Специальная теория относительности Эйнштейна

В конце XIXв представления о пространстве и времени, существующие со времен И.Ньютона, начали входить в противоречие с некоторыми экспериментами. Потребовались дополнительные исследования, которые привели к созданию Специальной Теории Относительности Эйнштейна (СТО). Кратко рассмотрим основные ее положения.

Противоречия механики Ньютона и электродинамики Максвелла

Согласно сформулированному Г.Галилеем принципу относительности, все механические процессы в инерциальной Системе Отсчета происходят одинаково, вне зависимости от того, движется ли эта система или нет.

Однако, для процессов электродинамики этот принцип начал нарушаться. Дело в том, что из уравнений Дж. Максвелла следовало, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме постоянна ($c ≈ 3×10^8$м/с) и одинакова по всем направлениям. А в соответствии с преобразованиями Галилея, если источник электромагнитных волн движется, то скорость распространения электромагнитных волн должна быть больше в направлении движения и меньше в противоположном направлении.

Рис. 1. Электродинамика Фарадея-Максвелла.

Поиск разрешения данного противоречия велся в двух направлениях.

Во-первых, можно предположить, что уравнения электродинамики неверны. Это направление разрабатывал Г. Герц. Он пытался преобразовать уравнения Максвелла так, чтобы они не входили в противоречия с принципом относительности, и правильно описывали скорость света при переходе между инерциальными системами. Такой подход потребовал введения «истиной» Системы Отсчета, относительно которой электродинамика бы описывала все явления.

Во-вторых, можно предположить, что сам принцип относительности не выполняется для механических Систем Отсчета. И здесь также нужна особая, «истинная» Система Отсчета, относительно которой принцип относительности будет справедлив. Это направление разрабатывалось Х. Лоренцем.

Оба подхода требовали введения «истиной» Системы Отсчета, которая была названа «эфиром», после чего начались его поиски, и попытки определить скорость наблюдателей на Земле относительно эфира.

Опыт Майкельсона

Главным опытом по определению скорости в эфире стал опыт с интерферометром А.Майкельсона. Поскольку свет проходит расстояние «туда и обратно» поперек направления движения Земли быстрее, чем вдоль, эта разница должна фиксироваться по интерференционной картине, причем, картина должна изменяться при изменении ориентации интерферометра.

Схема опыта Майкельсона

Рис. 2. Схема опыта Майкельсона.

Однако, многократное повторение опыта показало, что интерференционная картина не зависит от положения интерферометра.

Получалось, что никакого движения относительно эфира нет, а значит, само понятие «эфира» бессмысленно (оно вводилось как раз для объяснения движения относительно других Систем Отсчета).

Постулаты специальной теории относительности

Оставалась единственная возможность «примирить» электродинамику и принцип относительности – согласиться с тем, что они верны, а неверны сами наши представления о пространстве и времени.

В результате А. Эйнштейном была разработана теория, названная Специальной Теорией Относительности (СТО), в основе которой лежат два постулата:

  • все процессы и законы (в том числе и законы электродинамики) одинаковы во всех инерциальных Системах Отсчета;
  • скорость света в вакууме (с) одинакова для всех инерциальных систем отсчета.

Из этих постулатов следует, что и пространство и время не являются абсолютными, как принято в механике Ньютона, а зависят от Системы Отсчета. Расстояние и время, измеренные в одной Системе, будут отличаться от тех же величин, измеренных в другой. Размеры быстро движущегося тела с точки зрения наблюдателя будут сокращаться. Течение времени для этого тела также будет замедляться.

При этом с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри этого тела – все обстоит наоборот. Поскольку тело движется равномерно и прямолинейно, оно является инерциальной Системой Отсчета. А значит, этот наблюдатель может считать, что он покоится, а все остальные предметы быстро движутся. И именно размеры всех остальных предметов уменьшаются, и время на них замедляется. Размеры и время же этого наблюдателя – остаются прежними.

Подчеркнем – и внешний и движущийся наблюдатель будут правы. Но для согласования результатов их измерений надо использовать не преобразования Галилея, а преобразования Лоренца, формулы которых учитывают скорость движения.

Рис. 3. Преобразования Лоренца.

Что мы узнали?

Изучение элементов Специальной Теории Относительности (СТО) позволяет понять принципы согласования электродинамики Максвелла и механики. В основе СТО лежат постулаты о том, что все процессы во всех Системах Отсчета идут одинаково, и скорость света во всех Системах Отсчета также одинакова. При этом, пространство и время относительны и зависят от скорости наблюдателя.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Впервые принцип относительности Галилея начал нарушаться для…

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 166.

Предметы