Постулаты С.Т.О. Опытное обоснование постулатов

· Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном в 1905 г. В ее основе лежат два постулата – принцип относительности Эйнштейна и постулат о постоянстве скорости света в вакууме.

До начала ХХ века считалось, что все физические явления можно свести к механическим явлениям и поэтому принцип относительности Галилея оправдывал себя, позволяя упростить объяснение (описание) опытных фактов. После открытия электромагнитных волн, квантовой механики, ядерной физики оказалось, что разнообразные формы движения материи не сводятся к механическому движению и поэтому вполне естественно возникло обобщение принципа относительности Галилея на всю совокупность физических явлений. Это было сделано А. Эйнштейном и подтверждается всеми имеющимися опытными фактами. Приведем несколько эквивалентных формулировок первого постулатаспециальной теории относительности(принципа относительности Эйнштейна): 1) никакими физическими опытами, находясь внутри ИСО, нельзя установить движется она равномерно и прямолинейно или покоится; 2) все законы физики выглядят, записываются одинаково во всех ИСО; 3) все физические явления протекают одинаково во всех ИСО; 4) все законы физики инвариантны относительно преобразований Лоренца.

Из третьей формулировки первого постулата следует, что преобразования Галилея в С.Т.О. заменяются на преобразования Лоренца.

Согласно второму постулату С.Т.О. скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и не зависит от движения источника и приемника света. Этот постулат является необычным с обычной точки зрения, но он был подтвержден во многих опытах; среди которых наиболее известным является опыт Майкельсона и Морли (1881-1887 гг.).

Отвлекаясь от конкретных исторических аспектов этого опыта можно сказать, что в нем выяснялась зависимость скорости света от движения источника и приемника света. В этом опыте свет от источника делился на два луча, которые отражались от взаимно перпендикулярных зеркал, проходили до встречи одинаковое расстояние 2l и попадали в зрительную трубу, в которой наблюдалась картина интерференции (рис.1.30,а)

Рис.1.30

Вначале луч 1 проходил расстояние вдоль и против скорости Земли

( @30 км/с), а луч 2, двигаясь перпендикулярно к направлению скорости Земли, проходил до встречи с лучом 1 такое же расстояние 2l. Учитывая закон сложения скоростей в классической механике (1.90) для времени t₁ движения луча 1, можно получить следующую формулу:

.

Аналогично можно получить формулу для времени t₂ движения луча 2. Расчеты, проведенные в рамках классической механики, дают что ∆t=(t₁-t₂)>0. Если ориентацию установки изменить на 90⁰, то тогда ∆t=(t₁-t₂)<0 и поэтому оптическая разность хода лучей должна измениться и соответственно должна сместиться картина интерференции. Но этого в опыте не наблюдалось, т.е. время распространения света в обоих направлениях было одинаковым: t₁=t₂.

Отсюда следует вывод, что к скорости света в вакууме неприменим закон сложения скоростей классической механики и она не зависит от движения источника и приемника света – скорость света одинакова во всех направлениях; свет, испущенный по всем направлениям подвижным и неподвижным источниками, будет иметь одинаковую скорость υ = c (рис.1.30,б).

Следствием второго постулата С.Т.О. является тот факт, что предельная скорость передачи взаимодействий в природе является конечной и равной скорости света в вакууме. Это приводит к новым дополнительным свойствам пространства и времени в С.Т.О.

1.5.3. Преобразования Лоренца. Дополнительные свойства пространства и времени в С.Т.О.

Общие свойства пространства и времени остаются и в С.Т.О., поэтому преобразования Лоренца как и преобразования Галилея, будут линейными по координатам и времени. Добавится только коэффициент a, учитывающий второй постулат С.Т.О. и зависящий от скорости движения тела и скорости света в вакууме. Итак, запишем преобразования Лоренца:

Переход из K' в К: Переход из К в К ': (1.90)

Коэффициент a можно найти следующим образом: в начальный момент времени t=0 из начала координат систем отсчёта К и К' (точки О и О') посылаем световой сигнал. Из второго постулата С.Т.О. для координаты точки, которой достиг сигнал, можно записать x=ct, x'=ct^' и поэтому:

(1.91)

Формулы для преобразования времени в (1.90) можно получить из выражений для преобразования координат. Действительно

.

При малых скоростях движения тел u<<c коэффициент a®1 и поэтому преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Поэтому говорят, что классическая механика – это механика малых скоростей движения тел, а релятивистская механика – механика скоростей движения тел, близких к скорости света в вакууме. Релятивистская механика включает в себя как частный случай (u<<c) классическую механику.

Из формул для преобразования времени (1.90) следуют дополнительные свойства пространства и времени в С.Т.О. Во-первых, в формулы для преобразования времени входят координаты, это означает, что пространство и время как две формы существования материи существуют в неразрывном единстве, они взаимосвязаны друг с другом. Во-вторых из формул (1.90) следует, что , т.е. время течет по разному в разных ИСО.

Эти свойства пространства и времени приводят к необычным с обычной точки зрения эффектам, как в кинематике, так и в динамике, они будут рассмотрены в следующих параграфах.

Кинематика С.Т.О.