працэсаў, падзей у фізіцы заўсёды праводзяць адносна нейкага абранага цела адліку. Мяркуючы, што гэта цела забяспечана неабходнымі вымяральнымі прыборамі, гавораць аб сістэме адліку. Без указання сістэмы адліку адназначнае апісанне рухаў, працэсаў, падзей немагчымае. У адносінах да абранай сістэмы адліку выконваецца ўпарадкаванне падзей па месцы і часе.

Найважнейшая паняцце механікі — падзея — вызначаецца каардынатамі і момантам часу, у які яна адбылася. Падзеяй называецца фiзiчная з'ява, што адбываецца ў дадзеным пункце прасторы ў дадзены момант часу. Адзначым, што паняцце з'яўляецца абстракцыяй, паколькі рэальныя фiзiчныя падзеі заўсёды маюць некаторую працягласць у часе і прасторы. Адзначым, што ў XVII ст. класічная механіка лічылася лагiчнай асновай электрадынамікі, што было цалкам натуральным вынікам разумення яе ўніверсальнага характару класічнай механікі. Адпаведна лічыцца, што механічныя працэсы складаюцца з асобных падзей.

Становішча падзеі, якая адбываецца ў прасторы, вызначаецца яе каардынатамі, а момант часу падзеі вызначаецца гадзіннікам, размешчаным у тым месцы, дзе яна адбываецца.

У адпаведнасці з прынцыпам адноснасці Галілея законы механікі маюць адзін і той жа від у любых ІСА

Стварэнне спецыяльнай тэорыі адноснасці гістарычна звязана з развіццём электрадынамікі — навукі аб электрычных і магнітных з’явах. За два стагоддзі, якія аддзялялі фізіку Галілея і Ньютана ад фізікі Максвела і Герца, у ёй назапасілася велізарная колькасць новых навуковых фактаў. У той жа час уяўленне аб светабудове грунтавалася на механічнай карціне свету, заснаванай на механіцы Галілея — Ньютана (класічнай механіцы).
Як вядома, у класічнай механіцы такія паняцці, як каардыната, скорасць, траекторыя цела, з’яўляюцца адноснымі — яны змяняюцца пры пераходзе ад адной ІСА да іншай. У той жа час некаторыя паняцці і велічыні ў класічнай фізіцы лічыліся абсалютнымі. Напрыклад, як само сабой зразумелае прымалася палажэнне аб абсалютнасці часу (ход часу аднолькавы ва ўсіх ІСА) і абсалютнасці адначасовасці (падзеі, адначасовыя ў некаторай ІСА, адначасовыя і ў любой іншай ІСА). Відавочным вынікам гэтых уяўленняў з’яўляецца класічны закон складання скарасцей. Паводле гэтага закону пры пераходзе да ІСА, якая рухаецца са скорасцю  насустрач целу, модуль скорасці цела становіцца большым на велічыню, роўную V. Гэта азначае, што ў механіцы Галілея — Ньютана не існуе максімальна магчымай (гранічнай) скорасці.
Такія ўяўленні ўзгадняліся як з паўсядзённым вопытам, так і з вынікамі эксперыментаў у механіцы, акустыцы, гідрадынаміцы і г. д.
Аднак электрамагнітныя працэсы адбываюцца са скарасцямі, параўнальнымі са скорасцю святла, г. зн. значна большымі, чым скорасці руху цел, з якімі мела справу механіка. У сувязі з гэтым узнікаюць пытанні: ці будзе справядлівы прынцып адноснасці Галілея (найважнейшы прынцып класічнай механікі) для электрамагнітных з’яў? Ці залежыць скорасць святла ў вакууме ад руху крыніцы і (ці) прыёмніка выпраменьвання, як гэта павінна быць па класічнай тэорыі? Ці існуе ў прыродзе гранічная скорасць? Для адказу на гэтыя пытанні былі неабходны новыя эксперыменты.
Разглядаючы праблему распаўсюджвання электрамагнітных хваль (святла), карысна звярнуцца да добра вывучаных заканамернасцей паводзін гукавых хваль. Яны могуць распаўсюджвацца толькі ў пругкім асяроддзі — газападобным, вадкім ці цвёрдым. Натуральна прыняць у якасці гіпотэзы, што і для распаўсюджвання святла неабходна некаторае асяроддзе. Яго назвалі сусветным эфірам. Пры такім падыходзе вырашальным становіцца пытанне аб скорасці святла, вымеранай назіральнікам, які рухаецца адносна эфіру.

Прычым эфір павінен быў мець такія ўнікальныя ўласцівасці як:

- нябачнасць і бязважкасць, паколькі ўсе спробы «ўзважыць» яго былі безвыніковымі;
- велізарная жорсткасць, паколькі скорасць пругкіх хваль у асяроддзі залежыць ад яго жорсткасці (пругкасці).

Так, калі ў паветры модуль скорасці гуку , то ў вадзе (больш пругкае асяроддзе) — , у сталі — . Складана ўявіць сабе асяроддзе, пругкасць якога забяспечвала б распаўсюджванне святла са скорасцю, модуль якой ).

Вернемся да аналогіі з гукам. Няхай скорасць гуку ў асяроддзі, якое знаходзіцца ў спакоі, роўна v_зв  . Дослед паказвае, што, як і меркавалася, пры вымярэнні скорасці гуку прыборам, які рухаецца адносна гэтага асяроддзя са скорасцю  насустрач гуку, атрымліваецца велічыня, роўная v_зв  + V . 

А што атрымаецца ў выпадку распаўсюджвання электрамагнітных хваль? Ці залежыць скорасць святла ад руху лабараторыі, у якой право­дзяцца вымярэнні гэтай скорасці?
У якасці лабараторыі (), якая хутка рухаецца , было прапанавана выкарыстоўваць Зямлю. Калі лічыць, што Зямля пры сваім абарачэнні вакол Сонца рухаецца скрозь нерухомы эфір, то ў лабараторыі, змешчанай на Зямлі, трэба чакаць з’яўлення так званага «эфірнага ветру» (падобна таму як узнікае сустрэчны паток паветра пры яздзе на матацыкле ў зацішнае надвор’е). Як паўплывае «эфірны вецер» на скорасць святла ў сістэме адліку «Зямля»?
У 1887 г. амерыканскія фізікі А. Майкельсан і Р. Морлі правялі эксперымент, дакладнасць вымярэнняў у якім была дастатковай для выяўлення ўплыву «эфірнага ветру».
Разбяром схему іх эксперыментальнай устаноўкі, якая атрымала назву інтэрферометр Майкельсана (мал. 167). Ён складаўся з аптычнай прылады, размешчанай на масіўнай каменнай платформе, якая плавала ў басейне з ртуццю. Такая канструкцыя практычна выключала ўплыў механічных ваганняў платформы на аптычныя працэсы.

Святло ад крыніцы S з дапамогай паўпразрыстай пласціны П дзя­лілася на два ўзаемна перпендыкулярныя прамені 1 і 2 (гл. мал. 167). Прамені адбіваліся ад люстраў М₁ і М₂, а затым зводзіліся разам і траплялі на дэтэктар D. У выніку складання гэтых праменяў атрымлівалася інтэрферэнцыйная карціна (з дапамогай дэтэктара назіраліся цёмныя і светлыя палосы, што чаргуюцца).
Чакалася, што гэта карціна будзе істотна залежаць ад арыентацыі інтэрферометра ў адносінах да напрамку руху Зямлі адносна () «нерухомага» эфіру (гл. мал. 167). Сапраўды, калі першы з пучкоў накіраваны ўздоўж скорасці , а другі — перпендыкулярна да яе, то «эфірны вецер» будзе неаднолькавым для гэтых праменяў. Адпаведна, будуць рознымі і часы праходжання святла для праменяў 1 і 2 ад крыніцы S да прыёмніка D, г. зн. з’явіцца дадатковая «рознасць ходу» светлавых хваль, якія інтэрферыруюць.
Пры павароце платформы на 90° прамені «мяняліся месцамі» і, адпаведна, павінна была змяніцца рознасць ходу. Як паказвалі раз­лікі, гэта прывяло б да зрушэння інтэрферэнцыйнай карціны на 0,4 шы­рыні інтэрферэнцыйнай паласы. Аднак чаканае зрушэнне не было выяўлена, хоць інтэрферометр Майкельсана дазваляў назіраць зрух інтэр­ферэнцыйнай карціны нават на 0,01 паласы.
Эксперыменты паўтараліся ў розны час сутак і ў розныя поры года (г. зн. пры розных напрамках скорасці інтэрферометра адносна эфіру). Аднак зрушэнне інтэрферэнцыйнай карціны так і не было выяўлена. Гэта было настолькі ж неверагодна і падобна да таго, калі вы пры яздзе на матацыкле не адчулі б сустрэчнага паветранага патоку.
Вынікі эксперымента Майкельсана — Морлі і шматлікіх іншых эксперыментаў па вымярэнні скорасці святла прывялі да вываду аб незалежнасці скорасці святла ў вакууме як ад руху прыёмніка, так і ад руху крыніцы выпраменьвання. Уяўленні аб існаванні сусветнага эфіру аказаліся беспадстаўнымі.

Дадзены факт быў адной з найвялікшых загадак фізікі канца XIX — пачатку ХХ ст. Выявілася відавочная супярэчнасць паміж вынікамі эксперыментаў і класічнымі ўяўленнямі. Так, пры пераходзе ад адной ІСА да іншай, паводле класічнага закону складання скарасцей, да скорасці святла павінна вектарна дадавацца скорасць руху гэтых ІСА адна адносна адной. Аднак вынікі эксперыментаў упарта сцвярджалі, што скорасць святла ў вакууме пастаянная і ва ўсіх ІСА аднолькавая.

Гэтыя эксперыменты паўтараліся ў розны час сутак і розныя поры года, але рух Зямлі адносна эфіру не быў выяўлены. У цяперашні час, дзякуючы развіццю тэхнікі, дадзены эксперымент можна правесці ў лабараторных умовах (мал. 167-1).

Адмоўны вынік вопыту Майкельсона—Морлі быў адной з найвялікшых загадак фізікі канца XIX — пачатку ХХ ст.

Гэта быў выклік механічнай карціне свету, якая складалася ста­годдзямі.
Выдатныя вучоныя таго часу (А. Пуанкарэ, Г. А. Лорэнц і інш.) прапанавалі шэраг карысных ідэй для тлумачэння гэтай супярэчнасці. Аднак вырашальны крок быў зроблены ў 1905г. 25-летнім фізікам Альбертам Эйнштэйнам, які працаваў тады тэхнічным экспертам Федэральнага патэнтнага бюро ў Берне (Швейцарыя). Ім была прапанавана новая тэорыя прасторы і часу, якая атрымала назву спецыяльная тэорыя адноснасці. Гэта рэвалюцыйная тэорыя дазволіла не толькі растлумачыць вынік эксперымента Майкельсана — Морлі, але і паклала пачатак новаму этапу развіцця фізікі.

У 1907г. Альберт Майкельсон атрымаў Нобелеўскую прэмію па фізіцы за стварэнне дакладных аптычных інструментаў, а таксама спектраскапічныя, і метралагічныя даследаванні, выкананыя з іх дапамогай.

Пытаннi да параграфу

1. У чым заключаецца ўласцівасць аднароднасці прасторы?
2. У чым заключаецца ўласцівасць ізатропнасці прасторы?
3. Якія фундаментальныя прынцыпы ляжаць у аснове класічнай механікі?
4. На падставе якіх фактаў робіцца выснова, што прастора, у якой мы жывем, аднародная і ізатропная, а час аднародны?
5. Дайце азначэнне падзеі.
6. Сфармулюйце прынцып адноснасці Галілея.
7. Якія велічыні ў механіцы Ньютана лічыліся адноснымі, а якія — абсалютнымі?
8. Якія цяжкасці ўзнікаюць пры прымяненні прынцыпу адноснасці Галілея ў электрадынаміцы
9. Сфармулюйце закон складання скарасцей у класічнай механіцы.
10. Апішыце эксперымент Майкельсана — Морлі.
11. У чым заключаецца супярэчнасць паміж класічным законам складання скарасцей і данымі эксперыментаў па вымярэнні скорасці святла?
12. Якую ролю адыграў эксперымент Майкельсана — Морлі ў развіцці фізікі?