"КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА" (М.: Физматгиз, 1963),

глава 14 "Экспериментальные основы специальной теории относительности",

с. 260-265.

...Эти соображения заставляют отказаться от представлений о преимущественной системе отсчёта. Тем самым мы приходим к необходимости распространить на электродинамику принцип относительности. Следовательно, необходимо изменить либо электродинамику, либо классическую механику. Сначала мы рассмотрим попытки изменить электродинамику таким образом, чтобы избежать парадоксов, связанных с эфиром.

§ 14.5. Эмиссионные теории

Модификация электродинамики в так называемых эмиссионных теориях состоит в предположении, что скорость света связана с движением источника, а не с той или иной системой отсчёта. Во всех эмиссионных теориях скорость света относительно источника считается равной c и не зависящей от состояния передающей среды с показателем преломления п. Между собой эти теории различаются по тому, как изменяется скорость света при отражении от движущегося зеркала. При этом возможны три случая:

1. Скорость света относительно источника остается равной c/n.

2. Скорость света относительно зеркала становится равной c/n (так называемая баллистическая теория).

3. Скорость света становится равной c/n относительно изображения источника в зеркале.

Первая теория, предложенная Ритцем, – единственная из трёх, в которой не возникает трудностей с когерентностью отражённого света. Два уравнения Максвелла Ритц оставил прежними

причём, как и прежде, Е и В связаны с потенциалами посредством соотношений

Два других уравнения, в которых фигурируют источники поля, Ритц заменил следующими:

где v_r – компонента скорости источника в направлении излучения. Эти соотношения заменяют обычные запаздывающие потенциалы (13.24) и (13.25) и определяют поля движущихся зарядов.

В отличие от обычной электромагнитной теории, все три эмиссионные теории предсказывают для опытов по интерференции лучей, отражённых от движущихся зеркал, расхождение в первом порядке относительно v/c. Томсон, Майорана и Стюарт поставили такие опыты. Их результаты расходятся с результатами второй и третьей эмиссионных теорий, однако в пределах ошибок эксперимента согласуются с предсказаниями теории Ритца. Это кажущееся согласие обусловлено тем обстоятельством, что теория Ритца, будучи применённой к любой замкнутой системе интерферирующих лучей, даёт результаты, отличающиеся от результатов теории, предполагающей скорость света постоянной, лишь членами порядка (v²/c²). Если источник света движется со скоростью v по направлению к зеркалу, то согласно теории Ритца время, необходимое для того, чтобы свет прошёл расстояние l до зеркала, равно l/(c + v), на обратном пути он пройдёт то же расстояние за время l/(c – v). Суммарное время равно

При постоянной скорости света t= 2l/c, и следовательно, эти величины различаются лишь членами второго порядка малости относительно v/c. Таким образом, опыт с зеркалом и движущимся источником, находящимся в пределах Земли, не даст расхождений с теорией Ритца.

Имеются, однако, два явления космического масштаба, которые противоречат эмиссионной теории в любой её форме. Первое явление, касающееся динамики двойных звёзд, было детально проанализировано де Ситтером. Если бы скорость света линейно зависела от скорости источника, то свет приближающейся звезды достигал Земли скорее, нежели свет удаляющейся звезды. Как показал де Ситтер, это привело бы к кажущемуся вытягиванию орбиты по сравнению с рассчитанной по законам механики. В действительности такого эффекта не наблюдается. Де Ситтер пришёл к выводу, что если скорость света v_св = с + kv_зв, то k < 0,002. Вторым фактом, противоречащим эмиссионной теории, является опыт Майкельсона–Морли с применением солнечного света, выполненный Миллером. Теория Ритца предсказывает некоторое усложнение интерференционной картины, обусловленное, например, вращением Солнца, что в действительности не наблюдается.

§ 14.6. Выводы

Мы рассмотрели ряд опытов, показавших несовместимость электродинамики и механики Ньютона. Сводка таких экспериментов и их связь с различными теориями даны в табл. 14.2. В табл. 14.3 даны основные следствия из трёх возможных предположений, рассмотренных в § 14.1. Из табл. 14.2 видно, что экспериментальную основу теории относительности составляют те опыты, результаты которых противоречат всем иным теориям. Единого данного опыта, который доказывал бы справедливость теории относительности, нет. Значение некоторых экспериментов станет понятным лишь после рассмотрения теории относительности. Все эксперименты доказывают следующее:

1. Невозможно обнаружить существование эфира, неподвижного или увлекаемого.

2. Модификации законов электродинамики, подобные эмиссионным теориям, оказываются несостоятельными.

Т а б л и ц а 14.2

Обозначения:

+ теория согласуется с опытом,

– теория не согласуется с опытом,

0 теория неприменима к опыту.

(авторы приводят устаревшие данные: перечисленные опыты, в том числе с двойными звёздами и солнечным светом, не противоречат теории Ритца, применима она и к другим экспериментам, давая верные выводы – С. Семиков)

Т а б л и ц а 14.3

	Эмиссионные теории	Классические теории эфира	Специальная теория относительности
Система отсчёта	Выделенная система отсчёта отсутствует	Покоящийся эфир – выделенная система отсчёта	Выделенная система отсчёта отсутствует
Скорость	Скорость света зависит от движения источника	Скорость света не зависит от движения источника	Скорость света не зависит от движения источника
Связь пространства и времени	Пространство и время независимы	Пространство и время независимы	Пространство и время взаимосвязаны
Преобразование уравнений	Инерциальные системы отсчёта связаны преобразованием Галилея	Инерциальные системы отсчёта связаны преобразованием Галилея	Инерциальные системы отсчёта связаны преобразованием Лоренца

Таким образом, необходимо сделать вывод, что требуются изменения в основных законах механики.

В качестве решения задачи Эйнштейн в 1905 г. в соответствии с экспериментальными фактами, известными в то время, предложил следующие постулаты:

1. Законы электродинамики (в том числе вывод о распространении света в вакууме со скоростью с), так же как и законы механики, одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

2. Никаким опытом невозможно обнаружить состояния абсолютного движения, и никакое физическое явление не в состоянии определить преимущественную систему отсчёта, обладающую особыми свойствами.

Если законы физики согласовать с этими двумя постулатами, то все опыты табл. 14.2 становятся объяснимыми. Следующую главу мы посвятим изучению содержания этих двух положений, известных как постулаты специальной теории относительности.

ЛИТЕРАТУРА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ОБОСНОВАНИЮ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. Т r o u t o n, N o b l e, Phil. Trans. A202, 165, 1903; Proc. Roy. Soc. (London) 72, 132. 1903.
Попытка обнаружить крутящий момент, действующий на заряженный конденсатор

2. L о r е n t z, Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Korpern, Leiden, 1895.
Раздел, где изложена гипотеза о сокращении движущихся тел, вошёл в книгу The Principle of R е l a t i v i t y, ссылка на которую дана ниже.

3. К е n n е d y and Т h о r n d i k е, Phys. Rev. 42, 400, 1932.
Интерферометр с неравными плечами. Нулевой результат с точностью до +10 км/сек.

4. R i t z. Ann. Chim. et Phys. 13, 145. 1908.
Эмиссионная теория.

5. Т о l m а n. Phys. Rev. 31, 26, 1910; Phys. Rev. 35, 136, 1912; J. J. T h o m s o n, Phil. Mag. 19, 301, 1910; S t е w a r t, Phys, Rev. 32, 418. 1911.
Обсуждение различных эмиссионных теорий.

6. С о m s t o c k, Phys. Rev. 30, 267, 1910; de S i t t e r, Proc. Amsterdam Асad. 15, 1297, 1913; 16, 395, 1913.
Спектроскопические исследования двойных звёзд.

7. M a j o r a n a, Phil. Mag. 35, 163, 1918; 37, 145, 1919.
Эксперименты с движущимся источником и зеркалом.

8. K e n n e d y, Phys. Rev. 47, 965, 1935. Обсуждение геометрических эффектов высокого порядка в опыте Майкельсона – Морли.

9. I v e s, Journ. Opt. Soc. Am. 215, 1938.
Допплеровское смещение.

Дополнительные ссылки можно найти в литературе по теории относительности, список которой приводится ниже.

ЛИТЕРАТУРА

1. R. B e c k e r, Theorie der Elektrizitat. (Русский перевод: Р. Б е к к е р, Теория электричества, т. II.)
Очень ясно рассмотрены экспериментальные основы специальной теории относительности.

2. Р. G. В е r g m a n, An Introduction to the Theory of Relativity. (Русский перевод: П. Г. Б е р г м а н, Введение в теорию относительности.)
Первые три главы этой прекрасной книги убедительно обосновывают необходимость специальной теории относительности.

3. А. Е i n s t е i n, Н. А. L о r е n t z, Н. M i n k o w s k i and Н. W е у l, The Principle of Relativity.
Сборник оригинальных работ по специальной и общей теории относительности с примечаниями Зоммерфельда. Для данной главы наиболее важны раздел “Опыт Майкельсона”, написанный Лоренцем, и его же статья “Электромагнитные явления в системах, движущихся со скоростью, меньшей скорости света”.

4. R. Т о l m a n, Relativity, Thermodynamics and Cosmology.
В гл. II дана сводка важнейших экспериментов и ссылки на оригинальные работы. Подробно эксперименты не обсуждаются.

5. С. М o l l e r, The Theory of Relativity.

* И. Е. Т а м м, Основы теории электричества.

Дата установки: 19.11.2006

[вернуться к содержанию сайта]