Постулаты теории относительностиЭлектромагнитное поле и принцип относительности.

Вспомним замечательные экспериментальные факты: поворот магнитной стрелки вблизи провода, по которому протекает электрический ток (опыты Эрстеда, 1820 г.), и взаимодействие проводов с током (эксперименты А. Ампера, 1820—1823 гг.). Их теоретическое объяснение, как известно, основано на представ­лении о магнитном поле. Согласно этому представлению элект­рический ток или движущиеся заряды являются источником маг­нитного поля, которое экспериментально обнаруживается по его действию на другой ток, или движущийся заряд, или магнитную стрелку.

Покоящийся заряд связан с электростатическим полем, движущийся заряд – с электромагнитным полем. Это значит, что поля покоящихся и движущихся зарядов, в частности движущихся равномерно и прямолинейно, не равноценны.

Если обратиться к классическому принципу относительности, то мы здесь приходим к противоречию. Действительно, рассмот­рим инерциальные системы отсчета К и К0, причем по­следняя связана с движущимся равномерно и прямолинейно за­рядом. Согласно принципу относительности мы уверены их механическом равноправии. Но кажется сомнительной симметрия систем отсчета К и К0 в отношении электромагнитных явлений, так кар в системе отсчета К есть кроме электрического еще и электромагнитное поле.

Эфир и опыт Майкельсона.

Экспериментально установлено, что магнитное поле возникает при движении заряда в вакууме. В прошлом веке пытались понять это явление как механический процесс, и ученым представлялось разумным и естественным выдвинуть гипотезу о существовании особой материальной среды, названной эфиром, которая заполняет все пространство (в том числе и физические тела). Впервые эту гипотезу выдвинул в 1678 г. Гюйгенс, рассматривая эфир как среду, в которой рас­пространяются световые волны подобно звуковым волнам в упру­гих средах. Асимметрия в состоянии покоя и движения заряда должна проявляться во взаимодействии движущегося заряда с эфиром, если считать последний неподвижным. Предполагали, что вследствие этого взаимодействия и возникает магнитное поле.

Однако от такого классически понятного объяснения происхождения электромагнетизма пришлось отказаться после экспери­ментов А. Майкельсона и Э. Морли. Результаты опытов привели к выводу, что гипотеза неподвижного эфира ошибочна.

В эксперименте Майкельсопа — Морли на массивной каменной плите, плавающей в ртути, монтировался специальный интерферометр.

Свет от монохроматического точечного источника по­падал на полупрозрачную пластину и разделялся на два когерент­ных пучка со взаимно перпендикулярными направлениями. После отражения от зеркал, установленных на плите на определенных расстояниях, оба пучка попадали в зрительную трубу, где наблюдалась интерференционная картина. Несимметричность обоих на­правлений распространения света — одно параллельно орбиталь­ной скорости Земли, другое ей перпендикулярно — должна была согласно гипотезе неподвижного эфира повлиять на картину интерференции, если повернуть интерферометр на 90°. Иными словами, «эфирный ветер», дующий в земной лаборатории на встречу орбитальному движению Земли, должен был оказывать различное действие на каждый из световых пучков. Однако наблюдаемая картина интерференции не выявила различий в условиях прохождения света. В рамках эфирной гипотезы этот экспериментальный факт Майкельсон истолковал как ошибочность представления о неподвижности эфира (если он вообще реально существует). Но попытки ввести идею «увлечения эфира» дви­жущимися телами также привела к противоречию с экспери­ментом. Идея эфира оказалась несостоятельной.

Конечность и предельность скорости света.

По теории электро­магнетизма свет представляет собой электромагнитную волну. Экспериментально установлено, что свет может распростра­няться в вакууме. Скорость света была измерена многими фи­сками с использованием различных лабораторных методов и все более точной аппаратуры.

Основные выводы из всех этих экспериментов таковы: ско­рость света в вакууме конечна (т.е. свет распространяется не мгновенно) и приблизительно равна 3,0*108 м/с; она значитель­но превосходит скорости макротел, известные физикам. В экспе­риментах никогда не наблюдались движения других материальных объектов со скоростью, равной или превосходящей это значение.

Абсолютна или относительна скорость света? Одинакова ли она во всех инерциальных системах отсчета или различна? За­висит ли скорость света от скорости движения источника или от скорости движения наблюдателя (измерительной аппаратуры)?


По этому закону равенство v = v’, т.е. одинаковость скорости частицы в разных системах отсчета, исключается/так как V — конечная величина, не равная нулю. Формально v = v’ было бы возможно, если бы это были бесконечно большие величины, но скорость света конечна, и это экспериментальный факт.

Если бы скорость света была относительна и подчинялась классическому закону сложения скоростей, то существовал бы в вакууме свет медленный и быстрый — свет от источников, по-раз­ному движущихся в данной системе отсчета. Но эксперименталь­но известно, что свет распространяется в вакууме только с одной скоростью, каковы бы ни были его источники — земные или космические, движущиеся или находящиеся в покое относительно лаборатории (измерительного прибора).

Таким образом, следует признать тверди установленным экспериментальным научным фактом конечность и абсолютность (инвариантность) скорости света в вакууме

Но как теоретически объяснить этот факт и понять его? На основе представлений классической механики и ee концепции о пространстве, времени и движении сделать это невозможно.

Другие опытные основания теории относительности.

Однако не только экспериментальные факты электромагнетизма и оптики не удалось теоретически осмыслить и объяснить в рамках понятии о движении, постулируемых классической механикой. Можно назвать здесь и современные опытные факты. Например, обнаружено, что время существовании (от рождения до распада) дви­жущейся элементарной частицы больше времени жизни такой же покоящейся частицы. Понять этот результат с классических по­зиций нельзя, так как одним из фундаментальных теоретических положений классической механики является постулат абсолют­ности времени. Эксперименты с элементарными частицами явно ему противоречат.

Следует также сослаться на эксперименты по ускорению элементарных частиц (электронов, протонов) на мощных совре­менных ускорителях. Никогда не удавалось разогнать частицы до световой скорости (и тем более сверхсветовой), несмотря на значительные затраты энергии. Почему? Ведь согласно клас­сической механике для ускорения, например, электрона массой m = 9*10-31 кг до скорости v = c = 3*108 м/с достаточно энергии Wкл = mv2/2 = 4,1*10-14 Дж = 0,25 МэВ. А ведь на некоторых линейных ускорителях электроны получают энергию 2 ГэВ, что в 8000 раз больше! Но и при этих энергиях электроны не могут достичь скорости, большей или хотя бы равной скорости света в вакууме.

Назовем еще один экспериментальный факт — превращение элементарных частиц. Установлено, что суммарная масса системы входных элементарные частиц (до их столкновения) не равна суммарной массе системы новых частиц, образовавшихся после столкновения. Такие процессы нельзя описать в понятиях и закономерностях классической механики, в которой масса системы частиц тождественно равна их суммарной массе.

Наконец, известно, что при ядерных реакциях (например, при взрывах ядерных устройств) выделяется колоссальная энергия. Понять и рассчитан, такой энергетический выход ядер­ных реакций посредством классических законов сохранения им­пульса, энергии и массы оказалось невозможным.

Подведем итоги. Экспериментальные результаты протекания различных физических явлений от электромагнетизма и оптики до ядерной физики и физики элементарных частиц не удается теоретически понять, объяснить и описать в рамках постулатов и законов классической механики, относящихся в конечном счете к ее фундаментальным понятиям о пространстве, времени и движении. Потребовались отказаться от представления, будто бы классическая (иначе — ньютоновская) механика пригодна для объяснения всех физических явлений. Оказалось, что есть границы применимости ньютоновской механики, за пределами которых необходимы новые теоретические идеи, новые концепции.

Постулаты специальной теории относительности.

Новая, в сравнении с классической, теоретическая концеп­ция пространства, времени и движения была разработана А. Эйн­штейном (1905 г.) и названа им специальной (частной) теорией относительности (СТО), Значительный вклад в становление и развитие идей СТО внесли X. Лоренц, А. Пуанкаре, Г. Минковский. Основу ее составляет ряд понятий и постулатов. В ка­честве фундаментальных традиционно выделяются два ее постулата: принцип относительности и постулат абсолютной скорости.

Принцип относительности.

Принцип относительности был впервые сформулирован для механики Г. Галилеем (середина XVII в.). Он был принят в качестве постулата и в специальной теории относительности, но в более общем виде, как утверждение, относящееся не только к механическим явлениям, но и к электро­магнитным, оптическим, ядерным.

В специальной теории относительности принцип относитель­ности гласит: все инерциальные системы отсчета (ИСО) физи­чески равноправны — любые физические процессы протекают в них одинаково (при одних и тех же начальных условиях).

Из определения инерциальной системы отсчета и принципа относительности следует, что любая система отсчета, которая движется относительно инерциальной системы отсчета равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Инерциальные системы отсчета ничем не отличаются друг от друга, они пол­ностью физически тождественны. Любую из них, в частности, можно принять за неподвижную, тогда другие будут двигаться относительно нее с различными постоянными по модулю и направлению скоростями.

Принцип относительности также означает, что какие бы фи­зические опыты ни были поставлены в данной инерциальной сис­теме отсчета, они дадут совершенно такие же результаты в лю­бой другой инерциальной системе (при одинаковой постановке опытов). Значит, нельзя по результатам этих опытов определить, покоится ли данная инерциальная система отсчета или движется равномерно и прямолинейно. Не существует абсолютно покоящей­ся инерциальной системы отсчета или абсолютно равномерно и прямолинейно движущейся, речь может идти только о дви­жении или покое относительно другой системы отсчета.

Экспериментальным обоснованием принципа относительности в области оптики можно считать результаты опытов Майкельсона — Морли, в области электромагнетизма — результаты опытов с различными электромагнитными явлениями, в области ядерной физики — результаты экспериментов с ядерными реакциями.

Абсолютная скорость.

Постулат абсолютной скорости утверж­дает: совокупность всех инерциальных систем отсчета характе­ризуется абсолютной, конечной и постоянной величиной с раз­мерностью скорости, обозначаемой символом с.

Термин «абсолютность» употребляется здесь как синоним на­учного термина «инвариантность», означающего неизменность величины при каких-либо преобразованиях. В нашем случае — неизменность при переходах от одной инерциальной системы отсчета к любой другой инерциальной системе отсчета. Назовем величину с релятивистской постоянной. Она равна скорости электромагнитных волн (скорости света) в вакууме.

Экспериментальным обоснованием постулата об абсолютной скорости служат опытные факты, касающиеся свойств скорости света в вакууме.

Независимость скорости света от скорости его источника подтверждается наблюдениями за двойными звездами, а также прямыми измерениями. Приведем лишь два примера. В. де Ситтер в 1913 г. наблюдал движение двойных звезд. Здесь две звезды вращаются вокруг общего центра масс, в момент излучения света вектор скорости одной из них направлен к наблюдателю, а дру­гой — в противоположную сторону. Если бы скорость света зави­села от скорости звезд, то из-за значительной удаленности двой­ной звезды от Земли различие в скорости распространения света от каждой звезды привело бы к оптическим искажениям истинной картины движения этих звезд в поле зрения телескопа, чего де Ситтер не обнаружил.

А. М. Бонч-Бруевич в 1955 г. измерял скорости двух световых волн, идущих соответственно от диаметрально противоположных точек края солнечного диска. Из-за вращения Солнца вокруг своей оси эти точки имеют линейную скорость около 2 км/с; од­на из них удаляется от наблюдателя, другая — приближается к нему. В пределах достаточно высокой точности измерений раз­ницы в скоростях обеих световых волн не оказалось.

Основные понятия.

В специальной теории относительности используются понятия «событие» и «инерциальная система отсчета».

Событие определяется как физическое явление, происходящее в какой-либо пространственной точке в некоторый момент времени о избранной системе отсчетa. Событие характеризуется, таким образом, своим физическим содержанием, местом и временем. Заметим, что так определенное событие — теоретическое понятие. Реальные события происходят в конечной пространственной об­ласти и за конечный промежуток времени. Только в случае достаточной малости последних реальное событие оказывается близким к идеальному (точечному) событию.

Инерциальной называется система отсчета, относительно ко­торой свободная материальная точка либо покоится, либо движет­ся равномерно и прямолинейно. Инерциальная система отсчета — идеальный объект. Реальные системы отсчета лишь приблизи­тельно в большей или меньшей степени соответствуют свойствам инерциальной системы отсчета. Инерциальной (с определенным приближением) является реальная система отсчета, у которой в качестве тела отсчета выбран центр Солнца.

Исследовательская задача СТО.

Сформулируем исследова­тельскую задачу специальной теории относительности: на основе постулатов и вытекающей из них новой концепции пространства, времени и движения теоретически объяснить и описать экспери­ментальные факты электромагнетизма, оптики, механики, ядерной физики, т.е. те физические явления, понять которые на основе представлений классической механики о движении, пространстве и времени оказалось невозможным.


Загрузка...

Яндекс.Метрика Google+