Фізіка. 11 клас

Адмоўны вынік доследу Майкельсана — Морлі паставіў вучоных у цяжкае становішча, паколькі зусім не ўкладваўся ў класічныя (ньютанаўскія) уяўленні аб уласцівасцях прасторы і часу, якія склаліся за стагоддзі. Гэта быў «выклік стагоддзя», рашэнне якога прывяло да нараджэння новых, рэлятывісцкіх уяўленняў аб сувязі прасторы і часу.

Як адзначалася ў папярэднім параграфе, фізіка сутыкнулася з супярэчнасцю паміж пастаянствам скорасці святла ў вакууме і класічным законам складання скарасцей. Праілюструем гэту праблему на простым прыкладзе: аўтамабіль рухаецца са скорасцю  насустрач праменю пражэктара. Паводле класічнага закону складання скарасцей у сістэме адліку «аўтамабіль» скорасць святла павінна быць роўнай c + V. Аднак вынікі эксперыментаў рашуча сцвярджаюць: ва ўсіх ІСА скорасць святла ў вакууме роўна c.

Для пераадолення дадзенай супярэчнасці прыйшлося глыбока прааналізаваць і перагледзець класічныя ўяўленні аб прасторы і часе, у выніку чаго была створана спецыяльная тэорыя адноснасці.

У пачатку XX ст. паміж законамі электрамагнетызму і класічнай механікі існавалі «непрымірымыя» супярэчнасці.

Асноўным прынцыпам класічнай механікі з'яўляецца прынцып адноснасці Галілея, згодна з якім усе інерцыяльныя сістэмы адліку раўнапраўныя ў адносінах да механічных з'яў. З прычыны гэтага нязменнымі (інварыянтнымі) з'яўляюцца такія вымяраемыя велічыні, як прамежак часу, даўжыня адрэзка, адносная скорасць руху двух цел. Напрыклад, разгледзім лінейку, якая рухаецца са скорасцю  уздоўж восі О_х. Калі звязаць з гэтай лінейкай сістэму адліку K', то даўжыня лінейкі ў ёй будзе  . Даўжыня лінейкі ў сістэме адліку, адносна якой лінейка рухаецца са скорасцю  , будзе вызначацца як  . Тады знаходзім

Такім чынам, даўжыня лінейкі ў класічнай механіцы з’яўляецца велічынёй інварыянтнай.

Згодна з класічным законам складання скарасцей

,

дзе V — скорасць руху сістэмы адліку K′ адносна K ,  v′— скорасць цела ў ІСА K′, паралельная скорасці  V, v — скорасць цела ў ІСА K.

Модуль выніковай скорасці v  цела можа дасягаць заўгодна вялікага значэння.

Сфармуляваныя Максвелам і эксперыментальна пацверджаныя законы электрадынамікі не задавальняюць прынцып адноснасці Галілея. Вынікі шматлікіх эксперыментаў пацвердзілі, што ніякай абсалютнай сістэмы адліку — эфіру — не існуе. Такім чынам, прынцып адноснасці павінен выконвацца і для электрамагнітных з'яў. Значыць, усе ІСА раўнапраўныя і законы прыроды ў іх аднолькавыя.

Акрамя таго, з дапамогай шматлікіх эксперыментаў быў устаноўны факт пастаянства скорасці святла ў вакууме ў любых ІСА. Для пераадолення гэтых супярэчнасцей Эйнштэйну прыйшлося змяніць класічныя ўяўленні аб прасторы і часе.

У 1905 г. малады нямецкі фізік Альберт Эйнштэйн, які ў той час працаваў тэхнічным экспертам Федэральнага патэнтнага бюро ў г. Берне (Швейцарыя), стварыў спецыяльную тэорыю адноснасці (СТА), якая апісвае розныя фізічныя з'явы ў інерцыяльных сістэмах адліку. 

У аснову дадзенай тэорыі Эйнштэйн паклаў два пастулаты, якія з’яўляюцца абагульненнем эксперыментальных фактаў.
Першы пастулат СТА (пастулат адноснасці): ва ўсіх інерцыяльных сістэмах адліку ўсе фізічныя з’явы пры аднолькавых пачатковых умовах адбываюцца аднолькавым чынам.
Дадзены пастулат уяўляе сабой абагульненне класічнага прынцыпу адноснасці на ўсе фізічныя з’явы. З яго вынікае, што ніякімі эксперыментамі, праведзенымі ўнутры ІСА, немагчыма вызначыць, знаходзіцца яна ў спакоі ці рухаецца.
Уявім сабе вагон, які рухаецца раўнамерна і прамалінейна без штуршкоў і калыханняў. Ці можна ўстанавіць факт руху вагона з дапамогай эксперыментаў (механічных, электрамагнітных і любых іншых), якія праводзяцца ўнутры яго? Увесь назапашаны ў фізіцы досвед паказвае, што гэта немагчыма ў поўнай адпаведнасці з першым пастулатам СТА.

Першы пастулат пэўным чынам стымуляваў з'яўленне другога пастулату. Як вядома, самая вялікая скорасць, вымераная фізікамі, — гэта скорасць распаўсюджвання святла ў вакууме. Для раўнапраўя ўсіх інерцыяльных сістэм адліку неабходна запатрабаваць, каб гэта гранічная скорасць была аднолькавай ва ўсіх ІСА. У адваротным выпадку, вымяраючы гэту скорасць, можна ўстанавіць факт руху або, па меншай меры, факт адрознення дадзенай сістэмы адліку ад іншых, што забаронена першым пастулатам. Аказалася, што пабудова строгай тэорыі, якая тлумачыла б усе вядомыя фізічныя з'явы ў ІСА, немагчыма без выкарыстання яшчэ аднаго пастулату.

Другі пастулат СТА (пастулат пастаянства скорасці святла): ва ўсіх інерцыяльных сістэмах адліку скорасць святла ў вакууме аднолькавая і не залежыць ні ад скорасці крыніцы, ні ад скорасці прыёмніка выпраменьвання.

Гэта скорасць з'яўляецца крайняй скорасцю ўсіх працэсаў і рухаў, якія суправаджаюцца пераносам энергіі.

Эйнштэйн паказаў, што ў спецыяльнай тэорыі адноснасці пераход ад адной ІСА да іншай ІСА апісваецца пераўтварэннямі Лорэнца.

Найпрасцейшы выгляд гэтыя пераўтварэнні прымаюць у прыватным выпадку, калі інерцыяльная сістэма адліку  рухаецца адносна ІСА К  са скорасцю, модуль якой , напрыклад уздоўж восі Ох і ў пачатковы момант часу  каардынатныя восі абедзвюх сістэм супадаюць. Каардынаты і час адной і той жа падзеі ў дзвюх ІСА  і  звязаны суадносінамі:

, , ,

(1)

Тут  c — модуль скорасці распаўсюджвання святла ў вакууме..

Значэнне  (  пры любых значэннях модуля скорасці V < c) вызначае велічыню рэлятывісцкіх эфектаў. Формулы (1) упершыню былі прапанаваны нідэрландскім фізікам Хендрыкам Лорэнцам у 1904 г. для тлумачэння вынікаў эксперыментаў Майкельсона—Морлі.

Як ужо гаварылася, гэты пастулат цалкам адпавядае вынікам шмат­лікіх эксперыментаў, але супярэчыць класічнаму закону складання скарасцей.
Эйнштэйн рашыў гэту супярэчнасць, правёўшы глыбокі аналіз уяўленняў аб часе і прасторы.

У аснове гэтага аналізу ляжыць паняцце падзея. Пад падзеяй разумеюць некаторую з’яву, якая адбываецца ў пэўным пункце прасторы ў пэўны момант часу. Паняцце «падзея» з’яўляецца ідэалізацыяй рэальнай з’явы, якая адбываецца вельмі хутка ў вельмі малым абсягу прасторы. Прыкладам падзеі можа служыць успышка святла, стрэл гарматы, сутыкненне дзвюх часціц, перасячэнне спартсменам лініі фінішу і г. д. Для характарыстыкі часу і месца падзеі ў пэўнай ІСА дастаткова пазначыць тры яе каардынаты і момант часу.

Падзеі, што адбыліся ў адзін і той жа момант часу, называюцца адначасовымі. Як ужо гаварылася, у класічнай фізіцы прымалася палажэнне аб абсалютнасці адначасовасці: «калі дзве падзеі адбыліся адначасова ў некаторай ІСА, то яны адначасовыя і ў любой іншай ІСА».
Для праверкі гэтага патрэбна мець сінхранізаваныя гадзін­нікі (мал. 168).
Эйнштэйн звярнуў увагу на тое, што абсалютнасць адна­ча­совасці зусім не ві­да­вочная. Падзеі, адначасовыя ў адной ІСА, могуць аказацца не адначасовымі ў іншай ІСА, калі яна рухаецца адносна першай.
Такім чынам, адначасовасць падзей — паняцце адноснае (мал. 169). Адзначым, аднак, што адначасовыя падзеі, якія адбыліся ў адным і тым жа месцы, адначасовыя ў любой ІСА. Іх адначасовасць абсалютная.