Физика. 11 класс

Отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли поставил ученых в затруднительное положение, поскольку совершенно не укладывался в сложившиеся веками классические (ньютоновские) представления о свойствах пространства и времени. Это был «вызов века», разрешение которого привело к рождению новых, релятивистских представлений о связи пространства и времени.

Как отмечалось в предыдущем параграфе, физика столкнулась с противоречием между постоянством скорости света в вакууме и классическим законом сложения скоростей. Проиллюстрируем эту проблему на простом примере: автомобиль движется со скоростью  навстречу лучу прожектора. Согласно классическому закону сложения скоростей в системе отсчета «автомобиль» скорость света должна быть равной  c + V. Однако результаты экспериментов решительно утверждают: во всех ИСО скорость света в вакууме равна c.

Для преодоления указанного противоречия пришлось глубоко проанализировать и пересмотреть классические представления о пространстве и времени, в результате чего была создана специальная теория относительности.

В начале XX в. между законами электромагнетизма и классической механики существовали «непримиримые» противоречия.

Основным принципом классической механики является принцип относительности Галилея, согласно которому все инерциальные системы отсчета равноправны по отношению к механическим явлениям. Вследствие этого неизменными (инвариантными) являются такие измеряемые величины, как промежуток времени, длина отрезка, относительная скорость движения двух тел. Например, рассмотрим линейку, движущуюся со скоростью  вдоль оси Ox . Если связать с этой линейкой систему отсчета K' , то длина линейки в ней будет  . Длина линейки в системе отсчета, относительно которой линейка движется со скоростью , будет определяться как  . Тогда находим

Таким образом, длина линейки в классической механике является величиной инвариантной. 

Согласно классическому закону сложения скоростей 

,

где V — скорость движения системы отсчета K′ относительно K,  v′ — скорость тела в ИСО K′ , параллельная скорости  V, v— скорость тела в ИСО K .

Модуль результирующей скорости v тела может достигать сколь угодно большого значения.

Сформулированные Максвеллом и экспериментально подтвержденные законы электродинамики не удовлетворяют принципу относительности Галилея. Результаты многочисленных экспериментов подтвердили, что никакой абсолютной системы отсчета — эфира — не существует. Следовательно, принцип относительности должен выполняться и для электромагнитных явлений. Таким образом, все ИСО равноправны и законы природы в них одинаковы.

Кроме того, посредством многочисленных экспериментов был установлен факт постоянства скорости света в вакууме в любых ИСО. Для преодоления этих противоречий Эйнштейну пришлось изменить классические представления о пространстве и времени.

В 1905 г. молодой немецкий физик Альберт Эйнштейн, который в то время работал техническим экспертом Федерального патентного бюро в г. Берне (Швейцария), создал специальную теорию относительности (СТО), которая описывает различные физические явления в инерциальных системах отсчета.

В основу данной теории Эйнштейн положил два постулата, являющиеся обобщением экспериментальных фактов.

Первый постулат СТО (постулат относительности): во всех инерциальных системах отсчета все физические явления при одинаковых начальных условиях происходят одинаковым образом.

Данный постулат представляет собой обобщение классического принципа относительности на все физические явления. Из него следует, что никакими экспериментами, проведенными внутри ИСО, невозможно установить, покоится она или движется.

Представим себе вагон, движущийся равномерно и прямолинейно без толчков и покачиваний. Можно ли установить факт движения вагона с помощью экспериментов (механических, электромагнитных и любых других), проводимых внутри вагона (т.е. без наблюдения событий, проводимых внутри)? Весь накопленный в физике опыт показывает, что это невозможно, в полном соответствии с первым постулатом СТО.

Первый постулат определенным образом стимулировал появление второго постулата. Как известно, самая большая скорость, измеренная физиками, — это скорость распространения света в вакууме. Для равноправия всех инерциальных систем отсчета необходимо потребовать, чтобы эта предельная скорость была одинаковой во всех ИСО. В противном случае, измеряя эту скорость, можно установить факт движения или, по крайней мере, факт отличия данной системы отсчета от других, что запрещено первым постулатом. Оказалось, что построение строгой теории, объясняющей все известные физические явления в ИСО, невозможно без использования еще одного постулата.

Второй постулат СТО (постулат постоянства скорости света): во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит как от скорости источника, так и от скорости приемника излучения.

Эта скорость является предельной скоростью всех процессов и движений, сопровождаемых переносом энергии.

Эйнштейн показал, что в специальной теории относительности переход от одной ИСО к другой ИСО описывается преобразованиями Лоренца.

Простейший вид эти преобразования принимают в частном случае, когда инерциальная система отсчета K′ движется  относительно ИСО К со скоростью, модуль которой V , например, вдоль оси Ox и в начальный момент времени t = t′ = 0 координатные оси обеих систем совпадают. Координаты и время одного и того же события в двух ИСО K и K′ связаны соотношениями:

, , ,

(1)

Здесь  c — модуль скорости распространения света в вакууме.

Значение  (  при любых значениях модуля скорости V < c) определяет  величину релятивистских эффектов. Формулы (1) впервые были предложены нидерландским физиком Хендриком Лоренцем в 1904 г. для объяснения результатов экспериментов Майкельсона — Морли. 

Как уже говорилось, этот постулат полностью соответствует результатам многократно проводившихся экспериментов, но противоречит классическому закону сложения скоростей.

Эйнштейн разрешил это противоречие, проведя глубокий анализ представлений о времени и пространстве.

В основе этого анализа лежит понятие событие. Под событием понимают некоторое явление, происходящее в определенной точке пространства в определенный момент времени. Понятие «событие» является идеализацией реального явления, происходящего очень быстро в очень малой области пространства. Примером события может служить вспышка света, выстрел орудия, соударение двух частиц, пересечение спортсменом линии финиша и т.д. Для характеристики времени и места события в определенной ИСО достаточно указать три его координаты и момент времени.

События, произошедшие в один и тот же момент времени, называются одновременными. Как уже говорилось, в классической физике принималось положение об абсолютности одновременности: "если два события произошли одновременно в некоторой ИСО, то они одновременны и в любой другой ИСО".

Для этого нужно решить проблему синхронизации часов (рис. 168).

Эйнштейн обратил внимание на то, что абсолютность одновременности вовсе не очевидна. События, одновременные в одной ИСО, могут оказаться не одновременными в другой ИСО, если она движется относительно первой.

Таким образом, одновременность событий – понятие относительное (рис. 169). Отметим, однако, что одновременные события, произошедшие в одном и том же месте, одновременны в любой ИСО. Их одновременность абсолютна.