§ 28. ПОСТУЛАТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Согласно принципу относительности Галилея (см. учебник для 10 класса) все механические процессы протекают одинаково в любых инерциальных системах отсчёта. Справедлив ли этот принцип относительности для  электромагнитных явлений? Будут ли изменяться основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системе к другой? На эти вопросы пытались ответить физики в конце XIX века.

Основные законы электродинамики содержатся в системе дифференциальных уравнений Максвелла, которая связывает различные характеристики электрического и магнитного полей. Одним из коэффициентов в уравнениях Максвелла является скорость света в вакууме, с. Поэтому законы электродинамики могут быть одинаковы в разных инерциальных системах отсчёта только в том случае, если предположить, что скорость света в вакууме не будет зависеть от выбора инерциальной системы отсчёта.  

Предположение о постоянстве скорости света противоречит правилу сложения скоростей (см. учебник для 10 класса) классической механики, которая, используя законы Ньютона, описывает движение макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Используя правило сложения скоростей, можно вычислить скорость движения источника света, если сравнивать скорости распространения света вдоль вектора движения источника и перпендикулярно этому направлению. Например, проводя такие измерения, можно, казалось бы, вычислить скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, которая составляет около 30 км/с. Однако, как показали эксперименты американских физиков А. Майкельсона и Э. Морли, проведённые в 1880-х годах, скорость света не зависит от того, как измерять её - в направлении движения Земли или в направлении, перпендикулярном этому.  

Чтобы распространить принцип относительности на электромагнитные процессы, А. Эйнштейн в 1905 г. предложил специальную теорию относительности (СТО), в основе которой лежат два постулата, или положения, которые не могут быть доказаны и являются результатом обобщения экспериментальных данных. Первый и главный постулат СТО – все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта. Это означает, что все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах. Второй постулат СТО – скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчёта.  Таким образом, скорость света в вакууме не зависит от движения источника света или его приёмника.

Постулаты СТО изменяют одно из привычных представлений из нашей обыденной жизни - понятие об одновременности событий. Нам кажется очевидным, что два события, произошедшие одновременно в одной инерциальной системе отсчёта, будут одновременными и для наблюдателей этих событий, связанных с другой инерциальной системой. Однако применение постулатов СТО показывает, что это не так.

Пусть, например, точно посередине между двумя вертикальными стенками (1 и 2), установленными на поверхности Земли, происходит короткая вспышка света (рис. 28). Для наблюдателя, стоящего на площадке, свет от вспышки достигнет стенок одновременно. Однако, если смотреть на вспышку света с пролетающей со скоростью v ракеты, то в этой системе отсчёта стенка 2 будет двигаться со скоростью v навстречу лучам света от вспышки, а стенка 1 удаляться от них с той же скоростью. Согласно постулату СТО скорость света в вакууме постоянна, а значит, лучи света от вспышки быстрее достигнут стенки 2, чем стенки 1. События, бывшие одновременными в системе отчёта, связанной с Землёй, перестают быть одновременными в системе отсчёта, связанной с ракетой. Таким образом, одновременность пространственно разнесённых событий становится относительной.     

Вопросы для повторения:

·        Какие постулаты лежат в основе специальной теории относительности?

·        Чем отличается первый постулат специальной теории относительности от принципа относительности Галилея?

·        Как влияют постулаты специальной теории относительности на понятие одновременности?

 

Рис. 28. К относительности одновременности. Лучи света от короткой вспышки достигают одновременно двух вертикальных стенок (1 и 2), установленных на поверхности Земли в системе отсчёта, связанной с Землёй, и не одновременно в системе отсчёта, связанной с ракетой, пролетающей со скоростью v.